CN211425646U

CN211425646U - 基于mems工艺的外凸式双层压力敏感膜、fp腔光纤声传感器

Info

Publication number: CN211425646U
Application number: CN202020068877.5U
Authority: CN
Inventors: 江致兴; 周俐娜; 刘滕
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2020-01-13
Filing date: 2020-01-13
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2030-01-13

Abstract

本实用新型提供一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，包括软膜和镀在软膜下方的介质硬膜，所述软膜的直径大于介质硬膜的直径，所述软膜为由PDMS制成的橡胶膜或硅胶膜，所述介质硬膜包括若干第一介质层和若干第二介质层，所述第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率，所述第一介质层和第二介质层由下至上依次交替层叠。本实用新型还提供一种FP腔光纤声传感器，利用该声传感器收集透射光进行解调时，由于薄膜工艺使FP腔两个腔面的反射率接近99％，因此透射光谱为锐利的梳状谱线，此时，接收透射光，通过对光信号解调得到声压信号。本实用新型制作出的敏感膜外周形变量大,光纤模场直径范围内区域几乎无形变且反射率高。

Description

基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜、FP腔光纤声传感器

技术领域

本实用新型涉及声学传感器技术领域，尤其涉及一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器、外凸式双层压力敏感膜及该外凸式双层压力敏感膜的制备方法。

背景技术

近年来，随着光电子学与各种光电子器件的发展，光纤传感器技术获得了长足的发展，形成多种光纤传感器，如光纤振动传感器、光纤声学传感器、光纤压力传感器、光纤温度传感器等；这些光纤传感器采用的原理也有多种，如反射强度式、光纤光栅式、Mickelson干涉仪式、MZ干涉仪式、Signac干涉仪式以及FP腔光纤传感器。

在基于各种原理的光纤声学传感器中，FP腔光纤声学传感器因其结构简单、灵敏度较高、解调方法简单而被广泛研究。基于FP腔的光纤声学传感器作为一种新型传感器，和传统电压电容传感器相比，具有结构简单、体积小、重量轻、不受电磁干扰并且易于集成化的特点，具有微型化、集成化的发展趋势。

敏感膜是FP腔光纤声学传感器的关键组件，基于不同材料制成不同结构的敏感膜的FP腔光纤声学传感器已经被多次报道：例如，(1)Dai，Majun等人使用石墨烯薄膜作为敏感膜，结合套着毛细管的单模光纤构成FP腔，进而制成FP腔光纤声学传感器；但无论使用单层石墨烯还是多层石墨烯制成的敏感膜形变量大，存在反射率低、光谱曲线扁平的问题；(2)使用高发射率的金属银或光子晶体反射镜作为敏感膜，虽然反射率高，但材质硬，形变相对较小；(3)采用硅膜和刻蚀成槽的光纤熔接，再用湿法刻蚀去除多余膜片部分的探头制作技术做成的FP腔，其膜的反射率低，且材质硬形变小。

现有的敏感膜只具有高反射率或高形变中的单一特点甚至都不具备，不能满足实际FP腔光纤声学传感器的某些特殊使用要求，如更高的灵敏度、低频响应好等要求。

发明内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)工艺的外凸式双层压力敏感膜及该外凸式双层压力敏感膜的制备方法及由该外凸式双层压力敏感膜构成的FP腔光纤声传感器。

本实用新型提供一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，包括软膜和镀在软膜下方的介质硬膜，所述软膜的直径大于介质硬膜的直径，使得软膜和介质硬膜形成外凸式结构，所述介质硬膜包括若干第一介质层和若干第二介质层，所述第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率，所述第一介质层和第二介质层由下至上依次交替层叠，形成折射率高低高低…高低高相间的结构。

进一步地，所述软膜为由PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成的橡胶膜或硅胶膜，其表面平整光洁。

进一步地，软膜的厚度为0.5-10μm。

进一步地，所述第一介质层由五氧化二铌制成，所述第二介质层由氟化镁制成。

进一步地，所述第一介质层和第二介质层由透明、硬质且化学性质稳定的材料制成，且制成第一介质层的材料和制成第二介质层的材料的折射率相差较大，材料满足形变小、硬度高、在某个波长范围反射率高的特点。

进一步地，所述介质硬膜的厚度为500-2000nm。

本实用新型还提供了上述外凸式双层压力敏感膜的制备方法，包括以下步骤：

S1，在纯净的二氧化硅基片上旋涂一层负性光刻胶，利用高能辐射透过一掩膜板上开设的特定图形通孔对负性光刻胶曝光，用显影液去除曝光后性质发生改变的负性光刻胶，得到与掩膜板对应的图形形状的空槽，以剩下的光刻胶作为掩膜，使用ICP(电感耦合等离子体)对整个二氧化硅基片表面进行刻蚀，在二氧化硅基片上得到对应图形的标记和图案，标记是便于后续套刻步骤的定位，图案是为了做坑；然后用丙酮溶液除掉负性光刻胶，只剩下干净的带刻蚀标记和小圆坑的二氧化硅基片；

S2、在做好标记和在图案处刻蚀出小圆坑的二氧化硅基片上蒸镀一层介质硬膜(由五氧化二铌和氟化镁通过叠成式的方法制得)，此时小圆坑中填满介质硬膜；

S3、再次涂上正性光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜板相同位置开设有相同图形通孔的掩膜板进行定位，步骤S3中的掩膜板还开设有圆形通孔；经过与步骤S1相同的曝光、溶解步骤，在位于小圆坑中的介质硬膜上形成小圆柱体状的正性光刻胶；此部分的正性光刻胶对小圆坑中的介质硬膜起保护作用，小圆柱体外是裸露的介质硬膜；

S4、使用ICP对整个二氧化硅基片进行刻蚀，打掉裸露在外的介质硬膜，同时会打掉部分起保护作用的正性光刻胶，使用丙酮溶液除去起保护作用的正性光刻胶，只剩下填充在二氧化硅基片上小圆坑中的介质硬膜；

S5、再次在介质硬膜周围涂上负性光刻胶，利用另一个与步骤S1中掩膜板相同位置开设有相同图形通孔的掩膜板进行定位，步骤S5中的掩膜板还开设有圆形通孔，其圆心与步骤S3中掩膜板开设的圆形通孔的圆心重合；经过与步骤S1相同的曝光、溶解步骤，在负性光刻胶中形成一圆柱体空槽，圆柱体空槽的底部为介质硬膜；将软膜溶液填充在圆柱体空槽中，形成软膜；

S6、去除负性光刻胶和二氧化硅基片，即得到外凸式双层压力敏感膜。

本实用新型还提供一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，包括外凸式双层压力敏感膜或利用上述制备方法制得的外凸式双层压力敏感膜，还包括毛细玻璃管和单模光纤，所述单模光纤位于毛细玻璃管内，所述毛细玻璃管包括毛细玻璃管左端和毛细玻璃管右端，所述单模光纤包括单模光纤左端和单模光纤右端，所述毛细玻璃管左端和单模光纤左端连接，所述毛细玻璃管右端与软膜连接，所述单模光纤右端与介质硬膜之间形成一空气腔作为FP腔体。

进一步地，所述介质硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，所述介质硬膜的直径等于或大于单模光纤的纤芯横截面直径。

进一步地，所述软膜的直径与毛细玻璃管的外径相等。

进一步地，所述单模光纤的横截面中心和外凸式双层压力敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上。

进一步地，所述单模光纤的直径与毛细玻璃管环形端面的内径相等。

进一步地，单模光纤右端镀有高反射率薄膜，该高反射率薄膜与介质硬膜作为FP腔的两个腔面，与毛细玻璃管的轴向成90°，形成FP腔干涉结构，可以有效减小光的往返损耗，增加光在FP腔中的往返次数，提高FP腔的Q值和透射光谱细度，而位于周边的软膜则在受压时有较大的形变，从而增加腔长变化量进而增加光谱的偏移量。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型提供的外凸式双层压力敏感膜包括弹性模量小的软膜和弹性模量大且反射率高的介质硬膜(用作增反膜)，软膜的直径大于介质硬膜的直径，形成一种外凸式结构，这样制作出的敏感膜外周具有很好的形变能力和高反射率，而模场直径范围内的区域则几乎无形变；利用本实用新型提供的FP腔光纤声传感器收集透射光进行解调时，由于薄膜工艺使FP腔两个腔面的反射率接近99％，因此透射光谱为锐利的梳状谱线，此时，接收透射光，通过对光信号解调得到声压信号；本实用新型提供的外凸式双层压力敏感膜可以用在各种基于FP腔的微型传感器中，降低腔的损耗，提高FP腔的Q值和传感器灵敏度。

附图说明

图1是本实用新型一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器的结构示意图。

图3是本实用新型一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜的制备方法的过程示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜1，包括软膜11和镀在软膜11下方的介质硬膜12，软膜11的直径大于介质硬膜12的直径，使得软膜11和介质硬膜12形成外凸式结构，软膜11为由PDMS制成的橡胶膜或硅胶膜，其表面平整光洁，软膜11的厚度为0.5-10μm。

介质硬膜12的厚度为500-2000nm，其包括若干第一介质层121和若干第二介质层122，第一介质层121的折射率大于第二介质层122的折射率，第一介质层121和第二介质层122由下至上依次交替层叠，形成折射率高低高低…高低高相间的结构，图1中，介质硬膜12的最下层和最上层均为第一介质层121，第一介质层121和第二介质层122由透明、硬质且化学性质稳定的材料制成，且制成第一介质层121的材料和制成第二介质层122的材料的折射率相差较大，材料满足形变小、硬度高、在某个波长范围反射率高的特点。

优选地，第一介质层121由五氧化二铌制成，第二介质层122由氟化镁制成。

参考图2，本实用新型的实施例还提供了一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，其包括外凸式双层压力敏感膜1、毛细玻璃管2和单模光纤3，单模光纤3位于毛细玻璃管2内，单模光纤3的横截面中心和外凸式双层压力敏感膜1的中心均在毛细玻璃管2的轴线上，单模光纤3的直径与毛细玻璃管2环形端面的内径相等。

毛细玻璃管2包括毛细玻璃管左端21和毛细玻璃管右端22，单模光纤3包括单模光纤左端31和单模光纤右端32，毛细玻璃管左端21和单模光纤左端31连接，毛细玻璃管右端22与软膜11连接，软膜11的直径与毛细玻璃管2的外径相等，介质硬膜12与单模光纤3的纤芯横截面相对设置，介质硬膜12的直径等于或稍大于单模光纤3的纤芯横截面直径，单模光纤右端32与介质硬膜12之间形成一空气腔4作为FP腔体。

单模光纤右端32镀有高反射率薄膜321，该高反射率薄膜321与介质硬膜12作为FP腔的两个腔面，与毛细玻璃管2的轴向成90°，形成FP腔干涉结构，可以有效减小光的往返损耗，增加光在FP腔中的往返次数，提高FP腔的Q值和透射光谱细度。

图2中，箭头表示光在该FP腔光纤声传感器中的传播方式。

请参考图3A-3L，本实用新型的实施例还提供了制备上述外凸式双层压力敏感膜1的方法，包括以下步骤：

步骤S1，使用匀胶机在纯净的二氧化硅基片5上旋涂一层负性光刻胶6(如图3A所示)，然后使用光刻机，利用紫外光透过一掩膜板上开设的特定图形通孔对负性光刻胶6曝光，用显影液去除曝光后性质发生改变的负性光刻胶6，得到与掩膜板对应的图形形状的空槽(如图3B所示)，以剩下的负性光刻胶6作为掩膜，使用ICP对整个二氧化硅基片5表面进行刻蚀，在二氧化硅基片5上得到对应图形的标记和图案，标记是便于后续套刻步骤的定位，图案是为了做坑；然后用丙酮溶液除掉负性光刻胶6，只剩下干净的带刻蚀标记和小圆坑的二氧化硅基片5(如图3C所示)；负性光刻胶6的型号为AZ5214，负性光刻胶6可以通过光刻显影将曝光区域保留；

步骤S2、在做好套刻标记和在图案处刻蚀出小圆坑的二氧化硅基片5上蒸镀一层介质硬膜(由五氧化二铌和氟化镁通过叠成式的方法制得)，此时小圆坑中填满介质硬膜(如图3D所示)；

步骤S3、再次使用匀胶机旋涂上正性光刻胶7，利用另一个与步骤S1中掩膜板相同位置开设有相同图形通孔的掩膜板进行定位，步骤S3中的掩膜板还开设有圆形通孔；经过与步骤S1相同的曝光、溶解步骤，在位于小圆坑中的介质硬膜上形成小圆柱体状的正性光刻胶7；此部分的正性光刻胶7对小圆坑中的介质硬膜起保护作用，小圆柱体外是裸露的介质硬膜(如图3E所示)；正性光刻胶7的型号为PW1500s，正性光刻胶7可以通过光刻显影将曝光区域溶解掉；

步骤S4、使用ICP对整个二氧化硅基片5进行刻蚀，打掉裸露在外的介质硬膜，同时会打掉部分起保护作用的正性光刻胶7(如图3F所示)，使用丙酮溶液除去起保护作用的正性光刻胶7，只剩下填充在二氧化硅基片5上小圆坑中的介质硬膜(如图3G所示)；

步骤S5、使用匀胶机再次在介质硬膜周围涂上负性光刻胶6(如图3H所示)，利用另一个与步骤S1中掩膜板相同位置开设有相同图形通孔的掩膜板进行定位，步骤S5中的掩膜板还开设有圆形通孔，其圆心与步骤S3中掩膜板开设的圆形通孔的圆心重合；经过与步骤S1相同的曝光、溶解步骤，在负性光刻胶6中形成一圆柱体空槽8，圆柱体空槽8的底部为介质硬膜12(如图3I所示)；使用匀胶机最后旋涂一层PDMS，使圆柱体空槽8中填满PDMS(如图3J所示)；

步骤S6、使用ICP技术打掉表薄层PDMS，使其表面与圆柱体空槽8在同一高度，保证PDMS表面平整，获得软膜11(如图3K所示)；用丙酮去除外部的负性光刻胶6，将二氧化硅基片5倒置于氢氟酸中，使氢氟酸与二氧化硅基片5反应，从而使外凸式双层压力敏感膜1脱离(如图3L所示)。

制备上述FP腔光纤声传感器的过程为：使用镜筒将单模光纤3插入毛细玻璃管2中，并用胶固定，使用滤膜将外凸式双层压力敏感膜1捞出，放入溶液中使其漂浮，然后在显微镜下对准，用范德瓦尔斯力将其吸附在毛细玻璃管2上。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，其特征在于，包括软膜和镀在软膜下方的介质硬膜，所述软膜的直径大于介质硬膜的直径，使得软膜和介质硬膜形成外凸式结构，所述介质硬膜包括若干第一介质层和若干第二介质层，所述第一介质层的折射率大于第二介质层的折射率，所述第一介质层和第二介质层由下至上依次交替层叠。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，其特征在于，所述软膜为由PDMS制成的橡胶膜或硅胶膜。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，其特征在于，所述第一介质层由五氧化二铌制成，所述第二介质层由氟化镁制成。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，其特征在于，所述介质硬膜的厚度为500-2000nm。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS工艺的外凸式双层压力敏感膜，其特征在于，所述软膜的厚度为0.5-10μm。

6.一种基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的外凸式双层压力敏感膜，还包括毛细玻璃管和单模光纤，所述单模光纤位于毛细玻璃管内，所述毛细玻璃管包括毛细玻璃管左端和毛细玻璃管右端，所述单模光纤包括单模光纤左端和单模光纤右端，所述毛细玻璃管左端和单模光纤左端连接，所述毛细玻璃管右端与软膜连接，所述单模光纤右端与介质硬膜之间形成一空气腔作为FP腔体。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，其特征在于，所述介质硬膜与单模光纤的纤芯横截面相对设置，所述介质硬膜的直径等于或大于单模光纤的纤芯横截面直径。

8.根据权利要求6所述的基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，其特征在于，所述软膜的直径与毛细玻璃管的外径相等。

9.根据权利要求6所述的基于MEMS工艺的FP腔光纤声传感器，其特征在于，所述单模光纤的横截面中心和外凸式双层压力敏感膜的中心均在毛细玻璃管的轴线上。