CN110057388A - 一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 - Google Patents
一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110057388A CN110057388A CN201910392170.1A CN201910392170A CN110057388A CN 110057388 A CN110057388 A CN 110057388A CN 201910392170 A CN201910392170 A CN 201910392170A CN 110057388 A CN110057388 A CN 110057388A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- pyrex
- optics cavity
- optical sensor
- bonding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000010931 gold Substances 0.000 title claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000005297 pyrex Substances 0.000 claims abstract description 52
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N Acetaminophen Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 54
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 39
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 39
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 29
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M potassium iodide Chemical compound [K+].[I-] NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 15
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims description 13
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 11
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 11
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 11
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 10
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 9
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 claims description 6
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000001659 ion-beam spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 2
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 2
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000000985 reflectance spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910001020 Au alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- ICIWUVCWSCSTAQ-UHFFFAOYSA-M iodate Chemical compound [O-]I(=O)=O ICIWUVCWSCSTAQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C15/00—Surface treatment of glass, not in the form of fibres or filaments, by etching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
- C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F‑P光纤传感器的方法，该方法利用飞秒激光钻孔技术，在硼硅玻璃衬底上进行激光钻孔使得光纤可以直接深入硼硅玻璃衬底中并且将光纤端面作为构成光学腔的第一反射面，再通过金金键合制得了穿孔结构光学腔F‑P光纤传感器，本发明的方法消除现有粘附方式光纤‑UV胶‑硼硅玻璃界面的反射损耗和噪音，同时由于穿透孔本身垂直于光学腔腔底，不需要额外进行光纤准直的操作，在简化光纤与传感头耦合工艺操作的同时又提高了耦合效率，增强了返回信号的信噪比，金金热压键合温度低，键合的可控性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，属于微光电子器件制作技术领域。
背景技术
光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。目前为止光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。其中F-P光纤传感器作为微位移传感器具有尺寸小，结构简单，测量精度高和灵敏度极高的特点，已得到广泛的应用。F-P光纤传感器通常通过反射率或者波长等数据的变化来分析所测物理量的变化，因此反射信号的强弱以及信噪比会从一定程度上影响传感器的精度和误差范围。由于构成整个F-P传感器的材料界面间的反射率都不高，因此信号采集端接收到的返回信号强度会比较弱，通常在微瓦量级。出于对传感器高精度高稳定性的要求，外界噪音以及整个传感光路内部的反射干扰需要降到最低。
由于硼硅玻璃具有良好的机械及光学性能、高的绝缘性能以及易于和硅片进行低温键合而在MEMS(微电子机械系统，Microelectromechanical Systems)器件中广泛应用，因此，F-P光纤传感器的传感头通常由硼硅玻璃以及硅片键合而成。在制作光学器件的过程中，硼硅玻璃的刻蚀也会根据不同深度和纵横比的要求有着多种刻蚀方法。其中以HF为主的湿法刻蚀由于刻蚀速率快、刻蚀表面光滑成为硼硅玻璃刻蚀中最常用的方法，对于刻蚀掩膜材料的选择有许多种，常用的掩膜材料有Cr/Au、TW/Au、Ni/Au等。
微电子机械系统(MEMS)中用于实现三维结构加工的典型键合有硅/玻璃、硅/硅、共晶键合及热压键合等，硅/玻璃键合是在高电压作用下完成，硅/硅键合需要1000℃以上的键合温度和非常清洁的表面，工艺要求都很高。另外，目前，现有的F-P光纤传感器通常是将键合完的传感头硼硅玻璃一侧通过胶水粘附在光纤尾纤的端面构成传感器，但是由于粘接准直度、光纤-UV胶-硼硅玻璃界面间的反射以及硼硅玻璃衬底内部传输损耗等问题的干扰使得系统内噪音干扰较大，并且对粘接工艺的要求非常高，F-P光纤传感器制作效率低，无法大规模推广利用。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决提高光纤端面与F-P传感头间耦合效率的技术难题，本发明提供一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法。
本发明利用飞秒激光钻孔技术，在硼硅玻璃衬底上进行激光钻孔使得光纤可以直接深入硼硅玻璃衬底中并且将光纤端面作为构成光学腔的第一反射面，再通过金金键合制得了穿孔结构光学腔F-P光纤传感器，从而解决了光纤端面与硼硅玻璃衬底间耦合效率较低的问题。
术语解释：
湿法腐蚀(刻蚀)，是指将晶片置于液态的化学腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉。
激光钻孔，是指利用高功率激光束投射到材料表面产生的热效应完成激光加工形成孔的技术过程。
本发明的技术方案如下：
一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，包括步骤如下：
(1)提供一硼硅玻璃，在所述硼硅玻璃上表面制备一层金属薄膜作为硼硅玻璃刻蚀的掩膜，在金属薄膜表面通过光刻工艺制作光刻胶掩膜，然后利用剥离工艺或湿法腐蚀的方法在硼硅玻璃表面形成金属掩膜图形；然后对暴露的硼硅玻璃进行干法或者湿法刻蚀，形成腐蚀坑；
(2)在步骤(1)制备的硼硅玻璃的底面与腐蚀坑表面中心相对的位置，通过激光钻孔加工出直径与光纤外径一致的穿透孔，钻孔时从硼硅玻璃的底面向腐蚀坑方向进行钻孔，直至穿透孔与腐蚀坑连通，光纤尾纤通过穿透孔直接深入硼硅玻璃衬底中并且光纤端面与腐蚀坑坑底平行，光纤端面作为构成光学腔的第一反射面；
(3)提供一硅片，在硅片上依次溅射钛薄膜、铂薄膜和金薄膜；
(4)将步骤(2)制备的硼硅玻璃上表面和步骤(3)的硅片溅射金属薄膜的面贴合，利用热压键合技术进行键合；
(5)将步骤(4)键合后的样品硅片的一面进行机械研磨减薄，硅片成为硅薄膜，再通过切割、光纤固定，得到穿孔结构光学腔F-P光纤传感器。
根据本发明优选的，步骤(1)中,所述的金属薄膜为Ni/Au薄膜或Cr/Au薄膜，所述Ni/Au薄膜厚度为Ni膜100-500nm、Au膜500-1000nm；Cr/Au薄膜厚度为Cr膜100-500nm、Au膜500-1000nm。
根据本发明优选的，步骤(1)中,在硼硅玻璃上表面通过电子束蒸发或者离子束溅射的方法制备一层金属薄膜。
根据本发明优选的，步骤(1)中,所述光刻工艺采用的光刻胶为光刻正胶。
根据本发明优选的，步骤(1)中,所述湿法腐蚀所用的腐蚀液为Au腐蚀液和Ni腐蚀液，先用Au腐蚀液进行腐蚀，再用Ni腐蚀液进行腐蚀；进一步优选，所述Au腐蚀液为碘、碘化钾、水的混合液；所述Ni腐蚀液为盐酸；其中，碘、碘化钾、水的混合液中，碘、碘化钾、水的质量比为1:1-5:20；盐酸溶液的质量分数为10-15％。
根据本发明优选的，步骤(1)中,所述干法刻蚀为ICP刻蚀技术，所用的刻蚀气体为六氟化硫和氩气的混合气体，气体流量分别为20sccm和60sccm，上电极功率RF1为500W，下电极功率RF2为300W，自偏压为400V。
根据本发明优选的，步骤(1)中,所述湿法刻蚀所用的腐蚀液为质量分数10-15％的氢氟酸和质量分数5-15％的硝酸的混合液；进一步优选的，所用的腐蚀液为质量分数13％的氢氟酸和质量分数10％的硝酸混合液。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述硼硅玻璃的厚度为500-1000微米。
根据本发明优选的，步骤(1)中，腐蚀坑深度为10-50微米。
根据本发明优选的，步骤(2)中，激光钻孔为飞秒激光钻孔，飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz，脉冲最大能量为6μJ；所述穿透孔直径为126-130微米。
激光钻孔采用的激光器为现有技术。
根据本发明优选的，步骤(3)所述钛薄膜、铂薄膜和金薄膜厚度分别为30-60nm、30-60nm、350-500nm。进一步优选的，所述钛薄膜、铂薄膜和金薄膜厚度分别为50nm、50nm、400nm；
本发明步骤(3)所述的依次溅射钛薄膜、铂薄膜和金薄膜，简写为Ti/Pt/Au，作为金金键合的粘附材料，同时最表面的金薄膜可以用作高反射膜。
根据本发明优选的，步骤(3)中所述的溅射是离子束溅射工艺。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述硅片的厚度为150-250微米。
根据本发明优选的，步骤(4)所述热压键合的工艺条件是：真空环境，温度260-400℃，压力500-600公斤，键合时间5-10分钟。真空环境是为了保证光学腔键合时内部保持真空。
根据本发明优选的，步骤(5)所述的硅片湿法腐蚀所用的腐蚀液为质量分数40-50％的氢氧化钾溶液，腐蚀温度70-80℃。
根据本发明优选的，步骤(5)所述的机械研磨的工艺条件是：研磨盘转速40-65rpm，研磨液流量45-600mL/h。进一步优选的，所述研磨盘转速50rpm，研磨液流量500mL/h。
根据本发明优选的，步骤(5)中，所述硅薄膜的厚度为10-20微米。
切割、光纤固定用于制作光纤传感器按现有技术即可。
本发明的技术特点及优良效果：
1、本发明通过飞秒激光钻孔加工出直径与光纤外径一致的穿透孔，光纤尾纤通过穿透孔直接深入硼硅玻璃衬底中并且将光纤端面作为构成光学腔的第一反射面，消除现有粘附方式光纤-UV胶-硼硅玻璃界面的反射损耗和噪音，同时由于穿透孔本身垂直于光学腔腔底，不需要额外进行光纤准直的操作，在简化光纤与传感头耦合工艺操作的同时又提高了耦合效率，增强了返回信号的信噪比。
2、本发明通过飞秒激光钻孔加工出直径与光纤外径一致的穿透孔，光纤尾纤通过穿透孔直接深入硼硅玻璃衬底中并且将光纤端面作为构成光学腔的第一反射面，避免了现有粘附方式准直度低的问题，通过飞秒激光钻孔保证了光纤与传感头的准直度，并且加工出的穿透孔圆滑，无崩边。
3、本发明采用金金热压键合比现有的硅/硅键合所需温度(1000℃以上)低很多，只需要键合温度大于260℃即可，键合的可控性很高；另外，金具有极高的反射率并且在260-400℃键合温度下不会形成氧化物，因此在键合完成后可以形成高反射层。金金键合在键合过程中两层金属在热和压力的同时作用下进行原子级接触，在原子运动下两层金属进行扩散运动将两层金属连接在一起。
附图说明
图1为本发明实施例1的工艺流程示意图；
其中，1为硼硅玻璃，2为光刻胶，3为Ni薄膜或Cr薄膜，4为硼硅玻璃上溅射的金薄膜，5为腐蚀坑中心位置激光钻孔得到的穿透孔，6为硅片上溅射的金薄膜，7为铂薄膜，8为钛薄膜，9为硅片，10为热压键合完生成的金键合层，11为硅薄膜(硅片减薄后),12、光纤。
图2是对比例1的传统传感器结构。
图3是光谱测试实验的测试光路示意图。
图4、图5是对比例1、实施例1光谱测试中光谱仪采集到的返回干涉光谱，横坐标是波长。其中，图4为传统结构传感器反射光谱；图5为穿孔结构光学腔制备的传感器(实施例1)反射光谱。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步描述。实施例中所用的硼硅玻璃和硅片厚度分别500微米和300微米。
实施例1
一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，
硼硅玻璃和硅片分别采用溅射的方法制备Ni/Au和Ti/Pt/Au薄膜，通过湿法腐蚀的方法在硼硅玻璃上形成图形化的Ni/Au掩膜，采用湿法腐蚀方法在硼硅玻璃上刻蚀光学腔，利用激光钻孔技术在硼硅玻璃衬底上加工出穿透孔后与金金键合完成光学腔的制作，具体步骤如图1所示：
(1)在硼硅玻璃1表面先后溅射厚度为200nm的Ni薄膜3和600nm的Au薄膜4，形成Ni/Au合金薄膜；在硼硅玻璃1溅射金属薄膜的一面用匀胶机甩一层光刻正胶(AZ1500)2，然后将光刻板对齐曝光显影，放入正胶显影液中清洗掉多余部分；如图1A。
将做完图形的硼硅玻璃先后分别用Au腐蚀液和Ni腐蚀液腐蚀，腐蚀时间分别为5分钟、1分钟；所述Au腐蚀液为碘、碘化钾、水按质量比1:3：20的混合液；所述Ni腐蚀液为质量分数10％盐酸。腐蚀完后用丙酮洗去光刻胶掩膜，形成图形化的Ni/Au掩膜；如图1B。
用质量分数13％HF和10％HNO3的混合腐蚀液常温下腐蚀带有金属掩膜的硼硅玻璃，获得4微米深的腐蚀坑5；如图1C。
(2)在制备的硼硅玻璃的底面与腐蚀坑表面中心相对的位置，通过激光钻孔加工出直径与光纤外径一致的穿透孔5，钻孔时从硼硅玻璃的底面向腐蚀坑方向进行钻孔，直至穿透孔与腐蚀坑连通，如图1D；
(3)在硅片9表面先后溅射厚度为50nm的Ti薄膜8、50nm的Pt薄膜7和400nm的Au薄膜6；
(4)清洗步骤(2)硼硅玻璃和步骤(3)硅片，将两个溅射面贴合在一起,如图1E；将贴合在一起的硼硅玻璃和硅片放入热压键合炉中，键合条件为氮气环境，温度400℃，压力600公斤，键合时间10分钟。键合完成后自然冷却至室温24-26℃，得到键合完成的密封空腔，两层金膜通过热压扩散键合成一层金10；如图1F。
通过对硅片9进行机械研磨减薄得到15微米厚度的硅薄膜11，如图1G。
(5)光纤尾纤通过穿透孔直接深入硼硅玻璃衬底中并且光纤端面与腐蚀坑坑底平行，光纤端面作为构成光学腔的第一反射面；最后通过切割、光纤固定等步骤，完成光纤传感器的制作过程，如图1H。
实施例2
如实施例1所述的一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，不同之处在于：
激光钻孔为飞秒激光钻孔，飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz，脉冲最大能量为6μJ；所述穿透孔直径为126-130微米。
对比例1、
制作传统结构的光学腔，将硼硅玻璃与硅片二者通过阳极键合的方法键合在一起，作为对比例1，将键合完的传感头硼硅玻璃一侧通过胶水粘附在光纤尾纤的端面构成传感器，如图2所示。所制成的传感器的尺寸、硼硅玻璃以及硅膜的厚度均与实施例1相同。
实验例、光谱实验
搭建测试光路，如图3所示，包括数据处理终端10、光谱仪11、输出光源12、光线环形器13、传感器14。输出光源12连通光纤环形器13，光纤环形器13连通传感器14，光谱仪11与光纤环形器13连通、数据处理终端10连接光谱仪11。传感器14分别是实施例1、对比例1制作的光纤传感器。
实验中，输出光源12采用850nm波长LED，光谱仪11采用Ocean Optics HR4000光纤光谱仪，数据处理终端10为电脑处理器。光谱仪采集到的返回干涉光谱如图4、图5所示，图4为对比例1的传统结构传感器的反射光谱，在光谱中有干涉峰的存在，但是相较于直接反射光来说强度很弱，信噪比非常低；图5为穿孔结构的光学腔(实施例1)制备的传感器反射光谱，在光谱中可以看到非常明显的高精细度干涉峰的存在，信噪比很高，光纤端面与硼硅玻璃衬底间耦合效率高。
测试数据表明，采用本发明方法制作的传感器相较于传统方法制作的传感器，反射光谱中干涉峰强度和信噪比提升十分显著。
Claims (10)
1.一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，包括步骤如下：
(1)提供一硼硅玻璃，在所述硼硅玻璃上表面制备一层金属薄膜作为硼硅玻璃刻蚀的掩膜，在金属薄膜表面通过光刻工艺制作光刻胶掩膜，然后利用剥离工艺或湿法腐蚀的方法在硼硅玻璃表面形成金属掩膜图形；然后对暴露的硼硅玻璃进行干法或者湿法刻蚀，形成腐蚀坑；
(2)在步骤(1)制备的硼硅玻璃的底面与腐蚀坑表面中心相对的位置，通过激光钻孔加工出直径与光纤外径一致的穿透孔，钻孔时从硼硅玻璃的底面向腐蚀坑方向进行钻孔，直至穿透孔与腐蚀坑连通，光纤尾纤通过穿透孔直接深入硼硅玻璃衬底中并且光纤端面与腐蚀坑坑底平行，光纤端面作为构成光学腔的第一反射面；
(3)提供一硅片，在硅片上依次溅射钛薄膜、铂薄膜和金薄膜；
(4)将步骤(2)制备的硼硅玻璃上表面和步骤(3)的硅片溅射金属薄膜的面贴合，利用热压键合技术进行键合；
(5)将步骤(4)键合后的样品硅片的一面进行机械研磨减薄，硅片成为硅薄膜，再通过切割、光纤固定，得到穿孔结构光学腔F-P光纤传感器。
2.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中,所述的金属薄膜为Ni/Au薄膜或Cr/Au薄膜，所述Ni/Au薄膜厚度为Ni膜100-500nm、Au膜500-1000nm；Cr/Au薄膜厚度为Cr膜100-500nm、Au膜500-1000nm。
3.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中,在硼硅玻璃上表面通过电子束蒸发或者离子束溅射的方法制备一层金属薄膜，所述光刻工艺采用的光刻胶为光刻正胶。
4.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中,所述湿法腐蚀所用的腐蚀液为Au腐蚀液和Ni腐蚀液，先用Au腐蚀液进行腐蚀，再用Ni腐蚀液进行腐蚀；进一步优选，所述Au腐蚀液为碘、碘化钾、水的混合液；所述Ni腐蚀液为盐酸；其中，碘、碘化钾、水的混合液中，碘、碘化钾、水的质量比为1:1-5:20；盐酸溶液的质量分数为10-15％；
所述干法刻蚀为ICP刻蚀技术，所用的刻蚀气体为六氟化硫和氩气的混合气体，气体流量分别为20sccm和60sccm，上电极功率RF1为500W，下电极功率RF2为300W，自偏压为400V。
5.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中,所述湿法刻蚀所用的腐蚀液为质量分数10-15％的氢氟酸和质量分数5-15％的硝酸的混合液；进一步优选的，所用的腐蚀液为质量分数13％的氢氟酸和质量分数10％的硝酸混合液，所述硼硅玻璃的厚度为500-1000微米，腐蚀坑深度为10-50微米。
6.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(2)中，激光钻孔为飞秒激光钻孔，飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz，脉冲最大能量为6μJ；所述穿透孔直径为126-130微米。
7.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(3)所述钛薄膜、铂薄膜和金薄膜厚度分别为30-60nm、30-60nm、350-500n，。进一步优选的，所述钛薄膜、铂薄膜和金薄膜厚度分别为50nm、50nm、400nm。
8.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的溅射是离子束溅射工艺，所述硅片的厚度为150-250微米。
9.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(4)所述热压键合的工艺条件是：真空环境，温度260-400℃，压力500-600公斤，键合时间5-10分钟。
10.根据权利要求1所述的基于金金键合制备穿孔结构光学腔F-P光纤传感器的方法，其特征在于，步骤(5)所述的硅片湿法腐蚀所用的腐蚀液为质量分数40-50％的氢氧化钾溶液，腐蚀温度70-80℃；机械研磨的工艺条件是：研磨盘转速40-65rpm，研磨液流量45-600mL/h；所述硅薄膜的厚度为10-20微米。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910392170.1A CN110057388B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910392170.1A CN110057388B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110057388A true CN110057388A (zh) | 2019-07-26 |
| CN110057388B CN110057388B (zh) | 2021-04-27 |
Family
ID=67322836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910392170.1A Active CN110057388B (zh) | 2019-05-13 | 2019-05-13 | 一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110057388B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04225537A (ja) * | 1990-12-27 | 1992-08-14 | Sharp Corp | チップ位置検出方法 |
| EP0411054A4 (en) * | 1988-04-25 | 1992-09-02 | Medex, Inc. | Temperature and pressure monitors utilizing interference filters |
| US20050029436A1 (en) * | 2003-06-26 | 2005-02-10 | The Regents Of The University Of California | Micro-position sensor using faraday effect |
| CN101017116A (zh) * | 2006-10-09 | 2007-08-15 | 南京师范大学 | 法布里－珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 |
| JP2007248444A (ja) * | 2006-02-16 | 2007-09-27 | Ricoh Co Ltd | 湿潤膜の膜厚測定方法と膜厚測定装置、該方法と装置を用いた光導電性感光体の製造方法及び光導電性感光体 |
| CN101667716A (zh) * | 2008-09-03 | 2010-03-10 | 中国科学院半导体研究所 | 一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器及其制作方法 |
| CN101917784A (zh) * | 2010-09-10 | 2010-12-15 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有凹槽形加热膜区的三维微型加热器及其制作方法 |
| CN102072967A (zh) * | 2010-12-14 | 2011-05-25 | 东南大学 | 基于金金键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法 |
| CN104596685A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-05-06 | 刘玉珏 | 一种基于mems工艺的微型封装f-p压力传感器及成型方法 |
| CN105245210A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-01-13 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种限频控制混合集成电路 |
| CN105806543A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-07-27 | 中北大学 | 一种光纤法珀高温压力传感器 |
| CN106643901A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 武汉理工大学 | 超高温光纤f‑p温度压力复合传感器与系统 |
-
2019
- 2019-05-13 CN CN201910392170.1A patent/CN110057388B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0411054A4 (en) * | 1988-04-25 | 1992-09-02 | Medex, Inc. | Temperature and pressure monitors utilizing interference filters |
| JPH04225537A (ja) * | 1990-12-27 | 1992-08-14 | Sharp Corp | チップ位置検出方法 |
| US20050029436A1 (en) * | 2003-06-26 | 2005-02-10 | The Regents Of The University Of California | Micro-position sensor using faraday effect |
| JP2007248444A (ja) * | 2006-02-16 | 2007-09-27 | Ricoh Co Ltd | 湿潤膜の膜厚測定方法と膜厚測定装置、該方法と装置を用いた光導電性感光体の製造方法及び光導電性感光体 |
| CN101017116A (zh) * | 2006-10-09 | 2007-08-15 | 南京师范大学 | 法布里－珀罗型光纤压力传感器及其制作方法 |
| CN101667716A (zh) * | 2008-09-03 | 2010-03-10 | 中国科学院半导体研究所 | 一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器及其制作方法 |
| CN101917784A (zh) * | 2010-09-10 | 2010-12-15 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种具有凹槽形加热膜区的三维微型加热器及其制作方法 |
| CN102072967A (zh) * | 2010-12-14 | 2011-05-25 | 东南大学 | 基于金金键合工艺的热式风速风向传感器及其制备方法 |
| CN104596685A (zh) * | 2014-12-04 | 2015-05-06 | 刘玉珏 | 一种基于mems工艺的微型封装f-p压力传感器及成型方法 |
| CN105245210A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-01-13 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种限频控制混合集成电路 |
| CN105806543A (zh) * | 2016-05-16 | 2016-07-27 | 中北大学 | 一种光纤法珀高温压力传感器 |
| CN106643901A (zh) * | 2016-12-29 | 2017-05-10 | 武汉理工大学 | 超高温光纤f‑p温度压力复合传感器与系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| QINGCHAO ZHAO等: "Optical fiber pressure sensor based on F-P cavity in the oil and gas well", 《EARTH AND ENVIRONMENTAL SCIENCE》 * |
| 吴振海等: "热应力和残余气压对光纤法布里-珀罗压力传感器温度性能的影响", 《光学学报》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110057388B (zh) | 2021-04-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10438039B2 (en) | Glass-based substrate with vias and process of forming the same | |
| CN103335753B (zh) | 硅-玻璃基梁膜结构的超微压力传感器芯片及制造方法 | |
| CN104502016B (zh) | 一种基于mems工艺的腔长可调f‑p压力传感器及成型方法 | |
| CN104596685B (zh) | 一种基于mems工艺的微型封装f‑p压力传感器及成型方法 | |
| CN103344374B (zh) | 隐藏式mems压力传感器敏感芯片及其制作方法 | |
| JP2007532871A (ja) | 光センサ | |
| CN105181231A (zh) | 一种封装结构的压力传感器及其制备方法 | |
| CN104502005A (zh) | 一种基于mems工艺的f-p压力传感器及成型方法 | |
| CN108020248A (zh) | 基于化学腐蚀法制备大模场光纤f-p传感器的方法 | |
| CN108760148B (zh) | 一种绝压式光纤法珀碳化硅耐高温航空压力传感器 | |
| CN105509872B (zh) | 一种mems压电矢量水听器及其制备方法 | |
| CN114275731A (zh) | 一种基于mems的双梁式微压感测芯体及其制备工艺 | |
| CN114184654A (zh) | 微型全固态pH传感器及其制备方法 | |
| CN109160484A (zh) | 一种压电式mems加速度传感器及其制备方法 | |
| CN114486019B (zh) | 一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器及mems制造方法 | |
| CN114076617B (zh) | 声表面波温度压力双参数传感装置及其制备方法 | |
| CN109596208A (zh) | 一种u形槽悬臂梁结构的mems压电矢量水听器及其制备方法 | |
| CN110057388A (zh) | 一种基于金金键合制备穿孔结构光学腔f-p光纤传感器的方法 | |
| CN111351607B (zh) | 一种温压复合传感器的制作方法 | |
| CN110031127A (zh) | 一种通过腔内气体压力调控f-p光纤温度传感器灵敏度的方法 | |
| CN111397776B (zh) | 一种温压复合传感器 | |
| CN112034017A (zh) | 一种基于晶圆级封装的微型热导检测器及其制备方法 | |
| CN106597012A (zh) | 一种基于光强调制型 moems 加速度计 | |
| CN105399047A (zh) | 一种多电容梳齿式微加速度计的加工方法 | |
| CN110715681B (zh) | 一种金金热压键合制备高反射膜光学腔的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |