CN102065365B - 硅微复合薄膜芯片的制造方法及采用该硅微复合薄膜芯片的光纤声压传感器 - Google Patents
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Abstract
硅微复合薄膜芯片的制造方法及采用该硅微复合薄膜芯片的光纤声压传感器，属于微光机电传感器技术领域，本发明为解决现有声压传感器的灵敏度低、频响范围较窄且易受电磁干扰等问题。本发明给出平膜式和波纹式两种硅微复合薄膜芯片的制造工艺，采用这两种硅微复合薄膜芯片制造的传感器上端外壳端口处设置透声防护膜，内设MEMS敏感单元，形成上、下腔体，单元中的硅微复合薄膜芯片敏感区域设置有金属反射镜，下端壳体内设置光纤基座，光纤基座的两个光纤槽布入、反射光纤，两光纤的光轴相交于金属反射镜的反射面上，信号处理电路输出光信号通过入射光纤发射至金属反射镜的反射面，反射光纤接收该金属反射镜反射的光信号输入给信号处理电路。
Description
技术领域
本发明涉及硅微复合薄膜芯片的制造方法及采用该硅微复合薄膜芯片的光纤声压传感器，属于微光机电传感器技术领域。
背景技术
声压传感器技术是应用声学技术、新型材料技术、工艺技术进行声学物理参数检测，实现有关环境参数检测及目标探测的技术。传统的声压传感器主要有磁电式、碳粒式、电容式和驻极体式等。其中电容式和驻极体式声压传感器是传统声压传感器技术的代表。传统的声压传感器的灵敏度一般从零点几个毫伏/帕到几个毫伏/帕，个别校准用高性能电容型传声器能达到50毫伏/帕，但使用电路比较复杂，且抗温、湿能力较弱，易受电磁干扰，无法满足越来越高的使用要求。
目前，国外出现了采用光纤传感的声压传感器技术，如以色列Midwest公司的光纤声压传感器技术，其技术指标达到了频响0.5-14000Hz、灵敏度100mV/Pa±10％、最大量程114dB。
国内方面，上海科技大学的周书铨等人研究了微弯型光纤传声器的理论和试验模型，其原理是将敏感光纤从一对机械周期为λ0的齿形板中间穿过，对齿形板施加作用力时，光纤产生周期性的弯曲。当齿形板受外部扰动时，光纤的微弯程度随之变化，从而导致输出光功率的改变。通过光检测器检测到的光功率变化来间接地测量外部压力的大小。利用该原理制作的声传感器光纤结构复杂，且传感器的性能完全依赖于敏感光纤的性能，可靠性不能得到有利保证，同时存在解调手段复杂的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有声压传感器的灵敏度低、频响范围较窄且易受电磁干扰，的问题，提供了硅微复合薄膜芯片的制造方法及采用该硅微复合薄膜芯片的光纤声压传感器。
本发明硅微复合薄膜芯片的分为平膜式和波纹式两种。
平膜式硅微复合薄膜芯片的制作工艺过程为：
步骤一、在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤二、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤三、通过光刻、蒸发及剥离工艺在一侧的氮化硅层的中心区域制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤四、在另一侧氮化硅层采用光刻及湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成平膜式的硅微复合薄膜芯片的制作。
波纹式硅微复合薄膜芯片的制作工艺过程为：
步骤a、在硅基片的一侧表面通过掩膜技术，光刻、腐蚀制作出波纹图形；
步骤b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤c、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤d、在有波纹图形一侧的氮化硅层的中心平坦区域通过光刻、蒸发及剥离工艺制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤e、在另一侧氮化硅层采用光刻、湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成波纹式的硅微复合薄膜芯片的制作。
采用上述制造方法生产的硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，它包括MEMS敏感单元、透声防护膜、上端外壳、下端外壳、光纤基座、入射光纤、反射光纤和信号处理电路，所述的MEMS敏感单元安装在上端外壳内，并将上端外壳的内部分成上腔体和下腔体两部分，上端外壳的上端口处设置透声防护膜，MEMS敏感单元中的硅微复合薄膜芯片的敏感区域设置有金属反射镜，下端外壳内固定设置有光纤基座，所述光纤基座设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤和反射光纤，所述入射光纤的光信号入射光轴和反射光纤的光信号反射光轴相交于硅微复合薄膜芯片的金属反射镜的反射面上，信号处理电路输出光信号通过入射光纤发射至金属反射镜的反射面，反射光纤接收该金属反射镜反射的光信号输入给信号处理电路。
由透声防护膜进入的声压信号由MEMS敏感单元接收，所述声压信号令MEMS敏感单元的硅微复合薄膜芯片的敏感区域发生位移形变，进而使得金属反射镜移动，将引起反射光纤接收的光信号改变，所述光信号输入给信号处理电路，信号处理电路根据改变后的光信号实现对声压信号的检测。
本发明的优点：利用硅微低应力复合平膜/波纹硅微薄膜芯片对声压信号的敏感特性，即在声压作用下低应力复合平膜/波纹硅微薄膜芯片会产生位移变化量。由于在低应力复合平膜/波纹硅微薄膜芯片上制作金属反射镜，低应力复合平膜/波纹硅微薄膜芯片产生的位移偏量将引起光纤光路中反射光信号的变化。通过光学检测手段对反射光中的变化量进行检测，最后将光学信号变化转化为电压信号的变化，归一化后输出。即可实现对微弱声信号的高灵敏检测。硅微薄膜光纤声压传感器具有检测灵敏度高、体积小、频响范围宽、抗电磁干扰等突出优点。
附图说明
图1至图4是平膜式硅微复合薄膜芯片的制作工艺图；
图5是平膜式硅微复合薄膜芯片封装成的MEMS敏感结构的示意图；
图6-图10是波纹式硅微复合薄膜芯片的制作工艺图；
图11波纹式硅微复合薄膜芯片封装成的MEMS敏感结构的示意图；
图12是采用图5或图11所示MEMS敏感结构制造的传感器结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的一种硅微复合薄膜芯片的制造方法，平膜式硅微复合薄膜芯片的制作工艺过程为：
步骤一、在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤二、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤三、通过光刻、蒸发及剥离工艺在一侧的氮化硅层的中心区域制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤四、在另一侧氮化硅层采用光刻及湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成平膜式的硅微复合薄膜芯片的制作。
具体实施方式二：下面结合图6至图10说明本实施方式，本实施方式所述波纹式硅微复合薄膜芯片的制作工艺过程为：
步骤a、在硅基片的一侧表面通过掩膜技术，光刻、腐蚀制作出波纹图形；
步骤b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤c、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤d、在有波纹图形一侧的氮化硅层的中心平坦区域通过光刻、蒸发及剥离工艺制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤e、在另一侧氮化硅层采用光刻、湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成波纹式的硅微复合薄膜芯片的制作。
具体实施方式三：下面结合图1至和图12说明本实施方式，本实施方式采用实施方式一或实施方式二的制造方法生产的硅微薄膜芯片制造的硅微薄膜光纤声压传感器，它包括MEMS敏感单元6、透声防护膜7、上端外壳8、下端外壳9、光纤基座10、入射光纤11、反射光纤12和信号处理电路14，所述的MEMS敏感单元6安装在上端外壳8内，并将上端外壳8的内部分成上腔体15和下腔体16两部分，上端外壳8的上端口处设置透声防护膜7，MEMS敏感单元6中的硅微复合薄膜芯片1的敏感区域设置有金属反射镜1-3，下端外壳9内固定设置有光纤基座10，所述光纤基座10设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤11和反射光纤12，所述入射光纤11的光信号入射光轴和反射光纤12的光信号反射光轴相交于硅微复合薄膜芯片1的金属反射镜1-3的反射面上，信号处理电路14输出光信号通过入射光纤11发射至金属反射镜1-3的反射面，反射光纤12接收该金属反射镜1-3反射的光信号输入给信号处理电路14。
由透声防护膜7进入的声压信号由MEMS敏感单元6接收，所述声压信号令MEMS敏感单元6中的硅微复合薄膜芯片1的敏感区域1-1发生位移形变，进而使得金属反射镜1-3移动，将引起反射光纤12接收的光信号改变，所述光信号输出给信号处理电路14，信号处理电路14根据改变后的光信号实现对声压信号的检测。
MEMS敏感单元6包括硅微复合薄膜芯片1、平衡结构2、基座3和释放支架4，所述硅微复合薄膜芯片1通过平衡结构2封装在基座3中，
MEMS敏感单元6包括硅微复合薄膜芯片1、平衡结构2、基座3和释放支架4，所述硅微复合薄膜芯片1通过平衡结构2封装在基座3中，硅微复合薄膜芯片1与平衡结构2从上至下依次设置在基座3的凹槽中，硅微复合薄膜芯片1包括敏感区域1-1和硅杯1-2，硅微复合薄膜芯片1倒置，即硅微复合薄膜芯片1的硅杯1-2的杯口朝上。硅微复合薄膜芯片1与平衡结构2的外围尺寸相同，平衡结构2为中空的方环形结构，且与硅杯1-2的结构镜像对称，在基座3的外部设置释放支架4，释放支架4与基座3之间用低应力软胶5粘接，释放支架4延伸至硅微复合薄膜芯片1的硅杯1-2的露出表面，并用低应力软胶5粘接。
金属反射镜1-3通过微机械加工工艺在所述敏感区域1-1的下方的平坦区域制造而成。
硅微复合薄膜芯片1和平衡结构2都采用硅基材质。
硅微复合薄膜芯片1的敏感区域1-1为平膜式或波纹式。
所述传感器它还可以进一步包括光纤自准直结构13，光纤自准直结构13安装在入射光纤11和反射光纤12的端头。光纤自准直结构13能够将发散光束汇聚形成平行光束，实现较高的光能输出和采集。
本实施方式所述的硅微复合薄膜光纤声压传感器将光纤微光路结构与MEMS敏感结构单元6结合共同构成微光路检测系统，在低应力的硅微复合薄膜芯片1的敏感区域制作金属反射镜1-3后与微光路结构融合。
入射光纤11和反射光纤12按照一定角度对准低应力的硅微复合薄膜芯片1的金属反射镜1-3，当声压信号作用于硅微薄膜芯片1的敏感区域1-1时，硅微复合薄膜芯片1的敏感区域1-1产生位移偏量，带动金属反射镜1-3发生位移，将引起反射光纤12接收光信号改变，该信号输入给信号处理电路14，信号处理电路14利用光强检测方法或干涉法将光信号变化转换成电信号变化输出，进行声音信号的测量。
Claims (6)
1.采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，所述硅微复合薄膜芯片的敏感区域为平膜式，具体制作工艺过程为：
步骤一、在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤二、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤三、通过光刻、蒸发及剥离工艺在一侧的氮化硅层的中心区域制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤四、在另一侧氮化硅层采用光刻及湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成平膜式的硅微复合薄膜芯片的制作；
其特征在于：所述采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器包括MEMS敏感单元（6）、透声防护膜（7）、上端外壳（8）、下端外壳（9）、光纤基座（10）、入射光纤（11）、反射光纤（12）和信号处理电路（14），所述的MEMS敏感单元（6）安装在上端外壳（8）内，并将上端外壳（8）的内部分成上腔体（15）和下腔体（16）两部分，上端外壳（8）的上端口处设置透声防护膜（7），MEMS敏感单元（6）中的硅微复合薄膜芯片（1）的敏感区域设置有金属反射镜（1-3），下端外壳（9）内固定设置有光纤基座（10），所述光纤基座（10）设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤（11）和反射光纤（12），所述入射光纤（11）的光信号入射光轴和反射光纤（12）的光信号反射光轴相交于硅微复合薄膜芯片（1）的金属反射镜（1-3）的反射面上，信号处理电路（14）输出光信号通过入射光纤（11）发射至金属反射镜（1-3）的反射面，反射光纤（12）接收该金属反射镜（1-3）反射的光信号输入给信号处理电路（14）；
MEMS敏感单元（6）包括硅微复合薄膜芯片（1）、平衡结构（2）、基座（3）和释放支架（4），所述硅微复合薄膜芯片（1）通过平衡结构（2）封装在基座（3）中，硅微复合薄膜芯片（1）与平衡结构（2）从上至下依次设置在基座（3）的凹槽中，硅微复合薄膜芯片（1）包括敏感区域（1-1）和硅杯（1-2），硅微复合薄膜芯片（1）倒置，即硅微复合薄膜芯片（1）的硅杯（1-2）的杯口朝上；硅微复合薄膜芯片（1）与平衡结构（2）的外围尺寸相同，平衡结构（2）为中空的方环形结构，且与硅杯（1-2）的结构镜像对称，在基座（3）的外部设置释放支架（4），释放支架（4）与基座（3）之间用低应力软胶（5）粘接，释放支架（4）延伸至硅微复合薄膜芯片（1）的硅杯（1-2）的露出表面，并用低应力软胶（5）粘接。
2.根据权利要求1所述的采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，其特征在于：它还包括光纤自准直结构（13），光纤自准直结构（13）安装在入射光纤（11）和反射光纤（12）的端头。
3.根据权利要求1所述的采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，其特征在于：硅微复合薄膜芯片（1）和平衡结构（2）都采用硅基材质。
4.采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，所述硅微复合薄膜芯片的敏感区域为波纹式，具体制作工艺过程为：
步骤a、在硅基片的一侧表面通过掩膜技术，光刻、腐蚀制作出波纹图形；
步骤b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通过热氧化方法分别生成二氧化硅层；
步骤c、在所述二氧化硅层表面通过LPCVD方法淀积氮化硅层；
步骤d、在有波纹图形一侧的氮化硅层的中心平坦区域通过光刻、蒸发及剥离工艺制作反射镜面金膜形成金属反射镜；
步骤e、在另一侧氮化硅层采用光刻、湿法腐蚀工艺腐蚀出空腔结构，形成硅杯，完成波纹式的硅微复合薄膜芯片的制作；
其特征在于：所述采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器包括MEMS敏感单元（6）、透声防护膜（7）、上端外壳（8）、下端外壳（9）、光纤基座（10）、入射光纤（11）、反射光纤（12）和信号处理电路（14），所述的MEMS敏感单元（6）安装在上端外壳（8）内，并将上端外壳（8）的内部分成上腔体（15）和下腔体（16）两部分，上端外壳（8）的上端口处设置透声防护膜（7），MEMS敏感单元（6）中的硅微复合薄膜芯片（1）的敏感区域设置有金属反射镜（1-3），下端外壳（9）内固定设置有光纤基座（10），所述光纤基座（10）设置有两个光纤槽，两个光纤槽内分别固定入射光纤（11）和反射光纤（12），所述入射光纤（11）的光信号入射光轴和反射光纤（12）的光信号反射光轴相交于硅微复合薄膜芯片（1）的金属反射镜（1-3）的反射面上，信号处理电路（14）输出光信号通过入射光纤（11）发射至金属反射镜（1-3）的反射面，反射光纤（12）接收该金属反射镜（1-3）反射的光信号输入给信号处理电路（14）；
MEMS敏感单元（6）包括硅微复合薄膜芯片（1）、平衡结构（2）、基座（3）和释放支架（4），所述硅微复合薄膜芯片（1）通过平衡结构（2）封装在基座（3）中，硅微复合薄膜芯片（1）与平衡结构（2）从上至下依次设置在基座（3）的凹槽中，硅微复合薄膜芯片（1）包括敏感区域（1-1）和硅杯（1-2），硅微复合薄膜芯片（1）倒置，即硅微复合薄膜芯片（1）的硅杯（1-2）的杯口朝上；硅微复合薄膜芯片（1）与平衡结构（2）的外围尺寸相同，平衡结构（2）为中空的方环形结构，且与硅杯（1-2）的结构镜像对称，在基座（3）的外部设置释放支架（4），释放支架（4）与基座（3）之间用低应力软胶（5）粘接，释放支架（4）延伸至硅微复合薄膜芯片（1）的硅杯（1-2）的露出表面，并用低应力软胶（5）粘接。
5.根据权利要求4所述的采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，其特征在于：它还包括光纤自准直结构（13），光纤自准直结构（13）安装在入射光纤（11）和反射光纤（12）的端头。
6.根据权利要求4所述的采用一种硅微复合薄膜芯片制造的硅微复合薄膜光纤声压传感器，其特征在于：硅微复合薄膜芯片（1）和平衡结构（2）都采用硅基材质。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131211 Termination date: 20201203 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |