CN110440897B - 回音壁微腔声学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回音壁微腔声学传感器及其双环谐振腔的制备方法。所述传感器包括激光器、光谱系统和双环谐振腔；所述激光器用于发射激光至光谱系统；所述光谱系统用于将激光垂直反射至双环谐振腔。本发明提高了声学传感器的灵敏度且能高效检测声波。

Description

回音壁微腔声学传感器

技术领域

本发明涉及基于硅芯片的声学传感器领域，尤其涉及一种回音壁微腔声学传感器及其双环谐振腔的制备方法。

背景技术

传统声学传感器是将声压波转换成机械元件的振动，并通过压电、电阻率、磁导或电容的变化来定性检测这些振动。此种形式的传感器尺寸大、受噪声影响大、光损耗大。随着声学传感技术的不断发展成熟，应用领域对空间、时间和方向分辨率的要求越来越高，这就推动了超声波频率和微尺度传感设备的发展。

目前，传统声学传感技术仍然存在灵敏度不高、分辨率低、制备工艺复杂的问题。为了提高传统声学传感器的性能指标，腔体光机传感器作为一种新型的超精密光子传感器应运而生，提供了以亚阿米级精度进行精密光学测量的能力。它由一个与光学谐振腔耦合的符合机械特性的元件组成，机械元件在声波刺激的作用下会发生形变。光学谐振腔增强了这种形变的光学响应，允许精确测量刺激。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种回音壁微腔声学传感器及其双环谐振腔的制备方法，以解决现有技术中存在的灵敏度不高、分辨率低、制备工艺复杂的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种回音壁微腔声学传感器，包括激光器、光谱系统和双环谐振腔；

所述激光器用于发射激光至光谱系统；

所述光谱系统用于将激光垂直反射至双环谐振腔。

进一步的，所述双环谐振腔包括内悬臂梁、内圆环、外悬臂梁和外圆环；

所述内悬臂梁固定在内圆环的内侧；

所述外悬臂梁的一端固定在内圆环的外侧，另一端固定在外圆环上。

进一步的，所述内悬臂梁与内圆环的圆心重合，所述内悬臂梁将内圆环等分为三段；所述内悬臂梁的末端与外悬臂梁的末端对称设置。

进一步的，所述内悬臂梁为三叉星形状。

进一步的，所述光谱系统包括反射镜、光谱仪和聚焦物镜；

所述反射镜用于将激光器发射的激光垂直反射至双聚焦物镜、垂直透射至光谱仪；

所述聚焦物镜用于将反射镜反射的激光聚焦射入双环谐振腔。

进一步的，所述传感器还包括载物台、硅衬底和硅柱；所述硅衬底设置在载物台上；所述硅柱设置在硅衬底上；所述双环谐振腔设置在硅柱上。

进一步的，所述传感器还包括超声波声源；所述超声波声源设置在双环谐振腔的一侧。

一种双环谐振腔的制备方法，所述方法包括如下步骤：

在硅基氮化物晶片的上表面旋涂光刻胶并在光刻胶上定义双环谐振腔表面结构；

在所述双环谐振腔表面结构的表面蒸镀Ni；

将蒸镀Ni后的硅基氮化物晶片放入稀硝酸溶液中进行剥离，用丙酮溶液去除残余的光刻胶；

将定义的双环谐振腔表面结构转移至硅基氮化镓晶片的氮化镓层，显现出硅衬底的上表面；

将硅基氮化物晶片放入稀硝酸中完成剥离工艺，去除氮化镓表面的金属薄膜Ni；

对硅基氮化物晶片的硅衬底进行湿法刻蚀，获得用于支撑双环谐振腔的硅柱。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明与现有的超声波传感器相比，峰值灵敏度要更高，传感器可以直接缩放到更大或更小的尺寸，提高绝对压力灵敏度或提高分辨率和高频灵敏度，还能够降低与热气体分子碰撞的噪声；本发明通过内接三叉星悬臂梁的内环加上内接三根与内悬臂梁相连的外悬梁臂的外环的双环谐振腔结构，与通常用于在其他方法中增强声压波的体加工声谐振器相比，具有极小的尺寸，且机械形变更大，光学效应更明显；本发明中对双环谐振器进行了悬空，使得聚焦物镜聚焦的光可以在谐振腔中自由传输，减少了腔内的光学损耗。

附图说明

图1是回音壁微腔声学传感器原理示意图；

图2是硅衬底氮化物双环谐振腔的俯视图；

图3是硅衬底氮化物双环谐振腔的工艺流程图。

附图标记：1-载物台；2-硅衬底；3-硅柱；4-双环谐振腔；5-聚焦物镜；6-反射镜；7-激光器；8-光谱仪；9-超声波声源。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施对本发明工作原理和技术方案作进一步详细的描述。

如图1所示，一种回音壁微腔声学传感器，包括激光器7、光谱系统、双环谐振腔4、硅柱3、硅衬底2、载物台1和超声波声源9，光谱系统包括反射镜6、光谱仪8、聚焦物镜5。

激光器7发射的入射激光水平射入光谱系统内部的反射镜6；

光谱系统内部反射镜6将水平入射激光垂直射入光谱系统内部的聚焦物镜5，

光谱系统内部的反射镜6透射出的激光垂直射入光谱仪8；

光谱系统内部的聚焦物镜5将反射镜6反射出的激光聚焦射入双环谐振腔4；

载物台1上放置有硅衬底2，硅衬底2上设置有硅柱3；

超声波声源9加在双环谐振腔4右侧方；

双环谐振腔4通过硅柱3支撑，

如图2所示，双环谐振腔4包括内悬臂梁和固定在内悬臂梁上的内圆环以及三根外悬臂梁和固定在外悬臂梁上的外圆环，双环谐振腔4的内圆环环带线宽为3 um，内环外半径为100 um，外圆环环带线宽为3 um，外环外半径为150 um；

内悬臂梁的重心与内圆环的圆心重合，每两根所述内悬臂梁的支臂之间的夹角为120°，三根内悬臂梁的支臂另一端与内圆环的内环相交，每两根内悬臂梁的支臂与内环的交点构成的圆弧长度为1/3内环周长；

三根外悬臂梁的一端与内圆环的内部三根内悬臂梁的支臂相连，每两根所述外悬臂梁之间的夹角为120°，三根外悬臂梁的另一端与外圆环的内环相交，每两根外悬臂梁与内环的交点构成的圆弧长度为1/3内环周长。

如图3所示，一种回音壁微腔声学传感器的双环谐振腔的制备方法，此双环谐振腔包括氮化物层和硅柱；

1）将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干，使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ4620，旋涂时间为40秒（光刻胶厚度为6微米）；使用光学光刻技术，在光刻胶层上定义氮化物层的表面结构，光刻机型号为MA6，其几何图形如图2所示；

2）在光刻胶层上蒸镀Ni，使其充满光刻胶层表面凹陷结构并充盈整个光刻胶层，蒸镀的Ni厚度为15 nm，所用电子束蒸发设备的型号为Ei-5z；蒸镀完之后将晶片放入稀硝酸溶液中完成剥离工艺，去除光刻胶层上部多余的Ni，最后用丙酮溶液去除残余的光刻胶。

3）采用III-V族材料电感耦合等离子体刻蚀技术，将步骤2）定义出的图形结构转移至硅基氮化镓晶片的氮化镓层，使硅衬底上表面显现出来，使用ICP180刻蚀机，刻蚀深度4 um，Cl2流量为10 sccm，BCl3流量为25 sccm，上电极功率（forward）300w，下电极功率（RF）100 w；最后将晶片放入稀硝酸中完成剥离工艺，去除氮化镓表面的金属薄膜Ni。

4）采用各向同性湿法刻蚀技术，对经步骤3）处理后的硅基氮化物晶片的硅衬底进行湿法刻蚀，从而获得用于支撑双环谐振腔的硅柱，湿法刻蚀溶液为（HF：HNO3=3:1）HNF溶液，刻蚀时间为40s；

为了实现更高效的声波检测，获取更高的灵敏度，引入光学微腔作为双环谐振腔以及材料的选择十分重要，光学微腔具有优良的频率选择性和较低的传输损耗，而氮化镓材料的选择是由于此种材料便于集成且发热量较少。首先在硅衬底氮化物外延片上制备内接呈三叉星几何形状的内悬臂梁的内圆环加上内接三根与内悬臂梁相连的外悬臂梁的外圆环的双环结构，然后通过湿法刻蚀形成由硅柱支撑的悬空双环谐振腔，实现声学传感器的回音壁微腔系统。

该回音壁微腔声学传感器具有以下三个优势：第一，本发明与现有的超声波传感器相比，峰值灵敏度要更高，传感器可以直接缩放到更大或更小的尺寸，提高绝对压力灵敏度或提高分辨率和高频灵敏度，还能够降低与热气体分子碰撞的噪声。第二，本发明中采用内接三叉星悬臂梁的内环加上内接三根与内悬臂梁相连的外悬梁臂的外环的双环谐振腔结构，与通常用于在其他方法中增强声压波的体积加工声谐振器相比，具有极小的尺寸，且机械形变更大，光学效应更明显；第三，本发明中对双环谐振器进行了悬空，使得聚焦物镜聚焦的光可以在谐振腔中自由传输，减少了腔内的光学损耗。

应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (4)

1.一种回音壁微腔声学传感器，其特征在于，包括激光器、光谱系统和双环谐振腔；

所述激光器用于发射激光至光谱系统；

所述光谱系统用于将激光垂直反射至双环谐振腔；

所述双环谐振腔包括内悬臂梁、内圆环、外悬臂梁和外圆环；

所述内悬臂梁固定在内圆环的内侧；

所述外悬臂梁的一端固定在内圆环的外侧，另一端固定在外圆环上；

所述内悬臂梁与内圆环的圆心重合，所述内悬臂梁将内圆环等分为三段；所述内悬臂梁的末端与外悬臂梁的末端对称设置；

所述内悬臂梁为三叉星形状。

2.根据权利要求1所述的一种回音壁微腔声学传感器，其特征在于，所述光谱系统包括反射镜、光谱仪和聚焦物镜；

所述反射镜用于将激光器发射的激光垂直反射至聚焦物镜、垂直透射至光谱仪；

所述聚焦物镜用于将反射镜反射的激光聚焦射入双环谐振腔。

3.根据权利要求1所述的一种回音壁微腔声学传感器，其特征在于，所述传感器还包括载物台、硅衬底和硅柱；所述硅衬底设置在载物台上；所述硅柱设置在硅衬底上；所述双环谐振腔设置在硅柱上。

4.根据权利要求1所述的一种回音壁微腔声学传感器，其特征在于，所述传感器还包括超声波声源；所述超声波声源设置在双环谐振腔的一侧。

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