CN111464927A - 一种光纤传声器及其敏感结构及制备方法 - Google Patents

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周瑜
冯杰
魏晓村
王坤博
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Abstract

本发明涉及一种光纤传声器及其敏感结构及制备方法，硅衬底上形成桥孔结构，在桥孔结构的上方设有敏感振膜和透气障板，敏感振膜位于透气障板的上方，敏感振膜与透气障板平行设置。本发明通过透气障板可实现对传声器振动系统压膜阻尼的调节，从而通过阻尼大小的调节而改变敏感振膜高频振动特性，有效提升传声器工作频率上限，解决现有光纤传声器无法同时实现较高灵敏度和更宽频响范围的问题。

Description

一种光纤传声器及其敏感结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传声器及其敏感结构及制备方法。
背景技术
光纤传声器是一种新型传声器，与传统电容式或压电式传声器相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、传输损耗低、传输距离远等优点。光纤传声器按照工作原理不同主要分为强度型和法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉型两种。强度型光纤传声器包含两根光纤，一根用于输入光，一根用于输出反射光，如图1所示。输入光经输入光纤入射到对声压敏感的振动膜片(敏感振膜)上，由于膜片上有光反射区，输入光反射后形成输出光经由输出光纤传输输出。声压信号作用敏感振膜，膜片发生振动，影响输出光强大小，通过检测输出光强的变化量可得到被测声压信息。F-P干涉型光纤传声器只有一根光纤，如图2所示。输入光通过光纤入射到敏感振膜的光反射区，反射光由同一根光纤输出，输入光和反射光在光纤内发生干涉，形成周期性的光谱信号。声压信号作用敏感振膜，膜片发生振动，导致干涉光谱中心波长发生偏移，通过检测光谱波长的偏移量，可以得到被测声压信息。
光纤传声器的工作频率上限由敏感振膜的谐振频率决定，一般为不超过敏感振膜谐振频率的1/2。敏感振膜的谐振频率主要由其尺寸、质量和张力等参数决定。例如，谐振频率与敏感振膜的直径成反比，膜片尺寸越小，敏感振膜的谐振频率增加而使传声器的频响上限增大；但传声器的灵敏度和敏感振膜的直径的平方成正比，膜片尺寸越小，灵敏度会平方衰减。同样，敏感振膜的质量和张力参数，对于传声器的灵敏度和工作频率上限也有相反的作用效果。因此，要想提升工作频率上限，就必须牺牲传声器灵敏度；要想具有较高的灵敏度，传声器工作频率范围就受限。所以，现有光纤传声器不能同时实现高灵敏度和宽频响范围。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种光纤传声器敏感结构及制备方法，能够同时实现高灵敏度和宽频响范围。
基于同一发明构思，本发明具有三个独立的技术方案：
1、一种光纤传声器敏感结构，硅衬底上形成桥孔结构，其特征在于：在桥孔结构的上方设有敏感振膜和透气障板，敏感振膜位于透气障板的上方，敏感振膜与透气障板平行设置。
进一步地，敏感振膜与透气障板之间设有空气间隙，通过改变空气间隙的大小调节敏感振膜的压膜阻尼。
进一步地，透气障板上分布有多个透气通孔，通过改变通孔的大小、数量、分布及透气障板厚度中的一个或多个来调节敏感振膜的压膜阻尼。
进一步地，透气障板由一层或多层非金属薄膜构成。
进一步地，敏感振膜由一层或多层非金属薄膜构成。
进一步地，敏感振膜上表面镀有光反射结构，所述光反射结构为一层金属薄膜，所述金属薄膜位于敏感振膜的中心位置。
进一步地，所述非金属薄膜为多晶硅薄膜。
2、一种上述光纤传声器敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上依次热氧化一层氧化硅薄膜和沉积一层多晶硅薄膜；
步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义透气障板的通孔大小、数量、分布；进行干法刻蚀，形成所述透气障板结构；
步骤3：沉积氧化硅牺牲层；进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出敏感振膜的锚点接触孔；进行干法刻蚀，直至漏出下面的多晶硅层，形成敏感振膜的锚点接触孔；
步骤4：沉积第二层多晶硅薄膜；进行第三次涂胶、光刻和显影，定义敏感振膜结构；进行干法刻蚀，形成敏感振膜结构；
步骤5：进行第四次涂胶、光刻和显影，定义出光反射结构；PVD形成一层金属薄膜，用剥离法制作出光反射结构；
步骤6：在硅衬底背面进行第五次涂胶、光刻和显影，进行干法刻蚀；保护硅衬底正面，对硅衬底背面进行各项异性湿法腐蚀，形成空腔结构；
步骤7：湿法腐蚀氧化硅，释放所述敏感振膜，形成所述带孔障板；划片、引线键合及封装，得到成品。
3、一种光纤传声器，包括上述的光纤传声器敏感结构。
进一步地，所述光纤传声器敏感结构是利用上述的制备方法制成的。
本发明具有的有益效果：
本发明在桥孔结构的上方设有敏感振膜和透气障板，敏感振膜位于透气障板的上方，敏感振膜与透气障板平行设置，本发明通过透气障板可实现对传声器振动系统压膜阻尼的调节，从而通过阻尼大小的调节而改变敏感振膜高频振动特性，有效提升传声器工作频率上限，解决现有光纤传声器无法同时实现较高灵敏度和更宽频响范围的问题。
本发明敏感振膜与透气障板之间设有空气间隙，空气间隙大小可调节敏感振膜的压膜阻尼；透气障板上分布有多个透气通孔，通孔大小、数量、分布及透气障板厚度可调节敏感振膜的压膜阻尼。本发明通过敏感振膜与透气障板之间空气间隙、透气障板上通孔大小、数量、分布及透气障板厚度进行阻尼调节，进一步保证了调节效果，进而保证同时实现高灵敏度和宽频响范围。
附图说明
图1是现有强度型光纤传声器敏感结构的示意图；
图2是现有法布里-珀罗干涉型光纤传声器敏感结构的示意图；
图3是本发明光纤传声器敏感结构的示意图；
图4是本发明加工工艺流程中状态一的示意图
图5是本发明加工工艺流程中状态二的示意图；
图6是本发明加工工艺流程中状态三的示意图；
图7是本发明加工工艺流程中状态四的示意图；
图8是本发明加工工艺流程中状态五的示意图；
图9是本发明加工工艺流程中状态六的示意图；
图10是本发明加工工艺流程中状态七的示意图
图11是本发明加工工艺流程中状态八的示意图
图12是本发明加工工艺流程中状态九的示意图
图13是本发明加工工艺流程中状态十的示意图
图14是本发明加工工艺流程中状态十一的示意图。
图15是本发明加工工艺流程中状态十二的示意图
图16是本发明加工工艺流程中状态十三的示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
光纤传声器敏感结构
如图3所示，硅衬底上形成桥孔结构，在桥孔结构的上方设有敏感振膜1和透气障板2，敏感振膜1位于透气障板2的上方，敏感振膜1与透气障板2平行设置。
敏感振膜1与透气障板2之间设有空气间隙，空气间隙大小可调节敏感振膜的压膜阻尼。
透气障板2上分布有多个透气通孔，通孔大小、数量、分布及透气障板厚度可调节敏感振膜的压膜阻尼。透气障板由一层或多层非金属薄膜构成。
敏感振膜1由一层或多层非金属薄膜构成。敏感振膜1上表面镀有光反射结构3，所述光反射结构3为一层金属薄膜，所述金属薄膜位于敏感振膜的中心位置。光反射结构3用于实现入射光的全反射，其厚度、大小、表面粗糙度可根据传声器设计要求改变。
本实施例中，透气障板2、敏感振膜1采用的非金属膜为多晶硅薄膜。
实施例二：
光纤传声器敏感结构的制备方法，
包括如下步骤：
步骤1：如图4所示，在硅衬底上依次热氧化一层氧化硅薄膜和沉积一层多晶硅薄膜；
步骤2：如图5所示，进行第一次涂胶、光刻和显影，定义透气障板的通孔大小、数量、分布；如图6所示，进行干法刻蚀，刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的多晶硅材料，形成所述透气障板结构；
步骤3：如图7所示，去掉光刻胶，沉积氧化硅牺牲层；如图8所示，进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出敏感振膜的锚点接触孔；如图9所示，进行干法刻蚀，刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的氧化硅材料，直至漏出下面的多晶硅层，形成敏感振膜的锚点接触孔；
步骤4：如图10所示，去掉光刻胶，沉积第二层多晶硅薄膜；如图11所示，进行第三次涂胶、光刻和显影，定义敏感振膜结构；如图12所示，进行干法刻蚀，刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的多晶硅材料，形成敏感振膜结构；
步骤5：如图13所示，进行第四次涂胶、光刻和显影，定义出光反射结构；PVD形成一层金属薄膜，用剥离法制作出光反射结构；
步骤6：如图14所示，在硅衬底背面进行第五次涂胶、光刻和显影，进行干法刻蚀，刻蚀去掉没被光刻胶覆盖的氧化硅材料，被光刻胶覆盖的氧化硅层将作为随后进行的深硅湿法腐蚀过程的掩蔽层；如图15所示，保护硅衬底正面，对硅衬底背面进行各项异性湿法腐蚀，形成空腔结构；
步骤7：如图16所示，湿法腐蚀氧化硅，释放所述敏感振膜，形成所述带孔障板；划片、引线键合及封装，得到成品。
实施例三：
光纤传声器
光纤传声器具有实施例一所述的光纤传声器敏感结构，并且该光纤传声器敏感结构由实施例二的方法制备而成。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种光纤传声器敏感结构，硅衬底上形成桥孔结构，其特征在于：在桥孔结构的上方设有敏感振膜和透气障板，敏感振膜位于透气障板的上方，敏感振膜与透气障板平行设置。
2.根据权利要求1所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：敏感振膜与透气障板之间设有空气间隙，通过改变空气间隙的大小调节敏感振膜的压膜阻尼。
3.根据权利要求2所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：透气障板上分布有多个透气通孔，通过改变通孔的大小、数量、分布及透气障板厚度中的一个或多个来调节敏感振膜的压膜阻尼。
4.根据权利要求1所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：透气障板由一层或多层非金属薄膜构成。
5.根据权利要求1所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：敏感振膜由一层或多层非金属薄膜构成。
6.根据权利要求5所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：敏感振膜上表面镀有光反射结构，所述光反射结构为一层金属薄膜，所述金属薄膜位于敏感振膜的中心位置。
7.根据权利要求4至6任何一项所述的光纤传声器敏感结构，其特征在于：所述非金属薄膜为多晶硅薄膜。
8.一种根据权利要求1至7任何一项所述光纤传声器敏感结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在硅衬底上依次热氧化一层氧化硅薄膜和沉积一层多晶硅薄膜；
步骤2：进行第一次涂胶、光刻和显影，定义透气障板的通孔大小、数量、分布；进行干法刻蚀，形成所述透气障板结构；
步骤3：沉积氧化硅牺牲层；进行第二次涂胶、光刻和显影，定义出敏感振膜的锚点接触孔；进行干法刻蚀，直至漏出下面的多晶硅层，形成敏感振膜的锚点接触孔；
步骤4：沉积第二层多晶硅薄膜；进行第三次涂胶、光刻和显影，定义敏感振膜结构；进行干法刻蚀，形成敏感振膜结构；
步骤5：进行第四次涂胶、光刻和显影，定义出光反射结构；PVD形成一层金属薄膜，用剥离法制作出光反射结构；
步骤6：在硅衬底背面进行第五次涂胶、光刻和显影，进行干法刻蚀；保护硅衬底正面，对硅衬底背面进行各项异性湿法腐蚀，形成空腔结构；
步骤7：湿法腐蚀氧化硅，释放所述敏感振膜，形成所述带孔障板；划片、引线键合及封装，得到成品。
9.一种光纤传声器，包括根据权利要求1至7任何一项所述的光纤传声器敏感结构。
10.根据权利要求9所述的光纤传声器，其特征在于：所述光纤传声器敏感结构是利用根据权利要求8所述的制备方法制成的。
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