[go: up one dir, main page]

CN103542926B - 一种光纤微机电水听器及其制作方法 - Google Patents

一种光纤微机电水听器及其制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103542926B
CN103542926B CN201310464609.XA CN201310464609A CN103542926B CN 103542926 B CN103542926 B CN 103542926B CN 201310464609 A CN201310464609 A CN 201310464609A CN 103542926 B CN103542926 B CN 103542926B
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
optical fiber
monox
sense film
tail optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310464609.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN103542926A (zh
Inventor
郝凤欢
葛辉良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
715th Research Institute of CSIC
Original Assignee
715th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 715th Research Institute of CSIC filed Critical 715th Research Institute of CSIC
Priority to CN201310464609.XA priority Critical patent/CN103542926B/zh
Publication of CN103542926A publication Critical patent/CN103542926A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103542926B publication Critical patent/CN103542926B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光纤微机电水听器及其制作方法。该光纤微机电水听器由硅基MEMS声压传感微结构与光纤尾纤两部分组成,其中MEMS声压传感微结构包括了氧化硅传感薄膜与硅基尾纤卡槽结构,尾纤通过硅基尾纤卡槽结构与传感微结构实现装卡,尾纤端面与氧化硅传感薄膜构成了法布里-珀罗干涉系统从而实现对声压信号的传感与监测。其制作方法是在正面长有氧化硅传感薄膜及氮化硅薄膜的硅片背面,通过反应离子刻蚀工艺形成以氧化硅传感薄膜为底面的圆形凹槽,采用氧等离子体清洗工艺去除圆形凹槽侧壁的钝化层,再使用反应离子刻蚀工艺,刻蚀形成尾纤卡槽结构,通过精密机械调节装置将尾纤插入尾纤卡槽结构,再由环氧树脂胶粘连固定。

Description

一种光纤微机电水听器及其制作方法
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域,具体涉及一种采用微机电系统工艺设计的光纤水听器及其制作方法。
背景技术
光纤水听器是一种以光纤作为传感单元及信号传输载体的水下声波信号传感器,它利用声波对光纤中光波强度、偏振、相位等参量的调制以获取声波的频率、强度等信息。相比于传统的压电水听器,光纤水听器具有灵敏度高、频带宽、重量轻、不受电磁干扰、结构灵巧、可设计成任意形状、传输距离远及易复用等优点。
鉴于上述技术特点,光纤水听器无论应用于拖曳线列阵声纳、舷侧阵声纳等军用领域,还是应用于石油勘探、海底反演等民用领域都具有显著的技术优势。目前传感光纤绕制于增敏结构的干涉型光纤水听器已得到广泛应用,但是其尺寸难以进一步减小,不能满足需要微小尺寸光纤水听器的高频声纳阵、小型UUV用超细型线列阵等方面的需求。
发明内容
为满足光纤水听器微型化的发展需求,解决光纤水听器小型化难题,本发明提出采用微机电系统工艺制作声压传感微结构,再与光纤组装从而构成法布里-珀罗干涉式的微型光纤水听器。
本发明采用如下技术方案来实现上述发明目的:
一种光纤微机电水听器,其特征在于:该水听器由硅基MEMS声压传感微结构与光纤的尾纤两部分组成,所述硅基MEMS声压传感微结构以硅片作基底,硅片正面是热氧化生长的一层氧化硅传感薄膜,硅片背面是通过两次反应离子(RIE)刻蚀形成的直径不同但同轴一体的两个圆柱凹槽,第一次反应离子(RIE)刻蚀形成以氧化硅传感薄膜为底面的圆柱凹槽,圆柱凹槽侧壁通过氧等离子体清洗掉钝化层,再次通过反应离子(RIE)刻蚀形成直径较大的圆柱凹槽即尾纤卡槽,尾纤通过卡槽与硅基MEMS声压传感微结构实现装卡,由环氧树脂胶粘连固定,尾纤端面与氧化硅传感薄膜之间的空腔构成法布里-珀罗腔,形成法布里-珀罗干涉,实现对声压信号的传感与监测。
进一步地,对于热氧化生长的大尺寸氧化硅传感薄膜,氧化硅传感薄膜外还有一层通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)方式生长的氮化硅(Si3N4)薄膜,以平衡氧化硅传感薄膜与硅基底因晶格失配产生的应力。
作为优选,法布里-珀罗腔的长度通过反应离子刻蚀(RIE)工艺精确控制。
作为优选,热氧化生成的氧化硅传感薄膜作为声压传感薄膜,其厚度通过热氧化生长工艺精确控制。
作为优选,所述硅基MEMS声压传感微结构横向尺寸为2.5毫米×2.5毫米,其中尾纤卡槽直径为1.81毫米、尾纤端面直径1.8毫米、法布里-珀罗腔直径为700微米,氧化硅传感薄膜与氮化硅薄膜的厚度分别为2.5微米与0.5微米。
一种光纤微机电水听器的制作方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
步骤一:将表面抛光的硅片通过热氧化工艺生长一定厚度的氧化硅传感薄膜;
步骤二:对于制作大尺寸薄膜,在硅片的正面采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方式生长一层氮化硅(Si3N4)薄膜,以平衡氧化硅传感薄膜与硅基底因晶格失配产生的应力;
步骤三:将硅片背面抛光,去除硅片背面的氧化硅传感薄膜层;
步骤四:在硅片背面涂抹光刻胶,光刻获得与所需样式图案形状一致的圆形图案;
步骤五:采用反应离子(RIE)刻蚀工艺,刻蚀圆形图案区域内的硅,直至氧化硅传感薄膜处停止,形成以氧化硅传感薄膜为底面的圆柱凹槽结构;
步骤六:使用丙酮去除硅片背面的光刻胶后,采用氧等离子体清洗工艺去除圆柱凹槽侧壁的钝化层;
步骤七:在硅片背面涂抹光刻胶,根据要求的尾纤卡槽的直径光刻形成圆形图案,其与前述圆柱凹槽的同轴性是通过两次光刻使用掩模板标记的对准实现的;
步骤八:使用反应离子(RIE)刻蚀工艺,刻蚀图案区域内的硅,直至该区域内留存硅的厚度即法布里-珀罗腔的长度达到预期设计;
步骤九:使用丙酮去除硅片背面的光刻胶;
步骤十:用精密机械调节系统将尾纤插入尾纤卡槽,尾纤端面与尾纤卡槽底面的硅接触时使用环氧树脂胶固定。
本发明能够带来以下有益效果:
1、采用微机电系统工艺制作光纤水听器,能够极大地缩小声压传感单元的结构尺寸,从而使光纤水听器探头的直径减小至几个毫米,甚至百微米级,并且采用微机电工艺能够批量制作声压传感单元结构,提高了传感单元结构的一致性,并降低了制作成本。
2、硅基MEMS声压传感微结构中选取氧化硅作为声压传感材料,利用了反应离子(RIE)刻蚀对硅与二氧化硅的选择性,当刻蚀至氧化硅传感薄膜时停止,从而避免了刻蚀过程对氧化硅传感薄膜的损坏,并且由于氧化硅的生长具有精确可控的特性,也使得该工艺制作的声压传感薄膜厚度也可精确可控。
3、氧化硅传感薄膜采用热氧化工艺生长,使得薄膜结构更为致密,并具有与硅基底附着更为牢固的特性。
4、尾纤卡槽与氧化硅传感薄膜的一体化结构,使得尾纤与硅基MEMS声压传感微结构易于组装及中心对准。微机电系统工艺的高精密性保证了尾纤卡槽与氧化硅传感薄膜中心的高对准精度,以及法布里-珀罗腔长度的高加工精度。
附图说明:
图1光纤微机电水听器结构示意图;
图2硅基MEMS声压传感微结构示意图;
图3光纤微机电水听器加工制作步骤示意图;
附图标记说明:尾纤1、尾纤卡槽2、氧化硅传感薄膜3、氮化硅薄膜4、法布里-珀罗腔5、光纤6、环氧树脂胶7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明:
参见图1、图2,本发明提出的光纤微机电水听器由硅基MEMS声压传感微结构与尾纤1两部分组成,其中硅基MEMS声压传感微结构包括了氧化硅传感薄膜3与尾纤卡槽2,尾纤1通过尾纤卡槽2与硅基MEMS声压传感微结构实现装卡固定。
参见图3,光纤微机电水听器的加工制作工艺如下:
在表面抛光的硅片上热氧化生长到指定厚度的氧化硅传感薄膜3,对于制作大尺寸的氧化硅传感薄膜3,则需要在完成热氧化生长氧化硅的工艺后,再沉积一定厚度的氮化硅薄膜4,以平衡氧化硅传感薄膜3与硅基底因晶格失配产生的应力,从而避免因应力引起氧化硅传感薄膜3损坏现象的发生。
将硅片背面抛光,去除硅片背面的氧化硅传感薄膜3,在硅片背面涂抹光刻胶,光刻获得与所需样式图案形状一致的圆形图案,采用反应离子(RIE)刻蚀工艺,刻蚀圆形图案区域内的硅,直至氧化硅传感薄膜3处停止,形成以氧化硅传感薄膜3为底面的圆柱凹槽结构。
使用丙酮去除硅片背面的光刻胶后,采用氧等离子体清洗工艺去除圆柱凹槽侧壁的钝化层,在硅片背面涂抹光刻胶,根据要求的尾纤卡槽2的直径光刻形成圆形图案,其与前述圆柱凹槽的同轴性是通过两次光刻使用掩模板标记的对准实现的。尾纤卡槽2的直径应略大于尾纤1端面的直径以保证尾纤1的顺利插入装卡及尾纤1纤芯与氧化硅传感薄膜3中心的同轴,为此选择比尾纤1直径大5~10微米的尺寸作为尾纤卡槽2的直径。由于尾纤卡槽2的直径大于以氧化硅传感薄膜3为底面的圆柱凹槽的直径,因此在刻蚀加工尾纤卡槽2时形成了硅的圆环形台阶,随着刻蚀时间的持续,硅台阶的高度将逐渐减小,当硅台阶的高度达到预期的法布里-珀罗腔5的长度时,尾纤卡槽2的刻蚀加工结束。由于反应离子(RIE)刻蚀工艺具有精密可控性,因此该方案加工的硅台阶高度即法布里-珀罗腔5的长度可以精确控制。
尾纤1与硅基MEMS声压传感微结构的组装是通过精密机械调节装置将尾纤1插入尾纤卡槽2,使尾纤1端面与尾纤卡槽底面的硅接触,再使用环氧树脂胶7固定。
作为本发明的优选,采用上述方法制作了横向尺寸仅为2.5毫米×2.5毫米的微型光纤微机电水听器,其中尾纤卡槽2直径为1.81毫米、尾纤1端面直径1.8毫米、法布里-珀罗腔5直径为700微米,氧化硅传感薄膜3与氮化硅薄膜4的厚度分别为2.5微米与0.5微米。
本发明不局限于上述实施方式,不论其实施方式作任何变化,凡是采用本发明所提供的结构设计,都是本发明的一种变形,均应认为在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光纤微机电水听器,其特征在于:该水听器由硅基MEMS声压传感微结构与光纤的尾纤(1)两部分组成,所述硅基MEMS声压传感微结构以硅片作基底,硅片正面是热氧化生长的一层氧化硅传感薄膜(3),硅片背面是通过两次反应离子刻蚀形成的直径不同但同轴一体的两个圆柱凹槽,第一次反应离子刻蚀形成以氧化硅传感薄膜(3)为底面的圆柱凹槽,圆柱凹槽侧壁通过氧等离子体清洗掉钝化层,再次通过反应离子刻蚀形成直径较大的圆柱凹槽即尾纤卡槽(2),尾纤(1)通过卡槽(2)与硅基MEMS声压传感微结构实现装卡,由环氧树脂胶(7)粘连固定,尾纤(1)端面与氧化硅传感薄膜(3)之间的空腔构成法布里-珀罗腔(5),形成法布里-珀罗干涉,实现对声压信号的传感与监测。
2.根据权利要求1所述的一种光纤微机电水听器,其特征在于:对于热氧化生长的大尺寸氧化硅传感薄膜(3),氧化硅传感薄膜(3)外还有一层通过等离子增强化学气相沉积方式生长的氮化硅薄膜(4),以平衡氧化硅传感薄膜(3)与硅基底因晶格失配产生的应力。
3.根据权利要求1或2所述的一种光纤微机电水听器,其特征在于:法布里-珀罗腔(5)的长度通过反应离子刻蚀工艺精确控制。
4.根据权利要求1或2所述的一种光纤微机电水听器,其特征在于:热氧化生长的氧化硅传感薄膜(3)作为声压传感薄膜,其厚度通过热氧化生长工艺精确控制。
5.根据权利要求2所述的一种光纤微机电水听器,其特征在于:所述硅基MEMS声压传感微结构横向尺寸为2.5毫米×2.5毫米,其中尾纤卡槽(2)直径为1.81毫米、尾纤(1)端面直径1.8毫米、法布里-珀罗腔(5)直径为700微米,氧化硅传感薄膜(3)与氮化硅薄膜(4)的厚度分别为2.5微米与0.5微米。
6.一种光纤微机电水听器的制作方法,其特征在于:
具体包括以下步骤:
步骤一:将表面抛光的硅片通过热氧化工艺生长一定厚度的氧化硅传感薄膜(3);
步骤二:对于制作大尺寸薄膜,在硅片的正面采用等离子增强化学气相沉积方式生长一层氮化硅薄膜(4),以平衡氧化硅传感薄膜(3)与硅基底因晶格失配产生的应力;
步骤三:将硅片背面抛光,去除硅片背面的氧化硅传感薄膜(3)层;
步骤四:在硅片背面涂抹光刻胶,光刻获得与所需样式图案形状一致的圆形图案;
步骤五:采用反应离子刻蚀工艺,刻蚀圆形图案区域内的硅,直至氧化硅传感薄膜(3)处停止,形成以氧化硅传感薄膜(3)为底面的圆柱凹槽结构;
步骤六:使用丙酮去除硅片背面的光刻胶后,采用氧等离子体清洗工艺去除圆柱凹槽侧壁的钝化层;
步骤七:在硅片背面涂抹光刻胶,根据要求的尾纤卡槽(2)的直径光刻形成圆形图案,其与前述圆柱凹槽的同轴性是通过两次光刻使用掩模板标记的对准实现的;
步骤八:使用反应离子刻蚀工艺,刻蚀图案区域内的硅,直至该区域内留存硅的厚度即法布里-珀罗腔(5)的长度达到预期设计;
步骤九:使用丙酮去除硅片背面的光刻胶;
步骤十:用精密机械调节系统将尾纤(1)插入尾纤卡槽(2),尾纤(1)端面与尾纤卡槽(2)底面的硅接触时使用环氧树脂胶固定。
CN201310464609.XA 2013-10-09 2013-10-09 一种光纤微机电水听器及其制作方法 Active CN103542926B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310464609.XA CN103542926B (zh) 2013-10-09 2013-10-09 一种光纤微机电水听器及其制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310464609.XA CN103542926B (zh) 2013-10-09 2013-10-09 一种光纤微机电水听器及其制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103542926A CN103542926A (zh) 2014-01-29
CN103542926B true CN103542926B (zh) 2015-07-08

Family

ID=49966605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310464609.XA Active CN103542926B (zh) 2013-10-09 2013-10-09 一种光纤微机电水听器及其制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103542926B (zh)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104019884B (zh) * 2014-06-23 2017-07-28 中国科学院电子学研究所 光纤fp腔声波探头
CN104501729B (zh) * 2014-12-04 2018-06-19 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种基于mems工艺的光纤f-p应变计及成型方法
CN105984831B (zh) * 2015-02-02 2019-01-22 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种mems器件及其制备方法、电子装置
CN105737966A (zh) * 2016-04-16 2016-07-06 西北大学 法布里-珀罗腔金箔光纤超声波传感器
CN106644039A (zh) * 2017-01-20 2017-05-10 哈尔滨工业大学 一种光纤微型水听器
DE102017205971B4 (de) * 2017-04-07 2022-09-22 Infineon Technologies Ag Mems-schallwandler-element und verfahren zum herstellen eines mems-schallwandler-elements
CN108132093B (zh) * 2017-10-11 2020-08-11 黄辉 一种悬膜光纤声波传感器及其制备方法
CN109238437A (zh) * 2018-08-28 2019-01-18 电子科技大学 一种基于氮化硅mems膜的光纤法珀声波探头
NL2022390B9 (en) * 2019-01-14 2020-10-12 Optics11 Monolithic semiconductor device for optical sensing.
CN110160625A (zh) * 2019-05-22 2019-08-23 华中科技大学 一种低频声波传感器
CN110332981A (zh) * 2019-07-10 2019-10-15 西北工业大学 一种mems光纤水听器及其制作方法
CN111044137A (zh) * 2019-09-10 2020-04-21 天津大学 一种基于镀金振动薄膜的光纤声振动传感器及其制作方法
CN111256808A (zh) * 2020-03-04 2020-06-09 电子科技大学 复合膜结构的光纤微光机电系统超声传感器及其制作方法
CN114414031A (zh) * 2021-12-14 2022-04-29 西安理工大学 储能电池监测预警装置与方法
CN114509149A (zh) * 2022-01-24 2022-05-17 上海大学 Mems光纤声振动传感器及其制备方法、性能标定系统和标定方法
CN114460691A (zh) * 2022-02-21 2022-05-10 杭州纳境科技有限公司 一种光纤-微纳结构一体化元件及功能光纤阵列

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5929990A (en) * 1997-03-19 1999-07-27 Litton Systems, Inc. Fabry-perot pressure sensing system with ratioed quadrature pulse detection
CN1821727A (zh) * 2006-03-22 2006-08-23 中国科学院上海光学精密机械研究所 光纤声传感器
CN101762318B (zh) * 2010-01-21 2012-05-23 上海大学 光纤非本征法布里-珀罗干涉超声传感检测装置
CN103154682B (zh) * 2010-03-15 2015-01-07 里兰斯坦福初级大学理事会 光纤兼容声学传感器
CN103234619A (zh) * 2013-04-25 2013-08-07 重庆大学 光纤法布里-珀罗超声水听器及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN103542926A (zh) 2014-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103542926B (zh) 一种光纤微机电水听器及其制作方法
JP3231199U (ja) 波形グラフェンダイヤフラム光ファイバーfp音圧センサー
CA2793452C (en) Optical-fiber-compatible acoustic sensor
EP2802916B1 (en) Structures formed using monocrystalline silicon and/or other materials for optical and other applications
US20070177287A1 (en) Method of manufacturing a mirror and a mirror device
CN101858745B (zh) 基于环形谐振腔的全固态微光机电陀螺
CN101825505B (zh) 一种mems压力敏感芯片及其制作方法
KR20140031927A (ko) 광학 부품의 제조 방법 및 광학 부품
Liu et al. MEMS-based high-sensitivity Fabry–Perot acoustic sensor with a 45° angled fiber
CN109298504B (zh) 微机电光学波长参考标准具
CN110332981A (zh) 一种mems光纤水听器及其制作方法
CN110618302A (zh) 局部放电efpi光纤传感器法珀腔探头的制造方法
Dai et al. Optical fiber Fabry–Pérot pressure sensor based on a polymer structure
CN108444623A (zh) 基于硅薄膜的高灵敏压力传感器及其制备方法
CN103162878B (zh) 一种光纤压力传感器及其制备方法
CN1280616C (zh) 光纤微机电系统压力传感器及其制作方法
CN102139855B (zh) 用于超高灵敏探测的微纳悬臂梁结构制作方法
CN110108267B (zh) 一种硅微陀螺的振动梁制备方法及硅微陀螺
CN104406526A (zh) 脉冲微位移传感器及其测量位移的方法
CN118393434A (zh) 一种基于奥米亚棕蝇听觉结构的仿生空间声定位微传感器
CN107478251A (zh) 一种能够应力调控的石墨烯膜光纤法珀谐振器及其制作方法
CN114279551B (zh) 一种基于mems工艺的光纤声压传感器及其制备方法
CN102621348A (zh) 一种基于硅微加工技术的光纤加速度计
JP2017194513A (ja) 光学デバイス、光変調器、及び光学デバイスの製造方法
CN114459450B (zh) 一种基于静电驱动新型moems陀螺仪及其加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant