悬臂梁式环形谐振腔微压传感特性研究

摘要

硅压力传感器是各类传感器中应用最广泛的一种，目前量程小于1KPa的高精度硅微压力传感器基本上依靠国外进口，而工业控制、军用设备和医疗仪器等方面均对微小压力的测量提出迫切要求，因此进行低量程硅微压传感器的研究，实现相关技术的突破具有非常重要的意义。基于绝缘体上硅的光学环形谐振腔是实现集成光学芯片的核心功能单元，因其具有很高的探测极限而被广泛应用在高灵敏度传感领域。将环形谐振腔集成在悬臂梁上，应用于微压传感在集成度、灵敏度和量程等方面具有很大优势，因此本文针对悬臂梁式环形谐振腔微压传感结构展开讨论与研究。
　　本文首先介绍了环形谐振腔的耦合传输特性，结合纳米尺度波导的倏逝波耦合、力光耦合和光弹效应详细阐述了基于悬臂梁的微压传感检测机理。同时，对悬臂梁进行了建模仿真和力学分析。根据环形谐振腔的几个特征参数，以传感器灵敏度为出发点，进行了结构设计和参数优化。分析了微压传感结构的灵敏度并得到其理论值为73pm/kPa，动态范围为30kPa。
　　利用紫外光刻、电子束光刻、深硅刻蚀、反应离子刻蚀等微机电系统(MEMS，Micro-electro-mechanical-systems)工艺进行了环形谐振腔和悬臂梁的制备。深入研究了主要工艺流程和工艺参数。对所制备的结构进行原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）和扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）表征。
　　搭建耦合测试平台，对环形谐振腔的传输性能进行测试，实验测得环形谐振腔Q值为7.75×104，传感器灵敏度为31pm/kPa。为优化环形谐振腔性能，采用热氧化的方法对所制备的结构进行了表面光滑化处理。测试数据表明，热氧化处理后环形谐振腔Q值为1.2×105，传感器灵敏度为48pm/kPa。

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第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 国内外现状

1.3本文主要研究内容

第二章 微压传感检测机理

2.1 环形谐振腔传输理论

2.2 环形谐振腔特性指标

2.3 环形谐振腔微压传感器工作原理

2.4本章小结

第三章 微压传感器的建模仿真与理论分析

3.1 悬臂梁结构设计

3.2 环形谐振腔结构参数分析

3.3灵敏度和动态范围

3.4本章小结

第四章 传感器结构设计与加工

4.1 材料选择

4.2 版图绘制

4.3 结构制备

4.4 本章小结

第五章 环形谐振腔性能测试与分析

5.1 环形谐振腔结构测试系统搭建

5.3 (a)光栅耦合方式 (b)光纤拉锥机

5.2 测试结果分析

5.3 环形谐振腔优化

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果

致谢