CN105092016B - 一种moems矢量水听器 - Google Patents

Abstract

一种MOEMS矢量水听器，包括：光纤(1)、光纤准直器(2)、基座(3)、硅基框架(4)、悬臂梁(5)及微型圆柱体(6)；硅基框架(4)中央架设悬臂梁(5)，安装在基座(3)内；光纤准直器(2)安装在基座(3)的安装孔(32)中，与悬臂梁(5)上对应的平台(51)间形成F‑P腔(16)；微型圆柱体(6)安装在悬臂梁(5)“十”字交叉处的平台(51)上，光纤(1)一端与光纤准直器(2)连接，另一端接入外部光路解调装置。本发明通过F‑P腔进行声‑机‑光转换，利用MOEMS技术将MEMS技术和光纤传感技术相结合，满足微型化、低功耗、抗电磁干扰的要求，实现水听器前端无源，实现对微弱声信号的高灵敏度、高分辨率检测。

Description

一种MOEMS矢量水听器

技术领域

本发明涉及MOEMS传感领域中的一种矢量水听器。

背景技术

矢量水听器作为一种能够时间同步，空间共点测得水下声场矢量信息的传感器，在海洋工程和海洋开发中有着广泛的应用前景。当前矢量水听器以同振型较为多见，例如专利号为ZL200910072009.2的中国发明专利公开了一种“基于压电式速度传感器的三维矢量水听器”，该水听器由三只压电式速度传感器通过连接杆依次连接构成，通过与水质点同振拾取声波信号。在矢量水听器的应用过程中发现同振型压电矢量水听器为保证低频灵敏度，随着频率的降低，体积越来越大，这给水听器在成阵方面和低频应用带来了很大不便，而且同振型压电矢量水听器必须使用弹性悬挂元件(如橡胶绳或金属弹簧等)固定在刚性架上，悬挂原件的机械特性直接影响水听器的电声性能。基于微纳电子技术研制的矢量水听器正逐渐向微型化、集成化发展，利用微机电系统(MEMS)技术研制的单矢量水听器已经能够进行目标定位，例如专利号为ZL200610012991.0的中国发明专利公开的一种“共振遂穿仿生矢量水声传感器”，实现了对水声信号的矢量探测。但是，无论同振型压电矢量水听器，还是采用MEMS技术研制的单矢量水听器，均为有源器件，使用时需要供电，易受电磁干扰，特别是电信号在远距离长线传输中衰减严重，并且电磁噪声对信号的干扰严重，致使水听器信噪比低，抗干扰差等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有MEMS矢量水听器技术的不足，提供了一种MOEMS矢量水听器，该水听器采用F-P(法布里-珀罗)干涉原理，通过在高反射率薄膜与光纤准直器间形成F-P腔的方式进行声-机-光转换，利用MOEMS技术将MEMS技术和光纤传感技术相结合，满足微型化、低功耗、抗电磁干扰的要求，实现水听器前端无源，实现对微弱声信号的高灵敏度、高分辨率检测。

本发明所采用的技术方案是：一种MOEMS矢量水听器，包括：光纤、光纤准直器、基座、硅基框架、悬臂梁及微型圆柱体；硅基框架中央架设悬臂梁；悬臂梁为十字型结构，“十”字四边中点及“十”字交叉处分别设有平台，平台背面镀有反射膜；基座中央开有尺寸与硅基框架外轮廓匹配的安装槽，安装槽内对应所述“十”字四边中点处设有安装孔，硅基框架安装在安装槽内；光纤准直器安装在安装孔中，端面与上方对应的平台平行且留有间隙，每个光纤准直器与对应的平台间形成F-P腔；光纤一端与光纤准直器连接，另一端接入外部光路解调装置中，光纤与平台垂直；用于接收外部声波的微型圆柱体固定在悬臂梁“十”字交叉处的平台上且与平台垂直。

所述反射膜的反射率不低于95％。所述悬臂梁上的平台为正方形。所述硅基框架或悬臂梁采用SOI材料。所述的硅基框架为正方形框架结构，边长尺寸不大于2600μm。所述的基座为正方形结构，边长尺寸不大于4000μm。所述基座的材料为陶瓷。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明与现有技术相比，将具有物理敏感结构微型化能力的MEMS技术和具有高精准特性、抗电磁干扰、抗射频的光纤传感技术相结合，使水听器前端无源，可在电磁干扰恶劣的环境下，实现对微弱声信号的高灵敏度、高分辨率检测。

(2)本发明在成阵使用时，利用光纤传感技术的无源的特点，实现了矢量水听器前端无源，采用光波进行信号的传输，信号衰减小。

(3)本发明与现有技术相比，克服了现有技术中有源器件在使用时需要供电，易受电磁干扰的缺陷，特别是克服了输出的声波信号容易受到电磁环境和长线传输衰减严重的缺陷，在工程实际应用中，具有更好的稳定性。

(4)本发明的悬臂梁上的平台背面所镀反射膜反射率大于95％，使得光在反射过程中能量消耗最小。

(5)本发明的硅基框架和悬臂梁采用SOI材料，该材料易于加工成型。

(6)本发明的硅基框架和基座的尺寸较小使得本发明整体尺寸较小，便于集成。

附图说明

图1为本发明矢量水听器的结构示意图；

图2为本发明矢量水听器的基座示意图；

图3为本发明矢量水听器的工作原理示意图。

具体实施方式

一种MOEMS矢量水听器，包括：光纤1、光纤准直器2、基座3、硅基框架4、悬臂梁5及微型圆柱体6；如图1所示，硅基框架4为正方形框架结构，中央架设悬臂梁5；悬臂梁5为十字型结构，“十”字四边中点及“十”字交叉处分别设有平台51，平台51为正方形，平台51背面镀有反射率不低于95％的反射膜7；基座3为正方形结构，如图2所示，中央开有尺寸与硅基框架4外轮廓匹配的安装槽31，悬臂梁5的“十”字四边上平台51的中心位置对应安装槽31内相应位置处设有安装孔32，硅基框架4安装在安装槽31内；光纤准直器2安装在安装孔32中，端面与对应的悬臂梁5的“十”字四边上的平台51平行且与平台51间留有间隙，每个光纤准直器2与对应的平台51间形成F-P腔16，构成F-P(法布里-珀罗)干涉仪；光纤1一端与光纤准直器2连接，另一端接入外部光路解调装置中，光纤1与平台51垂直；微型圆柱体6安装在悬臂梁5“十”字交叉处的平台51上且与平台51垂直，微型圆柱体6接收外部声波，带动悬臂梁5发生扭转。

硅基框架4、悬臂梁5采用SOI材料(新型硅基集成电路材料)，经过现有的MEMS微机械工艺加工而成的，硅基框架4的边长尺寸不大于2600μm，MOEMS矢量水听器的基座3边长尺寸不大于4000μm。

本发明所采用的MOEMS(微光机电系统)技术结合了MEMS技术的微型化(miniaturization)、微电子化(micro electronics)和光纤传感技术的无源、高灵敏度、抗电磁干扰、远距离传输的特点，采用MOEMS技术可以实现前端无源的高灵敏度矢量水听器。

工作时，声波P被微型圆柱体6拾取，微型圆柱体6发生运动，带动悬臂梁5运动，“十”字型的悬臂梁5上处于同一直线的梁发生扭转变形，扭转变形使得处在该同一直线上的两个平台51形成的两个F-P腔16的腔长发生变化，并且微型圆柱体6两侧的处于同一直线的梁的扭转方向相反，该特征使位于微型圆柱体6两侧的F-P腔16的腔长变化量相反，构成差动式双F-P腔，该双F-P腔的工作原理如图3所示。光源8发出单色光经过光隔离器9、光衰减器10、2×2耦合器11后，变成两束强度和相位相等的光，这两束光再分别经过2×2耦合器12和2×2耦合器13注入两个F-P腔，经过F-P腔处理后，这两束光的反射光分别经过2×2耦合器12和2×2耦合器13投射在探测器14和探测器15上，进而得到两个电流信号I₁和I₂，两个电流信号经前置放大器后变成两路电压信号V₁和V₂，其差值V₁-V₂恰好与所测的腔长变化量成线性关系，并且该腔长变化量反应了外界声信号的变化情况，后续通过对水听器进行校准试验即可获得差值V₁-V₂所对应的声信号特征信息，该结构采用差动式双F-P腔的好处在于提高输出有用信号的灵敏度，并且当有同性噪声作用在水听器时，差分传感方式可有效抑制各向同性噪声输出。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (7)

1.一种MOEMS矢量水听器，其特征在于，包括：光纤(1)、光纤准直器(2)、基座(3)、硅基框架(4)、悬臂梁(5)及微型圆柱体(6)；硅基框架(4)中央架设悬臂梁(5)；悬臂梁(5)为十字型结构，“十”字四边中点及“十”字交叉处分别设有平台(51)，平台(51)背面镀有反射膜(7)；基座(3)中央开有尺寸与硅基框架(4)外轮廓匹配的安装槽(31)，安装槽(31)内对应所述“十”字四边中点处设有安装孔(32)，硅基框架(4)安装在安装槽(31)内；光纤准直器(2)安装在安装孔(32)中，端面与上方对应的平台(51)平行且留有间隙，每个光纤准直器(2)与对应的平台(51)间形成F-P腔(16)；光纤(1)一端与光纤准直器(2)连接，另一端接入外部光路解调装置中，光纤(1)与平台(51)垂直；用于接收外部声波的微型圆柱体(6)固定在悬臂梁(5)“十”字交叉处的平台(51)上且与平台(51)垂直。

2.根据权利要求1所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述反射膜(7)的反射率不低于95％。

3.根据权利要求1或2所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述悬臂梁(5)上的平台(51)为正方形。

4.根据权利要求3所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述硅基框架(4)或悬臂梁(5)采用SOI材料。

5.根据权利要求4所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述的硅基框架(4)为正方形框架结构，边长尺寸不大于2600μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述的基座(3)为正方形结构，边长尺寸不大于4000μm。

7.根据权利要求1或2所述的一种MOEMS矢量水听器，其特征在于：所述基座(3)的材料为陶瓷。