基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器的製作方法
2023-04-22 23:33:51 2
專利名稱：基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微機電系統技術領域，主要涉及一種微位移傳感器，特別是涉 及基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器。
背景技術：
在微納技術、微機電系統技術和精密控制技術領域中，微位移傳感器是 微機電系統中較為重要的組件之一。針對微位移的測量方法，目前主要有電測 量技術和光學測量技術。其中基於電測量技術的位移傳感器主要有電磁式傳感 器，電渦流式傳感器。電磁式傳感器測量精度很低，達不到微米量級，而且受 電磁影響較大。電渦流式傳感器測量精度可以達到微米量級，但是要求被測物 體必須為金屬表面。
基於光學測量技術的位移傳感器主要有光纖微位移傳感器和雷射幹涉法 測量微位移。這兩者雖然克服了電測量微位移的缺點，精度也可以達到微米量 級。但是光纖微位移傳感器由於光源輸出光能量的波動，反射物體表面反射率
的變化和外界環境的幹擾會造成較大的測量誤差;而雷射幹涉法測量微位移主 要缺點是要求光源一定要為幹涉光，不能使用普通光源，並且對系統穩定性要 求極高，不適用於現場測量。
隨著近來發展起來的平面環形微腔，具有極高的品質因子和極小的模式體 積，使它在空間和時域上很好地實現光存儲，成為研究腔量子電動力學效應、 提高或抑制自發輻射率、降低雷射器域值、製備光學率波器、產生確定性單光 子源、實現波長調製轉換器和光存儲器等的理想研究平臺。
由於平面環形微腔對光極為敏感，並且它的形狀對在平面環形微腔內傳播 的光有決定作用，平面環形微腔中光的共振頻率和腔的形狀有以下關係
這裡，^代表在平面環形微腔中傳輸基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微 位移傳感器光的共振頻率，《代表整數倍，C代表光速3xl0、"， ；/代表平面 環形微腔材料的折射率，丄代表平面環形微腔腔的長度。很顯然，腔壁的微小 變化也會使在平面環形微腔傳輸的光的共振峰值發生明顯變化。
因此，將平面環形微腔作為微位移的傳感器件成為可能。同時，伴隨MEMS (光刻、腐蝕、刻蝕)加工工藝的發展，也使實現平面環形微腔、光波導、懸 臂梁單元的製備和傳感器系統一體化集成成為可能。
發明內容
本發明的目的是在克服上述微位移傳感器缺點和不足的基礎上，而設計 和提供一種結構簡單，測量靈敏度更高，精度更高，適用範圍更廣的基於集成 平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器。
為實現上述的目的，本發明採取以下技術方案
基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，包括平面環形微腔、光 波導、基底、與光波導相連的入射光纖及出射光纖，所述平面環形微腔與光波 導的光相耦合，平面環形微腔與光波導之間存在有0 2um距離；其特點是所 述微位移傳感器還有懸臂梁與探針，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自 由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻 蝕形成；所述平面環形微腔與光波導均被刻蝕在懸臂梁的上表面。
上述微位移傳感器縱向由上而下由三層結構構成,三層結構依次由光刻技 術刻蝕形成。第一層結構是所述平面環形微腔和光波導，所述平面環形微腔為 平面圓柱環形，光波導形狀為細長方體，均採用對光有良好折射率的材料。第 二層結構是所述懸臂梁，所述懸臂梁幾何形狀為長而薄的長方體，採用半導體 材料，並且在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置設有探針；懸臂梁是由正面 刻蝕和反面深刻蝕技術形成的，材料為半導體材料，探針形狀為針尖狀，長度與懸臂梁的厚度有關，細度可以根據刻蝕程度進行調整為納米級或者微米級。 第三層結構為基底，所述基底幾何形狀為長方體，採用半導體材料。
發明基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器利用現代MEMS加工
技術製成。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點
1、 由於採用集成平面環形微腔和懸臂梁結構，和以往的傳感器相比，結 構精巧簡單，可以適用於基於懸臂梁陣列技術(也就是傳感器是由一組懸臂梁 組成的，因此可以將每一個懸臂梁上都刻蝕平面環形微腔和光波導，利用的機 理是範德華力使懸臂梁發生形變，影響透射譜共振峰值)的微傳感器上。
2、 由於採用長而薄的懸臂梁結構，並且與基底相連成為一體，和以往的 懸臂梁相比，可以取得高的靈敏度。
3、 由於採用平面環形微腔和光波導傳輸光路，可以克服以往傳感器的應 用限制，可以應用在如電磁複雜和超高真空系統等非常嚴格的環境中。
4、 可用於掃描探測物體表面，和以往的掃描區域相比，可以探測更大的
區域，而且不需要調試對準，(因為以往的光纖位移傳感器，主要用到了光纖 的全反射，就是對光路有很高要求，而此傳感器應用的機理在於利用範德華力 使得懸臂梁發生形變，影響透射光的共振頻率，所以不需要調試對準，直接測 就可以了)降低操作難度和因此帶來的誤差，對金屬和非金屬物體表面的探測 均適用。
5、 由於利用原子間的範德華力使得懸臂梁發生形變，通過光透射譜線共
振峰中心頻率的顯著變化進行探測針尖發生的微小位移，因而達到的精度比以 往傳感器所達到的精度都高，測量精度可達到原子量級。
本發明主要應用在物體表面形貌的顯微探測，可適用於磁場環境複雜，真 空環境，被測物體範圍廣，除普通的金屬，非金屬物質表面外，也可對生物細
圖l是本發明的結構主視圖； 圖2是本發明的結構側視圖； 圖3是本發明的工作原理圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。 本發明的結構
如圖l和圖2所示，基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器包括平 面環形微腔l、光波導2、懸臂梁3、探針4、基底5、與光波導相連的入射光纖6 與出射光纖7;所述平面環形微腔與光波導的光相耦合；所述懸臂梁的一端與 基底相連，另一端為自由端，所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置， 懸臂梁和探針均用刻蝕形成;所述平面環形微腔與光波導均被刻蝕在懸臂梁的
上表面o
基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器由三層結構構成，第一層
結構是利用光刻技術形成的平面環形微腔1和光波導2;第二層結構是利用第二 次光刻技術形成的懸臂梁3，同時再次利用正背面刻蝕技術形成懸臂梁的下表 面自由端前部中間位置的探針4;第三層結構是通過第三次光刻技術形成基底 5。微位移傳感器通過層層刻蝕後平面環形微腔1和光波導2形成在懸臂梁3上表 面，並將平面環形微腔l、光波導2、懸臂梁3和探針4集成在一起。 本發明實例
(1) 平面環形微腔採用MEMS加工技術在Si表面氧化生成Si02,並加工形 成平面環形微腔，材料為Si02，半徑為20-25um，環厚度為l-2um。為了得到半 高寬度值小，調製深度深，品質因數高的平面環形微腔，本實例選擇平面環形 微腔的內徑為20um。
(2) 光波導材料為Si02，幾何形狀為細長方體，其中寬為l-2um，厚度為
0. 75-lum。
(3) 懸臂梁材料為GaAs，幾何形狀為長方體，其中所述矩形的設計尺度 可以為長度為100-400um，寬度為20-50um，厚度為O. 4-10um。
由於懸臂梁的應力探測精度，隨著長度/厚度比的增加而增加，因此，為了 取得高的靈敏度，宜製備長而薄的梁結構，本實例選擇懸臂梁的幾何尺寸分別 為長為400um，寬為30um，厚度為10um。
(4) 探針在懸臂梁前端下表面中部刻蝕探針，材料為GaAs，長度為lum，
細度是微米級別。
(5) 基底幾何形狀為長方體，材料為^/。.6( "。4^。
上述實例中，平面環形微腔1和光波導2通過光刻技術加工，被刻蝕在懸臂 梁上，從而減少了彎曲損耗，可保證光單一模式的傳播。利用電子束刻蝕技術 將平面環形微腔和光波導之間距離控制在小於2um，本實例選擇平面環形微腔 和光波導之間距離為lum，以保證高效的耦合效果和透射譜的明顯變化。
本發明工作原理
如圖3所示，本發明採用可調雷射器光源。由光源8發出的雷射作為信號源， 經過入射光纖6，進入光波導2，由於倏逝波效應，光通過光波導2耦合進入平 面環形微腔l，在平面環形微腔l中發生共振，再經過光波導2，出射光纖7，進 入光譜分析儀9，光譜分析儀9信號輸入計算機10並進行數值分析。其中
當光經光波導中傳輸時，由於倏逝波的存在，以及光波導和平面環形微腔 以很小的距離刻蝕在一起，在傳輸接近平面環形微腔時，會有光耦合進入平面 環形微腔繼續傳播，並在平面環形微腔中形成共振，之後再次通過倏逝波耦合 進入光波導傳輸出來。由於平面環形微腔對光極為敏感，腔壁的微小變化會使 在平面環形微腔傳輸的光的共振峰值發生明顯變化。當平面環形微腔的腔壁發 生微小形變，改變了平面環形微腔的腔長，改變了光在平面環形微腔中的共振 模式，影響了透射光的共振峰值。通過探測透射光共振峰值的變化，測得腔壁
的微小形變。腔壁長度改變了腔內光的共振模式，從而使透射譜線的共振峰值 發生明顯變化。通過所述光譜分析儀，可以分析得到共振峰值的變化曲線。然 後通過所述計算機可以分析透射譜線的共振峰值在所述懸臂梁形變前後的變 化，對應測量出微位移的變化。
例如對某種物質表面的形貌進行探測
使用基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器掃描探測的物體表 面的形貌，當被掃描探測的物體放置在由壓電陶瓷驅動的載物臺上需要探測 時，通過調節壓電陶瓷使得被掃描探測的物質接近(非接觸)本發明的探針4， 並在沿垂直探針的方向移動時，由於物質原子與原子之間存在相互作用力(範 德華力)，大約為10-8~10-6iV，並且這種力的變化和原子與原子之間的距離有 關。在物質表面原子與探針的針尖原子之間的距離達到範德華力作用範圍內， 使得探針受到範德華力作用，而探針在懸臂梁的下表面，探針使懸臂梁也因此 受力，並發生微小形變，並使得在懸臂梁表面的平面環形微腔l的腔壁長度發 生變化，改變了通過入射光纖和光波導耦合進入平面環形微腔中光的共振頻率 (共振譜線)，這種共振頻率變化後的光再通過光波導和出射光纖，進入光譜 分析儀。經光譜分析儀分析，可以發現透射譜共振峰值的明顯變化，然後經過 計算機進行數值分析，測得透射譜共振峰值的變化所對應的探針發生的位移， 最終可以由計算機描繪出物質表面的形貌。
權利要求
1、一種基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，包括平面環形微腔(1)、光波導(2)、基底(5)、與光波導相連的入射光纖(6)及出射光纖(7)，所述平面環形微腔與光波導的光相耦合，平面環形微腔與光波導之間存在有0～2um距離；其特徵在於所述微位移傳感器還有懸臂梁(3)與探針(4)，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻蝕形成；所述平面環形微腔與光波導均被刻蝕在懸臂梁的上表面。
2、 如權利要求1所述的基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特徵在於所述平面環形微腔(1)的材料為Si02，內徑為20-25um，環厚度 為1-2um。
3、 如權利要求1所述的基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特徵在於所述光波導(2)的材料為Si02，幾何形狀為細長方體，其中寬 度為1-2um，厚度為0. 75-lum。
4、 如權利要求1所述的基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特徵在於所述懸臂梁(3)的材料為GaAs，幾何形狀為長而薄的長方體， 長度為100-400um，寬度為20-50um，厚度為0. 4-10um。
5、 如權利要求1所述的基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特徵在於所述基底(5)的材料為Al0.6Ga0.4As。
6、 如權利要求1所述的基於集成平面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特徵在於所述平面環形微腔(1)與光波導(2)之間存有最佳距離為lum。
全文摘要
本發明涉及基於集成面環形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，它包括平面環形微腔、光波導、基底、與光波導相連的入射光纖及出射光纖，所述平面環形微腔與光波導的光相耦合；其特點是所述微位移傳感器還有懸臂梁與探針，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻蝕形成；所述平面環形微腔與光波導均被刻蝕在懸臂梁的上表面；是利用現代MEMS加工技術製成的，可適用於磁場環境複雜，真空環境，被測物體範圍廣，除普通的金屬，非金屬物質表面外，也可對生物細胞進行表面測量。其測量精度可達10-4埃。
文檔編號G01B11/02GK101387496SQ20081007947
公開日2009年3月18日 申請日期2008年9月25日 優先權日2008年9月25日
發明者嚴英佔, 喆 吉, 姜國慶, 張文棟, 熊繼軍, 王寶花, 王少輝, 薛晨陽, 閆樹斌 申請人:中北大學