CN219087309U - 一种一体式光纤mems麦克风探头及光纤mems麦克风 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤麦克风技术领域，具体公开了一种一体式光纤MEMS麦克风探头及光纤MEMS麦克风，包括：声压敏感膜片，包括四周型硅支撑结构，设置在所述四周型硅支撑结构背面的保护层，以及悬空设置在所述四周型硅支撑结构正面的敏感膜片结构，所述敏感膜片结构背离悬空区域的表面形成波纹结构且设置反射金膜；玻璃基座，与所述声压敏感膜片键合连接，所述玻璃基座朝向所述声压敏感膜片的表面形成凸起部，所述凸起部上形成入射光纤通道和出射光纤通道，所述入射光纤通道和所述出射光纤通道之间呈夹角设置。本实用新型提供的一体式光纤MEMS麦克风探头不仅体积小且探测灵敏度高。

Description

一种一体式光纤MEMS麦克风探头及光纤MEMS麦克风

技术领域

本实用新型涉及光纤麦克风技术领域，尤其涉及一种一体式光纤MEMS麦克风探头及包括一体式光纤MEMS麦克风探头的光纤MEMS麦克风。

背景技术

光纤微机械电子系统（MEMS）传感器是MEMS微加工技术与微光学技术相结合发展的新型传感器，具有微型化、强抗电磁干扰、易于集成、易于阵化、低成本等优点。

光纤MEMS麦克风主要基于法布里-珀罗（F-P）干涉原理，在光纤端面和MEMS敏感膜之间形成F-P腔，通过敏感膜感知声压力变化，并把声信号转化为敏感膜挠度变化值，通过激光F-P干涉原理检测敏感膜挠度的变化，最后输出声信号压力值。

现有市面上的光纤 MEMS 麦克风探头大多数采用单根光纤作为光子入射及接收的载体，但单根光纤光功率损耗大，灵敏度比双纤结构低，导致单纤光纤MEMS麦克风灵敏度差；而使用双光纤进行光信号传输的一般采用声压敏感膜片结构与光纤基座分开制作，后续进行组合封装，这种方式导致麦克风体积因增加封装外壳而变大。

因此，如何提供一种灵敏度高且体积小的麦克风探头成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型提供了一种一体式光纤MEMS麦克风探头及包括一体式光纤MEMS麦克风探头的光纤MEMS麦克风，解决相关技术中存在的麦克风探头体积与灵敏度不能兼得的问题。

作为本实用新型的第一个方面，提供一种一体式光纤MEMS麦克风探头，其中，包括：

声压敏感膜片，包括四周型硅支撑结构，设置在所述四周型硅支撑结构背面的保护层，以及悬空设置在所述四周型硅支撑结构正面的敏感膜片结构，所述敏感膜片结构背离悬空区域的表面形成波纹结构且设置反射金膜；

玻璃基座，与所述声压敏感膜片键合连接，所述玻璃基座朝向所述声压敏感膜片的表面形成凸起部，所述凸起部上形成入射光纤通道和出射光纤通道，所述入射光纤通道和所述出射光纤通道之间呈夹角设置。

进一步地，所述玻璃基座朝向所述声压敏感膜片的表面形成环绕所述凸起部设置的凹槽。

进一步地，所述凹槽的深度不小于50μm，且不大于所述玻璃基座的厚度。

进一步地，所述声压敏感膜片的四周型硅支撑结构与所述玻璃基座键合的部分位置形成通气口。

进一步地，所述敏感膜片结构的边缘固定在所述四周型硅支撑结构上且中间悬空设置，所述敏感膜片结构上形成多条波纹环，所述波纹环的凸起方向为朝向所述玻璃基座的方向，所述反射金膜设置在所述敏感膜片结构朝向所述玻璃基座的方向的表面，且被所述波纹环环绕设置。

进一步地，所述反射金膜的形状与所述波纹环的形状适配。

进一步地，所述保护层和所述敏感膜片结构的制作材料均包括二氧化硅膜。

进一步地，所述入射光纤通道和所述出射光纤通道均贯穿所述玻璃基座的厚度方向设置，且所述入射光纤通道和所述出射光纤通道之间的夹角为56°。

进一步地，所述玻璃基座与所述声压敏感膜片之间的键合方式包括阳极键合。

作为本实用新型的另一个方面，提供一种光纤MEMS麦克风，其中，包括前文所述的一体式光纤MEMS麦克风探头。

本实用新型提供的一体式光纤MEMS麦克风探头，将玻璃基座与声压敏感膜片以键合方式一体化制作，使得形成的麦克风探头的体积小巧；在声压敏感膜片上形成波纹结构能够有效降低敏感膜片结构的表面应力，且使其能够在微小声源下发生振动，以及通过设置反射金膜对入射光进行反射形成反射光，能够有效提升光学反射率，从而提高了光纤MEMS 麦克风探头的探测灵敏度。因此，本实用新型提供的一体式光纤MEMS麦克风探头具有体积小且探测灵敏度高的优势。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的一体式光纤MEMS麦克风探头的剖视图。

图2a为本实用新型提供的硅片上溅射保护层后的剖视图。

图2b为图2a的俯视图。

图3a为本实用新型提供的硅片的上表面刻蚀形成波纹环以及通气口后的剖视图。

图3b为图3a的俯视图。

图4为本实用新型提供的硅片的上表面和下表面形成二氧化硅膜的剖视图。

图5a为本实用新型提供的在二氧化硅膜上形成反射金膜的剖视图。

图5b为图5a的俯视图。

图6为本实用新型形成的声压敏感膜片的剖视图。

图7a为本实用新型提供的玻璃基座上形成凹槽和凸起部的剖视图。

图7b为图7a的俯视图。

图8a为本实用新型提供的玻璃基座上形成入射光纤通道和出射光纤通道的剖视图。

图8b为图8a的俯视图。

实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种一体式光纤MEMS麦克风探头，图1是根据本实用新型实施例提供的一体式光纤MEMS麦克风探头的剖视图，如图1所示，包括：

声压敏感膜片100，包括四周型硅支撑结构110，设置在所述四周型硅支撑结构110背面的保护层120，以及悬空设置在所述四周型硅支撑结构110正面的敏感膜片结构130，所述敏感膜片结构130背离悬空区域的表面形成波纹结构且设置反射金膜；

玻璃基座200，与所述声压敏感膜片100键合连接，所述玻璃基座200朝向所述声压敏感膜片100的表面形成凸起部210，所述凸起部210上形成入射光纤通道211和出射光纤通道212，所述入射光纤通道211和所述出射光纤通道212之间呈夹角设置。

在本实用新型实施例中，将玻璃基座与声压敏感膜片以键合方式一体化制作，使得形成的麦克风探头的体积小巧；在声压敏感膜片上形成波纹结构能够有效降低敏感膜片结构的表面应力，且使其能够在微小声源下发生振动，以及通过设置反射金膜对入射光进行反射形成反射光，能够有效提升光学反射率，从而提高了光纤 MEMS 麦克风探头的探测灵敏度。因此，本实用新型提供的一体式光纤MEMS麦克风探头具有体积小且探测灵敏度高的优势。

具体地，所述四周型硅支撑结构110具体可以采用厚度400μm、晶向（100）的硅片，所述玻璃基座200可以采用400μm的石英玻璃晶圆制作。

在本实用新型实施例中，为了增大所述玻璃基座背板的声阻抗，所述玻璃基座200朝向所述声压敏感膜片100的表面形成环绕所述凸起部210设置的凹槽220。

应当理解的是，由于所述玻璃基座200与所述声压敏感膜片100一体化制作，如石英玻璃有声波干扰，则会影响性能，导致测试数据不准，因此通过在玻璃基座200上设置凹槽220，可以增大辐射面积（声阻抗=声压/体积速度，即声阻抗表示一定表面积上的声压和通过该表面积的体积速度的复比值，其中体积速度又称为体积流量，为声波在一指定表面积上每单位时间产生的交变流量），在声压不变的情况下，声阻抗也将变大。因此，在本实用新型实施例中设置凹槽，可以增加是用玻璃基座的表面积，减小体积速度，从而能够有效增大玻璃基座的声阻抗，以减少声波反射干扰。

优选地，所述凹槽220的深度不小于50μm，且不大于所述玻璃基座200的厚度。

在一些实施方式中，为了能够使得所述玻璃基座200与所述声压敏感膜片100键合后形成的F-P腔内的气压与外侧气压一致，所述声压敏感膜片100的四周型硅支撑结构110与所述玻璃基座200键合的部分位置形成通气口140。

另外，由于设置了通气口140，保持了F-P腔内外气压一致，还能够降低声压敏感膜片100在键合时发生破裂的风险，同时降低所形成的光纤MEMS麦克风在温度变化时，由于腔内气体膨胀而导致F-P腔的腔长发生变化，而导致正交工作点漂移引起声压测量不准确的问题。

需要说明的是，所述F-P腔具体可以指的是所述凸起部210朝向所述声压敏感膜片100的端面与所述反射金膜132之间形成的腔体结构，所述F-P腔的腔长具体指的是垂直于所述反射金膜132和所述凸起部210的端面的方向上的F-P腔的长度。

在一些实施方式中，所述敏感膜片结构130的边缘固定在所述四周型硅支撑结构110上且中间悬空设置，所述敏感膜片结构130上形成多条波纹环131，所述波纹环的凸起方向为朝向所述玻璃基座200的方向，所述反射金膜132设置在所述敏感膜片结构130朝向所述玻璃基座200的方向的表面，且被所述波纹环环绕设置。

应当理解的是，在所述敏感膜片结构130上形成波纹环131，能够有效降低敏感膜片结构130的内应力，同时使得敏感膜片结构130能够更容易在微小声源下发生振动。由于在敏感膜片结构130的未凸起的中心区域溅射一层反射金膜132，增加了敏感膜片结构130的反射率，使得几十纳米金膜就可在红外波段获得近乎100%的反射率，从而提高了光纤MEMS麦克风探头的灵敏度，进而能够增加光纤MEMS麦克风的频率响应范围。

具体地，所述反射金膜132的形状与所述波纹环131的形状适配。

由图5b可以看出，所述波纹环131呈圆环状，因此反射金膜132的形状也是圆形。

具体地，如图8所示，所述入射光纤通道211和所述出射光纤通道212均贯穿所述玻璃基座200的厚度方向设置，且所述入射光纤通道211和所述出射光纤通道212之间的夹角a为56°。

需要说明的是，在本实用新型实施例中，设置夹角a为56°能够达到耦合效率最优。

在本实用新型实施例中，所述玻璃基座200与所述声压敏感膜片100之间的键合方式包括阳极键合。

应当理解的是，本实用新型中的玻璃基座与声压敏感膜通过阳极键合方式结合成一体，构成光纤 MEMS 麦克风探头，省去原本探头的封装，从而能够使得一体式光纤MEMS麦克风探头的体积更小。

下面结合图1至图8b详细说明一体式光纤MEMS麦克风探头的制作过程。

光纤 MEMS 麦克风以二氧化硅敏感膜片与多模光纤构成F-P干涉腔，采用阳极键合的方式将声压敏感膜片与石英玻璃基座结合成一体，组成光纤麦克风探头。其中，多模光纤直径125μm，纤芯直径50μm；二氧化硅膜片为边长是2mm的正方形。光纤端面与二氧化硅膜片上的金属反射膜形成两个反射面，两束反射光在两表面形成双光束干涉，构成F-P干涉仪。当膜片在声场的作用下，敏感膜发生振动从而使F-P腔腔长受声信号调制，通过对反射光相对强度变化，可以得到腔长变化的频率和幅度，从而获得声信号的频率和幅度。

首先，声压敏感膜片100的制作：

（1）在400μm的硅片背面溅射400nm的Cr作为背面保护层，正面用PECVD沉积一层二氧化硅制作掩膜，然后使用80℃ 浓度为50% KOH溶液进行蚀刻，将F-P腔刻蚀出来，腔长为50μm，去除正面氧化硅，结构如图2a和图2b所示；

（2）重新沉积新的一层氧化硅制作掩膜，使用KOH溶液刻蚀出波纹环结构与通气口，其深度均为3μm，去除正面二氧化硅掩膜及背面Cr金属膜，结构如图3a和图3b所示；

（3）使用LPCVD制备二氧化硅薄膜，结构如图4所示；

（4）正面进行光刻，然后采用磁控溅射方式溅射上一层金膜提高声压敏感膜片的反射率，结构如图5a和图5b所示；

（5）正面溅射一层300nm的Cr金属膜保护，背面制作二氧化硅掩膜，使用KOH溶液蚀刻背腔，去除正面Cr金属膜，整体结构如图6所示；

其次，进行石英玻璃基座200的制作：

（1）石英晶圆双面旋涂光刻胶，正面光刻制作光刻胶掩膜，使用25℃浓度为40%的HF溶液蚀刻，去除光刻胶，结构如图7a和图7b所示；

（2）采用激光刻蚀技术打通入射光纤与出射光纤通道，两光纤通道夹角为56°，结构如图8a和图8b所示；

最后对光纤MEMS麦克风探头进行制作：将制作好的硅基晶圆与石英晶圆对准贴合，放入键合机中进行阳极键合，完成光纤麦克风探头的制作，结构如图1所示。

作为本实用新型的另一实施例，提供一种光纤MEMS麦克风，其中，包括前文所述的一体式光纤MEMS麦克风探头。

本实用新型提供的光纤MEMS麦克风，由于采用了前文的一体式光纤MEMS麦克风探头，具有灵敏度高且体积小的优势。

关于本实用新型提供的光纤MEMS麦克风的具体工作原理可以参照前文的一体式光纤MEMS麦克风探头的具体描述，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，包括：

声压敏感膜片，包括四周型硅支撑结构，设置在所述四周型硅支撑结构背面的保护层，以及悬空设置在所述四周型硅支撑结构正面的敏感膜片结构，所述敏感膜片结构背离悬空区域的表面形成波纹结构且设置反射金膜；

玻璃基座，与所述声压敏感膜片键合连接，所述玻璃基座朝向所述声压敏感膜片的表面形成凸起部，所述凸起部上形成入射光纤通道和出射光纤通道，所述入射光纤通道和所述出射光纤通道之间呈夹角设置。

2.根据权利要求1所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述玻璃基座朝向所述声压敏感膜片的表面形成环绕所述凸起部设置的凹槽。

3.根据权利要求2所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述凹槽的深度不小于50μm，且不大于所述玻璃基座的厚度。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述声压敏感膜片的四周型硅支撑结构与所述玻璃基座键合的部分位置形成通气口。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述敏感膜片结构的边缘固定在所述四周型硅支撑结构上且中间悬空设置，所述敏感膜片结构上形成多条波纹环，所述波纹环的凸起方向为朝向所述玻璃基座的方向，所述反射金膜设置在所述敏感膜片结构朝向所述玻璃基座的方向的表面，且被所述波纹环环绕设置。

6.根据权利要求5所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述反射金膜的形状与所述波纹环的形状适配。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述保护层和所述敏感膜片结构的制作材料均包括二氧化硅膜。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述入射光纤通道和所述出射光纤通道均贯穿所述玻璃基座的厚度方向设置，且所述入射光纤通道和所述出射光纤通道之间的夹角为56°。

9.根据权利要求1至3中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头，其特征在于，所述玻璃基座与所述声压敏感膜片之间的键合方式包括阳极键合。

10.一种光纤MEMS麦克风，其特征在于，包括权利要求1至9中任意一项所述的一体式光纤MEMS麦克风探头。

Images