一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法
2023-05-01 09:46:26 2
一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其採用水輔助飛秒雷射加工法在平面光波導分路晶片加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導的兩側平行挖出一對等長的縱向凹槽，而後在輸入分路光波導所在芯層區域之下，切割出一個底部間隙，使兩側的縱向凹槽在底部連通，而後在兩側的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側的縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、底部間隙包圍的中間區域形成可自由振動的懸臂梁。本發明可以加工出較大尺寸的懸臂梁，懸臂梁尺寸在μm數量級或mm數量級，製作的平面光波導振動傳感器晶片不僅能響應高頻率波段機械振動，而且能響應低頻率波段機械振動。
【專利說明】一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光波導振動傳感器，具體的說是一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法。
【背景技術】
[0002]傳統的振動傳感器一般採用電類傳感器，這類傳感器在強電磁幹擾、高溫潮溼、高壓等環境下難以工作，且不適用於遠距離傳感。
[0003]光波導振動傳感器克服了電類傳感器的不足已被使用，光波導振動傳感器中以懸臂梁形式的居多。現有的懸臂梁加工方法是用腐蝕法，通常是對基於矽襯底上的光波導結構進行矽腐蝕，加工出光波導懸臂梁結構。但矽材料機械強度較低，容易損壞，且矽腐蝕法僅能加工較小尺寸的懸臂梁，尺寸一般在幾百nm到幾μ m數量級，僅適合在高頻率波段響應機械振動，而不適合在低頻率波段響應機械振動。而對於在玻璃襯底上的光波導晶片，目前無法通過純腐蝕法製備出光波導懸臂梁結構。並且純腐蝕法採用的矽襯底基光波導晶片與標準光纖連接封裝工藝不兼容。製備在玻璃襯底上的PLC光波導晶片，和標準光纖封裝工藝兼容，但無法通過純腐蝕法製備出光波導懸臂梁結構。
【發明內容】
[0004]本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種操作簡單，力口工效率高，速度快，懸臂梁尺寸在μ m數量級或mm數量級,既適合在高頻率波段響應機械振動，也適合在低頻率波段響應機械振動的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法。
[0005]本發明解決上述技術問題採用的技術方案是:一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導分路晶片為基材，所述平面光波導分路晶片設有輸入分路光波導、輸出分路光波導；其特徵是:首先清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面，將平面光波導分路晶片的上表面作為懸臂梁的上表面，採用水輔助飛秒雷射加工法在平面光波導分路晶片上加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導的兩側挖出一對等長的與輸入分路光波導平行的縱向凹槽，而後在輸入分路光波導所在芯層區域之下，兩側縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個矩形底部間隙，使兩側的縱向凹槽在底部連通；最後在兩側的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、矩形底部間隙包圍的中間區域形成可自由振動的懸臂梁。
[0006]本發明所述懸臂梁的厚度為80微米，懸臂梁前端的橫向凹槽的寬度為10?20微米。即懸臂梁的前端面與懸臂梁橫向凹槽另一側的輸出分支光波導的輸入端的距離為10?20微米。各個懸臂梁的長度和寬度不同，可根據響應振動頻率的需要選擇。
[0007]本發明所述清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導分路晶片依次置於丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空乾燥箱中，在80°C恆溫條件下加熱半小時，冷卻後，再用酒精清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面。[0008]本發明採用水輔助飛秒雷射加工法加工光波導懸臂梁，平面光波導分路晶片內波導芯層的上分界面距離平面光波導分路晶片的上表面約40微米，飛秒雷射的入射方向是從平面光波導分路晶片的下表面朝向上表面方向入射。晶片的放置方法有兩種，一種為平面光波導分路晶片的上表面朝上放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片被平底容器內的水淹沒，平面光波導分路晶片的下表面與平底盤底面之間沒有可以起伏的水面，飛秒雷射自下而上透過平底容器底面入射。另一種為平面光波導分路晶片的上表面朝下放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片浸泡在平底容器內的水中但不被淹沒，飛秒雷射自上而下入射，水覆蓋平面光波導分路晶片的上表面，但不覆蓋平面光波導分路晶片的下表面，這樣可避免在加工過程中，平面光波導分路晶片下表面一側水面起伏對光束匯聚的影響。
[0009]本發明所述縱向凹槽和橫向凹槽的挖出是從平面光波導分路晶片的上表面開始往晶片內部由淺入深逐層進行，由於水覆蓋平面光波導分路晶片的上表面，加工下來的玻璃殘渣能被水衝走，而不會影響飛秒雷射對材料的刻蝕加工。懸臂梁底部間隙的加工先從縱向凹槽底一側開始，使加工下來的玻璃殘渣能通過縱向凹槽被水衝走。
[0010]本發明利用水輔助飛秒雷射加工法加工平面光波導振動傳感器的懸臂梁，平面光波導分路晶片的襯底為玻璃材料，在現有成品PLC平面光波導分路晶片上用水輔助飛秒雷射加工法加工出懸臂梁及懸臂梁陣列，懸臂梁尺寸可以在幾十ym以上，輸入分路光波導嵌於懸臂梁內，輸出分路光波導相對位於橫向凹槽另一側。外界振動將引起懸臂梁的振動，不同尺寸的懸臂梁將響應不同頻率的外界振動，使得懸臂梁中的輸入分路光波導的輸出端相對輸出分路光波導的接收端位置發生變化，從而導致光波導晶片的輸出光強發生變化，通過測量這一光強變化量獲得外界振動參數(振動頻率、幅度等)。懸臂梁尺寸可以在Pm數量級或mm數量級。該光波導振動傳感晶片不僅能響應高頻率波段機械振動，而且能響應低頻率波段機械振動，彌補了矽腐蝕法的不足。由於提高了加工精確度，可以使橫向單位長度內懸臂梁的排列密度增加，單只晶片分路通道可以達到8、16、32、64路等，結構比較緊湊，體積小，重量輕、造價低、靈敏度高。能夠實時監測外界寬頻段的微小振動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]下面結合附圖對本發明作進一步說明。
[0012]圖1是本發明中平面光波導振動傳感器晶片的結構示意圖。
[0013]圖2是圖1的縱向截面視圖。
[0014]圖3是圖1的橫向截面視圖。
[0015]圖中標號是:1.懸臂梁，2.輸入分路光波導,3.底部間隙,4.橫向凹槽,5.縱向凹槽，6.輸出分路光波導，11.懸臂梁前端面。
【具體實施方式】
[0016]一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導分路晶片為基材，所述平面光波導分路晶片有輸入分路光波導2、輸出分路光波導6 ;其中輸入分路光波導2的波導芯層的上分界面距離平面光波導分路晶片的上表面約40微米。首先清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面，所述清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導分路晶片依次置於丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空乾燥箱中，在80°C恆溫條件下加熱半小時，冷卻後，再用酒精清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面。
[0017]本發明將平面光波導分路晶片的上表面作為懸臂梁的上表面，採用水輔助法用飛秒雷射在平面光波導分路晶片上加工懸臂梁。如圖1、圖2、圖3所示。分別在每條輸入分路光波導2的兩側挖出一對等長的與輸入分路光波導平行的縱向凹槽5,縱向凹槽5的挖出從晶片的上表面開始往晶片內部逐層進行。縱向凹槽5加工深度為100微米後，降低飛秒雷射的出射功率，降低其掃描速度。而後在輸入分路光波導2所在芯層區域之下，兩側縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個矩形底部間隙3，使兩側的縱向凹槽5在底部連通，在兩側的縱向凹槽5的前端挖出一條連通兩側的橫向凹槽4，所述縱向凹槽5、橫向凹槽4、矩形底部間隙3包圍的中間區域形成可自由振動的懸臂梁1，輸入分路光波導2嵌於懸臂梁I內，所述懸臂梁的厚度為80微米，也就是懸臂梁的底面與平面光波導分路晶片的上表面之間的間距為80微米。各個懸臂梁I的長度和寬度不同，可根據響應振動頻率的需要選擇。懸臂梁I的前端面11與輸出分路光波導6的輸入端的距離為10?20微米。若距離過大，耦合到輸出分路波導6的光將減少而使光波導晶片的輸出光強減弱,不利於光信號的探測。外界振動將引起懸臂梁I的振動，使得懸臂梁I前端的端面上的輸入分路光波導2端頭與輸出分路光波導6的輸入端之間的位置發生相對變化,從而導致輸出分路光波導6輸出的光強度發生變化，通過測量這一光強度變化量獲得外界振動參數(振動頻率、幅度等)。
[0018]本發明採用水輔助飛秒雷射加工法加工光波導懸臂梁1，平面光波導分路晶片內波導芯層的上分界面距離平面光波導分路晶片的上表面約40微米，飛秒雷射的入射方向是從平面光波導分路晶片的下表面朝向上表面方向入射。晶片的放置方法有兩種，一種為平面光波導分路晶片的上表面朝上放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片被平底容器內的水淹沒，平面光波導分路晶片的下表面與平底盤底面之間沒有可以起伏的水面，飛秒雷射自下而上透過平底容器底面入射。另一種為平面光波導分路晶片的上表面朝下放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片浸泡在平底容器內的水中但不被淹沒，飛秒雷射自上而下入射，水覆蓋平面光波導分路晶片的上表面，但不覆蓋平面光波導分路晶片的下表面，這樣可避免在加工過程中，平面光波導分路晶片下表面一側水面起伏對光束匯聚的影響。
[0019]本發明所述縱向凹槽4和橫向凹槽5的挖出是從平面光波導分路晶片的上表面開始往晶片內部由淺入深逐層進行，由於水覆蓋平面光波導分路晶片的上表面，平面光波導分路晶片的上表面與透明的平底容器底面之間有水層，加工下來的玻璃殘渣能被水衝走，而不會影響飛秒雷射對材料的刻蝕加工。懸臂梁底部間隙3的加工先從縱向凹槽4底一側開始，使加工下來的玻璃殘渣能通過縱向凹槽被水衝走。
[0020]本發明利用水輔助飛秒雷射加工法加工平面光波導振動傳感器的懸臂梁，平面光波導分路晶片的襯底為玻璃材料，在現有成品PLC平面光波導分路晶片上用水輔助飛秒雷射加工法加工出懸臂梁及懸臂梁陣列，懸臂梁尺寸可以在幾十ym以上，輸入分路光波導嵌於懸臂梁內，輸出分路光波導相對位於橫向凹槽另一側。外界振動將引起懸臂梁的振動，不同尺寸的懸臂梁將響應不同頻率的外界振動，使得懸臂梁中的輸入分路光波導的輸出端相對輸出分路光波導的接收端位置發生變化，從而導致光波導晶片的輸出光強發生變化，通過測量這一光強變化量獲得外界振動參數(振動頻率、幅度等)。
[0021]本發明選用的PLC平面光波導分路晶片是玻璃材質，機械強度高。本發明用水輔助飛秒雷射加工法在平面光波導晶片上加工懸臂梁陣列，可以加工出較大尺寸的懸臂梁。懸臂梁尺寸可以在μ m數量級或_數量級,不僅能在高頻率波段機械振動，而且能在低頻率波段機械振動，即可在寬頻段內響應多個頻率的振動。彌補了矽腐蝕法的不足。由於提高了加工精確度，可以使橫向單位長度內懸臂梁的排列密度增加，單只晶片分路通道可以達到8、16、32、64路等，結構比較緊湊，體積小，重量輕、造價低、靈敏度高。能夠實時監測外界寬頻段的微小振動。
【權利要求】
1.一種平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導分路晶片為基材，所述平面光波導分路晶片設有輸入分路光波導、輸出分路光波導；其特徵是:首先清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面，將平面光波導分路晶片的上表面作為懸臂梁的上表面，採用水輔助飛秒雷射加工法在平面光波導分路晶片上加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導的兩側挖出一對等長的與輸入分路光波導平行的縱向凹槽，而後在輸入分路光波導所在芯層區域之下，兩側縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個矩形底部間隙，使兩側的縱向凹槽在底部連通；最後在兩側的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、矩形底部間隙包圍的中間區域形成可自由振動的懸臂梁。
2.根據權利要求1所述的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其特徵是:所述懸臂梁的厚度為80微米，懸臂梁前端的橫向凹槽的寬度為10?20微米。
3.根據權利要求1所述的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其特徵是:所述清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導分路晶片依次置於丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空乾燥箱中，在80°C恆溫條件下加熱半小時，冷卻後，再用酒精清洗平面光波導分路晶片的上下兩表面。
4.根據權利要求1所述的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其特徵是:所述平面光波導分路晶片的上表面朝上放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片被平底容器內的水淹沒，飛秒雷射自下而上透過平底容器底面入射。
5.根據權利要求1所述的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其特徵是:平面光波導分路晶片的上表面朝下放置在透明的平底容器內，平面光波導分路晶片浸泡在平底容器內的水中，但平面光波導分路晶片的下表面露出水面，飛秒雷射自上而下入射。
6.根據權利要求1所述的平面光波導振動傳感器晶片懸臂梁的製作方法，其特徵是:縱向凹槽和橫向凹槽的挖出是從平面光波導分路晶片的上表面開始往晶片內部方向由淺入深逐層進行。
【文檔編號】G01H9/00GK103954347SQ201410197243
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】高仁喜, 孫正和, 夏正娜 申請人:哈爾濱工業大學（威海）