飛秒激光加工微懸臂梁薄膜光纖聲波傳感器

鄭怡雯，陳永璋，2，唐前浩，朱一新，于永芹，杜晨林，3，阮雙琛，3

（1 深圳技術(shù)大學(xué) 廣東省高校先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518118）

（2 深圳技術(shù)大學(xué) 新材料與新能源學(xué)院，深圳 518118）

（3 深圳技術(shù)大學(xué) 中德智能制造學(xué)院，深圳 518118）

0 引言

聲波探測技術(shù)已應(yīng)用于光聲成像、無損檢測、自然災(zāi)害監(jiān)測等民用領(lǐng)域［1-3］和水下通訊、水下導(dǎo)航、聲納定位、目標(biāo)識別等國防安全領(lǐng)域［4-6］。與傳統(tǒng)的電容式或壓電式聲學(xué)傳感器相比，光纖聲學(xué)傳感器具有獨(dú)特的優(yōu)勢，如無源、耐高溫、耐腐蝕、重量輕、頻帶響應(yīng)寬、不受電磁輻射干擾等，光纖聲波傳感技術(shù)可以解決傳統(tǒng)電子型聲波傳感器難以勝任的測量問題。目前，光纖聲波傳感器應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的是非本征法布里-珀羅干涉儀（Extrinsic Fabry-Perot interferometer，EFPI）。EFPI 光纖聲學(xué)傳感器通常由光纖端面和聲學(xué)傳感膜片構(gòu)成，其聲學(xué)傳感特性主要由膜片決定，硅片［7］、殼聚糖［8］、石墨烯［9］、貴重金屬［10］以及復(fù)合型薄膜［11］等均可用作EFPI 傳感器的敏感薄膜。2018年，ZHOU Han 等［12］使用80 μm 厚的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）膜片來檢測微弱聲波信號，獲得了約-136 dB 的高動態(tài)壓力靈敏度。然而，PDMS 膜片厚度過大制約了聲壓靈敏度的進(jìn)一步提高，同時傳感器的封裝方式也需要進(jìn)一步優(yōu)化以降低整體的制作成本。2020年，HUANG Qiangqiang 等［13］制作了厚度約為100 nm 的金膜片并用于光纖EFPI 聲波傳感器。該傳感器在2.6 kHz 的頻率下具有1.3 mPa/Hz1/2的噪聲等效聲學(xué)信號水平。2021年，XIANG Zhouwei 等［14］將納米金膜片和光纖準(zhǔn)直器封裝在玻璃套管內(nèi)形成EFPI 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了-175.7 dB 的靈敏度。金膜片具有良好的延展性且易于加工，但成本較高，制備及轉(zhuǎn)移過程過于復(fù)雜。

懸臂梁是一種簡單的微機(jī)械傳感元件，可以檢測到微小的位移或作用力，通常表現(xiàn)為一段固定的突出橫梁結(jié)構(gòu)?；谖C(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro Mechanical System，MEMS）技術(shù)的微懸臂梁傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、無標(biāo)簽檢測、靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢，使其在物理、化學(xué)、醫(yī)療、環(huán)境、材料等領(lǐng)域受到大量關(guān)注［15-19］。IANNUZZI D［20］在2006年提出了一種在光纖端面制造微懸臂梁以形成EFPI 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的設(shè)計結(jié)合了微懸臂梁和光纖傳感的共同優(yōu)勢。此后，各種光纖尖端微懸臂結(jié)構(gòu)傳感器被廣泛設(shè)計及應(yīng)用，與傳統(tǒng)的機(jī)械式懸臂梁系統(tǒng)相比，光纖懸臂梁傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊、光路穩(wěn)定性高等優(yōu)勢。2020年，XIN Fengxin 等［21］提出一種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖聲波傳感器，用于檢測二氧化碳濃度。利用懸臂梁的共振模式和諧波檢測技術(shù)，該傳感系統(tǒng)對二氧化碳的檢測極限達(dá)到0.044×10-6。

飛秒激光作為一種靈活、高效、非接觸式的加工工具，在微納結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。通過激光輻照，能量可以在短時間內(nèi)注入目標(biāo)材料，并將能量集中在焦點(diǎn)位置附近，與未受到激光輻照的其他區(qū)域相比，目標(biāo)區(qū)域很容易實(shí)現(xiàn)表面性能的改變。與納秒或皮秒激光相比，飛秒激光具有更短的脈沖寬度和更高的峰值功率，與材料相互作用時會產(chǎn)生劇烈的非線性效應(yīng)。ALBRI F 等［22］利用商用皮秒激光系統(tǒng)在光纖頂部制造微懸臂傳感單元，通過優(yōu)化激光參數(shù)，補(bǔ)償燒蝕錐角，減少再沉積碎片等方法，并引入拋光工藝，獲得了平行于光纖端面且具有光學(xué)質(zhì)量的微懸臂表面。與化學(xué)蝕刻法相比，激光直接加工的方式大大縮短了加工時間，具有較高的加工精度。LAUWERS T 等［23］設(shè)計并制作了一種帶鉸鏈的懸臂梁麥克風(fēng)，利用激光切割制成不銹鋼材質(zhì)的鉸鏈懸臂梁，并將鉸鏈懸臂梁和光纖裝配于金屬套筒內(nèi)，構(gòu)成了法布里-珀羅（Fabry-Perot，F(xiàn)P）聲學(xué)換能器，其具有630 mV/Pa 的聲波靈敏度。因此，制作一種高精細(xì)度、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及可重復(fù)使用的光纖聲波傳感器具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

本文對硅橡膠薄膜光纖聲波傳感器進(jìn)行優(yōu)化，利用飛秒激光加工技術(shù)制備出具有微懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖聲波傳感器，對微懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計算，最后通過實(shí)驗(yàn)對微懸臂梁薄膜光纖聲波傳感器的聲壓靈敏度、頻率響應(yīng)特征曲線以及信噪比曲線進(jìn)行分析。

1 懸臂梁光纖傳感器原理

1.1 光纖懸臂梁傳感器的結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)理

懸臂梁的典型結(jié)構(gòu)為一邊固定另外一邊懸空的結(jié)構(gòu)，主要的結(jié)構(gòu)形式包括矩形式、三角式、T 形式、U形式、音叉式和橋式等。不同結(jié)構(gòu)的微懸臂梁常用于不同的領(lǐng)域，例如：三角形結(jié)構(gòu)通常用于原子力顯微鏡探針，這種結(jié)構(gòu)有利于減小微懸臂梁在探測過程中產(chǎn)生橫向位移。T 形梁是在矩形梁的基礎(chǔ)上增加了頂端面積，有利于增加生化分子探測中的反應(yīng)面積。U 形結(jié)構(gòu)使梁頂產(chǎn)生了彎曲，一般應(yīng)用于加速度的探測，音叉式結(jié)構(gòu)主要用于對角速度的檢測，橋式結(jié)構(gòu)一般用于對壓力的測量。其中由于矩形結(jié)構(gòu)較為簡單，且加工容易，得到了最為廣泛的應(yīng)用，因此本文選擇對矩形橫梁進(jìn)行研究。此類光纖懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)包括一個矩形橫梁和一個固定底座，該底座位于光纖邊緣，微懸臂梁固定在金屬套筒并與光纖端面平行，其結(jié)構(gòu)示意如圖1。光在到達(dá)光纖端面時發(fā)生部分反射，其余光束透過光纖端面并到達(dá)懸臂梁內(nèi)表面，由于折射率不匹配，懸臂梁內(nèi)表面也將產(chǎn)生反射光，并重新耦合到光纖中。懸臂梁內(nèi)表面與光纖端面之間會形成FP 干涉，當(dāng)外部物理、化學(xué)或生物因素引起微懸臂梁偏轉(zhuǎn)時，法布里-珀羅干涉儀（Fabry-Perot interferometer，F(xiàn)PI）的腔長會發(fā)生變化。與基于封閉膜片的FPI 傳感器相比，光纖微懸臂傳感器在相同條件下具有更大的形變量，因此具有更高的靈敏度和較大的動態(tài)響應(yīng)范圍。通過解調(diào)懸臂梁的撓度，可以準(zhǔn)確地測量外部信號。由Stoney 方程可知，矩形微懸臂梁撓度與微懸臂梁表面應(yīng)力成正比［24］，可表示為

圖1 光纖懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the fiber optic cantilever sensor

式中，z為懸臂梁自由端的撓度，l為矩形微懸臂的長度，μ和E分別為材料的泊松比和楊氏模量，h為微懸臂的厚度，Δσ為微懸臂表面受到的應(yīng)力。因此，懸臂梁的靈敏度可以表示為

可以看出，懸臂梁的靈敏度與其長度、厚度、材料的楊氏模量、泊松比有關(guān)。為了研究懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對其靈敏度的影響，通過MATLAB 仿真出了懸臂梁長度、厚度與靈敏度的關(guān)系圖，如圖2。從仿真結(jié)果可知，當(dāng)懸臂梁長度一定時，厚度越小，其靈敏度越大；當(dāng)懸臂梁厚度一定時，長度越長，其靈敏度越大。但是隨著厚度的減小，或者長度的增大，由于自身重力的影響，懸臂梁容易變形或卷翹，因此本文采用厚度為6 μm 和12 μm，長度為500 μm 的懸臂梁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 微懸臂梁結(jié)構(gòu)參數(shù)與其靈敏度關(guān)系Fig.2 The relationship of microcantilever structure parameters and sensitivity

圖3 為懸臂梁結(jié)構(gòu)聲敏感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。懸臂梁是單邊固定，三邊自由的矩形薄膜結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界聲波傳遞到懸臂梁薄膜表面時，聲波驅(qū)使懸臂梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聲波信號將轉(zhuǎn)化為懸臂梁的振動信號。對于端面為矩形的均勻懸臂梁，其一階共振頻率可表示為［25］

圖3 懸臂梁薄膜表面示意Fig.3 Schematic of the structure of the cantilever beam thin film surface

1.2 懸臂梁薄膜光纖傳感器的解調(diào)原理

懸臂梁薄膜自由端在受到外界聲波作用下將產(chǎn)生周期性振動，懸臂梁薄膜表面與光纖端面之間的距離，即FP 腔長會隨聲波的振動而產(chǎn)生周期性變化。由于光纖端面及懸臂梁薄膜表面對光信號的反射率較低，光波在FP 腔內(nèi)的多次反射可忽略，反射回光纖內(nèi)部的干涉光強(qiáng)度可表示為

式中，Ii表示入射光的強(qiáng)度，γ為干涉條紋能見度，λ為光波波長，d0代表初始FP 腔的長度，Δd表示懸臂梁擺動的幅度，ω為聲波的角頻率，t為時間。根據(jù)FP 干涉理論，當(dāng)腔長發(fā)生改變時，懸臂梁結(jié)構(gòu)光纖聲波傳感器的反射光信號將發(fā)生變化。利用正交工作點(diǎn)直接測量法就可以實(shí)現(xiàn)對外界聲音信號的測量，其原理如圖4。當(dāng)FP 腔長改變了半個波長時，光電轉(zhuǎn)換器接收到的光強(qiáng)信號變化了一個周期?？烧{(diào)諧激光器輸出的窄帶光波長設(shè)置位于正交工作點(diǎn)Q附近時，輸出光強(qiáng)隨FP 腔長的改變發(fā)生線性變化，此時斜率為最大值，即聲波傳感器的靈敏度在此處最大。

圖4 正交工作點(diǎn)直接測量法示意Fig.4 Schematic of the orthogonal working point with direct measurement method

為了檢測來自微懸臂梁探頭的干涉光信號，需要對獲得的光信號進(jìn)行解調(diào)，常見的光纖解調(diào)系統(tǒng)如圖5。來自光源（通常是寬帶光源或可調(diào)諧激光）的光通過光纖環(huán)行器耦合到微懸臂梁探頭，產(chǎn)生的FP 干涉信號通過光纖環(huán)形器傳輸?shù)焦怆娞綔y器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后利用數(shù)據(jù)采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，最后，利用計算機(jī)程序?qū)Σ杉降男盘栠M(jìn)行分析處理以還原出微懸臂梁探頭處的聲波信息。利用微懸臂梁的超緊湊尺寸和光纖解調(diào)系統(tǒng)的靈活性，可以對狹窄空間中的目標(biāo)聲音進(jìn)行遠(yuǎn)程測量。

圖5 微懸臂梁光纖傳感解調(diào)系統(tǒng)Fig.5 Micro-cantilever fiber optic sensing demodulation system

2 懸臂梁薄膜光纖聲波傳感器制作

飛秒激光作為一種靈活、高效、非接觸式的加工工具，具有更短的脈沖寬度和更高的峰值功率，可實(shí)現(xiàn)對材料的高精度加工［26］。飛秒激光微加工實(shí)驗(yàn)裝置及其外光路示意如圖6。圖中的綠色箭頭表示飛秒激光的光路，黃色箭頭表示照明和成像光路，黑色虛線代表電氣控制線路。實(shí)驗(yàn)中使用的激光光源（Spectra-Physics Spirit One）波長為520 nm，脈沖寬度為250 fs，最高功率達(dá)6 W，峰值脈沖能量為30 μJ，重復(fù)頻率最高可達(dá)200 kHz，通過軟件控制脈沖持續(xù)時間、輸出功率以及重復(fù)頻率，可實(shí)現(xiàn)高度加工靈活性。實(shí)驗(yàn)裝置中的衰減器（Newport VA-BB-1）和電子高速快門（Newport 76992）在外光路中用于調(diào)節(jié)飛秒脈沖的功率和控制激光通斷。待加工樣品放置在三維位移平臺（Prior Scientific，H117）上，可實(shí)現(xiàn)位移精度為0.01 μm 的XYZ軸移動，移動速度在0.25～25 mm/s 之間可調(diào)。照明及成像系統(tǒng)由奧林巴斯顯微鏡（Olympus BX-53）和圖像處理程序（Image Proplus）構(gòu)成。二向色鏡用于將激光引入成像系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)激光加工和樣品觀測同步進(jìn)行。

圖6 飛秒激光微加工系統(tǒng)示意Fig.6 Schematic of a femtosecond laser micromachining system

通過旋涂-蘸取的方法制作了固定在不銹鋼套筒末端的硅橡膠薄膜［27］，其結(jié)構(gòu)如圖7。制作過程如圖8，主要包括以下步驟：1）對光纖進(jìn)行預(yù)處理，再將光纖插入內(nèi)徑約為125 μm 的陶瓷插芯，使光纖末端稍微突出陶瓷插芯。2）旋涂硅橡膠，將硅橡膠滴在放置于勻膠機(jī)吸盤上的方形玻璃板上，在勻膠機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，硅橡膠被甩成厚度均勻的薄膜涂覆在玻璃板上。3）硅橡膠薄膜的轉(zhuǎn)移，將玻璃板從勻膠機(jī)的吸盤上取下，放在實(shí)驗(yàn)臺上，此時硅橡膠還沒完全固化。將不銹鋼套筒固定在垂直位移平臺上，通過位移平臺控制不銹鋼套管上下移動，當(dāng)不銹鋼套管完全浸沒在硅橡膠中，以一定的速度拉升不銹鋼套管，玻璃板上的硅橡膠薄膜會轉(zhuǎn)移到不銹鋼套管上。在不銹鋼材料的可潤濕性以及膠體材料的表面張力作用下，不銹鋼套管末端會形成一個邊緣固定的密閉圓形硅橡膠薄膜，進(jìn)而硅橡膠與空氣中的水分發(fā)生作用而固化成彈性體，固化時間一般為10 min。4）將不銹鋼套管與步驟1）中連接光纖的陶瓷插芯組裝，調(diào)節(jié)光纖端面與硅橡膠薄膜的間距，利用紫外光固化膠對陶瓷插芯與不銹鋼套管進(jìn)行固定。

圖7 硅橡膠薄膜光纖聲波傳感器的結(jié)構(gòu)Fig.7 The structure of silicone rubber thin film fiber optic acoustic sensor

圖8 硅橡膠薄膜的制作過程Fig.8 The production process of silicone rubber film

利用飛秒激光在制備成功的硅橡膠薄膜上刻寫微懸臂梁。當(dāng)飛秒激光的能量密度超過硅橡膠的燒蝕閾值后，飛秒激光在硅橡膠薄膜上產(chǎn)生燒蝕作用，獲得微懸臂梁結(jié)構(gòu)。為了在硅橡膠薄膜上刻寫出平整的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，經(jīng)過對飛秒激光重復(fù)頻率與單脈沖能量參數(shù)的探究，最終確定了合適的飛秒激光刻寫參數(shù)：波長520 nm、脈沖寬度250 fs、單脈沖能量1.2 μJ、重復(fù)頻率800 Hz，掃描速度1 mm/s。在懸臂梁薄膜加工過程中，可預(yù)先通過軟件程序編寫好激光的掃描路徑，采用上述參數(shù)的飛秒激光加工制作出了三個同樣尺寸的懸臂梁薄膜（如圖9），證明該傳感器重復(fù)性良好。懸臂梁結(jié)構(gòu)的硅橡膠薄膜為單邊固定，三邊自由的矩形梁結(jié)構(gòu)，長寬均為500 μm，厚6 μm，位于不銹鋼套筒中央。加工過程中激光僅掃描一遍，由于激光功率稍大，導(dǎo)致硅橡膠薄膜有輕微的熱變形。最后，將固定好薄膜的不銹鋼套筒和陶瓷插芯組裝起來，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行固定，即完成懸臂梁結(jié)構(gòu)硅橡膠薄膜的裝配。

圖9 懸臂梁結(jié)構(gòu)硅橡膠薄膜Fig.9 Cantilever structure silicone rubber thin film

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于微懸臂梁硅橡膠薄膜光纖聲波傳感器的反射光譜測量裝置如圖10。寬帶光源輸出的光束通過光纖環(huán)形器傳輸?shù)絺鞲刑筋^處，單模光纖端面及硅橡膠薄膜的反射光耦合回光纖并發(fā)生干涉，再經(jīng)由光纖環(huán)形器傳輸?shù)焦庾V分析儀中，利用光譜分析儀記錄聲波傳感器的反射光譜。按上述方式經(jīng)飛秒激光加工后的懸臂梁光纖聲波傳感器的反射光譜如圖11。此時反射光譜的對比度為8.8 dB，自由光譜范圍為7.72 nm，經(jīng)計算可得光纖端面到懸臂梁薄膜的間距即FP 腔長為155.6 μm。

圖10 微懸臂梁光纖聲波傳感的反射光譜測量裝置Fig.10 Spectrum measurement setup for micro-cantilever fiber optic acoustic sensing

圖11 微懸臂梁光纖聲波傳感器反射光光譜Fig.11 Interference spectrum of the micro-cantilever fiber optic acoustic sensor

為了測試微懸臂梁結(jié)構(gòu)硅橡膠薄膜光纖聲波傳感器的性能，采用正交工作點(diǎn)直接測量法探究傳感器的頻率響應(yīng)特征曲線、幅度響應(yīng)特征曲線以及信噪比特征曲線。微懸臂梁結(jié)構(gòu)光纖聲波傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置與測試硅橡膠薄膜光纖聲波傳感器系統(tǒng)相同，如圖12。為了檢測與校正聲波信號，實(shí)驗(yàn)中加入了聲壓靈敏度為47.7 mV/Pa 的參考麥克風(fēng)（BSWA-MPA201）。整個傳感系統(tǒng)包括：可調(diào)諧窄帶激光器（UC Instruments）、光纖環(huán)形器、靜音箱、光學(xué)麥克風(fēng)、電學(xué)麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、信號發(fā)生器（Gwinstek-AFG2225）、光電探測器（Thorlabs-PDA10D2）、前置放大器以及示波器（Gwinstek-GDS1102B），EFPI 光纖傳感器即為所制作的微懸臂梁光纖聲波傳感結(jié)構(gòu)。在靜音箱中，微懸臂梁光纖聲波傳感器與參考傳感器正對揚(yáng)聲器并對稱放置在軸線兩側(cè)，以確保兩者接收到的聲場信息一致。在聲波傳感系統(tǒng)中，可調(diào)諧窄帶激光器作為光源輸出光信號，通過光纖環(huán)形器傳輸?shù)轿冶哿汗饫w聲波傳感探頭中，激光器輸出的窄帶光信號的波長位于光纖傳感器的正交工作點(diǎn)。光信號分別在光纖端面和硅橡膠薄膜處發(fā)生菲涅爾反射，反射光重新耦合到光纖中并發(fā)生FP 干涉。干涉光信號通過光纖環(huán)形器輸出到光電探測器探測窗口，光電探測器將所探測到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號輸入示波器中。示波器可記錄光學(xué)麥克風(fēng)和電學(xué)麥克風(fēng)輸出信號隨時間變化的波形。若將示波器改為數(shù)據(jù)采集卡，就可以直接讀取測量的聲音數(shù)據(jù)。揚(yáng)聲器輸出聲波的頻率和幅值由信號發(fā)生器決定，當(dāng)聲波經(jīng)空氣介質(zhì)擴(kuò)散到傳感器處時，微懸臂梁硅橡膠薄膜受到聲壓的作用發(fā)生周期性振動，將會引起FP 腔內(nèi)兩干涉光信號相位差的改變，進(jìn)而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化，對示波器的信號進(jìn)行分析可獲取待檢測的聲音信息。

圖12 光纖聲波傳感系統(tǒng)裝置Fig.12 Experimental setup for fiber optic acoustic sensing system

圖13為懸臂梁光纖聲波傳感器在300～3 000 Hz范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)特征曲線。從圖中可以看出，傳感器在不同頻率范圍內(nèi)的靈敏度各不相同，在2 200 Hz 處出現(xiàn)明顯的共振特征峰，對應(yīng)的聲壓靈敏度為414 mV/Pa。在300 Hz 時有最大的靈敏度675 mV/Pa，與未進(jìn)行飛秒激光加工的硅橡膠薄膜傳感器具有的最大靈敏度387 mV/Pa 相比，懸臂梁結(jié)構(gòu)聲波傳感器的靈敏度顯著提高。實(shí)驗(yàn)中使用的硅橡膠材料的楊氏模量為6.52 MPa，密度為2.5 g/cm3，代入式（3）計算可得硅橡膠懸臂梁光纖聲波傳感器的一階共振頻率為198 Hz。理論計算的共振頻率與實(shí)驗(yàn)測得的靈敏度最大處一階共振頻率300 Hz較為接近。1 250 Hz處約為該懸臂梁傳感器的6階共振頻率，2 200 Hz處約為該懸臂梁傳感器的11階共振頻率，因此也會出現(xiàn)特征峰。另外可以觀察到，在300～500 Hz范圍內(nèi)，聲壓靈敏度出現(xiàn)了明顯的衰減。主要原因是測量時硅橡膠薄膜受到的聲壓過高所致。

圖13 微懸臂梁光纖聲波傳感器頻率響應(yīng)特征曲線Fig.13 Frequency response characteristic curve of micro-cantilever cantilever fiber optic acoustic sensor

由于在輸出頻率為300 Hz 時，該懸臂梁光纖傳感器具有最大靈敏度，因此將頻率處于300 Hz 時的懸臂梁傳感器用于聲壓測量，其輸出電壓與其受到的聲壓的關(guān)系如圖14。圖中數(shù)據(jù)表明，懸臂梁傳感器的聲壓靈敏度可達(dá)675 mV/Pa，聲壓響應(yīng)線性度為0.994。較高靈敏度的產(chǎn)生是由于懸臂梁三邊自由一邊固定的結(jié)構(gòu)，懸臂梁末端在受到空氣中的聲波驅(qū)動時能產(chǎn)生更大的擺動幅度。另一方面，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)懸臂梁光纖聲波傳感器的聲壓響應(yīng)范圍較小，當(dāng)聲壓大于0.4 Pa 時，傳感器的輸出電壓不再增大，且示波器上記錄的時域響應(yīng)波形會發(fā)生畸變。這是由于懸臂梁自由端的擺動幅度大于自由光譜范圍所對應(yīng)的FP 腔長變化量，工作點(diǎn)超出了線性區(qū)域?qū)е碌?。信噪比是評價聲波傳感器的一個重要指標(biāo)，在揚(yáng)聲器輸出聲壓固定在0.2 Pa 時，實(shí)驗(yàn)測量了300～3 000 Hz 范圍內(nèi)懸臂梁光纖聲波傳感器的信噪比，如圖15。可以看出懸臂梁光纖聲波傳感器具有比較平坦的信噪比，平均信噪比大于34 dB，可達(dá)到對微弱聲音監(jiān)測的應(yīng)用需求。

圖15 微懸臂梁光纖聲波傳感器信噪比曲線Fig.15 The signal-to-noise ratio curve of micro-cantilever fiber optic acoustic sensor

為了研究懸臂梁厚度對傳感器聲波響應(yīng)的影響，使用相同方法制作了長寬為500 μm，厚度為12 μm 的懸臂梁結(jié)構(gòu)，并測量了其在100～3 000 Hz 范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)特征曲線，如圖16，在1 260 Hz 處出現(xiàn)明顯的共振特征峰，此時有最大的靈敏度為221 mV/Pa。理論計算得該硅橡膠懸臂梁光纖聲波傳感器的一階共振頻率為396 Hz，1 260 Hz 處約為該懸臂梁傳感器的3 階共振頻率。由于在1 260 Hz 處懸臂梁傳感器具有最大聲波靈敏度，因此在該頻率下對傳感器進(jìn)行聲壓測量，當(dāng)揚(yáng)聲器輸出頻率為1 260 Hz 的聲波信號時，懸臂梁聲波傳感器的輸出電壓與其受到的聲壓的關(guān)系如圖17。由于懸臂梁受到的具體聲壓值是通過計算得到的，因此其變化不是等間距的，在聲壓增大和減小過程中聲壓值不一定相同。圖中數(shù)據(jù)表明，在聲壓增大和減小過程中，聲壓與輸出電壓呈線性關(guān)系，聲壓響應(yīng)線性度為0.995，該懸臂梁傳感器的聲壓靈敏度為239 mV/Pa，略高于頻率響應(yīng)曲線中測得的靈敏度，可能是由于在低聲壓下，電學(xué)麥克風(fēng)的信號波形不穩(wěn)定，計算聲壓值時會產(chǎn)生誤差。與長寬為500 μm，厚度為5 μm 的懸臂梁結(jié)構(gòu)相比，傳感器的靈敏度降低，這與式（2）相符，而其一階共振頻率增大，與式（3）一致。

圖16 厚度為12 μm 的懸臂梁頻率響應(yīng)特征曲線Fig.16 Frequency response characteristic curve of microcantilever cantilever with a thickness of 12 μm

圖17 厚度為12 μm 懸臂梁的聲壓響應(yīng)Fig.17 Sound pressure response of the micro-cantilever with a thickness of 12 μm

4 結(jié)論

本文基于懸臂梁光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和傳感機(jī)理，提出采用飛秒激光加工硅橡膠薄膜，制備出具有微懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖聲波傳感器，獲得了長寬均為500 μm，厚為6 μm 的懸臂梁結(jié)構(gòu)。獲得了對比度為8.8 dB，自由光譜范圍為7.72 nm 的反射光譜，理論計算光纖FP 腔長為155.6 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該微懸臂梁光纖聲波傳感器在不同頻率范圍內(nèi)具有不同的靈敏度，在2 200 Hz 處對應(yīng)的聲壓靈敏度為414 mV/Pa，能夠觀察到明顯的共振特征峰。在300 Hz 處有最大靈敏度為675 mV/Pa，與普通硅橡膠薄膜聲波傳感器相比，微懸臂梁結(jié)構(gòu)光纖傳感器實(shí)現(xiàn)了更高靈敏度的聲波傳感。通過理論計算微懸臂梁光纖聲波傳感器的一階共振頻率，證明與實(shí)驗(yàn)中獲得的共振頻率基本一致。懸臂梁結(jié)構(gòu)光纖聲波傳感器實(shí)現(xiàn)了大于34 dB 的平均信噪比，滿足光纖聲波傳感對微弱聲音監(jiān)測的應(yīng)用需求。