CN101672624A - 一种光电位移传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电位移传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。所述光电位移传感器包括激光器、光纤和位移刻度板，激光器安装于被测物体的主轴上，并可沿被测物体的主轴进行运动；激光器产生的激光束通过光纤照射到位移刻度板上；位移刻度板上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成，位移刻度板用于感应通过光纤传输的激光束，并产生光电流。本发明光电位移传感器的结构简单紧凑、体积小、便于携带且测量精度相对传统的位移传感器大幅度提高，由于采用光电技术实现了非接触式位移传感，可以延长传感器的使用寿命，同时能够应用于微电子的大规模生产技术中，使得生产成本下降，传感器的价格相对国外类似高端产品的价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器及其制备方法，尤其涉及一种光电位移传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。
背景技术
目前的基础工程建设中存在着大量的线型工程，如高速公路、铁路、市政管线、输油输气工程、地铁、隧道、桥梁、大坝和堤防等，这些线型工程一般具有跨度大，沿线地貌地质条件复杂等特点，对周边地质、地貌、气候等环境变化比较敏感，常发生差异沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题，从而影响了工程的正常使用，造成重大的损失，有时还对工程沿线的生态环境造成严重的影响。因此，采取相应的监测技术手段对线型工程的主体及附属设施进行健康监测和诊断，及时预警预报，是广大科技工作者和工程技术人员必须要面对的重大课题之一。
位移传感器可以广泛应用于工程、工业控制、仪器科学等领域，可以针对工程地形地貌进行监测和在航空航天中进行测量。传统的位移传感器一般使用接触式的电刷，随着使用次数的增多会造成电刷机械疲劳，使用寿命受限，同时由于机械式电刷的尺寸无法做到微米量级，使得基于电刷原理的位移传感器精度不高。目前，高精度的位移传感器主要是利用光栅、磁栅、容栅以及机械技术等原理来反映被测物体的位移大小，制作成本高，价格昂贵，而且高端产品大多被国外产品垄断。
发明内容
本发明针对价格便宜的位移传感器精度低、使用寿命短以及精度高、使用寿命长的位移传感器却价格昂贵的不足，提供了一种光电位移传感器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光电位移传感器包括激光器、光纤和位移刻度板，所述激光器安装于被测物体的主轴上，并沿被测物体的主轴进行运动；所述激光器产生的激光束通过所述光纤照射到所述位移刻度板上；所述位移刻度板上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成，所述位移刻度板用于感应通过所述光纤传输的激光束，并产生光电流。
进一步，所述位移刻度板通过数字逻辑电路模块连接有数字显示器，所述数字显示器用于接收所述位移刻度板产生的光电流，并通过所述数字逻辑电路模块将光电流转换为相应的位移数字量进行显示
进一步，所述具有光电导效应的半导体材料包括以下至少一种材料：硅、锗以及砷化镓。
进一步，所述激光器产生的激光束的波长等于所述具有光电导效应的半导体材料的光电导最强时的波长。
本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种光电位移传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤10：制备位移刻度板，所述位移刻度板上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成；
步骤20：根据所述位移刻度板上具有光电导效应的半导体材料的光电导最强时的波长选取具有相应激光束波长的激光器，并将所述激光器安装于被测物体的主轴上。
进一步，所述步骤10包括以下步骤：
步骤101：清洗具有光电导效应的半导体材料表面，并在所述半导体材料表面旋涂光刻胶后进行第一次光刻，形成离子注入的区域图形；
步骤102：在所述区域图形中通过离子注入后形成高掺杂区；
步骤103：在经过上述加工后的半导体材料上旋涂光刻胶后进行第二次光刻，形成位移刻度线条图形；
步骤104：在所述位移刻度线条图形上通过蒸发金属制作位移刻度线；
步骤105：通过合金退火工艺使金属位移刻度线与半导体材料之间形成欧姆接触；
步骤106：在整个位移刻度板表面通过等离子化学汽相淀积形成Si3N4绝缘层；
步骤107：在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶后进行第三次光刻，形成刻孔区域图形，再采用反应离子刻蚀工艺形成引线刻孔；
步骤108：在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶后进行第四次光刻形成压焊图形，并通过电镀法制备压焊块。
进一步，所述具有光电导效应的半导体材料为本征硅片。
进一步，所述离子注入的区域图形为通过干法腐蚀或者湿法腐蚀形成的深度为600微米的槽。
进一步，所述通过干法腐蚀半导体材料形成离子注入的区域图形的工艺条件包括腐蚀气体为SF6、腐蚀气体的流量为60sccm、腐蚀气体的速率是2000à/min以及射频功率为30W。
进一步，所述合金退火工艺中退火的温度为380℃，退火的气体环境为：先通入氮气，接着通入氮气和氢气的混合气体，最后再通入氮气。
本发明的有益效果是：本发明光电位移传感器的结构简单紧凑、体积小、便于携带且测量精度相对传统的位移传感器大幅度提高，由于采用光电技术实现了非接触式位移传感，可以延长传感器的使用寿命，同时能够应用于微电子的大规模生产技术中，使得生产成本下降，传感器的价格相对国外类似高端产品的价格低廉。
附图说明
图1为本发明实施例光电位移传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例光电位移传感器中位移刻度板的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例光电位移传感器的结构示意图。如图1所示，所述传感器包括激光器1、光纤2和位移刻度板3。所述激光器1安装于被测物体的主轴8上，并可沿被测物体的主轴8进行运动，所述激光器1产生的激光束通过所述光纤2照射到所述位移刻度板3上，所述光纤2与激光器1耦合聚光，可以削减激光器1的光发散，从而提高激光的利用率。所述位移刻度板3上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成，所述位移刻度板3用于感应通过所述光纤2传输的激光束，并产生光电流。所述光电位移传感器中的位移刻度板3通过数字逻辑电路模块9连接有数字显示器4，所述数字显示器4用于接收所述位移刻度板3产生的光电流，并通过所述数字逻辑电路模块9将光电流转换为相应的位移数字量进行显示。
所述具有光电导效应的半导体材料包括以下至少一种材料：硅、锗以及砷化镓。特别是化合物半导体砷化镓，其能带结构为直接禁带，导带底和价带顶位于k空间同一k值处，光电效应显著，转换效率高。受激光辐射的具有光电导效应的半导体材料产生光生载流子，通过完整回路形成光电流。在本实施例中，所述具有光电导效应的半导体材料为本征硅片。在位移刻度板3的不同位置均有导电支路，一旦受激光辐射，就可以传输相应位置处的光电流。所述导电支路与激光器1有一一对应性，而激光器1受被测物体驱动，所以，判断产生电流的导电支路即可确定被测物体的位置。将被测物体运动始末的位置刻度相减，即可得到位移量。所述激光器1产生的激光束的波长等于所述具有光电导效应的半导体材料的光电导最强时的波长。当所述光纤2的聚光效果不能满足位移测量的精度要求时，可以在所述光纤2和位移刻度板3之间增加有遮光板，光线通过遮光板上的光槽照射到位移刻度板3上，可以提高光线的聚光效果，从而满足位移测量的精度要求。
图2为本发明实施例光电位移传感器中位移刻度板的结构示意图。如图2所示，所述位移刻度板3的制备方法包括以下步骤：首先，清洗具有光电导效应的半导体材料表面，本实施例中，所述半导体材料为本征硅片，并在所述本征硅片表面旋涂光刻胶后进行第一次光刻，形成离子注入的区域图形，所述离子注入的区域图形包括点A、B、C和D组成的矩形，点E、F、G和H组成的矩形，以及点I、J、K和L组成的矩形；然后，在所述区域图形中通过离子注入后形成高掺杂区；接着，在经过上述加工后的本征硅片上旋涂光刻胶后进行第二次光刻，形成位移刻度线条图形；接着，在所述位移刻度线条图形上通过蒸发金属制作位移刻度线7，所述位移刻度板3上的刻度分为上下两层，分别表示十位和个位，A、B、C和D四点组成的矩形区域表示十位，I、J、K和L四点组成的矩形区域表示个位，其中，上层刻度分为10段，表示十位，从零至九，对应的下层刻度为个位，分别是1、3、5、7、9；接着，通过合金退火工艺使金属位移刻度线与本征硅片之间形成欧姆接触，从而降低金属与半导体的接触电阻，所述合金退火工艺中退火的温度为380℃，退火的气体环境为：先通入5分钟的氮气，接着通入20分钟的氮气和氢气的混合气体，最后通入5分钟的氮气；接着，在整个位移刻度板表面通过等离子化学汽相淀积形成Si3N4绝缘层；接着，在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶进行第三次光刻，形成刻孔区域图形，采用反应离子刻蚀工艺形成引线刻孔5；最后，在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶后进行第四次光刻形成压焊图形，并通过电镀法制备压焊块6。同时，将不同十位刻度的相同个位刻度连接在一起，以减少个位压焊块的个数。压焊块的作用是引出电信号，其面积较大，方便与仪器设备的连接。
由于在所述区域图形中通过离子注入后形成高掺杂区是第一步，而离子注入后又没有颜色的变化，所以在离子注入之前必须先做一个对准标记，即在不需要增加光刻掩膜版的情况下，通过干法或湿法腐蚀在表面旋涂光刻胶的本征硅片上形成深度为600微米的槽，这样在离子注入再去胶后，便可以形成对准标记。在本实施例中，采用干法腐蚀本征硅片，腐蚀气体为SF6，腐蚀气体的流量为60sccm，腐蚀气体的速率是2000à/min，射频功率为30W。
使用本发明实施例光电位移传感器进行被测物体的测量时，先将激光器安装于被测物体的主轴上，当激光器随被测物体在主轴上滑动时，位移刻度板3固定不动，激光束可以通过光纤发射到位移刻度板上，所述位移刻度板上具有光电导效应的半导体材料感应激光束后会发生光电导效应，并生成光电流经数字逻辑电路模块输出至数字显示器中并在数字显示器上显示位移刻度数据。以图2所示的位移刻度板说明本发明实施例光电位移传感器的工作过程：图2所示位移刻度板对应的光电位移传感器的精度是10微米，即个位线条宽度为10微米，当被测件的位置刻度为150微米时，激光光斑辐射位置在十位的第一格和个位的第五格，个位的第一格和十位的第五格感应通过光纤2传输的激光束后，产生光电流并将其输出，输出的光电流通过数字逻辑电路模块转换为相应的位移数字量，在数字显示器上显示，即可得到读数。更进一步地，配置带存储功能的检测电路，将被测物体始末位置的刻度数据相减，可以得到位移值。
本发明实施例光电位移传感器的结构简单紧凑、体积小、便于携带且测量精度相对传统的位移传感器大幅度提高，由于采用光电技术实现了非接触式位移传感，可以延长传感器的使用寿命，同时能够应用于微电子的大规模生产技术中，使得生产成本下降，传感器的价格相对国外类似高端产品的价格低廉。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光电位移传感器，其特征在于，所述传感器包括激光器(1)、光纤(2)和位移刻度板(3)，所述激光器(1)安装于被测物体的主轴(8)上，并沿被测物体的主轴(8)进行运动；所述激光器(1)产生的激光束通过所述光纤(2)照射到所述位移刻度板(3)上；所述位移刻度板(3)上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成，所述位移刻度板(3)用于感应通过所述光纤(2)传输的激光束，并产生光电流。
2.根据权利要求1所述的光电位移传感器，其特征在于，所述位移刻度板(3)通过数字逻辑电路模块(9)连接有数字显示器(4)，所述数字显示器(4)用于接收所述位移刻度板(3)产生的光电流，并通过所述数字逻辑电路模块(9)将光电流转换为相应的位移数字量进行显示。
3.根据权利要求1所述的光电位移传感器，其特征在于，所述具有光电导效应的半导体材料包括以下至少一种材料：硅、锗以及砷化镓。
4.根据权利要求1所述的光电位移传感器，其特征在于，所述激光器(1)产生的激光束的波长等于所述具有光电导效应的半导体材料的光电导最强时的波长。
5.一种光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤10：制备位移刻度板(3)，所述位移刻度板(3)上的位移刻度由具有光电导效应的半导体材料制成；
步骤20：根据所述位移刻度板(3)上具有光电导效应的半导体材料的光电导最强时的波长选取具有相应激光束波长的激光器(1)，并将所述激光器(1)安装于被测物体的主轴(8)上。
6.
根据权利要求5所述的光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤10包括以下步骤：
步骤101：清洗具有光电导效应的半导体材料表面，并在所述半导体材料表面旋涂光刻胶后进行第一次光刻，形成离子注入的区域图形；
步骤102：在所述区域图形中通过离子注入后形成高掺杂区；
步骤103：在经过上述加工后的半导体材料上旋涂光刻胶后进行第二次光刻，形成位移刻度线条图形；
步骤104：在所述位移刻度线条图形上通过蒸发金属制作位移刻度线(7)；
步骤105：通过合金退火工艺使金属位移刻度线与半导体材料之间形成欧姆接触；
步骤106：在整个位移刻度板表面通过等离子化学汽相淀积形成Si3N4绝缘层；
步骤107：在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶后进行第三次光刻，形成刻孔区域图形，再采用反应离子刻蚀工艺形成引线刻孔(5)；
步骤108：在所述Si3N4绝缘层的表面旋涂光刻胶后进行第四次光刻形成压焊图形，并通过电镀法制备压焊块(6)。
7.根据权利要求6所述的光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述具有光电导效应的半导体材料为本征硅片。
8.根据权利要求6所述的光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述离子注入的区域图形为通过干法腐蚀或者湿法腐蚀形成的深度为600微米的槽。
9.根据权利要求8所述的光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述通过干法腐蚀半导体材料形成离子注入的区域图形的工艺条件包括腐蚀气体为SF6、腐蚀气体的流量为60sccm、腐蚀气体的速率是2000à/min以及射频功率为30W。
10.根据权利要求6所述的光电位移传感器的制备方法，其特征在于，所述合金退火工艺中退火的温度为380℃，退火的气体环境为：先通入氮气，接着通入氮气和氢气的混合气体，最后再通入氮气。
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