CN113074803B - 一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法，属于硅微机械加工和光学传感测量技术领域，所述低频声波传感器，包括：硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤。本发明提供的硅微悬臂梁制备方法工艺简单，成本低且成品率高；本发明提供的低频声波传感器结构紧凑，制备简单且一致性好，灵敏度高，在250Hz以下的低频测试频段的响应特性与理论高度吻合。
Description
技术领域
本发明属于硅微机械加工和光学传感测量技术领域，更具体地，涉及一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法。
背景技术
低频声波具有衰减小、衍射能力强、传播距离远等特点，在自然灾害预警、医疗、管道泄漏监测、军事监测、光声光谱气体检测等领域具有极大的应用价值。与传统的基于压电式的声波传感器相比，基于光纤的传感器具有体积效、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势。
声光换能元件是光纤声波传感器最重要的工作单位。常见的声光换能元件有薄膜和悬臂梁，但是由于薄膜结构在受到压力作用时发生拉伸形变，其形变大小受薄膜张力影响，因此薄膜式换能结构的声压灵敏度与动态范围均受其机械结构限制。相比之下，悬臂梁在压力作用下只发生弯曲应变，相同声压下，悬臂梁自由端的位移可能比同面积薄膜中心的位移大两个数量级。因此，基于悬臂梁的声波传感器逐渐受到国内外研究学者的关注，而基于法布里-珀罗(FP)干涉结构的悬臂梁声波传感器由于结构紧凑、制备简单、抗共路干扰等优点更是具有极高的研究价值。
基于SOI晶圆制备得到的硅微悬臂梁机械性能好、一致性高且便于批量生产。目前为止，现有技术中厚度小于10μm的硅微悬臂梁，由于SOI埋氧层内应力的作用可能会使得制备得到的悬臂梁严重扭曲或直接在加工过程中破裂，工艺难度较大且步骤复杂。另外，现有的硅微悬臂梁制备工艺复杂，对于厚度小、灵敏度高的悬臂梁更是存在平坦度差、成品率低的挑战。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法，其目的在于，解决现有技术中FP式低频声波传感器结构复杂、灵敏度低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低频声波传感器，包括：
硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；
输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；
封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤。
在其中一个实施例中，所述硅微悬臂梁的厚度为所述SOI晶圆中器件层的厚度。
在其中一个实施例中，所述封装结构上表面设有用于卡住所述硅微悬臂梁上方片的凹槽，下方固定有用于放置预埋所述输入光纤中插芯的陶瓷套筒，所述封装结构的中心与所述硅微悬臂梁的自由端对准。
在其中一个实施例中，所述声波信号的频率为0.5～250Hz，其中，当所述声波信号的信号为5Hz时，所述低频声波传感器对应的声压响应的相位灵敏度达28.9rad/Pa。
按照本发明的另一方面，提供了一种低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法，包括：
S1：在SOI晶圆表面沉积一定厚度的氮化硅层；
S2：利用光刻胶将悬臂梁图形转移到所述氮化硅层的掩膜上，分多次刻蚀狭缝在器件层形成悬臂梁结构，从背面湿法腐蚀体硅至埋氧层截止；
S3：依次去除剩余所述埋氧层和所述氮化硅层，释放悬臂梁。
在其中一个实施例中，所述氮化硅的沉积方法为低压化学气相沉积。
在其中一个实施例中，所述氮化硅既作为刻蚀硬掩膜，又作为防止埋氧层内应力破坏所述悬臂梁结构的保护层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种低频声波传感器，包括：硅微悬臂梁、输入光纤和封装结构，其中，硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤。其结构简单且紧凑；由于硅微悬臂梁的厚度由SOI器件层的厚度决定，保证了批量加工的悬臂梁尺寸一致，因此，本发明公开的硅微悬臂梁制备工艺具有良好的平坦度和一致性；获取的硅微悬臂梁具有大长厚比，可实现较小的劲度系数，且由于硅微悬臂梁与边框间的狭缝边缘光滑宽度极小，可大幅度减小低频衰减，从而在250Hz以下的低频测试频段均具有较高的声压响应灵敏度。
(2)本发明提供的低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法，由于基于硅微机械加工技术可在一片SOI晶圆上批量制作硅微悬臂梁，且其刻蚀方法均采用湿法腐蚀；另外，采用FP光学微腔干涉结构，通过单维度地调节输入光纤端面至硅微悬臂梁间的距离即可精确控制FP腔长，因此声波传感器制备成本较低且流程简单。
(3)本发明提供的低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法采用硅微悬臂梁作为声光换能元件，基于SOI晶圆进行低压气相沉积、湿法腐蚀等简单工艺。本发明提供的低频声波传感器通过采用沉积氮化硅保护层阻止埋氧层内应力作用于上层器件带来超过其弹性范围的应变，从而大大降低了背腔刻蚀释放悬臂梁时结构扭曲破裂的可能性。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的低频声波传感器的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的低频声波传感器进行低频声波信号测试的示意图；
图3是本发明一实施例提供的低频声波传感器测量0.5Hz～250Hz声波信号的频域结果图；
图4是本发明一实施例提供的低频声波传感器的低频响应曲线测试结果图；
图5a是本发明一实施例提供的硅微悬臂梁的加工过程的示意图；
图5b是本发明一实施例提供的低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为说明本发明效果，下面以水轮机调节系统作为本发明的实施对象对本发明方法进行详细说明。其中，水轮机调节系统的原理图如图1所示。本申请提供的方法的流程具体描述如。
如图1所示，提供了一种低频声波传感器，包括：硅微悬臂梁、输入光纤和封装结构；其中，硅微悬臂梁为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；输入光纤，与硅微悬臂梁构成FP腔体，硅微悬臂梁到输入光纤上端面的距离为FP腔长；封装结构，与硅微悬臂梁和输入光纤连接，用于固定硅微悬臂梁和输入光纤。
具体的，硅微悬臂梁位于边长为7mm的SOI方片上，该SOI方片可以通过键合剂固定在封装结构前表面；插芯套筒的内径为1.25mm，外径为2.5mm，同样通过键合剂固定在封装结构后半部。且封装结构的中心自动对准悬臂梁的自由端；预埋输入光纤的陶瓷插芯的外径为1.25mm，与陶瓷套筒匹配且便于前后调节，其光纤端面与悬臂梁形成FP光学微腔。
在其中一个实施例中，硅微悬臂梁的厚度为SOI晶圆中器件层的厚度。
在其中一个实施例中，封装结构上表面设有用于卡住硅微悬臂梁上方片的凹槽，下方固定有用于放置预埋输入光纤中插芯的陶瓷套筒，封装结构的中心与硅微悬臂梁的自由端对准。
图2为本发明提供的低频声波传感器进行低频声波信号测试的示意图，由图2可知，光源发出的宽带光通过环形器入射到制备的低频声波传感器的FP光学微腔中。低频声波传感器与标准传声器B&K 4193-L-004共同放置于低频声场耦合腔B&K WB-3570内，耦合腔产生的低频声波信号的频率和声压由数据采集卡中的驱动模块控制，经宽带放大器放大后，同时作用于低频声波传感器和标准传声器。低频声波传感器反射回来的光通过环形器后入射到光纤光栅解调模块，采集光谱数据。由白光干涉相位解调对光谱数据进行处理，得到低频声波传感器空间频率处的相位；解调得到的时域相位信号经过标准传声器的校正后，可表示作用于低频声波传感器的声波信号。
在其中一个实施例中，声波信号的频率为0.5～250Hz，其中，当声波信号的信号为5Hz时，低频声波传感器对应的声压响应的相位灵敏度达28.9rad/Pa。
其中，对0.5-250Hz频段的声波信号进行传感器灵敏度标定，频响曲线如图3所示，从图3可知，传感器在0.5-20Hz内表现出衰减特性，灵敏度大于-108dB；在20-250Hz内响应较为平坦，灵敏度约-85dB，其波动不超过±1dB。如图4所示，传感器在0.5-250Hz频段内表现出高灵敏度特性，且其实测值与理论值非常吻合。分别测试了传感器在5Hz不同声压下的解调输出信号，如图4可见传感器在5Hz处的声压响应灵敏度为28.89rad/Pa，其线性度为0.9996。因此本发明提出的悬臂梁硅微加工工艺不仅步骤简单，其工艺结果也较为理想。
综上，本发明通过采用硅微机械加工工艺制备基于SOI的微悬臂梁，硅微悬臂梁的尺寸可以精确控制；并采用低压气相沉积氮化硅保护层的方法，在刻蚀背腔的过程中保护上层悬臂梁，防止其因为埋氧层的内应力而受到损伤，从而得到高灵敏度的悬臂梁。因此，本发明公开的硅微悬臂梁制备工艺步骤简单但一致性好、平坦度高。
图5a为本发明提供的一种基于SOI晶圆制备硅微悬臂梁的工艺流程示意图；图5b为本发明提供的一种硅微悬臂梁的制作方法流程图；如图5a和图5b所示，低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法包括：
S1：在SOI晶圆表面沉积一定厚度的氮化硅层；
S2：利用光刻胶将悬臂梁图形转移到氮化硅层的掩膜上，分多次刻蚀狭缝在器件层形成悬臂梁结构，从背面湿法腐蚀体硅至埋氧层截止；
S3：依次去除剩余埋氧层和所述氮化硅层，释放悬臂梁。
在其中一个实施例中，氮化硅的沉积方法为低压化学气相沉积。
在其中一个实施例中，氮化硅既作为刻蚀硬掩膜，又作为防止埋氧层内应力破坏悬臂梁结构的保护层。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种低频声波传感器，其特征在于，包括：
硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，其厚度小于10μm，用于接收声波信号；
输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；
封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤；
其中，所述硅微悬臂梁的制作方法，包括：S1：在SOI晶圆表面沉积一定厚度的氮化硅层；所述氮化硅既作为刻蚀硬掩膜，又作为防止埋氧层内应力破坏所述悬臂梁结构的保护层；S2：利用光刻胶将悬臂梁图形转移到所述氮化硅层的掩膜上，分多次刻蚀狭缝在所述SOI晶圆的器件层形成悬臂梁结构，从背面湿法腐蚀体硅至埋氧层截止；S3：依次去除剩余所述埋氧层和所述氮化硅层，释放悬臂梁；
所述声波信号的频率为0.5～250Hz，在250Hz以下频段的响应特性与理论高度吻合。
2.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，所述硅微悬臂梁的厚度为所述SOI晶圆中器件层的厚度。
3.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，所述封装结构上表面设有用于卡住所述硅微悬臂梁上方片的凹槽，下方固定有用于放置预埋所述输入光纤中插芯的陶瓷套筒，所述封装结构的中心与所述硅微悬臂梁的自由端对准。
4.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，当所述声波信号的信号为5Hz时，所述低频声波传感器对应的声压响应的相位灵敏度达28.9rad/Pa。
5.如权利要求1所述的低频声波传感器，其特征在于，所述氮化硅的沉积方法为低压化学气相沉积。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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