CN106052915A - 一种mems光纤压力传感器及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS光纤压力传感器及制作方法，包括光纤、压力敏感元件和基座，所述基座的上表面设置有光纤槽，所述光纤安装在所述光纤槽内，所述压力敏感元件和基座的尺寸相同，所述压力敏感元件的下表面和基座的上表面通过阳极键合相互连接，所述光纤的一端与所述压力敏感元件之间相对间隔一定的距离从而形成法布里‑珀罗腔；本发明具有体积小，能批量生产，制作方法简单，机械性能强，温度系数低，灵敏度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤MEMS传感领域，尤其涉及一种MEMS光纤压力传感器及制作方法。
背景技术
光纤MEMS传感器由于其具有的微型、响应频带宽、高灵敏度、低成本等特点而在很多应用领域中显得极为实用。光纤MEMS传感器在强电磁干扰、高温等恶劣环境下相比于其它传统的传感器具有较强的适应能力；而且它可以利用波分复用或时分复用等信号处理技术组成多元传感器阵列，测量环境中的压力、温度等物理量的分布；MEMS器件适合于大规模集成化生产，从而大大降低了传感器的生产成本。
现有的基于法布里-珀罗腔的光纤传感器，主要是由硅片、切割好的光纤端面以及中间的空气腔组成光学谐振腔，或者是将两段切割好的光纤端面置于石英毛细血管中，同样和中间的空气隙组成谐振腔。但这类传感器，外界压力，腔长变化，入射、反射光的方向都在同一个横向系统内，一旦压力过大，会存在两个反射端面相互接触的问题，还会对膜片造成不可修复的损伤以及光纤固定方面的问题。另外，还有一类利用SU-8胶形成的微型压力传感器，比如授权专利号为201310012946.5的中国专利“微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器及其制备方法 ”，公开了一种利用近紫外光刻SU-8光刻胶层形成位移柱以及光纤的定位槽，通过湿法腐蚀工艺形成所需硅膜厚，采用环氧树脂胶进行粘合封装，但温度过高时，环氧树脂胶的粘合作用降低，传感器的温度性能不好，而且对硅片的同一表面采用了两次对准光刻，对于光刻对准精度要求比较高，加工制作工艺相对比较复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种MEMS光纤压力传感器及制作方法。本MEMS光纤压力传感器及制作方法具有结构创新、灵敏度高和温度性能好等优点。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种MEMS光纤压力传感器，包括光纤、压力敏感元件和基座，所述基座的上表面设置有光纤槽，所述光纤安装在所述光纤槽内，所述压力敏感元件和基座的尺寸相同，所述压力敏感元件的下表面和基座的上表面通过阳极键合相互连接，所述光纤的一端与所述压力敏感元件之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力敏感元件包括压力弹性膜片和位于压力弹性膜片下面的位移柱，所述位移柱位于距离压力弹性膜片中心位置的二分之一的半径处，所述光纤的一端与所述位移柱之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述压力弹性膜片和基座均采用硅材质，所述位移柱采用金属材质。
作为本发明进一步改进的技术方案，所述光纤通过玻璃胶固定在所述光纤槽内。
本发明采取的另一个技术方案为：
一种MEMS光纤压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
（a）选取一片具有一定厚度的第一硅片，采用RCA标准清洗法对第一硅片进行清洁；
（b）在第一硅片的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第一光刻板对第一硅片的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第一光刻胶保护层；
（c）对第一硅片的上表面进行RIE刻蚀，得到压力弹性膜片，去除第一光刻胶保护层；
（d）在步骤（c）得到的压力弹性膜片的下表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第二光刻板对压力弹性膜片的下表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第二光刻胶保护层；
（e）在由步骤（d）形成的压力弹性膜片的下表面溅射一层金属薄膜；
（f）利用lift-off工艺剥离压力弹性膜片下表面的第二光刻胶保护层以及部分金属薄膜，得到位移柱，位移柱位于距离压力弹性膜片的下表面中心位置的二分之一半径处，压力弹性膜片和位移柱组成压力敏感元件；
（g）选取另一片具有一定厚度的第二硅片，采用RCA标准清洗法对第二硅片进行清洁；
（h）在由步骤（g）得到的第二硅片的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第三光刻板对第二硅片的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第三光刻胶保护层；
（i）对由步骤（h）得到的第二硅片的上表面进行RIE刻蚀，得到光纤槽，光纤槽的厚度为125微米，去除第三光刻胶保护层，得到基座；
（j）将步骤（f）得到的压力敏感元件的下表面和步骤（i）得到的基座的上表面通过阳极键合连接，选取一个光纤，将光纤的一端切割出水平的端面，并使用光纤研磨机对光纤的水平端面研磨抛光，将光纤具有水平端面的一端插入基座的光纤槽内，再使用玻璃胶将光纤固定在光纤槽内，光纤具有水平端面的一端与压力敏感元件的位移柱相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
本发明通过上述加工步骤得到的MEMS光纤压力传感器，光纤的水平端面与压力敏感元件上的位移柱之间形成法布里-珀罗腔，受压的压力弹性膜片发生了一定的形变，由此带动了压力弹性膜片下表面的位移柱发生了相应的倾斜，导致位移柱和光纤端面之间的距离发生改变，即法布里-珀罗腔的腔长发生了相应的变化，干涉光之间的位相差有所变化，通过解调干涉光谱，得知腔长的变化，从而实现压力的测量。
本发明的MEMS光纤压力传感器，采用光学信号进行测量，避免了电磁干扰，适用于强电磁干扰、高温等恶劣环境下。通过MEMS技术进行加工制作传感器，能实现批量生产，对第一硅片和第二硅片的不同表面只采用了一次对准光刻，光刻对准精度要求低，制作方法简单，容易生产。本传感器的压力敏感元件与基座采用阳极键合技术进行连接，避免了胶连接方式带来的温度影响，温度系数低。因此本发明具有体积小，批量生产，制作方法简单，机械性能强，温度系数低，灵敏度高等优点，能满足一般及恶劣环境下的压力测量；本发明的MEMS光纤压力传感器能承受过大的压力，光纤的水平端面和位移柱之间不会发生接触的问题，光纤固定也非常结实，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的制造工艺流程图。
具体实施方式
下面根据图1和图2对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
参见图1， MEMS光纤压力传感器，包括光纤3、压力敏感元件1和基座2，所述基座2的上表面设置有光纤槽，所述光纤3安装在所述光纤槽内，所述压力敏感元件1和基座2的尺寸相同，所述压力敏感元件1的下表面和基座2的上表面通过阳极键合相互连接，所述光纤3的一端与所述压力敏感元件1之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔4。
进一步地，所述压力敏感元件1包括压力弹性膜片1-1和位于压力弹性膜片1-1下面的位移柱1-2，所述位移柱1-2位于距离压力弹性膜片1-1中心位置的二分之一的半径处，所述光纤3的一端与所述位移柱1-2之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔4。
进一步地，所述压力弹性膜片1-1和基座2均采用硅材质，所述位移柱1-2采用金属材质。
进一步地，所述光纤3通过玻璃胶固定在所述光纤槽内。
参见图2，MEMS光纤压力传感器的制作方法，，包括以下步骤：
（a）选取一片具有一定厚度的第一硅片5，采用RCA标准清洗法对第一硅片5进行清洁；
（b）在第一硅片5的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第一光刻板对第一硅片5的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第一光刻胶保护层6；
（c）对第一硅片5的上表面进行RIE刻蚀，得到压力弹性膜片1-1，去除第一光刻胶保护层6；
（d）在步骤（c）得到的压力弹性膜片1-1的下表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第二光刻板对压力弹性膜片1-1的下表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第二光刻胶保护层7；
（e）在由步骤（d）形成的压力弹性膜片1-1的下表面溅射一层金属薄膜8；
（f）利用lift-off工艺剥离压力弹性膜片1-1下表面的第二光刻胶保护层7以及部分金属薄膜8，得到位移柱1-2，位移柱1-2位于距离压力弹性膜片1-1的下表面中心位置的二分之一半径处，压力弹性膜片1-1和位移柱1-2组成压力敏感元件1；
（g）选取另一片具有一定厚度的第二硅片9，采用RCA标准清洗法对第二硅片9进行清洁；
（h）在由步骤（g）得到的第二硅片9的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第三光刻板对第二硅片9的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第三光刻胶保护层10；
（i）对由步骤（h）得到的第二硅片9的上表面进行RIE刻蚀，得到光纤槽，光纤槽的厚度为125微米，去除第三光刻胶保护层10，得到基座2；
（j）将步骤（f）得到的压力敏感元件1的下表面和步骤（i）得到的基座2的上表面通过阳极键合连接，选取一个光纤3，将光纤3的一端切割出水平的端面，并使用光纤研磨机对光纤3的水平端面研磨抛光，将光纤3具有水平端面的一端插入基座2的光纤槽内，再使用玻璃胶将光纤3固定在光纤槽内，光纤3具有水平端面的一端与压力敏感元件1的位移柱1-2相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔4。
本发明通过上述加工步骤得到的MEMS光纤压力传感器，光纤3的水平端面与压力敏感元件1上的位移柱1-2之间形成法布里-珀罗腔4，受压的压力弹性膜片1-1发生了一定的形变，由此带动了压力弹性膜片1-1下表面的位移柱1-2发生了相应的倾斜，导致位移柱1-2和光纤3的水平端面之间的距离发生改变，即法布里-珀罗腔4的腔长发生了相应的变化，干涉光之间的位相差有所变化，通过解调干涉光谱，得知腔长的变化，从而实现压力的测量。
本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种MEMS光纤压力传感器，其特征在于：包括光纤、压力敏感元件和基座，所述基座的上表面设置有光纤槽，所述光纤安装在所述光纤槽内，所述压力敏感元件和基座的尺寸相同，所述压力敏感元件的下表面和基座的上表面通过阳极键合相互连接，所述光纤的一端与所述压力敏感元件之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
2.根据权利要求1所述的MEMS光纤压力传感器，其特征在于：所述压力敏感元件包括压力弹性膜片和位于压力弹性膜片下面的位移柱，所述位移柱位于距离压力弹性膜片中心位置的二分之一的半径处，所述光纤的一端与所述位移柱之间相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
3.根据权利要求2所述的MEMS光纤压力传感器，其特征在于：所述压力弹性膜片和基座均采用硅材质，所述位移柱采用金属材质。
4.根据权利要求1所述的MEMS光纤压力传感器，其特征在于：所述光纤通过玻璃胶固定在所述光纤槽内。
5.一种如权利要求3所述的MEMS光纤压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）选取一片具有一定厚度的第一硅片，采用RCA标准清洗法对第一硅片进行清洁；
（b）在第一硅片的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第一光刻板对第一硅片的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第一光刻胶保护层；
（c）对第一硅片的上表面进行RIE刻蚀，得到压力弹性膜片，去除第一光刻胶保护层；
（d）在步骤（c）得到的压力弹性膜片的下表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第二光刻板对压力弹性膜片的下表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第二光刻胶保护层；
（e）在由步骤（d）形成的压力弹性膜片的下表面溅射一层金属薄膜；
（f）利用lift-off工艺剥离压力弹性膜片下表面的第二光刻胶保护层以及部分金属薄膜，得到位移柱，位移柱位于距离压力弹性膜片的下表面中心位置的二分之一半径处，压力弹性膜片和位移柱组成压力敏感元件；
（g）选取另一片具有一定厚度的第二硅片，采用RCA标准清洗法对第二硅片进行清洁；
（h）在由步骤（g）得到的第二硅片的上表面涂抹光刻胶，采用光刻机进行曝光，同时采用第三光刻板对第二硅片的上表面进行单面光刻，利用显影液显影后，形成第三光刻胶保护层；
（i）对由步骤（h）得到的第二硅片的上表面进行RIE刻蚀，得到光纤槽，光纤槽的厚度为125微米，去除第三光刻胶保护层，得到基座；
（j）将步骤（f）得到的压力敏感元件的下表面和步骤（i）得到的基座的上表面通过阳极键合连接，选取一个光纤，将光纤的一端切割出水平的端面，并使用光纤研磨机对光纤的水平端面研磨抛光，将光纤具有水平端面的一端插入基座的光纤槽内，再使用玻璃胶将光纤固定在光纤槽内，光纤具有水平端面的一端与压力敏感元件的位移柱相对间隔一定的距离从而形成法布里-珀罗腔。
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