带仿耳式封装结构的光纤珐珀声波传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，尤其是涉及一种带仿耳式封装结构的光纤珐珀声波传感器及其制作方法。

背景技术

仿生学通过了解和模仿生物的结构和功能原理，来研制新工具和新技术，以解决机械技术的难题。从古时候起，仿生现象便层出不穷，通过对鱼类的模仿，古人伐木造船，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单槽，由此取得水上运输的自由。鲁国匠人鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”并且他从一种能划破皮肤的带齿的草叶得到启示而发明了锯子。模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生学的先驱，仿生学的萌芽。从20世纪50年代以来随着生产的需要和科学技术的发展，人们利用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。仿生学作为一种独立的学科，正式诞生于1960年9月，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术装备提供了新原理、新方法和新途径，为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。

光纤是一种由玻璃、塑料或石英制成的极细纤维，由于具有良好的封闭特性，赋予了它免受电磁干扰的独特优点，故而经常被应用于光学传感系统中。光纤传感技术伴随着光纤通信产业和光电子技术的进步得以迅速发展，光源和光电转换元件作为光学系统的核心器件，近年来其性价比迅速增长，使得光纤传感系统的成本大大降低，因而得到了越来越广泛的实际应用。光纤传感器对电绝缘，可实现无电传输，微型化优势极其明显，尺寸小、重量轻，能够适应高温高压、强电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境条件，完美的弥补了电子式传感器的工作缺陷，因此光纤传感技术一直是各高校和科研机构研究的热点，在实际应用领域也发挥着越来越重要的作用。

光纤珐布里-珀罗型传感器，简称光纤珐珀传感器，是采用光纤既作为传光媒质，又构成敏感部件，实现对于多种参量的测量。它利用了光学上的珐布里-珀罗干涉仪原理进行传感。这种传感器可以利用多光束干涉，双光束干涉，也可以利用白光干涉，它的传感探头尺寸可以做到很小，形状非常灵活，具有极高的灵敏度以及动态响应速度，成为近年来光纤传感技术研究的热点之一。光纤珐珀传感器性能稳定可靠，可用于温度、应力、压力、折射率、磁场、电压、液位、流速、声音、振动、气体和加速度等物理量的长时间连续、安全检测，在各种微弱的动态参量，例如声压、振动等检测，也具有不可取代的位置。

光纤珐珀声波传感器的探头由光纤、敏感芯片、珐珀腔和支撑套管等部分组成，用于接收外界的声波信息，敏感芯片的振动引起珐珀腔腔长的改变，由双光束干涉理论可知：反射光的光强会受到影响，进而通过后续的解调来还原外界声信号。由于探头易受到损伤，所以一般需要对探头进行封装处理以达到保护的目的。目前国内有着多种封装结构，经典的珐珀腔的封装是通过玻璃套管包裹光纤，对光纤起到保护作用，光纤端面和敏感芯片构成珐珀腔，最外层使用金属或非金属外壳封装，比如松套管对芯片进行保护，大多数封装结构均与此类似。由于封装一般是按照传感器的尺寸进行定做，所以市场上没有成熟的产品。然而目前的封装结构虽然能一定程度上起到对探头的保护作用，但会使得声波在传输过程中有着极大的损耗，导致传感器的灵敏度降低，对微弱声波的检测能力下降。耳朵作为人和很多动物收集声音信号的器官，呈漏斗状，有收集外来声波的作用。自从仿生学问世以来的几十年内，仿生学的研究得到迅速发展，研究涉及领域不断扩大且取得了显著成果，但将仿生结构用作珐珀传感器的封装结构至今还鲜有报道。

发明内容

为了克服珐珀声波传感器传统封装结构单一，无法有效降低声波发散从而导致声波损耗过大等缺陷，降低传感器工作过程中的声波损耗，加强传感器对微弱声波的检测能力，提高光纤珐珀声波传感器的灵敏度。本发明提供一种带仿耳式封装结构的光纤珐珀声波传感器及其制作方法，封装结构外壳为仿耳式结构，旨在减小声波损耗，增大传感器接收到的声能；膜片进行镀金处理，旨在提高膜片的表面反射率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的一个方面，提供了一种带仿耳式封装结构的光纤珐珀声波传感器，包括仿耳式封装壳、敏感膜片、反射层、单模光纤和套筒，所述的仿耳式封装壳包括耳廓结构和耳道结构，所述的耳廓结构通过耳道结构与敏感膜片连接，所述的单模光纤插入套筒的一端，所述的敏感膜片固定在套筒的另一端，所述的反射层设在敏感膜片上。

作为优选的技术方案，所述的单模光纤与敏感膜片的中心平行且同轴。

作为优选的技术方案，所述的仿耳式封装壳为仿人耳结构。

作为优选的技术方案，所述的仿耳式封装壳为仿蝙蝠耳结构。

作为优选的技术方案，所述的仿耳式封装壳为采用精密机械加工技术或3D打印技术制作而成的壳体。

作为优选的技术方案，所述的反射层为采用蒸镀制作而成的反射层。

作为优选的技术方案，所述的反射层为磁控溅射金、银或铝材料制作而成的反射层。

作为优选的技术方案，所述的敏感膜片为采用MEMS加工工艺制作而成的敏感膜片。

作为优选的技术方案，所述的单模光纤和套筒之间用紫外固化胶来固定。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于所述的带仿耳式封装结构的光纤珐珀声波传感器的制作方法，包括以下步骤：

1)制作敏感膜片，并对其进行镀膜处理，形成反射层，然后将敏感膜片与套筒的一个端面贴合，使其中心与套筒的中心同轴，然后利用紫外固化胶将敏感膜片固定；

2)将单模光纤从套筒的另一端插入，通过调节使单模光纤端面与敏感膜片的中心平行且同轴，调节单模光纤进入套筒的长度来调节珐珀腔的腔长，调节到设定腔长后，单模光纤与套筒之间用紫外固化胶来固定；

3)制作仿耳式封装壳，将套筒固定有敏感膜片的一端与耳道结构固定在一起，仿耳式封装壳与套筒连接处外径相同，采用物理连接法，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。

与现有技术相比，本发明光纤珐珀声波传感器的仿耳式封装结构，既能够起到对光纤珐珀声波传感器探头的保护作用，降低声波传输的损耗，又不影响其声波检测的灵敏度。同时本发明可作为光纤珐珀声波传感器较为成熟的封装结构进行推广使用。

附图说明

图1为本发明的完整结构示意图；

图2为本发明仿人耳结构的示意图；

图3为本发明仿蝙蝠耳结构的示意图；

图4为本发明敏感膜片和套筒制作的示意图；

图5为本发明单模光纤装入套筒的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种光纤珐珀声波传感器的仿耳式封装结构。外部封装结构为一个仿人耳式封装外壳，封装外壳模仿人耳耳廓的结构，敏感膜片固定在空心圆柱形套筒的一侧，大概位于耳结构中鼓膜的位置，经过耳廓封装结构收集外界的声波，传输到膜片引起敏感膜片的振动；同时针对不同需求，设计了两种封装结构，其中仿蝙蝠耳的结构聚声效果更为显著。采用这样的封装结构，能够极大的增强传感探头的聚声能力，大大降低了声波的损耗，提高了传感器对微弱声波的检测能力。

实施例1

本发明提出的光纤珐珀声波传感器的仿耳式封装结构及其制作方法，整体封装结构参照图1，图1为封装结构正面剖视图。器件主要包括仿耳式封装壳1、敏感膜片4、反射层5、单模光纤6和套筒7，所述的仿耳式封装壳1包括耳廓结构2和耳道结构3；

所述封装结构整体采用高温合金制作，单模光纤6插入套筒7的一端，敏感膜片4固定在套筒7的另一端，单模光纤6与敏感膜片4的中心平行且同轴，中空区域即为珐珀腔，仿耳式封装壳1固定在结构的外部，主体结构为耳廓结构2，并通过耳道结构3与敏感膜片4相连。

进一步的，仿耳式封装壳1采用精密机械加工技术制作。仿耳式封装壳1采用仿人耳结构，具体结构图2。

进一步的，所述的反射层5可通过磁控溅射金材料制作。

仿耳式封装结构的基本工作原理为：耳廓结构2能极大地提高传感器的聚声能力，同时仿耳式封装壳1和耳道结构3的喇叭式广口设计能大大提高声波接收的范围，降低声波损耗；进入封装结构内部后的声波可通过耳道结构3到达敏感膜片4，引起膜片的振动，实现传感器对声波的检测。

步骤1：参阅图4，通过MEMS加工工艺制作敏感膜片4，并对其进行镀膜处理，形成反射层5,然后将敏感膜片4与套筒7的一个端面贴合，使其中心与套筒7的中心同轴，然后利用紫外固化胶将敏感膜片4固定；

步骤2：参阅图5，将单模光纤6从套筒7的另一端插入，通过调节使单模光纤6端面与敏感膜片4的中心平行且同轴，调节单模光纤6进入套筒7的长度来调节珐珀腔的腔长，调节到合适腔长后，单模光纤6与套筒7之间用紫外固化胶来固定；

步骤3：参阅图1，采用精密机械加工技术制作仿耳式封装壳1，将套筒7固定有敏感膜片4的一端与耳道结构3固定在一起，仿耳式封装壳1与套筒7连接处外径相同，采用物理连接法，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。

实施例2

本发明提出的光纤珐珀声波传感器的仿耳式封装结构及其制作方法，整体封装结构参照图1，图1为封装结构正面剖视图。器件主要包括仿耳式封装壳1、敏感膜片4、反射层5、单模光纤6和套筒7，所述的仿耳式封装壳1包括耳廓结构2和耳道结构3；

所述封装结构整体采用光敏树脂制作，单模光纤6插入套筒7的一端，敏感膜片4固定在套筒7的另一端，单模光纤6与敏感膜片4的中心平行且同轴，中空区域即为珐珀腔，仿耳式封装壳1固定在结构的外部，主体结构为耳廓结构2，并通过耳道结构3与敏感膜片4相连。

进一步的，仿耳式封装壳1采用精3D打印技术制作。仿耳式封装壳1采用仿蝙蝠耳结构，具体结构图3。

进一步的，所述的反射层5可通过磁控溅射银材料制作。

仿耳式封装结构的基本工作原理为：耳廓结构2能极大地提高传感器的聚声能力，同时仿耳式封装壳1和耳道结构3的喇叭式广口设计能大大提高声波接收的范围，降低声波损耗；进入封装结构内部后的声波可通过耳道结构3到达敏感膜片4，引起膜片的振动，实现传感器对声波的检测。

步骤1：参阅图4，通过MEMS加工工艺制作敏感膜片4，并对其进行镀膜处理，形成反射层5,然后将敏感膜片4与套筒7的一个端面贴合，使其中心与套筒7的中心同轴，然后利用紫外固化胶将敏感膜片4固定；

步骤2：参阅图5，将单模光纤6从套筒7的另一端插入，通过调节使单模光纤6端面与敏感膜片4的中心平行且同轴，调节单模光纤6进入套筒7的长度来调节珐珀腔的腔长，调节到合适腔长后，单模光纤6与套筒7之间用紫外固化胶来固定；

步骤3：参阅图1，采用3D打印技术制作仿耳式封装壳1，将套筒7固定有敏感膜片4的一端与耳道结构3固定在一起，仿耳式封装壳1与套筒7连接处外径相同，采用物理连接法，形成光纤珐珀声波传感器的完整封装结构。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。