一種mems光纖壓力傳感器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種MEMS光纖壓力傳感器及制作方法，包括光纖、壓力敏感元件和基座，所述基座的上表面設置有光纖槽，所述光纖安裝在所述光纖槽內，所述壓力敏感元件和基座的尺寸相同，所述壓力敏感元件的下表面和基座的上表面通過陽極鍵合相互連接，所述光纖的一端與所述壓力敏感元件之間相對間隔一定的距離從而形成法布里?珀羅腔；本發(fā)明具有體積小，能批量生產，制作方法簡單，機械性能強，溫度系數低，靈敏度高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種MEMS光纖壓力傳感器及制作方法
技術領域
[0001 ] 本發(fā)明涉及光纖MEMS傳感領域，尤其涉及一種MEMS光纖壓力傳感器及制作方法。
【背景技術】
[0002]光纖MEMS傳感器由于其具有的微型、響應頻帶寬、高靈敏度、低成本等特點而在很多應用領域中顯得極為實用。光纖MEMS傳感器在強電磁干擾、高溫等惡劣環(huán)境下相比于其它傳統(tǒng)的傳感器具有較強的適應能力；而且它可以利用波分復用或時分復用等信號處理技術組成多元傳感器陣列，測量環(huán)境中的壓力、溫度等物理量的分布;MEMS器件適合于大規(guī)模集成化生產，從而大大降低了傳感器的生產成本。
[0003]現(xiàn)有的基于法布里-珀羅腔的光纖傳感器，主要是由硅片、切割好的光纖端面以及中間的空氣腔組成光學諧振腔，或者是將兩段切割好的光纖端面置于石英毛細血管中，同樣和中間的空氣隙組成諧振腔。但這類傳感器，外界壓力，腔長變化，入射、反射光的方向都在同一個橫向系統(tǒng)內，一旦壓力過大，會存在兩個反射端面相互接觸的問題，還會對膜片造成不可修復的損傷以及光纖固定方面的問題。另外，還有一類利用SU-8膠形成的微型壓力傳感器，比如授權專利號為201310012946.5的中國專利“微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制備方法”，公開了一種利用近紫外光刻SU-8光刻膠層形成位移柱以及光纖的定位槽，通過濕法腐蝕工藝形成所需硅膜厚，采用環(huán)氧樹脂膠進行粘合封裝，但溫度過高時，環(huán)氧樹脂膠的粘合作用降低，傳感器的溫度性能不好，而且對硅片的同一表面采用了兩次對準光刻，對于光刻對準精度要求比較高，加工制作工藝相對比較復雜。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足提供一種MEMS光纖壓力傳感器及制作方法。本MEMS光纖壓力傳感器及制作方法具有結構創(chuàng)新、靈敏度高和溫度性能好等優(yōu)點。
[0005]為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采取的技術方案為:
一種MEMS光纖壓力傳感器，包括光纖、壓力敏感元件和基座，所述基座的上表面設置有光纖槽，所述光纖安裝在所述光纖槽內，所述壓力敏感元件和基座的尺寸相同，所述壓力敏感元件的下表面和基座的上表面通過陽極鍵合相互連接，所述光纖的一端與所述壓力敏感元件之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。
[0006]作為本發(fā)明進一步改進的技術方案，所述壓力敏感元件包括壓力彈性膜片和位于壓力彈性膜片下面的位移柱，所述位移柱位于距離壓力彈性膜片中心位置的二分之一的半徑處，所述光纖的一端與所述位移柱之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。
[0007]作為本發(fā)明進一步改進的技術方案，所述壓力彈性膜片和基座均采用硅材質，所述位移柱采用金屬材質。
[0008]作為本發(fā)明進一步改進的技術方案，所述光纖通過玻璃膠固定在所述光纖槽內。
[0009]本發(fā)明采取的另一個技術方案為: 一種MEMS光纖壓力傳感器的制造方法，包括以下步驟:
(a)選取一片具有一定厚度的第一硅片，采用RCA標準清洗法對第一硅片進行清潔；
(b)在第一硅片的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第一光刻板對第一硅片的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第一光刻膠保護層；
(c)對第一硅片的上表面進行RIE刻蝕，得到壓力彈性膜片，去除第一光刻膠保護層；
(d)在步驟(C)得到的壓力彈性膜片的下表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第二光刻板對壓力彈性膜片的下表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第二光刻膠保護層；
(e)在由步驟(d)形成的壓力彈性膜片的下表面濺射一層金屬薄膜；
(f)利用lift-off工藝剝離壓力彈性膜片下表面的第二光刻膠保護層以及部分金屬薄膜，得到位移柱，位移柱位于距離壓力彈性膜片的下表面中心位置的二分之一半徑處，壓力彈性膜片和位移柱組成壓力敏感元件；
(g)選取另一片具有一定厚度的第二硅片，采用RCA標準清洗法對第二硅片進行清潔；
(h)在由步驟(g)得到的第二硅片的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第三光刻板對第二硅片的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第三光刻膠保護層；
(i)對由步驟(h)得到的第二硅片的上表面進行RIE刻蝕，得到光纖槽，光纖槽的厚度為125微米，去除第三光刻膠保護層，得到基座；
(j)將步驟(f)得到的壓力敏感元件的下表面和步驟(i)得到的基座的上表面通過陽極鍵合連接，選取一個光纖，將光纖的一端切割出水平的端面，并使用光纖研磨機對光纖的水平端面研磨拋光，將光纖具有水平端面的一端插入基座的光纖槽內，再使用玻璃膠將光纖固定在光纖槽內，光纖具有水平端面的一端與壓力敏感元件的位移柱相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。
[0010]本發(fā)明通過上述加工步驟得到的MEMS光纖壓力傳感器，光纖的水平端面與壓力敏感元件上的位移柱之間形成法布里-珀羅腔，受壓的壓力彈性膜片發(fā)生了一定的形變，由此帶動了壓力彈性膜片下表面的位移柱發(fā)生了相應的傾斜，導致位移柱和光纖端面之間的距離發(fā)生改變，即法布里-珀羅腔的腔長發(fā)生了相應的變化，干涉光之間的位相差有所變化，通過解調干涉光譜，得知腔長的變化，從而實現(xiàn)壓力的測量。
[0011]本發(fā)明的MEMS光纖壓力傳感器，采用光學信號進行測量，避免了電磁干擾，適用于強電磁干擾、高溫等惡劣環(huán)境下。通過MEMS技術進行加工制作傳感器，能實現(xiàn)批量生產，對第一硅片和第二硅片的不同表面只采用了一次對準光刻，光刻對準精度要求低，制作方法簡單，容易生產。本傳感器的壓力敏感元件與基座采用陽極鍵合技術進行連接，避免了膠連接方式帶來的溫度影響，溫度系數低。因此本發(fā)明具有體積小，批量生產，制作方法簡單，機械性能強，溫度系數低，靈敏度高等優(yōu)點，能滿足一般及惡劣環(huán)境下的壓力測量;本發(fā)明的MEMS光纖壓力傳感器能承受過大的壓力，光纖的水平端面和位移柱之間不會發(fā)生接觸的問題，光纖固定也非常結實，使用壽命長。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明的制造工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0014]下面根據圖1和圖2對本發(fā)明的【具體實施方式】作出進一步說明:
參見圖1，MEMS光纖壓力傳感器，包括光纖3、壓力敏感元件I和基座2，所述基座2的上表面設置有光纖槽，所述光纖3安裝在所述光纖槽內，所述壓力敏感元件I和基座2的尺寸相同，所述壓力敏感元件I的下表面和基座2的上表面通過陽極鍵合相互連接，所述光纖3的一端與所述壓力敏感元件I之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔4。
[0015]進一步地，所述壓力敏感元件I包括壓力彈性膜片1-1和位于壓力彈性膜片1-1下面的位移柱1-2，所述位移柱1-2位于距離壓力彈性膜片1-1中心位置的二分之一的半徑處，所述光纖3的一端與所述位移柱1-2之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔4。
[0016]進一步地，所述壓力彈性膜片1-1和基座2均采用硅材質，所述位移柱1-2采用金屬材質。
[0017]進一步地，所述光纖3通過玻璃膠固定在所述光纖槽內。
[0018]參見圖2，MEMS光纖壓力傳感器的制造方法，，包括以下步驟:
(a)選取一片具有一定厚度的第一硅片5，采用RCA標準清洗法對第一硅片5進行清潔；
(b)在第一硅片5的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第一光刻板對第一硅片5的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第一光刻膠保護層6;
(c)對第一硅片5的上表面進行RIE刻蝕，得到壓力彈性膜片1-1，去除第一光刻膠保護層6;
(d)在步驟(c)得到的壓力彈性膜片1-1的下表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第二光刻板對壓力彈性膜片1-1的下表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第二光刻膠保護層7;
(e)在由步驟(d)形成的壓力彈性膜片1-1的下表面濺射一層金屬薄膜8;
(f)利用lift-off工藝剝離壓力彈性膜片1-1下表面的第二光刻膠保護層7以及部分金屬薄膜8，得到位移柱1-2，位移柱1-2位于距離壓力彈性膜片1-1的下表面中心位置的二分之一半徑處，壓力彈性膜片1-1和位移柱1-2組成壓力敏感元件I;
(g)選取另一片具有一定厚度的第二硅片9，采用RCA標準清洗法對第二硅片9進行清潔;
(h)在由步驟(g)得到的第二硅片9的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第三光刻板對第二硅片9的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第三光刻膠保護層10;
(i)對由步驟(h)得到的第二硅片9的上表面進行RIE刻蝕，得到光纖槽，光纖槽的厚度為125微米，去除第三光刻膠保護層10，得到基座2;
(j)將步驟(f)得到的壓力敏感元件I的下表面和步驟(i)得到的基座2的上表面通過陽極鍵合連接，選取一個光纖3，將光纖3的一端切割出水平的端面，并使用光纖研磨機對光纖3的水平端面研磨拋光，將光纖3具有水平端面的一端插入基座2的光纖槽內，再使用玻璃膠將光纖3固定在光纖槽內，光纖3具有水平端面的一端與壓力敏感元件I的位移柱1-2相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔4。
[0019]本發(fā)明通過上述加工步驟得到的MEMS光纖壓力傳感器，光纖3的水平端面與壓力敏感元件I上的位移柱1-2之間形成法布里-珀羅腔4，受壓的壓力彈性膜片1-1發(fā)生了一定的形變，由此帶動了壓力彈性膜片1-1下表面的位移柱1-2發(fā)生了相應的傾斜，導致位移柱1-2和光纖3的水平端面之間的距離發(fā)生改變，即法布里-珀羅腔4的腔長發(fā)生了相應的變化，干涉光之間的位相差有所變化，通過解調干涉光譜，得知腔長的變化，從而實現(xiàn)壓力的測量。
[0020]本發(fā)明的保護范圍包括但不限于以上實施方式，本發(fā)明的保護范圍以權利要求書為準，任何對本技術做出的本領域的技術人員容易想到的替換、變形、改進均落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種MEMS光纖壓力傳感器，其特征在于:包括光纖、壓力敏感元件和基座，所述基座的上表面設置有光纖槽，所述光纖安裝在所述光纖槽內，所述壓力敏感元件和基座的尺寸相同，所述壓力敏感元件的下表面和基座的上表面通過陽極鍵合相互連接，所述光纖的一端與所述壓力敏感元件之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。2.根據權利要求1所述的MEMS光纖壓力傳感器，其特征在于:所述壓力敏感元件包括壓力彈性膜片和位于壓力彈性膜片下面的位移柱，所述位移柱位于距離壓力彈性膜片中心位置的二分之一的半徑處，所述光纖的一端與所述位移柱之間相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。3.根據權利要求2所述的MEMS光纖壓力傳感器，其特征在于:所述壓力彈性膜片和基座均采用硅材質，所述位移柱采用金屬材質。4.根據權利要求1所述的MEMS光纖壓力傳感器，其特征在于:所述光纖通過玻璃膠固定在所述光纖槽內。5.一種如權利要求3所述的MEMS光纖壓力傳感器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)選取一片具有一定厚度的第一硅片，采用RCA標準清洗法對第一硅片進行清潔； (b)在第一硅片的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第一光刻板對第一硅片的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第一光刻膠保護層； (c)對第一硅片的上表面進行RIE刻蝕，得到壓力彈性膜片，去除第一光刻膠保護層； (d)在步驟(C)得到的壓力彈性膜片的下表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第二光刻板對壓力彈性膜片的下表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第二光刻膠保護層； (e)在由步驟(d)形成的壓力彈性膜片的下表面濺射一層金屬薄膜； (f)利用lift-off工藝剝離壓力彈性膜片下表面的第二光刻膠保護層以及部分金屬薄膜，得到位移柱，位移柱位于距離壓力彈性膜片的下表面中心位置的二分之一半徑處，壓力彈性膜片和位移柱組成壓力敏感元件； (g)選取另一片具有一定厚度的第二硅片，采用RCA標準清洗法對第二硅片進行清潔； (h)在由步驟(g)得到的第二硅片的上表面涂抹光刻膠，采用光刻機進行曝光，同時采用第三光刻板對第二硅片的上表面進行單面光刻，利用顯影液顯影后，形成第三光刻膠保護層； (i)對由步驟(h)得到的第二硅片的上表面進行RIE刻蝕，得到光纖槽，光纖槽的厚度為125微米，去除第三光刻膠保護層，得到基座； (j)將步驟(f)得到的壓力敏感元件的下表面和步驟(i)得到的基座的上表面通過陽極鍵合連接，選取一個光纖，將光纖的一端切割出水平的端面，并使用光纖研磨機對光纖的水平端面研磨拋光，將光纖具有水平端面的一端插入基座的光纖槽內，再使用玻璃膠將光纖固定在光纖槽內，光纖具有水平端面的一端與壓力敏感元件的位移柱相對間隔一定的距離從而形成法布里-珀羅腔。
【文檔編號】G01L11/02GK106052915SQ201610582111
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610582111.7, CN 106052915 A, CN 106052915A, CN 201610582111, CN-A-106052915, CN106052915 A, CN106052915A, CN201610582111, CN201610582111.7
【發(fā)明人】葛益嫻, 趙偉績, 張鵬
【申請人】南京信息工程大學