全光型硅微機(jī)械流量傳感器初探

1、光學(xué)學(xué)報(bào)第 18 卷 第 3 期1998 年 3 月V ol. 18, N o. 3ACT A OPT ICA SIN ICAM a rch, 1998全光型硅微機(jī)械流量傳感器初探丁 純和 喻 浩剛( 浙江大學(xué)信息與電子工程系, 杭州 310027)摘 要 介紹一種新穎的全光型硅微機(jī)械流量傳感器。給出該傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理的理論分析, 并闡述傳感器樣品的測(cè)試及結(jié)果。流量傳感器具有帶脊型波導(dǎo)的懸臂梁結(jié)構(gòu)。懸臂梁用作器件的敏感區(qū), 而檢測(cè)光束可以在脊型波導(dǎo)中傳輸。流量傳感器, 微機(jī)械, 懸臂梁, 光波導(dǎo), 各向異性腐蝕。1引言自微機(jī)械技術(shù)問世以來, 由于它所需的材料硅, 來源廣泛, 價(jià)格便宜、制作

2、工藝成熟、且與微電子技術(shù)有極好的兼容性, 因此, 受到了廣大科研的普遍關(guān)注。國內(nèi)外用這種加工技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了各種硅微機(jī)械結(jié)構(gòu), 并先后開發(fā)和生產(chǎn)了不少結(jié)構(gòu)與性能獨(dú)特的產(chǎn)品, 其中以硅微機(jī)械傳感器最為突出, 早已領(lǐng)先進(jìn)入實(shí)用階段。但是這類硅微機(jī)械傳感器,大多是以半導(dǎo)體電子傳感器的形式存在, 因此, 伴隨其存在的對(duì)溫度極其敏感的PN 結(jié)漏電及不可避免的電場(chǎng)等, 使之成了在高溫、防爆等特殊場(chǎng)合使用時(shí)的一道難以逾越的。本文了一種利用集成光學(xué)技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)相結(jié)合而制作的全光型硅微機(jī)械傳感器。這種傳感器利用硅微機(jī)械加工技術(shù)形成懸臂梁, 并在梁上制作集成光波導(dǎo), 這種新型的集成光學(xué)傳感器與電學(xué)傳感器相比,

3、具有場(chǎng)合的檢測(cè)要求。性好、絕緣、防爆等優(yōu)點(diǎn), 適合于某些特殊2理論分析全光型硅微機(jī)械流量傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu), 如圖 1 所示, 傳輸激光信號(hào)的脊型波導(dǎo)制作在懸臂梁上, 該波導(dǎo)在懸臂梁的懸空端中斷, 間斷距離約為 30 50m?；９馐穹目v向分布規(guī)律為: W 0 E0 W ( z )E ( z )ex p-( 1)2zz 0W ( z ) = W 01 +( 2)F gSch e a c d agra o sen sor s ruc ure* 國家自然科學(xué)基金( 69476029) 資助項(xiàng)目。收稿日期: 1996 11 13; 收到修改稿日期: 19905 07r 2W 2( z )光學(xué)學(xué)

4、報(bào)18 卷370式中 W 0 為光束的腰斑半徑, W ( z ) 為任意位置 z 上的光斑半徑, Z0 為光束的共焦參量。由 ( 1) 、( 2) 式可知, W ( z ) 隨z 的增大而增大, 而場(chǎng)振幅的正態(tài)分布曲線也隨之變寬變矮。由輸入波導(dǎo)出射的激光束光斑半徑 W ( z 1 ) 在波導(dǎo)間斷區(qū), 由于失去了波導(dǎo)的制約而擴(kuò)展, 在輸出波導(dǎo)的輸入端變?yōu)?W ( z 2) W ( z 1) , 此時(shí)的光斑面積顯然大于波導(dǎo)截面, 因此不可能完全耦合進(jìn)輸出波導(dǎo)。利用( 2) 式可以估算經(jīng)過間斷區(qū)后,態(tài)分布函數(shù)的相關(guān)公式:x2光斑面積約可擴(kuò)展 7% 左右。同時(shí)利用正 t21 ( x ) =ex p (

5、 -2 ) dt( 3)2x1x 2 1x - a( 令 t =P =exp-dx ,)2x 1( x 2 - a)( x 1 - a)=-( 4)取 a = 0 為正態(tài)分布曲線的對(duì)稱點(diǎn), x 1, x 2 分別為( -+ 5) , 即 x 2 - x 1 = 10 為波導(dǎo)截面5,的線度, 分別取W ( z 1 ) 和W ( z 2) 的值。通過計(jì)算可知, 激光束經(jīng)過間斷區(qū)后, 光功率的衰減約為 2. 3% 左右, 因此, 可以認(rèn)為入射激光束完全可以順利通過整條波導(dǎo), 到達(dá)傳感器輸出波導(dǎo)的出射端。同時(shí), 還可以利用( 3) 、( 4) 式, 對(duì)器件的工作狀態(tài)進(jìn)行理論分析。當(dāng)被測(cè)流量為 0 時(shí),

6、 器件的懸臂梁處于平衡位置, 輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)處于同一水平, 由器件輸入端進(jìn)入的激光束可以直通輸出端, 并被光探測(cè)器所接收; 而當(dāng)氣流增大時(shí), 懸臂梁將在外力作用下偏離平衡位置, 輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)的耦合端面相互錯(cuò)開, 從而使耦合進(jìn)輸出波導(dǎo)的光功率變小, 光探測(cè)器所接收的光功率也隨之下降。這就相當(dāng)于正態(tài)分布函數(shù)計(jì)算中 x 1 、x 2 的取值范圍( x 2 - x 1 = 10) 保持不變, 但取值區(qū)F g 2 Theore cal curve on rela on o x o P域由原來的( - 5, + 5) ( 即懸臂梁處于平衡位置) 變?yōu)? - 4, + 6) ( 即懸臂梁向下偏移

7、1 m) 、( - 3、+ 7) ( 即懸臂梁向下偏移 2 m) 、或( - 2、+ 8) ( 即懸臂梁向下偏移 3 m) 等等, 利用( 3) 、( 4) 式可以作出懸臂梁向下偏移量 x ( 取決于流量作用大小) 與輸出光功率 P 之間的關(guān)系曲線。所得理論曲線如圖 2 所示, 其縱坐標(biāo)光功率均以懸臂梁平衡時(shí)的輸出光功率歸一。理論計(jì)算表明, 外力越大, 偏離越甚, 光功率下降也越快。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果考慮到光波導(dǎo)效應(yīng)及硅微機(jī)械加工中各向異性腐蝕的需要, 制作器件選用( 100) 晶向的+-N ( 電阻率約為 0. 0050. 02 cm ) 襯底上外延N ( 電阻率大于 5 cm) 外延層的硅材料,整

8、個(gè)器件制造須進(jìn)行三次光刻完成。一次光刻, 利用各向異性腐蝕工藝, 刻出懸臂梁區(qū), 留作懸臂梁的硅膜厚度取決于傳感器的量程; 二次光刻, 利用各向異性腐蝕技術(shù)刻槽, 并完成懸臂梁制作; 三次光刻, 利用干法腐蝕, 完成脊型波導(dǎo)的制作及波導(dǎo)端面的修正刻蝕, 以保證波導(dǎo)端面的垂直度, 從而避免各向異性腐蝕所固有的槽壁傾角大于硅臨界角, 而在波導(dǎo)端( x - a) 2223 期丁 純等:全光型硅微機(jī)械流量傳感器初探371面產(chǎn)生全內(nèi)反射的弊端。全光型流量傳感器的測(cè)試裝置如圖 3 所示, 測(cè)試光源為波長(zhǎng) 1. 3 m 的半導(dǎo)體激光器,激光束經(jīng)顯微物鏡準(zhǔn)直后, 穿過斬波器通光孔, 再由顯微物鏡聚焦, 直接耦

9、合進(jìn)傳感器輸入波導(dǎo)的輸入端( 即器件的輸入端) , 從傳感器輸出波導(dǎo)的輸出端( 即器件的輸出端) 所輸出的光束經(jīng)成像顯微鏡后, 由紅外機(jī)接收, 在監(jiān)視器上可直接觀察到樣品波導(dǎo)輸出端的出射光斑, 其亮度隨被測(cè)氣流的增大而變暗。圖 4 所示的光斑情況。( a) 、( b) 、( c) 即為氣流漸次增大時(shí)F g 3 S che a c d agra o he exper en al se up or low sensorF g 4 Ou pu l gh spo pho ograp h o he low sensor如果將上述測(cè)試系統(tǒng)中由機(jī)及監(jiān)視器組成的監(jiān)視系統(tǒng), 改為由鍺探測(cè)器和鎖相放大器組成的探測(cè)

10、系統(tǒng), 并開啟斬光器, 就可對(duì)器件進(jìn)行定量的測(cè)試。測(cè)試中, 用通過流量計(jì)及注射針的氮?dú)鈱?duì)傳感器的懸臂梁區(qū)域吹氣, 隨著氮?dú)饬髁康脑龃? 鎖相放大器的讀數(shù)逐漸下降, 所測(cè)得的反映流量和輸出光信號(hào)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線, 如圖 5 所示。由圖可見, 該傳感器有較好的線性,是一種潛在的較為理想的探測(cè)器件。F g 5 Exper en al curve ohe low sensor結(jié) 論 本文設(shè)計(jì)的全光型硅微機(jī)械流量傳感器, 是一種微機(jī)械技術(shù)與集成光學(xué)技術(shù)結(jié)合的新穎傳感器, 并且已經(jīng)在理論和實(shí)踐兩方面都證實(shí)了它的可行性。實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線之間存在的差異, 除測(cè)量誤差外, 理論曲線完全沒有考慮輸出光波導(dǎo)的損耗也

11、是重要原因。如果損耗為每米百分之幾的話, 理論曲線中 P 值較高的點(diǎn), 所經(jīng)受的絕對(duì)損耗數(shù)值, 就比 P 值較低的點(diǎn)要大, 這樣, 扣除損耗以后, 理論曲線上的各點(diǎn)斜率, 應(yīng)該會(huì)更趨于一致, 即曲線更接近線性, 更接近實(shí)際。光學(xué)學(xué)報(bào)18 卷372參 考,信息光電子學(xué)基礎(chǔ), 杭州, 浙江大學(xué)文,獻(xiàn)19903355 1Initial Approach for the All Optical Type SilliconMicro Mechanical Flow SensorDing CJin ZhongheYu HaoXu YigangWang Yuelin( Department of I nf

12、ormation Science and Electronic Engineer ing ,University , H angz hou 310027)( R eceived 13 No vember 1996; r evised 7 M ay 1997)AbstracttheoreticalA novel silicon micro-m echanical sensor of all optical type is proed. T heysis on structure and working principle of the sensor are presented, aswell as the test and result of sle are expounded.T he flow -sensor has a structure of cantilever beam with r idg e w aveguide. T he can-tilever beamt