基于微加工的膜片式光纤传感器的制作及其应用研究

摘要

微机电系统(MEMS)这一概念始于上个世纪80年代，它一般是指关键尺度在亚微米到亚毫米范围内电子和机械元器件组成的器件或系统。MEMS技术与传统机械系统相比，不仅只是体积缩小了很多，而且在力学和运动学原理、材料加工、测量以及控制等方面都发生了很大的变化。MEMS属于多学科交叉融合并具有战略意义的前沿高新技术，它大幅度提升了信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平，在汽车、家电、电子等行业和军事领域将会有极其广阔的应用前景。
　　本论文通过对MEMS器件的深入研究，通过微加工的手段制作了一种环形波纹状结构的二氧化硅薄膜，该膜相对于普通平面薄膜，具有更平整，内应力更小，稳定性更高，弹性模量更高等优点。基于上述优点，我们将此膜用作压力和振动传感器的核心传感膜片，制作了一种新型的膜片式光纤气体浓度传感器。
　　第一章首先介绍了MEMS技术现状与发展前景，同时提出了本论文的主要研究目的和研究内容。
　　第二章详细地介绍了MEMS技术中常用的几种加工技术手段的理论以及实际应用。
　　第三章首先根据摸索出的实验工艺参数以及工艺参数的改进，通过一系列的对照试验，我们在硅片正面加工制作了硅基环形波纹状结构的二氧化硅薄膜。然后将硅基环形波纹状结构二氧化硅薄膜底部的体硅完全释放掉，成功制作出了所需的传感膜片。
　　第四章主要介绍了基于环形波纹状结构的二氧化硅薄膜，我们搭建了一套微振动光纤传感系统，测出了环形波纹状结构的二氧化硅薄膜的声压响应灵敏度。然后我们利用此膜，制作了一种新型的膜片式光纤气体浓度传感器。
　　第五章主要对本论文的研究内容进行了概括和总结，在吸取国内外最新研究进展的经验基础上，分析了不足之处，并且对下一步的实验研究提出了设想，进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 MEMS技术

1．2．1 MEMS技术的基本特点

1．2．2 MEMS技术分类

1．2．3 MEMS技术的发展趋势

1．3 论文主要研究内容

第二章 MEMS加工基本工艺

2．1 光刻

2．1．1 光刻的基本原理

2．1．2 光刻工艺

2．2 薄膜技术

2．2．1 真空蒸发镀膜技术

2．2．2 离子镀

2．2．3 磁控溅射镀膜技术

2．3 等离子体刻蚀技术

2．3．1 等离子体刻蚀技术的原理

2．3．2 感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术

2．4 小结

第三章 环形波纹状结构的二氧化硅薄膜的制作

3．1 引言

3．2 环形波纹状结构的二氧化硅薄膜的优势

3．3 光刻掩膜版的设计

3．4 硅片正面加工

3．4．1 光刻加工

3．4．2 ICP刻蚀加工

3．4．3 磁控溅射镀膜

3．5 硅片背面加工

3．5．1 释放掩蔽层制作

3．5．2 双面曝光制作释放窗口图案

3．5．3 制作Al掩蔽层释放窗口

3．5．4 深硅刻蚀释放薄膜

3．6 磁控溅射制作反射层

3．7 本章小结

第四章 环形波纹状结构的二氧化硅薄膜的测试及应用

4．1 F-P光纤干涉传感器

4．1．1 非本征型F-P光纤干涉传感器

4．1．2 本征型F-P光纤干涉传感器(IFPI)

4．2 环形波纹状结构的二氧化硅薄膜的声压测试

4．2．1 薄膜探头的声压响应实验

4．2．2 薄膜主谐振频率下的声压响应实验

4．3 基于吸收光谱的光纤气体浓度传感器

4．3．1 光纤气体浓度传感器装置

4．3．2 气体浓度测试

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的成果

致谢