(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射部を有するダイヤフラムと、
端部にハーフミラーを有する光ファイバと
前記ダイヤフラムを振動するように保持するとともに、前記光ファイバを固定する支持部とを備え、
前記全反射部と前記光ファイバの前記ハーフミラーとで、ファブリ・ペロー干渉部を構成し、
前記支持部は、前記光ファイバを固定するためのガラス・スプライスと、ガラス管と、シリコン構造体とで構成され、
前記ダイヤフラムは、前記ガラス管により保持されており、
前記光ファイバは、前記ファブリ・ペロー干渉部にレーザ光を入射するとともに、前記ファブリ・ペロー干渉部からの出力を取り出すことができ、
前記ファブリ・ペロー干渉部により、前記ダイヤフラムの振動を検出することを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。
【請求項２】
請求項１に記載の光干渉型マイクロ・ハイドロホンにおいて、
前記支持部は、細管構造により、外部と接続していることを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。
【請求項３】
請求項２に記載の光干渉型マイクロ・ハイドロホンにおいて、
前記シリコン構造体には、液体を注入することができる穴を有し、該穴は、使用時にはふさがれていることを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光干渉型マイクロ・ハイドロホンに関するものである。
【０００２】
【技術的背景】
半導体集積回路の製造技術を応用して３次元的な微小構造物を加工するマイクロ・マシニング接術が、近年急速に発展してきた。マイクロマシニング技術によれば、これまでにない微細な構造物を製作することができる（例えば、江刺、藤田、五十嵐、杉山、「マイクロマシニングとマイクロメカトロニクス」培風館  １９９２年発行  参照）。マイクロセンサは、その中で急速に発展しつつある領域であり、おもに医療や自動車の分野での実用化が進んでいる。
一方、地下計測技術について考えると、現在使用されている地下計測用センサは大型でかつ高価であるために、計測には高額な費用が必要とされ、観測点数が制限されることが多い。そのため、小型で安価なセンサの製作が可能になれば、アレイ計測や一つのシステムに複数のセンサを組み込んでの同時計測が容易となる。また、小型のセンサには駆動エネルギーが小さいために応答が速く高感度であるという特徴がある。そのため、微小な圧力、温度、流量等の変化も測定可能となり得る。
【０００３】
このような背景により、東北大学では１９９３年より『地下マイクロセンシングプロジェクト』を実施している。本プロジェクトは、マイクロ・マシニングによるマイクロ・センサならびに、マイクロ・ドリリング技術の開発により、マイクロ坑井内計測、マイクロＭＷＤ、マイクロ・インテリジェント検層等の技術を開発し、地下計測分野の画期的展開を図ろうとするものである（例えば、新妻、「地下情報のマイクロセンシング」、物理探査、９６、ｐｐ．３３-３４、（１９９７）等参照）。
【０００４】
さて、光ファイバ計測系をマイクロ・センサに導入することにより、高感度・小型・安価でかつ耐熱性のある完全受動型センサを構成でき、地下環境においても優れたセンサが実現可能になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、光ファイバ計測系を用いて、高感度・小型・安価でかつ耐熱性のある光干渉型マイクロ・ハイドロホンを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、全反射部を有するダイヤフラムと、端部にハーフミラーを有する光ファイバと、前記ダイヤフラムを振動するように保持するとともに、前記光ファイバを固定する支持部とを備え、前記全反射部と前記光ファイバの前記ハーフミラーとで、ファブリ・ペロー干渉部を構成し、前記支持部は、前記光ファイバを固定するためのガラス・スプライスと、ガラス管と、シリコン構造体とで構成され、前記ダイヤフラムは、前記ガラス管により保持されており、前記光ファイバは、前記ファブリ・ペロー干渉部にレーザ光を入射するとともに、前記ファブリ・ペロー干渉部からの出力を取り出すことができ、前記ファブリ・ペロー干渉部により、前記ダイヤフラムの振動を検出することを特徴とする光干渉型マイクロ・ハイドロホンである。
前記支持部は、細管構造により、外部と接続しているとよい。前記シリコン構造体には、液体を注入することができる穴を有し、該穴は、使用時にはふさがれているようにすることもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１に、本発明の実施形態である光干渉型マイクロ・ハイドロホン１００の構造を示す。
図１において、光干渉型マイクロ・ハイドロホン１００は、ガラス管１３０と、ファイバ１１０を固定するために、中心部にファイバ１１０を通す穴があいているガラス・スプライス（ガラス継ぎ手）１５０の上下に、シリコン構造体１２０とダイヤフラム１４０とを有している。振動を受けているダイヤフラム１４０の一部とファイバ１１０とで、ファブリ・ペロー干渉計部１７０を構成している。このファブリ・ペロー干渉計部１７０で、ダイヤフラム１４０の振動（音波）を検出している。ファブリ・ペロー干渉計部１７０の動作は、図２を用いて詳しく説明する。振動検出は、ファイバ１１０からレーザ光を照射して、ファブリ・ペロー干渉計部１７０での干渉を、光強度を検出することで行っている。
マイクロ・ハイドロホン１００内部のキャビティ１６０は、細管構造１６２で外部と接続しており、この構造により、マイクロ・ハイドロホン１００には、ハイパス特性を持たせている。細管構造１６２によるハイパス特性により、直流分である水圧の部分をカットしている。
【０００８】
図２を用いて、振動検出の原理を説明する。図２（ａ）は、図１のハイドロホンのファブリ・ペロー干渉計部の動作を示す。図２（ｂ）は、マイクロ・ハイドロホンのレーザ光の波長と反射率との特性を示すグラフを示す。
図２（ａ）に示すように、本ハイドロホンでは、光ファイバ１１０の先端にハーフミラー１１２を、ダイヤフラム１４０のファイバ側表面にミラー１４２を取り付け、ファプリ・ペロー干渉計を構成している。このとき、得られる光強度信号は、次の（１）式で表される（例えば、P.Hariharan Optical interferometry. Academic Press Australia, Sydney, １９８５，ｐｐ．１５１〜１６３  参照）。
【数１】
0003642570.tif 000002
ここで、Ｒ１、Ｒ２：ハーフミラーと全反射ミラーのエネルギー反射率、ηはギャップ間の屈折率、ｄはギャップ長、λは入射光の波長である。
上述の（１）式は、図２（ｂ）に示されるように、観測される光強度が干渉によるピークを持つことを示している。
本センサでは、この図２（ｂ）で示される干渉パターンのうち、波長の変化に対して、反射した光の強度信号が直線的に変化する部分（図２（ｂ）の点線で挟まれる区間）を利用して、ダイヤフラム１４０の振動を検出している。図２（ｂ）の動作点は、特定の波長に対して、ギャップ長、ハーフミラーの反射率等を調整することで得られる。
【０００９】
＜製作プロセス＞
実施形態の各部の製作プロセス例を、図３〜図４を用いて詳しく説明する。
（シリコン構造体プロセス）
図３にシリコン構造体の製作プロセス例を示す。
（１）まず、シリコン構造体を製作するシリコン基板２００の両面を研磨して、面の方位を（１００）とし、表面洗浄を行う。
（２）シリコン基板２００の表面を熱で酸化して、両面に酸化膜（ＳｉＯ２）２１２，２１４を作成する。
（３）シリコン基板２００の酸化膜２１２，２１４上にポジ型レジスト２２２，２２４を塗布する。
（４）塗布したポジ型レジスト２２２，２２４に対して、マスクにより露光して、フォトリソグラフィーを行う。
（５）フォトリソグラフィーを行ったシリコン基板２００のＳｉＯ２膜２１２，２１４に対してエッチングを行う。
（６）TMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液によるエッチングを行い、細管構造部分を作成する。
（７）シリコン基板２００上に塗布したレジスト２２２，２２４や、作成した酸化膜２１２，２１４を除去して、シリコン基板２００を洗浄する。
（８）再度、シリコン基板２００に熱処理を行い、酸化膜２５２，２５４を作成する。
（９）再度、シリコン基板２００の酸化膜２５２，２５４上に、ポジ型レジスト２６２，２６４を塗布する。
（１０）塗布したポジ型レジスト２６２，２６４に対して、マスクにより露光して、フォトリソグラフィーを行う。
（１１）フォトリソグラフィーを行ったシリコン基板２００のＳｉＯ２膜２５２，２５４に対してエッチングを行う。
（１２）シリコン基板２００に対して、ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）によるドライ・エッチングを行い、シリコン基板２００の部分を貫通させ、水を通す穴１８０や、作成したシリコン構造体を切り離すためのエッチングを行う。この穴１８０については後で説明する。
（１３）シリコン基板２００上に塗布したレジスト２６２，２６４や、作成した酸化膜２５２，２５４を除去して、シリコン基板２００を洗浄する。
【００１０】
（ダイヤフラムプロセス）
図４に、ダイヤフラム製作プロセス例を示す。
（１）まず、ダイヤフラムを製作するためのシリコン基板３００の両面を研磨し、表面洗浄を行う。
（２）シリコン基板３００上に、ポジ型レジスト３１２，３１４を塗布する。
（３）マスクを用いて、レジスト３１２，３１４に対してフォトリソグラフィーを行う。
（４）シリコン基板３００に対して、ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）によるドライ・エッチングを行い、シリコン基板３００に振動子の凹凸部分を作成する。
（５）シリコン基板３００上のレジスト３１２，３１４を除去する。
（６）ステンシル・マスクを利用して、金属（例えば、金や銅）をスパッタリングして、ファブリ・ペロー干渉計部のミラー１４２を作成する。
（７）シリコン基板３００上に、ポジ型レジスト３２２，３２４を再度塗布する。
（８）マスクを用いて、レジスト３２２，３２４に対してフォトリソグラフィーを行う。
（９）シリコン基板３００に対して、ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）によるドライ・エッチングを行い、シリコン基板３００を貫通させ、作成したダイヤフラムを切り離すためのエッチングを行う。
（１０）シリコン基板３００上のレジスト３２２，３２４を除去する。
（ファイバ・プロセス）
スパッタリングにより、ファイバ１１０の端面上に、例えば、ＴｉＯ２ハーフミラーの製作を行う。
【００１１】
（組み立てプロセス）
製作した各パーツは、例えば、図５に示すような方法で組み立てる。
（１）シリコン構造体１２０上に、ガラス・スプライス１５０を陽極接合により接着する。
（２）シリコン構造体１２０上に、外側のガラス管１３０を陽極接合する。
（３）作業台３６０上にギャップ長調節治具３５０をおき、この治具３５０を用いてファイバ１１０をガラス・スプライス１５０に挿入し、ダイヤフラムとのギャップを正確に決めて、ファイバ１１０をガラス・スプライス１５０に接着剤で固定する。
（４）最後のダイヤフラムを、ガラス管１３０に陽極接合により接着する。
【００１２】
【実施例】
実施例として、図６に、組み上げたマイクロ・ハイドロホン主要部分１００とマイクロ・ハイドロホン主要部分１００を保護する真鍮ケース３７０の写真を示す。図示したハイドロホン主要部分１００は直径５ｍｍ、高さ３ｍｍの円柱形状のものである。キャビティ１６０と外部を細管構造１６２により接続し、ハイパス特性（ｆｃ＝１００Ｈｚ）を持たせている。また、このハイドロホン主要部１００は、真鍮ケースに入れられ、真鍮ケースのサイズは、直径９ｍｍ、高さ１３ｍｍである。
これを製作するときに、シリコン構造体やダイヤフラムを、厚さ２００μｍのシリコン基板から作成した。ダイヤフラムの振動子の凹凸部分の薄いところは１００μｍである。ハーフミラー材料としてＴｉＯ２を、全反射ミラーの材料としては、Ａｕ／Ｃｒを用いている。実施例においては、ファプリ・ペロー干渉計部のギャップは、３２．６μｍである。
ハイドロホン１００の内部をシリコン構造体に設けた穴１８０からの水で満たすために、水中で最終的な組み立てを行った。なお、この穴１８０は、真鍮ケース３７０に設けたねじ３７５で使用時には塞いでいる。
【００１３】
＜光干渉型マイクロ・ハイドロホンの特性評価＞
製作したマイクロ・ハイドロホン１００の特性評価は、図７で示すように、小さな水槽（４０ｃｍ×５０ｃｍ×４０ｃｍ）４５０の中で水中スピーカ４６０を用いて行った。この評価においては、リファレンス用ハイドロホン（Ｂ＆Ｋ社製８１０３型）４４０とともに計測を行った。
干渉は、光ファイバ１１０に波長可変レーザ４１０からレーザ光を入射して、ファブリ・ペロー干渉計部１７０からの出力光を、サーキュレータ４７０で分離して、パワーメータ４３０で検出している。波形はオシロスコープ４２０で観測することもできる。
【００１４】
図８に水中スピーカ４６０に３５０Ｈｚの正弦波を入力した場合の検出波形を示す。どちらのハイドロホンからも歪の小さい信号が得られた。
製作したマイクロ・ハイドロホン１００の周波数特性を図９に示す。図中の０ｄＢは、出力の最大値とした。およそ１ｋＨｚのところまでハイドロホンで検出することができた。これ以上の周波数帯域では、水中スピーカの性能上、測定できなかった。２５０Ｈｚ以下の帯域では、細管構造によると思われるハイパス特性が確認できた。
なお、３００Ｈｚ、６００Ｈｚに見られるピークは、原因は不明だが、センサ固有のピークであると考えられる。また、１５００Ｈｚ付近のピークは、リファレンスセンサにおいても検出されたので、水槽など測定系の影響によるものと思われる。
【００１５】
図１０は、横軸にリファレンス用ハイドロホン４４０の出力をとり、縦軸には製作したハイドロホン１００の出力をとったものである。リファレンス用ホンでは音圧に比例して出力が得られていると仮定すると、グラフの直線性のよい区間が音圧に比例して出力が得られているといえる。例えば５００Ｈｚの場合、測定系のノイズレベルは３０ｍＶであり、２．３Ｖ程度まで直線性が得られた。このとき、センサのダイナミック・レンジは約３８ｄＢであり、このとき絶対感度は約−１９７ｄＢ（０ｄＢ＝1Ｖ／μＰａ）であった。
【００１６】
＜まとめ＞
この光干渉型マイクロ・ハイドロホンは、完全に受動素子であるために、高温環境下でも使用することができる。また、サイズは一般的な圧電型ハイドロホンの１／１０以下であり、例えば、複数のマイクロ・ハイドロホンによるアレイ計測も容易となる。
【００１７】
【発明の効果】
上述するように、本発明の構成により、光ファイバ計測系を用いることで、高感度・小型・安価でかつ耐熱性のある光干渉型マイクロ・ハイドロホンを得ることができる。この構成において、マイクロ・マシニング技術を用いることで、小さいマイクロ・ハイドロホンを製作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のマイクロ・ハイドロホンの構成を示す図である。
【図２】図１の構成のファブリ・ペロー干渉計部を示す図である。
【図３】マイクロ・マシニング技術によるシリコン構造体の製造過程を示す図である。
【図４】マイクロ・マシニング技術によるダイヤフラムの製造過程を示す図である。
【図５】マイクロ・ハイドロホンの組立過程を示す図である。
【図６】マイクロ・ハイドロホンの外観を示す図である。
【図７】実施例のマイクロ・ハイドロホンの特性試験の構成を示す図である。
【図８】実施例のマイクロ・ハイドロホンの出力を示す図である。
【図９】実施例のマイクロ・ハイドロホンのゲイン−周波数特性を示す図である。
【図１０】実施例のマイクロ・ハイドロホンの出力の直線性を示す図である。
【符号の説明】
１００        マイクロ・ハイドロホン
１１０        光ファイバ
１１２        ハーフミラー
１２０        シリコン構造体
１３０        ガラス管
１４０        ダイヤフラム
１４２        ミラー
１５０        ガラス・スプライス
１６０        キャビティ
１６２        細管構造
１７０        ファブリ・ペロー干渉計部
１８０        穴
２００，３００              シリコン基板
３００        シリコン基板
３５０        ギャップ長調節治具
３６０        作業台
３７０        真鍮ケース
４１０        波長可変レーザ
４２０        オシロスコープ
４３０        パワーメータ
４４０        リファレンス用ハイドロホン
４５０        水槽
４６０        水中スピーカ
４７０        サーキュレータ
２１２，２１４              酸化膜
２２２，２２４              ポジ型レジスト
２５２，２５４              酸化膜
２６２，２６４              ポジ型レジスト
３１２，３１４              ポジ型レジスト
３２２，３２４              ポジ型レジスト
【図１】
0003642570.tif 000003
【図２】
0003642570.tif 000004
【図３】
0003642570.tif 000005
【図４】
0003642570.tif 000006
【図５】
0003642570.tif 000007
【図６】
0003642570.tif 000008
【図７】
0003642570.tif 000009
【図８】
0003642570.tif 000010
【図９】
0003642570.tif 000011
【図１０】
0003642570.tif 000012