CN114859463B - 一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法，涉及片上微腔超声探测结构设计的技术领域，从当前片上微腔超声探测芯片本身出发，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部刻蚀掏空出一个腔体，降低了传统片上微腔超声探测结构对微环谐振腔的结构限制，提升了微环谐振腔扰动的自由度，增大了微环谐振腔的形变量及响应灵敏度，提高了微环谐振腔的应变能力，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。

Description

一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及片上微腔超声探测结构设计的技术领域，更具体地，涉及一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法。

背景技术

目前，超声探测器可大致可分为压电探测器、MEMS探测器和光纤探测器。

其中，压电声探测器基于压电薄膜层将水声信号转换为电信号，由于受限于压电薄膜材料的性能瓶颈，造成检测灵敏度、响应带宽等方面的性能不足，压电声探测器已无法满足当今超声信号探测的实际需求。MEMS探测器是基于MEMS工艺实现片上小型化的探测器，基于工作原理可以分为电容型、压阻型和压电型。微电容探测器通常具有很高的灵敏度。然而，由于电容型探测器需要使用大型外部电路和放大器，结构上较为复杂，制造上有些困难。MEMS压阻型探测器具有结构简单、易于制造等优点，这些水听器可以用来检测低频信号。相比之下，由于压阻材料的能量传递效率较低，压阻型探测器的灵敏度较低。光纤声探测器的技术进步为超声信号探测的发展带来了新的希望。目前，光纤声探测器主要分为两种，一种是基于光纤布拉格光栅的对反射波长进行检测的光纤探测器，另一种是基于分布反馈布拉格光栅构成谐振腔，对谐振波长进行监测的光纤探测器。但对于声场信号的探测来说，单基元声探测器很难实现目标定位与特征判别，因而需要将传感单元连接为阵列结构，利用多阵列传感单元对声场信号进行相干检测，以获取更多目标的特征信息。但光纤声探测器的多阵列结构与单基元声探测器结构相比，维护成本和复用难度大幅提高，而且实际用于各领域的探测灵敏度有待提高。

近几年来，基于微腔的片上声探测器受到了越来越多的关注。相比于前述压电探测器、MEMS探测器和光纤探测器而言，基于微环谐振腔的片上声探测器具有显著的阵列化优势与应用前景，在总线波导上添加微环结构即可实现微环阵列化，同时，作传感元的微环尺寸一般仅有微米量级，具有尺寸小易于集成的优点。因此，利用片上光学声探测器替代传统的声探测器，是一种理想可行且具有应用前景的技术方案。对于声探测器而言，探测灵敏度是衡量其性能的重要参数指标，而片上微环声探测器由于其发展时间远短于其他传统探测器，所以，其探测灵敏度相比于传统水听器优势不明显，因此，如何提高片上微腔声探测器的探测灵敏度，成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决如何提高片上微腔声探测器的探测灵敏度的问题，本发明提出一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法，操作过程简单，增大了微腔变量，提高了声探测灵敏度，进一步为提高片上微环声探测器探测灵敏度提供了有效解决方案。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种片上微腔超声增敏掏空芯片，包括：硫系材料波导层、二氧化硅层及硅衬底层，所述硫系材料波导层包括总线波导及微环谐振腔，所述微环谐振腔与总线波导耦合，耦合后的微环谐振腔与总线波导设置于二氧化硅层上，二氧化硅层设置于硅衬底层的上底面，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出一个腔体。

在本技术方案中，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部刻蚀掏空出一个腔体，降低了了传统片上微腔超声探测结构对微环谐振腔结构的限制，提升了微环谐振腔扰动的自由度，增大了微环谐振腔的形变量及响应灵敏度，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。

优选地，所述腔体为圆柱腔，腔体的半径长度为微环谐振腔半径长度的1.5～4倍，圆柱腔体的设计使得掏空更均匀，可以有效增加微环谐振腔的扰动自由度，增大微环谐振腔的形变量，以保障掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度。

优选地，在腔体的半径长度由1.5*R向4*R增加时，随着腔体半径长度的增加，微环谐振腔的折射率灵敏度增大，R为微环谐振腔的半径，微环谐振腔的折射率灵敏度与腔体半径长度的关系满足：

y＝2.3×10^^-6x²+2.783×10^^-5x-0.001767

其中，x表示腔体的半径长度；y表示微环谐振腔的折射率灵敏度。

优选地，腔体的底面圆心相对于微环谐振腔圆心的偏移量不超过2.5*R，R 为微环谐振腔的半径，一方面，保障了掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度；另一方面，表明了掏空操作对掏空位置的偏移程度有较大的容错性，进一步降低了掏空工艺上的腔体圆心与微环谐振腔圆心的对准要求，增加了容错，提高了该方案的可行性。

优选地，所述总线波导为直波导。

优选地，光信号由直波导通过倏逝波耦合进微环谐振腔，在微环谐振腔内满足谐振条件的波长，在微环谐振腔内发生谐振，谐振条件为：

2πnR＝mλ

其中，n为微环谐振腔的有效折射率，R为微环谐振腔的半径，m为谐振阶数m＝1 ,2,3 …；λ为微环谐振波长；

微环谐振腔在外部声压作用下回发生形变，其有效折射率n发生变化，微环谐振波长λ漂移，微环谐振腔从而进行超声信号探测。

本申请还提出一种片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S.选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层，将氧化硅层设置于硅衬底层上，形成基片；

S.在二氧化硅层上镀一层薄膜，然后依次通过旋涂正胶、离子束曝光、深反应离子刻蚀、除胶操作得到总线波导及微环谐振腔，并为总线波导镀一层聚合物涂层；

S.将经S之后的基片倒置，使硅衬底层的原底面朝上；

S.在原底面上依次进行旋涂正胶、离子束曝光、显影、深反应离子刻蚀、除胶操作，其中，进行深反应离子刻蚀操作时，沿硅衬底层的原底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出腔体。

在本技术方案中，选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层时，硅衬底层一般厚度较厚，因此选用深反应离子刻蚀方式进行刻蚀操作，提高制备效率，在基片倒置开始前，为防止对总线波导造成损伤，在总线波导上再镀上一层聚合物涂层，一方面可以与外界环境分隔开，有效抑制氧化，另一方面，可以对总线波导起到一定的支持作用，防止后续刻蚀掏空过程中，腔体半径过大情况下出现塌陷，还可以在基片倒置执行刻蚀掏空时，对总线波导起到一定的保护作用。

优选地，在步骤S1中，选择的二氧化硅层厚度为3um，硅衬底层为200um。

优选地，在进行深反应离子刻蚀操作时，基于SF₆/O反应气体，通过F和O 原子在硅表面的化学作用生成SiF_xO_y钝化层，再通过溅射刻蚀，将SiF_xO_y钝化层去除，反复进行深反应离子刻蚀操作若干次，得到腔体。

优选地，步骤S所述的聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷PDMS。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法，从当前片上微腔超声探测芯片本身出发，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部刻蚀掏空出一个腔体，降低了传统片上微腔超声探测结构对微环谐振腔结构的限制，提升了微环谐振腔扰动的自由度，增大了微环谐振腔的形变量及响应灵敏度，提高了微环谐振腔的应变能力，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。

附图说明

图1表示本发明实施例1中提出的片上微腔超声增敏掏空芯片的结构示意图；

图2表示本发明实施例1中提出的片上微腔超声增敏掏空芯片与传统片上微腔超声探测芯片的折射率对比图；

图3表示本发明实施例2中提出的腔体的半径长度由1.5*R向4*R增加时，微环谐振腔的折射率灵敏度变化曲线图；

图4表示本发明实施例2中提出的片上微腔超声增敏掏空芯片中腔体的掏空圆心位置相对于微环谐振腔圆心位置的偏移量的四种情况示意图；

图5表示本发明实施例2中提出的微环谐振腔的折射率灵敏度随片上微腔超声增敏掏空芯片中腔体的掏空圆心位置相对于微环谐振腔圆心位置偏移的变化曲线图；

图6表示本发明实施例3中提出的片上微腔超声增敏掏空芯片制备方法的流程示意图；

图7表示本发明实施例3中提出的片上微腔超声增敏掏空芯片制备过程的结构变化图。

其中，1-总线波导；2-微环谐振腔；3-二氧化硅层；4-硅衬底层；41-腔体。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

实施例1

如图1所示，本实施例提出了一种片上微腔超声增敏掏空芯片，参见图1，片上微腔超声增敏掏空芯片包括：硫系材料波导层1、二氧化硅层2及硅衬底层 3，硫系材料波导层1包括总线波导11及微环谐振腔12，所述微环谐振腔12与总线波导11耦合，是用以实现超声探测的传感元，耦合后的微环谐振腔12与总线波导11设置于二氧化硅层2上，二氧化硅层2约3um厚，用以将波导部分与硅衬底层4隔离开，有效防止模式泄露和损耗的增大，二氧化硅层2设置于硅衬底层4的上底面，硅衬底层4约200um厚，用以提供一定的支持，给予微环谐振腔12足够的扰动自由度。其中，总线波导1为直波导，光信号由直波导通过倏逝波耦合进微环谐振腔12，在微环谐振腔12内满足谐振条件的波长，在微环谐振腔12内发生谐振，谐振条件为：

2πnR＝mλ

其中，n为微环谐振腔12的有效折射率，R为微环谐振腔12的半径，m为谐振阶数m＝1,2,3…；λ为微环谐振波长；微环谐振腔12在外部声压作用下回发生形变，其有效折射率n发生变化，微环谐振波长λ漂移，微环谐振腔12从而进行超声信号探测；在本实施例中，沿硅衬底层4的下底面向硅衬底层4内部，刻蚀掏空出一个腔体31，即从目前的片上微腔超声探测芯片本身出发，沿硅衬底层4的下底面向硅衬底层4内部刻蚀掏空出一个腔体31，腔体(31)为圆柱腔，, 腔体31的底面半径大于微环谐振腔12的半径，减少了传统情况对微环谐振腔 12结构的限制，提升了微环谐振腔12扰动的自由度，增大了微环谐振腔12的形变量及响应灵敏度，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。

在本实施例中，设微环谐振腔的半径R为20um，在刻蚀掏空时，腔体31 的底面半径为60um，以此情况下，采用COMSOL软件仿真模拟片上微腔超声增敏掏空芯片与传统片上微腔超声探测芯片的折射率，即对比掏空与未掏空时，不同声压下有效折射率变化，结果如图2所示，通过图2可以得出未掏空硅衬底层4时有效折射率灵敏度为1.608×10-4/MPa，折合波长灵敏度约为0.109nm /MPa，而掏空硅衬底层4后的有效折射率灵敏度为57.76×10-4/MPa，折合波长灵敏度约为3.923nm/MPa。通过对比可知，通过对20um半径微环谐振腔12进行60um底面半径的腔体31掏空，声响应灵敏度能提升约36倍。

实施例2

对于不同尺寸腔体31的掏空底面半径，微环谐振腔12扰动受限程度及自由度不同，相同声压下的响应度也有所不同，腔体31的半径长度为微环谐振腔12 半径长度的1.5～4倍，在这个范围内，可以有效增加微环谐振腔的扰动自由度，增大微环谐振腔的形变量，以保障掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度。

同样，以20um半径的微环谐振腔12为例，讨论掏空出不同底面半径下的腔体31时，微环谐振腔的折射率灵敏度变化情况，在本实施例中，腔体31的底面半径取30um-80um，即满足腔体31的半径长度为微环谐振腔12半径长度的 1.5～4倍，在腔体31的半径长度由1.5*R向4*R增加时，微环谐振腔12的折射率灵敏度变化曲线图如图3所示，参见图3，随着腔体31半径长度的增加，微环谐振腔12的折射率灵敏度增大，微环谐振腔12的折射率灵敏度与腔体31半径长度的关系满足：

y＝2.3×10^^-6x²+2.783×10^^-5x-0.001767

其中，x表示腔体31的半径长度；y表示微环谐振腔12的折射率灵敏度。

标准情况下，掏空腔体31底面的圆心与微环谐振腔12圆心对准，但考虑掏空工艺误差所带来的掏空腔体31底面的圆心与微环谐振腔12圆心的偏移，会给增敏结果带来影响，同样采用20um半径的微环谐振腔12和60um掏空腔体31 底面半径对偏移量进行仿真模拟，讨论了在不同偏心量30-90um下的灵敏度变化，其中，图4分别表示了偏移量为0um的示意、偏移量为40um的示意、偏移量为 60um的示意、偏移量为90um的示意，箭头表示偏移，得出微环谐振腔12的折射率灵敏度随片上微腔超声增敏掏空芯片中腔体31的掏空圆心位置相对于微环谐振腔圆心位置偏移的变化趋势如图5所示，可以看出，掏空腔体31对掏空位置的偏移程度有较大的容错，当偏移量小于50um时，灵敏度变化不大，只有在超过50um后灵敏度曲线才会剧烈下降，即腔体31圆心相对于微环谐振腔1圆心的偏移量不超过2.5*R，这样一方面，保障了掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度；另一方面，表明了掏空操作对掏空位置的偏移程度有较大的容错性，进一步降低了掏空工艺上的腔体31圆心与微环谐振腔1圆心的对准要求，增加了容错，提高了该方案的可行性。

实施例3

参见图6，本实施例中提出了一种片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1.选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层，将氧化硅层设置于硅衬底层上，形成基片；

S2.在二氧化硅层上镀一层薄膜，然后依次通过旋涂正胶、离子束曝光、深反应离子刻蚀、除胶操作得到总线波导及微环谐振腔，并为总线波导镀一层聚合物涂层；

S3.将经S2之后的基片倒置，使硅衬底层的原底面朝上；

S4.在原底面上依次进行旋涂正胶、离子束曝光、显影、深反应离子刻蚀、除胶操作，其中，进行深反应离子刻蚀操作时，沿硅衬底层的原底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出腔体。

具体的片上微腔超声增敏掏空芯片制备过程的结构变化图如图7所示，在选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层时，硅衬底层一般厚度较厚，因此选用深反应离子刻蚀方式进行刻蚀操作，以提高制备效率，在步骤S1中，选择的二氧化硅层厚度为3um，硅衬底层为200um，通过真空热蒸镀或磁控溅射等方法镀上一层薄膜，在基片倒置开始前，为防止对总线波导造成损伤，在总线波导上再镀上一层聚合物涂层，在本实施例中，聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷PDMS，厚度为 3um，一方面可以与外界环境分隔开，有效抑制氧化，另一方面，可以对总线波导起到一定的支持作用，防止后续刻蚀掏空过程中，腔体半径过大情况下出现塌陷，还可以在基片倒置执行刻蚀掏空时，对总线波导起到一定的保护作用。在本实施例中，腔体呈圆柱状，是一个圆柱腔，能使得掏空后的增敏效果更均匀。

在进行深反应离子刻蚀操作时，基于SF₆/O₂反应气体，通过F和O原子在硅表面的化学作用生成SiF_xO_y钝化层，再通过溅射刻蚀，将SiF_xO_y钝化层去除，反复进行深反应离子刻蚀操作若干次，即可实现硅衬底层的大深度掏空，得到腔体，刻蚀部分为获得的深度侧壁平滑的掏空结构，该制备工艺过程实现了硬基底上的软化工艺。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，包括：硫系材料波导层（1）、二氧化硅层（2）及硅衬底层（3），所述硫系材料波导层（1）包括总线波导（11）及微环谐振腔（12），微环谐振腔（12）与总线波导（11）耦合，耦合后的微环谐振腔（12）与总线波导（11）设置于二氧化硅层（2）上，二氧化硅层（2）设置于硅衬底层（3）的上底面，沿硅衬底层（3）的下底面向硅衬底层（3）内部，刻蚀掏空出一个腔体（31），所述腔体（31）为圆柱腔，腔体（31）的半径长度为微环谐振腔（12）半径长度的1.5~4倍，在腔体（31）的半径长度由1.5*R向4*R增加时，随着腔体（31）半径长度的增加，微环谐振腔（12）的折射率灵敏度增大，R为微环谐振腔的半径，微环谐振腔（12）的折射率灵敏度与腔体（31）半径长度的关系满足：

y=2.3×10^^-6 x ²+2.783×10^^-5 x-0.001767

其中，x表示腔体（31）的半径长度；y表示微环谐振腔（12）的折射率灵敏度；

腔体（31）的底面圆心相对于微环谐振腔（12）圆心的偏移量不超过2.5*R，R为微环谐振腔（12）的半径。

2.根据权利要求1所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，所述总线波导（11）为直波导。

3.根据权利要求2所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，光信号由直波导通过倏逝波耦合进微环谐振腔（12），在微环谐振腔（12）内满足谐振条件的波长，在微环谐振腔（12）内发生谐振，谐振条件为：

其中，n为微环谐振腔（12）的有效折射率，R为微环谐振腔（12）的半径，m为谐振阶数m= 1,2,3…；

为微环谐振波长；

微环谐振腔（12）在外部声压作用下回发生形变，其有效折射率n发生变化，微环谐振波 长

漂移，微环谐振腔（12）从而进行超声信号探测。

4.一种片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1.选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层，将氧化硅层设置于硅衬底层上，形成基片；

S2.在二氧化硅层上镀一层薄膜，然后依次通过旋涂正胶、离子束曝光、深反应离子刻蚀、除胶操作得到总线波导及微环谐振腔，并为总线波导镀一层聚合物涂层；

在进行深反应离子刻蚀操作时，基于SF₆/O₂反应气体，通过F和O原子在硅表面的化学作用生成SiF_xO_y钝化层，再通过溅射刻蚀，将SiF_xO_y钝化层去除，反复进行深反应离子刻蚀操作若干次，得到腔体；

S3.将经S2之后的基片倒置，使硅衬底层的原底面朝上；

S4.在原底面上依次进行旋涂正胶、离子束曝光、显影、深反应离子刻蚀、除胶操作，其中，进行深反应离子刻蚀操作时，沿硅衬底层的原底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出腔体。

5.根据权利要求4所述的片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，选择的二氧化硅层厚度为3um，硅衬底层为200um。

6.根据权利要求5所述的片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷PDMS。

Images