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MEMS法珀腔光学声传感器

作译者：郑永秋,陈佳敏,武丽云

出版时间：2023-11 千字数：220 版次：01-01 页数：220

开本：16开装帧： I S B N ：9787121466953

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纸质书定价：￥98.0

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第1章  概述
1.1  引言 / 1
1.2  光学声传感器的发展现状 / 5
1.2.1  间接耦合型光学声传感器 / 6
1.2.2  直接耦合型光学声传感器 / 25
1.3  光学声传感器的MEMS制备工艺 / 31
1.3.1  微结构光纤光栅的MEMS制备工艺 / 31
1.3.2  光纤干涉仪的MEMS制备工艺 / 34
1.3.3  微谐振腔的MEMS制备工艺 / 45
1.4  光学声传感器的发展趋势 / 50
第2章  MEMS法珀腔光学声传感机理
2.1  声信号传播基本特性 / 53
2.1.1  声波的物理特性 / 54
2.1.2  声波探测的重要评价指标 / 56
2.2  MEMS法珀腔声传感机理 / 58
2.2.1  声压致空气折射率改变理论分析 / 58
2.2.2  法珀腔原理和特征参数 / 60
2.2.3  声-光多物理场耦合声敏感机理 / 65
2.3  MEMS法珀腔声敏感响应特性 / 74
2.3.1  宽频带响应特性 / 74
2.3.2  高灵敏度响应特性 / 75
2.3.3  大动态范围响应特性 / 79
第3章  MEMS法珀腔声传感结构设计方法
3.1  全刚性法珀腔结构设计 / 85
3.2  稳定法珀腔聚焦特性 / 90
3.3  光声共焦法珀腔传感结构设计 / 95
第4章  基于光胶工艺的法珀腔制备方法
4.1  光胶工艺 / 101
4.2  基于光胶工艺的法珀腔制备 / 102
4.3  法珀腔声传感器的耦合封装 / 108
4.3.1  光纤准直器的耦合特性 / 108
4.3.2  光纤准直器与法珀腔的耦合对准 / 111
4.3.3  法珀腔声传感器的封装 / 116
第5章  基于直接键合工艺的法珀腔制备方法
5.1  室温自发预键合 / 119
5.1.1  预键合模型 / 119
5.1.2  预键合关键工艺 / 121
5.2  直接键合材料特性分析 / 123
5.3  直接键合法珀腔制备 / 125
5.3.1  “三明治”式敞口法珀腔结构设计 / 125
5.3.2  石英玻璃MEMS直接键合工艺 / 127
5.3.3  石英玻璃磁控溅射及划片工艺 / 132
5.3.4  键合界面表征及键合质量测试 / 137
5.3.5  尾纤式全固态微型法珀腔封装工艺 / 142
5.4  法珀腔光学特性测试 / 144
5.4.1  空间光学耦合测试 / 145
5.4.2  光纤耦合测试 / 147
第6章  光纤声传感声信号解调方法
6.1  光纤声传感器常用的信号解调技术 / 149
6.1.1  强度解调技术 / 150
6.1.2  相位解调技术 / 151
6.2  调相谱检测技术 / 152
6.2.1  相位调制原理 / 154
6.2.2  同步解调误差信号分析 / 155
6.3  谐振频率追踪与锁定技术 / 161
第7章  法珀腔声传感性能测试系统和方法
7.1  测试系统搭建及测试方法 / 165
7.2  基于调相谱技术的法珀腔声传感测试 / 169
7.3  基于不同品质因数的法珀腔声传感测试 / 177
7.4  法珀腔声传感器实际工程应用测试 / 184
7.4.1  方向性测试 / 184
7.4.2  振动测试 / 186
7.4.3  高温测试 / 189
7.4.4  高声压测试 / 191
参考文献 / 194

MEMS法珀腔光学声传感器是新型的无振膜声传感器，具有高灵敏度、宽频带、大动态范围和高信噪比的声探测性能，其基本原理是通过光束检测，由声波扰动引起的空气折射率变化来实现声探测。相对于基于可移动部件（声敏感薄膜或光纤）的光学声传感器，MEMS法珀腔光学声传感器全刚性的声敏感结构，使其可以消除因机械特性（机械敏感性干扰、固有的有限频率带宽、非线性）引起的传感器失真。采用光胶工艺或直接键合工艺制备 MEMS法珀谐振腔，在实现微型化的同时还能满足光学声传感器在超宽频带内实现平坦的频率响应和较高的声探测灵敏度，这为集成化、批量化的超宽频带、高灵敏声传感器件的发展奠定了基础。MEMS法珀腔光学声传感器是近年发展起来的新型声传感器，其性能可满足从军用到民用的多种应用领域的需求，是新一代工业及信息技术发展的核心声传感器件。
随着我国信息化水平和工业生产能力的不断提升，MEMS法珀腔光学声传感器也得到了快速发展。著者一直从事 MEMS法珀腔光学声传感器等新型声传感的研究，取得了数十项技术创新和发明专利，相关研究成果获得了2022年度山西省技术发明二等奖。著者在理论和技术研究的基础上将这些成果汇集成册，著成本书，旨在为促进MEMS法珀腔光学声传感技术的进一步发展略尽绵薄之力。
本书系统地论述了MEMS法珀腔光学声传感器的传感机理、法珀腔声敏感结构的优化设计及制备、调相谱检测的声信号解调技术等，还对MEMS法珀腔光学声传感器进行了测试与分析。全书共7章：第1章为概述；第2章阐述了MEMS法珀腔光学声传感机理；第3章介绍了MEMS法珀腔声传感结构设计方法；第4章和第5章分别阐述了基于光胶工艺和直接键合工艺的法珀腔制备方法；第6章讨论了光纤声传感声信号解调方法；第7章对法珀腔声传感性能进行了测试，并验证了其实际工程应用价值。本书内容新颖，系统性较强，将法珀谐振腔的新型MEMS加工工艺应用到光学声传感器中，不仅拓宽了其应用领域，也有利于促进多学科之间的交叉融合发展。
本书注重理论与实践相结合，论述翔实，深入浅出，并且结合了著者的科研工作，大部分研究成果已发表在Optics Express, Optics and Laser Technology, IEEE Sensors Journal, Applied Optics等期刊上，并被多次引用。
本书是在中北大学薛晨阳教授的关怀与指导下完成的。在项目研究过程中，著者得到张文栋教授、刘俊教授、熊继军教授、任勇峰教授、张国军教授、张斌珍教授、丑修建教授、唐军教授、闫树斌教授、焦新泉教授的大力支持。在进行相关试验研究时，著者得到了中国航天科工集团第六研究院601所程博高级工程师、张成飞博士的大力支持。研究生陈晨、赵馨瑜、花晓强、韩源、李宗灏等在资料搜集、整理及校对等方面做了大量工作。对以上人员，著者在此深表谢意。
本书的相关研究得到国家自然科学基金重点项目（62131018）、山西省优秀青年基金（202103021222012）、装备发展部等相关项目的支持，著者在此表示衷心的感谢。同时，对本书所引用的论文、图表和书籍的作者致以谢意。
由于著者水平有限，书中缺漏之处，恳请读者不吝指正。

著  者     
2023年1月

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