微型高灵敏压力传感器的制造方法
【专利摘要】公开了一种微型光纤压力传感器设计，其中围绕特定偏压压力的灵敏度被优化。在一实施例中，该压力传感器是法布里－珀罗(FP)传感器，其包括基板；以及安装在该基板上的膜片。该膜片具有中心并包括：包括第一材料的第一层；以及包括第二材料的第二层。该第二层形成圆点或环。该圆点或环安装在该第一层上并以该膜片的中心定中心。该第二材料包括内部预应力，以致使膜片的中心（在圆点的情况下）或者围绕膜片中心的周边区域（在环的情况下）在放松内部预应力时从基片拱起。
【专利说明】微型高灵敏压力传感器
与相关申请的交叉引用
[0001]本申请要求享有申请号为61/450,959的美国临时专利的优先权，该专利的申请日为2011年3月9日。
【技术领域】
[0002]本发明涉及压力传感器，尤其涉及微型高灵敏压力传感器。
【背景技术】
[0003]用于微创程序的压力传感器的使用要求越来越小的传感器。例如，用于评估冠状血流储备分数(FFR, Fractional Flow Reserve)的压力传感器仪表化导丝(压力导丝)要求很高，因为在传送高保真度的压力测量时，它需要最小的压力传感器。
[0004]在过去的几年中，基于法布里一珀罗(FP，Fabry-Perot)腔的使用的光纤压力传感器越来越多。法布里一珀罗传感器可制成小直径，并以低成本制造，因为它们可以使用显微机械加工技术生产(微电子机械系统=MEMS)。需要注意的是，基于法布里一珀罗的压力传感器与基于电容的压力传感器很相似的，其中压力测量通过测量膜片的偏移完成。
[0005]基于法布里一珀罗的压力传感器因而被视为可用于多种应用的具有最佳潜力的压力传感器，并属于最适于导液管和导丝尖端压力测量的压力传感器。针对压力传感器提出过多种方法和设计，例如在美国专利4，678，904和7，689，071中描述的那些。
[0006]随着现有技术中压力传感器设计尺寸的减小，无论是法布里一珀罗还是其他的传感器，其灵敏度也变小，导致充分的辨析度、稳定性以及由此准确度不再令人满意。
[0007]事实上，本领域技术人员熟知由于压力传感器膜片尺寸减小，相对于压力的膜片的偏移也减小。使这样的膜片变薄可以补偿相对于压力的膜片偏移的减小。但是这个策略具有如以下讨论的限制。
[0008]附图1示出用于测量压力的法布里一珀罗传感器I的现有结构。双向光纤2将光学信号朝向法布里一珀罗压力芯片(没有编号)引导。压力芯片由玻璃基片4制成。第一部分反射镜5设置在形成于玻璃基片4顶表面上的凹腔3内。膜片7粘结到或焊接到玻璃基片4上，膜片7的内表面作为第二镜6。镜5和6两者以由凹腔3的深度给定的距离相间隔开，构成法布里一珀罗腔。第二镜6以施加的压力的函数朝向第一镜5弯曲，由此改变FP腔的长度。FP腔的长度是压力的明确函数。
[0009]图2示出典型膜片7由于施加压力的结果而变形的形状。随着压力的增加，膜片的偏移的增加减小，即膜片的偏移是施加压力的非线性函数。图3示出具有不同膜片厚度的同一压力传感器的典型响应。可以注意到随着膜片厚度的减小(从S1-没有蚀刻到S1-蚀刻4)，虽然在最低压力范围内，也就是约为真空下操作时，灵敏度急剧增加，而当在较高压力范围内，在本例中，约大气压力下操作时，灵敏度饱和。以偏压压力操作的绝对压力传感器的灵敏度的增加受到限制。
[0010]在上面灵敏度限制之外，随着膜片厚度的减小，膜片内的内应力增加，潜在地导致膜片故障。膜片故障的风险在系统以诸如大气压力的偏压压力操作的情况下显著加强。对于涉及导液管尖端压力感测的医学应用，感兴趣的压力集中在大气压力(通常760mmHg)。在约OmmHga时，膜片厚度的减小增加了灵敏度，但在约760mmHga时，灵敏度的增加被限制。
[0011]作为以上所述的结果，因为它们小型化，现有法布里一珀罗传感器的一个主要缺点是它们缺少对压力的充分敏感，这与现有的以电容为基础的压力传感器设计的主要缺点相似。此外，准确性、辨析度和可靠性也通常变得不令人满意，而诸如水分漂移和热效应的其他不想要的寄生效应相对于压力似乎被放大。
[0012]相应地，存在对这样一种传感器设计的需要，该设计对小型传感器具有改进的敏感度。
【发明内容】
[0013]本说明书提供了微型光纤压力传感器设计，其中围绕特定偏压压力的敏感度是最优化的。
[0014]在一个实施例中，压力传感器是法布里一珀罗(FP)传感器，其包括基片；以及安装在该基片上的膜片。该膜片具有中心并包括:包括第一材料的第一层；以及包括第二材料的第二层。该第二层形成圆点。该圆点安装在该第一层上并以该膜片的中心定中心。该第二材料包括内部预应力以致使在放松该内部预应力时该膜片的中心从基片上拱起。
[0015]根据包含圆点的实施例，该第一层包含用于安装在该基片上的内表面以及与该内表面相对的外表面，该第二层安装在该外表面上，且该第二材料被预加应力在压缩状态。第二层的内部压缩应力放松，并向外移动该膜片。得到的膜片形状具有增加传感器的压力敏感度的作用。
[0016]根据包括圆点以及该第二材料被预加应力在压缩状态的实施例，该第一材料包括硅。
[0017]根据包括圆点以及该第二材料被预加应力在压缩状态的实施例，该第二材料包括在该第一层的硅材料上的二氧化硅。
[0018]根据包括圆点以及该第二材料被预加应力在压缩状态的实施例，该第二材料包括在该第一层的硅材料上的以下任一种:铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化错、氧化招和氮化娃中。
[0019]根据包括圆点的实施例，该第一层包括用于安装在该基片上的内表面，该第二层安装在该内表面上且该第二材料被预加应力在拉紧状态。
[0020]根据包括圆点且该第二材料被预加应力在拉紧状态的实施例，该第一材料包括硅。
[0021]根据包括圆点且该第二材料被预加应力在拉紧状态的实施例中，该第二材料包括在该第一层的硅材料上的铬。
[0022]根据包括圆点且该第二材料被预加应力在拉紧状态的实施例，第二材料包括该第一层的铬、招、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化娃、氧化错、氧化招和氮化娃中的一种。
[0023]根据另一实施例，压力传感器是法布里一珀罗(FP)传感器，包括基片；以及安装在该基片上的膜片。该膜片具有中心并包括:包括第一材料的第一层；以及包括第二材料的第二层。该第二层形成环。该环安装在第一层上并以该膜片的中心定中心。该第二材料包括内部预应力以致使在放松该内部预应力时，该膜片的中心处的周边区域从该基片拱起。
[0024]根据包括环的实施例，该第一层包括用于安装在该基片上的内表面以及与该内表面相对的外表面，该第二层安装在外表面上且该第二材料被预加应力在拉紧状态下。
[0025]根据包括环且该第二材料被预加应力在拉紧状态下的实施例，该第一材料包含硅。
[0026]根据包含环且该第二材料被预加应力在拉紧状态下的实施例，该第二材料包含在该第一层的硅材料上的铬。
[0027]根据包含环且该第二材料被预加应力在拉紧状态下的实施例，该第二材料包括在该第一层的该娃材料上的以下任一种:铬、招、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化娃、氧化错、氧化招和氮化娃。
[0028]根据包含环的实施例，该第一层包含用于安装在该基片上的内表面，该第二层安装在该内表面上且该第二材料被预加应力在压缩状态下。
[0029]根据包含环且该第二材料被预加应力在压缩状态下的实施例，该第一材料包含硅。
[0030]根据包含环且该第二材料被预加应力在压缩状态下的实施例，该第二材料包含在该第一层的硅材料上的二氧化硅。
[0031]根据包含环且该第二材料被预加应力在压缩状态下的实施例，该第二材料包括在该第一层的娃材料上的以下任一种:铬、招、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化娃、氧化错、氧化招和氮化娃。
[0032]根据一方面，微型法布里一珀罗或电容压力传感器的灵敏度通过加入内部预加应力的材料而有利地提高，所述内部预加应力的材料沉积在、生长在或以其他的方式呈现在膜片上，且一旦放松这样的内部应力材料即引起膜片形状的改变，使得在偏压压力下的敏感度增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1是现有技术的法布里一珀罗压力传感器的示意性横截面图；
[0034]图2是现有技术的压力传感器膜片的示意性横截面图，所述膜片由于施加的外部压力而变形；
[0035]图3是示出现有技术的、具有不同的膜片厚度的压力传感器对于施加的压力的响应的曲线图；
[0036]图4是压力传感器的横截面图，该压力传感器具有安装在外部、定位在中心用于膜片压力偏压的预加应力圆点膜片；
[0037]图5是绝缘硅基片的横截面图；
[0038]图6是从绝缘硅(SOI)手柄上释放的二氧化硅和硅设备层遭遇的变形的横截面图；
[0039]图7是具有由硅设备和二氧化硅层两者制成的膜片的压力传感器的横截面图；
[0040]图8是具有由在外表面上的硅设备和中心的二氧化硅圆点制成的膜片的压力传感器的横截面图；[0041]图9是示出多个二氧化硅圆点厚度(厚膜片)的压力传感器响应曲线的曲线图；
[0042]图10是示出多个二氧化硅圆点厚度(薄膜片)的压力传感器响应曲线的曲线图；
[0043]图11是示出两个不同的传感器在760mmHg下对于多种二氧化硅圆点厚度的压力敏感度的曲线图；
[0044]图12是压力传感器的横截面图，该压力传感器具有安装在内部、定位在中心用于膜片压力偏压的预加应力的圆点状膜片；
[0045]图13是压力传感器的横截面图，该压力传感器具有由硅和具有内部拉紧应力的环制成的膜片，所述环位于外表面的周围部分，用于膜片偏压；以及
[0046]图14是压力传感器的横截面图，该压力传感器具有由硅和具有内部拉紧应力的环制成的膜片，所述环位于内表面的周围部分，用于膜片偏压。
【具体实施方式】
[0047]在下面对实施例的描述中，提及附图是图示本发明可实施的示例。可以理解的是，在不背离公开的本发明范围的情况下也可以作出其他实施例。
[0048]对于例如图1中示出的压力传感器，施加的压力通过测量膜片7的偏移得到。这样一个传感器的灵敏度通过膜片相对施加的压力的偏移给定。膜片偏移越多，灵敏度越好。
[0049]已经指出过，绝对压力传感器在偏压压力范围(偏离真空的压力范围)的灵敏度可通过使膜片变薄得到改善。但是图3也示出，对于给定的膜片厚度，即使是对于更薄的膜片而言也不可能更进一步改善灵敏度。注意到的是，低压力下的灵敏度随着膜片变薄而增加，但在高压力下，例如在760mmHg，没有这样的灵敏度的改进。对于在给定偏压压力范围内工作的给定压力传感器膜片直径而言，存在几乎不可能超出的最大灵敏度。
[0050]增加这样的压力传感器的灵敏度的一个方法是将膜片重新定位在一个没有偏压时所处的位置。达到这个目标的一个方法是以压力与偏压压力相同的气体填充传感器的内腔，对于导液管尖端应用而言即为大气压力，这样在所述偏压下压差会消失。然而，将气体填充在内腔，而不是使其处于真空，会使传感器对温度非常敏感。例如，如果在大气压下，压力传感器内腔中的气体压力在温度从20°C上升到37°C时将增加44mmHg。
[0051]图4中示出的实施例在于，通过在膜片的外表面上引入拉紧应力，使其向上移动到最佳位置，从而将膜片重新定位到靠近其原始位置。薄层消耗材料22将帮助实现这个目标，其由具有释放内部压缩应力的层提供，并位于膜片21外表面中心部分。
[0052]图5到图8阐明了制造这样的具有高压力灵敏度的压力传感器的方法。该法布里一拍罗压力传感器膜片可以使用如图5中示出的绝缘娃(SOI, Silicon-On-1nsulator)制成。SOI由柄33构成,柄33为娃的厚的部分。一旦传感器完成,柄33通常是松开的，即去除的。硅设备31是SOI中构成膜片的部分。硅设备31通过一层二氧化硅(SiO2) 32与柄分开。SiO2层32允许膜片容易地从柄中脱离，因为存在用于优先于二氧化硅而蚀刻硅的化学品。
[0053]SOI基片的制造工艺涉及SiO2层32在相当高温度下的热增长。考虑到SiO2层32增长的温度以及SiO2和相对的硅设备31之间的热膨胀系数的差别(室温下分别为0.5X IO-6和2.7 X 10_6)，一旦在室温条件下，Si023 2将明显受到显著的压缩应力。相似的，硅设备31将受到相反的应力，即拉紧应力。[0054]现在，参考图6，如果硅设备41和SiO2层42均从柄上脱离，我们可以注意到剩余层的偏移。这个行为类似于双金属，其中组合材料弯曲以释放层内的应力。处于压缩应力下的SiO2层42想要膨胀，而处于拉紧应力下的硅设备41想要收缩。
[0055]当使用SOI以构造法布里一珀罗压力传感器时(图7)，整个SOI通常通过阳极键合结合到玻璃基片51上，其中法布里一珀罗腔52首先蚀刻进表面。在SOI结合到玻璃基片上后，柄33通过本领域技术人员熟知的碾磨和蚀刻工艺去除。传感器剩下有由硅设备层53和SiO2层54制成的膜片。我们可期待，由于如图6所示膜片的双金属行为，膜片向上移动，但是这没有考虑外部偏压力。偏移的膜片外表面上的压力不全是拉紧应力。膜片的中心部分57处于压缩状态，而边缘部分55处于拉紧状态。向内释放到SiO2层54和硅设备层53的应力使中心部分57如期待的那样向外移动，但它使边缘部分55向内移动。这两个力彼此在较大程度上达到平衡。最后的结果是膜片不能如想要的那样移回到其原始位置。
[0056]上面的达到平衡效应可通过去除对向内移动膜片有贡献的SiO2层54的边缘部分55，仅适当的剩下向外拉膜片的中心部分57而消除。图8示出同样的压力传感器，其中，膜片移回到最佳位置。中心SiO2圆点部分61被完好地留在硅膜片62的外表面之上，而边缘部分通过如本领域技术人员熟知的优先蚀刻去除。
[0057]可以理解的是，最佳设计在调整多个参数后得到。图9和10示出两个压力传感器的灵敏度，该两个压力传感器具有:1)同样的膜片直径；2)不同的膜片厚度，其中图9的传感器具有较厚的膜片；以及3)厚度变化的SiO2圆点。
[0058]图11给出了图9和图10在约760mmHg时响应曲线的斜线。两个压力传感器(即薄的和厚的膜片的压力传感器)在760mmHg的灵敏度，在不存在圆点时，都测量为1.36nm/mmHg0这样，有可能出现使膜片变薄而没有得到灵敏度改善的情况。另一方面，具有薄膜片和最佳SiO2圆点厚度的传感器的最大灵敏度高达9.7nm/mmHg,而具有厚膜片的传感器,最大灵敏度为3.2nm/mmHg。这与没有圆点时的1.36mm/mmHg的灵敏度相比是有优势的。
[0059]最大的灵敏度出现在有限的压力范围区域内。事实上，SiO2圆点具有将不具有SiO2圆点的传感器的响应曲线移向更高的压力的作用，或者所述传感器响应曲线变为偏向更大的压力。如果没有SiO2圆点，则传感器的响应包含在OmmHg的拐点，在这个拐点膜片是平坦的。传感器对负压(即对压力在内腔中较高的情况)的响应是对称的。在图9和图10中，移向更高的压力的是整个响应曲线，而拐点则随着SiO2圆点厚度的增加而移向更高的压力。也就是说，这种预应力圆点的存在对压力传感器引起偏压，该偏压带来对应于实际最大偏压压力的最大灵敏度。
[0060]已经示出压力传感器的灵敏度可通过偏压膜片增加。膜片通过在膜片外表面的中心增加圆点而被偏压，该圆点被预加应力在压缩状态。一旦释放这样的内部压缩应力，膜片向外拱起，结果为灵敏度增加。相似的，考虑到该圆点被预加应力在拉紧状态下，我们可以通过在膜片的内表面中心增加圆点而偏压膜片。
[0061]为了达到这个效果，图12示出FP传感器70，其中，通过在膜片的内表面上引入压缩应力使得其向上移动到最佳位置而将膜片重新复位到接近其平坦位置。薄层材料72将帮助实现这个目标，薄层材料72展现内部拉紧应力并位于膜片71内表面的中心部分。可被沉积或生长以展现这样的内部拉紧应力的感兴趣的材料包括诸如铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、氧化铝和氮化硅的各种材料。[0062]相似的设计也可涉及在膜片的周围边缘部分55沉积或生长预应力材料层，从而构成为环形。如图13所示，如果内部拉紧应力的层75沉积或生长在膜片外表面76的周围部分，可能产生相似的结果，且相反地，如图14示出将具有内部压缩应力的层80沉积在或生长在膜片内表面81的周围部分可以产生相似的结果。
[0063]本发明的实施例通过使用在晶圆制作过程中在绝缘硅(SOI)的二氧化硅层内产生的压缩应力而示例。然而，应该理解的是，在沉积或生长或其他后期处理方法之后具有内部应力的其他生长或沉积材料可以帮助实现同样的目的，例如铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、氧化铝和氮化硅属于能够通过沉积而具有内部应力的材料。
[0064]虽然本发明已经在上面通过其具体实施例描述，但是在不背离这里限定的本发明的精神和本质的情况下，本发明可被修改。
【权利要求】
1.一种法布里一珀罗传感器，包括: —基片；以及 一安装在所述基片上的膜片，所述膜片具有中心且包括: 一包括第一材料的第一层；以及 一包括第二材料的第二层，所述第二层形成圆点，所述圆点安装在所述第一层上并以所述膜片的中心定中心，所述第二材料包括内部预应力以致使在放松所述内部预应力时，所述膜片的中心从所述基片拱起。
2.根据权利要求1所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一层包括用于安装在所述基片上的内表面以及与所述内表面相对的外表面，所述第二层安装在所述外表面上，且所述第二材料被预加应力在压缩状态。
3.根据权利要求2所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一材料包括硅。
4.根据权利要求3所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的硅材料上的二氧化硅。
5.根据权利要求3所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的所述硅材料上的以下任一种:铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、氧化铝和氮化硅。
6.根据权利要求1所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一层包括用于安装在所述基片上的内表面，所述第二层安装在所述内表面上且所述第二材料被预加应力在拉紧状态。`
7.根据权利要求6所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一材料包括硅。
8.根据权利要求7所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的硅材料上的铬。
9.根据权利要求7所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括所述第一层的铬、招、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化娃、氧化错、氧化招和氮化娃中的一种。
10.一种法布里一拍罗传感器,包括: —基片；以及 一安装在所述基片上的膜片，所述膜片具有中心且包括: 一包括第一材料的第一层；以及 一包括第二材料的第二层，所述第二层形成环，所述环安装在所述第一层上并以所述膜片的中心定中心，所述第二材料包括内部预应力以致使在放松所述内部预应力时，所述膜片的中心周围的周边区域从所述基片拱起。
11.根据权利要求10所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一层包括用于安装在所述基片上的内表面以及与所述内表面相对的外表面，所述第二层安装在所述外表面上，且所述第二材料被预加应力在压缩状态。
12.根据权利要求11所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一材料包括硅。
13.根据权利要求12所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的娃材料上的铬。
14.根据权利要求12所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的所述硅材料上的以下任一种:铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、氧化招和氮化娃。
15.根据权利要求10所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一层包括用于安装在所述基片上的内表面，所述第二层安装在所述内表面上且所述第二材料被预加应力在压缩状态。
16.根据权利要求15所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第一材料包括硅。
17.根据权利要求16所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的所述硅材料上的二氧化硅。
18.根据权利要求16所述的法布里一珀罗传感器，其中，所述第二材料包括在所述第一层的所述硅材料上的以下任一种:铬、铝、钛、铁、金、氧化钛、氧化钽、二氧化硅、氧化锆、氧化招和氮化娃。
【文档编号】G01L7/08GK103534568SQ201280022543
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年3月9日 优先权日:2011年3月9日
【发明者】克劳德·贝尔维尔, 塞巴斯蒂安·拉兰切特, 尼古拉斯·莱萨德 申请人:奥普森斯公司