1.1 引言

聲作為最早受到關(guān)注和研究的自然現(xiàn)象，具有至關(guān)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(yī)講究“望、聞、問、切”，其中“聞”就是根據(jù)患者聲息的高低、清濁來判斷病情。當(dāng)今醫(yī)學(xué)的B超或彩超利用超聲波可以更準(zhǔn)確地獲得人體內(nèi)部的疾病信息。人們可以通過對自然次聲特性和產(chǎn)生機(jī)制的研究預(yù)測自然災(zāi)害事件[1，2]。比如，臺風(fēng)和海浪摩擦?xí)a(chǎn)生次聲波，由于它的傳播速度遠(yuǎn)大于臺風(fēng)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(fēng)來臨之前發(fā)出警報。聲吶被動接收魚雷等水中目標(biāo)產(chǎn)生的輻射噪聲和發(fā)射的信號，可以測定目標(biāo)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(guān)的研究領(lǐng)域中，如何準(zhǔn)確有效地獲取聲信息很重要，因此研究者發(fā)明了聲傳感器。

圖1-1 聲波傳遞信息實例示意圖

傳統(tǒng)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(shù)較低，可進(jìn)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(tài)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(yīng)平坦、動態(tài)范圍大、瞬態(tài)響應(yīng)好，常被用于高質(zhì)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(yīng)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(yōu)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(xiàn)象，極化電壓保持時間有一定限度，在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生漏電。另外，電聲傳感器還普遍存在在強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下難以正常工作的缺陷。光學(xué)聲傳感器[18，19]可抗電磁干擾和微小型化，但是，其依賴于機(jī)械變形結(jié)構(gòu)[20，21]（如薄膜）的位移來進(jìn)行聲探測，引入了自共振，所實現(xiàn)的靈敏度具有頻率依賴性。

近年發(fā)展起來的一種新型光學(xué)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(xiàn)了無振膜純光學(xué)的聲檢測[22，23]。該傳感器的新穎之處在于它不是通過感應(yīng)腔鏡的運動或變形來實現(xiàn)聲探測的，而是通過感知腔內(nèi)傳播介質(zhì)折射率的微小變化來實現(xiàn)聲探測的（如圖1-2所示）。全剛性的結(jié)構(gòu)方案消除了機(jī)械共振所帶來的影響，能夠獲得非常平坦的頻率響應(yīng)，可解決現(xiàn)有振膜光學(xué)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(nèi)介質(zhì)折射率變化的聲傳感原理示意圖

無振膜純光學(xué)聲傳感器采用全光學(xué)純固態(tài)原理代替機(jī)械振動原理，具有耐高聲壓、線性頻率響應(yīng)和高分辨率的優(yōu)點，非常適合用于大推力運載火箭和渦扇發(fā)動機(jī)超高聲壓噪聲的測量。另外，無振膜純光學(xué)聲傳感技術(shù)還在超聲計量領(lǐng)域[如噪聲監(jiān)測、工業(yè)無損檢測[24]、醫(yī)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(xué)公司已經(jīng)對無振膜純光學(xué)麥克風(fēng)的相關(guān)研究成果進(jìn)行了報道，但出于商業(yè)機(jī)密，在航空航天及超聲計量領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用前景的該器件的結(jié)構(gòu)加工和封裝技術(shù)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(jìn)口的現(xiàn)狀，開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心聲敏感器件的技術(shù)攻關(guān)具有一定的戰(zhàn)略意義和實際應(yīng)用價值。

圖1-3 無振膜純光學(xué)聲傳感技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

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