李高林+古仕林+李翔+高天雨

摘 要：文中針對復(fù)雜環(huán)境干擾下的聲音采集、解調(diào)、還原等問題，采用微光機電技術(shù)和MEMS技術(shù)，研制出一種基于F-P腔干涉光纖傳輸聲音信號的抗干擾微光機電麥克風，可有效避免外界復(fù)雜環(huán)境的干擾，顯著提高其靈敏度和精密度。經(jīng)調(diào)研，該產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展前景和可觀的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：微光機電；MEMS；F-P腔

0 引 言

本作品針對復(fù)雜環(huán)境干擾下的聲音采集、解調(diào)、還原等問題，采用微光機電技術(shù)和MEMS技術(shù)，研制出一種基于F-P腔干涉光纖傳輸聲音信號的抗干擾微光機電麥克風。由于本作品基于F-P腔干涉，可將探測到的聲音信號轉(zhuǎn)換為光信號在光纖中傳導，有效避免外界復(fù)雜環(huán)境的干擾，體現(xiàn)了較好的抗干擾性。與傳統(tǒng)聲傳感器相比，該產(chǎn)品的靈敏度和精密度都顯著提高，可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境干擾下聲音等信號的探測還原。

目前通用的各種電子通訊設(shè)備易受電磁干擾的影響，如話筒產(chǎn)生尖刺聲，核事故的范圍受到電磁干擾導致麥克風等通訊設(shè)備無法使用。相比之下，本作品最大的優(yōu)點在于其優(yōu)良的抗干擾性能，可削弱背景噪聲，有效避免各種電磁和輻射干擾而不影響聲音的探測還原。還可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和放大倍數(shù)，實現(xiàn)對微小聲音等信號的探測，在日常生產(chǎn)生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。該產(chǎn)品的實物如圖1所示。

1 工作原理

本作品基于F-P腔干涉原理。激光器工作發(fā)出的激光經(jīng)光纖耦合器連接傳感頭，連接傳感頭的激光經(jīng)端面發(fā)生全反射，反射激光經(jīng)耦合器傳到探測器。此時若有外界聲音等振動信號引起傳感頭硅膜振動，則會改變傳感頭內(nèi)的空氣腔長度，使反射激光與入射激光符合發(fā)生干涉光條件，從而發(fā)生干涉，可將攜帶聲音信號的振動信號加載攜帶聲音信號的光信號，再經(jīng)光纖和光纖耦合器傳輸?shù)胶蠖颂幚硐到y(tǒng)光電探測器模塊（遠離或隔離干擾環(huán)境），后端處理系統(tǒng)解調(diào)還原光信號中的聲音信息，經(jīng)信號放大器放大后播放實現(xiàn)整個聲音信號的探測還原過程。系統(tǒng)基本原理如圖2所示。

本產(chǎn)品的核心部件傳感頭基于法布里-珀羅干涉腔多光束干涉的基本原理，利用其對一定頻率和強度的聲音信號都具有良好的響應(yīng)能力，設(shè)計制作復(fù)雜環(huán)境下探測聲音信號的抗干擾微光機電麥克風。在傳感頭中，聲感應(yīng)膜制作采用微加工技術(shù)，封裝時實現(xiàn)對硅膜和光纖準直器空間位置的精確控制，使傳感頭對聲音信號具有良好的響應(yīng)還原能力，滿足抗干擾微光機電麥克風設(shè)計的靈敏度和精密度要求。探測頭的設(shè)計原理如圖3所示。

2 創(chuàng)新點

本產(chǎn)品創(chuàng)造性地利用F-P干涉原理將振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，實現(xiàn)兩種信號之間的轉(zhuǎn)換，并充分利用其抗干擾耐高溫的特點，具有微型化、多功能、智能化和高集成度等優(yōu)點，適于大批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)聲傳感器相比，靈敏度和精密度都有顯著提高。

本產(chǎn)品具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高、環(huán)保無污染等特點，能廣泛應(yīng)用于各種場合（多功能性）微小聲音信號（如音量極低的聲音信號和各種振動信號等）的探測，并將探測到的信號在不受電磁等環(huán)境干擾的情況下傳輸?shù)胶蠖颂幚硐到y(tǒng)，將信號放大還原，如地震救援探測，地質(zhì)活動監(jiān)測，海底救援微弱信號的探測等。其多功能性使得本產(chǎn)品不僅在實際生活中應(yīng)用廣泛，在軍事上亦有廣闊的應(yīng)用前景。本產(chǎn)品可用于各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的穩(wěn)定通信，大量安裝于人煙稀少的邊境地區(qū)，用于邊境地區(qū)的安防，并監(jiān)測是否有敵機等武裝力量入侵等，以保衛(wèi)國家的領(lǐng)土安全和人民群眾的財產(chǎn)安全。

3 市場前景

本產(chǎn)品具有抗干擾性強、穩(wěn)定性高、環(huán)保無污染等特點，能廣泛應(yīng)用于各種場合（多功能性）微小振動信號（如音量極低的聲音信號和各種振動信號等）的探測，并可以廣泛應(yīng)用。其廣泛應(yīng)用的特點也激發(fā)了廣泛需求。我們在現(xiàn)有基礎(chǔ)上綜合考慮成本及性能，盡量降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使得產(chǎn)品更易于推向市場，并進一步開發(fā)產(chǎn)品的新功能，更換不同探頭以實現(xiàn)陸、海、空環(huán)境下探測信號穩(wěn)定不失真。在不斷完善項目產(chǎn)品的同時做好宣傳，將一代、二代產(chǎn)品推向市場，收集用戶對產(chǎn)品性能和功能的意見、建議，及時改進產(chǎn)品，提高用戶體驗，形成完善的三代、四代產(chǎn)品。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測，本產(chǎn)品有廣泛的市場需求，經(jīng)濟效益十分可觀。