DE3611852A1

DE3611852A1 - Druckempfindliches element

Info

Publication number: DE3611852A1
Application number: DE19863611852
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Tenri Nara Uda
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1986-04-09
Publication date: 1986-10-16
Also published as: GB8608584D0; JPS61235731A; GB2175086B; US4682500A; GB2175086A; DE3611852C2

Description

VON KREISLER SCK'ONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

- 3·

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-Ing. K. W. Eishold 11981

Dr.-Ing. K. Schönwald

SHARP KABUSHIKI KAISHA π'ί'ί!™**, ι ν ·.

_ _ „ _ „ . . . Dipl.-Chem. Alek von Kreisler

22-22 Nagaike-Cho Dipl.-Chem. Carola Keller

AbenO-kU Dipl.-Ing. G. Selting

Osaka, Japan Dr. H.-K.Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

Sgd/CS

8. April 1986

Druckempfindliches Element

Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Element nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiges druckempfindliches Element kleiner Größe ist für Druckmeßeinrichtungen o.dgl., besonders für einen optischen Drucksensor, der die Fabry-Perot Interferenz nutzt, geeignet.

Da ein Halbleiterdrucksensor den Vorteil hat, eine kleine Baugröße und hohe Genauigkeit aufzuweisen, ist ein Halbleiterdrucksensor zum Messen von Drücken weitgehend vorherrschend. Der Halbleiterdrucksensor hat jedoch den Nachteil, daß beim Messen von Drücken in einem menschlichen Körper unbedingt eine elektrische Abschirmung vorgenommen werden muß und das Rauschen in einem starken elektromagnetischen Feld erkannt werden muß, da beim Messen der Drücke elektrische Signale verwendet werden. Andererseits können, da ein optischer Drucksensor, der optische Signale anstelle von elektrischen Signalen verwendet, die oben beschriebenen

0221j 131041 - Telex: 8882307 dopa d - Telegramm: Dompaient Köln

Probleme im wesentlichen nicht aufweist, Drücke auf einfache Weise gemessen werden. Beispielsweise kann bei einem solchen Drucksensor, bei dem eine Membran an den Enden eines optischen Faserbündels montiert ist, um eine Druckänderung als Intensitätsänderung des reflektierten Lichts durch eine Verformung der Membran zu messen, ein Drucksensor geringer Größe bis zu einem gewissen Ausmaß mit verringerten Störungen erhalten werden, der einfach im Aufbau ist. Andererseits besteht der Nachteil, daß die Änderung der Lichtintensität hierbei relativ gering ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht ein bekannter Drucksensor bzw. der Sensorteil eines Mikrofons, in dem die Verlagerung der Membran unter Verwendung der Fabry-Perot Interferenz erfaßt wird, aus einer Membran 5 aus einer Glimmerschicht o.dgl. mit einer Dicke von 10 oder mehr pm, einer Faser 6, auf deren Endoberfläche AL abgelagert ist, einem Abstandhalter 8 aus einem Material, wie beispielsweise Invar oder einem Kristall mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, und einem Stützteil 9.

Der Abstandhalter 8 ist fest an dem Stützteil 9 montiert, so daß die Membran 5 und die Faser 6 einander mit dem erforderlichen Abstand gegenüberliegend angeordnet sind, wobei sich zwischen ihnen ein Luftspalt bildet. Da jedoch die Membran 5 und die Faser 6 eng an dem Abstandhalter 8 anhaften, ist es schwierig, die Membran 5 und die Faser 6 in einem parallelen Zustand zu halten oder den Luftspalt hinsichtlich seiner Höhe konstant zu halten. Da es erforderlich ist, daß der bekannte, die Fabry-Perot Interferenz nutzende Drucksensor in einem Bearbeitungs- und Zusammenbauprozeß hoher Genauigkeit hergestellt wird, besteht das Problem, daß er auf eine kleine Baugröße beschränkt ist.

\ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes druckempfindliches Element zu schaffen, das unabhängig von der Position, bis zu der eine Faser eingeführt ist, die erforderlichen gleichförmigen Eigenschaften aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwei Licht reflektierende durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß gebildete dünne Schichten einen Fabry-Perot Resonator bilden, der einem Lichtübertragungssystem zugewandt ist, und daß ein druckdeformierbares Teil auf die Licht reflekierenden dünnen Schichten aufgeschichtet ist, wobei ein optischer Wegunterschied entsprechend der Weite eines zwischen den beiden Licht reflektierenden dünnen Schichten angeordneten Luftspaltes gebildet ist, dessen Weite durch Deformation des druckdeformierbaren Teiles veränderbar ist.

Die Erfindung schafft ein druckempfindliches Element geringer Größe mit hoher Leistungsfähigkeit unter Ausnutzung der Fabry-Perot Interferenz, wobei eine obere und eine untere reflektierende Schicht, die den Fabry-Perot Resonator bilden, hinsichtlich des zwischen ihnen gebildeten Zwischenraumes durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß leicht gesteuert werden kann.

Das druckempfindliche Element weist die erforderlichen gleichförmigen Eigenschaften unabhängig von der Position auf, bis zu der die Faser eingefügt ist, da eine Interferenz durch die Reflektion an der Stirnfläche der Faser nicht ausgewertet wird.

^ Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun-/J} gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Drucksensor, der die Fabry-Perot Interferenz nutzt,
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Fig. 2a einen Schnitt durch ein druckempfindliches
Element für Fasern gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2b eine Ansicht des druckempfindlichen Elementes gemäß Fig. 2a von unten,

Fig. 3a einen Schnitt durch ein druckempfindliches

Element für Stablinsen gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3b eine Ansicht des druckempfindlichen Elementes gemäß Fig. 3a von unten und

Fign. 4a einen Herstellungsprozeß eines druckempfindbis 4f liehen Elementes gemäß Figuren 2a und 2b.

In den Figuren 2a und 2b ist ein druckempfindliches Element entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, das eine Grundplatte 11 aus fotoempfindlichem Glas, einer oberen und einer unteren reflektierenden Schicht 14,12 aus einem Material mit einem ungefähr dem der Basisplatte 11 gleichen thermischen Expansionskoeffizienten, eine zwischen den Schichten 12,14 angeordnete Zwischenschicht 13 und eine Membran 15 aus einem Material hoher Dehnbarkeit aufweist. Alle diese Teile sind aufeinander und nacheinander über einen Dünnfilmherstellungsprozeß, wie beispielsweise

Elektronenstrahlablagerungsmethode, Zerstäubungsprozeß, CVD-Methode (chemisches Dampfablagerungsverfahren) gebildet. Dabei wird ein Fabry-Perot Resonator aus den zuvor genannten oberen und unteren reflektierenden Schichten 14,12 und der Zwischenschicht 13 gebildet, wobei die Dicke der Schicht dem zwischen beiden Schichten 12,14 definierten Luftspalt entspricht. Die Schichtdicke kann auf einfache Weise unter Verwendung des Dünnfilmherstellungsprozeßes gesteuert werden, so daß ein druckempfindlicher Teil mit einem Fabry-Perot Resonator und mit darauf geschichteter Membran 15 auf der Basisplatte 11 gebildet wird. Die Membran 15 ändert auf elastische Weise ihre Form in bezug auf ihre Oberfläche in vertikaler Richtung entsprechend dem auf sie ausgeübten Druckniveau. Darüber hinaus wird eine Faser 16 nach oben in die Basisplatte 11 von der Unterseite der Basisplatte so 11 eingefügt, daß sie mit ihrer Stirnseite der unteren reflektierenden Schicht 12 zugewandt ist. Nach Bildung der Zwischenschicht 13, die ein Abstandhalter zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht 14,12 ist, über den Dünnfilmherstellungsprozeß > wird der Zentralbereich der Zwischenschicht 13 über einen Ätzvorgang entfernt, so daß die Zwischenschicht 13 ringförmig wird, und eine Durchgangsöffnung, die die darin eingefügte Faser 16 aufnimmt, wird ebenfalls in der Basisplatte 11 durch einen selektiven Ätzprozeß gebildet. Die Faser 16 ist mit ihrer Stirnfläche der unteren reflektierenden Schicht 12 zugewandt, so daß von einer Lichtquelle emittiertes Licht derart übertragen wird, daß es von der Stirnfläche auf die obere und untere reflektierende Schicht 14,12 geleitet wird. Das von einem Lichtübertragungssystem, wie einer Faser 16, einer Stablinse 17 o.dgl. zugeführte Licht wird auf die obere und die

untere reflektierende Schicht 14,12 übertragen. Danach wird das Licht dem Lichtübertragungssystem als Signallicht zugeführt. Die obere und die untere reflektieren^ de Schicht 14,12 bilden einen gleichförmigen Luftspalt 21, dessen Abstand von der Zwischenschicht 13 bestimmt wird. Wenn die Faser 16 gegen Reflektion beschichtet ist, wird Anpassungsöl o.dgl. in die Durchgangsöffnung von der Unterseite der Basisplatte 11 aus fotoempfindlichem Glas eingeführt, so daß man ein druckempfindliche Element mit gleichförmigen und stabilen Eigenschäften, unabhängig von der Position der Stirnfläche der Faser 16, erhält. Die untere reflektierende Schicht 12 weist sechs kreisförmig rund um den zuvor erwähnten Luftspalt 21 mit gleichmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnete Durchgangslöcher auf.

Die Figuren 3a und 3b zeigen ein druckempfindliches Element gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierbei ist die Faser 16 ersetzt durch eine Stablinse 17 und die Basisplatte 11 ist durch eine andere Basisplatte 11a mit einer öffnung zur Aufnahme der Stablinse ersetzt.

Im folgenden wird ein Herstellungsprozeß für ein druckempfindliches Element erläutert.

In den Figuren 4a bis 4f ist ein Herstellungsprozeß für das druckempfindliche Element der Figuren 2a und 2b dargestellt. In Fig. 4a ist die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11a ultra-violetten Strahlen ausgesetzt, während ein gewünschtes Muster darauf liegt. Bei dem Aussetzen einer Hitzebehandlung wird der belichtete Teil der Basisplatte 11a kristallisiert, um auf einfache Weise geätzt zu werden. In Fig. 4b ist ein sol-

scher Mehrlagenfilm, wie beispielsweise ^Y2°3'
Al₂O-, TiO_?, Si_N., amorphes Silizium, usw. oder ein metallischer Film, aus beispielsweise Al, Ni, Ag, Cu, usw., der zur unteren reflektierende Schicht wird, auf die zuvor erwähnte fotoempfindliche Glasbasisplatte 11a über Ablagerungsverfahren, einen Zerstäubungsprozeß, die CVD-Methode o.dgl. auflaminiert. Danach werden sechs kreisförmige Durchgangslöcher mit Hilfe der fotolithografischen Methode an Positionen gebildet, die um den belichteten Teil der Basisplatte 11 mit gleicher Teilung angeordnet sind. Xtzflüssigkeit wird in diese Durchgangslöcher eingefüllt, um so den Luftspalt 21 in der Zwischenschicht 13 in einem Nachprozeß zu bilden. Gemäß Fig. 4c wird die Zwischenschicht 13 unter Verwendung einer anisotropischen Substanz, wie beispielsweise Si, SiC o.dgl., die geätzt werden kann, auf der gesamten Oberfläche der unteren reflektierenden Schicht 12 über einen Zerstaubungsprozeß oder die CVD-Methode gebildet. Wenn darüber hinaus der Luftspalt in der Zwischenschicht 13 in einem Nachprozeß gebildet wird, wird die Zwischenschicht 13, 13a in ihrer Zusammensetzung durch Ionen-Injektion oder Thermodiffusion verändert, um nur in dem erforderlichen Teil geätzt zu werden. Auf diese Weise ergibt sich, daß der Zentralbereich 13a der Zwischenschicht, der dem belichteten Bereich der Basisplatte 11a entspricht, zu einem Bereich wird, der leicht geätzt werden kann, und daß der Umfangsbereich 13 der Zwischenschicht zu einem die Ätzung verzögernden Bereich wird, ähnlich p-Si. Gemäß Fig. 4d wird eine weitere dielektrische Mehrlagenschicht oder metallische Schicht auf der gesamten Oberfläche der Zwischenschicht 13,13a gebildet, um die obere reflektierende Schicht 14 in der gleichen Weise wie die untere reflektiertende Schicht 12 aufzutragen.

Zusätzlich wird eine anorganische feste Schicht oder eine Legierungsschicht mit ultrahohem Modul auf den oberen reflektierenden Film 14 durch Zerstäubung oder Ablagerung aufgetragen, wobei der zuvor erwähnte Film aus einem Material, wie beispielsweise AL₃O₃, besteht, dessen Modul und thermischer Ausdehnungskoeffizient nahe an denjenigen der oberen reflektierenden Schicht 14 liegen. In Fig. 4e wird die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11 mit fluorwasserstoffsaurer Verdünnungsflüssigkeit von der Unterseite der Basisplatte geätzt, um so eine Öffnung 20 zu bilden, in die die Faser 16 oder die Stablinse 17 eingefügt wird. In Fig. 4f läuft die Ätz flüssigkeit durch die in der unteren reflektierenden Schicht 12 befindlichen Durchgangsöffnungen hindurch, so daß der Luftspalt 21 in gewünschter Weise zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht 14,12 gebildet wird, in dem der nun ätzbare Zentralbereich 13a der Zwischenschicht geätzt wird. Die Zwischenschicht 13 kann wahlweise mit einer Ktzung behandelt werden, indem eine wässrige Lösung KOH, eine wässrige Lösung Ethylendiamin Brenzkatechin (APW) o.dgl. verwendet wird. Nach der letzten Stufe der Ship-Behandlung wird das druckempfindliche Element durch Einsetzen der Faser 16 oder der Stablinse 17, die gegen Reflektion durch Beschichtung, Anpassungsöl

o. dgl. behandelt ist, in die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11 fertiggestellt.

Der Zusammenhang zwischen dem zu messenden Druck und der Verschiebung der Membran 15 in ihrer Mitte ist durch folgende Gleichung gegeben:

Pr⁴ EH³

W = — , D =

⁶⁴⁰ 12(l-v²)

wobei W die Verschiebung der Membran 15 in ihrer Mitte, P der zu messende Druck, r der Radius der Membran 15, E der elastische Hilfsmodul nach Young, ν das Poissonsche Verhältnis und H die Filmdicke der Membran 15 ist. Wenn die Membran 15 aus Al₂O- besteht und der Radius r der Membran 90 μπι und die Filmdicke H 3 μΐη beträgt, betragen die Verschiebungen W jeweils 0,026; 0,064; bzw. 0,129 Mm, wenn auf die Membran 15 ein Druck von 0,2; 0,5; bzw. 1,0 bar ausgeübt wird. Daraufhin wird aufgrund der zur Vereinfachung dienenden Annahme, daß die einen Fabry-Perot Resonator bildenden oberen und unteren reflektierenden Schichten 14,12 untereinander die gleiche Durchlässigkeit und das gleiche Reflektionsvermögen aufweisen, wenn ein optischer Durchgangsunterschied der beiden Wege zwischen dem den oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12 übertragenen Licht und dem dazwischen zweimal reflektierten Licht besteht, die Phasendifferenz δ
durch die folgende Formel erhalten:

4irnL χ cos θ

wobei η der Brechungsindex, der in dem zuvor beschriebenen Fall 1 beträgt, L der Abstand zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht, θ der Einfallwinkel des Lichtstrahls und λ die Wellenlänge ist. Das Verhältnis der Intensität Ir des reflektierten Lichtes relativ zur Intensität Ii des einfallenden Lichtes ergibt sich aus folgender Formel:

Ir 4Rsin²(o/2) Ii 2 'j

(1-R) + 4Rsin (δ/2)

""•/la·

wobei R das Ref lektionsvermögen ist. Wenn δ = 2ππτ ist (m ist eine positive ganze Zahl), werden, unabhängig von dem Wert des Ref lektionsvermogens R, alle Lichtstrahlen der oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12 übertragen, da Ir/Ii Null wird. Es sei jedoch angenommen, daß keine Absorptionsverluste bestehen.

Wenn die Stablinse benutzt wird, ist θ ungefähr Null und wenn ein He-Ne-Laser (λ = 0,6328 pm) als Lichtquelle verwendet wird, beträgt der Abstand (Luftspalt) zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht 14,12, der den zuvor genannten Bedingungen genügt, L = 0,6328m/2 (um). Wenn das Reflektionsvermögen R = 0,5 beträgt, ist das Verhältnis der Intensität Ir des reflektierten Lichtes zur Intensität Ii des einfallenden Lichtes unter den zuvor beschriebenen jeweiligen Drücken in der folgenden Tabelle wiedergegeben:

Druck P (bar)	Verschiebung	W (pm)	Ir/Ii	0
0	0		0,338
0,2	0,026		0,740
0,5	0,064		0,880
1,0	0,129		0,889(max.)
1,23	0,158
	(entsprechend	λ/4)

Diese Näherungslösungen erhält man aufgrund der Annahme, daß sich der Abstand L zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht unter Beibehaltung der Parallelität der Schichten ändert.

Da die Drücke optisch gemessen werden können, ist eine elektrische Abschirmung o.dgl. nicht erforderlich. Das

- Al-

druckempfindliche Element hat extrem geringe Größe, ist einfach im Aufbau und kann leicht hergestellt werden. Da ein Rauschen o.dgl. niemals entsteht und keine extreme Genauigkeit beim Herstellungsprozeß erforderlich ist, kann der Drucksensor geringer Größe mit überlegenen Meßeigenschaften als Massenprodukt hergestellt werden.

Claims

ANSPRÜCHE :

1. Druckempfindliches Element,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Licht reflektierende durch einen Dünnschichtherstellungsprozeß gebildete dünne Schichten (12,14) einen Fabry-Perot Resonator bilden, der einem Lichtübertragungssystem (16, 17) zugewandt ist, und daß ein druckdeformierbares Teil (15) auf die Licht reflekierenden dünnen Schichten (12,14) aufgeschichtet ist, wobei ein optischer Wegunterschied entsprechend der Weite eines zwischen den beiden Licht reflektierenden dünnen Schichten (12,14) angeordneten Luftspaltes (21) gebildet ist, dessen Weite durch Deformation des druckdeformierbaren Teiles (15) veränderbar ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines druckempfindlichen Elementes nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

das Erzeugen von zwei Licht reflektierenden dünnen Schichten (12,14) auf einer Basisplatte (11,11a) in einen Dünnschichtherstellungsprozeß, wobei ein Fabry-Perot Resonator gebildet wird, der einem Lichtübertragungssystem zugewandt ist, und

das Auftragen eines druckdeformierbaren Teiles (15) auf die Licht reflektierenden dünnen Schichten (12,14) in einen weiteren Dünnschichtherstellungsprozeß, wobei ein optischer Wegunterschied in dem

ORIGINAL WSPECTED

druckempfindlichen Element entsprechend dem Abstand eines zwischen den beiden Licht reflektierenden dünnen Schichten (12,14) angeordneten Luftspaltes (21) gebildet wird, dessen Weite durch Deformation des druckdeformierbaren Teiles (15) verändert wird.