微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器，是通过传统的MEMS微细加工与近紫外光刻技术相结合形成的：在硅敏感膜上利用近紫外光刻SU-8光刻胶层形成一个位移柱以及光纤的定位槽，位移柱的端面以及光纤的端面形成法布里-珀罗腔。同时还公开了制作该传感器的方法，主要步骤为：在经过表面处理过的硅晶圆正面通过两次对准光刻形成所需结构；通过湿法腐蚀法腐蚀硅晶圆的背面，达到所需的膜厚；再次通过光刻在另一片硅晶圆上塑造压力传感器的上盖结构，通过环氧树脂胶进行粘合封装。本发明结构新颖，灵敏度高，可靠性好，线性测量范围大，成本低廉，可应用于工业中的微压检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤法布里-珀罗（FP）微结构压力传感器器件，特别是涉及利用紫外光刻技术以及硅的湿法腐蚀技术形成的压力传感器及其制备方法。

背景技术

现有非本征光纤法布里-珀罗（FP）干涉仪主要是用来测量应变，它是由置于石英毛细管中的两段切割好的光纤端面和中间的空气隙组成谐振腔形成的。这类传感器在FP腔长控制和光纤固定方面存在很多问题。

光学曝光是最早用于半导体集成电路的微细加工技术，其重要目的是把掩模的图形成像到光刻胶上。虽然基于光刻技术的微传感器能满足批量生产的要求，但是其制作过程复杂，而且需要昂贵的半导体设备与装置。随着MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统）技术的快速发展，对结构的改进、制备手段的提高以及封装技术的改良成为了人们对这一技术的主要需求。

发明内容

本发明即是基于以上所述现状进行的，目的在于制作一种结构新颖、成本低，精度高，有望批量生产的微型光纤法布里-珀罗压力传感器。同时，提供该传感器的制作方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器,包括传感部件以及上盖，传感部件包括单模光纤、硅敏感膜以及位于硅敏感膜上的光纤槽和SU-8位移柱，SU-8位移柱的表面覆盖一层增反膜，所述单模光纤固定在光纤槽内，单模光纤的端面与SU-8位移柱相对间隔一定的距离形成法布里-珀罗腔，所述上盖与传感部件粘合封装。

本发明光纤法布里-珀罗压力传感器的制备工艺步骤如下：

a）对硅片进行RCA标准清洁，分别用丙酮、酒精和去离子水依次各自超声清洗5分钟，然后用氮气吹干；在清洁处理过的硅片上倒适量的SU-8光刻胶，以一定的速度甩胶，形成均匀厚度的胶片；

b）将胶片前烘一定时间后，利用紫外光刻机进行曝光，分别以65℃和95℃后烘10分钟后，用显影液浸泡，洗去未曝光的残胶后进行高温坚膜，得到第一层光纤槽底衬、1/2高度的SU-8位移柱及1/2高度的传感部件边壁；

c）在b）步骤中所形成的结构上进行涂胶甩胶；

d）将c）步骤中所形成的胶片进行前烘、曝光、后烘、显影、干燥和坚膜形成光纤槽、SU-8位移柱以及传感部件的边壁；

e）在d）步骤中所形成的结构上热蒸发沉积一层增反膜材料；

f）以版片对准的方式在硅片背面光刻形成保护层，进行湿法腐蚀，通过控制时间控制腐蚀深度，得到所需的膜厚，形成硅敏感膜； 

g）将一段单模光纤用光纤切割刀切出平端面，用光纤研磨机研磨抛光单模光纤端面；在光纤槽内嵌入精确切割过并进行端面处理的光纤，进行点胶将其固定；

h）重新清洗一片硅片，在其表面进行旋胶，形成厚度匀胶的胶片；

i）将h）步骤中形成的胶片进行前烘及光刻，形成对应的上盖结构；

j）将传感部件边壁以及对应的上盖结构进行涂胶在真空环境下进行封装，用来保护传感部件确保内部真空。

通过上述传感器加工步骤得到的结构，位移柱前端与光纤端面形成FP腔，光经过光纤直接进入FP腔，避免了其他介质对光路的影响；传感器制作过程中所需的主要材料为SU-8光刻胶，单模光纤，硅片，材料易于收集且价格便宜。FP腔的腔长根据光纤嵌入的位置控制。整个制作过程采取切割、腐蚀、光刻的方法，传感器机械性能高，制作步骤简单。因此，借助本发明可以实现制作简单，灵敏度高，动态测量范围大，可靠性好的光纤压力传感器。

附图说明

图1是本发明微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器的传感原理示意图。（a）为传感器的示意图，（b）为形成的法布里-珀罗腔，（c）为受到压力时的示意图。

图2是传感器结构示意图，（a）俯视图，（b）侧截面图。其中，2-1：SU-8经过两次光刻形成的光纤槽；2-2：SU-8光刻得到的传感部件的边壁；2-3：SU-8经过一次光刻得到的光纤槽衬底；2-4：硅衬底。

图3是本发明传感器加工制作的主要工艺流程图。

图4 是传感器应用时采用的解调系统，4-1：传感分析仪；4-2：2×2耦合器；4-3：传感头。

图5是膜厚为200微米，腔长为180.418微米的传感器实验结果。

具体实施方式

本发明的传感部件主要包括单模光纤，硅敏感膜以及SU-8位移柱，光纤为裸光纤（即为纤芯加包层结构），硅敏感膜通过湿法腐蚀获得所需膜厚。利用套刻技术在硅敏感膜的一面形成位移柱以及光纤固定槽，固定单模光纤，再与上盖粘合封装而成。

图1是压力传感的原理示意图，其中，1-1：联动结构：由SU-8光刻得到的长方体位移柱；1-2：增反膜；1-3：端面经过精确切割处理过的光纤；1-4：硅敏感膜。SU-8位移柱1-1的端面与光纤1-3的端面距离一定的间隙形成法布里-珀罗腔，当硅敏感膜1-4受到压力时会变形，SU-8位移柱1-1与光纤1-3端面之间的间距D随之发生变化，变为D′。

本实施例制备微型SU-8光纤法布里-珀罗压力传感器的步骤如下:

a）对硅片3-1进行RCA标准清洁，用丙酮（纯度99.7%）、酒精（纯度99.7%）、去离子水（电阻率18.2MΩ）超声清洗5分钟，然后用氮气（浓度99.7%）吹干；在清洁处理过的硅片上倒适量的SU-8光刻胶，以250rpm的初速度预匀20秒，加速以600rpm的转速甩胶2分钟，形成200μm均匀厚度的胶片3-2；

b）以70℃前烘6小时蒸发溶剂后，利用紫外光刻机进行曝光，曝光强度为15mW/cm²，曝光时长为30秒，分别以65℃为初始温度后烘3分钟后，升温到95℃后进行后烘5分钟，用显影液浸泡，洗去未曝光的残胶后，将样片放置在170℃的热板上进行高温坚膜30分钟，得到第一层光纤槽底衬2-3，1/2高度的SU-8位移柱3-3及1/2高度的边壁3-4；

c）在b）步骤中所形成的结构硅片上以250rpm的初速度预匀20秒，加速以600rpm的转速甩胶2分钟进行涂胶甩胶；

d）将c）步骤中所形成的胶片进行70℃前烘6小时，以曝光强度为15mW/cm²，曝光30秒，分别以65℃为初始温度后烘3分钟后，升温到95℃后进行后烘5分钟，显影，氮气吹干，170℃高温坚膜30分钟后完成第二步光刻，形成光纤槽侧壁3-5，SU-8的位移柱结构1-1以及边壁结构2-2；

e）在d）步骤中所形成的结构上热蒸发沉积一层增反膜材料：50nm厚的银膜3-6；

f）以版片对准的方式在硅片背面光刻形成保护层，利用浓度为20%的KOH溶液加热到70℃，进行湿法腐蚀，通过控制时间控制腐蚀深度，约2小时后可得到所需的膜厚，形成硅敏感膜1-4； 

g）将一段单模光纤1-3用光纤切割刀切出平端面，用光纤研磨机研磨抛光单模光纤端面；嵌入精确切割过并进行端面处理的光纤，进行点胶将其固定；

h）重新清洗一片硅片3-7，在其表面进行旋胶，形成厚度匀胶的胶片；

i）将h）步骤中形成的胶片进行前烘及光刻，形成上盖结构3-8；

j）将传感部件边壁2-2以及对应上盖结构3-8进行涂胶，在真空环境下通过环氧树脂胶进行粘合封装，保护传感部件确保内部真空。