專利名稱：硅微復(fù)合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復(fù)合薄膜芯片的光纖聲壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微復(fù)合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復(fù)合薄膜芯片的光纖聲 壓傳感器，屬于微光機電傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲壓傳感器技術(shù)是應(yīng)用聲學(xué)技術(shù)、新型材料技術(shù)、工藝技術(shù)進行聲學(xué)物理參數(shù)檢 測，實現(xiàn)有關(guān)環(huán)境參數(shù)檢測及目標(biāo)探測的技術(shù)。傳統(tǒng)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(tǒng)聲壓傳感器技術(shù)的代表。 傳統(tǒng)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(zhǔn)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(fù)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(xiàn)了采用光纖傳感的聲壓傳感器技術(shù)，如以色列Midwest公司的光 纖聲壓傳感器技術(shù)，其技術(shù)指標(biāo)達到了頻響0. 5-14000HZ、靈敏度lOOmV/I^a士 10%、最大量 程 114dB。國內(nèi)方面，上海科技大學(xué)的周書銓等人研究了微彎型光纖傳聲器的理論和試驗?zāi)?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(chǎn)生周期性的彎曲。當(dāng)齒形板受外部擾動時，光纖的微彎程度隨之變化，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)手段復(fù)雜的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)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(fù)合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復(fù)合薄膜芯片的光纖聲壓 傳感器。本發(fā)明硅微復(fù)合薄膜芯片的分為平膜式和波紋式兩種。平膜式硅微復(fù)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(fā)及剝離工藝在一側(cè)的氮化硅層的中心區(qū)域制作反射鏡面 金膜形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側(cè)氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯， 完成平膜式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。波紋式硅微復(fù)合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側(cè)表面通過掩膜技術(shù)，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(cè)的氮化硅層的中心平坦區(qū)域通過光刻、蒸發(fā)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(cè)氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯，完 成波紋式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。采用上述制造方法生產(chǎn)的硅微復(fù)合薄膜芯片制造的硅微復(fù)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(nèi)，并將上端外殼的內(nèi)部分成上 腔體和下腔體兩部分，上端外殼的上端口處設(shè)置透聲防護膜，MEMS敏感單元中的硅微復(fù)合 薄膜芯片的敏感區(qū)域設(shè)置有金屬反射鏡，下端外殼內(nèi)固定設(shè)置有光纖基座，所述光纖基座 設(shè)置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內(nèi)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(fù)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(fā)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(fù)合薄膜芯片的敏感區(qū)域發(fā)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(jù)改變后的 光信號實現(xiàn)對聲壓信號的檢測。本發(fā)明的優(yōu)點利用硅微低應(yīng)力復(fù)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(yīng)力復(fù)合平膜/波紋硅微薄膜芯片會產(chǎn)生位移變化量。由于在低 應(yīng)力復(fù)合平膜/波紋硅微薄膜芯片上制作金屬反射鏡，低應(yīng)力復(fù)合平膜/波紋硅微薄膜芯 片產(chǎn)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(xué)檢測手段對反射光中的 變化量進行檢測，最后將光學(xué)信號變化轉(zhuǎn)化為電壓信號的變化，歸一化后輸出。即可實現(xiàn)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(yōu)點。


圖1至圖4是平膜式硅微復(fù)合薄膜芯片的制作工藝圖；圖5是平膜式硅微復(fù)合薄膜芯片封裝成的MEMS敏感結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6-圖10是波紋式硅微復(fù)合薄膜芯片的制作工藝圖；圖11波紋式硅微復(fù)合薄膜芯片封裝成的MEMS敏感結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12是采用圖5或圖11所示MEMS敏感結(jié)構(gòu)制造的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)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(fù)合薄膜芯片的制造方法，平膜式硅微復(fù)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(fā)及剝離工藝在一側(cè)的氮化硅層的中心區(qū)域制作反射鏡面 金膜形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側(cè)氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯， 完成平膜式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。
具體實施方式
二 下面結(jié)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(fù)合薄膜芯片的制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側(cè)表面通過掩膜技術(shù)，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(cè)的氮化硅層的中心平坦區(qū)域通過光刻、蒸發(fā)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(cè)氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯，完 成波紋式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。
具體實施方式
三下面結(jié)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?qū)嵤┓绞蕉闹圃旆椒ㄉa(chǎn)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(nèi)，并將上端外 殼8的內(nèi)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(shè)置透聲防護膜7， MEMS敏感單元6中的硅微復(fù)合薄膜芯片1的敏感區(qū)域設(shè)置有金屬反射鏡1-3，下端外殼9內(nèi) 固定設(shè)置有光纖基座10，所述光纖基座10設(shè)置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內(nèi)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(fù)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(fā)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(fù)合薄膜芯片1的敏感區(qū)域1-1發(fā)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(jù)改變后的光信號實現(xiàn)對聲壓信號的檢測。MEMS敏感單元6包括硅微復(fù)合薄膜芯片1、平衡結(jié)構(gòu)2、基座3和釋放支架4，所述 硅微復(fù)合薄膜芯片1通過平衡結(jié)構(gòu)2封裝在基座3中，MEMS敏感單元6包括硅微復(fù)合薄膜芯片1、平衡結(jié)構(gòu)2、基座3和釋放支架4，所述 硅微復(fù)合薄膜芯片1通過平衡結(jié)構(gòu)2封裝在基座3中，硅微復(fù)合薄膜芯片1與平衡結(jié)構(gòu)2從 上至下依次設(shè)置在基座3的凹槽中，硅微復(fù)合薄膜芯片1包括敏感區(qū)域1-1和硅杯1-2，硅 微復(fù)合薄膜芯片1倒置，即硅微復(fù)合薄膜芯片1的硅杯1-2的杯口朝上。硅微復(fù)合薄膜芯 片1與平衡結(jié)構(gòu)2的外圍尺寸相同，平衡結(jié)構(gòu)2為中空的方環(huán)形結(jié)構(gòu)，且與硅杯1-2的結(jié)構(gòu) 鏡像對稱，在基座3的外部設(shè)置釋放支架4，釋放支架4與基座3之間用低應(yīng)力軟膠5粘接， 釋放支架4延伸至硅微復(fù)合薄膜芯片1的硅杯1-2的露出表面，并用低應(yīng)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(qū)域1-1的下方的平坦區(qū)域制造 而成。硅微復(fù)合薄膜芯片1和平衡結(jié)構(gòu)2都采用硅基材質(zhì)。硅微復(fù)合薄膜芯片1的敏感區(qū)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(zhǔn)直結(jié)構(gòu)13，光纖自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)13安裝在 入射光纖11和反射光纖12的端頭。光纖自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)13能夠?qū)l(fā)散光束匯聚形成平行光 束，實現(xiàn)較高的光能輸出和采集。本實施方式所述的硅微復(fù)合薄膜光纖聲壓傳感器將光纖微光路結(jié)構(gòu)與MEMS敏感 結(jié)構(gòu)單元6結(jié)合共同構(gòu)成微光路檢測系統(tǒng)，在低應(yīng)力的硅微復(fù)合薄膜芯片1的敏感區(qū)域制 作金屬反射鏡1-3后與微光路結(jié)構(gòu)融合。入射光纖11和反射光纖12按照一定角度對準(zhǔn)低應(yīng)力的硅微復(fù)合薄膜芯片1的金 屬反射鏡1-3，當(dāng)聲壓信號作用于硅微薄膜芯片1的敏感區(qū)域1-1時，硅微復(fù)合薄膜芯片1 的敏感區(qū)域1-1產(chǎn)生位移偏量，帶動金屬反射鏡1-3發(fā)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(zhuǎn)換成電信號變化輸出，進行聲音信號的測量。
權(quán)利要求
1.硅微復(fù)合薄膜芯片的制造方法，其特征在于該硅微復(fù)合薄膜芯片的敏感區(qū)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(fā)及剝離工藝在一側(cè)的氮化硅層的中心區(qū)域制作反射鏡面金膜 形成金屬反射鏡；步驟四、在另一側(cè)氮化硅層采用光刻及濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯，完成 平膜式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。
2.硅微復(fù)合薄膜芯片的制造方法，其特征在于該硅微復(fù)合薄膜芯片的敏感區(qū)域為波 紋式，具體制作工藝過程為步驟a、在硅基片的一側(cè)表面通過掩膜技術(shù)，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(cè)的氮化硅層的中心平坦區(qū)域通過光刻、蒸發(fā)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(cè)氮化硅層采用光刻、濕法腐蝕工藝腐蝕出空腔結(jié)構(gòu)，形成硅杯，完成波 紋式的硅微復(fù)合薄膜芯片的制作。
3.采用權(quán)利要求1或2的制造方法制作的硅微復(fù)合薄膜芯片制造的硅微復(fù)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(nèi)，并將上端外殼(8)的內(nèi)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(shè)置透聲防護膜(7)，MEMS敏感單元(6)中的硅微 復(fù)合薄膜芯片(1)的敏感區(qū)域設(shè)置有金屬反射鏡(1-3)，下端外殼(9)內(nèi)固定設(shè)置有光纖基 座(10)，所述光纖基座(10)設(shè)置有兩個光纖槽，兩個光纖槽內(nèi)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(fù)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(fā)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(jù)權(quán)利要求3所述的硅微復(fù)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(fù)合薄膜芯片(1)、平衡結(jié)構(gòu)O)、基座C3)和釋放支架G)，所述硅微復(fù)合薄 膜芯片⑴通過平衡結(jié)構(gòu)⑵封裝在基座⑶中，硅微復(fù)合薄膜芯片⑴與平衡結(jié)構(gòu)⑵ 從上至下依次設(shè)置在基座(3)的凹槽中，硅微復(fù)合薄膜芯片(1)包括敏感區(qū)域1-1和硅杯 (1-2)，硅微復(fù)合薄膜芯片(1)倒置，即硅微復(fù)合薄膜芯片(1)的硅杯(1-2)的杯口朝上。 硅微復(fù)合薄膜芯片(1)與平衡結(jié)構(gòu)O)的外圍尺寸相同，平衡結(jié)構(gòu)(2)為中空的方環(huán)形結(jié) 構(gòu)，且與硅杯(1-2)的結(jié)構(gòu)鏡像對稱，在基座(3)的外部設(shè)置釋放支架G)，釋放支架⑷與 基座C3)之間用低應(yīng)力軟膠( 粘接，釋放支架(4)延伸至硅微復(fù)合薄膜芯片(1)的硅杯 (1-2)的露出表面，并用低應(yīng)力軟膠(5)粘接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅微復(fù)合薄膜光纖聲壓傳感器，其特征在于它還包括光纖 自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)(13)，光纖自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)(13)安裝在入射光纖(11)和反射光纖(12)的端頭。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅微復(fù)合薄膜光纖聲壓傳感器，其特征在于硅微復(fù)合薄膜 芯片(1)和平衡結(jié)構(gòu)(2)都采用硅基材質(zhì)。
全文摘要
硅微復(fù)合薄膜芯片的制造方法及采用該硅微復(fù)合薄膜芯片的光纖聲壓傳感器，屬于微光機電傳感器技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明為解決現(xiàn)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(fā)明給出平膜式和波紋式兩種硅微復(fù)合薄膜芯片的制造工藝，采用這兩種硅微復(fù)合薄膜芯片制造的傳感器上端外殼端口處設(shè)置透聲防護膜，內(nèi)設(shè)MEMS敏感單元，形成上、下腔體，單元中的硅微復(fù)合薄膜芯片敏感區(qū)域設(shè)置有金屬反射鏡，下端殼體內(nèi)設(shè)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(fā)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(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)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