CN115435885A - Mems光纤悬臂梁声传感器及制备方法 - Google Patents

Mems光纤悬臂梁声传感器及制备方法 Download PDF

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CN115435885A CN202211030356.0A CN202211030356A CN115435885A CN 115435885 A CN115435885 A CN 115435885A CN 202211030356 A CN202211030356 A CN 202211030356A CN 115435885 A CN115435885 A CN 115435885A
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贾建
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Abstract

本发明提供一种MEMS光纤悬臂梁声传感器及制备方法，所述声传感器由激光光源、光纤、1×2光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集处理单元以及传感器探头组成。传感器探头由悬臂梁和两根光纤尾纤组成，其中两根光纤尾纤端面处于同一个平面，作为F‑P干涉腔的一个反射面与作为F‑P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成两个非本征F‑P干涉腔，并且悬臂梁上的两个F‑P干涉腔反射面高度差为
Figure DDA0003817061640000011
k为正奇数，λ为激光波长，n为激光在干涉腔介质中的折射率。本发明利用微电机械加工技术在悬臂梁上制备具有
Figure DDA0003817061640000012
正交相位的波前相位板，通过检测F‑P腔长变化实现对声压的检测，提高传感器的温度稳定性并简化传感器的制备。

Description

MEMS光纤悬臂梁声传感器及制备方法
技术领域
本发明属于声传感器技术，具体涉及一种MEMS光纤悬臂梁声传感器及制备方法。
背景技术
基于气体对特定波长红外光特异性吸收的红外吸收光谱气体检测方案已被应用到众多领域。但当被测气体浓度很低或气体对光束的吸收较弱时，红外光学吸收腔前后的出射光与入射光光强变化很小，而且还叠加在较大的入射光信号基础上，微弱的测量信号会淹没在光电探测器的噪声和光源波动中，不利于痕量气体检测。提高光强差值的主要手段是增加吸收光程，但因色散作用，吸收长度的增加是有限的。
光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的无背景气体测量技术。与直接吸收光谱技术不同的是，光声光谱气体检测技术是通过声波信号来测定气体浓度，是一种无背景的光学气体检测方法。由于光声光谱法测量的是气体吸收红外光并转化为热能的大小，因而反射、散射光等对测量的干扰很小。用光声光谱法测量弱吸收气体以及微量气体时，尽管其吸收很微弱，但是不需要与入射光强进行比较，仍可获得很高的灵敏度。
光源、吸收腔以及声传感器是光声光谱气体检测设备的关键部件，其中声传感器的性能严重制约着光声光谱气体检测设备的灵敏度、线性范围以及稳定性等指标。
光纤声传感器大多基于法布里-珀罗(F-P)干涉原理，由于具有免疫电磁干扰、远距离传输损耗低等优点而得到广泛应用。膜片式光纤F-P声传感器通常将声波转换为膜片的振动，进而通过检测光纤端面及膜片构成的F-P腔长度变化得到相应的声压信号。其结构简单，灵敏度高。
2004年，芬兰Kauppinen等人率先报道了一种基于硅悬臂梁的新型光声光谱声传感器，用硅悬臂梁替代传统膜片作为传感器敏感元件，具体参考文献：Kauppinen J,Wilcken K,Kauppinen I,Koskinen V.High sensitivity in gas analysis withphotoacoustic detection.Microchemical Journal.2004；76(1):151-159。当声波作用到悬臂梁上时，由于悬臂梁不需要像膜片一样发生拉伸形变，故相同声压下悬臂梁自由端的振动位移比四周固支膜片中心处的位移大约高两个数量级，而且悬臂梁声传感器的动态范围远大于膜片式声传感器。Kauppinen团队采用迈克尔逊干涉仪实现悬臂梁自由端振动解调，可以获得较高的检测灵敏度和动态范围。但是，基于迈克尔逊干涉仪的光学悬臂梁声传感器一般结构复杂，尺寸较大，光路调整较为繁杂。
将悬臂梁膜片与光纤F-P传感器结合，可以得到一种结构简单、灵敏度高的声传感器，在微弱光声信号检测领域具有广泛的应用前景。但目前，光纤F-P声传感器信号还原主要以强度解调为主，光纤F-P声传感器组成如图1所示，其解调原理如图2所示。通过采用单波长、窄线宽的激光器，测量经过光纤F-P声传感器反射后的干涉光束强度，实现声信号的准确测量。输出光强度随着参与干涉的两束光之间的相位差而变，由此可根据输出光强解调出两束光相位差的微小变化。这种解调方式具有结构简单、响应快等优点。为了获得最佳性能，一般通过调节F-P腔的腔长L或者激光波长使参与干涉的双光束初始相位差固定在
Figure BDA0003817061620000021
即这两束光处于正交状态(Q点)，此时传感器灵敏度最高，膜片在声压作用下的微小振动导致的相位变化也会引起输出光强的变化。
在实际使用中，由于外界环境干扰和影响，F-P腔长L时刻都在发生变化，导致参与干涉的双光束初始相位差很难稳定，系统的正交工作点(Q点)在不断漂移，难以得到理想的响应特性。如图3所示，在极端情况下参与干涉的双光束初始相位差Φ＝0或者π，此时膜片在声压作用下振动，进而引起F-P腔长L变化导致的输出光强变化非常小，此时传感器的灵敏度非常差。而且此方法只能检测膜片的微小振动，线性范围一般只有
Figure BDA0003817061620000022
其中λ为用于F-P干涉检测的光在F-P腔介质中的波长。
为了提高膜片式光纤F-P声传感器的稳定性和实用性，F-P声传感器相位解调技术得到发展，通过使用波长扫描光源(如可调谐激光器)或者在传输光路中增加相位调谐器件(如基于压电陶瓷的光学相位调谐器)，降低了F-P腔初始腔长L及干涉光束初始相位差Φ对检测精度的影响。但这些方法大多需要对光源或相位调谐器件的精确控制，导致系统成本升高、体积增大。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS光纤悬臂梁声传感器及制备方法，利用微电机械加工(MEMS)技术在悬臂梁上制备具有
Figure BDA0003817061620000023
正交相位的波前相位板，通过检测悬臂梁与光纤端面构成的F-P腔长的变化实现对声压信号的检测，提高MEMS光纤悬臂梁声传感器的温度稳定性，同时简化MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备，同时避免环境温度波动导致传感器F-P腔长变化对传感器性能的影响，解决悬臂梁大动态范围检测的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种MEMS光纤悬臂梁声传感器，由激光光源、光纤、1×m光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集处理单元以及传感器探头组成；
所述传感器探头由悬臂梁和m根光纤尾纤组成，m根光纤尾纤端面处于同一个平面，所述同一个平面作为F-P干涉腔的一个反射面与作为F-P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成m个非本征F-P干涉腔，并且悬臂梁上的m个F-P干涉腔反射面不在同一个平面，使得各干涉腔信号间具有固定相位差。
进一步地，m＝2，即所述传感器探头由悬臂梁和两根光纤尾纤组成，所述两根光纤尾纤端面处于同一个平面，所述同一个平面作为F-P干涉腔的一个反射面与作为F-P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成两个非本征F-P干涉腔，并且悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面不在同一个平面，所述悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差为
Figure BDA0003817061620000031
式中k为大于或等于1的奇数，λ为激光波长，n为激光在干涉腔介质中的折射率。
本发明还提供一种所述MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤c、在部分金/铬等金属层表面再次沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000032
的金/铬等金属层，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure BDA0003817061620000033
的两个光反射区域；其中，k为正奇数；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀或者利用各向异性湿法腐蚀去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
本发明还提供另一种所述的MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面部分区域沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000034
的金属或介质膜，或者刻蚀/腐蚀深度为
Figure BDA0003817061620000035
的器件层硅，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure BDA0003817061620000036
的两个区域；其中，k为正奇数；
步骤c、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀或者利用各向异性湿法腐蚀去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
进一步地，选择k＝1，则所述MEMS悬臂梁表面的两个光反射区域高度差为
Figure BDA0003817061620000041
其中λ为激光波长，n为激光光在干涉腔介质中的折射率。
有益效果：
与现有技术相比，本发明解决了环境温度波动导致传感器F-P腔长变化对传感器灵敏度的影响问题，提高了MEMS光纤悬臂梁声传感器的温度稳定性；同时避免了传感器探头组装时繁杂的F-P腔长调节过程，简化了声传感器的制备过程。
附图说明
图1为膜片式光纤F-P声传感器结构示意图；
图2为光纤F-P声传感器正交状态下的输入输出曲线；
图3为光纤F-P声传感器非正交状态下的输入输出曲线；
图4为本发明的MEMS光纤悬臂梁声传感器及制备方法的原理图；
图5为本发明的悬臂梁示意图；
图6为悬臂梁一阶模态振动示意图；
图7为F-P干涉输出信号Sa和Sb随膜片位移的变化示意图；
图8为F-P干涉输出信号Sa和Sb及悬臂梁位移随时间的变化示意图；
图9a，图9b，图9c，图9d，图9e，图9f，图9g为MEMS悬臂梁加工流程示意图；其中，图9a为准备SOI基片示意图，图9b为在SOI基片器件层硅表面沉积光反射膜的示意图，图9c为在光反射膜部分区域再次沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000042
(k为正奇数，为减小应力、提高稳定性优选k＝1)的金/铬等金属层示意图，图9d为光刻刻蚀形成悬臂梁图案示意图，图9e为去除悬臂梁所在区域背面衬底层硅的示意图，图9f为去除悬臂梁所在区域埋氧层，释放悬臂梁结构示意图，图9g为器件剖面图中硅、氧化硅及Cr/Au层标识示意图；
图10a，图10b，图10c，图10d，图10e，图10f，图10g为MEMS悬臂梁加工流程示意图；其中，图10a为准备SOI基片示意图，图10b为在SOI基片器件层硅表面部分区域沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000043
的金属或介质膜，或者刻蚀/腐蚀深度为
Figure BDA0003817061620000044
(k为正奇数)的器件层硅，形成高度差为
Figure BDA0003817061620000045
(k为正奇数)的两个区域示意图，图10c为在器件层硅表面沉积光反射膜示意图，图10d为光刻刻蚀形成悬臂梁图案示意图，图10e为去除悬臂梁所在区域背面衬底层硅的示意图，图10f为去除悬臂梁所在区域埋氧层，释放悬臂梁结构示意图，图10g为器件剖面图中硅、氧化硅及Cr/Au层标识示意图。
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。
如图4所示，本发明提供一种MEMS光纤悬臂梁声传感器，其由激光光源、光纤、1×2光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集处理单元以及传感器探头组成。所述传感器探头由悬臂梁和两根光纤尾纤组成。所述两根光纤尾纤端面处于同一个平面，作为F-P干涉腔的一个反射面与作为F-P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成两个非本征F-P干涉腔，并且悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面不在同一个平面，其高度差为
Figure BDA0003817061620000051
式中k为正奇数，λ为激光波长，n为激光在干涉腔介质中的折射率。悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差优选
Figure BDA0003817061620000052
即k＝1的情况。如图5所示，本发明的悬臂梁为采用MEMS技术制备的硅器件，其四周为硅框架1，中间为一端固定支撑的硅梁2,硅梁2的表面有两个不在同一平面的F-P干涉腔反射面3。
在待测声信号频率低于悬臂梁一阶模态频率的情况下，悬臂梁在声信号作用下的振动主要为一阶模态，如图6所示。在该模态下，图6所示的悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面的位移大小和方向均相同。因为两根光纤尾纤端面共面，悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差为
Figure BDA0003817061620000053
其中k为正奇数，所以悬臂梁与光纤尾纤分别构成的两个非本征F-P干涉腔的腔长相差为
Figure BDA0003817061620000054
即两个F-P干涉腔输出信号的相位差为
Figure BDA0003817061620000055
其中k为正奇数。作为一种优选的例子，图7中为两个相位差为
Figure BDA0003817061620000056
的F-P干涉腔输出信号Sa和Sb随膜片位移的变化示意图。
本发明的技术方案中，两个F-P干涉腔输出信号的相位差只受到悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差的影响，而与F-P干涉腔腔长无关。因装配误差、外界环境因素以及膜片应力导致F-P干涉腔腔长变化时不会影响两个F-P干涉腔输出信号的相位差。而悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差受环境因素影响较小，从而保证了本发明所述声传感器的稳定性。由于F-P干涉腔输出信号的相位差与F-P干涉腔腔长无关，在悬臂梁位移较大时，两路信号Sa与Sb相位差保持不变；而且从图7可以看出悬臂梁在任意位置根据信号Sa与Sb对时间的微分都可以判断悬臂梁的运动方向是否改变，只有在Sa与Sb对时间的微分均为0，即Sa与Sb均出现极值点时悬臂梁振动方向改变，这样避免了F-P腔长变化时的相位模糊，可以通过信号Sa与Sb准确恢复悬臂梁位移信号，拓展了悬臂梁振动幅度检测范围和传感器的声强检测范围，如图8所示的F-P干涉输出信号Sa和Sb及悬臂梁位移随时间的变化示意图。
所述MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备方法包括光纤制备、MEMS悬臂梁制备及组装。
在批量生产中，声传感器所需的两根光纤可以直接采用轴对称非同轴双芯光纤或者带状双芯光纤，并且可以通过光纤端面研磨抛光保证两光纤端面的共面。
所述MEMS悬臂梁的制备过程如图9a，图9b，图9c，图9d，图9e，图9f，图9g所示，具体包括：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤c、在部分金/铬等金属层表面再次沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000061
(k为正奇数，为减小应力、提高稳定性优选k＝1)的金/铬等金属层，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure BDA0003817061620000062
(k为正奇数)的两个光反射区域；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀(或者各向异性湿法腐蚀)去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
所述MEMS悬臂梁的另外一种制备过程如图10a，图10b，图10c，图10d，图10e，图10f，图10g所示，具体包括：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面沉积厚度为
Figure BDA0003817061620000063
(k为正奇数，为减小应力、提高稳定性优选k＝1)的金属或介质膜，或者刻蚀/腐蚀深度为
Figure BDA0003817061620000064
(k为正奇数，为减小应力、提高稳定性优选k＝1)的器件层硅，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure BDA0003817061620000065
(k为正奇数)的两个区域；
步骤c、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀(或者各向异性湿法腐蚀)去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
所述MEMS悬臂梁表面两个光反射区域高度差在制备过程中存在一定误差，可以通过调节激光波长使悬臂梁表面两个光反射区域高度差等于
Figure BDA0003817061620000071
(k为正奇数)。所述激光光源采用常用的蝶形激光器，即DFB激光器，在一定范围内通过调节激光器温度及工作电流可获得特定波长的激光输出。
由于本发明技术方案中，两个F-P干涉腔输出信号的相位差只受到悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差的影响，而与F-P干涉腔腔长无关。故在传感器探头组装过程中不需要对光纤端面到悬臂梁的距离进行精确调整，只需在保证光纤与悬臂梁平面垂直，且光纤对准悬臂梁表面两处光反射区域后采用机械结构或粘结剂固定二者相对位置即可，简化了传感器探头的组装过程。
基于本发明技术方案原理，可将上述双光纤结构的MEMS光纤悬臂梁声传感器拓展至多光纤(常用的有3光纤、4光纤及5光纤)结构MEMS光纤悬臂梁声传感器，即采用类似上述MEMS悬臂梁制备工艺，在MEMS悬臂梁上形成具有固定高度差的多个反射区域，从而与相应光纤形成多个F-P干涉腔，各干涉腔信号间具有固定相位差。如通过在MEMS悬臂梁上形成固定高度差的3个反射区域，与3根尾纤端面处于同一平面的光纤构成三个F-P干涉腔，三个干涉腔信号相位差为
Figure BDA0003817061620000072
或者
Figure BDA0003817061620000073
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MEMS光纤悬臂梁声传感器，其特征在于：
所述MEMS光纤悬臂梁声传感器由激光光源、光纤、1×n光纤耦合器、光纤环形器、光电探测器、信号采集处理单元以及传感器探头组成；
所述传感器探头由悬臂梁和m根光纤尾纤组成，m根光纤尾纤端面处于同一个平面，所述同一个平面作为F-P干涉腔的一个反射面与作为F-P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成m个非本征F-P干涉腔，并且悬臂梁上的m个F-P干涉腔反射面不在同一个平面，使得各干涉腔信号间具有固定相位差。
2.根据权利要求1所述的一种MEMS光纤悬臂梁声传感器，其特征在于：
m＝2，即所述传感器探头由悬臂梁和两根光纤尾纤组成，所述两根光纤尾纤端面处于同一个平面，所述同一个平面作为F-P干涉腔的一个反射面与作为F-P干涉腔另一个反射面的悬臂梁组成两个非本征F-P干涉腔，并且悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面不在同一个平面，所述悬臂梁上的两个F-P干涉腔反射面高度差为
Figure FDA0003817061610000011
式中k为正奇数，λ为激光波长，n为激光在干涉腔介质中的折射率。
3.一种根据权利要求2所述的MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤c、在部分金/铬等金属层表面再次沉积厚度为
Figure FDA0003817061610000012
的金/铬等金属层，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure FDA0003817061610000013
的两个光反射区域；其中，k为正奇数；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀或者利用各向异性湿法腐蚀去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
4.一种根据权利要求2所述的MEMS光纤悬臂梁声传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a、准备SOI硅片；
步骤b、在器件层硅表面部分区域沉积厚度为
Figure FDA0003817061610000014
的金属或介质膜，或者刻蚀/腐蚀深度为
Figure FDA0003817061610000021
的器件层硅，使得MEMS悬臂梁表面形成高度差为
Figure FDA0003817061610000022
的两个区域；其中，k为正奇数；
步骤c、在器件层硅表面沉积厚度30nm～200nm的金/铬等金属层作为光反射膜；
步骤d、进行光刻，刻蚀器件层硅形成悬臂梁图案；
步骤e、进行背面光刻，硅深刻蚀或者利用各向异性湿法腐蚀去除悬臂梁所在区域的衬底层硅；
步骤f、背面刻蚀去除悬臂梁所在区域的埋氧层氧化硅，释放悬臂梁结构。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：选择k＝1，则所述MEMS悬臂梁表面的两个光反射区域高度差为
Figure FDA0003817061610000023
其中，λ为激光波长，n为激光光在干涉腔介质中的折射率。
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