一種光纖微機電水聽器及其制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種光纖微機電水聽器及其制作方法。該光纖微機電水聽器由硅基MEMS聲壓傳感微結構與光纖尾纖兩部分組成，其中MEMS聲壓傳感微結構包括了氧化硅傳感薄膜與硅基尾纖卡槽結構，尾纖通過硅基尾纖卡槽結構與傳感微結構實現裝卡，尾纖端面與氧化硅傳感薄膜構成了法布里-珀羅干涉系統從而實現對聲壓信號的傳感與監測。其制作方法是在正面長有氧化硅傳感薄膜及氮化硅薄膜的硅片背面，通過反應離子刻蝕工藝形成以氧化硅傳感薄膜為底面的圓形凹槽，采用氧等離子體清洗工藝去除圓形凹槽側壁的鈍化層，再使用反應離子刻蝕工藝，刻蝕形成尾纖卡槽結構，通過精密機械調節裝置將尾纖插入尾纖卡槽結構，再由環氧樹脂膠粘連固定。
【專利說明】一種光纖微機電水聽器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光纖傳感器【技術領域】，具體涉及一種采用微機電系統工藝設計的光纖水聽器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]光纖水聽器是一種以光纖作為傳感單元及信號傳輸載體的水下聲波信號傳感器，它利用聲波對光纖中光波強度、偏振、相位等參量的調制以獲取聲波的頻率、強度等信息。相比于傳統的壓電水聽器，光纖水聽器具有靈敏度高、頻帶寬、重量輕、不受電磁干擾、結構靈巧、可設計成任意形狀、傳輸距離遠及易復用等優點。
[0003]鑒于上述技術特點，光纖水聽器無論應用于拖曳線列陣聲納、舷側陣聲納等軍用領域，還是應用于石油勘探、海底反演等民用領域都具有顯著的技術優勢。目前傳感光纖繞制于增敏結構的干涉型光纖水聽器已得到廣泛應用，但是其尺寸難以進一步減小，不能滿足需要微小尺寸光纖水聽器的高頻聲納陣、小型UUV用超細型線列陣等方面的需求。
【發明內容】
[0004]為滿足光纖水聽器微型化的發展需求，解決光纖水聽器小型化難題，本發明提出采用微機電系統工藝制作聲壓傳感微結構，再與光纖組裝從而構成法布里-珀羅干涉式的微型光纖水聽器。
[0005]本發明采用如下技術方案來實現上述發明目的:
一種光纖微機電水聽器，其特征在于:該水聽器由娃基MEMS聲壓傳感微結構與光纖的尾纖兩部分組成，所述硅基MEMS聲壓傳感微結構以硅片作基底，硅片正面是熱氧化生長的一層氧化硅傳感薄膜，硅片背面是通過兩次反應離子(RIE)刻蝕形成的直徑不同但同軸一體的兩個圓柱凹槽，第一次反應離子(RIE)刻蝕形成以氧化硅傳感薄膜為底面的圓柱凹槽，圓柱凹槽側壁通過氧等離子體清洗掉鈍化層，再次通過反應離子(RIE)刻蝕形成直徑較大的圓柱凹槽即尾纖卡槽，尾纖通過卡槽與MEMS聲壓傳感微結構實現裝卡，由環氧樹脂膠粘連固定，尾纖端面與氧化硅傳感薄膜之間的空腔構成法布里-珀羅腔，形成法布里-珀羅干涉實現對聲壓信號的傳感與監測。
[0006]進一步地,對于熱氧化生長的大尺寸氧化娃傳感薄膜,氧化娃傳感薄膜外還有一層通過等離子增強化學氣相沉積(PECVD)方式生長的氮化硅(Si3N4)薄膜，以平衡氧化硅傳感薄膜與硅基底因晶格失配產生的應力。
[0007]作為優選，法布里-珀羅腔的長度，可通過反應離子刻蝕(RIE)工藝精確控制。
[0008]作為優選，熱氧化生成的氧化硅傳感薄膜作為聲壓傳感薄膜，其厚度可通過熱氧化生長工藝精確控制。
[0009]作為優選，所述硅基MEMS聲壓傳感微結構橫向尺寸為2.5毫米X 2.5毫米，其中尾纖卡槽直徑為1.81毫米、尾纖端面直徑1.8毫米、法布里-珀羅腔直徑為700微米，氧化硅傳感薄膜與氮化硅薄膜的厚度分別為2.5微米與0.5微米。[0010]一種光纖微機電水聽器的制造方法，其特征在于:具體包括以下步驟:
步驟一:將表面拋光的硅片通過熱氧化工藝生長一定厚度的氧化硅傳感薄膜；
步驟二:對于制作大尺寸薄膜，在硅片的正面采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)
方式生長一層氮化娃(Si3N4)薄膜，以平衡氧化娃傳感薄膜與娃基底因晶格失配產生的應力；
步驟三:將硅片背面拋光，去除硅片背面的氧化硅傳感薄膜層；
步驟四:在硅片背面涂抹光刻膠，光刻獲得與所需樣式圖案形狀一致的圓形圖案；步驟五:采用反應離子(RIE)刻蝕工藝，刻蝕圓形圖案區域內的硅，直至氧化硅傳感薄膜處停止，形成以氧化硅傳感薄膜為底面的圓柱凹槽結構；
步驟六:使用丙酮去除硅片背面的光刻膠后，采用氧等離子體清洗工藝去除圓柱凹槽側壁的鈍化層；
步驟七:在硅片背面涂抹光刻膠，根據要求的尾纖卡槽的直徑光刻形成圓形圖案，其與前述圓柱凹槽的同軸性是通過兩次光刻使用掩模板標記的對準實現的；
步驟八:使用反應離子(RIE)刻蝕工藝，刻蝕圖案區域內的硅，直至該區域內留存硅的厚度即法布里-珀羅腔的長度達到預期設計；
步驟九:使用丙酮去除硅片背面的光刻膠；
步驟十:用精密機械調節系統將尾纖插入尾纖卡槽，尾纖端面與尾纖卡槽底面的硅接觸時使用環氧樹脂膠固定。
[0011]本發明能夠帶來以下有益效果:
1、采用微機電系統工藝制作光纖水聽器，能夠極大地縮小聲壓傳感單元的結構尺寸，從而使光纖水聽器探頭的直徑減小至幾個毫米，甚至百微米級，并且采用微機電工藝能夠批量制作聲壓傳感單元結構，提高了傳感單元結構的一致性，并降低了制作成本。
[0012]2、娃基MEMS聲壓傳感微結構中選取氧化娃作為聲壓傳感材料,利用了反應離子(RIE)刻蝕對硅與二氧化硅的選擇性，當刻蝕至氧化硅傳感薄膜時停止，從而避免了刻蝕過程對氧化硅傳感薄膜的損壞，并且由于氧化硅的生長具有精確可控的特性，也使得該工藝制作的聲壓傳感薄膜厚度也可精確可控。
[0013]3、氧化硅傳感薄膜采用熱氧化工藝生長，使得薄膜結構更為致密，并具有與硅基底附著更為牢固的特性。
[0014]4、尾纖卡槽與氧化硅傳感薄膜的一體化結構，使得尾纖與硅基MEMS聲壓傳感微結構易于組裝及中心對準。微機電系統工藝的高精密性保證了尾纖卡槽與氧化硅傳感薄膜中心的高對準精度，以及法布里-珀羅腔長度的高加工精度。
[0015]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1光纖微機電水聽器結構不意圖；
圖2硅基MEMS聲壓傳感微結構示意圖；
圖3光纖微機電水聽器加工制作步驟示意圖；
附圖標記說明:尾纖1、尾纖卡槽2、氧化硅傳感薄膜3、氮化硅薄膜4、法布里-珀羅腔5、光纖6、環氧樹脂膠7。
【具體實施方式】[0016]下面結合附圖和具體實例對本發明作進一步說明:
參見圖1、圖2，本發明提出的光纖微機電水聽器由硅基MEMS聲壓傳感微結構與尾纖I兩部分組成，其中娃基MEMS聲壓傳感微結構包括了氧化娃傳感薄膜3與尾纖卡槽2,尾纖I通過尾纖卡槽2與娃基MEMS聲壓傳感微結構實現裝卡固定。
[0017]參見圖3，光纖微機電水聽器的加工制作工藝如下:
在表面拋光的硅片上熱氧化生長到指定厚度的氧化硅傳感薄膜3，對于制作大尺寸的氧化硅傳感薄膜3，則需要在完成熱氧化生長氧化硅的工藝后，再沉積一定厚度的氮化硅薄膜4，以平衡氧化硅傳感薄膜3與硅基底因晶格失配產生的應力，從而避免因應力引起氧化娃傳感薄膜3損壞現象的發生。
[0018]將硅片背面拋光，去除硅片背面的氧化硅傳感薄膜3，在硅片背面涂抹光刻膠，光刻獲得與所需樣式圖案形狀一致的圓形圖案，采用反應離子(RIE)刻蝕工藝，刻蝕圓形圖案區域內的硅，直至氧化硅傳感薄膜3處停止，形成以氧化硅傳感薄膜3為底面的圓柱凹槽結構。
[0019]使用丙酮去除硅片背面的光刻膠后，采用氧等離子體清洗工藝去除圓柱凹槽側壁的鈍化層，在硅片背面涂抹光刻膠，根據要求的尾纖卡槽2的直徑光刻形成圓形圖案，其與前述圓柱凹槽的同軸性是通過兩次光刻使用掩模板標記的對準實現的。尾纖卡槽2的直徑應略大于尾纖I端面的直徑以保證尾纖I的順利插入裝卡及尾纖I纖芯與氧化硅傳感薄膜3中心的同軸，為此選擇比尾纖I直徑大5?10微米的尺寸作為尾纖卡槽2的直徑。由于尾纖卡槽2的直徑大于以氧化硅傳感薄膜3為底面的圓柱凹槽的直徑，因此在刻蝕加工尾纖卡槽2時形成了硅的圓環形臺階，隨著刻蝕時間的持續，硅臺階的高度將逐漸減小，當硅臺階的高度達到預期的法布里-珀羅腔5的長度時，尾纖卡槽2的刻蝕加工結束。由于反應離子(RIE)刻蝕工藝具有精密可控性，因此該方案加工的硅臺階高度即法布里-珀羅腔5的長度可以精確控制。
[0020]尾纖I與硅基MEMS聲壓傳感微結構的組裝是通過精密機械調節裝置將尾纖I插入尾纖卡槽2，使尾纖I端面與尾纖卡槽底面的硅接觸，再使用環氧樹脂膠7固定。
[0021]作為本發明的優選，采用上述方法制作了橫向尺寸僅為2.5毫米X2.5毫米的微型光纖微機電水聽器，其中尾纖卡槽2直徑為1.81毫米、尾纖I端面直徑1.8毫米、法布里-珀羅腔5直徑為700微米，氧化硅傳感薄膜3與氮化硅薄膜4的厚度分別為2.5微米與0.5微米。
[0022]本發明不局限于上述實施方式，不論其實施方式作任何變化，凡是采用本發明所提供的結構設計，都是本發明的一種變形，均應認為在發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種光纖微機電水聽器，其特征在于:該水聽器由娃基MEMS聲壓傳感微結構與光纖的尾纖(I)兩部分組成，所述硅基MEMS聲壓傳感微結構以硅片作基底，硅片正面是熱氧化生長的一層氧化硅傳感薄膜(3)，硅片背面是通過兩次反應離子刻蝕形成的直徑不同但同軸一體的兩個圓柱凹槽，第一次反應離子刻蝕形成以氧化硅傳感薄膜(3)為底面的圓柱凹槽，圓柱凹槽側壁通過氧等離子體清洗掉鈍化層，再次通過反應離子刻蝕形成直徑較大的圓柱凹槽即尾纖卡槽(2),尾纖(I)通過卡槽(2)與MEMS聲壓傳感微結構實現裝卡，由環氧樹脂膠(7)粘連固定，尾纖(I)端面與氧化硅傳感薄膜(3)之間的空腔構成法布里-珀羅腔(5)，形成法布里-珀羅干涉實現對聲壓信號的傳感與監測。
2.根據權利要求1所述的一種光纖微機電水聽器，其特征在于:對于熱氧化生長的大尺寸氧化硅傳感薄膜(3)，氧化硅傳感薄膜(3)外還有一層通過等離子增強化學氣相沉積方式生長的氮化硅薄膜(4)，以平衡氧化硅傳感薄膜(3)與硅基底因晶格失配產生的應力。
3.根據權利要求1或2所述的一種光纖微機電水聽器，其特征在于:法布里-珀羅腔(5)的長度，可通過反應離子刻蝕工藝精確控制。
4.根據權利要求1或2所述的一種光纖微機電水聽器,其特征在于:熱氧化生長的氧化硅傳感薄膜(3)作為聲壓傳感薄膜，其厚度可通過熱氧化生長工藝精確控制。
5.根據權利要求2所述的一種光纖微機電水聽器,其特征在于:所述娃基MEMS聲壓傳感微結構橫向尺寸為2.5毫米X 2.5毫米，其中尾纖卡槽(2)直徑為1.81毫米、尾纖(I)端面直徑1.8毫米、法布里-珀羅腔(5)直徑為700微米，氧化硅傳感薄膜(3)與氮化硅薄膜(4)的厚度分別為2.5微米與0.5微米。
6.一種光纖微機電水聽器的制造方法，其特征在于: 具體包括以下步驟: 步驟一:將表面拋光的硅片通過熱氧化工藝生長一定厚度的氧化硅傳感薄膜(3)；步驟二:對于制作大尺寸薄膜，在硅片的正面采用等離子增強化學氣相沉積方式生長一層氮化硅薄膜(4)，以平衡氧化硅傳感薄膜(3)與硅基底因晶格失配產生的應力； 步驟三:將硅片背面拋光，去除硅片背面的氧化硅傳感薄膜(3)層； 步驟四:在硅片背面涂抹光刻膠，光刻獲得與所需樣式圖案形狀一致的圓形圖案；步驟五:采用反應離子刻蝕工藝，刻蝕圓形圖案區域內的硅，直至氧化硅傳感薄膜(3)處停止，形成以氧化硅傳感薄膜(3)為底面的圓柱凹槽結構； 步驟六:使用丙酮去除硅片背面的光刻膠后，采用氧等離子體清洗工藝去除圓柱凹槽側壁的鈍化層； 步驟七:在硅片背面涂抹光刻膠，根據要求的尾纖卡槽(2)的直徑光刻形成圓形圖案，其與前述圓柱凹槽的同軸性是通過兩次光刻使用掩模板標記的對準實現的； 步驟八:使用反應離子刻蝕工藝，刻蝕圖案區域內的硅，直至該區域內留存硅的厚度即法布里-珀羅腔(5)的長度達到預期設計； 步驟九:使用丙酮去除硅片背面的光刻膠； 步驟十:用精密機械調節系統將尾纖(I)插入尾纖卡槽(2)，尾纖(I)端面與尾纖卡槽(2)底面的硅接觸時使用環氧樹脂膠固定。
【文檔編號】G01H9/00GK103542926SQ201310464609
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月9日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】郝鳳歡, 葛輝良 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所