CN104990655B - 一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统。压力传感器由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元用于接收外部的光线；所述环形硅条单元为由直线硅条和介质槽构成的多边形环形硅条单元；所述耦合光输出硅条单元用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足一定公式要求。本发明的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，能与光纤高效耦合，且尺寸可在微米级，满足微型化要求。

Description

一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统

【技术领域】

本发明涉及光学压力传感器技术领域，特别是涉及一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器及其制备方法。

【背景技术】

二十世纪下半叶，计算机和互联网技术的发展与普及让人类从电子时代进入到信息时代。进入到二十一世纪，随着相关技术的更新换代和信息产业的兴起，信息革命浪潮进入到新的阶段，人类正从人人相联的互联网时代走向万物相连的物联网时代，而作为计算机感知世界的接口，各种传感器也将在物联网的建设中得到极大的发展和应用。作为传感器的一大类分支，压力传感器被广泛地应用在军事、汽车、航空航天等诸多领域。

从诞生至今，压力传感器也经历了从机械式到电子式再到微机电式的长足发展。现阶段，从敏感元件类型来说，微型压力传感器主要有电容式、压阻式、谐振式和光学式几种。光学式压力传感器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、能在高温高压等恶劣环境下工作等特点，成为压力传感器发展的一个趋势。而光波导压力传感器作为微型化的光学压力传感器，在具备上述优势的同时，还具有易于微型化、集成化，与半导体工艺兼容，成本低廉等优点。光波导传感器基于光波导的环形谐振腔、马赫增德尔干涉结构和缺陷布拉格结构等光波导器件，利用器件受压时的光弹效应和尺寸变化感知外界压力大小。其中，基于光波导环形谐振腔的压力传感器结构更为紧凑，输出检测方法简单，因而得到了越来越多的关注。

现有的光波导环形谐振腔压力传感器一般基于高折射率差的绝缘衬底上的硅(SOI)材料。SOI硅片的顶部到底部依次为硅层、二氧化硅层和硅层。蚀刻SOI硅片得到的压力传感器的顶部结构示意图和侧视图结构分别如图1和2所示。如图1所示，顶部的硅层蚀刻后的结构由直波导(直线硅条)和弯曲波导(圆环形硅条)构成。输入光从Input端口进入，在上路直波导与环形波导接近处，一部分满足谐振条件的光进入弯曲波导并产生谐振，再耦合进下路直波导由Drop端口输出；剩下的不满足谐振条件的光从上路直波导的Throughput端口输出。底部的硅蚀刻出腔体结构。硅条部分的横截面结构如图3所示，硅条截面为矩形结构，其下端为中间层的二氧化硅，再下端为腔体或者衬底的硅层。光波导传感器一般工作在单模模式的偏振光下，现有的基于环形谐振腔的压力传感器，由于顶层硅与二氧化硅的折射率差(3.455/1.46)很大，要保证器件的单模条件等光学性能，该光波导结构的横截面结构只能为上述结构，且只能为亚微米量级，一般为纳米级，而不能为更大尺寸，否则将无法满足单模条件。相应地，微环谐振腔的研究也逐渐趋向于亚微米化。这样，存在的不足是：

1)，纳米波导与外部的用于输入光线的光纤的耦合效率低，影响整个系统的实际性能。一般SOI材料上单模光波导在百纳米量级(200nm)，而通用的单模光纤尺寸在8～10μm，两者耦合效率低，模式失配损耗大。而且，单模光波导的尺寸在纳米级，使得容差小，加工要求高，在对底层硅进行腐蚀时，需对顶层纳米结构严格保护。

2)，一般采用的SOI硅片的顶层硅厚度为220nm，为了保证顶层硅条或中间层二氧化硅薄膜层的机械性能，衬底的腔体需保留十几到几十微米的衬底硅(如图2中标记为A所示厚度的衬底硅)。这样，存在的问题就是：在利用湿法刻蚀加工上述结构时，往往难以精确控制该部分衬底硅的厚度，从而使得实际器件性能与仿真有较大偏差，同时也降低了成品率。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，能与光纤高效耦合，且尺寸可在微米级，满足微型化要求。

本发明进一步解决的技术问题是提出一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器的制备方法，可制备出于能与光纤高效耦合，且满足微型化要求的压力传感器。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的光线；所述环形硅条单元包括由n条直线硅条首尾连接形成的环形结构和一输入介质槽、n-2个反射介质槽，一输出介质槽，n为大于等于3的整数；所述输入介质槽用于对输入硅条单元传输的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中；所述反射介质槽用于将所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线完全反射到另一直线硅条中；所述输出介质槽用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述输出硅条单元中；所述环形硅条单元中，所述输入介质槽、n-2个所述反射介质槽和所述输出介质槽分别设置在所述环形结构的n个角部位置，且各介质槽的垂直线为相应角的角平分线；所述输入介质槽和输出介质槽的宽度为150～250纳米，所述反射介质槽的宽度在5微米以上，所述输入介质槽、输出介质槽和反射介质槽贯穿所述顶部的硅层，各介质槽内填充均一的折射率在1.5以下的物质；所述耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足如下要求：r＞0.5，其中，r＝h/H，c为0.3。

一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：准备SOI硅片，所述SOI硅片的顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层；按照如上所述的压力传感器中的直线硅条、介质槽的要求蚀刻所述SOI硅片的顶部硅层；蚀刻所述SOI硅片的底部的硅层，使其形成衬底腔体。

一种压力检测系统，包括激光器、偏振控制器、单模光纤、压力传感器和光探测器，所述压力传感器为如如上所述的压力传感器，所述激光器用于发射激光，所述单模光纤用于接收所述激光器发射的激光并传输，所述偏振控制器用于将所述单模光纤中传输的光线调整为单模模式的偏振光，所述压力传感器用于接收所述单模光纤输出的单模模式的偏振光，并将所述压力传感器的所述氧化硅层上施加的压力信息转换为所述压力传感器中环形硅条单元的谐振信息，所述光探测器用于探测所述压力传感器的耦合光输出硅条单元输出的偏振光的光强。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，顶层蚀刻的结构由直线硅条、介质槽等组成，直线硅条的形状和尺寸满足特定要求，从而经验证符合单模条件。同时，硅条的横截面是脊形结构(包括两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层)，在符合单模条件的情形下，横截面宽度W可以做到较大，不再像现有技术那样受尺寸的限制，横截面宽度可以做到和单模光纤芯层尺寸(8～10μm)接近，因而可以与光纤高效耦合，极大地减少模式失配引起的损耗。而由直线硅条和介质槽组合形成的环形硅条单元作为环形谐振腔，由于采用介质槽来改变光线传输方向，而不是依靠弯曲硅条作为波导来改变光线传输方向，因此无需像传统弯曲硅条那样尺寸要做到较大才能对抗弯曲损耗，所以即使在小尺寸下，弯曲损耗也很低，本发明的环形硅条单元的尺寸可以做到较小，使得整体压力传感器的尺寸可以达到较小，满足微型化要求。

【附图说明】

图1是现有技术的压力传感器的顶部结构示意图；

图2是现有技术的压力传感器的侧视结构示意图；

图3是现有技术的压力传感器的硅条的横截面结构示意图；

图4是本发明具体实施方式的压力传感器的立体结构示意图；

图5是本发明具体实施方式的压力传感器的侧视结构示意图；

图6是本发明具体实施方式的压力传感器的顶部结构俯视图；

图7是本发明具体实施方式的压力传感器的直线硅条的横截面结构示意图；

图8是本发明具体实施方式的直线硅条的有限差分求解光波导本征模式的仿真图；

图9是本发明具体实施方式的制备过程中形成硅条光波导结构后的SOI硅片结构图；

图10是本发明具体实施方式的制备过程中形成介质槽后的SOI硅片结构图；

图11是本发明具体实施方式的制备过程中形成衬底腔体后的SOI硅片结构图；

图12是本发明具体实施方式的压力检测系统的结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

如图4和5所示，分别为本具体实施方式的基于光波导环形谐振腔的压力传感器的立体结构示意图和侧视结构示意图。压力传感器由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成。底部的硅层蚀刻出腔体结构3。中间的氧化硅层2保持不变。顶部的硅层经蚀刻后形成的结构1包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元。顶部结构俯视图如图6所示。

输入硅条单元包括直线硅条11，用于接收外部输入的光线，将光线引导进入环形硅条单元中。.

环形硅条单元包括由4条直线硅条(121、122、123、124)首尾连接形成的四边形环形结构和一输入介质槽125、2个反射介质槽127和128，一输出介质槽126。所述环形结构的4个角部位置分别设置输入介质槽125、反射介质槽127、128和输出介质槽126。该环形硅条单元作为光波导压力传感器的环形谐振腔，外部传输过来的光从输入硅条单元11的端口11a进入，由输入介质槽125部分反射、部分透射后分为两束，满足环形谐振腔的谐振条件的光经透射后传输至环形硅条单元的直线硅条121中，并在环形硅条单元中传输，经由反射介质槽127完全反射，从直线硅条121中完全反射到另一直线硅条122中。输出介质槽126用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条122中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至输出硅条单元中。

具体地，通过调整介质槽的宽度、深度、位置角度以及填充物质，使得介质槽实现上述部分反射、部分透射或者完全反射的功能。其中，输入介质槽125、反射介质槽127、128和输出介质槽126分别设置在四边形环形结构的四个角部位置，且各介质槽的垂直线为相应角的角平分线。输入介质槽125和输出介质槽126的宽度为150～250纳米，反射介质槽127和128的宽度在5微米以上。输入介质槽125、输出介质槽126和反射介质槽127、128贯穿顶部的硅层直至顶层硅层下端的绝缘二氧化硅层，介质槽内填充均一的折射率在1.5以下的物质，例如空气、SU-8胶等均一的低折射率物质。优选地，选择折射率在1～1.5范围内的物质进行填充。

上述四边形环形结构为矩形环形结构、方形环形结构、平行四边形结构或者其它不规则的四边形结构。优选地，为方形环形结构，这样，加工以及位置、角度设置均较为方便。需说明的是，本具体实施方式中，仅示意性的说明了四边形环形结构的情形，其余五边形、六边形甚至多边形均是可行的设置，只要介质槽和直线硅条的设置使得光线在环形硅条单元，也即环形谐振腔中从输入端传输至输出端即可。例如，将图1中的四边形中直线硅条123分解为两条直线硅条单元，再加上一个反射介质槽，通过反射介质槽使一条直线硅条中光线完全反射至另一条直线硅条中，相应再调整附近相配合的输出介质槽126和另一反射介质槽128的角度，实现各自对光线的反射或者透射作用即可。这些调整根据光学知识可设置得到，在此不再赘述。

耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部。如仅设置一条直线硅条，可沿输出介质槽126透射光的出射方向设置直线硅条即可。本具体实施方式中，设置两条相互垂直设置的直线硅条131、132和一输出端反射介质槽133，输出端反射介质槽133将一条直线硅条131中的传输的光线完全反射至另一条直线硅条中132中，从而改变光线出射方向。也即本具体实施方式中，光线从直线硅条中132的端口13a输出。通过探测端口13a出射的光线的光强，可以检测压力传感器衬底腔体中施加的压力。

上述顶部硅层形成的结构中，各直线硅条的横截面结构如图7所示，由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成。即为凸起的脊形结构，而不再是现有技术那样的矩形结构。其中，h、H和W满足如下要求：r＞0.5，其中，r＝h/H，c为经验常数项，取0.3。对该横截面结构的硅条进行分析，取W＝5μm，H＝10μm，h＝6μm时，满足上述公式，对该结构的硅条波导进行仿真分析，得到其有限差分求解光波导本征模式的仿真图，如图8所示，从中可得到上述参数结构符合单模模式。经验证，其它参数配比，得到满足上述公式要求的硅条结构波导符合单模模式。

综上，本具体实施方式的直线硅条波导符合单模模式，从而在符合上述公式要求的情形下可将横截面宽度W做到较大，不再像现有技术那样受尺寸的限制必须做到很小才行，横截面宽度可以做到和单模光纤芯层尺寸(10微米左右)接近，因而可以与光纤高效耦合，极大地减少模式失配引起的损耗。另外，如直接将大截面脊形结构的硅条波导做成圆环形作为圆环形谐振腔，则要将谐振腔的尺寸设置得较大，这是因为大截面脊形结构的硅条波导弯曲损耗大，需要足够大的弯曲半径才能将损耗减小到可以接受的范围。而本具体实施方式中由直线硅条和介质槽组合形成的多边形环形硅条单元作为环形谐振腔，由于采用介质槽来改变光线传输方向，而不是依靠传统的弯曲硅条作为波导来改变光线传输方向，因此无需像弯曲硅条那样尺寸要做到较大才能对抗弯曲损耗，所以即使在小尺寸下，弯曲损耗也很低，所以本具体实施方式的多边形环形硅条单元的尺寸可以做到较小，使得整体压力传感器的尺寸可以达到较小，满足微型化要求。总的来说，该压力传感器能够将外界压力大小转化为光信号输出，从而感知外界压力的变化，能够与单模光纤高效耦合，具有灵敏度高、与光纤耦合效率高、抗电磁辐射、环境耐受力强、易于加工、易于微型化集成化、成本低等优点。

优选地，如图6所示，顶部结构中还包括补充端输入硅条单元和反射光输出硅条单元。反射光输出硅条单元包括直线硅条15，用于将所述输入介质槽125部分反射的光线输出至外部。即前述从端口11a进入的光线，部分进入环形谐振腔中，部分直接从介质槽125处反射后从直线硅条15的端口15a处出射。补充端输入硅条单元包括直线硅条14，用于接收外部的补充光线，输入至输出介质槽126中，经输出介质槽126部分透射后传输至环形硅条单元的一直线硅条123中，后续经介质槽128、直线硅条124、介质槽125后，从端口15a出射。这样，可从端口14a输出光线，作为补充端口，输入光线，补充检测结果。该结构中，端口11a对应图1中Input端口，端口15a对应图1中的Throughput端口，端口14a对应add端口，端口13a对应Drop端口。

进一步优选地，如图5所示，衬底腔体贯穿底部的硅层。由于本具体实施方式中，顶部的硅条结构是脊形结构，因此，顶层硅和氧化硅层的厚度足以构成压力薄膜，因而衬底腔体只需简单地利用氢氧化钾溶液湿法腐蚀至氧化层即可，而无需像图2那样底部腔体还需保留一段厚度的衬底硅，从而可简化加工工艺，极大地提高了器件成品率。

本具体实施方式还提供上述压力传感器的制备方法，选用顶层硅厚度为10μm，绝缘层氧化硅厚度为2μm，衬底硅厚度为475μm的绝缘体上硅(SOI)作为制造材料。首先顶部光刻。部分刻蚀掉顶层硅，通过深紫外曝光和感应耦合等离子体干法刻蚀形成上述的脊形硅条光波导结构，如图9所示。刻蚀部分硅贯穿顶层至二氧化硅层，形成介质槽，如图10所示。然后底部光刻，利用氢氧化钾溶液湿法腐蚀制作衬底腔体，如图11所示。对所得芯片进行划片封装制得本具体实施方式的基于大截面脊形硅条光波导环形谐振腔的压力传感器。

如图12所示，光波导压力传感器配合输入端激光器4、单模光纤5、偏振控制器6以及输出端光探测器7可组成实时压力检测系统，测试外界压力大小。光波导传感器一般工作在单模偏振光下，激光器4后设置一偏振控制器6保证压力传感器中的输入光为单模光。光探测器7可为光功率计或者光谱仪，用于检测输出光信号。当压力传感器中的所述氧化硅层上施加的压力变化时，压力传感器中的环形谐振腔发生谐振变化，进而压力传感器中传输后输出的光线的光强会发生变化，通过光探测器检测光强信息，经计算可检测到对应的压力信息。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；

所述输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的光线；

所述环形硅条单元包括由n条直线硅条首尾连接形成的环形结构和一输入介质槽、n-2个反射介质槽，一输出介质槽，n为大于等于3的整数；所述输入介质槽用于对输入硅条单元传输的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中；所述反射介质槽用于将所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线完全反射到另一直线硅条中；所述输出介质槽用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述输出硅条单元中；所述环形硅条单元中，所述输入介质槽、n-2个所述反射介质槽和所述输出介质槽分别设置在所述环形结构的n个角部位置，且各介质槽的垂直线为相应角的角平分线；所述输入介质槽和输出介质槽的宽度为150～250纳米，所述反射介质槽的宽度在5微米以上，所述输入介质槽、输出介质槽和反射介质槽贯穿所述顶部的硅层，各介质槽内填充均一的折射率在1.5以下的物质；

所述耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部；

各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足如下要求：其中，r＝h/H，c为0.3。

2.根据权利要求1所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述n为4，所述环形硅条单元包括4条直线硅条首尾连接形成的四边形结构和一输入介质槽、两个反射介质槽和一输出介质槽。

3.根据权利要求2所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述四边形结构为方形结构。

4.根据权利要求3所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述输入介质槽、2个反射介质槽和一输出介质槽分别设置在所述方形结构的四个角部位置，且各介质槽设置的角度使得各自的垂直线为所述方形结构相应角的角平分线。

5.根据权利要求1所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：顶部的硅层经蚀刻后形成的结构还包括补充端输入硅条单元和反射光输出硅条单元，所述反射光输出硅条单元包括直线硅条，用于将所述输入介质槽部分反射的光线输出至外部；所述补充端输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的补充光线，输入至所述输出介质槽，经所述输出介质槽部分透射后传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中。

6.根据权利要求1所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述腔体结构贯穿所述底部的硅层。

7.根据权利要求1所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述耦合光输出硅条单元包括两条相互垂直设置的直线硅条和一输出端反射介质槽，所述输出端反射介质槽用于将一条直线硅条中的传输的光线完全反射至另一条直线硅条中。

8.一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：准备SOI硅片，所述SOI硅片的顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层；按照权利要求1～7任一所述的压力传感器中的直线硅条、介质槽的要求蚀刻所述SOI硅片的顶部硅层；蚀刻所述SOI硅片的底部的硅层，使其形成衬底腔体。

9.一种压力检测系统，其特征在于：包括激光器、偏振控制器、单模光纤、压力传感器和光探测器，所述压力传感器为如权利要求1～7任一所述的压力传感器，所述激光器用于发射激光，所述单模光纤用于接收所述激光器发射的激光并传输，所述偏振控制器用于将所述单模光纤中传输的光线调整为单模模式的偏振光，所述压力传感器用于接收所述单模光纤输出的单模模式的偏振光，并将所述压力传感器的氧化硅层上施加的压力信息转换为所述压力传感器中环形硅条单元的谐振信息，所述光探测器用于探测所述压力传感器的耦合光输出硅条单元输出的偏振光的光强。