CN1280616C - 光纤微机电系统压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
光纤微机电系统传感器及其制作方法涉及运用单晶硅膜作为压力敏感膜的压力传感器及其制作方法，该传感器以硼硅玻璃衬底为基底，在硼硅玻璃衬底上设有一个单晶硅片；该单晶硅片的下表面中央与硼硅玻璃衬底之间设有法布里—珀罗腔；单晶硅片上表面中央设有一个凹槽，单晶硅片的中央为单晶硅横隔膜；在硼硅玻璃衬底的下面设有光纤。其制作方法是该传感器以硼硅玻璃作为衬底，由一个下表面被蚀刻了浅薄圆柱形槽体的单晶硅片与硼硅玻璃阳极键合形成法布里—珀罗腔，再从单晶硅片的上表面进行深腐蚀形成凹槽，最后形成单晶硅横隔膜，光纤的端部接在硼硅玻璃衬底的下部，由光固化环氧树脂将光纤与硼硅玻璃衬底连接。
Description
技术领域
本发明涉及运用单晶硅膜作为压力敏感膜的，具有抗电磁干扰、可组成分布压力测量网络等性能的光纤MEMS(微机电系统)压力传感器及其制作方法。
背景技术
目前通常使用的绝对、相对压力传感器结构当中，法布里—珀罗光干涉腔是采用以下工艺实现的。首先将硼硅玻璃光刻制作好图案；然后用BOE腐蚀液对未使用光刻胶掩蔽的硼硅玻璃进行腐蚀，腐蚀得到所需厚度的空腔；最后运用阳极键合工艺将硼硅玻璃与硅片紧密键合在一起，制作法布里—珀罗光干涉腔。如果制作相对压力传感器，则在硅片与硼硅玻璃键合前，必须先开孔，作为相对压力的导入口。
然而在这样的装置当中，存在以下问题：
(1)硼硅玻璃的定量深度腐蚀的难度较大，腐蚀后的表面粗糙度很大，对于利用光干涉产生传感信号的光纤MEMS压力传感器性能的影响较大。
(2)由于光干涉腔体是运用对硼硅玻璃的腐蚀和阳极键合工艺得到的，而硅片深度腐蚀图案是在硅片上面通过光刻，掩蔽然后腐蚀形成的，这样玻璃与硅片两个对准的难度就很大，不容易实现。
(3)由于光纤与玻璃是通过光固化环氧树脂粘合在一起的，因此在上述相对压力传感器中参考压力的开孔很容易被环氧树脂堵塞。
发明内容
技术问题：本发明旨在解决上述问题提供一种精度及灵敏度良好，抗电磁干扰，可组成分布测量网络的光纤MEMS压力传感器及其制作方法。
技术方案：以往在保证腐蚀表面平整度的情况下，难以在硅片上面刻蚀所需厚度的槽体。然而随着近年来MEMS加工工艺的不断发展和改进，在深腐蚀时获得平整的腐蚀表面以及精确的双面对准工艺已成为可能。
为了实现上述目的，本发明的用于测量压力的光纤微机电系统传感器以硼硅玻璃衬底为基底，在硼硅玻璃衬底上设有一个单晶硅片；该单晶硅片的下表面中央与硼硅玻璃衬底之间设有法布里—珀罗腔；单晶硅片上表面中央设有一个凹槽，单晶硅片的中央为单晶硅横隔膜；在硼硅玻璃衬底的下面设有光纤。
对于相对压力传感器在单晶硅片的下表面与硼硅玻璃衬底之间的法布里—珀罗腔旁还设有一个参考压力的输入通道，在硼硅玻璃衬底上设有一个参考压力的传输孔，该参考压力的传输孔的一端连通参考压力的输入通道，另一端连通外部，形成相对压力传感器。
本发明的用于测量压力的光纤微机电系统传感器的制作方法是：该传感器以硼硅玻璃作为衬底，由一个下表面被蚀刻了浅薄圆柱形槽体的单晶硅片与硼硅玻璃阳极键合形成法布里—珀罗腔，再从单晶硅片的上表面进行深腐蚀形成凹槽，最后形成单晶硅横隔膜，光纤的端部接在硼硅玻璃衬底的下部，由光固化环氧树脂将光纤与硼硅玻璃衬底连接。运用光刻图形以及RIE(反应离子刻蚀)工艺在单晶硅表面刻蚀形成浅薄圆柱形槽体，并且通过阳极键合工艺将硼硅玻璃与刻蚀出图形的单晶硅片键合起来最后形成光法布理—珀罗腔。通过深腐蚀工艺刻蚀得到所需厚度的单晶硅片。
其特征在于具体制作的步骤为：
(a)用热氧化制作的二氧化硅，用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)工艺制作的氮化硅，作为单晶硅<100>晶向的深腐蚀掩蔽层，
(b)用反应离子刻蚀工艺在单晶硅片表面制作浅薄圆柱形槽体，
(c)用阳极键合工艺将刻蚀形成浅薄圆柱形槽体的单晶硅片与鹏硅玻璃键合，制作法布里—珀罗腔，
(d)单晶硅膜制作是采用KOH溶液深腐蚀与反应离子刻蚀精细刻蚀相结合的工艺，
(e)在超净台中，将由光纤精密调节架控制的光纤与芯片通过光固化环氧树脂粘合在一起；
(f)相对压力传感器中运用通孔工艺在硼硅玻璃衬底上开一个参考压力的传输孔，以便将参考气压引入参考压力腔中。
有益效果：运用深腐蚀与RIE工艺制作得到单晶硅膜，有以下优点：
a、这样制作得到的传感器压力敏感膜具有高的灵敏度和线性度。
b、用外延工艺制作得到的单晶硅膜或多晶硅膜相比，避免了外延形成硅膜具有的残余应力不稳定性，所制作得到的硅膜没有残余应力，具有稳定，高精度的测量薄膜。
因此，如果借助本发明，可以实现由深腐蚀与RIE工艺制作的单晶硅膜构成的，精度高，灵敏度高，可靠性好的光纤MEMS压力传感器。
附图说明
图1是本发明中光纤MEMS绝对压力传感器结构示意图。
图2是本发明中光纤MEMS相对压力传感器结构示意图。
图3是本发明中光纤MEMS绝对压力传感器加工制作步骤示意图。
图4是本发明中光纤MEMS相对压力传感器加工制作步骤示意图。
图5是本发明中光纤MEMS压力传感器单晶硅膜受到压力后的三维形变示意图。
以上的图中有单晶硅片1，硼硅玻璃衬底2，光纤3，单晶硅膜4，法布里—珀罗腔5，光固化环氧树脂6，P表示上部的压力。
具体实施方式
本发明的用于测量压力的光纤微机电系统传感器以硼硅玻璃衬底2为基底，在硼硅玻璃衬底2上设有一个单晶硅片1；该单晶硅片1的下表面中央与硼硅玻璃衬底2之间设有法布里—珀罗腔5；单晶硅片1上表面中央设有一个凹槽11，单晶硅片1的中央为单晶硅横隔膜4；在硼硅玻璃衬底2的下面设有光纤3。对于相对压力传感器，在单晶硅片1的下表面与硼硅玻璃衬底2之间的法布里—珀罗腔5旁还设有一个参考压力的输入通道25，在硼硅玻璃衬底2上设有一个参考压力的传输孔24，该参考压力的传输孔24的一端连通参考压力的输入通道25，另一端连通外部，形成相对压力传感器。
单晶硅膜4是通过KOH腐蚀与反映离子刻蚀相结合的工艺制作而成；法布里—珀罗腔5，先运用反应离子刻蚀工艺刻蚀出浅薄圆柱形槽体，再通过阳极键合工艺将硅片与玻璃键合在一起，形成法布里—珀罗腔；光固化环氧树脂由于硼硅玻璃与单晶硅片是通过真空阳极键合工艺键合在一起的，因此法布里—珀罗腔的内部气压等于真空阳极键合室内的环境气压，因此可作为绝对压力传感器的参考压力。
在以上结构中，光通过光纤进入法布里—珀罗腔，在单晶硅膜与与硼硅玻璃的上表面来回反射，形成多光束干涉。当单晶硅膜受到均衡压力时将发生挠曲，干涉光强和返回光相位都发生变化，通过测量干涉光强或者相位的变化，就可以测量单晶硅膜受到的待测压力。
光纤MEMS绝对压力传感器的详细加工工艺步骤，如下所述：
(a)将<100>晶向的单晶硅片双面热氧化一层1微米的二氧化硅，
(b)在硅片正面再沉积一层0.3微米的氮化硅，
(c)正面用厚光刻胶作掩蔽层，再用BHF腐蚀液将背面的二氧化硅去除，然后用丙酮去除正面光刻胶，
(d)在硅片的背面光刻出所需的图案，并且用反应离子刻蚀工艺(RIE)刻蚀没有掩蔽的单晶硅，刻蚀出所需深度的浅薄圆柱形槽体，
(e)用丙酮去除硅片背面光刻胶，
(f)运用阳极键合工艺，将硼硅玻璃与刻蚀好浅薄圆柱形槽体的硅片背面键合在一起，
(g)在上述结构的正面，光刻出所需图形，然后用RIE工艺分别将氮化硅和二氧化硅刻蚀掉，
(h)用丙酮去除硅片背面上的光刻胶，
(i)用KOH腐蚀溶液对没有掩蔽的单晶硅进行深腐蚀，并且用台阶仪测量硅片的腐蚀深度，从而得到在腐蚀液中的腐蚀速度以及腐蚀时间，
(j)当腐蚀到一定的厚度时，用RIE工艺精细刻蚀，得到所需厚度的单晶硅膜，
(k)将端面抛光的光纤与传感器头通过光固化工艺粘合起来；
如果要制作相对压力传感器，只要将上述工艺作修改如下：
(1)在步骤(d)中使用相对压力传感器光刻掩模。
(2)在步骤(j)中得到结构运用激光刻蚀技术在玻璃上刻蚀出一个小孔，作为参考压力的通孔。
在上述传感器加工步骤中，所有的图案都在单晶硅片上形成，这样就避免了硅片和玻璃上都有图案时两者精密对准的问题。
其中参考压力通孔是在单晶硅膜腐蚀形成以后，通过激光刻蚀工艺形成的，因此：a、通孔上面对应的是没有腐蚀的厚单晶硅片，因此单晶硅膜不会受到损伤。b、如果通孔是在腐蚀硅膜之前刻蚀形成，则在接下来的单晶硅深腐蚀工艺中，必须用胶带等将通孔密封，避免腐蚀液进入法布里珀罗腔中。而硅深腐蚀需要至少6个小时，保护相当困难。将通孔刻蚀工艺放在硅膜形成之后，较好的避免了这一问题。
作为本发明的试验例，例如，可得到直径600微米、厚度20微米的单晶硅圆膜，绝对压力测量值可达到2.5Mpa的光纤MEMS压力传感器。
因此，如果借助本发明，可以运用MEMS加工工艺制作得到精度、灵敏度良好，可靠性高、抗电磁干扰，可测量分布压力的光纤MEMS压力传感器。
Claims (4)
1、一种用于测量压力的光纤微机电系统传感器，其特征在于该传感器以硼硅玻璃衬底(2)为基底，在硼硅玻璃衬底(2)上设有一个单晶硅片(1)；该单晶硅片(1)的下表面中央与硼硅玻璃衬底(2)之间设有法布里—珀罗腔(5)；单晶硅片(1)上表面中央设有一个凹槽(11)，单晶硅片(1)的中央为单晶硅横隔膜(4)；在硼硅玻璃衬底(2)的下面设有光纤(3)。
2、根据权利要求1所述的用于测量压力的光纤微机电系统传感器，其特征在于在单晶硅片(1)的下表面与硼硅玻璃衬底(2)之间的法布里-珀罗腔(5)旁还设有一个参考压力的输入通道(25)，在硼硅玻璃衬底(2)上设有一个参考压力的传输孔(24)，该参考压力的传输孔(24)的一端连通参考压力的输入通道(25)，另一端连通外部，形成相对压力传感器。
3、一种如权利要求1所述的用于测量压力的光纤微机电系统传感器的制作方法，其特征在于该传感器以硼硅玻璃作为衬底，由一个下表面被蚀刻了浅薄圆柱形槽体的单晶硅片(1)与硼硅玻璃阳极键合形成法布里-珀罗腔(5)，再从单晶硅片(1)的上表面进行深腐蚀形成凹槽(11)，最后形成单晶硅横隔膜(4)，光纤(3)的端部接在硼硅玻璃衬底(2)的下部，由光固化环氧树脂(6)将光纤(3)与硼硅玻璃衬底(2)连接。
4、根据权利要求3所述的用于测量压力的光纤微机电系统传感器的制作方法，其特征在于具体制作的步骤为：
(a)用热氧化制作的二氧化硅，用等离子体增强化学气相沉积工艺制作的氮化硅，作为单晶硅<100>晶向的深腐蚀掩蔽层。
(b)用反应离子刻蚀工艺在单晶硅片表面制作浅薄圆柱形槽体。
(c)用阳极键合工艺将刻蚀形成浅薄圆柱形槽体的单晶硅片与硼硅玻璃键合，制作法布里—珀罗腔(5)。
(d)单晶硅横隔膜(4)制作是采用KOH溶液深腐蚀与反应离子刻蚀精细刻蚀相结合的工艺。
(e)在超净台中，将由光纤精密调节架控制的光纤(3)与硼硅玻璃衬底(2)通过光固化环氧树脂(6)粘合在一起。
(f)相对压力传感器中运用通孔工艺在硼硅玻璃衬底(2)上开一个参考压力的传输孔(24)，以便将参考气压引入参考压力腔中。
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