ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО ЗВУКОЧУВСТВИТЕЛЬНОЙ МЕМБРАНЫ Российский патент 2009 года по МПК H04R23/00 H04R7/00 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и микротехнологии и может быть использовано в конструкции микроминиатюрных приемников акустических сигналов (микрофонов, гидрофонов, виброфонов, фонендоскопов и т.п.). Наиболее эффективно его использовать в приемниках звуковых сигналов специального назначения.

Известен оптический микрофон, содержащий звукочувствительную микромембрану (ЗЧММ), оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади данного зеркала, и спектроанализатор. ЗЧММ выполнена в виде планарной тонкой прозрачной пластинки с тонким слоем, расположенной наклонно между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinθ=λ/2d, где θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос (RU 2225599, G01H 9/00, G01L 11/02, 2004).

Однако такой микрофон является сложным и громоздким, а его область использования ограничена объемными акустическими сигналами для получения различных цветомузыкальных эффектов.

Известен также оптический микрофон, содержащий корпус, звукочувствительную мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник. На внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод. Пазы покрыты пленкой. При этом источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца указанного световода (RU 2047944, H04R 23/00, 1995). Микрофон может быть дополнительно снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, причем анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконно-оптический световод, направляющую линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором (RU 2273115, H04R 23/00, 2006).

Данные конструкции выполнены на макроуровне, в связи с чем для использования в составе специальной техники они неприемлемы.

Наиболее близким к заявляемому является оптический микрофон, выполненный на базе волоконно-оптической сенсорной системы, содержащей лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный звукочувствительной мембраной, оптико-электронный преобразователь (ОЭП), включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, при этом первый вход волоконно-оптического разветвителя связан с лазерным источником оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности звукочувствительной мембраны интерферометрического сенсора согласно формуле

где l_н - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;

λ - длина волны оптического излучения, мкм;

n - нечетное число из интервала [1001÷3001].

Для компенсации дрейфа рабочей точки конструкция дополнительно содержит контур прецизионного регулирования с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, а в качестве терморегулирующего органа целесообразно использовать элемент Пельтье (RU 2279112, G02F 1/00, G01B 9/00, 2006, варианты по пп.2-4 формулы).

Однако такой микрофон требует специального выполнения звукочувствительной мембраны интерферометрического сенсора, так как при установке в него известных звукочувствительных мембран он будет обладать низкой чувствительностью, а вариант микрофона с контуром регулирования положения рабочей точки сложен в изготовлении и эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение его звуковой чувствительности. Дополнительной задачей является упрощение конструкции узла регулирования положения рабочей точки.

Для повышения звуковой чувствительности оптического микрофона в его интерферометрический сенсор вносятся следующие изменения:

1) в качестве звукочувствительной мембраны используется гофрированная звукочувствительная микромембрана, изготовленная из нитрида кремния стехиометрического состава;

2) механическое напряжение используемой ЗЧММ составляет от 10 до 80 кПа;

3) в центре ЗЧММ со стороны, обращенной к торцу оптического волокна, сформирована планарная светоотражающая площадка из Au, Pt или W.

Причинно-следственная связь указанных изменений конструкции с достигнутым повышением звуковой чувствительности состоит в следующем. Переход на микроуровень объясняется специальным назначением микрофона. Изготовление ЗЧММ из нитрида кремния стехиометрического состава обеспечивает ее высокую прочность и технологичность изготовления. При использовании в качестве материала мембраны других материалов, а также нитрида кремния нестехиометрического состава резко снижаются ее прочность и выход годных изделий при изготовлении. Гофрированное исполнение ЗЧММ снижает ее напряженность без ухудшения механических и химических свойств, что имеет следствием повышение звуковой чувствительности. Заданные пределы механического напряжения ЗЧММ обеспечивают ее работу на квазилинейном участке преобразования ее перемещения в принимаемый оптический сигнал, т.е. с минимальными нелинейными искажениями. Планарная светоотражающая площадка выполняет две функции: а) отражение светового сигнала без искажений; б) предотвращение коробления поверхности мембраны в центральной части, возникающего в отсутствие данной площадки под действием остаточных напряжений, связанных с наличием гофров. Материал площадки указан с учетом технологичности изготовления, а также надежности и скрытности эксплуатации.

Заданная характеристика механического напряжения ЗЧММ является интегральным показателем, обеспечивающим, с одной стороны, высокую звуковую чувствительность, а с другой стороны, минимизацию нелинейных искажений. Альтернативным способом задания характеристики ЗЧММ является описание соотношения ее геометрических параметров (толщины, площади, количества, глубины и ширины гофр и т.д.) в виде математической модели в координатном пространстве геометрических параметров. Однако такое описание громоздко и требует проведения длительных экспериментов. Гораздо целесообразнее для каждого типоразмера ЗЧММ с учетом требуемых ограничений предварительно установить соотношение остальных (варьируемых) геометрических параметров по критерию установленного механического напряжения мембраны (10÷80 кПа), что осуществляется, например, проведением соответствующего многофакторного эксперимента в координатном пространстве варьируемых параметров по одному из общеупотребительных планов. Поэтому далее значения геометрических параметров мембраны даются справочно. В частности, целесообразно выполнение ЗЧММ толщиной 0,2-0,4 мкм и площадью 2-2,5 мм² с 2-3 кольцевыми гофрами в окрестности ее периметра глубиной 18-25 мкм, шириной гофра 30-90 мкм и шагом между гофрами 80-120 мкм. Рекомендуемые размеры светоотражающей площадки ЗЧММ: диаметр - 500-700 мкм, толщина -

0,05-0,1 мкм. При специальном назначении целевого изделия следует выбирать минимально возможные размеры светоотражающей площадки для минимизации размеров конструкции и скрытности ее обнаружения (диаметр светоотражающей площадки должен охватывать лишь область освещения, а толщина обеспечивать планарность). При указанном соотношении геометрических параметров механическое напряжение ЗЧММ лежит в заявленных пределах 10÷80 кПа.

Дальнейшее повышение чувствительности оптического микрофона, а также повышение надежности и стабильности его работы связано с регулированием положения его рабочей точки. В оптимальном варианте прототипа, как отмечено выше, это выполнено с помощью контура прецизионного регулирования с управляющим воздействием на температуру лазера по статической составляющей сигнала обратной связи от фотодетектора, что существенно усложняет конструкцию целевого изделия. Другой путь заключается в регулировании положения рабочей точки по критерию максимума значения динамической составляющей сигнала ОЭП. Техническая реализация этого принципа состоит в том, что прототипное устройство содержит не менее двух ОЭП, первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, и дополнительно включает селектор и коммутатор, причем выходы усилителей ОЭП подключены к соответствующим входам селектора через детекторы среднего уровня электрического сигнала для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации; выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора; информационные входы коммутатора соединены с выходами усилителей соответствующих ОЭП, а подключение волоконно-оптических разветвителей ОЭП к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l_н (RU 2006115899, G01B 9/00, 9/02, 2006).

Однако такое техническое решение обладает низкой надежностью по причине случайного выбора оптического канала при работе в области слабых входных акустических сигналов, что часто имеет место при использовании микрофона по специальному назначению. Поэтому в данном варианте предлагаемого технического решения предусматривается автоматическое корректирование положения рабочей точки по статической составляющей сигнала ОЭП. Этот вариант содержит не менее двух ОЭП, первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, и дополнительно включает селектор, коммутатор и дискриминаторы постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, входы которых подключены к выходам усилителей соответствующих ОЭП, при этом выходы дискриминаторов постоянной составляющей подключены к соответствующим входам селектора для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами соответствующих дискриминаторов переменных составляющих, а подключение волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности ЗЧММ интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l_н.

Предлагаемый вариант отличается от RU 2006115899 введением дискриминаторов постоянной составляющей сигналов ОЭП, выходы которых подключены к соответствующим входам селектора для выбора текущего оптического канала, чем и достигается компенсация дрейфа статической характеристики оптико-электронных преобразователей, поскольку подключение торцов их волоконно-оптических разветвителей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от ЗЧММ.

При техническом осуществлении предлагаемого оптического микрофона технология изготовления ЗЧММ является уникальной, в связи с чем она описывается далее. Остальные новые и модифицированные узлы конструкции могут быть выполнены из следующих элементов. В качестве селектора удобно использовать программируемый микроконтроллер на базе микросхемы ATMega-8535 фирмы ATMEL (США). Коммутатор может быть собран на базе микросхемы ADG412 фирмы Analog devices (США). Дискриминатор постоянной составляющей электрического сигнала - фильтр нижних частот с частотой среза ≈1 Гц на базе операционного усилителя микросхемы True RMS-to-DC Converter AD797, а дискриминатор переменной составляющей электрического сигнала - полосовой фильтр на базе микросхемы AD823 той же фирмы. Возможна также программная реализация блоков микроконтроллера, коммутатора и дискриминаторов на базе компьютера.

На фиг.1 представлена схема минимального варианта оптического микрофона; на фиг.2 приведена схема 4-канального интерферометрического сенсора оптического микрофона; на фиг.3 дана функциональная схема подключения элементов выбора текущего ОЭП для съема выходной информации оптического микрофона; на фиг.4 приведены микрофотографии ЗЧММ с отражающей площадкой, сформированной с помощью взрывной и общепринятой литографии. В табл.1 даны технические характеристики различных вариантов гофрированных ЗЧММ; в табл.2 и 3 приведены результаты испытания вариантов оптических микрофонов.

Оптический микрофон минимальной конфигурации (фиг.1) содержит лазерный источник 1 оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор 2, оснащенный ЗЧММ 3 с гофрами 3а и светоотражающей площадкой 3б в ее центральной части, ОЭП 4, включающий волоконно-оптический разветвитель 5, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор 6 и усилитель 7 электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора 6. Первый вход волоконно-оптического разветвителя 5 связан с лазерным источником 1 оптического излучения, интерферометрический сенсор 2 подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя 5 с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя 5 связан с оптическим входом фотодетектора 6, а подключение волоконно-оптического разветвителя 5 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя 5 в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности ЗЧММ 3 интерферометрического сенсора 2 согласно формуле (1). Микромембрана 3 выполнена из нитрида кремния стехиометрической структуры и имеет напряженность 10÷80 кПа. Светоотражающая площадка 3б мембраны 3 сформирована из Au, Pt или W.

Лазерное излучение от источника 1, пройдя через волоконно-оптический разветвитель 5, поступает на интерферометрический сенсор 2. Часть этого излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от элемента 3б ЗЧММ сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. Указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину, которая с выхода разветвителя 5 поступает на фотодетектор 6, с которого принимается усилителем 7 электрического сигнала и поступает с выхода последнего на блок внешней регистрации, например динамический громкоговоритель (на схеме не показан).

В оптимальном варианте (фиг.2 и 3) оптический микрофон содержит не менее двух ОЭП 4 (на фиг.2 и 3 приведен для определенности микрофон с четырьмя ОЭП), первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником 1 оптического излучения через делитель 8 оптического излучения. Этот вариант дополнительно содержит селектор 9, коммутатор 10 и дискриминаторы 11 и 12 постоянной и переменной составляющих электрического сигнала соответственно, входы которых подключены к выходам усилителей 7 соответствующих ОЭП 4, при этом выходы дискриминаторов 11 подключены к соответствующим входам селектора 9 для автоматического выбора ОЭП, с которого производится съем текущей информации. Выход селектора 9 подключен к управляющему входу коммутатора 10, информационные входы коммутатора 10 соединены с выходами соответствующих дискриминаторов 12 переменных составляющих, а подключение волоконно-оптических разветвителей 5 ОЭП 4 к интерферометрическому сенсору 2 выполнено на разных расстояниях l от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей 5 до светоотражающей поверхности элемента 3б ЗЧММ 3 интерферометрического сенсора 2 в окрестности ±0,2λ от l_н.

В данном варианте лазерное излучение от источника 1, пройдя через делитель 8 и разветвители 5, поступает на соответствующие входы интерферометрического сенсора 2. Часть излучения отражается от выходного торца оптического волокна, а другая часть излучения проходит расстояние l и, отразившись от светоотражающей площадки 3б ЗЧММ сенсора 2, поступает в обратном направлении в указанный торец того же оптического волокна. Указанные световые потоки складываются когерентно, формируя таким образом интерференционную картину. Результирующие оптические сигналы с выхода разветвителей 5 поступают на соответствующие фотодетекторы 6, где преобразуются в электрические сигналы, которые принимаются соответствующими усилителями 7. В выходных сигналах усилителей 7 выделяют постоянную и переменную составляющие с помощью дискриминаторов 11 и 12 соответственно. Переменные составляющие с выходов дискриминаторов 12 поступают на соответствующие информационные входы коммутатора 10, а постоянные (статические) составляющие с выходов дискриминаторов 11 поступают на соответствующие входы селектора 9 для оценки текущей чувствительности соответствующих ОЭП. Эти оценки анализируются селектором 9, работающим в режиме функционального преобразователя, на выходе которого формируется информация о номере ОЭП, текущее значение статической составляющей которого наиболее близко к заданному, которая выбирается в середине квазилинейного участка статической характеристики ОЭП для исключения нелинейных искажений, связанных с дрейфом статической характеристики и обеспечения высокой чувствительности микрофона. Информация о номере выбранного ОЭП, поступив на управляющий вход коммутатора 10, используется им для коммутации своего выхода U_вых с соответствующим входом.

Технология изготовления ЗЧММ, используемой в предлагаемой конструкции оптического микрофона, неизвестна. Поэтому в качестве технологического прототипа принят способ изготовления микромембраны, конструкция которой наиболее близка к рассматриваемой. Известный способ предусматривает выращивание пленки из Si₃N₄ на поверхности подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) путем пиролиза силана при 850°С в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO₂. Для этого на указанную подложку наносят пленку из SiC толщиной 0,1-0,4 мкм с помощью магнетронного распыления монокристаллической мишени из SiC в атмосфере аргона при 600°С. На нерабочей поверхности подложки формируют мембранную камеру в форме глухого отверстия квадратного сечения (~1,5×1,5 мм) с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки (с подслоем SiO₂) до слоя из Si₃N₄ (RU 2247443, H01L 29/84, 2005).

Конструкция получаемой известным способом микромембраны отличается от предлагаемой отсутствием гофр и светоотражательной площадки, а также наличием дополнительного компенсирующего слоя из SiC, вследствие чего она обладает крайне низкой чувствительностью в звуковом диапазоне частот и поэтому для использования в оптическом микрофоне неприемлема.

Главной технической трудностью модификации известного способа применительно к получению предлагаемой ЗЧММ является проведение процесса удаления из сформированных на большую глубину гофров затекшего в них фоторезиста и находящегося под ним металла при формировании светоотражающей площадки. Как поясняется далее, процесс удаления компонентов из гофров на требуемую глубину возможен только путем взрывной литографии (Моро У. Микролитография. - М.: Мир, 1990, с.801-814).

Для обеспечения чувствительности микромембраны в звуковом диапазоне частот в способ ее изготовления, предусматривающий выращивание пленки из Si₃N₄ на рабочей поверхности подложки 13 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) и формирование мембранной камеры 3в в форме глухого отверстия с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки до слоя Si₃N₄, вносятся следующие изменения:

а) предварительно на подложке формируют рельеф гофров в виде кольцевых одной или нескольких концентрических канавок путем фотолитографии и химического травления;

б) по окончании выращивания пленки Si₃N₄ проводят формирование светоотражающей площадки с помощью взрывной литографии путем нанесения алюминиевого покрытия на пленку Si₃N₄ с последующим вытравливанием центрального участка алюминиевого покрытия, нанесением пленки Au, Pt иди W на его поверхность и химическим травлением оставшегося алюминиевого покрытия для его удаления вместе с нанесенными на него участками пленки Au, Pt или W.

Способ может быть осуществлен следующим образом:

1. На рабочей поверхности подложки 13 из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) создают углубления в виде кольцевых одной или нескольких концентрических канавок путем фотолитографии и химического травления для формирования гофров 3а.

2. На обработанной поверхности подложки выращивают пленку 3 из Si₃N₄ толщиной 0,1÷0,4 мкм методом пиролиза силана при 850°С в атмосфере аммиака с использованием подслоя SiO₂ (на фиг.1 не показан).

3. На пленку 3 наносят алюминиевое покрытие толщиной 0,2÷0,7 мкм с помощью магнетронного распыления алюминиевой мишени в атмосфере аргона при 120°С.

4. Центральный участок алюминиевого покрытия удаляют с помощью фотолитографии и химического травления.

5. На рабочую поверхность полученной заготовки наносят тонкую (толщиной 0,02÷0,1 мкм) пленку Au, Pt или W.

6. Оставшийся участок алюминиевого покрытия удаляют с помощью химического травления; при этом удаляются также соответствующие участки пленки Au, Pt или W.

7. На нерабочей поверхности подложки 13 формируют мембранную камеру 3в в форме глухого отверстия квадратного сечения (~1,5×1,5 мм) с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки 13 и подслоя SiO₂ до слоя 3.

Толщины наносимых целевых слоев Si₃N₄ и отражающей площадки - в соответствии с требуемым вариантом конструкции.

На фиг.4 приведены микрофотографии ЗЧММ с отражающей площадкой, сформированной с помощью взрывной (а) и общепринятой (б) фотолитографии. Как видно из микрофотографий, при общепринятой (прямой) фотолитографии не происходит полного удаления металлической пленки, особенно из гофров, тогда как по предлагаемому способу целевое изделие соответствует предъявляемым к нему физическим требованиям.

Чувствительность получаемых предлагаемым способом мембран составляет 93÷120 нм/Па при нелинейных искажениях в изделии по п.1 формулы не более 5%, тогда как в верхних запредельных режимах механического напряжения резко снижается чувствительность, а в нижних - возрастают нелинейные искажения (табл.1).

Сравнительные испытания прототипа и предлагаемых вариантов оптического микрофона проводились при длине волны лазерного оптического излучателя 1,55 и 1,3 мкм. Расположение торцов оптических волокон установлено из расчета номинального расстояния l_н до отражающей поверхности мембраны сенсора по формуле (1) при

n=2001. Конкретные значения l были равны l_н-0,2λ, l_н-0,1λ, l_н, l_н+0,1λ и l_н+0,2λ. Исследовались характеристики выходных сигналов оптических микрофонов, а также каждого из ОЭП двух-, трех- и четырехканальных вариантов в условиях программного изменения температуры окружающей среды сенсора в диапазоне от 24 до 80°С. Результаты приведены в табл.2 и 3.

Как видно из таблиц, максимальное снижение чувствительности, характеризуемое падением соответствующего выходного сигнала, в микрофонах с двумя ОЭП составило 14 и 24 дБ для частоты излучения 1,55 и 1,3 мкм соответственно, а в 3-х и

4-канальных вариантах не превышает 4 дБ.

Использование предлагаемого оптического микрофона по сравнению с прототипом позволяет повысить его звуковую чувствительность, изъять энергоемкий и сложный в эксплуатации контур прецизионного регулирования положения рабочей точки, а также расширить интервал рабочих температур и давлений по месту установки интерферометрического сенсора. Обеспечена технологичность изготовления ЗЧММ для данного оптического микрофона.

Таблица 1 Технические характеристики гофрированных мембран с различным механическим напряжением Геометрические характеристики мембраны Значения технических характеристик Толщина слоя
Si₃N₄ мембраны, мкм Коли-
чество гофров Глубина гофров, мкм Диаметр отражающего слоя, мкм Толщина отражающего слоя, мкм Механическое напряжение мембраны, кПа Средняя чувствительность, нм/Па Нелинейное искажение, % 0,38 1 30 700 0,05 750 20 ≤1 0,23 2 24 500 0,1 100 65 ≤2 0,38 2 18 500 0,1 80 93 ≤3 0,23 2 22 600 0,07 45 112 ≤4 0,23 3 25 700 0,05 10 120 ≤5 0,23 3 35 700 0,02 5 155 ≥8 0,13 5 28 500 0,05 2 204 ≥12

Таблица 2 Результаты испытания оптического микрофона при λ=1,55 мкм и n=2001 (l_н=0,125·1,55·2001≈387,7 мкм) Число каналов Расстояние от мембраны до торца оптоволокна в длинах волн (в мкм) Максимальное снижение чувствительности, дБ l=l_н-0,2λ (387,39) l=l_н-0,1λ (387,545) l=l_н (387,7) l=l_н+0,1λ (387,855) l=l_н+
0,2λ(388,01) 1 - - + - - 63 2 - + + - - 14 3 + - + + - 2 4 + - + + + 1     Таблица 3 Результаты испытания оптического микрофона при λ=1,3 мкм и n=2001 (l_н=0,125·1,3·2001≈325,2 мкм) Число каналов Расстояние от мембраны до торца оптоволокна в длинах волн (в мкм) Максимальное снижение чувствительности, дБ l=l_н-0,2λ (324,94) l=l_н-0,1λ (325,07) l=l_н (325,2) 1=l_н+
0,1λ(325,33) l=l_н+0,2λ (325,46) 1 - - + - - 65 2 + - + - - 24 3 - + + - + 4 4 + + + - + 3

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и микротехнологии и может быть использовано в конструкции микроминиатюрных приемников акустических сигналов специального назначения. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности, упрощение конструкции, расширение интервала рабочих температур и давлений по месту установки интерферометрического сенсора. Оптический микрофон содержит лазерный источник оптического излучения 1, интерферометрический сенсор 2, оснащенный звукочувствительной микромембраной 3 с гофрами 3а и светоотражающей площадкой 3б, оптико-электронный преобразователь 4, включающий волоконно-оптический разветвитель 5, фотодетектор 6 и усилитель электрического сигнала 7. Звукочувствительная гофрированная микромембрана выполнена из нитрида кремния стехиометрической структуры с механическим напряжением от 10 до 80 кПа, планарная светоотражающая площадка 3б выполнена из Au, Pt или W. Дополнительно предложен способ изготовления звукочувствительной микромембраны. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Оптический микрофон, содержащий лазерный источник оптического излучения с высокой когерентностью, интерферометрический сенсор, оснащенный звукочувствительной мембраной, оптико-электронный преобразователь, включающий волоконно-оптический разветвитель, выполненный из одномодовых оптических волокон, фотодетектор и усилитель электрического сигнала, вход которого подключен к выходу фотодетектора, при этом первый вход волоконно-оптического разветвителя связан с лазерным источником оптического излучения, интерферометрический сенсор подключен ко второму входу волоконно-оптического разветвителя с возможностью передачи света и приема оптического интерференционного сигнала, выход волоконно-оптического разветвителя связан с оптическим входом фотодетектора, а подключение волоконно-оптического разветвителя к интерферометрическому сенсору выполнено из расчета нахождения торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя в окрестности номинального расстояния от светоотражающей поверхности звукочувствительной мембраны интерферометрического сенсора согласно формуле
l_н=0,125λn,
где l_н - номинальное значение расстояния от торца оптического волокна второго входа волоконно-оптического разветвителя до светоотражающей поверхности мембраны интерферометрического сенсора, мкм;
λn - длина волны оптического излучения, мкм;
n - нечетное число из интервала [1001÷3001],
отличающийся тем, что интерферометрический сенсор оснащен звукочувствительной гофрированной микромембраной, выполненной из нитрида кремния стехиометрической структуры с механическим напряжением от 10 до 80 кПа, при этом в центре звукочувствительной микромембраны со стороны, обращенной к торцу оптического волокна, сформирована планарная светоотражающая площадка из Au, Pt или W.

2. Оптический микрофон по п.1, отличающийся тем, что он содержит не менее двух оптико-электронных преобразователей, первые входы волоконно-оптических разветвителей которых связаны с лазерным источником оптического излучения через делитель оптического излучения, и дополнительно включает селектор, коммутатор и дискриминаторы постоянной и переменной составляющих электрического сигнала, входы которых подключены к выходам усилителей соответствующих оптико-электронных преобразователей, при этом выходы дискриминаторов постоянной составляющей подключены к соответствующим входам селектора для автоматического выбора оптико-электронного преобразователя, с которого производится съем текущей информации, выход селектора подключен к управляющему входу коммутатора, информационные входы коммутатора соединены с выходами соответствующих дискриминаторов переменных составляющих, а подключение волоконно-оптических разветвителей оптико-электронных преобразователей к интерферометрическому сенсору выполнено на разных расстояниях от торцов оптических волокон вторых входов соответствующих волоконно-оптических разветвителей до светоотражающей поверхности звукочувствительной микромембраны интерферометрического сенсора в окрестности ±0,2λ от l_н.

3. Способ изготовления звукочувствительной микромембраны, предусматривающий выращивание пленки Si₃N₄ на рабочей поверхности подложки из монокристаллического кремния с базовой ориентацией (100) с последующим формированием мембранной камеры в форме глухого отверстия с помощью жидкостного анизотропного травления участка материала подложки до слоя Si₃N₄, отличающийся тем, что предварительно на подложке формируют рельеф гофров в виде кольцевых одной или нескольких концентрических канавок путем фотолитографии и химического травления, а по окончании выращивания пленки Si₃N₄ проводят формирование светоотражающей площадки с помощью взрывной литографии путем нанесения алюминиевого покрытия на пленку Si₃N₄ с последующим вытравливанием центрального участка алюминиевого покрытия, нанесением пленки Au, Pt или W на его поверхность и химическим травлением оставшегося алюминиевого покрытия для его удаления вместе с нанесенными на него участками пленки Au, Pt или W.