一種基于mems工藝的f-p壓力傳感器及成型方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器及成型方法，屬于高精度光纖傳感測(cè)量領(lǐng)域。所述F-P壓力傳感器主要包括F-P壓力敏感MEMS芯片、準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖和基座；其中，F(xiàn)-P壓力敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片組成；SOI硅片包括頂層硅、中間氧化層和底層硅；SOI硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片上，玻璃片與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖均通過(guò)焊料焊接在基座上；所述F-P壓力敏感MEMS芯片基于MEMS微加工技術(shù)制備，通過(guò)與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖對(duì)準(zhǔn)封裝后構(gòu)成光纖F-P壓力傳感器；所述傳感器兼具高靈敏度、高測(cè)量精度、過(guò)量程能力優(yōu)異、可工作在高溫環(huán)境；并根據(jù)壓力測(cè)量靈敏度、量程和波分組網(wǎng)等實(shí)際應(yīng)用需要而靈活調(diào)整傳感器F-P腔的初始腔長(zhǎng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器及成型方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器及成型方法，屬于高精度光纖傳感測(cè)量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器主要是以彈性元件的形變指示壓力的機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件，這種器件體積大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化、低功耗發(fā)展。
[0003]采用電信號(hào)檢測(cè)的MEMS壓力傳感器主要有壓阻式和電容式兩種，壓阻式壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器，單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路就可得到正比于力變化的電信號(hào)輸出。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。由于壓阻式和電容式的檢測(cè)精度受熱機(jī)械噪聲和寄生阻容參量的影響很難進(jìn)一步地提高，因此，為了能夠提高壓力傳感器的檢測(cè)精度，需要最大限度的降低敏感薄膜的厚度，增加了 MEMS壓力傳感器的制作難度，降低了機(jī)械可靠性和批量成品率。
[0004]目前，基于F-P干涉原理的壓力傳感器主要是全光纖式結(jié)構(gòu)，將兩光纖的端面進(jìn)行拋磨，其中一光纖端面制作微槽，然后兩光纖熔融對(duì)接在一起，以形成F-P腔?，F(xiàn)有的這種全光纖式的F-P壓力傳感器存在諸多缺陷，比如對(duì)連接的光纖進(jìn)行端面拋磨，拋磨質(zhì)量較差，微槽的制作比較困難，從而使得F-P腔的兩個(gè)端面粗糙度較差，而且端面沉積高反膜比較困難；兩光纖進(jìn)行熔接，F(xiàn)-P腔兩個(gè)端面的平行度較差，從而使得現(xiàn)有的F-P壓力傳感器制作困難，檢測(cè)信號(hào)的信噪比較差，檢測(cè)靈敏度較低等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器，所述光纖F-P壓力傳感器兼具高靈敏度、高測(cè)量精度、過(guò)量程能力優(yōu)異、機(jī)械可靠性高和動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)特性好；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器的成型方法所述壓力傳感器的器件采用MEMS工藝制作，可以實(shí)現(xiàn)器件的小型化、批量一致化制作。
[0006]本發(fā)明的目的由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器，所述F-P壓力傳感器主要包括F-P壓力敏感MEMS芯片、基座和準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖；
[0008]其中，F(xiàn)-P壓力敏感MEMS芯片由SOI硅片和玻璃片組成；
[0009]所述SOI硅片包括頂層硅、中間氧化層和底層硅；其中，底層硅的外表面依次沉積有增透膜I和鈍化層；由SOI硅片頂層硅的表面沿SOI硅片厚度方向加工深度至底層硅的環(huán)形凹槽后形成圓柱形凸臺(tái)，即形成“膜-島”結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形凹槽部分為“膜”，圓柱形凸臺(tái)部分為“島”；所述圓柱形凸臺(tái)的表面與底層硅和中間氧化層的分界面處于同一平面，且圓柱形凸臺(tái)(“島”)的表面沉積有高反膜I ;
[0010]所述玻璃片上表面沉積有高反膜II，下表面沉積有增透膜II ;
[0011]所述基座的上端面為平面，基座有中心孔；
[0012]所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的上端設(shè)置有自聚焦透鏡或等效光學(xué)元件，并在準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的上端面沉積有增透膜；
[0013]整體連接關(guān)系:
[0014]所述SOI硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的外表面與玻璃片的上表面；所述玻璃片的下表面與基座的上表面固定，所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖均通過(guò)焊料固定在基座的中心孔內(nèi)；所述SOI硅片上的環(huán)形凹槽與玻璃片的上表面形成密閉空腔；所述高反膜I與高反膜II之間的區(qū)域構(gòu)成F-P光學(xué)干涉腔；所述基座的中心孔與SOI硅片頂層硅的圓柱形凸臺(tái)同軸；所述高反膜1、高反膜I1、增透膜I及增透膜II的中心點(diǎn)處于圓柱形凸臺(tái)的軸線(xiàn)上；且高反膜1、高反膜I1、增透膜I和增透膜II的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的出射光束面積并小于等于圓柱形凸臺(tái)的面積。
[0015]所述增透膜構(gòu)成材料均優(yōu)選Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜、S1 2/Ti02復(fù)合介質(zhì)膜和Si02/Si3N4復(fù)合介質(zhì)膜中的一種；
[0016]所述高反膜優(yōu)選Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜、S1 2/Ti02復(fù)合介質(zhì)膜和S1 2/Si3N4復(fù)合介質(zhì)膜中的一種；
[0017]其中，底層硅上的高反膜還可采用金屬薄膜材料；所述金屬優(yōu)選金或鋁；當(dāng)?shù)讓庸枭系母叻茨げ捎媒饘俦∧げ牧蠒r(shí)，底層硅的上表面可以不沉積增透膜。
[0018]工作原理:
[0019]光纖F-P壓力傳感器利用法布里一?自羅(Fabry-Perot，簡(jiǎn)稱(chēng)F-P)干涉原理:當(dāng)相干光束沿準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖入射到F-P壓力敏感MEMS芯片時(shí)，在SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間多次反射構(gòu)成多光束干涉，并沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖。沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)與SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間的微腔的長(zhǎng)度相關(guān)。在外部壓力的作用下，SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間的微腔的長(zhǎng)度發(fā)生改變，使得返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)的波長(zhǎng)或相位相應(yīng)改變，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部壓力的精確測(cè)量。
[0020]一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器的成型方法，所述方法的具體步驟如下:
[0021](I)在SOI硅片的頂層硅上進(jìn)行光刻處理后利用De印RIE工藝刻蝕，在頂層硅的軸向形成圓孔；刻蝕深度為頂層硅的厚度；
[0022](2)利用濕法腐蝕或干法刻蝕將SOI硅片上暴露出的中間氧化層去除，在中間氧化層的軸向形成圓孔；
[0023](3)在底層硅的下表面上沉積高反膜；對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；
[0024](4)在通過(guò)步驟(3)處理后的底層硅下表面進(jìn)行光刻，隨后以光刻膠作為掩膜，利用Deep RIE工藝刻蝕，在底層娃下表面形成環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽的中心形成圓形凸起；其中，刻蝕深度為2?100 μπι ;
[0025](5)在玻璃片的上表面沉積高反膜；對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；
[0026](6)將步驟(I)?(4)處理后的SOI硅片與步驟(5)處理后的玻璃片進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的下表面與玻璃片的上表面；隨后對(duì)底層硅的上表面進(jìn)行減薄處理；
[0027](7)在鍵合后玻璃片的下表面沉積增透膜，并對(duì)所述增透膜進(jìn)行圖形化處理；
[0028](8)依次在底層硅的上表面圖形化沉積增透膜和鈍化層，并對(duì)增透膜和鈍化層進(jìn)行圖形化處理，得到F-P壓力敏感MEMS芯片；
[0029](1)F-P壓力敏感MEMS芯片通過(guò)焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過(guò)焊料焊接在基座的下部，使準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的光學(xué)軸與“膜-島”結(jié)構(gòu)的“島”同軸；得到本發(fā)明所述壓力傳感器；
[0030]其中，所述圖形化處理優(yōu)選采用光刻后再腐蝕高反膜工藝或Lift-off工藝；
[0031]步驟(6)所述減薄處理優(yōu)選采用KOH溶液腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝。
[0032]有益效果
[0033](I)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器將高靈敏度光纖F-P傳感信號(hào)檢測(cè)技術(shù)與MEMS微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，利用F-P干涉原理實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS工藝制作的硅壓力敏感膜位移變化的高分辨率檢測(cè)，使得硅壓力敏感膜不需要設(shè)計(jì)得非常薄，從而兼顧MEMS壓力傳感器的測(cè)量精度、過(guò)量程能力、機(jī)械可靠性和動(dòng)態(tài)測(cè)量響應(yīng)特性；本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的光學(xué)精細(xì)度因子(自由譜寬FSR與3dB帶寬FWHM的比值)達(dá)到136.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有F-P壓力傳感器的光學(xué)精細(xì)度因子(通常小于10)。
[0034](2)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中F-P壓力敏感MEMS芯片的SOI硅片可以有效地解決了現(xiàn)有F-P壓力傳感器兩端面平行度較差、F-P腔長(zhǎng)不能精確控制等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的F-P壓力傳感器的批量一致化制作；其中，SOI硅片的底層硅設(shè)置為“膜-島”結(jié)構(gòu)，“島”部分的厚度大于“膜“厚度，使得F-P壓力傳感器芯片在壓力作用下光束照射區(qū)仍能保持非常低的翹曲，避免了現(xiàn)有F-P壓力傳感器在壓力作用下由于F-P腔兩端面平行度降低導(dǎo)致干涉光譜劣化使檢測(cè)精度和分辨率降低的問(wèn)題。
[0035](3)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中的SOI硅片的底層硅上的高反膜可采用金屬薄膜材料，當(dāng)?shù)讓庸枭系母叻茨げ捎媒饘俦∧げ牧蠒r(shí)，底層硅的上表面可以不沉積增透膜，解決了現(xiàn)有F-P壓力傳感器F-P腔兩個(gè)表面均沉積介質(zhì)高反膜導(dǎo)致的硅壓力敏感膜上形成干擾F-P信號(hào)的問(wèn)題，提高了檢測(cè)精度和分辨率。
[0036](4)本發(fā)明所述方法基于MEMS微加工技術(shù)制備F-P壓力敏感MEMS芯片，其F-P光學(xué)干涉腔的其中一個(gè)反射面為SOI硅片的原始拋光表面沉積高反膜后構(gòu)成，另外一個(gè)反射面為玻璃片的原始拋光表面沉積高反膜后構(gòu)成，都非常光潔和平整，通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定后可以獲得很高的F-P光學(xué)干涉腔干涉精細(xì)度，其精細(xì)度因子也即自由譜寬FSR與信號(hào)譜3dB帶寬FWHM之比不小于20，可采用波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方式進(jìn)行壓力信號(hào)檢測(cè)，提高壓力分辨率和測(cè)量精度，解決了 F-P光學(xué)干涉腔采用強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)方法和相位調(diào)制解調(diào)方法所存在的靈敏度低、受光源功率波動(dòng)和光纖彎折影響等問(wèn)題。
[0037](5)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中采用SOI硅片的底層硅制作“膜_島”結(jié)構(gòu)作為壓力敏感變形元件，可以利用底層硅的優(yōu)異材料特性獲得良好的壓力線(xiàn)性度和重復(fù)性；此夕卜，對(duì)“膜-島”結(jié)構(gòu)上的高反膜、增透膜和鈍化層均進(jìn)行了圖形化處理，只在“膜-島”結(jié)構(gòu)的低應(yīng)力變形區(qū)-“島”的兩側(cè)沉積高反膜、增透膜和鈍化層，而在“膜-島”結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力變形區(qū)-“膜”的兩側(cè)沒(méi)有沉積高反膜、增透膜和鈍化層，保證“膜-島”結(jié)構(gòu)中“膜”始終保留原始的底層硅表面，從而確保F-P壓力傳感器具有良好的線(xiàn)性度、重復(fù)性和極低的熱漂移系數(shù)。
[0038](6)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器中的壓力敏感F-P光學(xué)干涉腔通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合形成，可以通過(guò)在硅-玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中抽真空而實(shí)現(xiàn)絕對(duì)壓力測(cè)量，可測(cè)量的最小絕對(duì)壓力小于lKPa。而且由于F-P光學(xué)干涉腔由硅-玻璃陽(yáng)極鍵合形成，所以可以保持長(zhǎng)期的高真空穩(wěn)定度。
[0039](7)本發(fā)明所述基于MEMS微加工技術(shù)制備的F-P壓力敏感MEMS芯片通過(guò)基座與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖對(duì)準(zhǔn)封裝后構(gòu)成光纖F-P壓力傳感器，通過(guò)利用準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖將光斑平行擴(kuò)束到直徑50 μ m以上進(jìn)行光路同軸耦合，可減小因光束發(fā)散、角度偏差而造成的信號(hào)嚴(yán)重惡化，從而降低耦合封裝的難度。
[0040](8)本發(fā)明所述方法可實(shí)現(xiàn)光纖F-P壓力傳感器的批量化制造，光纖F-P壓力傳感器的初始腔長(zhǎng)、壓力測(cè)量靈敏度、量程等關(guān)鍵參數(shù)的批量一致性很容易保證，可廣泛用于飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等飛行器大氣數(shù)據(jù)測(cè)量，機(jī)電設(shè)備油氣壓力測(cè)量，油罐自動(dòng)化液位測(cè)量，以及其他工業(yè)領(lǐng)域的高精度壓力和液位測(cè)量。
[0041](9)相比于傳統(tǒng)的壓力傳感器，本發(fā)明所述的F-P壓力傳感器精度高、批量一致性好、抗電磁干擾，耐腐蝕，本質(zhì)安全。這使它在各種大型機(jī)電、石油化工、冶金、高壓、強(qiáng)電磁干擾、強(qiáng)腐蝕、易燃易爆環(huán)境中能方便而有效地傳感。而其無(wú)源無(wú)電、零點(diǎn)穩(wěn)定、可長(zhǎng)壽命工作的突出特點(diǎn)，使其在油罐自動(dòng)化液位測(cè)量領(lǐng)域，也具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，光纖不僅是敏感元件，而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線(xiàn)，因此幾乎不必考慮測(cè)量?jī)x和被測(cè)物體的相對(duì)位置，特別適合于電學(xué)方式等傳感器不太適用的場(chǎng)合?？梢耘c光纖遙測(cè)技術(shù)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制。
[0042](10)本發(fā)明所述F-P壓力傳感器內(nèi)部F-P壓力敏感MEMS芯片與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖之間為非接觸式光學(xué)信號(hào)檢測(cè)方式，具有良好的抗沖擊過(guò)載能力，故障率極低，后續(xù)免維護(hù)，可長(zhǎng)期精確測(cè)量。在安裝操作不便、維護(hù)困難的應(yīng)用場(chǎng)合更具顯著優(yōu)勢(shì)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1為本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為F-P壓力敏感MEMS芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的俯視圖；
[0046]圖4為本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的工藝流程圖；
[0047]圖5為本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的高精細(xì)度光學(xué)干涉譜；
[0048]圖6為現(xiàn)有F-P壓力傳感器的低精細(xì)度典型光學(xué)干涉譜；
[0049]圖7為本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的波長(zhǎng)-壓力實(shí)測(cè)特性；
[0050]圖8為本發(fā)明所述F-P壓力傳感器的波分復(fù)用+時(shí)分復(fù)用組網(wǎng)圖。
[0051 ] 其中，1-F-P壓力敏感MEMS芯片，2_準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖，3_基座，4-玻璃片，5-頂層硅，
6-中間氧化層，7-底層硅，8-增透膜I，9-高反膜I，10-鈍化層，11-增透膜II，12-高反膜II。

【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0053]實(shí)施例
[0054]一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，所述F-P壓力傳感器主要包括F-P壓力敏感MEMS芯片1、準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2和基座3 ；
[0055]其中，F(xiàn)-P壓力敏感MEMS芯片I的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，所述F-P壓力敏感MEMS芯片I由SOI硅片和玻璃片4組成；
[0056]所述SOI硅片包括頂層硅5、中間氧化層6和底層硅7 ;其中，底層硅7的上表面沉積有增透膜8和鈍化層10 ;由SOI硅片頂層硅5的表面沿SOI硅片厚度方向加工有深度至底層硅7的環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽的中心形成圓柱形凸臺(tái)；所述圓柱形凸臺(tái)的表面與底層硅7和中間氧化層6的分界面處于同一平面，且圓柱形凸臺(tái)的表面沉積有高反膜I 9 ;
[0057]所述玻璃片4上表面沉積有高反膜II 12，下表面沉積有增透膜II 11 ;
[0058]所述基座3的上端面為平面，基座3有中心孔；
[0059]所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2的上端設(shè)置有自聚焦透鏡或等效光學(xué)元件，并在準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2的上端面沉積有增透膜；
[0060]所述高反膜I 9、高反膜II 12、增透膜I 8、增透膜II 11基座3的中心孔與圓柱形凸臺(tái)同軸；且高反膜I 9、高反膜II 12、增透膜I 8和增透膜II 11的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2的出射光束面積；
[0061]整體連接關(guān)系為:
[0062]SOI硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片4上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅5的外表面與玻璃片4的上表面；玻璃片4與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖2均通過(guò)焊料固定在基座3上；所述圓柱形凸臺(tái)表面的高反膜I 9與玻璃片4上表面的高反膜II 12之間的形成的空腔構(gòu)成F-P光學(xué)干涉腔。
[0063]所述增透膜構(gòu)成材料為Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜；
[0064]所述高反膜為Si02/Ta205復(fù)合介質(zhì)膜；
[0065]其中，底層硅上的高反膜還可采用金反射膜；當(dāng)?shù)讓庸枭系母叻茨げ捎媒鸱瓷淠r(shí)，底層硅的上表面可以不沉積增透膜而直接沉積金膜作為鈍化層。
[0066]工作原理:
[0067]光纖F-P壓力傳感器利用法布里一?自羅(Fabry-Perot，簡(jiǎn)稱(chēng)F-P)干涉原理:當(dāng)相干光束沿準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖入射到F-P壓力敏感MEMS芯片時(shí)，在SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間多次反射構(gòu)成多光束干涉，并沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖。沿原路返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)與SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間的微腔的長(zhǎng)度相關(guān)。在外部壓力的作用下，SOI硅片“島”上表面的高反膜與玻璃片上表面的高反膜之間的微腔的長(zhǎng)度發(fā)生改變，使得返回到準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的干涉輸出信號(hào)的波長(zhǎng)或相位相應(yīng)改變，由此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部壓力的精確測(cè)量。
[0068]一種基于MEMS工藝的F-P壓力傳感器的成型方法，所述方法的具體步驟如下:
[0069](I)在SOI硅片的頂層硅上進(jìn)行光刻處理后利用De印RIE工藝刻蝕，在頂層硅的軸向形成圓孔；刻蝕深度為頂層硅的厚度；如圖4a和圖4b所示；
[0070](2)利用濕法腐蝕或干法刻蝕將SOI硅片上暴露出的中間氧化層去除，在中間氧化層的軸向形成圓孔；如圖4c所示；
[0071](3)在底層硅的下表面上沉積金反射膜，厚度0.1?0.4 μπι ;對(duì)所述金反射膜進(jìn)行圖形化處理；如圖4d所示；
[0072](4)在通過(guò)步驟(3)處理后的底層硅下表面進(jìn)行光刻，隨后以光刻膠作為掩膜，利用Deep RIE工藝刻蝕，在底層娃下表面形成環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽的中心形成圓形凸起；其中，刻蝕深度為2?100 μπι ;如圖4e和圖4f所示；
[0073](5)在玻璃片的上表面沉積高反膜(反射率為95?96% );對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；如圖4g所示；
[0074](6)將步驟(I)?(4)處理后的SOI硅片與步驟(5)處理后的玻璃片進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的下表面與玻璃片的上表面；隨后對(duì)底層硅的上表面進(jìn)行減薄處理；如圖4h和圖4i所示；
[0075](7)在鍵合后玻璃片的下表面沉積增透膜，并對(duì)所述增透膜進(jìn)行圖形化處理；如圖4j所示；
[0076](8)依次在底層硅的上表面圖形化沉積增透膜和鈍化層，并對(duì)增透膜和鈍化層進(jìn)行圖形化處理，得到F-P壓力敏感MEMS芯片；如圖4k所示；
[0077](9) F-P壓力敏感MEMS芯片通過(guò)焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過(guò)焊料焊接在基座的下部，使準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的光學(xué)軸與“膜-島”結(jié)構(gòu)的“島”同軸；得到本發(fā)明所述壓力傳感器；如圖1所示；
[0078]其中，所述圖形化處理采用Lift-off工藝；
[0079]步驟(6)所述減薄處理采用KOH溶液腐蝕。
[0080]根據(jù)本發(fā)明制所述方法制作的基于MEMS工藝的高精度法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器，法布里-珀羅(F-P)腔的自由譜寬FSR為68.2nm，如圖5a所示；信號(hào)譜的3dB帶寬FWHM為0.5nm，如圖5b所示；計(jì)算出的光學(xué)精細(xì)度因子(自由譜寬FSR與3dB帶寬FWHM的比值)達(dá)到136.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有F-P壓力傳感器的光學(xué)精細(xì)度因子(通常小于10，典型光譜圖如圖6所示)。
[0081]根據(jù)本發(fā)明制所述方法制作的基于MEMS工藝的高精度法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器采用波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方式可以達(dá)到0.2pm的波長(zhǎng)解調(diào)分辨率，壓力滿(mǎn)量程對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化量為18nm，傳感器的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到1/90000，壓力測(cè)量精度達(dá)到滿(mǎn)量程的萬(wàn)分之一；如圖7所示。同時(shí)，由于采用波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方式，所以測(cè)量精度不受光纖彎曲損耗和光源功率波動(dòng)的影響；而且可以借助WDM波分復(fù)用器將多個(gè)基于MEMS工藝的高精度法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通過(guò)波分復(fù)用+時(shí)分復(fù)用串接到一芯單模光纖上，如圖8所示。光纖傳輸距離可以達(dá)到20公里以上。
[0082]本發(fā)明包括但不限于以上實(shí)施例，凡是在本發(fā)明精神的原則之下進(jìn)行的任何等同替換或局部改進(jìn)，都將視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于1213工藝的壓力傳感器，其特征在于:所述壓力傳感器主要包括 壓力敏感1213芯片(1^準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖(2)和基座(3)； 其中，所述？壓力敏感1213芯片(1)由301硅片和玻璃片(4)組成； 所述301硅片包括頂層硅巧)、中間氧化層(6)和底層硅(7)；其中，底層硅(7)的上表面依次沉積有增透膜(8)和鈍化層(10)；由301硅片頂層硅(5)的表面沿301硅片厚度方向加工有深度至底層硅(7)的環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽的中心形成圓柱形凸臺(tái)；所述圓柱形凸臺(tái)的表面與底層硅(7)和中間氧化層(6)的分界面處于同一平面，且圓柱形凸臺(tái)的表面沉積有高反膜I (9)； 所述玻璃片(4)上表面沉積有高反膜II (12),下表面沉積有增透膜II (11)； 所述基座(3)的上端面為平面，基座(3)有中心孔； 所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖(2)的上端設(shè)置有自聚焦透鏡或等效光學(xué)元件； 整體連接關(guān)系為: 所述301硅片通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合固定在玻璃片(4)上，鍵合面為301硅片中頂層硅(5)的外表面與玻璃片(4)的上表面；所述玻璃片(4)的下表面與基座(3)的上表面固定，所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖(2)均通過(guò)焊料固定在基座(3)的中心孔內(nèi)；所述301硅片上的環(huán)形凹槽與玻璃片(4)的上表面形成密閉空腔；所述高反膜I (9)與高反膜II (12)之間的區(qū)域構(gòu)成？光學(xué)干涉腔；所述基座(3)的中心孔與301硅片頂層硅(5)的圓柱形凸臺(tái)同軸；所述高反膜I (幻、高反膜II (12^增透膜I (8)及增透膜II (11)的中心點(diǎn)處于圓柱形凸臺(tái)的軸線(xiàn)上；且高反膜I (9)、高反膜II (12^增透膜I (8)和增透膜II (11)的面積均大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖(2)的出射光束面積并小于等于圓柱形凸臺(tái)的面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于1213工藝的壓力傳感器，其特征在于:所述增透膜I (8)和增透膜II (11)構(gòu)成材料均為3102八21205復(fù)合介質(zhì)膜、310 2八102復(fù)合介質(zhì)膜和3102#13隊(duì)復(fù)合介質(zhì)膜中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于1213工藝的壓力傳感器，其特征在于:所述高反膜I (9)為31027^1205復(fù)合介質(zhì)膜、3102八102復(fù)合介質(zhì)膜、3102#13隊(duì)復(fù)合介質(zhì)膜和金反射膜中的一種；所述高反膜II (12)為31027^1205復(fù)合介質(zhì)膜、3102八102復(fù)合介質(zhì)膜和31(^/313隊(duì)復(fù)合介質(zhì)膜中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于1213工藝的壓力傳感器，其特征在于:所述高反膜I (9)為金反射膜時(shí)，底層硅(7)的外表面不沉積增透膜而直接沉積金膜作為鈍化層。
5.一種如權(quán)利要求1所述的基于1213工藝的壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述方法步驟如下: (1)在301硅片的頂層硅上進(jìn)行光刻處理后利用06印工藝刻蝕，在頂層硅的軸向形成圓孔；刻蝕深度為頂層硅的厚度； (2)利用濕法腐蝕或干法刻蝕將301硅片上暴露出的中間氧化層去除，在中間氧化層的軸向形成圓孔； (3)在底層硅的內(nèi)表面上沉積高反膜；對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理； (4)在通過(guò)步驟(3)處理后的底層硅內(nèi)表面進(jìn)行光刻，隨后以光刻膠作為掩膜，利用06印虹2工藝刻蝕，在底層硅內(nèi)表面形成環(huán)形凹槽，在環(huán)形凹槽的中心形成圓柱形凸臺(tái)；其中，刻蝕深度為2?100 VIII ； (5)在玻璃片的上表面沉積高反膜；對(duì)所述高反膜進(jìn)行圖形化處理； (6)將步驟(1)?(4)處理后的301硅片與步驟(5)處理后的玻璃片進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，鍵合面為301硅片中頂層硅的外表面與玻璃片的上表面；隨后對(duì)底層硅的上表面進(jìn)行減薄處理； (7)在鍵合后玻璃片的下表面沉積增透膜，并對(duì)所述增透膜進(jìn)行圖形化處理； (8)依次在底層硅的外表面圖形化沉積增透膜和鈍化層，并對(duì)增透膜和鈍化層進(jìn)行圖形化處理，得到壓力敏感1213芯片；
壓力敏感1213芯片通過(guò)焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過(guò)焊料焊接在基座的下部，使準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的光學(xué)軸與“膜-島”結(jié)構(gòu)的“島”同軸；得到所述壓力傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于1213工藝的壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述圖形化處理采用光刻后再腐蝕高反膜工藝或代-0打工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于1213工藝的壓力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(6)所述減薄處理采用1(0?溶液腐蝕或化學(xué)機(jī)械拋光工藝。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK104502005SQ201410729351
【公開(kāi)日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】劉玉玨 申請(qǐng)人:劉玉玨