專利名稱：硅微復合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復合薄膜芯片的光纖聲壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及硅微復合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復合薄膜芯片的光纖聲 壓傳感器，屬于微光機電傳感器技術領域。
背景技術：
聲壓傳感器技術是應用聲學技術、新型材料技術、工藝技術進行聲學物理參數檢 測，實現有關環境參數檢測及目標探測的技術。傳統的聲壓傳感器主要有磁電式、碳粒式、 電容式和駐極體式等。其中電容式和駐極體式聲壓傳感器是傳統聲壓傳感器技術的代表。 傳統的聲壓傳感器的靈敏度一般從零點幾個毫伏/帕到幾個毫伏/帕，個別校準用高性能 電容型傳聲器能達到50毫伏/帕，但使用電路比較復雜，且抗溫、濕能力較弱，易受電磁干 擾，無法滿足越來越高的使用要求。目前，國外出現了采用光纖傳感的聲壓傳感器技術，如以色列Midwest公司的光 纖聲壓傳感器技術，其技術指標達到了頻響0. 5-14000HZ、靈敏度lOOmV/I^a士 10%、最大量 程 114dB。國內方面，上海科技大學的周書銓等人研究了微彎型光纖傳聲器的理論和試驗模 型，其原理是將敏感光纖從一對機械周期為λ。的齒形板中間穿過，對齒形板施加作用力 時，光纖產生周期性的彎曲。當齒形板受外部擾動時，光纖的微彎程度隨之變化，從而導致 輸出光功率的改變。通過光檢測器檢測到的光功率變化來間接地測量外部壓力的大小。利 用該原理制作的聲傳感器光纖結構復雜，且傳感器的性能完全依賴于敏感光纖的性能，可 靠性不能得到有利保證，同時存在解調手段復雜的問題。
發明內容
本發明目的是為了解決現有聲壓傳感器的靈敏度低、頻響范圍較窄且易受電磁干 擾，的問題，提供了硅微復合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復合薄膜芯片的光纖聲壓 傳感器。本發明硅微復合薄膜芯片的分為平膜式和波紋式兩種。平膜式硅微復合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟一、在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅層；步驟二、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層；步驟三、通過光刻、蒸發及剝離工藝在一側的氮化硅層的中心區域制作反射鏡面 金膜形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯， 完成平膜式的硅微復合薄膜芯片的制作。波紋式硅微復合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側表面通過掩膜技術，光刻、腐蝕制作出波紋圖形；
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步驟b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅 層；步驟C、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層；步驟d、在有波紋圖形一側的氮化硅層的中心平坦區域通過光刻、蒸發及剝離工藝 制作反射鏡面金膜形成金屬反射鏡；步驟e、在另一側氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯，完 成波紋式的硅微復合薄膜芯片的制作。采用上述制造方法生產的硅微復合薄膜芯片制造的硅微復合薄膜光纖聲壓傳感 器，它包括MEMS敏感單元、透聲防護膜、上端外殼、下端外殼、光纖基座、入射光纖、反射光 纖和信號處理電路，所述的MEMS敏感單元安裝在上端外殼內，并將上端外殼的內部分成上 腔體和下腔體兩部分，上端外殼的上端口處設置透聲防護膜，MEMS敏感單元中的硅微復合 薄膜芯片的敏感區域設置有金屬反射鏡，下端外殼內固定設置有光纖基座，所述光纖基座 設置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內分別固定入射光纖和反射光纖，所述入射光纖的光信號 入射光軸和反射光纖的光信號反射光軸相交于硅微復合薄膜芯片的金屬反射鏡的反射面 上，信號處理電路輸出光信號通過入射光纖發射至金屬反射鏡的反射面，反射光纖接收該 金屬反射鏡反射的光信號輸入給信號處理電路。由透聲防護膜進入的聲壓信號由MEMS敏感單元接收，所述聲壓信號令MEMS敏感 單元的硅微復合薄膜芯片的敏感區域發生位移形變，進而使得金屬反射鏡移動，將引起反 射光纖接收的光信號改變，所述光信號輸入給信號處理電路，信號處理電路根據改變后的 光信號實現對聲壓信號的檢測。本發明的優點利用硅微低應力復合平膜/波紋硅微薄膜芯片對聲壓信號的敏感 特性，即在聲壓作用下低應力復合平膜/波紋硅微薄膜芯片會產生位移變化量。由于在低 應力復合平膜/波紋硅微薄膜芯片上制作金屬反射鏡，低應力復合平膜/波紋硅微薄膜芯 片產生的位移偏量將引起光纖光路中反射光信號的變化。通過光學檢測手段對反射光中的 變化量進行檢測，最后將光學信號變化轉化為電壓信號的變化，歸一化后輸出。即可實現對 微弱聲信號的高靈敏檢測。硅微薄膜光纖聲壓傳感器具有檢測靈敏度高、體積小、頻響范圍 寬、抗電磁干擾等突出優點。
圖1至圖4是平膜式硅微復合薄膜芯片的制作工藝圖；圖5是平膜式硅微復合薄膜芯片封裝成的MEMS敏感結構的示意圖；圖6-圖10是波紋式硅微復合薄膜芯片的制作工藝圖；圖11波紋式硅微復合薄膜芯片封裝成的MEMS敏感結構的示意圖；圖12是采用圖5或圖11所示MEMS敏感結構制造的傳感器結構示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述的一種硅 微復合薄膜芯片的制造方法，平膜式硅微復合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟一、在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅層；
步驟二、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層；步驟三、通過光刻、蒸發及剝離工藝在一側的氮化硅層的中心區域制作反射鏡面 金膜形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯， 完成平膜式的硅微復合薄膜芯片的制作。
具體實施方式
二 下面結合圖6至圖10說明本實施方式，本實施方式所述波紋式 硅微復合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側表面通過掩膜技術，光刻、腐蝕制作出波紋圖形；步驟b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅 層；步驟C、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層；步驟d、在有波紋圖形一側的氮化硅層的中心平坦區域通過光刻、蒸發及剝離工藝 制作反射鏡面金膜形成金屬反射鏡；步驟e、在另一側氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯，完 成波紋式的硅微復合薄膜芯片的制作。
具體實施方式
三下面結合圖1至和圖12說明本實施方式，本實施方式采用實施 方式一或實施方式二的制造方法生產的硅微薄膜芯片制造的硅微薄膜光纖聲壓傳感器，它 包括MEMS敏感單元6、透聲防護膜7、上端外殼8、下端外殼9、光纖基座10、入射光纖11、反 射光纖12和信號處理電路14，所述的MEMS敏感單元6安裝在上端外殼8內，并將上端外 殼8的內部分成上腔體15和下腔體16兩部分，上端外殼8的上端口處設置透聲防護膜7， MEMS敏感單元6中的硅微復合薄膜芯片1的敏感區域設置有金屬反射鏡1-3，下端外殼9內 固定設置有光纖基座10，所述光纖基座10設置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內分別固定入射 光纖11和反射光纖12，所述入射光纖11的光信號入射光軸和反射光纖12的光信號反射光 軸相交于硅微復合薄膜芯片1的金屬反射鏡1-3的反射面上，信號處理電路14輸出光信號 通過入射光纖11發射至金屬反射鏡1-3的反射面，反射光纖12接收該金屬反射鏡1-3反 射的光信號輸入給信號處理電路14。由透聲防護膜7進入的聲壓信號由MEMS敏感單元6接收，所述聲壓信號令MEMS 敏感單元6中的硅微復合薄膜芯片1的敏感區域1-1發生位移形變，進而使得金屬反射鏡 1-3移動，將引起反射光纖12接收的光信號改變，所述光信號輸出給信號處理電路14，信號 處理電路14根據改變后的光信號實現對聲壓信號的檢測。MEMS敏感單元6包括硅微復合薄膜芯片1、平衡結構2、基座3和釋放支架4，所述 硅微復合薄膜芯片1通過平衡結構2封裝在基座3中，MEMS敏感單元6包括硅微復合薄膜芯片1、平衡結構2、基座3和釋放支架4，所述 硅微復合薄膜芯片1通過平衡結構2封裝在基座3中，硅微復合薄膜芯片1與平衡結構2從 上至下依次設置在基座3的凹槽中，硅微復合薄膜芯片1包括敏感區域1-1和硅杯1-2，硅 微復合薄膜芯片1倒置，即硅微復合薄膜芯片1的硅杯1-2的杯口朝上。硅微復合薄膜芯 片1與平衡結構2的外圍尺寸相同，平衡結構2為中空的方環形結構，且與硅杯1-2的結構 鏡像對稱，在基座3的外部設置釋放支架4，釋放支架4與基座3之間用低應力軟膠5粘接， 釋放支架4延伸至硅微復合薄膜芯片1的硅杯1-2的露出表面，并用低應力軟膠5粘接。
金屬反射鏡1-3通過微機械加工工藝在所述敏感區域1-1的下方的平坦區域制造 而成。硅微復合薄膜芯片1和平衡結構2都采用硅基材質。硅微復合薄膜芯片1的敏感區域1-1為平膜式或波紋式。所述傳感器它還可以進一步包括光纖自準直結構13，光纖自準直結構13安裝在 入射光纖11和反射光纖12的端頭。光纖自準直結構13能夠將發散光束匯聚形成平行光 束，實現較高的光能輸出和采集。本實施方式所述的硅微復合薄膜光纖聲壓傳感器將光纖微光路結構與MEMS敏感 結構單元6結合共同構成微光路檢測系統，在低應力的硅微復合薄膜芯片1的敏感區域制 作金屬反射鏡1-3后與微光路結構融合。入射光纖11和反射光纖12按照一定角度對準低應力的硅微復合薄膜芯片1的金 屬反射鏡1-3，當聲壓信號作用于硅微薄膜芯片1的敏感區域1-1時，硅微復合薄膜芯片1 的敏感區域1-1產生位移偏量，帶動金屬反射鏡1-3發生位移，將引起反射光纖12接收光 信號改變，該信號輸入給信號處理電路14，信號處理電路14利用光強檢測方法或干涉法將 光信號變化轉換成電信號變化輸出，進行聲音信號的測量。
權利要求
1.硅微復合薄膜芯片的制造方法，其特征在于該硅微復合薄膜芯片的敏感區域為平 膜式，具體制作工藝過程為步驟一、在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅層； 步驟二、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層； 步驟三、通過光刻、蒸發及剝離工藝在一側的氮化硅層的中心區域制作反射鏡面金膜 形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯，完成 平膜式的硅微復合薄膜芯片的制作。
2.硅微復合薄膜芯片的制造方法，其特征在于該硅微復合薄膜芯片的敏感區域為波 紋式，具體制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側表面通過掩膜技術，光刻、腐蝕制作出波紋圖形； 步驟b、然后去除掩膜；在硅基片上、下表面通過熱氧化方法分別生成二氧化硅層； 步驟C、在所述二氧化硅層表面通過LPCVD方法淀積氮化硅層； 步驟d、在有波紋圖形一側的氮化硅層的中心平坦區域通過光刻、蒸發及剝離工藝制作 反射鏡面金膜形成金屬反射鏡；步驟e、在另一側氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結構，形成硅杯，完成波 紋式的硅微復合薄膜芯片的制作。
3.采用權利要求1或2的制造方法制作的硅微復合薄膜芯片制造的硅微復合薄膜光纖 聲壓傳感器，其特征在于它包括MEMS敏感單元(6)、透聲防護膜(7)、上端外殼(8)、下端 外殼(9)、光纖基座(10)、入射光纖(11)、反射光纖(12)和信號處理電路(14)，所述的MEMS 敏感單元(6)安裝在上端外殼(8)內，并將上端外殼(8)的內部分成上腔體(1 和下腔體 (16)兩部分，上端外殼(8)的上端口處設置透聲防護膜(7)，MEMS敏感單元(6)中的硅微 復合薄膜芯片(1)的敏感區域設置有金屬反射鏡(1-3)，下端外殼(9)內固定設置有光纖基 座(10)，所述光纖基座(10)設置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內分別固定入射光纖(11)和反 射光纖(12)，所述入射光纖(11)的光信號入射光軸和反射光纖(1 的光信號反射光軸相 交于硅微復合薄膜芯片(1)的金屬反射鏡(1-3)的反射面上，信號處理電路(14)輸出光信 號通過入射光纖(U)發射至金屬反射鏡(1-3)的反射面，反射光纖(12)接收該金屬反射 鏡(1-3)反射的光信號輸入給信號處理電路(14)。
4.根據權利要求3所述的硅微復合薄膜光纖聲壓傳感器，其特征在于MEMS敏感單元 (6)包括硅微復合薄膜芯片(1)、平衡結構O)、基座C3)和釋放支架G)，所述硅微復合薄 膜芯片⑴通過平衡結構⑵封裝在基座⑶中，硅微復合薄膜芯片⑴與平衡結構⑵ 從上至下依次設置在基座(3)的凹槽中，硅微復合薄膜芯片(1)包括敏感區域1-1和硅杯 (1-2)，硅微復合薄膜芯片(1)倒置，即硅微復合薄膜芯片(1)的硅杯(1-2)的杯口朝上。 硅微復合薄膜芯片(1)與平衡結構O)的外圍尺寸相同，平衡結構(2)為中空的方環形結 構，且與硅杯(1-2)的結構鏡像對稱，在基座(3)的外部設置釋放支架G)，釋放支架⑷與 基座C3)之間用低應力軟膠( 粘接，釋放支架(4)延伸至硅微復合薄膜芯片(1)的硅杯 (1-2)的露出表面，并用低應力軟膠(5)粘接。
5.根據權利要求4所述的硅微復合薄膜光纖聲壓傳感器，其特征在于它還包括光纖 自準直結構(13)，光纖自準直結構(13)安裝在入射光纖(11)和反射光纖(12)的端頭。
6.根據權利要求4所述的硅微復合薄膜光纖聲壓傳感器，其特征在于硅微復合薄膜 芯片(1)和平衡結構(2)都采用硅基材質。
全文摘要
硅微復合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復合薄膜芯片的光纖聲壓傳感器，屬于微光機電傳感器技術領域，本發明為解決現有聲壓傳感器的靈敏度低、頻響范圍較窄且易受電磁干擾等問題。本發明給出平膜式和波紋式兩種硅微復合薄膜芯片的制造工藝，采用這兩種硅微復合薄膜芯片制造的傳感器上端外殼端口處設置透聲防護膜，內設MEMS敏感單元，形成上、下腔體，單元中的硅微復合薄膜芯片敏感區域設置有金屬反射鏡，下端殼體內設置光纖基座，光纖基座的兩個光纖槽布入、反射光纖，兩光纖的光軸相交于金屬反射鏡的反射面上，信號處理電路輸出光信號通過入射光纖發射至金屬反射鏡的反射面，反射光纖接收該金屬反射鏡反射的光信號輸入給信號處理電路。
文檔編號H04R31/00GK102065365SQ20101057226
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者史鑫, 欒劍, 王偉, 郇帥, 陳麗潔, 陳信琦 申請人:中國電子科技集團公司第四十九研究所