CN114486019A - 一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器及mems制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器及MEMS制造方法，属于高精度光纤传感技术领域。该传感器的SOI片器件层硅与硼硅玻璃同轴固定，单模光纤固结于毛细玻璃管中心孔内的，毛细玻璃固定在硼硅玻璃下表面；其中硼硅玻璃上下表面之间的区域形成法珀光学干涉硼硅玻璃腔，器件层硅的圆孔底面和硼硅玻璃上表面之间的区域形成法珀光学干涉空气腔，器件层硅内表面和圆孔底面之间的区域形成法珀光学干涉硅腔。该器件通过在第三腔—硅腔表面制备出黑硅，使得从硅腔下表面透射过来的光束在硅腔上表面发生漫反射，极大地减少硅腔干涉现象的产生，最终压力传感器中传输的光束仅受空气腔、硼硅玻璃腔的调制，形成规律的双腔干涉光谱，消除了第三腔的干扰，降低了解调难度，提高了测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器及MEMS制造方法，属于高精度光纤传感技术领域。
背景技术
传感器技术在当今社会的发展中起着极为重要的作用，其中压力传感器作为最常用的一种传感器，广泛应用于应用军事、国防、交通运输、工程建设、能源环保、测试计量、生物医疗、家电等领域。传统的压力传感器尺寸大、质量大、精度低。随着微电子技术、微加工技术的发展，基于MEMS工艺的压力传感器应运而生，压力传感器朝着微型化、高精度的方向发展。
光纤传感技术随着半导体技术技术、光纤通信技术的不断发展而兴起，光纤法珀压力传感器凭借抗电磁干扰、电绝缘性好、高灵敏度、高分辨率、小尺寸、重量轻、结构简单等诸多优点，在军民领域有着广泛的应用前景。目前，光纤法珀压力传感器基于法珀干涉原理，通过压力变化对法珀腔的影响，改变反射光谱，提取光谱信息实现对压力的测量。单晶硅是目前制备微型光纤法珀压力敏感结构的常用材料，其光学吸收系数随着光波长的变化而发生变化，在可见光和小于2000nm的近红外波段，吸收系数随着波长增大而减小，例如单晶硅在可见光波段的吸收系数＞1E-2μm-1，而在1200～1600nm波段单晶硅吸收系数明显＜1E-4μm-1，两者的差异对单晶硅材料的反射率产生了显著影响，进而影响了法珀干涉光谱。
现有的光纤法珀压力传感器在制作非本征型法珀干涉腔的过程中，往往是由硼硅玻璃基底腔、空气腔、硅腔构成。当使用可见光波段的光束作为光源时，单晶硅吸收系数高，入射到硅腔下表面的光束在该界面透射过去的少，硅腔上表面发生反射的光束相应的也少，因此最终得到的干涉光谱是由空气腔、硼硅玻璃基底腔调制的双腔干涉光谱，具有显著的类余弦特性，解调难度较低；当使用1550nm附近的近红外波段的光束作为光源时，单晶硅吸收系数低，入射到硅腔下表面的光束在该界面透射过去的多，进而在硅腔上表面发生反射，与硅腔下表面发生反射的光束形成干涉，叠加空气腔、硼硅玻璃腔对光束的调制，最终形成的光谱将是一个不规律的三腔叠加干涉光谱，其解调难度较大，精度不高，应极力减少第三腔的干扰，以提高压力测量精度。
发明内容
针对光纤法珀压力传感器存在的第三腔干扰问题，本发明的目的在于提供一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器，所述光纤法珀压力传感器灵敏度高、精度高、尺寸小、抗电磁干扰、具有生物兼容性；目的之二在于提供一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的MEMS制造方法，所述方法通过减少第三腔的反射以消除第三腔干扰，得到解调精度更高的双腔干涉光谱，进而提高了压力测量精度。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器，所述光纤法珀压力传感器主要包括MEMS光纤法珀压力敏感芯片、单模光纤和毛细玻璃管；
其中，光纤法珀压力敏感芯片由SOI片器件层硅和硼硅玻璃组成；
所述硅结构层(5)在与硼硅玻璃(6)的键合面一侧有一不贯穿的空腔，形成法珀光学干涉空气腔，所述硅结构层(5)在与硼硅玻璃(6)的键合面相对的一侧制备有一层黑硅；
所述硅结构层(5)也可以由SOI片器件层硅制备而成，具体的，在工艺过程中，所述SOI片的中间埋氧层和衬底硅被去除，仅剩下器件层硅，所以称为SOI片器件层硅，该器件层硅厚度30um；器件层硅和中间埋氧层接触的一面为器件层硅的内表面，即硅腔上表面，制备有一层黑硅；SOI片器件层硅的外表面沿SOI片轴向加工深度20um的圆形盲孔，深度小于SOI片器件层硅厚度；所述圆孔底面，即硅腔下表面；
所述硼硅玻璃直径大于毛细玻璃管的外径；
所述毛细玻璃管具有中心孔，所述中心孔内径大于单模光纤包层直径；
所述单模光纤在剥离涂覆层后得到，并使用光纤切割机切割出平整的端面；
整体连接关系：
所述SOI片器件层硅通过硅—玻键合与硼硅玻璃同轴固定，键合面为SOI片器件层硅的外表面和硼硅玻璃的上表面；单模光纤通过环氧胶固结于毛细玻璃管中心孔内的，毛细玻璃管通过环氧胶固定在硼硅玻璃下表面；其中硼硅玻璃上下表面之间的区域形成法珀光学干涉硼硅玻璃腔，器件层硅的圆孔底面，即硅腔下表面，和硼硅玻璃上表面之间的区域形成法珀光学干涉空气腔，器件层硅内表面，即硅腔上表面，和圆孔底面，即硅腔下表面，之间的区域形成法珀光学干涉硅腔；所述硼硅玻璃腔、空气腔、硅腔同轴，所述单模光纤的光学轴和法珀光学干涉硼硅玻璃腔同轴；所述单模光纤端面高于毛细玻璃管端面。
所述硼硅玻璃腔上表面与空气腔下表面为同一界面。
所述空气腔上表面与硅腔下表面为同一界面。
工作原理：
光纤法珀压力传感器使用法布里珀罗(Fabry-Perot，简称法珀)干涉原理：相干光束通过单模光纤入射到法珀压力敏感芯片，首先在硼硅玻璃腔的上下表面之间发生多次反射形成单法珀腔干涉，其干涉光谱表现为周期性的高频类余弦信号；随后透射过硼硅玻璃腔上表面的光束在硼硅玻璃上表面和硅腔下表面之间发生多次反射形成干涉，由于空气腔腔长远小于硼硅玻璃腔腔长，干涉信号的周期更大、频率更小，在空气腔、硼硅玻璃腔叠加后的干涉光谱中，空气腔干涉光谱表现为叠加在高频硼硅玻璃腔干涉光谱上的包络信号，此时的干涉光谱即为规律的类余弦双腔干涉光谱；硼硅玻璃腔、空气腔、硅腔三腔共同调制射入到压力传感器的光束，形成三腔叠加的干涉光谱；制备在硅腔上表面的黑硅(4)通过形成漫反射，减少由硅腔下表面透射而来的光束的反射，进而实现对硅腔干涉信号的消除，使传感器得到空气腔、硼硅玻璃腔共同调制的双腔干涉光谱。
硅腔下表面透射过的光束到达硅腔上表面时，原本会产生反射，在原先的双腔干涉光谱的基础上叠加法珀硅腔的干涉光谱，形成复杂、不规律的三腔干涉光谱，但是由于黑硅的存在，光束在硅腔上表面将发生漫反射，几乎不发生干涉。由此实现了第三腔干扰的消除，得到双腔干涉的光谱信号，该干涉信号与空气腔的长度相关，在外界压力作用下，器件层硅发生挠曲变形，导致空气腔腔长发生变化，进而干涉光谱信号的波长、相位相应地发生变化，通过解调干涉光谱信号，可以实现对外界压力精确的测量。
一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的MEMS制造方法，所述方法的具体步骤如下：
(1)SOI片的器件层硅上采取光刻工艺处理后进行深反应离子刻蚀，在器件层硅的轴向形成圆形盲孔；刻蚀深度20um，小于器件层硅的厚度。
(2)将步骤(1)处理后的SOI片和硼硅玻璃进行硅—玻键合，键合面为器件层硅的外表面和硼硅玻璃一侧的表面。
(3)利用湿法腐蚀去除SOI片的基底硅，随后使用腐蚀溶液去除埋氧层，露出SOI器件层硅的内表面；
(4)在通过步骤(3)处理后的SOI器件层内表面进行光刻，实现光刻图形转移，随后以光刻胶为掩膜，利用磁控溅射工艺，将铝溅射到整面SOI器件层内表面及光刻胶上。
(5)利用丙酮洗去光刻胶，随后使用RIE工艺刻蚀SOI器件层硅内表面制备出黑硅，得到消除第三腔干扰的MEMS光纤法珀压力敏感芯片；所述覆盖在SOI器件层硅内表面的铝掩膜减少了RIE工艺刻蚀SOI片器件层硅的面积，提高刻蚀效率，减少浪费。
(6)单模光纤通过毛细玻璃管中心孔固定后和MEMS光纤FP压力敏感芯片对准再进行固定，得到所述MEMS光纤FP压力传感器。
有益效果：
(1)本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器通过在第三腔—硅腔表面制备出黑硅，使得从硅腔下表面透射过来的光束在硅腔上表面发生漫反射，极大地减少硅腔干涉现象的产生，最终压力传感器中传输的光束仅受空气腔、硼硅玻璃腔的调制，形成规律的双腔干涉光谱，消除了第三腔的干扰，降低了解调难度，提高了测量的精度。
(2)本发明所述光纤法珀压力传感器的双干涉腔由法珀光学干涉硼硅玻璃腔和空气腔组成，其中空气腔腔长远小于硼硅玻璃腔腔长，干涉信号的周期更大，频率更小，空气腔干涉光谱表现为叠加在高频硼硅玻璃腔干涉光谱上的包络信号，封装后的干涉光谱精细度高，通过光谱法解调压力信号，提高了测量的精度和分辨率，避免了强度法解调易受光路扰动影响和测量范围小的问题。
(3)本发明所述方法在制备硅腔上表面的黑硅时，通过图形化转移在该面溅射金属铝制备出铝掩膜，提高了RIE工艺制备黑硅的效率，减少了浪费。
(4)本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器利用超精密的MEMS加工技术，制备出小尺寸、高灵敏度的硅压力敏感膜片，结合高分辨率的光纤FP传感技术实现对压力的高精度测量。
(5)本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器使用SOI器件层硅制备出的硅膜片作为测量外界压力信号的敏感元件，该敏感膜片机械特性好，能够在大压力范围内保持压力和敏感膜片位移量之间良好的线性关系和重复性，受到外界压力作用时，硅压力敏感膜片产生挠曲引起的位移量即为空气腔的腔长变化量，进而表现为空气腔腔长变化量和压力的线性关系，保证了光纤法珀压力传感器大量程范围内的线性度和重复性，提高了测量精度。
(6)本发明所述光纤法珀压力传感器无源、尺寸小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、工作寿命长，尤其适用于电学传感器难以发挥作用的强电磁干扰环境，且光纤传输损耗低，可以通过延长光纤传输路线的方式避免后端解调设备受到电磁干扰，实现可靠的远距离测量。
附图说明
图1为本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的结构示意图；
图2为本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的结构俯视图；
图3为法珀压力敏感芯片的结构示意图；；
图4为本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的工艺流程图；
图5为本发明所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的干涉光谱；
其中，1-法珀压力敏感芯片，2-毛细玻璃管，3-单模光纤，4-黑硅，5-器件层硅，6-硼硅玻璃。
具体实施方式
下面结合附图和实例详述本发明，但不限于此。
实施例
一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器，所述传感器结构示意图如图1所示，由法珀压力敏感芯片1、毛细玻璃管2和单模光纤3组成；
其中，法珀压力敏感芯片1的结构示意图如图2所示，所述结构由SOI片器件层和硼硅玻璃构成；
所述SOI片器件层硅5由SOI片制备，所述SOI片包括器件层硅、中间埋氧层、衬底硅，其中器件层硅5的外表面制备有圆形盲孔，孔深20um，小于器件层硅5厚度；
所述黑硅4位于器件层硅5的内表面，即为硅腔上表面，直径小于敏感膜片外径；
所述硼硅玻璃6厚度400um且直径大于毛细玻璃管2外径；
所述毛细玻璃管2的设有同轴通孔，孔径大于单模光纤裸纤的外径；且毛细玻璃管2端面低于单模光纤3端面；
所述SOI片器件层硅5、硼硅玻璃6、毛细玻璃管2与单模光纤3同轴；
整体连接关系：
SOI片器件层硅5通过硅-玻键合固定在硼硅玻璃6上，单模光纤3通过环氧胶固结于毛细玻璃管2通孔内的，毛细玻璃管2通过环氧胶固定在硼硅玻璃6下表面；其中，硼硅玻璃6上下表面之间的区域形成法珀光学干涉硼硅玻璃腔，器件层硅5的圆孔底面，即硅腔下表面，和硼硅玻璃6上表面之间的区域形成法珀干涉空气腔，器件层硅5内表面，即硅腔上表面，和圆孔底面，即硅腔下表面，之间的区域形成法珀光学干涉硅腔；硼硅玻璃腔、空气腔、硅腔同轴，所述单模光纤的光学轴和法珀光学干涉玻璃腔同轴；
工作原理：
光纤法珀压力传感器使用法布里珀罗(Fabry-Perot，简称法珀)干涉原理：相干光束通过单模光纤入射到法珀压力敏感芯片，首先在硼硅玻璃腔的上下表面之间发生多次反射形成单法珀腔干涉，其干涉光谱表现为周期性的高频类余弦信号；随后透射过硼硅玻璃腔上表面的光束在硅腔下表面和硼硅玻璃上表面之间发生多次反射形成干涉，由于空气腔腔长远小于玻璃腔腔长，干涉信号的周期更大、频率更小，在空气腔、硼硅玻璃腔叠加后的干涉光谱中，空气腔干涉光谱表现为叠加在高频硼硅玻璃腔干涉光谱上的包络信号，此时的干涉光谱即为规律的类余弦双腔干涉光谱；
空气腔上表面透射过的光束到达硅腔上表面时，原本会产生反射，在原先的双腔干涉光谱上叠加法珀硅腔的干涉光谱，形成复杂、不规律的三腔干涉光谱，但是由于黑硅的存在，光束在硅腔上表面将发生漫反射，几乎不发生干涉。由此实现了第三腔干扰的消除，得到双腔干涉的光谱信号，该干涉信号与空气腔的长度相关，在外界压力作用下，器件层硅发生挠曲变形，导致空气腔腔长发生变化，进而干涉光谱信号的波长、相位相应地发生变化，通过解调干涉光谱信号，可以实现对外界压力精确的测量。
一种消除消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的MEMS制造方法，所述方法的具体步骤如下：
(1)在SOI片的器件层硅上采取光刻工艺处理后进行深反应离子刻蚀，在器件层硅的轴向形成圆形盲孔；刻蚀深度20um，小于器件层硅的厚度；如图4a、图4b所示；
(2)将步骤(1)处理后的SOI片和硼硅玻璃进行硅—玻键合，键合面为顶层硅的外表面和硼硅玻璃一侧的表面；如图4c所示；
(3)利用湿法腐蚀去除SOI片的基底硅，随后使用HF酸去除暴露出的埋氧层；如图4d所示；
(4)在通过步骤(3)处理后的SOI器件层内表面进行光刻，实现光刻图形转移，随后以光刻胶为掩膜，利用磁控溅射工艺，将铝溅射到整面SOI器件层内表面及光刻胶上；如图4e、图4f所示；
(5)利用丙酮洗去光刻胶，以覆盖在SOI器件层硅内表面的铝为掩膜，随后使用RIE工艺刻蚀SOI器件层硅内表面制备出黑硅，得到MEMS光纤法珀压力敏感芯片；如图4g、图4所示；
(6)单模光纤通过毛细玻璃管中心孔固定后和MEMS光纤法珀压力敏感芯片对准再进行固定，得到所述MEMS光纤法珀压力传感器。
根据本发明所述方法制备的消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器得到的干涉光谱实际上由玻璃腔、空气腔和硅腔叠加而成，其中黑硅对光束的减反射作用减小了硅腔产生的干涉信号对同为低频的空气腔信号的干扰，使得空气腔和玻璃腔叠加后的干涉光谱信号不再是不规律的三腔干涉光谱信号，且显著具有具有双腔干涉光谱信号的特征，消除了第三腔的干扰，如图5所示。同时，由于采用波长解调方法，光纤扰动引起的信号波动将不再影响测量精度。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何同等替换或者局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器，其特征在于：所述消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器包括MEMS光纤法珀压力敏感芯片(1)、单模光纤(2)和毛细玻璃管(3)；
其中，所述MEMS光纤法珀压力敏感芯片由键合而成的硅结构层(5)和硼硅玻璃(6)构成；
整体连接关系：
所述SOI片器件层硅(5)通过硅—玻键合与硼硅玻璃(6)同轴固定，键合面为器件层硅(5)外表面和硼硅玻璃(6)一侧表面；单模光纤(3)通过环氧胶固结于毛细玻璃管(2)通孔内的，毛细玻璃管(2)通过环氧胶固定在硼硅玻璃(6)下表面；其中硼硅玻璃(6)上下表面之间的区域形成法珀光学干涉玻璃腔，器件层硅(5)的圆孔底面，即硅腔下表面，和硼硅玻璃(6)上表面之间的区域形成法珀光学干涉空气腔，器件层硅(5)内表面，即硅腔上表面，和圆孔底面，即硅腔下表面，之间的区域形成法珀光学干涉硅腔；所述硼硅玻璃腔、空气腔、硅腔同轴，所述单模光纤(3)的光学轴和法珀光学干涉玻璃腔同轴；所述单模光纤(3)端面略高于毛细玻璃管(2)端面；
所述硼硅玻璃腔上表面与空气腔下表面为同一界面；
所述空气腔上表面与硅腔下表面为同一界面；
所述硅结构层(5)在与硼硅玻璃(6)的键合面一侧有一不贯穿的空腔，形成法珀光学干涉空气腔，所述硅结构层(5)在与硼硅玻璃(6)的键合面相对的一侧制备有一层黑硅；
所述硅结构层(5)也可以由SOI片器件层硅制备而成，具体的，在工艺过程中，所述SOI片的中间埋氧层和衬底硅被去除，仅剩下器件层硅，所以称为SOI片器件层硅，该器件层硅厚度30um；器件层硅和中间埋氧层接触的一面为器件层硅的内表面，即硅腔上表面，制备有一层黑硅；SOI片器件层硅的外表面沿SOI片轴向加工深度20um的圆形盲孔，深度小于SOI片器件层硅厚度；所述圆孔底面，即硅腔下表面；
所述硼硅玻璃(6)直径大于毛细玻璃管(2)的外径；
所述毛细玻璃管(2)具有中心孔，所述通孔内径大于单模光纤(3)包层直径。
2.根据权利要求1所述的一种消除第三腔干扰的光纤法珀压力传感器的MEMS制造方法，其特征在于：所述工艺步骤如下：
(1)在SOI片器件层硅上进行光刻工艺后使用DRIE工艺刻蚀，在器件层硅的轴向形成圆形盲孔；刻蚀深度20um，小于器件层硅的厚度；
(2)将步骤(1)处理后的SOI片和硼硅玻璃进行硅—玻键合，键合面为顶层硅的外表面和硼硅玻璃一侧的表面；
(3)使用TMAH溶液去除SOI片的基底硅，随后使用HF酸去除暴露出的埋氧层，露出原先SOI片器件层和埋氧层结合的内表面；
(4)在通过步骤(3)处理后的SOI器件层内表面进行光刻，随后以光刻胶为掩膜版，利用磁控溅射工艺，将铝溅射到整面SOI器件层内表面及光刻胶上。
(5)利用丙酮洗去光刻胶，以覆盖在SOI器件层硅内表面的铝为掩膜，随后使用RIE工艺刻蚀SOI器件层硅内表面制备出黑硅；得到MEMS光纤法珀压力敏感芯片；
(6)单模光纤与毛细玻璃管中心孔固定后和MEMS光纤FP压力敏感芯片对准再进行固定，得到所述MEMS光纤法珀压力传感器。
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