專利名稱：布拉格光柵氫氣傳感器及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種布拉格光柵氫氣傳感器及其制備工藝，具體是一種微光機電系統微懸臂梁驅動的布拉格光柵氫氣傳感器及其制備工藝，用于自動控制技術領域。
背景技術：
現存的氫氣傳感器主要有薄膜電阻式、電化學式和光纖光學式三種類型。光纖傳感器能夠將敏感信息以光信號的形式轉移到安全區域，可以很好地避免潛在危險，除此之外，光纖傳感還具有靈敏度高、精度高、抗干擾能力強、動態響應范圍大、耐高壓、耐腐蝕等突出優點。金屬鈀是各種光纖氫氣傳感器最常采用的敏感材料，原因在于鈀能夠吸收空氣中的氫氣，具有非常強的氣體選擇性。金屬靶吸附氫氣后形成氫化物，從而導致一系列物理性質發生變化，如電阻率、晶格常數(體積)、反射率和折射率等，而且這種變化在一定條件下是可逆的，為基于上述原理構造重復使用的測氫傳感器奠定了基礎。
經文獻檢索發現，在《國際光學工程學會》(1999，Vol.3670，532～540)上刊登的“基于鈀管的布拉格光纖光柵氫氣傳感器的描述”，(Characterization of aFiber Bragg Grating(FBG)Based Palladium Tube Hydrogen Sensor.SPIE，1999，Vol.3670，532～540)，該文提出了一種光纖光柵型氫氣傳感器，其不同于傳統光纖型氫傳感器的主要特點在于可實現分布測量，并以波長調制為特色，克服了強度調制型光纖傳感器由于光強衰減所帶來的種種弊端。但是，其不足是所需的驅動力較大。提高驅動力的通常做法是加大光柵周圍Pd膜的厚度，而增加鈀膜厚度所帶來的不良后果是鈀膜本身容易斷裂，而且鈀膜與光纖界面容易開裂。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，將微光機電系統(MEMS)設計和加工技術與光纖傳感技術相結合，提出一種基于微光機電系統微懸臂梁驅動的布拉格光柵氫氣傳感器及其制備工藝，使其具有常規光纖氫傳感器特征的同時，還具備MEMS器件體積小、響應快、易集成、穩定性好、成本低、易批量生產等性能。本發明在不增加鈀膜厚度的條件下通過增加懸臂梁金屬鈀膜面積的方式提高了光柵的軸向驅動力，解決了布拉格光柵型氫氣傳感器為了提高其敏感性而增加膜厚所帶來的易破壞等問題，由于將光柵固定在懸臂梁上，又使其具有了一定的抵抗振動干擾的能力。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明布拉格光柵氫氣傳感器包括鈀膜、襯底鎳薄膜、Cu(銅)基底、光纖探頭、纖尾，其連接關系為吸氫的鈀膜依附于不吸氫的襯底鎳薄膜形成雙層膜結構，該結構一端固定于Cu基底上，另一端懸空形成懸臂梁，寫有布拉格光柵的光纖探頭貼于懸臂梁懸空端部，光纖的另一端纖尾則作為接口。
本發明利用鈀膜吸收氫氣膨脹，使懸梁臂產生彎曲變形的方法將環境氫氣濃度變化的信息轉化成微懸臂梁位移信息，并驅動光柵波長變化，進而將氫氣濃度的變化轉化為光信息的變化，通過檢測這種光信號的變化，便可以感知環境中氫氣的濃度變化。
本發明布拉格光柵氫氣傳感器采用MEMS技術加工，工藝步驟如下(1)在單晶硅基片通過Cr/Cu打底 厚；(2)電鍍Cu膜20~40μm厚；(3)磁控濺射氫敏感膜(Pd) 厚；(4)涂光刻膠，光刻；(5)電鍍金屬Ni膜10~20μm厚并去除光刻膠；(6)以鎳膜作為掩膜干法刻蝕金屬鈀；(7)以鎳膜作為掩膜濕法刻蝕銅膜；(8)結合解調儀的工作性能，選定布拉格波長(1400~1600nm)，并通過準分子激光寫入法，制作布拉格光纖光柵；(9)用高性能膠將端部寫有布拉格光柵的光纖探頭粘貼在微懸臂梁上，光纖另一端纖尾則作為接口。
與光纖光柵氫傳感器相似，本發明驅動原理同樣利用了鈀膜吸氫膨脹這一物理現象。但是，本發明把這種膨脹轉變成了機械運動的位移，進而轉變成光柵波長的變化，不再是強制光纖伸長以改變光柵波長。這樣做可以帶來以下四個方面的好處1.保留了光柵氫傳感器的固有優點，即通過檢測波長的變化而不是光強的變化，降低了光強衰減對傳感器性能的影響2.在不增加鈀膜厚度的情況下，通過增加鈀膜的面積可以獲得較大的驅動力。這樣在保證鈀膜強度的情況下能夠提高其靈敏度。而且采取適當的結構形式，如增加懸臂梁的長度，降低強度，可以使這種驅動位移得到充分放大，從而大幅度提高傳感器的探測靈敏度。3.不需要直接在光纖表面沉積Pd(合金)膜，回避了直接對光纖進行精細加工的過程，也不會出現Pd膜與光纖結合失效的問題，有利于維持工藝穩定性和保持批量加工一致性。4.由于所測參量僅與光柵波長相對變化有關，因此，該傳感器可以很方便地標定并實現絕對濃度測量。
圖1本發明布拉格光柵氫氣傳感器結構示意圖如圖1所示，本發明布拉格光柵氫氣傳感器包括鈀膜1、襯底鎳薄膜2、Cu基底3、光纖探頭4、纖尾5，其連接關系為鈀膜1依附于襯底鎳薄膜2形成雙層膜結構，該結構一端固定于Cu基底3上，另一端懸空形成懸臂梁，寫有布拉格光柵的光纖探頭4貼于懸臂梁懸空端部，通過光纖連接，光纖的另一端纖尾5則作為接口。
所述的鈀膜1是吸氫的，而襯底鎳薄膜2則不吸氫。
具體實施例方式結合本發明的制備工藝，提供以下實施例，具體如下實施例11.在單晶硅基片采用濺射法進行Cr/Cu打底 厚；2.電鍍20μm厚的Cu膜，作為微懸臂梁的支撐座，支座長、寬尺寸為4×4mm；3.在Cu膜上面采用磁控濺射法沉積一層厚度200nm的金屬Pd膜，作為吸氫的敏感膜；4.接下來，在金屬Pd膜上旋涂10μm厚AZ4620光刻膠，光刻、顯影并電鑄10μm厚鎳膜作為驅動梁的一部分；5.去光刻膠；6.以Ni膜做掩膜，用干法刻蝕掉200nm厚的金屬Pd；
7.濕法刻蝕Pd膜下面作為犧牲層的Cu膜，由于梁的長和寬分別為8mm和2mm，所以當Pd膜下面漏空后，支座處仍然保留一部分Cu作為懸臂梁的支撐。
8.選定布拉格波長1530nm，通過準分子激光寫入法制作布拉格光柵；9.將端部寫有光柵的光纖探頭粘貼在懸臂梁上，將光纖的纖尾延長出來作為傳感器通訊接口。至此，傳感器模型制作完成。
效果該傳感器結構緊湊，金屬膜細致平整，在氫氛圍的環境下測量該傳感器的響應，可以看到傳感器具有可逆性及重復使用性能，靈敏度較高，響應時間短，濃度測試范圍較寬。
實施例21.在單晶硅基片采用濺射法進行Cr/Cu打底 厚；2.電鍍30μm厚的Cu膜，作為微懸臂梁的支撐座，支座長、寬尺寸為4×4mm；3.在Cu膜上面采用磁控濺射法沉積一層厚度300nm的金屬Pd膜，作為吸氫的敏感膜；4.接下來，在金屬Pd膜上旋涂20μm厚AZ4620光刻膠，光刻、顯影并電鑄10μm厚鎳膜作為驅動梁的一部分；5.去光刻膠；6.以Ni膜微掩膜，用干法刻蝕掉300nm厚的金屬Pd；7.濕法刻蝕Pd膜下面作為犧牲層的Cu膜，由于梁的長和寬分別為8mm和2mm，所以當Pd膜下面漏空后，支座處仍然保留一部分Cu作為懸臂梁的支撐。
8.選定布拉格波長1550nm，通過準分子激光寫入法制作布拉格光柵；9.將端部寫有光柵的光纖探頭粘貼在懸臂梁上，將光纖的纖尾延長出來作為傳感器通訊接口。至此，傳感器模型制作完成。
效果該傳感器結構緊湊，金屬膜細致平整，在氫氛圍的環境下測量該傳感器的響應，可以看到傳感器具有可逆性及重復使用性能，靈敏度高，響應時間短，濃度測試范圍較寬。
實施例31.在單晶硅基片采用濺射法進行Cr/Cu打底 厚；2.電鍍40μm厚的Cu膜，作為微懸臂梁的支撐座，支座長、寬尺寸為4×4mm；3.在Cu膜上面采用磁控濺射法沉積一層厚度500nm的金屬Pd膜，作為吸氫的敏感膜；4.接下來，在金屬Pd膜上旋涂20μm厚AZ4620光刻膠，光刻、顯影并電鑄10μm厚鎳膜作為驅動梁的一部分；5.去光刻膠；6.以Ni膜微掩膜，用干法刻蝕掉500nm厚的金屬Pd；7.濕法刻蝕Pd膜下面作為犧牲層的Cu膜，由于梁的長和寬分別為8mm和2mm，所以當Pd膜下面漏空后，支座處仍然保留一部分Cu作為懸臂梁的支撐。
8.選定布拉格波長1555nm，通過準分子激光寫入法制作布拉格光柵；9.將端部寫有光柵的光纖探頭粘貼在懸臂梁上，將光纖的纖尾延長出來作為傳感器通訊接口。至此，傳感器模型制作完成。
效果該傳感器結構緊湊，金屬膜細致平整，在氫氛圍的環境下測量傳感器的響應，可以看到傳感器具有可逆性及重復使用性能，靈敏度高，響應時間短，濃度測試范圍寬。
權利要求
1.一種布拉格光柵氫氣傳感器，包括鈀膜(1)、襯底鎳薄膜(2)、Cu基底(3)、光纖探頭(4)、纖尾(5)，其特征在于，鈀膜(1)依附于襯底鎳薄膜(2)形成雙層膜結構，該結構一端固定于Cu基底(3)上，另一端懸空形成懸臂梁，寫有布拉格光柵的光纖探頭(4)貼于懸臂梁懸空端部，通過光纖連接，光纖的另一端纖尾(5)則作為接口。
2.一種布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征在于，工藝步驟如下(1)在單晶硅基片通過Cr/Cu打底；(2)電鍍Cu膜；(3)磁控濺射氫敏感膜；(4)涂光刻膠，光刻；(5)電鍍金屬Ni膜并去除光刻膠；(6)以鎳膜作為掩膜干法刻蝕金屬鈀；(7)以鎳膜作為掩膜濕法刻蝕銅膜；(8)結合解調儀的工作性能，選定布拉格波長，并通過準分子激光寫入法，制作布拉格光纖光柵；(9)用高性能膠將端部寫有布拉格光柵的光纖探頭粘貼在微懸臂梁上，光纖另一端纖尾則作為接口。
3.根據權利要求2所述的布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征是，步驟(1)中，打底8～10厚。
4.根據權利要求2所述的布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征是，步驟(2)中，Cu膜20～40μm厚。
5.根據權利要求2所述的布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征是，步驟(3)中，氫敏感膜為金屬Pd膜，2000～5000厚。
6.根據權利要求2所述的布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征是，步驟(5)中，電鍍金屬Ni膜10～20μm厚。
7.根據權利要求2所述的布拉格光柵氫氣傳感器的制備工藝，其特征是，步驟(8)中，布拉格波長1400～1600nm。
全文摘要
一種布拉格光柵氫氣傳感器及其制備工藝，用于自動控制技術領域。布拉格光柵氫氣傳感器中，鈀膜依附于襯底鎳薄膜形成雙層膜結構，該結構一端固定于Cu基底上，另一端懸空形成懸臂梁，寫有布拉格光柵的光纖探頭貼于懸臂梁懸空端部，纖尾則作為接口。制備工藝在單晶硅基片通過Cr/Cu打底；電鍍Cu膜；磁控濺射氫敏感膜；涂光刻膠，光刻；電鍍金屬Ni膜并去除光刻膠；以鎳膜為掩膜干法刻蝕金屬鈀；以鎳膜為掩膜濕法刻蝕銅膜；選定布拉格波長，并通過準分子激光寫入法，制作布拉格光纖光柵；將端部寫有布拉格光柵的光纖探頭粘貼在微懸臂梁上，光纖另一端纖尾則為接口。本發明提高了光柵的軸向驅動力，解決了為提高敏感性而增加膜厚所帶來的易破壞等問題。
文檔編號G01N27/407GK1587993SQ200410052859
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月15日 優先權日2004年7月15日
發明者陳吉安, 曹瑩, 張曉晶, 邱顯濤, 周業成 申請人:上海交通大學