[发明专利]用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜及制备方法，属于声学传感器技术领域。本发明的FP腔光纤声学传感器包括毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜，其中作为FP腔体的毛细玻璃管的一个环形端面与单模光纤的横截面连接，毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的内嵌式双层敏感膜固连；内嵌式双层敏感膜包括软膜和内嵌入软膜内表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。本发明将弹性模量较大且反射率大的金属硬膜镶嵌在弹性模量小的软膜内，形成一内嵌结构，制作出的敏感膜同时具有很好的形变能力和反射率。

技术领域

本发明涉及声学传感器技术领域，尤其涉及一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜及制备方法。

背景技术

近年来，随着光纤传感技术的发展，光纤传感器技术也获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声学传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等；由于光纤传感器采用光纤传感技术，因而具有灵敏度高、抗电磁干扰等优点，适合于复杂电磁环境和微弱信号的情况。这些光纤传感器采用的原理也有多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、MZ干涉仪式、Signac干涉仪式以及FP腔光纤传感器。

在各种原理的光纤声学传感器中，FP腔光纤声学传感器因其结构简单、灵敏度高、解调方法简单而被广泛研究，形成了各种结构的FP腔光纤声学传感器。FP腔光纤声学传感器作为一种新型传感器，和传统电压电容传感器相比，具有结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰并且易于集成化的特点，具有微型化、集成化的发展趋势。

FP腔光纤声学传感器的敏感膜是其关键组件，基于不同材料制成不同结构的敏感膜的FP腔光纤声学传感器已经被多次报导：例如，(1)Dai等人使用单层石墨烯薄膜作为敏感膜，结合套着毛细管的单模光纤构成FP腔，进而制成FP腔光纤声学传感器；其中使用单层石墨烯薄膜制成的敏感膜弹性模量低，但是折射率低、成本较高且容易损坏。(2)Majun等人使用多层石墨烯作为敏感膜，用多层石墨烯制成的敏感膜在0.2-22Khz间有高响应，同时随着石墨烯厚度增大，敏感膜的折射率提高但是其弹性模量增大。(3)使用光子晶体反射镜作为敏感膜，在10-50Khz间有高响应，光子晶体反射镜制成的敏感膜具有高反射率和高弹性模量的特点。

现有的敏感膜只具有高反射率或低弹性模量中的单一特点，不能满足实际FP腔光纤声学传感器的使用要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜及制备方法，敏感膜为在弹性模量小的软膜内表面上内嵌一层高反射率的金属硬膜，同时具有弹性模小和高反射率的特点。

本发明提供了一种用于FP腔光纤声学传感器的内嵌式双层敏感膜，该FP腔光纤声学传感器由毛细玻璃管、单模光纤和敏感膜组成，其中作为FP腔体的毛细玻璃管的一个环形端面与单模光纤的横截面连接，环形端面的外径和单模光纤的直径相等，该毛细玻璃管的另一个环形端面与将其覆盖的敏感膜固连；单模光纤的横截面中心和敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上，单模光纤的纤芯横截面和敏感膜作为FP腔体的两个腔镜，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构。

本发明中的内嵌式双层敏感膜包括软膜和内嵌入软膜表面的金属硬膜，金属硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，金属硬膜的直径与单模光纤纤芯横截面的直径相等，软膜的直径与毛细玻璃管环形端面的外径相等。

进一步的，所述软膜为表面平整光洁的橡胶模或硅胶膜，软膜优选由PDMS制成。

进一步的，金属硬膜由金或银制成。

进一步的，所述内嵌式双层敏感膜的厚度为0.5-10μm，金属硬膜的厚度为10-1000nm。

本发明还提供了一种上述内嵌式双层敏感膜的制备方法，包括以下步骤：