專利名稱：微型su-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖法布里-珀羅(FP)微結(jié)構(gòu)壓力傳感器器件，特別是涉及利用紫外光刻技術(shù)以及硅的濕法腐蝕技術(shù)形成的壓力傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有非本征光纖法布里-珀羅(FP)干涉儀主要是用來測(cè)量應(yīng)變，它是由置于石英毛細(xì)管中的兩段切割好的光纖端面和中間的空氣隙組成諧振腔形成的。這類傳感器在FP腔長控制和光纖固定方面存在很多問題。光學(xué)曝光是最早用于半導(dǎo)體集成電路的微細(xì)加工技術(shù)，其重要目的是把掩模的圖形成像到光刻膠上。雖然基于光刻技術(shù)的微傳感器能滿足批量生產(chǎn)的要求，但是其制作過程復(fù)雜，而且需要昂貴的半導(dǎo)體設(shè)備與裝置。隨著MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystems,微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、制備手段的提高以及封裝技術(shù)的改良成為了人們對(duì)這一技術(shù)的主要需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是基于以上所述現(xiàn)狀進(jìn)行的，目的在于制作一種結(jié)構(gòu)新穎、成本低，精度高，有望批量生產(chǎn)的微型光纖法布里-珀羅壓力傳感器。同時(shí)，提供該傳感器的制作方法。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器，包括傳感部件以及上蓋，傳感部件包括單模光纖、硅敏感膜以及位于硅敏感膜上的光纖槽和SU-8位移柱，SU-8位移柱的表面覆蓋一層增反膜，所述單模光纖固定在光纖槽內(nèi)，單模光纖的端面與SU-8位移柱相對(duì)間隔一定的距離形成法布里-珀羅腔，所述上蓋與傳感部件粘合封裝。本發(fā)明光纖法布里-珀羅壓力傳感器的制備工藝步驟如下:
a)對(duì)硅片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔，分別用丙酮、酒精和去離子水依次各自超聲清洗5分鐘，然后用氮?dú)獯蹈?；在清潔處理過的硅片上倒適量的SU-8光刻膠，以一定的速度甩膠，形成均勻厚度的膠片；
b)將膠片前烘一定時(shí)間后，利用紫外光刻機(jī)進(jìn)行曝光，分別以65°C和95°C后烘10分鐘后，用顯影液浸泡，洗去未曝光的殘膠后進(jìn)行高溫堅(jiān)膜，得到第一層光纖槽底襯、1/2高度的SU-8位移柱及1/2高度的傳感部件邊壁；
c)在b)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行涂膠甩膠；
d)將c)步驟中所形成的膠片進(jìn)行前烘、曝光、后烘、顯影、干燥和堅(jiān)膜形成光纖槽、SU-8位移柱以及傳感部件的邊壁；
e)在d)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)上熱蒸發(fā)沉積一層增反膜材料；
f)以版片對(duì)準(zhǔn)的方式在硅片背面光刻形成保護(hù)層，進(jìn)行濕法腐蝕，通過控制時(shí)間控制腐蝕深度，得到所需的膜厚，形成硅敏感膜；
g)將一段單模光纖用光纖切割刀切出平端面，用光纖研磨機(jī)研磨拋光單模光纖端面；在光纖槽內(nèi)嵌入精確切割過并進(jìn)行端面處理的光纖，進(jìn)行點(diǎn)膠將其固定；
h)重新清洗一片硅片，在其表面進(jìn)行旋膠，形成厚度勻膠的膠片；
i)將h)步驟中形成的膠片進(jìn)行前烘及光刻，形成對(duì)應(yīng)的上蓋結(jié)構(gòu)；
j)將傳感部件邊壁以及對(duì)應(yīng)的上蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂膠在真空環(huán)境下進(jìn)行封裝，用來保護(hù)傳感部件確保內(nèi)部真空。通過上述傳感器加工步驟得到的結(jié)構(gòu)，位移柱前端與光纖端面形成FP腔，光經(jīng)過光纖直接進(jìn)入FP腔，避免了其他介質(zhì)對(duì)光路的影響；傳感器制作過程中所需的主要材料為SU-8光刻膠，單模光纖，硅片，材料易于收集且價(jià)格便宜。FP腔的腔長根據(jù)光纖嵌入的位置控制。整個(gè)制作過程采取切割、腐蝕、光刻的方法，傳感器機(jī)械性能高，制作步驟簡(jiǎn)單。因此，借助本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)制作簡(jiǎn)單，靈敏度高，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍大，可靠性好的光纖壓力傳感器。


圖1是本發(fā)明微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器的傳感原理示意圖。(a)為傳感器的示意圖，(b)為形成的法布里-珀羅腔，(c)為受到壓力時(shí)的示意圖。圖2是傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，Ca)俯視圖，(b)側(cè)截面圖。其中，2_1:SU_8經(jīng)過兩次光刻形成的光纖槽'2-2:SU-8光刻得到的傳感部件的邊壁；2-3:SU-8經(jīng)過一次光刻得到的光纖槽襯底；2_4:娃襯底。圖3是本發(fā)明傳感器加工制作的主要工藝流程圖。圖4是傳感器應(yīng)用時(shí)采用的解調(diào)系統(tǒng)，4-1:傳感分析儀；4_2:2X2耦合器；4_3:傳感頭。圖5是膜厚為200微米，腔長為180.418微米的傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的傳感部件主要包括單模光纖，娃敏感膜以及SU-8位移柱,光纖為裸光纖(即為纖芯加包層結(jié)構(gòu))，硅敏感膜通過濕法腐蝕獲得所需膜厚。利用套刻技術(shù)在硅敏感膜的一面形成位移柱以及光纖固定槽，固定單模光纖，再與上蓋粘合封裝而成。圖1是壓力傳感的原理示意圖，其中，1-1:聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu):由SU-8光刻得到的長方體位移柱；1_2:增反膜；1_3:端面經(jīng)過精確切割處理過的光纖；1_4:硅敏感膜。SU-8位移柱
1-1的端面與光纖1-3的端面距離一定的間隙形成法布里-珀羅腔，當(dāng)硅敏感膜1-4受到壓力時(shí)會(huì)變形，SU-8位移柱1-1與光纖1-3端面之間的間距D隨之發(fā)生變化，變?yōu)镈'。本實(shí)施例制備微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器的步驟如下:
a)對(duì)硅片3-1進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔，用丙酮(純度99.7%)、酒精(純度99.7%)、去離子水(電阻率18.2ΜΩ )超聲清洗5分鐘，然后用氮?dú)?濃度99.7%)吹干；在清潔處理過的硅片上倒適量的SU-8光刻膠，以250rpm的初速度預(yù)勻20秒，加速以600rpm的轉(zhuǎn)速甩膠2分鐘，形成200 μ m均勻厚度的膠片3-2 ；
b)以70°C前烘6小時(shí)蒸發(fā)溶劑后，利用紫外光刻機(jī)進(jìn)行曝光，曝光強(qiáng)度為15mW/cm2，曝光時(shí)長為30秒，分別以65°C為初始溫度后烘3分鐘后，升溫到95°C后進(jìn)行后烘5分鐘，用顯影液浸泡，洗去未曝光的殘膠后，將樣片放置在170°C的熱板上進(jìn)行高溫堅(jiān)膜30分鐘，得到第一層光纖槽底襯2-3，1/2高度的SU-8位移柱3-3及1/2高度的邊壁3_4 ； c)在b)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)娃片上以250rpm的初速度預(yù)勻20秒,加速以600rpm的轉(zhuǎn)速甩膠2分鐘進(jìn)行涂膠甩膠；
d)將c)步驟中所形成的膠片進(jìn)行70°C前烘6小時(shí)，以曝光強(qiáng)度為15mW/cm2，曝光30秒，分別以65 °C為初始溫度后烘3分鐘后，升溫到95 °C后進(jìn)行后烘5分鐘，顯影，氮?dú)獯蹈桑?70°C高溫堅(jiān)膜30分鐘后完成第二步光刻，形成光纖槽側(cè)壁3-5，SU-8的位移柱結(jié)構(gòu)1_1以及邊壁結(jié)構(gòu)2-2 ；
e)在d)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)上熱蒸發(fā)沉積一層增反膜材料:50nm厚的銀膜3_6；
f)以版片對(duì)準(zhǔn)的方式在硅片背面光刻形成保護(hù)層，利用濃度為20%的KOH溶液加熱到70°C，進(jìn)行濕法腐蝕，通過控制時(shí)間控制腐蝕深度，約2小時(shí)后可得到所需的膜厚，形成硅敏感膜1-4 ；
g)將一段單模光纖1-3用光纖切割刀切出平端面，用光纖研磨機(jī)研磨拋光單模光纖端面；嵌入精確切割過并進(jìn)行端面處理的光纖，進(jìn)行點(diǎn)膠將其固定；
h)重新清洗一片硅片3-7，在其表面進(jìn)行旋膠，形成厚度勻膠的膠片；
i)將h)步驟中形成的膠片進(jìn)行前烘及光刻，形成上蓋結(jié)構(gòu)3-8；
j)將傳感部件邊壁2-2以及對(duì)應(yīng)上蓋結(jié)構(gòu)3-8進(jìn)行涂膠，在真空環(huán)境下通過環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘合封裝，保護(hù)傳感部件確保內(nèi)部真空。
權(quán)利要求
1.新型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器，包括傳感部件以及上蓋，其特征在于，傳感部件包括單模光纖、硅敏感膜以及位于硅敏感膜上的光纖槽和SU-8位移柱，SU-8位移柱的表面覆蓋一層增反膜，所述單模光纖固定在光纖槽內(nèi)，單模光纖的端面與SU-8位移柱相對(duì)間隔一定的距離形成法布里-珀羅腔，所述上蓋與傳感部件粘合封裝。
2.按權(quán)利要求1所述的微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器的制備方法，其加工工藝步驟如下: a)對(duì)硅片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔，分別用丙酮、酒精和去離子水依次各自超聲清洗5分鐘，然后用氮?dú)獯蹈桑辉谇鍧嵦幚磉^的硅片上倒適量的SU-8光刻膠，以一定的速度甩膠，形成均勻厚度的膠片； b)將膠片前烘一定時(shí)間后，利用紫外光刻機(jī)進(jìn)行曝光，分別以65°C和95°C后烘10分鐘后，用顯影液浸泡，洗去未曝光的殘膠后進(jìn)行高溫堅(jiān)膜，得到第一層光纖槽底襯、1/2高度的SU-8位移柱及1/2高度的傳感部件邊壁； c)在b)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行涂膠甩膠； d)將c)步驟中所形成的膠片進(jìn)行前烘、曝光、后烘、顯影、干燥和堅(jiān)膜形成光纖槽、SU-8位移柱以及傳感部件的邊壁； e)在d)步驟中所形成的結(jié)構(gòu)上熱蒸發(fā)沉積一層增反膜材料； f)以版片對(duì)準(zhǔn)的方式在硅片背面光刻形成保護(hù)層，進(jìn)行濕法腐蝕，通過控制時(shí)間控制腐蝕深度，得到所需的膜厚，形成硅敏感膜； g)將一段單模光纖用光纖切割刀切出平端面，用光纖研磨機(jī)研磨拋光單模光纖端面；在光纖槽內(nèi)嵌入精確切割過并進(jìn)行端面處理的光纖，進(jìn)行點(diǎn)膠將其固定； h)重新清洗一片硅片，在其表面進(jìn)行旋膠，形成厚度勻膠的膠片； i)將h)步驟中形成的膠片進(jìn)行前烘及光刻，形成對(duì)應(yīng)的上蓋結(jié)構(gòu)； j)將傳感部件邊壁以及對(duì)應(yīng)的上蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂膠在真空環(huán)境下進(jìn)行封裝，用來保護(hù)傳感部件確保內(nèi)部真空。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型SU-8光纖法布里-珀羅壓力傳感器，是通過傳統(tǒng)的MEMS微細(xì)加工與近紫外光刻技術(shù)相結(jié)合形成的在硅敏感膜上利用近紫外光刻SU-8光刻膠層形成一個(gè)位移柱以及光纖的定位槽，位移柱的端面以及光纖的端面形成法布里-珀羅腔。同時(shí)還公開了制作該傳感器的方法，主要步驟為在經(jīng)過表面處理過的硅晶圓正面通過兩次對(duì)準(zhǔn)光刻形成所需結(jié)構(gòu)；通過濕法腐蝕法腐蝕硅晶圓的背面，達(dá)到所需的膜厚；再次通過光刻在另一片硅晶圓上塑造壓力傳感器的上蓋結(jié)構(gòu)，通過環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘合封裝。本發(fā)明結(jié)構(gòu)新穎，靈敏度高，可靠性好，線性測(cè)量范圍大，成本低廉，可應(yīng)用于工業(yè)中的微壓檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01L11/02GK103091013SQ20131001294
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者王鳴, 戴麗華, 蔡?hào)|艷, 朱佳利, 賈晟, 尤晶晶, 張叢叢 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)