[发明专利]一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法

说明书

本发明公开了一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法，属于硅微机械加工和光学传感测量技术领域，所述低频声波传感器，包括：硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤。本发明提供的硅微悬臂梁制备方法工艺简单，成本低且成品率高；本发明提供的低频声波传感器结构紧凑，制备简单且一致性好，灵敏度高，在250Hz以下的低频测试频段的响应特性与理论高度吻合。

技术领域

本发明属于硅微机械加工和光学传感测量技术领域，更具体地，涉及一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法。

背景技术

低频声波具有衰减小、衍射能力强、传播距离远等特点，在自然灾害预警、医疗、管道泄漏监测、军事监测、光声光谱气体检测等领域具有极大的应用价值。与传统的基于压电式的声波传感器相比，基于光纤的传感器具有体积效、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势。

声光换能元件是光纤声波传感器最重要的工作单位。常见的声光换能元件有薄膜和悬臂梁，但是由于薄膜结构在受到压力作用时发生拉伸形变，其形变大小受薄膜张力影响，因此薄膜式换能结构的声压灵敏度与动态范围均受其机械结构限制。相比之下，悬臂梁在压力作用下只发生弯曲应变，相同声压下，悬臂梁自由端的位移可能比同面积薄膜中心的位移大两个数量级。因此，基于悬臂梁的声波传感器逐渐受到国内外研究学者的关注，而基于法布里-珀罗(FP)干涉结构的悬臂梁声波传感器由于结构紧凑、制备简单、抗共路干扰等优点更是具有极高的研究价值。

基于SOI晶圆制备得到的硅微悬臂梁机械性能好、一致性高且便于批量生产。目前为止，现有技术中厚度小于10μm的硅微悬臂梁，由于SOI埋氧层内应力的作用可能会使得制备得到的悬臂梁严重扭曲或直接在加工过程中破裂，工艺难度较大且步骤复杂。另外，现有的硅微悬臂梁制备工艺复杂，对于厚度小、灵敏度高的悬臂梁更是存在平坦度差、成品率低的挑战。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种低频声波传感器及硅微悬臂梁的制作方法，其目的在于，解决现有技术中FP式低频声波传感器结构复杂、灵敏度低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种低频声波传感器，包括：

硅微悬臂梁，为利用SOI晶圆制备的高长厚比几何结构，用于接收声波信号；

输入光纤，与所述硅微悬臂梁构成FP腔体，所述硅微悬臂梁到所述输入光纤上端面的距离为FP腔长；

封装结构，与所述硅微悬臂梁和所述输入光纤连接，用于固定所述硅微悬臂梁和所述输入光纤。

在其中一个实施例中，所述硅微悬臂梁的厚度为所述SOI晶圆中器件层的厚度。

在其中一个实施例中，所述封装结构上表面设有用于卡住所述硅微悬臂梁上方片的凹槽，下方固定有用于放置预埋所述输入光纤中插芯的陶瓷套筒，所述封装结构的中心与所述硅微悬臂梁的自由端对准。

在其中一个实施例中，所述声波信号的频率为0.5～250Hz，其中，当所述声波信号的信号为5Hz时，所述低频声波传感器对应的声压响应的相位灵敏度达28.9rad/Pa。

按照本发明的另一方面，提供了一种低频声波传感器中硅微悬臂梁的制作方法，包括：

S1：在SOI晶圆表面沉积一定厚度的氮化硅层；

S2：利用光刻胶将悬臂梁图形转移到所述氮化硅层的掩膜上，分多次刻蚀狭缝在器件层形成悬臂梁结构，从背面湿法腐蚀体硅至埋氧层截止；

S3：依次去除剩余所述埋氧层和所述氮化硅层，释放悬臂梁。