專利名稱：光纖微機(jī)電系統(tǒng)壓力傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及運(yùn)用單晶硅膜作為壓力敏感膜的，具有抗電磁干擾、可組成分布?jí)毫y(cè)量網(wǎng)絡(luò)等性能的光纖MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))壓力傳感器及其制作方法。
背景技術(shù)：
目前通常使用的絕對(duì)、相對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)中，法布里—珀羅光干涉腔是采用以下工藝實(shí)現(xiàn)的。首先將硼硅玻璃光刻制作好圖案；然后用BOE腐蝕液對(duì)未使用光刻膠掩蔽的硼硅玻璃進(jìn)行腐蝕，腐蝕得到所需厚度的空腔；最后運(yùn)用陽(yáng)極鍵合工藝將硼硅玻璃與硅片緊密鍵合在一起，制作法布里—珀羅光干涉腔。如果制作相對(duì)壓力傳感器，則在硅片與硼硅玻璃鍵合前，必須先開孔，作為相對(duì)壓力的導(dǎo)入口。
然而在這樣的裝置當(dāng)中，存在以下問題(1)硼硅玻璃的定量深度腐蝕的難度較大，腐蝕后的表面粗糙度很大，對(duì)于利用光干涉產(chǎn)生傳感信號(hào)的光纖MEMS壓力傳感器性能的影響較大。
(2)由于光干涉腔體是運(yùn)用對(duì)硼硅玻璃的腐蝕和陽(yáng)極鍵合工藝得到的，而硅片深度腐蝕圖案是在硅片上面通過光刻，掩蔽然后腐蝕形成的，這樣玻璃與硅片兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)的難度就很大，不容易實(shí)現(xiàn)。
(3)由于光纖與玻璃是通過光固化環(huán)氧樹脂粘合在一起的，因此在上述相對(duì)壓力傳感器中參考?jí)毫Φ拈_孔很容易被環(huán)氧樹脂堵塞。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明旨在解決上述問題提供一種精度及靈敏度良好，抗電磁干擾，可組成分布測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的光纖MEMS壓力傳感器及其制作方法。
技術(shù)方案以往在保證腐蝕表面平整度的情況下，難以在硅片上面刻蝕所需厚度的槽體。然而隨著近年來MEMS加工工藝的不斷發(fā)展和改進(jìn)，在深腐蝕時(shí)獲得平整的腐蝕表面以及精確的雙面對(duì)準(zhǔn)工藝已成為可能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器以硼硅玻璃襯底為基底，在硼硅玻璃襯底上設(shè)有一個(gè)單晶硅片；該單晶硅片的下表面中央與硼硅玻璃襯底之間設(shè)有法布里—珀羅腔；單晶硅片上表面中央設(shè)有一個(gè)凹槽，單晶硅片的中央為單晶硅橫隔膜；在硼硅玻璃襯底的下面設(shè)有光纖。
對(duì)于相對(duì)壓力傳感器在單晶硅片的下表面與硼硅玻璃襯底之間的法布里—珀羅腔旁還設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?，在硼硅玻璃襯底上設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ膫鬏斂?，該參考?jí)毫Φ膫鬏斂椎囊欢诉B通參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?，另一端連通外部，形成相對(duì)壓力傳感器。
本發(fā)明的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的制作方法是該傳感器以硼硅玻璃作為襯底，由一個(gè)下表面被蝕刻了淺薄圓柱形槽體的單晶硅片與硼硅玻璃陽(yáng)極鍵合形成法布里—珀羅腔，再?gòu)膯尉Ч杵纳媳砻孢M(jìn)行深腐蝕形成凹槽，最后形成單晶硅橫隔膜，光纖的端部接在硼硅玻璃襯底的下部，由光固化環(huán)氧樹脂將光纖與硼硅玻璃襯底連接。運(yùn)用光刻圖形以及RIE(反應(yīng)離子刻蝕)工藝在單晶硅表面刻蝕形成淺薄圓柱形槽體，并且通過陽(yáng)極鍵合工藝將硼硅玻璃與刻蝕出圖形的單晶硅片鍵合起來最后形成光法布理—珀羅腔。通過深腐蝕工藝刻蝕得到所需厚度的單晶硅片。
其特征在于具體制作的步驟為(a)用熱氧化制作的二氧化硅，用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)工藝制作的氮化硅，作為單晶硅<100>晶向的深腐蝕掩蔽層，(b)用反應(yīng)離子刻蝕工藝在單晶硅片表面制作淺薄圓柱形槽體，(c)用陽(yáng)極鍵合工藝將刻蝕形成淺薄圓柱形槽體的單晶硅片與鵬硅玻璃鍵合，制作法布里—珀羅腔，(d)單晶硅膜制作是采用KOH溶液深腐蝕與反應(yīng)離子刻蝕精細(xì)刻蝕相結(jié)合的工藝，(e)在超凈臺(tái)中，將由光纖精密調(diào)節(jié)架控制的光纖與芯片通過光固化環(huán)氧樹脂粘合在一起；(f)相對(duì)壓力傳感器中運(yùn)用通孔工藝在硼硅玻璃襯底上開一個(gè)參考?jí)毫Φ膫鬏斂?，以便將參考?xì)鈮阂雲(yún)⒖級(jí)毫η恢小?br> 有益效果運(yùn)用深腐蝕與RIE工藝制作得到單晶硅膜，有以下優(yōu)點(diǎn)a、這樣制作得到的傳感器壓力敏感膜具有高的靈敏度和線性度。
b、用外延工藝制作得到的單晶硅膜或多晶硅膜相比，避免了外延形成硅膜具有的殘余應(yīng)力不穩(wěn)定性，所制作得到的硅膜沒有殘余應(yīng)力，具有穩(wěn)定，高精度的測(cè)量薄膜。
因此，如果借助本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)由深腐蝕與RIE工藝制作的單晶硅膜構(gòu)成的，精度高，靈敏度高，可靠性好的光纖MEMS壓力傳感器。


圖1是本發(fā)明中光纖MEMS絕對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中光纖MEMS相對(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中光纖MEMS絕對(duì)壓力傳感器加工制作步驟示意圖。
圖4是本發(fā)明中光纖MEMS相對(duì)壓力傳感器加工制作步驟示意圖。
圖5是本發(fā)明中光纖MEMS壓力傳感器單晶硅膜受到壓力后的三維形變示意圖。
以上的圖中有單晶硅片1，硼硅玻璃襯底2，光纖3，單晶硅膜4，法布里—珀羅腔5，光固化環(huán)氧樹脂6，P表示上部的壓力。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器以硼硅玻璃襯底2為基底，在硼硅玻璃襯底2上設(shè)有一個(gè)單晶硅片1；該單晶硅片1的下表面中央與硼硅玻璃襯底2之間設(shè)有法布里—珀羅腔5；單晶硅片1上表面中央設(shè)有一個(gè)凹槽11，單晶硅片1的中央為單晶硅橫隔膜4；在硼硅玻璃襯底2的下面設(shè)有光纖3。對(duì)于相對(duì)壓力傳感器，在單晶硅片1的下表面與硼硅玻璃襯底2之間的法布里—珀羅腔5旁還設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?5，在硼硅玻璃襯底2上設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ膫鬏斂?4，該參考?jí)毫Φ膫鬏斂?4的一端連通參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?5，另一端連通外部，形成相對(duì)壓力傳感器。
單晶硅膜4是通過KOH腐蝕與反映離子刻蝕相結(jié)合的工藝制作而成；法布里—珀羅腔5，先運(yùn)用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出淺薄圓柱形槽體，再通過陽(yáng)極鍵合工藝將硅片與玻璃鍵合在一起，形成法布里—珀羅腔；光固化環(huán)氧樹脂由于硼硅玻璃與單晶硅片是通過真空陽(yáng)極鍵合工藝鍵合在一起的，因此法布里—珀羅腔的內(nèi)部氣壓等于真空陽(yáng)極鍵合室內(nèi)的環(huán)境氣壓，因此可作為絕對(duì)壓力傳感器的參考?jí)毫Α?br> 在以上結(jié)構(gòu)中，光通過光纖進(jìn)入法布里—珀羅腔，在單晶硅膜與與硼硅玻璃的上表面來回反射，形成多光束干涉。當(dāng)單晶硅膜受到均衡壓力時(shí)將發(fā)生撓曲，干涉光強(qiáng)和返回光相位都發(fā)生變化，通過測(cè)量干涉光強(qiáng)或者相位的變化，就可以測(cè)量單晶硅膜受到的待測(cè)壓力。
光纖MEMS絕對(duì)壓力傳感器的詳細(xì)加工工藝步驟，如下所述(a)將<100>晶向的單晶硅片雙面熱氧化一層1微米的二氧化硅，(b)在硅片正面再沉積一層0.3微米的氮化硅，(c)正面用厚光刻膠作掩蔽層，再用BHF腐蝕液將背面的二氧化硅去除，然后用丙酮去除正面光刻膠，(d)在硅片的背面光刻出所需的圖案，并且用反應(yīng)離子刻蝕工藝(RIE)刻蝕沒有掩蔽的單晶硅，刻蝕出所需深度的淺薄圓柱形槽體，(e)用丙酮去除硅片背面光刻膠，(f)運(yùn)用陽(yáng)極鍵合工藝，將硼硅玻璃與刻蝕好淺薄圓柱形槽體的硅片背面鍵合在一起，(g)在上述結(jié)構(gòu)的正面，光刻出所需圖形，然后用RIE工藝分別將氮化硅和二氧化硅刻蝕掉，(h)用丙酮去除硅片背面上的光刻膠，(i)用KOH腐蝕溶液對(duì)沒有掩蔽的單晶硅進(jìn)行深腐蝕，并且用臺(tái)階儀測(cè)量硅片的腐蝕深度，從而得到在腐蝕液中的腐蝕速度以及腐蝕時(shí)間，(j)當(dāng)腐蝕到一定的厚度時(shí)，用RIE工藝精細(xì)刻蝕，得到所需厚度的單晶硅膜，(k)將端面拋光的光纖與傳感器頭通過光固化工藝粘合起來；如果要制作相對(duì)壓力傳感器，只要將上述工藝作修改如下(1)在步驟(d)中使用相對(duì)壓力傳感器光刻掩模。
(2)在步驟(j)中得到結(jié)構(gòu)運(yùn)用激光刻蝕技術(shù)在玻璃上刻蝕出一個(gè)小孔，作為參考?jí)毫Φ耐住?br> 在上述傳感器加工步驟中，所有的圖案都在單晶硅片上形成，這樣就避免了硅片和玻璃上都有圖案時(shí)兩者精密對(duì)準(zhǔn)的問題。
其中參考?jí)毫ν资窃趩尉Ч枘じg形成以后，通過激光刻蝕工藝形成的，因此a、通孔上面對(duì)應(yīng)的是沒有腐蝕的厚單晶硅片，因此單晶硅膜不會(huì)受到損傷。b、如果通孔是在腐蝕硅膜之前刻蝕形成，則在接下來的單晶硅深腐蝕工藝中，必須用膠帶等將通孔密封，避免腐蝕液進(jìn)入法布里珀羅腔中。而硅深腐蝕需要至少6個(gè)小時(shí)，保護(hù)相當(dāng)困難。將通孔刻蝕工藝放在硅膜形成之后，較好的避免了這一問題。
作為本發(fā)明的試驗(yàn)例，例如，可得到直徑600微米、厚度20微米的單晶硅圓膜，絕對(duì)壓力測(cè)量值可達(dá)到2.5Mpa的光纖MEMS壓力傳感器。
因此，如果借助本發(fā)明，可以運(yùn)用MEMS加工工藝制作得到精度、靈敏度良好，可靠性高、抗電磁干擾，可測(cè)量分布?jí)毫Φ墓饫wMEMS壓力傳感器。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，其特征在于該傳感器以硼硅玻璃襯底(2)為基底，在硼硅玻璃襯底(2)上設(shè)有一個(gè)單晶硅片(1)；該單晶硅片(1)的下表面中央與硼硅玻璃襯底(2)之間設(shè)有法布里—珀羅腔(5)；單晶硅片(1)上表面中央設(shè)有一個(gè)凹槽(11)，單晶硅片(1)的中央為單晶硅橫隔膜(4)；在硼硅玻璃襯底(2)的下面設(shè)有光纖(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，其特征在于在單晶硅片(1)的下表面與硼硅玻璃襯底(2)之間的法布里—珀羅腔(5)旁還設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?25)，在硼硅玻璃襯底(2)上設(shè)有一個(gè)參考?jí)毫Φ膫鬏斂?24)，該參考?jí)毫Φ膫鬏斂?24)的一端連通參考?jí)毫Φ妮斎胪ǖ?25)，另一端連通外部，形成相對(duì)壓力傳感器。
3.一種如權(quán)利要求1所述的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的制作方法，其特征在于該傳感器以硼硅玻璃作為襯底，由一個(gè)下表面被蝕刻了淺薄圓柱形槽體的單晶硅片(1)與硼硅玻璃陽(yáng)極鍵合形成法布里—珀羅腔(5)，再?gòu)膯尉Ч杵?1)的上表面進(jìn)行深腐蝕形成凹槽(11)，最后形成單晶硅橫隔膜(4)，光纖(3)的端部接在硼硅玻璃襯底(2)的下部，由光固化環(huán)氧樹脂(6)將光纖(3)與硼硅玻璃襯底(2)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測(cè)量壓力的光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器的制作方法，其特征在于具體制作的步驟為(a)用熱氧化制作的二氧化硅，用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)工藝制作的氮化硅，作為單晶硅<100>晶向的深腐蝕掩蔽層，(b)用反應(yīng)離子刻蝕工藝在單晶硅片表面制作淺薄圓柱形槽體，(c)用陽(yáng)極鍵合工藝將刻蝕形成淺薄圓柱形槽體的單晶硅片與鵬硅玻璃鍵合，制作法布里—珀羅腔，(d)單晶硅膜制作是采用KOH溶液深腐蝕與RIE(反應(yīng)離子刻蝕)精細(xì)刻蝕相結(jié)合的工藝，(e)在超凈臺(tái)中，將由光纖精密調(diào)節(jié)架控制的光纖與芯片通過光固化環(huán)氧樹脂粘合在一起；(f)相對(duì)壓力傳感器中運(yùn)用通孔工藝在硼硅玻璃襯底上開一個(gè)參考?jí)毫Φ膫鬏斂祝员銓⒖細(xì)鈮阂雲(yún)⒖級(jí)毫η恢小?br> 全文摘要
光纖微機(jī)電系統(tǒng)傳感器及其制作方法涉及運(yùn)用單晶硅膜作為壓力敏感膜的壓力傳感器及其制作方法，該傳感器以硼硅玻璃襯底為基底，在硼硅玻璃襯底上設(shè)有一個(gè)單晶硅片；該單晶硅片的下表面中央與硼硅玻璃襯底之間設(shè)有法布里—珀羅腔；單晶硅片上表面中央設(shè)有一個(gè)凹槽，單晶硅片的中央為單晶硅橫隔膜；在硼硅玻璃襯底的下面設(shè)有光纖。其制作方法是該傳感器以硼硅玻璃作為襯底，由一個(gè)下表面被蝕刻了淺薄圓柱形槽體的單晶硅片與硼硅玻璃陽(yáng)極鍵合形成法布里—珀羅腔，再?gòu)膯尉Ч杵纳媳砻孢M(jìn)行深腐蝕形成凹槽，最后形成單晶硅橫隔膜，光纖的端部接在硼硅玻璃襯底的下部，由光固化環(huán)氧樹脂將光纖與硼硅玻璃襯底連接。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1614371SQ20041006490
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者王鳴, 李明, 戎華, 王婷婷 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)