CN110332981A - 一种mems光纤水听器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS光纤水听器及其制作方法，属于光纤传感领域。水听器主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8，其敏感结构采用梁支撑/圆形薄膜+质量块形式，旨在降低敏感结构的阻尼比、提高敏感结构的谐振响应、增加珐珀腔的平整度、克服温度和气压对珐珀腔初始腔长的影响；预定义刻蚀截止层旨在降低敏感结构的制造难度，突破敏感结构制造时的厚度限制，简化敏感结构的制造工艺，实现超薄敏感结构的高保真制造。

Description

一种MEMS光纤水听器及其制作方法

所属领域

本发明属于光纤传感领域，主要涉及微加工技术，光纤传感技术以及珐珀干涉技术等。

背景技术

电磁波能在空气和真空中高速远距离传播，是空间信息传递和超视距探测的有效工具，但它在水下的传播损耗比声波约大3个数量级，很难作为水下信息的有效载体，因此声波是水下主被动探测的最有效媒介。目前，水下声波探测主要以基于压电材料的压电式水听器为主，但压电式水听器存在许多固有的缺点和不足，①是它复用性差，多点同时检测将极大地增加系统的复杂性；②是易受电磁干扰，电磁干扰一直是困扰压电式水听器稳定工作的难题；③是信号不稳定、传输距离小，一般不超过10米；④是不耐高温，超过60℃的居里点，多数压电材料的压电效应会自行消失。光纤珐珀水听器是一种基于珐珀干涉原理将被测声波转变为干涉光强或者峰值波长变化的高性能水听器，其具有灵敏度高、频带响应宽、抗电磁干扰、耐恶劣环境、结构轻巧、易于遥感遥测等特点。微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)是集微纳机械、微纳传感与微纳驱动于一体的多功能化与智能化系统，借助其独特的加工优势可批量化低成本地制造接受声波激励的高性能敏感结构，基于MEMS技术的光纤珐珀水听器能够大幅度提高水听器的灵敏度、降低成本，有望成为下一代水下主被动探测的理想水听器。

2014年，日本东京工业学院的Kyung-SuKim等人提出了一种使用圆形多层介质膜作为敏感结构的光纤珐珀水听器(Ultrasonics,2014,vol.54(4),pp.1047-1051)，多层介质膜可以增加珐珀腔的干涉品质，进而增加传感器的响应灵敏度，但敏感结构的制作方法复杂，精确控制敏感结构厚度的工艺难度大。2016年，美国斯坦福大学的CatherineJan等人提出了一种基于光子晶体的光纤珐珀水听器(IEEEPhotonic.Tech.L.,2016,vol.28(2),pp.123-126)，其使用方形的硅膜作为接受声波激励的敏感结构，并在硅膜上制作了光子晶体来增加硅表面的反射率，这种方法可以提高珐珀腔的干涉品质，进而提高传感器的灵敏度，但敏感结构的制造工艺复杂，成本高。2016年，天津大学的JinyuMa等人提出了一种使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作的光纤珐珀水听器(Opt.Express,2016,vol.24(17),pp.19008-19019)，敏感结构采用圆形薄膜，PDMS既作为敏感结构也作为构建珐珀腔的间隔层，这种水听器具有较高的性能，但它难以进行工业化批量制造。2018年，东北大学的ZhaoYong等人也提出了一种使用PDMS制作的光纤珐珀水听器(Sensor.Actuat.A-Phys.,2018,vol.270,pp.162-169)，敏感结构同样使用圆形薄膜，但它只使用PDMS作为接受声波激励的敏感结构，而构建珐珀腔的间隔层使用了中空的光纤，这种方法制作的光纤珐珀水听器体积较小，灵敏度也相对较高，但它在精确控制膜片厚度上有较大的难度，很难进行工业化批量生产。总之，相关研究设计的敏感结构多为圆形薄膜，结构单一，且敏感结构的制造工艺复杂，精确控制敏感结构厚度的工艺难度较大。

本发明提出了一种MEMS光纤珐珀水听器及其制作方法，敏感结构采用梁支撑/圆形薄膜+质量块形式，能够大幅度降低敏感结构的阻尼比、提高敏感结构的谐振响应、增加珐珀腔的平整度、克服温度和气压对珐珀腔初始腔长的影响，在敏感结构制造时通过预定义刻蚀截止层的方法，突破了传统加工方法在加工敏感结构时的厚度限制，显著降低了敏感结构的厚度和制造难度，实现了超薄敏感结构的高保真制造。

发明内容

发明目的

为了克服MEMS光纤珐珀水听器灵敏度低、珐珀腔平整度差、珐珀腔的初始腔长易受温度影响、敏感结构制造工艺复杂等缺陷，本发明提出了一种MEMS光纤珐珀水听器及其制作方法，其敏感结构采用梁支撑/圆形薄膜+质量块形式，旨在降低敏感结构的阻尼比、提高敏感结构的谐振响应、增加珐珀腔的平整度、克服温度和气压对珐珀腔初始腔长的影响；预定义刻蚀截止层旨在降低敏感结构的制造难度，突破敏感结构制造时的厚度限制，简化敏感结构的制造工艺，实现超薄敏感结构的高保真制造。

技术方案

本发明提出的MEMS光纤水听器的结构参阅图1，器件主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8；

所述光纤1与腔长控制层2连接，所述腔长控制层2制作在膜片支撑3上，所述敏感膜片5通过膜片支撑结构8与膜片支撑3连接，所述反射层7制作在敏感膜片5上，所述敏感膜片5与光纤1之间的距离通过腔长控制层2和反射层7控制，所述质量块6制作在敏感膜片5上，所述保护帽4与膜片支撑3连接。

进一步的，所述的光纤1为单模光纤或多模光纤，通过粘接工艺与腔长控制层2连接。

进一步的，所述的腔长控制层2可通过MEMS薄膜沉积工艺制作，或选择合适厚度的垫片直接粘接在膜片支撑3上。

进一步的，所述的反射层7为通过MEMS沉积工艺制作的金属反射材料，如金、银、铝等。

进一步的，所述的膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、膜片支撑结构8可通过干法刻蚀或湿法腐蚀基底材料一体制作而成，基底材料为通过键合、沉积、离子注入等工艺制作而成的具有三层结构的材料，参阅图4(a)，或直接选用SOI(silicon-on-insulator)片作为基底材料。

进一步的，所述的敏感膜片5和膜片支撑8的材料由基底的顶层材料确定，可为硅、二氧化硅、氮化硅等材料。

进一步的，所述的敏感膜片5和膜片支撑8的六种整体可能设计方案参阅图2，它们分别为单一膜片结构(参阅图2(a))、多孔型膜片结构(参阅图2(b))、弧形梁支撑型膜片结构(参阅图2(c))、直梁支撑型膜片结构(参阅图2(d))、渐开线梁支撑型膜片结构(参阅图2(e))，进一步的，所述直梁支撑型膜片结构(参阅图2(d))可根据需要设计成直梁、蟹臂梁、折叠梁等结构，参阅图3。

进一步的，所述的质量块6的材料由基底的底层材料确定，其几何形状根据加工方法可以为棱柱、棱锥、圆柱或圆锥等几何体。

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7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7组成的珐珀腔的腔长有关，当声波使敏感膜片5沿着轴向发生形变时，导致珐珀腔长发生变化，从而引起干涉信号的变化，通过解调干涉信号就可得到声波的信息。

步骤1：参阅图4(a)，通过键合、沉积、离子注入等工艺制作具有三层结构的基底材料，或直接选用SOI片；

步骤2：参阅图4(b)，在基底材料的顶层上通过干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺制作敏感膜片5和膜片支撑结构8；

步骤3：参阅图4(c)，在基底材料的底层上通过干法刻蚀或湿法腐蚀等工艺制作保护帽4和质量块6；

步骤4：参阅图4(d)，通过干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去除膜片支撑结构8上的中间层9；

步骤5：参阅图4(e)，通过MEMS薄膜沉积工艺在膜片支撑3上制作腔长控制层2，或选择合适厚度的垫片直接粘接在膜片支撑3上形成腔长控制层2；

步骤6：参阅图4(f)，通过MEMS薄膜沉积工艺在敏感膜片5上制作一层反射膜，形成反射层7，沉积材料优选金、银、铝等；

步骤7：参阅图4(g)，将光纤1直接粘接到腔长控制层2上并保证光纤与敏感膜片5中心对准，形成完整的光纤珐珀水听器。

有益效果

本发明提出的MEMS光纤水听器及其制作方法，其有益效果主要有以下几种：

(1)多孔型膜片结构、弧形梁支撑型膜片结构、直梁支撑型膜片结构和渐开线梁支撑型膜片结构均能够大幅度降低敏感结构的阻尼比，增加敏感结构在声波激励下的谐振响应，改善水听器对微弱声波信号的探测能力，克服温度和水压对珐珀腔初始腔长的影响，先天性避免水深变化所带来的温度和水压变化对水听器工作性能的影响，提高水听器工作的水深范围；

(2)所提水听器的敏感结构都具有多个设计参数，与传统的膜片式水听器敏感结构相比，增加了敏感结构设计的灵活性，通过多参数联合设计可使敏感结构在具有高灵敏度的基础上具有高固有频率，大幅度提高水听器的带宽，增加对声波信号探测的频率范围；

(3)所提水听器的敏感结构都在珐珀腔的第二反射镜上(敏感结构)制作了质量块结构，它不但可以作为振子，增加敏感结构在声波激励下的谐振响应，还可以大幅度改善珐珀腔的平整度，增加珐珀干涉的精细度。总之，其通过改善声-机和机-光转换的效率，可大幅度增加水听器对微弱声波信号的探测能力

(4)在敏感结构制造时，利用MEMS工艺制定地预定义刻蚀截止层的方法，能够突破传统加工方法在加工敏感结构时的厚度限制，显著降低敏感结构的厚度和制造难度，实现超薄敏感结构的高保真制造。

(5)水听器的制作主要采用MEMS工艺和粘接等工艺，具有成本低、加工周期短、工艺成熟、尺寸小等特点，因此，本发明将进一步地促进光纤水听器的应用和推广。

附图说明

图1MEMS光纤水听器的基本结构

图2敏感膜片和膜片支撑结构的可能结构图

图3梁的典型结构

图4MEMS光纤珐珀水听器的加工方法

其中：器件主要包括1.光纤；2.腔长控制层；3.膜片支撑；4.保护帽；5.敏感膜片；6.质量块；7.反射膜；8.膜片支撑结构；9.中间层。

具体实施方式

实施例1

本发明提出的MEMS光纤水听器的结构参阅图1，器件主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8；

所述光纤1与腔长控制层2连接，所述腔长控制层2制作在膜片支撑3上，所述敏感膜片5通过膜片支撑结构8与膜片支撑3连接，所述反射层7制作在敏感膜片5上，所述敏感膜片5与光纤1之间的距离通过腔长控制层2和反射层7控制，所述质量块6制作在敏感膜片5上，所述保护帽4与膜片支撑3连接

进一步的，所述的光纤1为单模光纤跳线(中心波长：1550nm，端口类型：ST/UPC)，通过粘接的工艺与腔长控制层2连接。

进一步的，所述的腔长控制层2通过电镀铜制作。

进一步的，所述的反射层7为通过磁控溅射金制作的金属反射层。

进一步的，所述的膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、膜片支撑结构8通过刻蚀SOI片一体制作而成。

进一步的，所述的敏感膜片5和膜片支撑8的设计方案参阅图2(c)，它是光纤水听器的主要工作机构，通过干法刻蚀SOI片的顶层硅制作。

进一步的，所述的质量块6的形状为圆柱，通过湿法腐蚀SOI片的底层硅制作。

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7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7组成的珐珀腔的腔长有关，当敏感膜片5被声波激励沿着轴向振动时，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得到声波信息。

参阅图4，本实施例提出MEMS光纤珐珀水听器的制作工艺包括如下基本步骤：

步骤1：参阅图4(a)，直接选用SOI片作为基底材料(底层厚度：500μm，中间层厚度：1μm，顶层厚度：5μm)；

步骤2：参阅图4(b)，在SOI片的顶层硅上通过干法刻蚀工艺制作敏感膜片5和膜片支撑结构8,敏感膜片5采用圆形薄膜+质量块形式，参阅图2(a)；

步骤3：参阅图4(c)，在SOI片的底层硅上通过湿法腐蚀工艺制作保护帽4和质量块6；

步骤4：参阅图4(d)，通过湿法腐蚀工艺去除膜片支撑结构8上的中间层9；

步骤5：参阅图4(e)，在膜片支撑3上电镀30μm厚的铜膜，形成腔长控制层2；

步骤6：参阅图4(f)，在敏感膜片5上溅射一层20nm厚的金膜，形成反射层7；

步骤7：参阅图4(g)，将光纤1直接粘接到腔长控制层2上并保证光纤与敏感膜片5中心对准，形成完整的MEMS光纤珐珀水听器。

实施例2

本发明提出的MEMS光纤水听器的结构参阅图1，器件主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8；

所述光纤1与腔长控制层2连接，所述腔长控制层2制作在膜片支撑3上，所述敏感膜片5通过膜片支撑结构8与膜片支撑3连接，所述反射层7制作在敏感膜片5上，所述敏感膜片5与光纤1之间的距离通过腔长控制层2和反射层7控制，所述质量块6制作在敏感膜片5上，所述保护帽4与膜片支撑3连接

进一步的，所述的光纤1为单模光纤跳线(中心波长：1550nm，端口类型：ST/UPC)，通过粘接的工艺与腔长控制层2连接。

进一步的，所述的腔长控制层2通过蒸镀氧化硅制作。

进一步的，所述的反射层7为通过磁控溅射银制作的金属反射层。

进一步的，所述的膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、膜片支撑结构8通过刻蚀注入辅助硅片一体制作而成。

进一步的，所述的敏感膜片5和膜片支撑8的设计方案阅图2(c)，它是光纤水听器的主要工作机构，通过干法刻蚀注入辅助硅片的顶层硅制作。

进一步的，所述的质量块6的形状为圆柱，通过湿法腐蚀注入辅助硅片的底层硅制作。

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7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7组成的珐珀腔的腔长有关，当敏感膜片5被声波激励沿着轴向振动时，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得到声波信息。

参阅图4，本实施例提出MEMS光纤珐珀水听器的制作工艺包括如下基本步骤：

步骤1：参阅图4(a)，在硅片上通过离子注入工艺制作注入辅助硅片(底层厚度：500μm，中间层厚度：1μm，顶层厚度：500nm)；

步骤2：参阅图4(b)，在注入辅助硅片的顶层上通过干法刻蚀工艺制作敏感膜片5和膜片支撑结构8，敏感膜片5采用梁支撑+质量块形式，参阅图2(c)；

步骤3：参阅图4(c)，在注入辅助硅片的底层上通过湿法腐蚀工艺制作保护帽4和质量块6；

步骤4：参阅图4(d)，通过湿法腐蚀工艺去除膜片支撑结构8上的中间层9；

步骤5：参阅图4(e)，在膜片支撑3上蒸镀2μm厚的氧化硅薄膜，形成腔长控制层2；

步骤6：参阅图4(f)，在敏感膜片5上溅射一层20nm厚的银膜，形成反射层7；

步骤7：参阅图4(g)，将光纤1直接粘接到腔长控制层2上并保证光纤与敏感膜片5中心对准，形成完整的MEMS光纤珐珀水听器。

实施例3

本发明提出的MEMS光纤水听器的结构参阅图1，器件主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8；

所述光纤1与腔长控制层2连接，所述腔长控制层2制作在膜片支撑3上，所述敏感膜片5通过膜片支撑结构8与膜片支撑3连接，所述反射层7制作在敏感膜片5上，所述敏感膜片5与光纤1之间的距离通过腔长控制层2和反射层7控制，所述质量块6制作在敏感膜片5上，所述保护帽4与膜片支撑3连接

进一步的，所述的光纤1为单模光纤跳线(中心波长：1310nm，端口类型：ST/UPC)，通过粘接的工艺与腔长控制层2连接。

进一步的，所述的腔长控制层2通过在膜片支撑3上粘接垫片形成。

进一步的，所述的反射层7为磁控溅射金制作的金属反射层。

进一步的，所述的膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、膜片支撑结构8通过刻蚀由硅、二氧化硅和氮化硅组成的三层基底材料一体制作而成。

进一步的，所述的敏感膜片5和膜片支撑8的设计方案阅图2(c)，它是光纤水听器的主要工作机构，通过干法刻蚀基底材料的顶层氮化硅制作。

进一步的，所述的质量块6的形状为圆柱，通过湿法腐蚀基底材料的底层硅制作。

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7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7组成的珐珀腔的腔长有关，当敏感膜片5被声波激励沿着轴向振动时，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得到声波信息。

参阅图4，本实施例提出MEMS光纤珐珀水听器的制作工艺包括如下基本步骤：

步骤1：参阅图4(a)，在硅片上通过PECVD工艺制作由硅、二氧化硅和氮化硅组成的三层基底材料(底层硅厚度500μm，中间层二氧化硅厚度1μm，顶层氮化硅厚度2μm)；

步骤2：参阅图4(b)，在基底材料的顶层氮化硅上通过干法刻蚀工艺制作敏感膜片5和膜片支撑结构8，敏感膜片5采用梁支撑+质量块形式，参阅图2(d)；

步骤3：参阅图4(c)，在基底材料的底层硅上通过湿法腐蚀工艺制作保护帽4和质量块6；

步骤4：参阅图4(d)，通过湿法腐蚀工艺去除膜片支撑结构8上的中间层9；

步骤5：参阅图4(e)，在膜片支撑3上粘接80μm厚的垫片形成腔长控制层2；

步骤6：参阅图4(f)，在敏感膜片5上溅射一层20nm厚的金膜，形成反射层7；

步骤7：参阅图4(g)，将光纤1直接粘接到腔长控制层2上并保证光纤与敏感膜片5中心对准，形成完整的MEMS光纤珐珀水听器。

Claims (8)

1.一种MEMS光纤水听器，其特征在于，主要包括光纤1、腔长控制层2、膜片支撑3、保护帽4、敏感膜片5、质量块6、反射层7、膜片支撑结构8；

所述光纤1与腔长控制层2连接，所述腔长控制层2制作在膜片支撑3上，所述敏感膜片5通过膜片支撑结构8与膜片支撑3连接，所述反射层7制作在敏感膜片5上，所述敏感膜片5与光纤1之间的距离通过腔长控制层2和反射层7控制，所述质量块6制作在敏感膜片5上，所述保护帽4与膜片支撑3连接。

2.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述敏感膜片5和膜片支撑8整体结构为单一膜片结构、多孔型膜片结构、弧形梁支撑型膜片结构、直梁支撑型膜片结构或渐开线梁支撑型膜片结构中的一种。

3.一种如权利要求2所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述直梁支撑型膜片结构的直梁替换成蟹臂梁或折叠梁。

4.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述光纤1为单模光纤或多模光纤，通过粘接工艺与腔长控制层2连接。

5.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述反射层7为通过MEMS沉积工艺制作的金属反射材料。

6.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述敏感膜片5和膜片支撑8的材料为硅、二氧化硅或氮化硅之一。

7.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器，其特征在于，所述质量块6几何形状为棱柱、棱锥、圆柱或圆锥之一。

8.一种如权利要求1所述的MEMS光纤水听器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：制作具有三层结构的基底材料，或直接选用SOI片；

步骤2：在基底材料的顶层上刻蚀制作出敏感膜片5和膜片支撑结构8；

步骤3：在基底材料的底层上刻蚀制作出保护帽4和质量块6；

步骤4：刻蚀去除膜片支撑结构8上的中间层9；

步骤5：通过MEMS薄膜沉积工艺在膜片支撑3上制作腔长控制层2，或选择合适厚度的垫片直接粘接在膜片支撑3上形成腔长控制层2；

步骤6：通过MEMS薄膜沉积工艺在敏感膜片5上制作一层反射膜，形成反射层7；

步骤7：将光纤1直接粘接到腔长控制层2上并保证光纤与敏感膜片5中心对准，形成完整的光纤珐珀水听器。