DE3611852C2

DE3611852C2 -

Info

Publication number: DE3611852C2
Application number: DE3611852A
Authority: DE
Inventors: Kazutaka Tenri Nara Jp Uda
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1986-04-09
Publication date: 1990-02-08
Also published as: GB8608584D0; GB2175086B; DE3611852A1; GB2175086A; US4682500A; JPS61235731A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines druckempfindlichen Elementes nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein derartiges druckempfindliches Element kleiner Größe ist für Druckmeßeinrichtungen o. dgl., besonders für einen optischen Drucksensor, der die Fabry-P´rot 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 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.

Der in einem Aufsatz in: Society for Electronics and Communication, 1981/2 Vol. J64-C No. 2, Seiten 137-144 beschriebene und in Fig. 1 gezeigte Drucksensor bzw. Sensorteil eines Mikrofons, in dem die Verlagerung der Membran unter Verwendung der Fabry-P´rot Interferenz erfaßt wird, besteht aus einer Membran 5 aus einer Glimmerschicht o. dgl. mit einer Dicke von 10 oder mehr µm, einer Faser 6, auf deren Endfläche 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-P´rot 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, einen Druckmeßsensor zu schaffen, bei dem der Luftspalt mit einer Genauigkeit im Submikronbereich hergestellt werden kann und der kostengünstig in einer Massenfertigung hergestellt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß auf einen photoempfindlichen Körper mit Hilfe der Dünnschichttechnik mehrere Schichten aufgetragen werden, von denen zwei in Form von Reflexionsflächen die beiden reflektierenden Flächen des Fabry-P´rot-Resonators bilden und daß ein Zentralbereich einer Zwischenschicht zwischen den Reflexionsschichten zur Bildung des Luftspaltes mit einem definierten gleichmäßigen Abstand in der Weise weggeätzt wird, daß ein Rand der Zwischenschicht als Abstandhalter bestehen bleibt.

Das neue Herstellverfahren ermöglicht es, Drucksensoren in extrem geringer Baugröße mit einem Höchstmaß an Genauigkeit kostengünstig herzustellen, wobei ein Luftspalt mit exakt gleichmäßigem Abstand entsteht. Der Ätzprozeß ermöglicht es, daß die Reflexionsschichten einen absolut planparallelen Abstand voneinander haben, wobei die Höhe des Luftspaltes über die Dicke der Zwischenschicht exakt bestimmbar ist. Auf diese Weise werden die Ungenauigkeiten, die bei einem Herstellprozeß auftreten, in dem die Bestandteile zusammengesetzt werden müssen, in vorteilhafter Weise vermieden und gleichzeitig die Herstellkosten gesenkt.

Die Erfindung schafft ein druckempfindliches Element geringer Größe mit hoher Leistungsfähigkeit unter Ausnutzung der Fabry-P´rot Interferenz, wobei eine obere und eine untere reflektierende Schicht, die den Fabry-P´rot-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 Reflexion an der Stirnfläche der Faser nicht ausgewertet wird.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schritt durch einen bekannten Drucksensor, der die Fabry-P´rot Interferenz nutzt,

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

Fig. 4a bis 4f einen Herstellungsprozeß eines druckempfindlichen Elementes gemäß Fig. 2a und 2b.

In den Fig. 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-P´rot Resonator aus den zuvor genannten oben 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-P´rot-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 11 so 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 reflektierende Schicht 14, 12 bilden einen gleichförmigen Luftspalt 21, dessen Abstand von der Zwischenschicht 13 bestimmt wird. Wenn die Faser 16 gegen Reflexion beschichtet ist, wird Anpassungsöl o. dgl. in die Durchgangsöffnung von der Unterseite der Basisplatte 11 aus fotoempfindlichem Glas eingeführt, so daß man ein druckempfindliches Element mit gleichförmigen und stabilen Eigenschaften, 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 Fig. 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 11 a mit einer Öffnung zur Aufnahme der Stablinse ersetzt.

Im folgenden wird ein Herstellungsprozeß für ein druckempfindliches Element erläutert.

In den Fig. 4a bis 4f ist ein Herstellungsprozeß für das druckempfindliche Element der Fig. 2a und 2b dargestellt. In Fig. 4a ist die fotoempfindliche Glasbasisplatte 11 a ultra-violetten Strahlen ausgesetzt, während ein gewünschtes Muster darauf liegt. Bei dem Aussetzen einer Hitzebehandlung wird der belichtete Teil der Basisplatte 11 a kristallisiert, um auf einfache Weise geätzt zu werden. In Fig. 4b ist ein solcher Mehrlagenfilm, wie beispielsweise Y₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Si₃N₄, 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 11 a 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. Ätzflüssigkeit 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 Zerstäubungsprozeß oder die CVD-Methode gebildet. Wenn darüber hinaus der Luftspalt in der Zwischenschicht 13 in einem Nachprozeß gebildet wird, wird die Zwischenschicht 13, 13 a 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 13 a der Zwischenschicht, der dem belichteten Bereich der Basisplatte 11 a 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, 13 a gebildet, um die obere reflektierende Schicht 14 in der gleichen Weise wie die untere reflektierende 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 AL₂O₃, 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 Ätzflüssigkeit 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 13 a der Zwischenschicht geätzt wird. Die Zwischenschicht 13 kann wahlweise mit einer Ätzung behandelt werden, indem eine wäßrige Lösung KOH, eine wäßrige Lösung Äthylendiamin 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 Reflexion 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:

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, das Poissonsche Verhältnis und H die Filmdicke der Membran 15 ist. Wenn die Membran 15 aus Al₂O₃ besteht und der Radius r der Membran 90 µm und die Filmdicke H 3 µm beträgt, betragen die Verschiebungen W jeweils 0,026; 0,064; bzw. 0,129 µm, 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-P´rot-Resonator bildenden oberen und unteren reflektierenden Schichten 14, 12 untereinander die gleiche Durchlässigkeit und das gleiche Reflexionsvermögen 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:

wobei n der Brechungsindex, der in dem zuvor beschriebenen Fall 1 beträgt, L der Abstand zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht, R 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:

wobei R das Reflexionsvermögen ist. Wenn δ = 2m π ist (m ist eine positive ganze Zahl), werden, unabhängig von dem Wert des Reflexionsvermögens 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 R ungefähr Null und wenn ein He-Ne-Laser (λ = 0,6328 µm) als Lichtquelle verwendet wird, beträgt der Abstand (Luftspalt) zwischen der oberen und unteren reflektierenden Schicht 14, 12, der den zuvor genannten Bedingungen genügt, L = 0,6328 m/2) (µm). Wenn das Reflexionsvermögen 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:

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 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

1. Verfahren zur Herstellung eines druckempfindlichen Elementes mit zwei zwischen sich einen Luftspalt aufweisenden lichtreflektierenden Flächen, die einen Fabry-P´rot-Resonator bilden, dadurch gekennzeichnet,

- daß auf einen photoempfindlichen Körper mit Hilfe der Dünnschichttechnik mehrere Schichten aufgetragen werden, von denen zwei in Form von Reflexionsschichten die beiden reflektierenden Flächen des Fabry-P´rot-Resonator bilden und
- daß ein Zentralbereich einer Zwischenschicht zwischen den Reflexionsschichten zur Bildung des Luftspaltes mit einem definierten gleichmäßigen Abstand in der Weise weggeätzt wird,
- daß ein Rand der Zwischenschicht als Abstandshalter bestehen bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein photoempfindlicher Glaskörper zum nachträglichen Ätzen belichtet wird,
daß in einem zweiten Schritt die untere Reflexionsschicht auf den Glaskörper aufgetragen wird und photolithographisch mit mindestens einer Durchbrechung versehen wird,
daß in einem dritten Schritt die Zwischenschicht aus einem anisotropischen Substrat aufgetragen wird,
daß in einem vierten Schritt die Zwischenschicht durch Ioneninjektion oder Thermodiffusion verändert wird,
daß in einem fünften Schritt die obere Reflexionsschicht aufgetragen wird und
daß in einem sechsten Schritt der photoempfindliche Glaskörper und die Zwischenschicht teilweise weggeätzt wird, wodurch zwischen den Reflexionsschichten der Luftspalt und bis zur unteren Reflexionsfläche eine Aussparung im Glaskörper entsteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Reflexionsschicht mit einer hochelastischen Membranschicht beschichtet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Aussparung des Glaskörpers ein Lichtwellenleiter eingefügt wird.