CN115086845B - 一种高灵敏度的mems光纤麦克风传感器 - Google Patents

一种高灵敏度的mems光纤麦克风传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积技术交替沉积高折射率光学氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜形成光学增透膜，光学增透膜的光学厚度为光纤所使用光波长λ的1/4或1/2。本发明中在入射光纤和出射光纤表面制备得到光学增透膜厚度可精准控制，沉积膜致密，有效降低了入射光纤和出射光纤的光反射，提高了MEMS光纤麦克风传感器的灵敏度。

Description

一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器
技术领域
本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种光纤麦克风传感器。
背景技术
光纤微机电（ＭＥＭＳ）传感器是将ＭＥＭＳ工艺与光纤传感技术结合起来形成的一种新型传感器。它不仅具有一般光纤传感器可靠性好、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，还具有测量精度高、线性度好、动态范围大等优良性能。它采用ＭＥＭＳ工艺加工，还具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、易于实现大规模集成化生产等优点。因此光纤ＭＥＭＳ传感器继承了光纤传感技术与ＭＥＭＳ技术的优点，符合当前的光纤传感研究趋势，具有广泛的应用前景。随着ＭＥＭＳ工艺技术的逐渐成熟，出现了很多种不同结构的光纤法布里－珀罗ＭＥＭＳ压力传感器。
未镀膜的玻璃器件表面将会有大约10%的入射光被反射。采用增透膜可将各表面的反射率降低到 0.1% 以下，采用高反射介电膜可将反射率提高到 99.99% 以上。光学镀膜由氧化物、金属或稀土材料等薄层材料组成，光学镀膜的性能取决于层数、厚度和不同层之间的折射率差异。
MEMS光纤麦克风传感器中入射光纤和出射光纤的光反射是影响灵敏度的主要因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是MEMS光纤麦克风传感器中入射光纤和出射光纤因光反射率高会造成灵敏度差的问题，提供了一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器。
发明采用如下技术方案：一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，其特征在于：在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积技术交替沉积高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜形成光学增透膜，光学增透膜的光学厚度为光纤所使用光波长λ的1/4或1/2。
进一步的，所述高折射率镧系金属氧化物薄膜材料为Ta2O5或Nb2O5；所述低折射率金属氧化物薄膜为Al2O3、TiO2、ZrO2或SiO2。
进一步的，所述光学增透膜的折射率大小为1.9-2.1。
进一步的，所述高折射率镧系金属氧化物薄膜与低折射率金属氧化物薄膜的沉积循环比为2：1-1：5。
进一步的，所述高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜的沉积温度为100-300℃。
进一步的，所述高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜沉积时氧源为O3、H2O、O2等离子体或H2O等离子体。
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗并烘干；
（2）将入射光纤和出射光纤置于原子层沉积设备中，设定沉积温度100-300℃；
（3）在入射光纤通过原子层沉积技术交替沉积高折射率的镧系金属和低折射率的氧化物薄膜形成光学增透膜，同样的，在出射光纤表面通过原子层沉积技术交替沉积高折射率的镧系金属和低折射率的氧化物薄膜形成光学增透膜。
本发明的优点具体如下：
（1）本发明中在入射光纤和出射光纤表面制备得到光学增透膜厚度可精准控制，沉积膜致密，有效降低了入射光纤和出射光纤的光反射，提高了MEMS光纤麦克风传感器的灵敏度。
（2）发明制备方法简便易操作，易于产业化生产，λ/4 光学厚度 或 λ/2光学厚度的氧化物光学增透膜，采用高低两种不同折射率的氧化物沉积形成，均匀性好，且由于氧化物膜光学增透膜由高折射率和低折射率的金属氧化物薄膜交替形成，因此能够最大程度降低反射效应。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如下实施例中入射波长为510nm。
实施例1：
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
（1）前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
（2）Al2O3沉积：打开原子层沉积设备，调整设定设备参数，沉积温度为250℃，向设备腔体内通入三甲基铝(TMA) ，通入时间为0.2s，温度为25℃，采用N2清洗，清洗时间为10s；接着通入氧气，通入时间为30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理的功率为300W；步骤（2）上述过程循环沉积5次；
（3）在步骤（2）上原位沉积Ta2O5：向设备腔体内通入Ta(OC2H5)5 ，通入时间为0.3s，温度为115℃，采用N2清洗，清洗时间为20s；接着通入H2O，通入时间为0.5s，温度为25℃,采用N2清洗，清洗时间为30s；
（4）上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环240次,得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜。
光学增透膜厚度为128nm，用光学设备测试光学增透膜的折射率为1.9，反射率为0.3%。
实施例2：
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
（1）前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
（2）Al2O3沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为200℃，通入三甲基铝(TMA)，通入时间为0.2s，温度为25℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入氧气，通入时间30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理功率设为300W；步骤（2）上述过程循环沉积3次；
（3）在步骤（2）上原位Nb2O5沉积：通入Nb(OC2H5)5 ，通入时间0.3s，温度120℃，采用N2清洗，清洗时间20s；通入H2O，通入时间0.2s，采用N2清洗，清洗时间30s
（4）上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环850次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜。
总光学增透膜厚度为255nm，用光学设备测试光学增透膜折射率为1.92，反射率为0.2%。
实施例3：
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
（1）前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
（2）TiO2沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为150℃，通入TiCl4，通入时间0.2s，温度为25℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入H2O，通入时间0.3s,采用N2清洗，清洗时间10s；步骤（2）上述过程循环沉积4次；
（3）在步骤（2）上原位Ta2O5沉积：通入Ta(OC2H5)5 ，通入时间0.3s，温度115℃，采用N2清洗，清洗时间20s；通入H2O，通入时间0.5s，温度25℃,采用N2清洗，清洗时间30s；
（4）上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环300次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜。
总光学增透膜厚度为128nm，用光学设备测试光学增透膜折射率为2.1,反射率为0.25%。
实施例4：
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
（1）前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
（2）ZrO2沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为100℃，通入Zr(TDMA)4，通入时间0.2s，温度为75℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入氧气，通入时间30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理的功率设为300W；步骤（2）上述过程循环沉积3次；
（3）在步骤（2）上原位Ta2O5沉积：通入Ta(OC2H5)5，通入时间0.2s，温度为115℃，采用N2清洗，清洗时间为10s；通入氧气，通入时间30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理的功率设为300W；
（4）上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环410次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜。
总光学增透膜厚度为255nm，用光学设备测试光学增透膜折射率为2.05，反射率为0.23%。
实施例5：
一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
（1）前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
（2）SiO2沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为250℃，通入二（叔丁基氨基）硅烷BTBASi，通入时间0.2s，温度为55℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入O3，通入时间10s；
（3）在步骤（2）上原位Nb2O5沉积：通入Nb(OC2H5)5 ，通入时间0.3s，温度120℃，采用N2清洗，清洗时间20s；通入H2O，通入时间 1s，通入H2O的同时进行等离子体处理,等离子体处理的功率为300W,再采用N2清洗，清洗时间30s；步骤（3）上述过程循环沉积2次；
（4）上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环340次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜。
总光学增透膜厚度为128nm，用光学设备测试薄膜折射率为2.05，反射率为0.16%。
对比例1：同实施例1的沉积步骤，在入射光纤和出射光纤中沉积高折射率的Ta2O5和Nb2O5。
对比例2：同实施例2的沉积步骤，在入射光纤和出射光纤中沉积低折射率的Al2O3和TiO2。
实施例1-5以及对比例1-2中的金属氧化物薄膜的各层性能结果如表1所示。
表1 各实施例及对比例中光学增透膜各层性能结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
如表1结果可知，对比例2中全部采用低折射率金属氧化物薄膜的反射率为2.55%，对比例1全部采用高折射率镧系金属氧化物薄膜的反射率为2.7%，但本发明中采用高折射率和低折射率氧化物膜交替形成光学增透膜，实施例1-5的反射率均明显大幅度降低。

Claims (2)

1.一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器的处理方法，其特征在于，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
步骤（1）、前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
步骤（2）、ZrO2沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为100℃，通入Zr(TDMA)4，通入时间0.2s，温度为75℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入氧气，通入时间30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理的功率设为300W；步骤（2）上述过程循环沉积3次；
步骤（3）、在步骤（2）上原位Ta2O5沉积：通入Ta(OC2H5)5，通入时间0.2s，温度为115℃，采用N2清洗，清洗时间为10s；通入氧气，通入时间30s，通入氧气的同时进行等离子体处理，等离子体处理的功率设为300W；
步骤（4）、上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环410次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜；
总光学增透膜厚度为255nm，用光学设备测试光学增透膜折射率为2.05，反射率为0.23%。
2.一种高灵敏度的MEMS光纤麦克风传感器的处理方法，其特征在于，在入射光纤和出射光纤表面分别通过原子层沉积形成一层氧化物光学增透膜，具体步骤如下：
步骤（1）、前处理：将入射光纤和出射光纤均采用去离子水、丙酮和异丙醇依次超声清洗15min，并置于80℃烘箱中烘烤30min；
步骤（2）、SiO2沉积：将光纤放入原子层沉积设备，沉积温度为250℃，通入二（叔丁基氨基）硅烷BTBASi，通入时间0.2s，温度为55℃，采用N2清洗，清洗时间10s；通入O3，通入时间10s；
步骤（3）、在步骤（2）上原位Nb2O5沉积：通入Nb(OC2H5)5 ，通入时间0.3s，温度120℃，采用N2清洗，清洗时间20s；通入H2O，通入时间 1s，通入H2O的同时进行等离子体处理,等离子体处理的功率为300W,再采用N2清洗，清洗时间30s；步骤（3）上述过程循环沉积2次；
步骤（4）、上述步骤（2）和步骤（3）作为一个大沉积循环，重复步骤（2）和步骤（3）的大沉积循环340次，得到高折射率镧系金属氧化物薄膜和低折射率金属氧化物薄膜交替形成的光学增透膜；
总光学增透膜厚度为128nm，用光学设备测试薄膜折射率为2.05，反射率为0.16%。
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