оптический микрофон. Микрофон оптический


FiberScience. Оптоволоконный микрофон — ПроCall-центр

Оптический микрофон использует принцип модуляции интенсивности лазерного излучения. Источник света направляет лазерный импульс по оптическому волокну на чувствительный элемент — оптоволоконную решетку Брэгга (ВРБ). Приемником звуковых волн является чувствительная мембрана. Колебания мембраны оказывают влияние на деформацию оптоволоконной решетки Брэгга. Деформация волоконной решетки Брэгга модулируют интенсивность светового потока. Отраженный от ВРБ модулированный по интенсивности световой импульс поступает на фотодетектор, который преобразует сигнал в переменный ток.

Оптоволоконный микрофон, принципиальная схема Оптоволоконный микрофон, принципиальная схема

В принципиальной схеме микрофона не используется прямое преобразование колебаний мембраны в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Низкие потери при передаче сигнала по оптическому волокну (меньше 3 дБ на 1 км) позволяют вынести чувствительный элемент микрофона (мембрана и волоконная решетка Брэгга) на значительное расстояние (до нескольких сотен метров) от лазерного источника света и фотодетектора.

Оптоволоконный микрофон не является источником электромагнитных излучений (ни за счет чувствительного элемента, ни за счет за подводного оптоволоконного кабеля). Оптоволоконный микрофон не нечувствителен к воздействию электромагнитных полей и не может быть заглушен радиочастотными методами.

Малые размеры оптоволоконного микрофона позволяют его разместить в любом труднодоступном месте. При этом, оптоволоконный микрофон крайне сложно обнаружить. Он может работать в сильных магнитных, электрических и радио полях.

Малые размеры мембраны оптического микрофона 10×10 мм снижают переходные и дифракционные искажения, что позволяет получить ровную характеристику модуляции сигнала в широком диапазоне частот от нескольких герц до 20 кГц.

Свойства оптического волокна и чувствительной мембраны позволяют оптоволоконному микрофону работать в широком диапазоне температур от —40 до 80°С. Оптоволоконный микрофон не чувствителен к влаге и может работать не только при влажности 100%, но и под водой.

Оптоволоконный микрофон доступен по цене за счет не высокой стоимости комплектующих материалов. В настоящее время усилия разработчиков направлены на преодоление технологических задач, вызванных оптимизацией отношения сигнал/шум.

Резюмируем преимущества оптоволоконного микрофона:

  1. высокая чувствительность к звуку;
  2. микрофон работает при влажности 100% и, даже, под водой;
  3. чувствительный элемент микрофона полностью избавлен от электропроводящих элементов;
  4. микрофон имеет стандартный микрофонный выход;
  5. микрофон полностью избавлен от помех «обратной связи»;
  6. микрофон не чувствительный к радиочастотным помехам;
  7. микрофон не обнаруживается радиочастотными методами;
  8. микрофон невозможно заглушить электромагнитными волнами;
  9. блок преобразования питается от источника 5 В;
  10. микрофон может быть удален от блока преобразования сигнала на несколько сот метров от точки подключения.

www.contact-centr.ru

ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические.

Для работы по волоконно-оптическим линиям связи на кораблях, судах и других подвижных объектах необходимо применять элементы, работающие по оптическому кабелю. К таким элементам относятся и оптические микрофоны.

В настоящее время волоконные световоды нашли широкое применение на кораблях, судах и подводных лодках [Катанович А.А., Николшин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009 г., 239]. Важной проблемой, возникающей при внедрении корабельных оптических систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические. Используемые обычные электроакустические преобразователи - микрофоны типа ДЭМШ в аппаратуре связи корабельных комплексов обладают недостаточной защищенностью от радиопомех.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебании мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток. При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может вообще размещаться на расстоянии нескольких десятков метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери сигнал/шум составляют меньше 2 дБ на 1 км оптоволокна).

Оптический микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей) и сам нечувствителен к электромагнитным полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его сложно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон (АС СССР №627599, кл. H04R 23/00, 1979). Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические.

Прототипом является оптический микрофон по патенту РФ №2047944, кл. 6 Н04R 23/00, 1990. Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударах, вибрации и т.п.), при этом самое главное - не обеспечивается стабильность работы микрофона из-за технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы микрофона и оптимизации отношения сигнал-шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор. Для снижения шума следует увеличить мощность источника света (за счет применения диодных лазеров высокой яркости) и увеличить точность детектирования смещений мембраны (которая выполняет роль отражающего зеркала) при колебаниях. Для этого необходимо разработать мембрану, обладающую высокой чувствительностью и точностью воспроизведения звука.

Цель изобретения - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона.

Поставленная цель достигается тем, что оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, при этом мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражения света у нее происходят от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

На Фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на Фиг.2 - график зависимости луча от расстояния между мембраной и оптоволокном.

Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, связанный с гофрированной мембраной 4, на которой установлено золоченое кольцо 5, а также фотоприемник 6, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 7, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой.

Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3 на мембрану 4.

Под воздействием акустических колебаний мембрана 4 начинает изменять свою форму. При колебаниях мембраны, на которой находится золоченое кольцо 5 (активная область мембраны), световой поток модулируется и идет по второму оптоволокну на фотодиод 6, который преобразует сигнал в переменный ток.

Интенсивность модулированного светового луча зависит от геометрии отражающей мембраны, расстояния между концом оптоволокна 3 и поверхностью мембраны 4 и угловой позиции волокна относительно поверхности мембраны. Связь между интенсивностью отраженного светового луча и расстоянием от конца оптоволокна до поверхности мембраны показана на фиг.2. В пределах 30 мкм она растет относительно линейно, затем достигает максимума (в данном примере на расстоянии 50 мкм) и начинает спадать. Для сохранения линейности выбирается расстояние на первом участке порядка 35 мкм.

Относительно важную роль для интенсивности выходного луча играет также выбор углового положения оптоволокна относительно поверхности мембраны. При колебании мембраны происходит боковой сдвиг светового пятна относительно центра принимающего волокна, пропорционально величине этого сдвига уменьшается световая интенсивность в принимающем волокне. Для увеличения точности на оптоволокне от источника используется фокусирующая линза. Угловое расположение волокон (фиг.3) оптимизировано с помощью специальной программы типа ZEMAX.

Оптический лазер и фотодиод микрофона смонтированы на одной стеклянной плате, они отделены друг от друга непрозрачной перегородкой и покрыты сверху эпоксидной резиной. Размер лазера 0,2×2 мм, фотодиода - 0,5×5 мм, общий размер микрофона: диаметр - 0,5 мм, толщина - 1,5 мм.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом предложенная конструкция оптического микрофона обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность его функционирования.

Оптический микрофон, состоящий из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, отличающийся тем, что мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, при этом отражение света у нее происходит от центрального участка диаметр 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом. ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОНОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОНОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН

edrid.ru

оптический микрофон - патент РФ 2473181

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. Оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. Мембрана микрофона выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражение света у нее происходит от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом. Технический результат - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона. 3 ил. оптический микрофон, патент № 2473181

Рисунки к патенту РФ 2473181

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические.

Для работы по волоконно-оптическим линиям связи на кораблях, судах и других подвижных объектах необходимо применять элементы, работающие по оптическому кабелю. К таким элементам относятся и оптические микрофоны.

В настоящее время волоконные световоды нашли широкое применение на кораблях, судах и подводных лодках [Катанович А.А., Николшин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009 г., 239]. Важной проблемой, возникающей при внедрении корабельных оптических систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические. Используемые обычные электроакустические преобразователи - микрофоны типа ДЭМШ в аппаратуре связи корабельных комплексов обладают недостаточной защищенностью от радиопомех.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебании мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток. При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может вообще размещаться на расстоянии нескольких десятков метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери сигнал/шум составляют меньше 2 дБ на 1 км оптоволокна).

Оптический микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей) и сам нечувствителен к электромагнитным полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его сложно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон (АС СССР № 627599, кл. H04R 23/00, 1979). Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические.

Прототипом является оптический микрофон по патенту РФ № 2047944, кл. 6 Н04R 23/00, 1990. Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударах, вибрации и т.п.), при этом самое главное - не обеспечивается стабильность работы микрофона из-за технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы микрофона и оптимизации отношения сигнал-шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор. Для снижения шума следует увеличить мощность источника света (за счет применения диодных лазеров высокой яркости) и увеличить точность детектирования смещений мембраны (которая выполняет роль отражающего зеркала) при колебаниях. Для этого необходимо разработать мембрану, обладающую высокой чувствительностью и точностью воспроизведения звука.

Цель изобретения - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона.

Поставленная цель достигается тем, что оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, при этом мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражения света у нее происходят от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

На Фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на Фиг.2 - график зависимости луча от расстояния между мембраной и оптоволокном.

Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, связанный с гофрированной мембраной 4, на которой установлено золоченое кольцо 5, а также фотоприемник 6, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 7, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой.

Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3 на мембрану 4.

Под воздействием акустических колебаний мембрана 4 начинает изменять свою форму. При колебаниях мембраны, на которой находится золоченое кольцо 5 (активная область мембраны), световой поток модулируется и идет по второму оптоволокну на фотодиод 6, который преобразует сигнал в переменный ток.

Интенсивность модулированного светового луча зависит от геометрии отражающей мембраны, расстояния между концом оптоволокна 3 и поверхностью мембраны 4 и угловой позиции волокна относительно поверхности мембраны. Связь между интенсивностью отраженного светового луча и расстоянием от конца оптоволокна до поверхности мембраны показана на фиг.2. В пределах 30 мкм она растет относительно линейно, затем достигает максимума (в данном примере на расстоянии 50 мкм) и начинает спадать. Для сохранения линейности выбирается расстояние на первом участке порядка 35 мкм.

Относительно важную роль для интенсивности выходного луча играет также выбор углового положения оптоволокна относительно поверхности мембраны. При колебании мембраны происходит боковой сдвиг светового пятна относительно центра принимающего волокна, пропорционально величине этого сдвига уменьшается световая интенсивность в принимающем волокне. Для увеличения точности на оптоволокне от источника используется фокусирующая линза. Угловое расположение волокон (фиг.3) оптимизировано с помощью специальной программы типа ZEMAX.

Оптический лазер и фотодиод микрофона смонтированы на одной стеклянной плате, они отделены друг от друга непрозрачной перегородкой и покрыты сверху эпоксидной резиной. Размер лазера 0,2×2 мм, фотодиода - 0,5×5 мм, общий размер микрофона: диаметр - 0,5 мм, толщина - 1,5 мм.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом предложенная конструкция оптического микрофона обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность его функционирования.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оптический микрофон, состоящий из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, отличающийся тем, что мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, при этом отражение света у нее происходит от центрального участка диаметр 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

www.freepatent.ru

Оптический микрофон и способ изготовления его звукочувствительной мембраны

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.

 

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 lн - 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 lн (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 lн.

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 lн.

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 Uвых 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 lн до отражающей поверхности мембраны сенсора по формуле (1) при

n=2001. Конкретные значения l были равны lн-0,2λ, lн-0,1λ, lн, lн+0,1λ и lн+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 слояSi3N4 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 (lн=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=lн-0,2λ (387,39) l=lн-0,1λ (387,545) l=lн (387,7) l=lн+0,1λ (387,855) l=lн+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 (lн=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=lн-0,2λ (324,94) l=lн-0,1λ (325,07) l=lн (325,2) 1=lн+0,1λ(325,33) l=lн+0,2λ (325,46)
1 - - + - - 65
2 + - + - - 24
3 - + + - + 4
4 + + + - + 3

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 формулеlн=0,125λn,где lн - 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 lн.

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.

www.findpatent.ru

оптический микрофон - патент РФ 2047944

Использование: в акустике. Сущность изобретения: микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу, фотоприемник, причем на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконнооптический световод. Пазы покрыты пленкой. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. 4 ил. Изобретение относится к акустике и может быть использовано в устройствах громкоговорящей связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические. Прототипом является оптоэлектронный микрофон, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе, и установленные внутри корпуса монохроматический источник света, фокусирующую линзу, светоделительный кубик, зеркало, линзу и фотоприемник. Микрофон работает следующим образом. Акустическая волна возбуждает механические колебания мембраны, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи оптоэлектронного устройства. Пучок света, излучаемый монохроматическим источником света, фокусируется линзой и расщепляется светоделительным кубиком на два пучка. Один из расщепленных пучков отражается от неподвижного зеркала, другой от мембраны. Отраженные пучки света создают интерференционную картину, меняющуюся в зависимости от положения мембраны, которая расширяется при помощи линзы и проектируется на входное окно фотоприемника. Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, а также невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударов, вибрации и т.п.). Цель изобретения повышение надежности и чувствительности микрофона. Поставленная цель достигается тем, что в оптическом микрофоне, состоящем из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, на внутренней поверхности мембраны выполнены продольные пазы располагающиеся по спирали, в которых размещен волоконно-оптический световод, при этом пазы покрыты пленкой, а источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. На фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 сферическая поверхность мембраны; на фиг.4 график, поясняющий работу микрофона. Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, расположенный в пазах 4, выполненных в виде спирали на внутренней поверхности мембраны 5 и закрытых пленкой 6, а также фотоприемник 7, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 8, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой. Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3, размещенного в пазах 4 мембраны 5 по спирали. Такое размещение световода 3 позволяет увеличить его суммарную рабочую длину на мембране, что обеспечивает максимальную глубину модуляции интенсивности светового потока. Микрофон работает следующим образом. В исходном состоянии при плоском положении мембраны среднее значение текущего радиуса световодной спирали R (L), где L длина спирали, минимально. При этом потери в тракте имеют максимальное значение. Под воздействием акустических колебаний мембрана начинает изменять свою форму. При колебаниях на первой моде ее форма соответствует части сферической поверхности (фиг.4). В этом случае площадь поверхности мембраны увеличивается, что при сохранении количества витков спирали означает увеличение ее шага, а следовательно, увеличение текущего радиуса витков и уменьшение потерь в световодном тракте оптического микрофона. Таким образом при прогибах мембраны световой поток в оптическом тракте микрофона оказывается промодулированным по интенсивности. При этом в получении эффекта модуляции участвует значительный участок световода свитого в спираль, что обеспечивает высокую чувствительность микрофона. Эффективность устройства может быть оценена следующим образом. Для оценки влияния изменений положения мембраны на изменение текущего радиуса кривизны Rт(L) и проходящего светового потока (т.е. чувствительность микрофона) аппроксимируем форму мембраны при колебаниях на первой моде (сферической поверхности) конусной поверхностью. При этом полагаем, что основание конуса представляет собой окружность с радиусом, равным радиусу круглой мембраны микрофона, а боковая поверхность касательна по отношению к поверхности соответствующей части сферы. Тогда из рассмотрения сечения изогнутой мембраны следует, что каждый из витков претерпевает относительное изменение радиуса на величину K оптический микрофон, патент № 2047944 где оптический микрофон, патент № 2047944 угол наклона боковой поверхности конуса к его основанию. Для проведения конкретной оценки чувствительности микрофона воспользуемся графиком, на котором представлена зависимость показателя ослабления излучения оптический микрофон, патент № 2047944* [ оптический микрофон, патент № 2047944 от радиуса изгиба волокон, уложенных в кольца с данным радиусом кривизны Ri. При этом воспользуемся аппроксимацией спиральных витков световодного тракта круговыми витками, что справедливо при малых амплитудах колебаний мембраны. Предположим, что спираль световодного тракта микрофона имеет четыре витка со средними диаметрами 50, 40, 30 и 20 мм. При реальных значениях угла оптический микрофон, патент № 2047944 1-3о относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 0,001-0,0001. Тогда, принимая крутизну графиков для Ri 25,20,15,10 мм минимально возможной оптический микрофон, патент № 2047944* 0,01 оптический микрофон, патент № 2047944*= 0,01 оптический микрофон, патент № 2047944 определим потери в световодном тракте при прогибах мембраны диаметром 50 мм на 0,5 мм. Эта величина прогиба характерна для обычных электродинамических микрофонов. Согласно формулам относительное изменение потерь будет определяться соотношением Рвых Рвхехр[- оптический микрофон, патент № 2047944*L] Pвх [-exp(0,01- 0,5 . 2 оптический микрофон, патент № 2047944(25 + 20 + 15 + 10))] 10 lg оптический микрофон, патент № 2047944 10 оптический микрофон, патент № 2047944 9,8 оптический микрофон, патент № 2047944Б Таким образом колебания мембраны 0,5 мм вызовут изменение потерь до 9,8 дБ, что легко фиксируется трактом регистрации. Современные измерители оптических потерь позволяют регистрировать потери с точностью до 0,1-0,01 дБ. Поэтому предложенные принципы построения оптического микрофона обеспечат его высокую чувствительность. Частотные свойства предлагаемого микрофона могут быть оценены следующим образом. Частотные свойства мембраны микрофона связаны с массой мембраны и ее гибкостью соотношениемоптический микрофон, патент № 2047944н= оптический микрофон, патент № 2047944оптический микрофон, патент № 2047944в= оптический микрофон, патент № 2047944ноптический микрофон, патент № 2047944, где оптический микрофон, патент № 2047944н и оптический микрофон, патент № 2047944в верхняя и нижняя граничные частоты; С1 гибкость мембраны; Со гибкость воздушного объема; m масса мембраны. Круглая мембрана диаметром 5-6 см при изготовлении ее из металла или синтетического материала будет иметь массу 1-3 г. Масса световода диаметром 100-120 мкм и длиной до 5 см будет около 0,05 г, что составит 0,5% массы диафрагмы. Наличие пазов на мембране не изменит существенно ее гибкость и специально применяется для корректировки частотных характеристик мембраны. Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом оптический тракт микрофона представляет собой единую конструкцию, обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность ее функционирования.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН, содержащий корпус, закрепленную по его периметру мембрану, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод, причем пазы покрыты пленкой, а источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

www.freepatent.ru

Оптический микрофон | Банк патентов

Полезная модель относится к области акустики и может быть использована в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных и стационарных объектах. Техническим результатом является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона. Результат достигается за счет того, что микрофон снабжен светоделителем, фокусирующей и расширяющей линзами, при этом светоделитель установлен между источником света и мембраной, а светоприемник и зеркало размещены на противоположных сторонах. Акустическая волна возбуждает механические колебания мембраны, которые преобразуются в электрический сигнал Ил.1.

Настоящая полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к акустике и может быть использована в устройствах громкоговорящей связи на подвижных и стационарных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. Известен «Оптический микрофон». Катанович А.А., Шитов Б.В. Патент РФ №2047944, кл. H04R 23/00, 10.11.95 г. (Аналог). Микрофон содержит корпус, мембрану закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу, фотоприемник. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

Известен также «Оптический микрофон». Патент США №3470329, кл. 179-121, 1969 г. Микрофон содержит корпус, источник монохроматического света, два зеркала, мембрану, и светоприемник. (Прототип).

Недостатками как аналога, так и прототипа является невысокая чувствительность и динамический диапазон.

Целью полезной модели является повышение чувствительности и расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что микрофон снабжен светоделителем, фокусирующей и расширяющей линзами, мембрана закреплена на корпусе, при этом ее внутренняя поверхность выполнена зеркальной, светоделитель размещен между источником света и мембраной, светоприемник и зеркало размещены на противоположных стенках корпуса напротив светоделителя, при этом фокусирующая линза расположена между источником света и светоделителем, а расширяющая линза - между светоделителем и светоприемником. Колебания мембраны вызывают появление разности хода объектного и опорного пучков света. Фотоприемник регистрирует яркость интерференционной картины.

На Фиг. изображен оптический микрофон. Он содержит корпус 1, мембрану 2, закрепленную по периметру на корпусе, и установленные внутри корпуса источник монохроматического света 3, фокусирующую линзу 4, светоделительный кубик 5, зеркало 6, линзу 7 и фотоприемник 8.

Акустическая волна возбуждает механические колебания мембраны 2, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи оптического микрофона следующим образом. Пучок света от источника монохроматического света фокусируется линзой 4 и делится светоделительным кубиком 5 на два. Один отражается от неподвижного зеркала 6, а второй - от мембраны 2. Отраженные пучки дают интерференционную картину, которая расширяется при помощи линзы 7 и проектируется на приемную часть фотоприемника 8. Колебания мембраны 2 за счет изменения разности хода интерферирующих лучей вызывают изменение интенсивности интерференционной картины с частотой колебаний мембраны, равной частоте воздействующей акустической волны. Эти изменения интенсивности преобразуются фотоприемником 8 в переменный электрический сигнал, частота которого также равна частоте акустической волны. Принцип действия фотоприемника 8 основан на том, что поступающие в полупроводник кванты оптической энергии вызывают

образование пар противоположных зарядов, направленное движение которых приводит к протеканию электрического тока.

Полезность заявляемого устройства определяется высокой чувствительностью, которая определяется в свою очередь способностью оптического микрофона преобразовывать в электрический сигнал очень малые амплитуды колебаний диапазоне частот.

Формула полезной модели

Оптический микрофон, состоящий из корпуса, на стенке которого расположен источник монохроматического света, зеркала, мембраны и светоприемника, отличающийся тем, что дополнительно введен светоделитель, фокусирующая и расширяющая линзы, а мембрана закреплена на корпусе, причем ее внутренняя поверхность выполнена зеркальной, светоделитель установлен между источником света и мембраной, а светоприемник и зеркало размещены на противоположных сторонах корпуса напротив светоделителя, при этом фокусирующая линза расположена между источником света и светоделителем, а расширяющая линза - между светоделителем и светоприемником.

ФАКСИМИЛЬНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

Реферат:

Описание:

Рисунки:

MM1K - Досрочное прекращение действия патента (свидетельства) Российской Федерации на полезную модель из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента (свидетельства) в силе

Извещение опубликовано: 10.09.2009        БИ: 25/2009

bankpatentov.ru

Оптический микрофон | Банк патентов

Изобретение относится к области акустических измерений.

Известен оптико-акустический приемник (патент РФ 2169911, G 01 J 5/42, 2001.06.27). Устройство содержит камеру, имеющую входное окно, поглощающую пленку и зеркальную мембрану, оптический микрофон, диафрагму и основной фотоприемник. Оптический микрофон включает последовательно установленные источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр и объектив, причем прозрачный растр установлен в фокальной плоскости объектива. В отличие от известного он снабжен дополнительным конденсором и фотоприемником, а также светоделительным элементом, установленным по ходу оптических лучей перед основным конденсором. При этом дополнительный конденсор расположен между источником излучения и светоделительным элементом, а дополнительный фотоприемник размещен на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны и проходящей через центр светоделительной поверхности светоделительного элемента. Светоделительный элемент может быть выполнен с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоделительную поверхность, в центре которой имеется прозрачная зона. При этом источник излучения и дополнительный конденсор установлены соосно с основным конденсором, а диафрагма с основным фотоприемником и дополнительный фотоприемник расположены соосно по разные стороны от светоделительного элемента. Кроме того, оптический элемент может быть выполнен с зеркальной зоной в центре его светоделительной поверхности, при этом источник излучения с дополнительным конденсором и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента, а диафрагма и основной фотоприемник расположены соосно с основным конденсором. Недостатком данного устройства является сложность конструкции и использования.

Известен оптический микрофон, принятый за прототип (патент РФ 2047944, H 04 R 23/00, 1995.11.10). Устройство содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу, фотоприемник, причем на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод. Пазы покрыты пленкой. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. Недостатком данного устройства является сложность конструкции.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в оптическом микрофоне, содержащем корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник, согласно изобретению он снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом 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.

Применение предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет упростить конструкцию устройств данного типа.

Оптический микрофон поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, разрез А-А, на фиг.2 - вид А, на фиг.3 - разрез Б-Б.

На чертежах представлены:

1 - корпус;

2 - мембрана, защемленная по периметру;

3 - фокусирующая линза;

4 - источник излучения;

5 - шток;

6 - пружина;

7 - рычаг;

8 - обойма;

9 - анализатор;

10 - поляризатор;

11 - направляющая линза;

12 - фотоумножитель;

13 - регистратор;

14 - ось анализатора 9;

15 - стойки;

16 - волоконно-оптический световод;

17 - фотоприемник.

Оптический микрофон содержит корпус 1, внутри которого в стойках 15 на оси 14 закрепляют с возможностью поворота на ней анализатор 9, находящийся в обойме 8. В верхней части корпуса 1 по периметру закрепляют мембрану 2 с жестко закрепленным в ее центре симметрии штоком 5. Шток 5 находится в связи при помощи пружинно-рычажного механизма, состоящего из рычага 7 и пружины 6, с осью 14 анализатора 9. Внутри корпуса 1 размещают поляризатор 10 с возможностью его поворота в вертикальной плоскости для настройки работы устройства, например при помощи резьбового соединения (на чертеже условно не показано). Источник излучения 4 оптически связан через волоконно-оптический световод 16, направляющую линзу 11, поляризатор 10, анализатор 9, фокусирующую линзу 3, фотоприемник 17, фотоумножитель 12 с регистратором 13.

Оптический микрофон работает следующим образом. Работа оптического микрофона основана на принципе изменения интенсивности освещенности при повороте оптических осей анализатора 9 относительно поляризатора 10. Перед началом работы устройства поляризатор 10 поворачивают относительно анализатора 9 до полного отсутствия пропускания света от источника излучения 9. При возникновении звуковых колебаний мембрана 2, закрепленная по контуру, вызывает колебания штока 5, вызывающего через пружинно-рычажный механизм поворот анализатора 9. При поворотах анализатора 9 изменяется интенсивность освещения, что фиксируется через фокусирующую линзу 3, волоконно-оптический световод 16, фотоприемник 17 и фотоумножитель 12 регистратором 13.

Применение оптического микрофона обеспечивает следующие преимущества:

- упрощение конструкции устройств данного типа;

- повышение точности, оперативности и достоверности измерений;

- расширение области применения данного вида устройств.

bankpatentov.ru