CN109870255A

CN109870255A - 法珀传感器及其制造方法

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Publication number: CN109870255A
Application number: CN201711269044.4A
Authority: CN
Inventors: 张立喆; 林春
Original assignee: Beijing Bai As Deep Science And Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Bai As Deep Science And Technology Development Co Ltd
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: JP6986790B2; US20200386635A1; EP3722766A1; CN109870255B; EP3722766B1; EP3722766A4; US11454558B2; JP2021505913A; WO2019109905A1

Abstract

本发明涉及法珀传感器及其制造方法。法珀传感器包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。

Description

法珀传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，特别地涉及一种具有非线性补偿设计和优化的结构的法珀传感器，并涉及其制造方法。

背景技术

光纤传感器已经广泛应用于各行各业，如石油、航空、航天、医疗、海洋等方面，且展现了优异的性能，例如具有耐受恶劣环境、耐电磁辐射、抗干扰、无源防爆、体积小巧、结构简单、动态范围大、能实现准分布测量、制作过程材料使用量少等优点。

光纤传感器比较成熟的技术主要有两种，一种是利用光纤光栅黏贴在受压模型上，通过模型受到压力后的形变来进行压力测量；另外一种是采用法布里-珀罗腔(或可简称为法珀腔、FP腔)技术，通过腔长度的变化来感测压力或温度。采用第二种技术的光纤传感器可称为光纤法布里-珀罗传感器，或可简称为法布里-珀罗传感器、法珀传感器、FP传感器等，其特别适于作为压力传感器使用。

专利US7689071B2公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器。附图1示出了这种现有的法布里-珀罗传感器的示例性图示。其中，该法珀传感器主要包括具有腔体1_5的玻璃基部1_6、固定到该玻璃基部1_6的单层压力敏感膜片1_4、设置在玻璃基部1_6的腔体底部的第一反射镜1_3、设置在压力敏感膜片1_4下表面的第二反射镜1_2，以及用于传导光学信号的双向光纤1_1。其中第一反射镜1_3、第二反射镜1_2以及腔体1_5构成法布里-珀罗腔。由于法布里-珀罗腔的长度是压力的明确函数，因此通过获知法布里-珀罗腔的长度即可获知施加到压力敏感膜片1_4的压力。

上述单质单晶薄膜结构的法珀传感器采用存在若干问题。如图3所示，随着压力的增加，其压力敏感膜片偏移量的增加明显减少，即压力敏感膜片的偏移是所施加压力的非线性函数。由于压力敏感膜片的偏移在全压力量程中存在这种较强的非线性，因此在较高压力范围内法珀传感器的灵敏度受到限制。

针对上文所述的技术问题，专利CN103534568B公开了一种用于测量压力的法布里-珀罗传感器，其围绕特定偏压压力进行了灵敏度优化。附图2示出了该专利CN103534568B所公开的法布里-珀罗传感器的局部示意图。具体地，该法珀传感器包括基部2_1以及安装在该基部上的压力敏感膜片。该压力敏感膜片包括由第一材料制成的第一层2_2、和由第二材料制成且包括内部应力的第二层2_3。第二层2_3安装在该第一层2_2上，使得压力敏感膜片形成双层结构。

上述采用双层或更多层复合膜结构的法珀传感器仍然存在若干问题，包括但不限于，第一，利用额外的、存在应力的结构层来拉伸传感器灵敏度的线性段，使得压力敏感膜片必须为非单层结构，增加了压力敏感膜片结构的复杂度；第二，多层膜相比单层膜，由于膜厚的增加，会降低整体传感器的灵敏度；第三，多层膜材料自身长期稳定性也综合影响传感器的长期性能；第四，由于尺寸微小，在上述专利的制造方法中，为了将第二层增加到第一层上需要复杂的工艺和步骤，这增加了传感器的制造成本。

发明内容

着眼于现有传感器设计中存在的上述问题，本发明设计了一种新型的法布里-珀罗传感器，其不但能够避免现有传感器设计存在的上述问题，还具有下文中所述的其他优势。

本发明提出一种法珀传感器，包括：基部；腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。通过物质掺杂的方式，能够以有效的方式减弱传感器的非线性，提高传感器不同量程的适用性。

可选地，所述压力敏感膜片为一体的单层结构。通过特定的掺杂方式实现膜片的波状构造，既避免了现有技术中双层膜片结构中存在的前述诸多问题，又避免了构造多层膜片结构的复杂技术步骤。

可选地，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm。可选地，所述基部的厚度为200μm至500μm。可选地，所述腔体的直径为80μm至300μm。即，本发明所限定的技术方案特别适用于实施于微型传感器。

可选地，所述应力为拉应力。可选地，所述应力为压应力。

可选地，所述一个或多个局部区域包括位于压力敏感膜片中心位置处的大致圆形区域。可选地，所述一个或多个局部区域包括围绕压力敏感膜片中心位置的大致环形区域。

可选地，所述局部区域位于压力敏感膜片的靠近腔体的局部厚度中。可选地，所述局部区域位于压力敏感膜片的远离腔体的局部厚度中。

可选地，在不同的局部区域掺杂有不同的掺杂物质。可选地，在同一局部区域掺杂有不同的掺杂物质。

通过掺杂的方式在膜片中形成应力集中，并合理地设置应力类型以及集中的区域，能够形成优化且合理的波状结构，从而改善传感器性能。

可选地，所述压力敏感膜片的所述基础材料为硅。

可选地，所述掺杂物质为以下材料中的一种或多种：P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg。

可选地，所述光纤通过UV胶固定到光纤接收部。

可选地，所述法珀传感器还包括第一反射膜和第二反射膜，所述第一反射膜位于压力敏感膜片的一侧上，且第二反射膜位于所述腔体的底部。

可选地，形成所述第一反射膜和第二反射膜的材料为以下至少之一：Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al2O3、Ta2O5。

可选地，所述形成基部的材料为以下至少之一：玻璃、单晶硅、碳化硅、蓝宝石。

可选地，所述腔体为真空腔。

本发明还提出一种制造法珀传感器的方法，包括：

制造压力敏感膜片，包括：

步骤1：提供用于生产压力敏感膜片的压力敏感膜片基材；

步骤2：将一种或多种掺杂物质掺杂到压力敏感膜片基材的一个或多个局部区域内，以在所述局部区域产生应力，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度；

制造具有腔体的基部；

将压力敏感膜片与基部结合在一起，使得所述腔体被压力敏感膜片和基部封闭。

可选地，进行物质掺杂后的压力敏感膜片为一体的单层结构。

可选地，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm，所述基部的厚度为200μm至500μm。

可选地，所述应力为拉应力。可选地，所述应力为压应力。

可选地，在步骤2中，所述掺杂物质与构成压力敏感膜片基材的基础材料在原子或分子水平上掺杂在一起。

可选地，所述局部区域为一个或多个大致环形区域。可选地，所述局部区域为一个或多个大致圆形区域。

可选地，所述压力敏感膜片基材为SOI晶圆。

可选地，所述压力敏感膜片基材为其上形成有二氧化硅层的硅衬底。

可选地，所述步骤1还包括：对压力敏感膜片基材进行清洗和干燥。

可选地，所述步骤2还包括：对压力敏感膜片基材涂光刻胶，并去除部分光刻胶以暴露出需要进行掺杂的所述局部区域。

可选地，在步骤2中，掺杂通过高温扩散的方式进行。

可选地，所述高温扩散具体为在高温下进行浓硼扩散。

可选地，在步骤2中，掺杂通过离子注入的方式进行。

可选地，在所述离子注入过程中选用B、P、As中的一种或多种作为注入离子。

可选地，制造压力敏感膜片的步骤还包括：步骤3：在掺杂之后，对压力敏感膜片进行清洗，去除压力膜片表面杂质；步骤4：对清洗后的压力敏感膜片进行退火。

可选地，制造压力敏感膜片的步骤还包括步骤5：在压力敏感膜片一侧通过以下方式之一形成一层第一反射膜：蒸发、溅射、化学气相沉积、电化学、外延生长。

可选地，将压力敏感膜片在真空环境下结合到基部。

可选地，制造基部的步骤包括：在基部上生长一层掩膜；在掩膜上涂光刻胶；去除部分光刻胶，以暴露出部分掩模；去除暴露的掩膜，以暴露基部的一部分；刻蚀暴露的基部，以形成所述腔体。

可选地，制造基部的步骤还包括：在腔体底部形成一层第二反射膜。

可选地，制造基部的步骤还包括：在所述腔体底部形成光纤接收部。

可选地，方法还包括：使用UV胶将光纤安装到基部的光纤接收部。

可选地，方法还包括：在将压力敏感膜片结合到基部之后，去除SOI的厚硅层与二氧化硅层。

可选地，方法还包括：对结合在一起的压力敏感膜片与基部进行切割，以形成多个法珀传感器。

下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1是现有技术中已存在的某种法珀传感器的示意性横截面图；

图2是现有技术中已存在的另一种法珀传感器的局部示意图；

图3是在采用图1所示的法珀传感器时，针对不同压力的传感器灵敏度变化曲线；

图4是在采用本发明所提出的法珀传感器时，针对不同压力的传感器灵敏度变化曲线，且该曲线与采用传统法珀传感器时测量的曲线对比地给出；

图5A是本发明所提出的法珀传感器的横截面图，图5B是该法珀传感器的两种不同构造的正视图和俯视图；

图6A和6B是在法珀传感器的压力敏感膜片的中心进行物质掺杂的示意图；

图7A和7B是本发明所提出的法珀传感器的其中一个实施例的横截面图，其展示了该法珀传感器在外界压强不同时，压力敏感膜片未进行物质掺杂的区域和进行了物质掺杂的区域的形变示意图；

图8是法珀传感器的基部的加工流程示意图；

图9是法珀传感器的压力敏感膜片的加工流程示意图；

图10是基部和压力敏感膜片真空结合后的示意图；

图11是本发明所提出的法珀传感器的其中一个实施例，在该实施例中腔体形成在压力敏感膜片内；

图12A和12B是本发明所提出的法珀传感器的其中两个实施例，其在压力敏感膜片一侧较浅的圆形区域内进行了物质掺杂；

图13A和13B是本发明所提出的法珀传感器的其中两个实施例，其在压力敏感膜片一侧较浅的环形区域内进行了物质掺杂；

图14A和14B是本发明所提出的法珀传感器的其中两个实施例，该传感器的压力敏感膜片中，同心的圆形区域和圆环区域中掺杂有不同的物质；

图15是本发明所提出的法珀传感器的其中一个实施例，该传感器在压力敏感膜片两侧掺杂有应力相反的物质。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

除非上下文特别规定或明显说明，否则如本文所用的术语“大致”应理解为在本领域正常公差的范围之内。除非另有明确的上下文，本文提供的所有数值可通过术语“大致”来修正。

一、关于法珀传感器结构

图5A-B和10展示了本发明所提出的法珀传感器11的示意图。总体上，法珀传感器11主要包括如下部件：基部6、固定到所述基部6的压力敏感膜片4、形成在所述基部6和所述压力敏感膜片之间且由二者封闭的腔体5、分别位于压力敏感膜片4和基部6上的第一反射膜2和第二反射膜3，以及固定到所述基部6且用于传导光信号的光纤1。所述腔体5也可称为法珀腔。在以图5A-B和图10为例的优选实施例中，所述腔体5设置在基部6中。替换地，如图11所示的实施例，还可以在压力敏感膜片4中加工出所述腔体5。通常，腔体5形成为真空状态。腔体可为横截面为圆形的腔体，如图5B所示。但不限于此。

本发明主要实施为微型传感器，例如，所述压力敏感膜片的厚度可选为1μm至5μm，所述基部的厚度(其在附图5B中以H表示)可选为200μm至500μm。对于圆形腔体，其直径可选为80μm至300μm。

所述基部6优选由玻璃制成，但还可以选用其他材料，例如但不限于单晶硅、碳化硅、蓝宝石等，以便实现良好的导光性能。如图5A所示，基部6包括光纤接收部15。

所述第一反射膜2和所述第二反射膜3可选用但不限于Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al₂O₃、Ta₂O₅、介质膜等。第一反射膜2位于压力敏感膜片4上，既可以位于压力敏感膜片4靠近腔体5的一侧，也可以位于压力敏感膜片4远离腔体5的一侧。第二反射膜3位于腔体5底部。

所述光纤1在光纤接收部15处固定到基部6，可以选用但不限于多模石英光纤1。优选地，可通过UV胶7固定光纤1，由于UV胶7同时具有黏结与导光功能，其不仅能起到固定作用，还可保障良好的导光性能。

随着压力的变化，压力敏感膜片4能够朝向或远离基部6发生形变，从而改变腔体5长度以及第一反射膜2和第二反射膜3之间的距离，进而用于感测压力。具体地，在进行压力测量时，测量光由光纤1引入。一部分测量光经第一反射膜2产生部分反射信号，其余的光经第二反射膜3反射回第一反射膜2，并在第一反射膜2的下表面叠加。外界的压力变化使压力敏感膜片4发生形变，改变腔体5的长度，从而改变光程差。通过检测经由光纤1传回的光信号，即可通过解调获得压力敏感膜片4形变的大小。

如前文所述，对于如图1中所示的现有的法珀传感器设计。压力敏感膜片4的形变呈现非常显著的非线性，特别是当压力敏感膜片4厚度较小，或压力量程较大时。该特性制约了传感器性能的提升，并限制了应用场合。而对于如图2中所示的现有的法珀传感器设计，其虽然在非线性方面具有一定的改善，但其不得不增加额外的第二层，存在压力敏感膜片结构复杂、制造困难、整体灵敏性能降低、寿命降低等诸多问题。

为了改善如图1中所示的现有法珀传感器存在的严重非线性问题，且同时避免像图2中所示的现有法珀传感器那样牺牲结构、灵敏度和加工方法等方面的性能，本发明提出了一种新型的传感器设计和制造方法，其采用物质掺杂的方法在压力敏感膜片4上产生局部的应力集中区域，在维持单层压力敏感膜片结构的情况下实现了降低传感器非线性的目标。下文将对具有应力集中区域的压力敏感膜片4进行更详细介绍。

压力敏感膜片4包括基础材料，且具有一个或多个局部区域8，每一个局部区域8具有掺杂到压力敏感膜片4的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域8不贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。所述压力敏感膜片4在所述应力的作用下呈现波状构造。材料的掺杂不改变膜片的单层结构，即压力敏感膜片4仍为一体的单层结构。这即避免了现有技术中双层膜片结构中存在的前述诸多问题，又避免了构造双层膜片结构的复杂技术步骤。进行了物质掺杂的所述局部区域8也可称为掺杂区域。

通过掺杂，在所述掺杂区域产生了内部应力，该内部应力使得压力敏感膜片4呈现如图12A-15所示的不平整的波状效果，至少具有位于压力敏感膜片中间位置处的一个波峰，以及在径向上与该波峰隔开的另一环状波谷。其中，在图12A-15所示的实施例中，压力敏感膜片均在中心位置向上(即远离基部)拱起以形成了波峰，但膜片亦可以在中心位置处向下(即朝向基部)拱起以形成波谷，即，其可具有位于压力敏感膜片中间位置处的一个波谷，以及在径向上与该波谷隔开的另一环状波峰。此外，压力敏感膜片4可以呈现多个波峰和波谷。

在试验中发现，通过局部区域掺杂而实现的波状压力敏感膜片相比于双层结构膜片而言随压力变化的线性度更好。尽管没有理论依据，对试验结果分析认为，原因首先可能在于单层膜片的更加优化的波状形状。一方面，通过掺杂能够将应力注入在压力敏感膜片内部，而非像现有技术中双层结构那样仅将应力施加在膜片表面，从而膜片本身的波状变形形状更加易于控制，从而更易于实现更优化合理的波状构造，另一方面，由于不存在额外的层结构，其波状构造不受额外的层结构的限制或影响，即消除了影响优化的波状构造的因素。另外还可能存在的原因在于，双层结构的压力敏感膜片造成压力敏感膜片结构上的不均匀，在特定的膜片位置状态下，该结构上的不均匀会影响膜片对于压力的进一步响应，而发明的方案解决了上述问题，从而改善了性能。

为了在局部应力释放时膜片能产生图12A-15所示的波状构造，所述局部区域8不可贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。具体地，所述局部区域可以位于压力敏感膜片4的靠近腔体5的部分厚度中、或压力敏感膜片4的远离腔体5的部分厚度中，但不贯穿整个压力敏感膜片4。

由于膜片的波状效果及其带来的应力效应，使压力敏感膜片4在同样受力情况下的非线性特性得到改善。如图7A所示，当外界压强较小时，压力敏感膜片4未进行物质掺杂的区域的形变相对较大，进行了物质掺杂的区域形变相对较小。如图7B，当外界压强较大时，压力敏感膜片4未进行物质掺杂的区域的形变相对较小，进行了物质掺杂的区域形变相对较大。压力敏感膜片4的整体形变位移是两者的复合结果，从而能够改善灵敏度非线性问题。如图4所示，虚线为采用本发明法珀传感器时的灵敏度变化，其相比于不具有应力的法珀传感器，非线性程度得到了明显降低。

构成压力敏感膜片4的基础材料包括但不限于单晶硅。所述掺杂材料包括P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg，优选为硼。其中，根据掺杂材料在半导体材料晶格中所处的位置，可将掺杂材料分为替位型和填隙型两类，其中替位型掺杂材料有P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge等，填隙型掺杂材料有O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg等。

掺杂时，掺杂物质与构成压力敏感膜片基材的基础材料在原子或分子水平上掺杂在一起，如图6A-B所示。可选的掺杂方式包括填隙掺杂、直接交换式掺杂、空位掺杂、推填隙式掺杂、挤出式掺杂与Frank-Turnbull式掺杂。优选地，采用空位掺杂或推填隙式掺杂。其中，图6A展示了空位扩散，其中掺杂材料的分子或原子在9在基础材料的分子或原子10的空位移动，由于空位扩散需要的激活能比较小，因此该方式易于进行。图6B展示了推填隙式扩散，其中掺杂材料的分子或原子9占据另一个晶格位置，该晶格位置上的基础材料的分子或原子10被移开到填隙位置并成为自填隙分子或原子。由于分子或原子间作用力，在掺杂区域可产生所述应力。所述应力可以为拉应力，也可以为压应力。应力的大小取决于晶格的错配程度，以及物质掺杂的浓度。

在上述原理的基础上，掺杂区域的位置和应力的种类可以灵活地选择。掺杂区域可以为位于压力敏感膜片4中心位置处的大致圆形区域，或可为围绕压力敏感膜片4中心位置的大致环形区域，或同时存在一个或多个同心的圆形区域与环形区域。根据可行实施例，可以在不同的掺杂区域具有不同的掺杂材料，或在同一掺杂区域具有不同的掺杂材料。

图12A-15展示了法珀传感器的多个可行实施例。

如图12A所示，在压力敏感膜片4中心位置处的圆形区域掺杂了产生拉应力的物质，该圆环区域位于压力敏感膜片4的上部部分中，没有贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。如图12B所示，在法珀传感器的压力敏感膜片4的圆环区域掺杂了产生压应力的物质，该圆形区域位于压力敏感膜片4的下部部分中，没有贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。

如图13A所示，在法珀传感器的压力敏感膜片4的圆环区域掺杂了产生压应力的物质，该圆环区域位于压力敏感膜片4的上部部分中，没有贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。如图13B所示，在法珀传感器的压力敏感膜片4的圆环区域掺杂了产生拉应力的物质，该圆环区域位于压力敏感膜片4的下部部分中，没有贯穿压力敏感膜片4的整个厚度。

如图14A-B所示，在圆形与圆环区域掺杂了不同的物质。其中，图14A中，在法珀传感器的压力敏感膜片4下部部分中的圆形区域掺杂了产生压应力的物质，压力敏感膜片4上部部分中的圆环区域掺杂了产生压应力的物质。图14B中，在法珀传感器的压力敏感膜片4上部部分中的圆形区域掺杂了产生拉应力的物质，压力敏感膜片4上部部分中的圆环区域掺杂了产生拉应力的物质。

如图15所示，在压力敏感膜片4的圆形区域的上部部分掺杂产生拉应力的物质，下部部分掺杂产生压应力的物质，上下两个区域的合力会产生使得膜片中心向上拱起的力。

通过物质掺杂方式形成的上述法珀传感器具有多项优势，包括但不限于：通过物质掺杂的方式，能够有效地减弱传感器非线性，提高传感器不同量程的适用性；在减弱传感器非线性的同时，保证了传感器膜片的单层结构，避免现有技术中双层结构带来的上述诸多问题；另外，由于掺杂方式将应力注入在压力敏感膜片内部，能够实现更加优化的波状变形，又进一步减弱非线性。此外，上述法珀传感器还在生产方法方面具有优势。这将在下文中具体介绍。

二、关于法珀传感器的制造方法

图8到图9展示了制造本发明所述法珀传感器11的优选方法的一些步骤。法珀传感器11的制造主要可包括制造基部6、制造压力敏感膜片4、将基部6与压力敏感膜片4结合、切割、安装光纤1等步骤，下文中分别进行详细叙述。

需要说明的是，下文所列举的步骤是制造本发明所述传感器的优选步骤，而不一定是必要的步骤。在下文所述内容的基础上，本领域技术人员还可根据具体情况，更改或省略某一项具体操作、增加可以某一项具体操作、或对某一项或多项操作步骤进行顺序调整。

2.1、压力敏感膜片的制造

步骤1，提供用于生产压力敏感膜片4的压力敏感膜片基材。该压力敏感膜片基材最终形成压力敏感膜片4的主体部分。通常，一次可制造多个压力敏感膜片或多个传感器，即该压力敏感膜片基材将最终可被切割成多个压力敏感膜片。

优选地，利用绝缘硅(SOI)晶圆作为压力敏感膜片基材。所述SOI晶圆通过薄的硅衬底12(其最终形成压力敏感膜片4的主体部分)、二氧化硅层16和厚硅层17(或称为手柄层)热键合在一起而构成，从市场上可以获得具有不同厚度硅衬底的SOI晶圆。

替代地，压力敏感膜片基材还可以选用其上形成有氧化硅或二氧化硅层的硅衬底。具体地，在将硅衬底清洗后，通过热氧化生长，在硅衬底上形成一层二氧化硅层。其中所述热氧化工艺可选用但不限于干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化、H₂和O₂加热氧化、RTO等。

下文中主要以采用SOI晶圆制造压力敏感膜片4为例进行描述。

该步骤1可包括对SOI晶圆进行清洗，以去除晶圆表面杂质。SOI晶圆的清洗步骤可包括以下步骤的一个或多个：选用H₂SO₄：H₂O＝4:1的混合溶液进行清洗，去除表面有机物，清洗温度为120℃，清洗时间10min；选用NH₄OH(28％)：H₂O₂(30％)：H₂O＝1:1:5的混合溶液去除表面微尘，清洗温度为80℃，清洗时间10min；选用HCl：H₂O₂：H₂O＝1:1:6的混合溶液去除表面金属离子，清洗温度为80℃，清洗时间10min；选用HF：H₂O＝1:50的混合溶液去除表面氧化层，清洗温度为室温。

清洗完毕后，干燥SOI晶圆。优选地，在100℃下预烘10分钟。

步骤2，对压力敏感膜片基材的局部区域进行物质掺杂，以在所述局部区域产生应力。

该步骤2具体可包括对SOI晶圆旋涂光刻胶14，并对其进行图形化操作，即，部分去除光刻胶以暴露出需要行物质掺杂的局部区域，如图9所示。具体地，首先可以通过研磨除去厚硅层17的一部分厚度，随后用EDP溶液进行化学腐蚀，二氧化硅层16作为第一个腐蚀自停止层，一旦腐蚀到二氧化硅层16，腐蚀速率可以减小10000倍以上。二氧化硅层16可以通过缓冲的HF溶液腐蚀去除。由于硅在HF溶液中的腐蚀速率比二氧化硅小10000倍，所以硅衬底12(最终形成压力敏感膜片4)在HF溶液中可以不被腐蚀，这样便暴露出需要进行物质掺杂的局部区域，如图9所示。若该压力敏感膜片基材将最终仅形成一个压力敏感膜片，则局部区域可以仅包括一个大致圆形区域、一个大致环形区域、或同心的圆形区域与环形区域的组合，以用于掺杂以及最终形成膜片的波状构造。若该压力敏感膜片基材将最终会被切割成多个压力敏感膜片，则该步骤中在该压力敏感膜片基材上同时形成多个彼此间隔开的局部区域/局部区域组合，以用于最终形成多个波状区域，所述多个波状区域最终被切割到不同的压力敏感膜片中。

可选地，还可以通过研磨实现对压力敏感膜片4的厚度的精确控制。

其次，对暴露出的区域进行物质掺杂。掺杂可选用但不限于高温扩散、离子注入的方式。

对于高温扩散方式，可选用但不限于固态源扩散(如BN)、液态源扩散(如B、P)、气态源扩散、快速气相扩散、气体浸没激光扩散等，扩散源可选用但不限于P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg。根据优选的实施例，采用浓硼扩散或磷扩散。扩散工艺中的扩散温度、扩散浓度、退火温度等参数影响法珀传感器的灵敏度，优选在浓硼扩散中，扩散温度为900℃～1200℃，扩散后浓度为10¹⁷～10²¹/cm³；磷扩散中，扩散温度为900℃～1200℃，扩散后浓度为10¹⁸～5*10²¹/cm³。对于硅衬底12，还可以直接通过掩膜及光刻、显影等工艺进行掺杂。

对于离子注入方式，可选用但不限于B、P、As作为注入离子，离子源可选用但不限于BF₃、PH₃、AsH₃等。

如前文所述，掺杂应在压力敏感膜片4的部分厚度上进行。根据掺杂材料的不同，在压力敏感膜片4基材的局部区域8所形成的应力可为拉应力或压应力。

步骤3，在掺杂之后，对压力敏感膜片4进行清洗，去除压力敏感膜片4表面杂质。所述清洗采用上述步骤1中的方法进行。

步骤4，对清洗后的压力敏感膜片4进行退火，以去除由离子注入等掺杂工艺造成的压力敏感膜片4的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构，同时让物质进入电活性位置，即替位位置。高温退火可选用但不限于热退火、快速热处理、快速退火等。热退火温度在400℃～1000℃左右，快速退火温度在600℃～1100℃左右。

步骤5，如图9所示，在掺杂物质后的压力敏感膜片4底部生长一层反射膜2，以用于形成腔体5，获得光学反射信号，以便形成干涉，同时可以避免在压力敏感膜片4的内外表面形成谐振腔，生长反射膜2的方法可选用但不限于蒸发、溅射、化学气相沉积、电化学、外延生长等，此反射膜2应尽可能薄，产生应力影响尽可能小，可以是金属层，可选择但不限于Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al₂O₃、Ta₂O₅、介质膜等，其具有高的反射率。

2.2、基部的制造

步骤1，提供未经处理的基部。其中，对于一次生产多个传感器的情况，此时提供的未经处理的基部最终将被切割成多个基部6。基部优选200-500μm厚。清洗基部6以去除衬底表面杂质。清洗可选用H₂SO₄：H₂O＝4:1的混合溶液去除表面有机物，清洗温度为120℃，清洗时间10min。清洗完毕后，在100℃下预烘10min干燥基部6。

步骤2，如图8，在基部6上生长一层掩膜13。生长掩膜13的方法可选用但不限于蒸发、溅射、化学气相沉积、电化学、外延生长等，该掩膜13可选用但不限于Au、Ag、Cr、Ti、Cu、W、TiN、TaN、Si₃N₄、SiON、SiGe、金属合金，或几种材料的组合。优选地，在基部6上生长一层厚度为1000埃的铬金属掩膜13。

步骤3，如图8，在掩膜13上旋涂一层光刻胶14，可以通过本领域技术人员熟知的曝光、显影技术，去除光刻胶14的一部分，以形成满足特定形状的暴露区域。虽然腔体5的直径可以是各种尺寸的，但是优选地选择直径约为80-300μm的腔体5，其既可以保证压力敏感膜片4有良好的反射，还能保证传感器的机械特性较好。光刻胶14被部分去除后，可以通过铬腐蚀溶液去除暴露的掩膜13，铬腐蚀溶液由HCl和甘油组成，去除暴露的掩膜13后暴露基部6的一部分。

步骤4，如图8，刻蚀基部6形成腔体5。刻蚀可选用但不限于湿法腐蚀、干法刻蚀。湿法腐蚀的化学溶液可选用但不限于HF、BOE溶液；干法刻蚀可选用但不限于溅射与离子铣、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、HDP、ICP、ALE、ICP-RIE、HWP、ECR，溅射与离子铣可选用但不限于惰性气体(如Ar)，等离子刻蚀可选用但不限于含氟碳化物(例如CF₄、CHF₃、C₂F₆、C₃F₈等)。本例中，优选用缓冲的HF溶液腐蚀出直径80-300μm约19微米深的腔体5。缓冲的HF溶液由3ml的水、2g的NH₄F混合溶液和48％的HF溶液按照4:1的配比组成。基部6内的腔体5长度应控制在一定范围内，以满足光学干涉强度的要求。对于一次生产多个传感器的情况，此时在基部中形成多个腔体5，在最终切割后，每个基部将仅具有一个腔体。

步骤5，如图8，为了获得更好的光学对比度信号，在腔体5底部生长一层反射膜3作为腔体5的第一反射镜。生长反射膜3的方法可选用但不限于蒸发、溅射、化学气相沉积、电化学、外延生长等，该第一反射镜3的材料可以为不同的氧化物，可选用但不限于Au、Ag、Cr、TaN、Al₂O₃、Ta₂O₅、介质膜等。

步骤6，生长反射膜3后，可选用H₂SO₄：H₂O＝4:1的混合溶液清洗去除基部6表面有机物，优选地，清洗温度为120℃，清洗时间为10分钟。清洗完毕后，可将基部6在100℃下预烘10min，以进行干燥。

步骤7，为了便于光纤1对准与固定，可在基部6底部形成光纤接收部15。光纤接收部15的形成方式可选用但不限于：激光加工、湿法腐蚀、干法刻蚀、机械钻孔。光纤接收部15的夹角可以大于15°。替代地，为保证更大的粘接强度，可不采用打孔方式，而是套用玻璃毛细管做粘接材料，以获得与光纤1的更大接触面积。

2.3、压力敏感膜片4与基部6的结合

在根据上述步骤完成压力敏感膜片4与基部6的初步制造之后，进行压力敏感膜片4与基部6的结合。具体可包括如下步骤。

步骤1，将制备好的压力敏感膜片4与基部6在真空环境下结合。压力敏感膜片4与基部6被对准，使得腔体5被压力敏感膜片4与基部6密封。结合的方式可选择但不限于：低温真空静电键合、玻璃浆料键合、阳极键合、金属扩散键合、金属共晶键合、聚合物黏胶键合、等离子体键合等。在本例中，优选采用低温真空静电键合方式或阳极键合方式。

步骤2，去除SOI的厚硅层17与二氧化硅层16，具体地，可采用氢氧化钾或TMAH腐蚀厚硅层17，并随后然后用氢氟酸腐蚀二氧化硅层16。在厚硅层17与二氧化硅层16被去除后，压力敏感膜片可呈现出波状构造。

2.4切割

对于一次生产多个传感器的情况，需要对结合在一起的压力敏感膜片与基部进行切割。切割形式包括四边形、六边形或八边形切割等，如图5B所示。可选地，还可以采用紫外193nm激光器进行激光切割，划切出圆形片。

2.5安装光纤

光纤1对准并固定到基部6的光纤接收部15。优选地，使用UV胶7黏结固化的方式固定光纤1。所述固化方式可选用但不限于玻璃焊料黏结、电磁加热、激光加热、激光焊接。

上述方法具有多项优势，包括但不限于：

·可一次批量生产多件传感器，降低生产成本；

·传感器产品一致性好；

·通过对压力敏感膜片进行物质掺杂，在保证传感器的优化结构的同时，减小了传感器非线性，提高传感器不同量程的适用性；

·通过掺杂的方式形成内部应力，其操作方式简单，相比于形成多层该结构，特别是微型传感器的多层结构，掺杂的方式在生产操作方面更简单和易于实现。

本发明所提出的法珀传感器可以应用于多个领域，例如，特别适用于于医疗领域。此外，还可以用于其他测量。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

附图标记列表

1_1 光纤

1_2 第一反射膜

1_3 第二反射膜

1_4 压力敏感膜片

1_5 腔体

1_6 基部

1_7 UV胶

2_1 基部

2_2 压力敏感膜片的第一层

2_3 压力敏感膜片的第二层

1 光纤

2 第一反射膜

3 第二反射膜

4 压力敏感膜片

5 腔体

6 基部

7 UV胶

8 局部区域

9 基础材料的分子或原子

10 掺杂材料的分子或原子

11 法珀传感器

12 硅衬底

13 掩膜

14 光刻胶

15 光纤接收部

16 二氧化硅层

17 厚硅层

Claims

1.一种法珀传感器，包括：

基部；

腔体，形成在所述基部和压力敏感膜片之间，且由基部和压力敏感膜片封闭；

所述压力敏感膜片，固定到所述基部，其中，所述压力敏感膜片具有一个或多个局部区域，每一个局部区域具有掺杂到压力敏感膜片的基础材料中以产生应力的掺杂物质，任一局部区域不贯穿压力敏感膜片的整个厚度，所述压力敏感膜片在所述应力的作用下呈现波状构造；

光纤，用于传导光信号，所述光纤的一个端部固定到基部的光纤安装部，所述光纤安装部位于基部的、与所述腔体相对的端部处。

2.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片为一体的单层结构。

3.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm。

4.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述基部的厚度为200μm至500μm。

5.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述腔体的直径为80μm至300μm。

6.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述应力为拉应力。

7.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述应力为压应力。

8.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述一个或多个局部区域包括位于压力敏感膜片中心位置处的大致圆形区域。

9.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述一个或多个局部区域包括围绕压力敏感膜片中心位置的大致环形区域。

10.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述局部区域位于压力敏感膜片的靠近腔体的局部厚度中。

11.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述局部区域位于压力敏感膜片的远离腔体的局部厚度中。

12.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，在不同的局部区域掺杂有不同的掺杂物质。

13.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，在同一局部区域掺杂有不同的掺杂物质。

14.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述压力敏感膜片的所述基础材料为硅。

15.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述掺杂物质为以下材料中的一种或多种：P、B、As、Al、Ga、Sb、Ge、O、Au、Fe、Cu、Ni、Zn、Mg。

16.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述光纤通过UV胶固定到光纤接收部。

17.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述法珀传感器还包括第一反射膜和第二反射膜，所述第一反射膜位于压力敏感膜片的一侧上，且第二反射膜位于所述腔体的底部。

18.如前一权利要求所述的法珀传感器，其中，形成所述第一反射膜和第二反射膜的材料为以下至少之一：Cr、Ti、Au、Ag、TaN、Al₂O₃、Ta₂O₅。

19.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述形成基部的材料为以下至少之一：玻璃、单晶硅、碳化硅、蓝宝石。

20.如权利要求1所述的法珀传感器，其中，所述腔体为真空腔。

21.一种制造法珀传感器的方法，包括：

制造压力敏感膜片，包括：

步骤1：提供用于生产压力敏感膜片的压力敏感膜片基材；

制造具有腔体的基部；

22.如权利要求21所述的方法，其中，进行物质掺杂后的压力敏感膜片为一体的单层结构。

23.如权利要求21所述的方法，其中，所述压力敏感膜片的厚度为1μm至5μm，所述基部的厚度为200μm至500μm。

24.如权利要求21所述的方法，其中，所述应力为拉应力。

25.如权利要求21所述的方法，其中，所述应力为压应力。

26.如权利要求21所述的方法，其中，在步骤2中，所述掺杂物质与构成压力敏感膜片基材的基础材料在原子或分子水平上掺杂在一起。

27.如权利要求21所述的方法，其中，所述局部区域为一个或多个大致环形区域。

28.如权利要求21所述的方法，其中，所述局部区域为一个或多个大致圆形区域。

29.如权利要求21所述的方法，其中，所述压力敏感膜片基材为SOI晶圆。

30.如权利要求21所述的方法，其中，所述压力敏感膜片基材为其上形成有二氧化硅层的硅衬底。

31.如权利要求21所述的方法，其中，所述步骤1还包括：对压力敏感膜片基材进行清洗和干燥。

32.如权利要求21所述的方法，其中，所述步骤2还包括：对压力敏感膜片基材涂光刻胶，并去除部分光刻胶以暴露出需要进行掺杂的所述局部区域。

33.如权利要求21所述的方法，其中，在步骤2中，掺杂通过高温扩散的方式进行。

34.如前一权利要求所述的方法，其中，所述高温扩散具体为在高温下进行浓硼扩散。

35.如权利要求21所述的方法，其中，在步骤2中，掺杂通过离子注入的方式进行。

36.如前一权利要求所述的方法，其中，在所述离子注入过程中选用B、P、As中的一种或多种作为注入离子。

37.如权利要求21所述的方法，其中，制造压力敏感膜片的步骤还包括：

步骤3：在掺杂之后，对压力敏感膜片进行清洗，去除压力膜片表面杂质；

步骤4：对清洗后的压力敏感膜片进行退火。

38.如权利要求21所述的方法，其中，制造压力敏感膜片的步骤还包括：

步骤5：在压力敏感膜片一侧通过以下方式之一形成一层第一反射膜：蒸发、溅射、化学气相沉积、电化学、外延生长。

39.如权利要求21所述的方法，其中，将压力敏感膜片在真空环境下结合到基部。

40.如权利要求21所述的方法，其中，制造基部的步骤包括：

在基部上生长一层掩膜；

在掩膜上涂光刻胶；

去除部分光刻胶，以暴露出部分掩模；

去除暴露的掩膜，以暴露基部的一部分；

刻蚀暴露的基部，以形成所述腔体。

41.如权利要求21所述的方法，其中，制造基部的步骤还包括：在腔体底部形成一层第二反射膜。

42.如权利要求21所述的方法，其中，制造基部的步骤还包括：在所述腔体底部形成光纤接收部。

43.如前一权利要求所述的方法，还包括：使用UV胶将光纤安装到基部的光纤接收部。

44.如权利要求29所述的方法，还包括：在将压力敏感膜片结合到基部之后，去除SOI的厚硅层与二氧化硅层。

45.如权利要求21所述的方法，还包括：对结合在一起的压力敏感膜片与基部进行切割，以形成多个法珀传感器。