一種基于mems工藝的微型封裝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工藝的微型封裝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(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?，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工藝的微型封裝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)能力高；目的之二在于提供一種基于MEMS工藝的微型封裝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)器件的微型化、批量化制作。
[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工藝的微型封裝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、玻璃片和雙拋硅片組成；
[0009]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]所述雙拋硅片的軸向設(shè)置有圓孔，所述圓孔直徑大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的外徑；
[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，并在上端面沉積有增透膜；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的出射平行光束直徑大于光纖纖芯直徑。
[0013]整體連接關(guān)系:
[0014]SOI硅片通過硅-玻璃陽極鍵合固定在玻璃片上，鍵合面為SOI硅片中頂層硅的下表面與玻璃片的上表面；玻璃片通過硅-玻璃陽極鍵合固定在雙拋硅片上，鍵合面為玻璃片的下表面與雙拋硅片的上表面；準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過焊料固定在雙拋硅片的通孔中；所述高反膜1、高反膜II的高反膜之間的形成的區(qū)域構(gòu)成F-P光學(xué)干涉腔；準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖的光學(xué)軸與F-P光學(xué)干涉腔同軸；所述高反膜1、高反膜I1、增透膜I和增透膜II的中心點(diǎn)位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(shí)現(xiàn)對外部壓力的精確測量。
[0020]一種基于MEMS工藝的微型封裝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)在底層硅的內(nèi)表面上沉積高反膜(反射率高于95% );對所述高反膜進(jìn)行圖形化處理；
[0024](4)在通過步驟(3)處理后的底層硅內(nèi)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，在底層娃內(nèi)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 μ?? ;
[0025](5)在玻璃片的上表面沉積高反膜(反射率95?96% );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)在氧化后的雙拋硅片的上表面進(jìn)行光刻，腐蝕掉光刻圖形中的氧化層；隨后以氧化層和光刻膠作為掩膜，采用Deep RIE工藝進(jìn)行刻蝕，在雙拋硅片上的軸向形成圓孔；所述圓孔直徑大于準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖和玻璃片下表面的增透膜的直徑；
[0029](9)將步驟(8)處理后的雙拋硅片與玻璃片進(jìn)行硅-玻璃陽極鍵合，鍵合面為玻璃片的下表面與雙拋硅片的上表面；隨后，依次在底層硅的外表面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；
[0030](10)將準(zhǔn)直擴(kuò)束光纖通過焊料固定在F-P壓力敏感MEMS芯片上雙拋硅片的圓孔中，得到本發(fā)明所述壓力傳感器。
[0031]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；
[0032]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；
[0033]有益效果
[0034](I)本發(fā)明所述微型封裝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(shí)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(jì)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)能力。
[0035](2)本發(fā)明所述微型封裝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(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精度和分辨率降低的問題。
[0036](3)本發(fā)明所述微型封裝F-P壓力傳