1.1 引言

聲作為最早受到關注和研究的自然現象，具有至關重要的利用價值。比如，在日常生活中，很多人都喜歡聽音樂，有些音樂讓人感到興奮、愉悅，而有的音樂卻讓人悲憤、傷心，這說明聲波可以傳遞信息。中國中醫講究“望、聞、問、切”，其中“聞”就是根據患者聲息的高低、清濁來判斷病情。當今醫學的B超或彩超利用超聲波可以更準確地獲得人體內部的疾病信息。人們可以通過對自然次聲特性和產生機制的研究預測自然災害事件[1，2]。比如，臺風和海浪摩擦會產生次聲波，由于它的傳播速度遠大于臺風移動的速度，用一種叫“水母耳”的儀器去檢測次聲波，即可在臺風來臨之前發出警報。聲吶被動接收魚雷等水中目標產生的輻射噪聲和發射的信號，可以測定目標的方位和距離。圖1-1是聲波傳遞信息實例示意圖。在這些與聲探測相關的研究領域中，如何準確有效地獲取聲信息很重要，因此研究者發明了聲傳感器。

圖1-1 聲波傳遞信息實例示意圖

傳統的電聲傳感器[3-6]包括：①壓電式聲傳感器[7，8]，如基于AIN薄膜的聲傳感器，雖然靈敏度高，壓電系數較低，可進行甚低頻檢測，但其制備工藝還不成熟，頻響帶寬窄；②壓阻式聲傳感器[9-11]，體積小、靈敏度高，但存在動態范圍小、溫漂大的缺點；③電容式聲傳感器[12-14]，靈敏度高、頻率響應平坦、動態范圍大、瞬態響應好，常被用于高質量的拾音場合或高聲壓級噪聲測量，但缺點是高靈敏度和寬頻率響應范圍不可兼得，而且價格偏高，必須外加高電壓，在許多場合使用起來不方便；④駐極體式聲傳感器[15-17]，它是電容式聲傳感器的一種，其優點是省去了極化電壓的裝置，電路也簡化了，從而體積小巧，價格相對低廉，缺點是存在退極化現象，極化電壓保持時間有一定限度，在潮濕環境中容易發生漏電。另外，電聲傳感器還普遍存在在強輻射等惡劣環境下難以正常工作的缺陷。光學聲傳感器[18，19]可抗電磁干擾和微小型化，但是，其依賴于機械變形結構[20，21]（如薄膜）的位移來進行聲探測，引入了自共振，所實現的靈敏度具有頻率依賴性。

近年發展起來的一種新型光學聲傳感器通過一個微型法布里-珀羅諧振腔（簡稱法珀腔）實現了無振膜純光學的聲檢測[22，23]。該傳感器的新穎之處在于它不是通過感應腔鏡的運動或變形來實現聲探測的，而是通過感知腔內傳播介質折射率的微小變化來實現聲探測的（如圖1-2所示）。全剛性的結構方案消除了機械共振所帶來的影響，能夠獲得非常平坦的頻率響應，可解決現有振膜光學聲傳感器件的靈敏度和適用性等瓶頸問題。

圖1-2 聲壓致法珀腔腔內介質折射率變化的聲傳感原理示意圖

無振膜純光學聲傳感器采用全光學純固態原理代替機械振動原理，具有耐高聲壓、線性頻率響應和高分辨率的優點，非常適合用于大推力運載火箭和渦扇發動機超高聲壓噪聲的測量。另外，無振膜純光學聲傳感技術還在超聲計量領域[如噪聲監測、工業無損檢測[24]、醫療診斷[25]和海洋探測（見圖1-3）]等中具有特別的吸引力。雖然奧地利XARION激光聲學公司已經對無振膜純光學麥克風的相關研究成果進行了報道，但出于商業機密，在航空航天及超聲計量領域有著巨大應用前景的該器件的結構加工和封裝技術及信號提取方式均未被提及。因此，為了擺脫高端聲傳感器件長期依賴于進口的現狀，開展具有自主知識產權的核心聲敏感器件的技術攻關具有一定的戰略意義和實際應用價值。

圖1-3 無振膜純光學聲傳感技術的應用領域

另外，光學聲傳感器的微型化也是重要的發展趨勢，微型化的核心是微機電系統（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技術。MEMS技術是用于微傳感器的批量化、集成化制造技術，具有高集成度、多功能集成、高附加值等優勢。光學MEMS是MEMS技術與光學技術相互融合而形成的技術分支，可將傳統的光學元器件制造技術提升到微型化、陣列化、批量化的新高度。尤其是智能物聯網時代的到來，MEMS光學聲傳感器憑借微型化、低功率、高集成度、低成本的優勢成為最具發展前景的聲傳感技術。