一種基于mems工藝的f-p壓力傳感器及成型方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于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硅片通過硅-玻璃陽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，通過與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖對準(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、高測量精度、過量程能力優(yōu)異、可工作在高溫環(huán)境；并根據(jù)壓力測量靈敏度、量程和波分組網(wǎng)等實際應(yīng)用需要而靈活調(diào)整傳感器F-P腔的初始腔長。
【專利說明】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量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]壓力傳感器是工業(yè)實踐、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]采用電信號檢測的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，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。電容式壓力傳感器是一種利用電容敏感元件將被測壓力轉(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電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。由于壓阻式和電容式的檢測精度受熱機(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，然后兩光纖熔融對接在一起，以形成F-P腔。現(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，檢測信號的信噪比較差，檢測靈敏度較低等。


【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、高測量精度、過量程能力優(yōu)異、機(jī)械可靠性高和動態(tài)測量響應(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，即形成“膜-島”結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形凹槽部分為“膜”，圓柱形凸臺部分為“島”；所述圓柱形凸臺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(“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硅片通過硅-玻璃陽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)處于圓柱形凸臺的軸線上；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，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，簡稱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，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的波長或相位相應(yīng)改變，由此可以實現(xiàn)對外部壓力的精確測量。
[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；對所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；
[0024](4)在通過步驟(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芯片通過焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過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傳感信號檢測技術(shù)與MEMS微細(xì)加工技術(shù)相結(jié)合，利用F-P干涉原理實現(xiàn)對MEMS工藝制作的硅壓力敏感膜位移變化的高分辨率檢測，使得硅壓力敏感膜不需要設(shè)計得非常薄，從而兼顧MEMS壓力傳感器的測量精度、過量程能力、機(jī)械可靠性和動態(tài)測量響應(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腔長不能精確控制等問題，從而實現(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精度和分辨率降低的問題。
[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，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信號的問題，提高了檢測精度和分辨率。
[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，通過硅-玻璃陽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與信號譜3dB帶寬FWHM之比不小于20，可采用波長信號解調(diào)方式進(jìn)行壓力信號檢測，提高壓力分辨率和測量精度，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、受光源功率波動和光纖彎折影響等問題。
[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性度和重復(fù)性；此夕卜，對“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)干涉腔通過硅-玻璃陽極鍵合形成，可以通過在硅-玻璃陽極鍵合過程中抽真空而實現(xiàn)絕對壓力測量，可測量的最小絕對壓力小于lKPa。而且由于F-P光學(xué)干涉腔由硅-玻璃陽極鍵合形成，所以可以保持長期的高真空穩(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芯片通過基座與準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖對準(zhǔn)封裝后構(gòu)成光纖F-P壓力傳感器，通過利用準(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、壓力測量靈敏度、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)測量，機(jī)電設(shè)備油氣壓力測量，油罐自動化液位測量，以及其他工業(yè)領(lǐng)域的高精度壓力和液位測量。
[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。而其無源無電、零點(diǎn)穩(wěn)定、可長壽命工作的突出特點(diǎn)，使其在油罐自動化液位測量領(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，因此幾乎不必考慮測量儀和被測物體的相對位置，特別適合于電學(xué)方式等傳感器不太適用的場合?？梢耘c光纖遙測技術(shù)相配合實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與控制。
[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)信號檢測方式，具有良好的抗沖擊過載能力，故障率極低，后續(xù)免維護(hù)，可長期精確測量。在安裝操作不便、維護(hù)困難的應(yīng)用場合更具顯著優(yōu)勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[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-壓力實測特性；
[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。

【具體實施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖和具體實施例來詳述本發(fā)明，但不限于此。
[0053]實施例
[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；所述圓柱形凸臺的表面與底層硅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硅片通過硅-玻璃陽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均通過焊料固定在基座3上；所述圓柱形凸臺表面的高反膜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，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，簡稱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，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的波長或相位相應(yīng)改變，由此可以實現(xiàn)對外部壓力的精確測量。
[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 ;對所述金反射膜進(jìn)行圖形化處理；如圖4d所示；
[0072](4)在通過步驟(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芯片通過焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過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；信號譜的3dB帶寬FWHM為0.5nm，如圖5b所示；計算出的光學(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信號解調(diào)方式可以達(dá)到0.2pm的波長解調(diào)分辨率，壓力滿量程對應(yīng)的波長變化量為18nm，傳感器的測量動態(tài)范圍達(dá)到1/90000，壓力測量精度達(dá)到滿量程的萬分之一；如圖7所示。同時，由于采用波長信號解調(diào)方式，所以測量精度不受光纖彎曲損耗和光源功率波動的影響；而且可以借助WDM波分復(fù)用器將多個基于MEMS工藝的高精度法布里-珀羅(F-P)壓力傳感器通過波分復(fù)用+時分復(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；所述圓柱形凸臺的表面與底層硅(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硅片通過硅-玻璃陽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)處于圓柱形凸臺的軸線上；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，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；對所述高反膜進(jìn)行圖形化處理； (4)在通過步驟(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；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芯片通過焊料焊接在基座的上表面；將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過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】G01L1/24GK104502005SQ201410729351
【公開日】2015年4月8日 申請日期: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 申請人:劉玉玨