CN110160567A - 一种面内集成mems光纤珐珀敏感芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法,属于光纤传感领域，该芯片的光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上，反射层6通过在敏感膜片5上沉积一层反射膜形成。芯片整体采用平面式结构，即敏感膜片垂直于被加工材料表面，使得立体式芯片结构(敏感膜片平行于被加工材料表面)难以或者不能加工出的双侧质量块型和布拉格型结构成为可行，而且加工工艺简单，只需两次刻蚀；芯片采用双侧质量块型敏感膜片可以大幅度改善珐珀腔的平整度、提高敏感膜片的谐振响应；采用布拉格型敏感膜片可以在改善珐珀腔的平整度、提高敏感膜片谐振响应的基础上进一步提高珐珀腔的干涉品质、省去增加敏感膜片干涉品质的镀反射膜工艺。
Description
所属领域
本发明属于光纤传感领域，主要涉及微加工技术、微传感器技术、珐珀干涉技术、光纤传输技术等。
背景技术
随着工业4.0的提出，传感器的微型化、轻量化、智能化以及成本和性能都遇到了前所未有的挑战。光纤传感器具有灵敏度高、质量轻、稳定性好、抗电磁干扰、响应速度快、传输距离远等特点，受到国内外传感领域的极大关注。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是在半导体制造技术上发展起来的，融合了硅微加工、非硅微加工、精密机械加工等尖端制造技术，具有微型化、集成化、多功能化、智能化等特点，被广泛应用于航空航天、军事、医疗卫生、消费电子等众多领域。基于MEMS工艺的光纤珐珀传感器除具有光纤传感器的众多优点外，还具有敏感结构设计灵活、材料选择范围大、易构建、结构紧凑等特点，在众多应用领域都得到了广泛的研究，业已成为传感技术的先导，正推动着传感技术蓬勃发展。
2003年，Bing Yu等人提出了一种基于MEMS工艺的光纤珐珀传感器(Appl.Optics,2003,Vol.42,pp.3241-3250)，其利用融硅套管将光纤与融硅材料制成的敏感膜片粘接起来组成珐珀腔，敏感芯片整体采用立体式结构(敏感膜片的表面平行于被加工材料的表面)，体积较大，灵敏度偏低，且珐珀腔的构建效率相对较低。2005年，Xiaodong Wang等人提出了一种用于局部放电检测的光纤珐珀传感器(J.Micromech.Microeng.,2005,Vol.15(3),pp.521-527)，敏感芯片同样采用立体式结构，其通过在玻璃衬底上刻蚀间隔槽固定敏感膜片与光纤实现珐珀腔的精确构建，这种构建方式虽然能实现珐珀腔长的精确控制，但在间隔槽端面固定敏感膜片的工艺难度较大，且加工工艺较为繁琐复杂。2012年，AkkayaO.C.等人提出了一种光纤珐珀声波传感器(J.Microelectromech.S.,2012,Vol.21(6),pp.1347-1356)，敏感芯片也采用立体式结构，它通过在硅膜上刻蚀光子晶体来增加硅表面的反射率，提高珐珀腔的干涉品质，虽然这种设计可减少在硅表面的镀金工艺，但这种制备方式的整体工艺流程极为复杂，工艺难度大，成本高，而且传感器的装配也较为复杂。2013年，Jun Ma等人提出了一种基于多层石墨烯的光纤珐珀传感器(IEEE Photonic.Tech.L.,2013,Vol.25(10),pp.932-935)，敏感芯片也采用立体式结构，其实现方式是将多层石墨烯粘接到已经固定光纤的氧化锆套管上组成珐珀腔，虽然利用多层石墨烯制作敏感膜片显著提高了传感器的灵敏度，但这种结构在敏感膜片的粘接和其厚度的精确控制上都较为困难，且较薄的敏感膜片也降低了珐珀腔的平整度。总之，相关研究在设计敏感芯片时都采用立体式结构，芯片体积相对较大，制备工艺相对复杂，珐珀腔的构建较为复杂困难。
本发明提出了一种面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，该敏感芯片采用平面式结构,其敏感膜片垂直于被加工材料表面，这种设计方法可大幅度简化敏感膜片的加工工艺,芯片的整体加工只需两次刻蚀工艺,而且可以加工出传统立体式结构难以或者不能加工出的膜片结构,如布拉格型敏感膜片、双侧质量块型敏感膜片。两侧对称分布质量块的双侧质量块型敏感膜片不但能够大幅度提高敏感膜片质量m和刚度k的乘积、降低敏感结构的阻尼比、增加敏感结构的谐振响应、提高敏感结构的灵敏度、而且还可使珐珀腔更为平整，然而采用传统的立体式加工方法很难加工出这种结构；两侧对称分布依照布拉格定理设计的布拉格结构的布拉格型敏感膜片在双侧质量块型敏感结构的优点之上还能够大幅度增加珐珀干涉的精细度、降低珐珀腔的损耗、提高珐珀腔的干涉品质，而采用传统的立体式加工方法难以加工出这种结构。
发明内容
发明目的
为了克服利用MEMS工艺制作光纤珐珀传感器时，敏感膜片灵敏度低、加工工艺复杂、珐珀干涉精细度低、传感器整体尺寸大、形成阵列时阵列密度小，珐珀腔装配困难复杂、珐珀腔长度难以精确控制、传感器成本高等缺陷。本发明提出了一种面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，敏感芯片采用平面式结构，只采用两次刻蚀工艺，旨在简化加工工艺、降低芯片的加工成本和加工难度、加工出传统方法难以加工的敏感机构；采用两侧对称分布质量块的双侧质量块型敏感膜片，旨在提高敏感膜片质量m和刚度k的乘积、降低敏感结构的阻尼比、增加敏感结构的谐振响应、提高敏感结构的灵敏度、改善珐珀腔的平整度；采用两侧对称分布依照布拉格定理设计的布拉格结构的布拉格型敏感膜片，旨在在保持双侧质量块的优势之上增加珐珀干涉的精细度、降低珐珀腔的损耗、提高珐珀腔的干涉品质；芯片整体使用MEMS工艺在硅片、氧化硅片等材料上加工，旨在降低芯片尺寸、提高阵列密度、提高加工精度、便于工业化批量生产。
技术方案
本发明提出的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片，芯片整体结构参照图1，图1为敏感芯片正面剖视图。器件主要包括光纤1、光纤槽2、膜片支撑3、保护槽4、敏感膜片5、反射层6、间隔槽7、孔肩8；
所述芯片整体采用硅片、氧化硅片等材料作为基底材料制作，光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上，反射层6通过在敏感膜片5上沉积一层反射膜形成。
进一步的，所述的光纤槽2、保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7、孔肩8通过干法刻蚀或湿法腐蚀硅片、氧化硅片等材料制作。敏感膜片5的三种结构参照图2，分别为：单一膜片结构(图2(a))、双侧质量块结构(图2(b))、布拉格结构(图2(c))，双侧质量块结构与布拉格结构为两侧对称结构，布拉格结构具有增加珐珀干涉的精细度、降低珐珀腔的损耗、提高珐珀腔的干涉品质，其具体结构按照布拉格定理设计。
进一步的，所述的反射层6可通过蒸镀或磁控溅射金、银、铝等材料制作或根据实际情况选择不制作。
芯片基本工作原理是：光源产生的光通过光纤环形器进入光纤1，部分光被光纤1的端面反射回光纤，另一部分光透过光纤被反射层6反射(在不制作反射层时被敏感膜片5反射)，重新进入光纤，这两部分光束汇聚干涉后通过光纤环形器进入后端检测系统。干涉信号与光纤1端面和反射层6或敏感膜片5组成的珐珀腔的腔长有关，当被测信号使敏感膜片5沿着轴向发生形变时，珐珀腔长发生变化，从而引起干涉信号的变化，通过解调干涉信号就可获得被测物理量的信息。
步骤1：参阅图3(a)，在硅片、氧化硅片等基底材料的正面通过干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺制作保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7和孔肩8的正面结构以及完整的光纤槽2；
步骤2：参阅图3(b)，在所选取的基底材料的背面通过干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺刻蚀形成完整的保护槽4、间隔槽7、敏感膜片5和孔肩8；
步骤3：参阅图3(c)，在敏感膜片5上通过蒸镀或磁控溅射沉积金、银、铝等材料，形成反射层6或者根据实际情况选择不制作反射层6；
步骤4：参阅图3(d)，将光纤1插入光纤槽2，通过孔肩8定位光纤端面后，利用环氧树脂、热熔胶等粘接工艺将光纤1固定在光纤槽2中，形成光纤珐珀传感器的整体芯片结构。
有益效果
本发明提出的一种面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，芯片整体采用平面式结构(敏感膜片垂直于被加工材料表面)，这种设计方法可以加工出立体式芯片结构(敏感膜片平行于被加工材料表面)难以或者不能加工出的敏感膜片结构，如双侧质量块型敏感膜片和布拉格型敏感膜片(参阅图2(b)和(c))，而且加工工艺简单，只需两次刻蚀；芯片采用两侧对称分布质量块的双侧质量块型敏感膜片不但能够大幅度提高敏感膜片质量m和刚度k的乘积、降低敏感结构的阻尼比、增加敏感结构的谐振响应、提高敏感结构的灵敏度、而且还可使珐珀腔更为平整，而采用传统的立体式加工方法很难加工出这种结构；采用两侧对称分布依照布拉格定理设计的布拉格结构的布拉格型敏感膜片可在双侧质量块型敏感结构的优点之上大幅度增加珐珀干涉的精细度、降低珐珀腔的损耗、提高珐珀腔的干涉品质，而采用传统的立体式加工方法难以加工出这种结构。此外，敏感芯片具有尺寸小、成本低、装配简便等特点，本发明将促进光纤珐珀传感器在更多领域的应用和推广。
附图说明
图1面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片的结构
图2敏感膜片的三种不同结构
图3面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片的加工方法
其中：器件主要包括1.光纤，2.光纤槽，3.膜片支撑，4.保护槽，5.敏感膜片，6.反射层，7.间隔槽，8.孔肩。
具体实施方案
实施例1：
本发明提出的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，芯片整体结构参照图1，图1为芯片正面剖视图。器件主要包括光纤1、光纤槽2、膜片支撑3、保护槽4、敏感膜片5、反射层6、间隔槽7、孔肩8；
所述芯片整体采用硅片制作，光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上，反射层6通过在敏感膜片5上沉积一层反射膜形成。
进一步的，所述的光纤槽2、保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7、孔肩8通过湿法腐蚀硅片制作。敏感膜片5采用单一膜片结构，具体结构参照图2(a)。
进一步的，所述的反射层6通过磁控溅射金制作。
芯片基本工作原理是：光源产生的光通过光纤环形器进入光纤1，部分光被光纤1的端面反射回光纤，另一部分光透过光纤被反射层6反射重新进入光纤，这两部分光束汇聚干涉后通过光纤环形器进入后端检测系统。干涉信号与光纤1端面和反射层6组成的珐珀腔的腔长有关，当被测信号使敏感膜片5沿着轴向发生形变时，珐珀腔长发生变化，从而引起干涉信号的变化，通过解调干涉信号就可获得被测物理量的信息。
步骤1：参阅图3(a)，选用厚度为500μm的硅片作为基底材料，在硅片的正面通过湿法腐蚀制作保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7和孔肩8的正面结构以及完整的光纤槽2，刻蚀深度为400μm；
步骤2：参阅图3(b)，在硅片背面通过湿法腐蚀形成完整的保护槽4、间隔槽7、敏感膜片5和孔肩8，刻蚀深度为130μm。敏感膜片5采用单一膜片结构，具体结构参照图2(a)(L＝1200μm，T＝20μm)；
步骤3：参阅图3(c)，在敏感膜片5上通过磁控溅射沉积厚度为100nm的金，形成反射层6；
步骤4：参阅图3(d)，将光纤1插入光纤槽2，通过孔肩8定位光纤端面后，利用环氧树脂将光纤1固定在光纤槽2中，形成光纤珐珀传感器的整体芯片结构。
实施例2：
本发明提出的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，芯片整体结构参照图1，图1为芯片正面剖视图。器件主要包括光纤1、光纤槽2、膜片支撑3、保护槽4、敏感膜片5、反射层6、间隔槽7、孔肩8；
所述芯片整体采用硅片制作，光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上，反射层6通过在敏感膜片5上沉积一层反射膜形成。
进一步的，所述的光纤槽2、保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7、孔肩8通过干法刻蚀硅片制作。敏感膜片5采用双侧质量块结构，具体结构参照图2(b)。
进一步的，所述的反射层6通过磁控溅射金制作。
芯片基本工作原理是：光源产生的光通过光纤环形器进入光纤1，部分光被光纤1的端面反射回光纤，另一部分光透过光纤被反射层6反射，重新进入光纤，这两部分光束汇聚干涉后通过光纤环形器进入后端检测系统。干涉信号与光纤1端面和反射层6组成的珐珀腔的腔长有关，当被测信号使敏感膜片5沿着轴向发生形变时，珐珀腔长发生变化，从而引起干涉信号的变化，通过解调干涉信号就可获得被测物理量的信息。
步骤1：参阅图3(a)，选用厚度为500μm的硅片作为基底材料，在硅片的正面通过干法刻蚀制作保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7和孔肩8的正面结构以及完整的光纤槽2，刻蚀深度为400μm；
步骤2：参阅图3(b)，在硅片背面通过干法刻蚀形成完整的保护槽4、间隔槽7、敏感膜片5和孔肩8，刻蚀深度为130μm。敏感膜片5采用双侧质量块结构，具体结构参照图2(b)(L＝1200μm，T＝20μm，T1＝50μm，L1＝200μm)；
步骤3：参阅图3(c)，在敏感膜片5上通过磁控溅射沉积厚度为30nm的金，形成反射层6；
步骤4：参阅图3(d)，将光纤1插入光纤槽2，通过孔肩8定位光纤端面后，利用环氧树脂将光纤1固定在光纤槽2中，形成光纤珐珀传感器的整体芯片结构。
实施例3：
本发明提出的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片及其制作方法，芯片整体结构参照图1，图1为芯片正面剖视图。器件主要包括光纤1、光纤槽2、膜片支撑3、保护槽4、敏感膜片5、反射层6、间隔槽7、孔肩8；
所述芯片整体采用硅片制作，光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上。
进一步的，所述的光纤槽2、保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7、孔肩8通过干法刻蚀硅片制作。敏感膜片5采用布拉格结构，该结构利用布拉格反射镜原理提高膜片的反射率，具体结构参照图2(c)。
进一步的，由于布拉格结构能够大幅度增加珐珀干涉的精细度、降低珐珀腔的损耗、提高珐珀腔的干涉品质，因此，所述的反射层6在此情况下不制作。
芯片基本工作原理是：光源产生的光通过光纤环形器进入光纤1，部分光被光纤1的端面反射回光纤，另一部分光透过光纤被敏感膜片5反射，重新进入光纤，这两部分光束汇聚干涉后通过光纤环形器进入后端检测系统。干涉信号与光纤1端面和敏感膜片5组成的珐珀腔的腔长有关，当被测信号使敏感膜片5沿着轴向发生形变时，珐珀腔长发生变化，从而引起干涉信号的变化，通过解调干涉信号就可获得被测物理量的信息。
步骤1：选用厚度为500μm的氧化硅作为基底材料，在硅片的正面通过干法刻蚀制作保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7和孔肩8的正面结构以及完整的光纤槽2，刻蚀深度为400μm；
步骤2：参阅图3(b)，在硅片背面通过干法刻蚀形成完整的保护槽4、间隔槽7、敏感膜片5和孔肩8，刻蚀深度为130μm。敏感膜片5采用双侧质量块结构，具体结构参照图2(b)(L＝1200μm，T＝20μm，T2＝30μm，T1＝60μm，L1＝210μm)；
步骤3：参阅图3(d)，将光纤1插入光纤槽2，通过孔肩8定位光纤端面后，利用环氧树脂将光纤1固定在光纤槽2，形成光纤珐珀传感器的整体芯片结构。
Claims (5)
1.一种面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片，其特征在于，主要包括光纤1、光纤槽2、膜片支撑3、保护槽4、敏感膜片5、反射层6、间隔槽7、孔肩8；
所述光纤1固定在光纤槽2中，光纤1与敏感膜片5之间的距离通过孔肩8控制，敏感膜片5位于保护槽4底部，连接于膜片支撑3上。
2.一种如权利要求1所述的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片，其特征在于，所述敏感膜片5为双侧质量块结构。
3.一种如权利要求1所述的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片，其特征在于，所述敏感膜片5为布拉格结构。
4.一种如权利要求1所述的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片，其特征在于，还包括反射层6，所述反射层6通过在敏感膜片5上沉积一层反射膜形成。
5.一种如权利要求1-4之一所述的面内集成MEMS光纤珐珀敏感芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在基底材料的正面通过干法刻蚀或湿法腐蚀制作保护槽4、敏感膜片5、间隔槽7和孔肩8的正面结构以及完整的光纤槽2；
步骤2：在所选取的基底材料的背面通过干法刻蚀或湿法腐蚀刻蚀形成完整的保护槽4、间隔槽7、敏感膜片5和孔肩8；
步骤3：可选地，在敏感膜片5上通过蒸镀或磁控溅射沉积金、银或铝，形成反射层6；
步骤4：将光纤1插入光纤槽2，通过孔肩8定位光纤端面后，将光纤1固定在光纤槽2中，形成光纤珐珀传感器的整体芯片结构。
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|---|---|---|---|
| CN201910324762.XA CN110160567A (zh) | 2019-04-22 | 2019-04-22 | 一种面内集成mems光纤珐珀敏感芯片及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN201910324762.XA CN110160567A (zh) | 2019-04-22 | 2019-04-22 | 一种面内集成mems光纤珐珀敏感芯片及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN110160567A true CN110160567A (zh) | 2019-08-23 |
Family
ID=67639938
Family Applications (1)
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| CN201910324762.XA Pending CN110160567A (zh) | 2019-04-22 | 2019-04-22 | 一种面内集成mems光纤珐珀敏感芯片及其制作方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN110160567A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2019
- 2019-04-22 CN CN201910324762.XA patent/CN110160567A/zh active Pending
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