CN103308717A - 一种光纤法布里-珀罗加速度传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SU-8光刻胶的光纤法布里-珀罗加速度传感器及其制作方法。该传感器在硅基底上利用近紫外光刻SU-8光刻胶层形成一个“卍”字型悬臂梁-质量块结构，质量块的下表面与光纤的端面形成法布里-珀罗腔。制作方法为：在经过表面处理过的硅片正面通过两次对准光刻形成所需SU-8光刻胶结构；通过湿法腐蚀法腐蚀硅片的背面直至蚀穿，得到悬空“卍”字型结构；采用低温阳极键合技术将硅片与玻璃环紧密键合，并粘合到插有光纤的法兰盘上；从被腐蚀的硅片端注入硅油至满，在硅片顶端平插入玻璃片，并用环氧树脂胶粘合。本发明结构新颖，尺寸小，低频响应较为突出，抗电磁干扰，可用于发电机组的振动监测和故障诊断、机床的运动精度测量等应用中。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤法布里-珀罗(F-P)加速度传感器器件，涉及紫外光刻技术，硅的湿法腐蚀技术，以及硅与玻璃的阳极键合技术。
背景技术
光学曝光是最早用于半导体集成电路的微细加工技术，其重要目的是把掩模的图形成像到光刻胶上。SU-8光刻胶是一种近紫外的环氧树脂型光刻胶。这种环氧树脂型负光刻胶的分子结构使其可以产生均匀的胶层，具有良好的物理及光塑化特性，通过光刻技术形成高深宽比结构。由于SU-8具有优异的厚胶特性，UV-LIGA的诱人的应用前景，近年来逐渐成为研究的热点，被广泛应用于微机械加工和其他微电子应用中。
在MEMS应用方面的研究较多，有人已将SU-8用于制造LIGA掩模版，其它还有把SU-8光刻胶用作光塑性材料来制造扫描力显微镜的悬臂梁盒，与立体光刻胶技术结合制造多层复杂立体结构，和用作衬底传输层等。随着MEMS技术的快速发展，对结构的改进、制备手段的提高以及封装技术的改良成为了人们对这一技术的主要需求。
光纤传感技术和MEMS微细加工技术相结合制作新型光纤MEMS传感器已成为光纤传感领域的热点。相对基于传统的机电、压电传感器，光纤MEMS传感器的尺寸小、响应频带宽、灵敏度高、易复用等特点而使其在加速度传感方面显得极为实用，而且光纤MEMS传感器对强电磁干扰、高温等恶劣环境的适应能力较强。基于此原理，基于SU-8光刻胶制备的光纤法布里-珀罗加速度传感器具有尺寸小，灵敏度高，线性度好，低频响应较为突出，抗电磁干扰等优点。
发明内容
本发明即是基于以上所述现状进行的，目的在于制作一种结构新颖、灵敏度高、线性度好、低频响应较为突出、抗电磁干扰能力强的光纤法布里-珀罗加速度传感器。同时，提供该传感器的制作方法。
为了实现上述发明目的，在传统的硅片上利用紫外光刻SU-8光刻胶形成敏感结构，通过湿法腐蚀工艺加工硅片，在对应的位置腐蚀形成镂空结构，而后与玻璃环键合，再经过粘合封装形成加速度传感器。本发明光纤法布里-珀罗加速度传感器采用如下技术方案：
一种光纤法布里-珀罗加速度传感器，传感器的法布里-珀罗干涉腔由SU-8光刻胶的“卍”字型悬臂梁-质量块结构和单模光纤(即为纤芯加包层结构)构成，并封装在充满硅油的封装装置中，所述“卍”字型悬臂梁-质量块结构的表面镀有一层增反材料膜。
本发明光纤法布里-珀罗加速度传感器的制备工艺步骤如下：
a)对硅片进行RCA标准清洁，依次丙酮、酒精、去离子水超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；b)在经过清洁处理的硅片上倒适量的SU-8光刻胶，以一定的速度甩胶，形成均匀等厚的胶层；前烘一定时间，利用紫外光刻机进行曝光，分别以65℃，95℃后烘10分钟，用显影液洗去未曝光的残胶，再高温坚膜，得到第一层悬臂梁厚度的SU-8光刻胶“卍”字型结构；c)在b)步骤中所形成的SU-8光刻胶结构硅片上再次经过涂胶，匀胶，前烘，曝光，后烘，显影，干燥，坚膜等步骤，形成第二层质量块厚度的SU-8光刻胶结构；d)以版片对准的方式在硅片背面光刻形成保护层，并进行湿法腐蚀，通过控制时间控制腐蚀深度，得到所需的硅片镂空结构；e)在做好的SU-8光刻胶结构的表面真空蒸镀一层金属薄膜；f)采用低温阳极键合技术，将具有SU-8光刻胶“卍”字型结构的那一面硅片与玻璃环键合，利用环氧树脂胶粘到法兰盘(FOCI型光纤法兰盘的一半)内部；g)将一段单模光纤用光纤切割刀切出平端面，并用光纤研磨机研磨抛光，通过陶瓷插针固定到f)中的法兰盘上；h)在上述做好的结构内部注满硅油，用干净平整的玻璃片盖住上端入口并密封，确保内部无空气。
通过上述传感器加工步骤得到的结构，SU-8光刻胶“卍”字型结构与光纤端面形成F-P腔，光经过光纤直接进入F-P腔，硅油是无色透明状液体，对光路的传输没有影响；传感器制作过程中所需的主要材料为SU-8光刻胶，单模光纤，硅片，玻璃环，法兰盘，材料易于收集且价格便宜。F-P腔的腔长根据填入硅油的粘度控制。本发明整个制作过程采取切割、腐蚀、光刻、键合的方法，传感器机械性能高，制作步骤简单。因此，借助本发明可以实现尺寸小，灵敏度高，线性度好，可靠性高的光纤加速度传感器。
附图说明
图1是基于SU-8光刻胶的光纤法布里-珀罗加速度传感器的传感原理示意图，(a)形变前，(b)形变后。
图2是本发明传感器加工制作的主要工艺流程图。
图3是光刻步骤所采用的掩模板2-1。
图4是光刻步骤所采用的掩膜版2-2。
图5是光刻步骤所采用的掩膜版2-3。
具体实施方式
下面结合附图和实例做进一步详细说明。
图1(a)是运用紫外光刻技术在硅片基底上制作SU-8胶“卍”字型悬臂梁-质量块结构1-5作为加速度敏感元，在中心质量块下表面沉积一层金属作为反射膜1-7，涂有金属反射膜的中心质量块表面和单模光纤1-12的端面构成F-P干涉腔，被密封于封装装置1-15内，内部充满硅油1-13。
当传感器受到加速度a作用时，中心质量块M在惯性力的作用下产生如图1(b)所示的形变，继而使F-P腔的腔长改变ΔL，使得经光纤1-12入射的光束受到F-P干涉腔的调制，并由光纤1-12传出。通过对光纤传出的光信号进行解调测得F-P腔的腔长变化量ΔL，继而得到加速度a。
本实施例制备光纤法布里-珀罗加速度传感器的步骤如下：
a)对硅片1-1进行RCA标准清洁，依次丙酮、酒精、去离子水各自超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；在经过清洁处理的硅片上倒适量的SU-8光刻胶，以500rpm初速预匀20秒，再以1500rpm高速甩胶200秒，形成一层30μm厚度均匀的胶层1-2；
b)对胶层1-2前烘一定时间，采用工厂已加工好的掩膜版2-1，利用紫外光刻机进行曝光后，分别以65℃，95℃后烘10分钟，用显影液洗去未曝光的残胶，并高温坚膜，得到第一层悬臂梁厚度的SU-8光刻胶“卍”字型结构1-3；
c)在b)步骤中所形成的SU-8光刻胶结构硅片上再次涂胶，以300rpm初速预匀20秒，再以650rpm高速甩胶200秒，形成一层170μm厚度均匀的胶层1-4；
d)经过前烘，曝光(掩膜版2-2)，后烘，显影，干燥，坚膜等步骤，形成第二层质量块厚度的SU-8光刻胶结构1-5；
e)以版片对准的方式在硅片背面光刻形成保护层，利用掩膜版2-3，进行湿法腐蚀，通过控制时间控制腐蚀深度，得到所需的硅片镂空结构1-6；
f)在SU-8光刻胶结构1-5的表面真空蒸镀一层金属铝薄膜1-7；
g)硅片1-1与玻璃环1-8键合后，利用环氧树脂胶1-9粘到法兰盘(FOCI型光纤法兰盘的一半)1-10内部；
h)将一段单模光纤1-11用光纤切割刀切出平端面，并用光纤研磨机研磨抛光，通过陶瓷插针1-12固定到e)中的法兰盘1-10上；
i)在上述制作的结构内部注满硅油1-13，用干净平整的玻璃片1-14盖住上端口并密封，与硅片1-1、玻璃环1-8、法兰盘1-10构成传感器的封装装置1-15，确保内部无空气。
Claims (4)
1.一种光纤法布里-珀罗加速度传感器，其特征在于：传感器的法布里-珀罗干涉腔由SU-8光刻胶的“卍”字型悬臂梁-质量块结构和单模光纤构成，并封装在充满硅油的封装装置中，所述“卍”字型悬臂梁-质量块结构的表面镀有一层增反材料膜。
2.根据权利要求1所述的一种光纤法布里-珀罗加速度传感器，其特征在于：所述封装装置的内部是密封性的，包括法兰盘、玻璃环、硅片和玻璃片，“卍”字型悬臂梁-质量块结构的外围环状胶层与硅片紧密粘合，硅片的粘合面与玻璃环的一端键合，玻璃环的另一端粘接到法兰盘的内部，玻璃片覆盖在硅片的未粘合面；单模光纤经由陶瓷插针固定在法兰盘上。
3.根据权利要求2所述的一种光纤法布里-珀罗加速度传感器，其特征在于：所述玻璃片通过粘合剂紧密粘合在硅片上。
4.如权利要求1所述一种光纤法布里-珀罗加速度传感器的制作方法，其步骤如下：
a)对硅片进行RCA标准清洁，依次使用丙酮、酒精和去离子水各自超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；
b)在经过清洁处理的硅片上倒适量的SU-8光刻胶，以一定的速度甩胶，形成均匀等厚的胶层；前烘一定时间，利用紫外光刻机进行曝光，分别以65℃，95℃后烘10分钟，用显影液洗去未曝光的残胶，再高温坚膜，得到第一层悬臂梁厚度的SU-8光刻胶“卍”字型结构；
c)在b)步骤中所形成的SU-8光刻胶结构硅片上再次经过涂胶、匀胶、前烘、曝光、后烘、显影、干燥和坚膜步骤，形成第二层质量块厚度的SU-8光刻胶结构；
d)以版片对准的方式在硅片背面光刻形成保护层，并进行湿法腐蚀，通过控制时间控制腐蚀深度，得到所需的硅片镂空结构；
e)在SU-8光刻胶“卍”字型结构的表面真空蒸镀一层金属薄膜；
f)采用低温阳极键合技术，将具有SU-8光刻胶“卍”字型结构的那一面硅片与玻璃环键合，利用环氧树脂胶粘到法兰盘内部；
g)将一段单模光纤用光纤切割刀切出平端面，并用光纤研磨机研磨抛光，通过陶瓷插针固定到f)中的法兰盘上；
h)在上述做好的结构内部注满硅油，用干净平整的玻璃片盖住上端入口并密封，确保内部无空气。
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