专利名称：有机微光机械振动/加速度传感结构及其制备方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及一种振动/加速度传感器中的硅基集成微光机械传感结构及其制备方法的改进。
法国的Eric Ollier等人于1999年1月在Journal of Lightwave Technology上首次报道了一种新型硅基集成微光机械振动/加速度传感器，由三部分组成硅基集成微光机械传感结构1和远离电磁场的光电信号处理单元3，二者由光纤2连接(如图1所示)。
微光机械传感结构1(如图2、3所示)由单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和微机械振动悬臂梁7共同集成于硅基片8上所制成，单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和微机械振动悬臂梁7均由氧化硅光学厚膜衬底9、光波导芯层10、光学厚膜包覆层11构成。微光机械传感结构制备工艺步骤如下(1)在硅基片上，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术生长氧化硅厚膜作为光波导衬底9，采用PECVD技术生长高折射率氧化硅薄膜作为光波导芯层10(氧化硅折射率由PECVD过程中磷掺杂浓度控制)；(2)采用反应离子蚀刻技术制备氧化硅单通道输入波导4、多模干涉耦合器5和双通道输出波导6；(3)采用PECVD技术生长氧化硅光波导厚膜作为包覆层11；(4)采用各向异性反应离子蚀刻技术制备微机械振动悬臂梁7；
(5)采用干法微波各向同性硅蚀刻技术释放微机械振动悬臂梁7；上述制备工艺存在如下问题由于PECVD工艺设备昂贵、工艺过程复杂，使得器件成本过高，不利于器件实用化；微光机械结构所必需的氧化硅厚膜无法用常规介质膜沉积技术(高温热氧化、真空蒸发、磁控溅射和反应磁控溅射等)制备；氧化硅振动悬臂梁所用材料单一(由PECVD设备所决定)，力学参数(如弹性系数等)没有调整余地；本发明的目的是解决已有技术的问题，将提供一种简化器件制备工艺，降低器件成本；拓宽制备微光机械传感结构的材料选择范围；改进器件性能，扩展器件应用范围的硅基集成有机微光机械振动/加速度传感结构及其制备方法。
本发明如图2、3所示由单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和微机械振动悬臂梁7所构成的微光机械传感结构1均由有机光学厚膜衬底9、有机光波导芯层10、有机光学厚膜包覆层11组成，单通道输入波导4集成于微机械振动悬臂梁7之上，其输出端与多模干涉耦合器5输入端相对，多模干涉耦合器5位于单通道输入波导4的输出端位置，其输入端与单通道输入波导4的输出端相对、输出端与双通道输出波导6输入端连接。有机光波导芯层10附着于有机光学厚膜衬底9之上，有机光学厚膜包覆层11包覆于有机光波导芯层10和有机光学厚膜衬底9之上，整个有机微光机械传感结构1附着于硅基片8上，微机械振动悬臂梁7的一端与有机光学厚膜衬底9、有机光波导芯层10和有机光学厚膜包覆层11组成的有机膜层连接，微机械振动悬臂梁7的另一端自由悬空。
本发明的有机微光机械传感结构制备工艺方法步骤如下(1)采用旋涂或滴膜方法将有机光学材料溶液涂覆于硅基片8上，经固化后制成有机光学厚膜衬底9；(2)采用旋涂或滴膜方法将折射率高于有机光学厚膜衬底9的有机光学材料溶液涂覆于有机光学厚膜衬底9，经固化后制成有机光波导芯层10；(3)采用光刻腐蚀及反应等离子刻蚀方法，制备出单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6；(4)采用旋涂或滴膜方法将折射率低于有机光波导芯层10的有机光学材料溶液涂覆于单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和有机光学厚膜衬底9之上，经固化后制成有机光学厚膜包覆层11；(5)采用光刻腐蚀反应等离子刻蚀方法制备出有机微机械振动悬臂梁7；(6)采用硅各向同性腐蚀方法，释放有机微机械振动悬臂梁7，完成有机微光机械传感结构制备。
本发明积极效果本发明采用有机光学材料制备微光机械传感结构，使得器件制备工艺简单、器件成本降低，便于传感器的实用化；在器件性能方面，用于制备光学厚膜的有机光学材料可选择范围比无机光学材料大的多，并且有机光学材料还可以进行分子结构合成改性，以满足器件优化设计的需要，采用有机光学材料制备的悬臂梁，其弹性系数等力学参数可在很宽的范围内进行调整，因而有可能显著提高器件的灵敏度和动态范围。
图1是已有硅基集成微光机械振动/加速度传感器结构示意图。
图2是本发明传感结构示意图；
图3是图2中虚线位置的剖面图本发明实施例本发明涉及的有机微光机械传感结构中的有机光学厚膜衬底9和有机光学厚膜包覆层11可选用有机硅树脂为材料，有机光波导芯层10可选用聚酰亚胺为材料；本发明提供的制备方法中的硅基片8可选用单晶硅片；硅各向同性和各向异性腐蚀液可在半导体手册中查得。
权利要求
1.一种用于振动/加速度传感器的硅基集成有机微光机械传感结构，由单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和微机械振动悬臂梁7所构成，其特征在于单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和微机械振动悬臂梁7均由有机光学厚膜衬底9、有机光波导芯层10、有机光学厚膜包覆层11组成，单通道输入波导4集成于微机械振动悬臂梁7之上，其输出端与多模干涉耦合器5输入端相对，多模干涉耦合器5位于单通道输入波导4的输出端位置，其输入端与单通道输入波导4的输出端相对，输出端与双通道输出波导6输入端连接。有机光波导芯层10附着于有机光学厚膜衬底9之上，有机光学厚膜包覆层11包覆于有机光波导芯层10和有机光学厚膜衬底9之上，整个有机微光机械传感结构1附着于硅基片8上，微机械振动悬臂梁7的一端与有机膜层连接，另一端自由悬空。
2.根据权利要求1所述的硅基集成有机微光机械传感结构的制备方法，其特征在于制备工艺方法步骤如下(1)采用旋涂或滴膜方法将有机光学材料溶液涂覆于硅基片上，经固化后制成有机光学厚膜衬底9；(2)采用旋涂或滴膜方法将折射率高于有机光学厚膜衬底的有机光学材料溶液涂覆于有机光学厚膜衬底9，经固化后制成有机光波导芯层10；(3)采用光刻腐蚀及反应等离子刻蚀方法，制备出单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6；(4)采用旋涂或滴膜方法将折射率低于有机光波导芯层的有机光学材料溶液涂覆于单通道输入波导4、多模干涉耦合器5、双通道输出波导6和有机光学厚膜衬底9之上，经固化后制成有机光学厚膜包覆层11；(5)采用光刻腐蚀反应等离子刻蚀方法制备出有机微机械振动悬臂梁7；(6)采用硅各向同性腐蚀方法，释放有机微机械振动悬臂梁7，完成有机微光初械传感结构制备。
全文摘要
本发明属于硅基集成有机微光机械振动/加速度传感结构及其有机微光机械传感结构的制备方法。由单通道输入波导、多模干涉耦合器、双通道输出波导和微机械振动悬臂梁组成,采用有机光学材料制备微光机械结构的方法使得制备工艺简单、成本降低,实用。采用有机光学材料的可选择范围比无机光学材料大并可以进行分子结构合成改性,满足优化设计需要,采用有机光学材料制备悬臂梁,其弹性系数等力学参数可在很宽范围内调整,能提高器件的灵敏度和动态范围。
文档编号G01H9/00GK1315653SQ0010632
公开日2001年10月3日 申请日期2000年3月30日 优先权日2000年3月30日
发明者高福斌, 张平, 刑汝冰, 金锋 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所