基于双振膜结构的激光加工全玻璃麦克风：增强鲁棒性与灵敏度的创新设计

《IEEE Photonics Journal》：Dual Diaphragm Structure-Based All-Glass Microphone With Enhanced Robustness and Sensitivity Using Laser Processing

　　本文推荐一种采用双振膜结构（压力放大振膜与声学传感振膜）的新型全玻璃麦克风，通过多激光加工技术实现高精度制造。该设计通过压力放大振膜将声波聚焦于传感振膜平面，结合法布里-珀罗干涉（EFPI）解调机制，在55.60 kHz共振频率下灵敏度达206.314 mV/Pa，信噪比提升至75.68 dB。该传感器兼具紧凑结构、高灵敏度和优异环境适应性，为电力设备监测、航空发动机等恶劣环境应用提供了创新解决方案。

　　

声学信号作为结构完整性、机械故障和材料劣化的重要指标，在电力系统局部放电检测、结构健康监测等领域具有广泛应用。高频声波信号能够反映早期故障特征，但其检测需要传感器具备高灵敏度、宽频带响应和优异的环境稳定性。传统外腔法布里-珀罗干涉（EFPI）声学传感器常采用聚合物、金属或硅基材料制备振膜，虽能实现较高灵敏度，却因材料热膨胀系数不匹配、封装残余应力等问题，在高温、高湿等恶劣环境下性能显著退化。此外，复杂微机电系统（MEMS）加工工艺限制了传感器的一致性和可靠性，制约了其实际应用潜力。

为解决上述挑战，上海大学研究团队在《IEEE Photonics Journal》发表了一项创新研究，提出基于双振膜结构的全玻璃麦克风设计。该传感器采用熔融石英材料，通过压力放大振膜增强声波聚焦效应，结合法布里-珀罗干涉解调机制，实现了灵敏度与鲁棒性的协同提升。研究人员通过理论建模与有限元仿真优化传感器参数，开发了多激光加工制备工艺，最终制备出性能优异的全玻璃声学传感器。

关键技术方法包括：采用皮秒激光微加工压力放大振膜与焊接组装，利用CO₂激光固定光纤与玻璃管封装结构，通过光学 interrogator（SM125）实时监测法布里-珀罗干涉光谱以确保腔长精度。实验采用压电 transducer（PZT）产生声波，以商用麦克风（B&K 4939）校准声压，通过光电探测器（DET08CFC/M）和示波器（MSO44）采集传感器响应。

II. 麦克风工作原理

研究团队设计了由压力放大振膜和传感振膜构成的双振膜结构。压力放大振膜采用菲涅尔波带片（FZP）设计，通过阻断偶次波带实现声波在传感振膜平面的聚焦放大。理论分析表明，圆形传感振膜的中心变形量（y）与声压（P）、振膜半径（r₂）的四次方成正比，与厚度（t₂）的三次方成反比。通过COMSOL仿真优化，确定振膜间距（h）为3.00 mm、振膜厚度为180 μm、菲涅尔环数（N）为14时，声压放大效果最优，在55.60 kHz共振频率处可实现6倍压力增强。

III. 麦克风制备与校准

多激光加工流程包括：皮秒激光加工压力放大振膜（图4a），在玻璃管上制备3.00 mm台阶结构（图4b），皮秒激光焊接双振膜与基座（图4c），CO₂激光固定光纤与毛细管（图4d）。制备的传感器干涉条纹可见度达15 dB（图6），表明法布里-珀罗腔质量良好。实验结果显示，加装压力放大振膜后，传感器在55.60 kHz处的输出电压从96.80 mV提升至216.90 mV，信噪比从66.31 dB增至75.68 dB，最小可检测压力（MDP）优化至3.78 μPa/Hz^1/2。

IV. 性能对比分析

频率响应测试表明（图10），双振膜结构使传感器在49.00-57.00 kHz频段内灵敏度显著提升，共振频率处灵敏度达206.314 mV/Pa，较单振膜结构（92.202 mV/Pa）提高2.24倍。与同类传感器相比（表1），该设计在紧凑尺寸（10 mm）、高灵敏度与全玻璃封装方面具有综合优势，特别适用于高温、高湿等恶劣环境。

本研究通过双振膜结构创新性解决了传统EFPI声学传感器在恶劣环境下性能不稳定的难题。全玻璃材质与激光加工技术确保了传感器的热稳定性和结构一致性，而声波聚焦机制显著提升了检测灵敏度。该技术为电力电网、化石能源、涡轮发动机等领域的在线监测提供了可靠解决方案，推动了光纤声学传感技术在工业检测中的应用边界。未来通过优化菲涅尔环数进一步提升压力放大效果，可拓展其在更宽频带声学检测中的应用潜力。