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m e m s 振动传感器的设计及制作工艺研究 伦风艳 导师：张平 摘要 论文以实现低成本、高灵敏度、高集成度的微振动传感器为目标，开展了基 于m e m s 技术的聚合物微光机械振动传感器设计及制作工艺的基础性研究。 通过对传感器及其所用材料的发展过程和现状进行回顾与比较，指出了聚合 物微光机械振动传感器在传感器发展中的优势，说明了- 丌展聚合物微光机械振动 传感器研究的必要性。 文中设计了光波导悬臂梁质量块集成结构微振动传感器芯片，阐明了光机 转换的工作原理：计算出了波导参数：重点分析了机械结构参数对传感器l 生能的 影响及选取原则，给出了结构参数优化设计结果。 同时，论文对聚合物微光机械振动传感器芯片的制作工艺进行了较深入研 究。研究了p m m a 的旋涂成膜工艺，解决了层间互溶、应力开裂、光刻起皱等 薄膜表面质量问题；研究了聚合物光刻、掩膜制备和干法刻蚀工艺，解决了聚合 物光刻渗钻、干法刻蚀侧蚀等关键工艺难点；总结出了聚合物微光机械振动传感 器芯片的制作工艺流程，实现了光波导集成光路和悬臂梁质量块微机械结构在 硅基底上的集成，制作出了基于m e m s 的聚合物微光机械振动传感器实验室原 型器件。 利用光纤波导端面直接耦合法，采用波导测试系统对制作的振动传感器芯 片进行了初步测试。测试结果表明，设计制作的集成光路基本可以满足传感器的 传光和分光要求，振动传感器芯片显示了检测振动的功能。 关键词：聚甲基丙烯酸甲f l 目( p m m a ) ；振动传感器：光波导；悬臂梁一质量块：旋 涂：干法刻蚀 t h e s t u d yo i lt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s s o fm e m sv i b r a t i o ns e n s o r l u nf e n g y a n 。i 。e c e db 1 。；1 1 a n gp i n g t a b s t r a c t a i m i n ga tt h el o w e rc o s t h i g hs e n s i t i v i t , a n dh i g hi n t e g r a t i o nm i c r ov i b r a t i o n s e n s o r , t h eb a s i cr e s e a r c h e so nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s so fp o l y m e r m i c r o 。o p t o m e c h a n i c a lv i b r a t i o ns e n s o rb a s e dm e m s t e c h n i q u e s ! ! 掣妇墟一7 t h ea d 、f a n t a g e so fp o l m e rm i c r o o p t o - m e c h a n i c a lv i b r a t i o ns e n s o ra r ep o i n t e d o u tb a s i n go nt h er e v i e wi n ga n dc o m p a r i n go ft h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so ft h e s e n s o ra n di t sm a t e r i a l a n dt h e nt h en e c e s s i t yo fr e s e a r c ho nt h i ss e n s o ri se x p l a i n e d 一，7 。、 ，：，鼍! 些b 磐讲t h e m i c r o 。v i b r a t i o ns e n s o rc h i pw h i c hi s i n t e g r a t e dw i t h t h e u a v e g u i d e c a m i l e v e r - m a s s i s d e s i g n e d o p t i c s m e c h a n i c s t r a n s f o r m p r i n c i p l e i s e x p l a i n e d a n dt h e a v e g u i d ep a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d t h ea f f e c t i o no fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so nt h es e n s o rp r o p e r t ya n dt h eb a s i cr u l eo ft h ep a r a m e t e r s s e l e c t i o na r e 姐削? 2 1 磐必逝竺h 豇 趣：! ! ! 竺e t h eo p t i m u mr e s u l t so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r eg i xe n f a b l i c a t i o np r o c e s so fp o l , , m e rm i c r o - o p t o - m e c h a n i c a 、i b r a t i o ns e n s o rc h i pi s i n x e s t i g a t e dd e e p l y t h es p i nc o a t i n gp r o c e s s o fp m m a m e m b r a n ei ss t u d i e d a n dt h es u r f a c e q u a l i t yp r o b l e m ss u c ha st h ed i s s o l v ea m o n g l a y e r s ，s t r e s sc r a c ka n dl i t h o g r a p h y , c r i n k l ea r es o l v e d p o l ? m e rl i t h o g r a p h , , m a s k i n g p r e p a r a t i o na n dp o l y m e rd r y , e t c h i n gp r o c e s sa r er e s e a r c h e d t h ed i f f i c u l t i e so fp r o c e s s s u c ha sl i t h o g a p h yp e n e t r a t ef r e t a n dl a t e r a le r o s i o ni nd qe t c h i n ga r es e t t l e da sa r e s u l t ，t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fp o l y m e rm i c r o - o p t o - m e c h a n i c a lv i b r a t i o ns e n s o r c h i pi ss u m m a r i z e d t h ei n t e g r a t e ds t r u c t u r eo fo p t i c a l - w a v e g u i d ea n dc a n t i l e v e r m a s s i s i m p l e m e n t e d o ns i l i c o n s u b s t r a t e ， a n dt h e p r o t o t ? p e o f p o l ? m e r m i c r o o p t o m e c h a n i c a lv i b r a t i o ns e n s o rb a s e dm e m st e c h n i q u e si sf a b r i c a t e d t h ef a b r i c a t e ds e n s o rc h i pi st e s t e dp r e l i m i n a r i l yb yt h ee n dt oe n dc o u p l i n g m e t h o db e t w e e n w a v e g u i d ea n df i b e ro n t h e w a v e g u i d et e s te q u i p m e n t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n t e g r a t e do p t i c a l v , , a v e g u i d ec a nm e e tt h en e e d o fp r o p a g a t i o na n ds p l i c i n gl i g h t ，a sw e l la st h ev i b r a t i o ns e n s o rc h i ph a st h ef u n c t i o n o fd e t e c t i n gv i b r a t i o n k e yw o r d s ：p o l y m e t h y lm e t h a c r y l a t e ( p m m a ) ：v i b r a t i o ns e n s o r ：o p t i c a l - w a xe g u i d e ： c a n t i l e v e r m a s s ：s p i nc o a t i n g ；d r b ，e t c h i n g i i i 凹ll 图1 2 圈1 3 图21 幽22 幽23 到：4 髑25 幽2 6 图27 幽28 幽：9 图21 0 图31 图32 酎33 刳34 剀35 幽36 幽37 剀38 倒3 9 幽3 】0 目31 1 圈31 2 圈3 i3 幽3 】4 图315 魁4l 幽42 图43 图4 4 图4 5 图表索弓 硅基材料半集成光波导微振动传感器 砖基材料全集成光波导微振动传感器 硅基材料全集成光波导差分探测微振动传感器 集成光波导微振动传感器结构示意图 掩埋矩形介质波导示意图 梁粤横向灵敦度比曲线 向有频率振幅曲线 粱长、敏感质量与传感器灵敏度的关系曲线 粱妊、敏感质量与传感器尉育频率的关系曲线 梁长振幅、固有频率曲线 振动传感器输入输出曲线 不同材料灵敏度对比曲线 对数福频特性酋线 振动敏感元件工艺结构图 圊化时间对薄谟表面质量的影响 戍力开裂的薄摸 p m m a 薄膜厚度与旋涂转速的关系 二层聚合物薄膜表面 不同前烘条件下的薄膜表面 不同显影时间的对比照片 磷酸幸腐蚀出的铝掩模图形 光刻：l 艺流程一 刻蚀对间与刻蚀深度的关系 整片硅片上聚合物器件的分离 i c p 刻蚀的波导端面 传感器整体结_ 勾制作工艺流程图 显微镜下的传感器芯片放大照片一 双目立体显微镜下的集成光路放大照片 单模光纤与单模波导端面直接耦合 波导测试系统组成图 波导测试系统实物装置图 光纤波导耦舍对准 单路直条波导的输出光斑 v l “o m b b h m m坶”h巧剪如如驺n粥”扣知们“蛇 困袁索； 图4 6lx 2 多模干涉耦合器波导双路输出光斑4 2 图4 7 粱受力弯曲时1 2 多模干涉耦合器波导双路输出光斑4 3 袭2l材料参数表 表31膜厚测量统计数据 表3 2i c p 刻蚀 艺参数 v i i 1 1 2 4 3 2 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、 电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行 任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业 性使用( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 学位论文知识产权权属声明 本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。知识产权归属中国科学院长春光学 精密机械与物理研究所。长春光学精密机械与物理研究所享有以任何 方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离所后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为长春光学精密机械与物理研究所。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：年月日 导师签名： 日期：年月日 第一幸：绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代科学技术的发展对测试与控制提出了越来越高的要求，而在这些领域 里，传感器己成为决定系统质量的关键性器件传感器质量的优劣直接决定着测 试与控制过程的成败。鉴于传感器的重要性，在8 0 年代，发达国家对传感器在 信息社会中的作用就有了新的认识和评价，如美国把8 0 年代看作传感器时代， 亍巴传感器技术列为9 0 年代2 1 项关键技术之一。同本曾把传感嚣剐为十大技术之 首，我国8 6 3 计划，- ：z 藏攻关计划中也把传感器研究放在重要的位置。 目前对于传感器，普遍的认识仍局限于非黾量与电量的转换装置。可是并非 所有的被测量都能利用现有的手段直接变换为电量，而且在某些环境，即使变换 为电量也不能够不失真地传输。还有，在很多应用中需要带宽特陛的急剧增长， 传递7 言启和处理信。宴、筻力需求的增加，这些都使电路表现出了局限陛。 由于光波波长短，因而光路相比于电路具有大的信息容量、低的发热量、l 氐 的传输损耗、抗电磁干扰等优点，使光路在许多领域中的应用大大优于电路。以 光学测量为基础的光学传感器因此得到了迅速发展，并被广泛应用于各个领域。 光纤传感器是7 0 年代发展起来的一种新型光学传感器，是传感器发晨中的 重大突破。由亍光纤传感器用光信号而不是用电信号作为敏感信窟、的载体，因此 光纤传感器与电学量传感器相比具有无源性、灵敏度高、动态范围大、结构简单、 体积小、重量轻、耐腐蚀、电绝缘性能好、抗干扰、可挠曲、成本低、能在易燃、 易爆、高压、强电磁场等恶劣环境中工作、便于实现遥测等许多优点【”。所以光 纤传感器一出现就受到了各国科技界和军事部门的高度重视。发展至今，基于各 种光学性质和光学现象的光纤传感器己被应用于许多领域。 尽管光缉传感器已具有较高的灵敏度并成功的应用在通讯、科研、军事等领 域，但由于受到加工工艺的限制，传感器制作困难，使得传感器价格昂贵，并不 普及，而且光纤传感器的可靠性和使用寿命也不高。所以，对于高可靠性、低成 本的应用需求和系统集成化、微型化的发展趋势，光纤传感器则失去优势。 集成光学技术为光学传感开辟了新的发展方向b _ 3 】。集成光学利用类似于半 中固科学院硕士学位论文：m e m s 振动传感嚣的设计及制作工艺研究 导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上形成集成光路， 它解决了纤维光学暴露出的稳定性差、续接困难、光束的对准和准直困难等问题。 集成光波导传感器是集成光学技术的一个重要应用领域。与光纤传感器相 比，集成光波导传感器具有以下优势：( 1 ) 更好的稳定性和可靠性，有利于在恶 劣环境下使用：( 2 ) 通过波导材料的灵活选择和结构的优化设计，可获得更高的 灵敏度；f 3 ) 通过单片集成，可实现多信道同时测量以及系统微型化和多功能化， 并降低功耗：( 4 ) 通过与微机械、微电子技术相结合可提供新的传感应用和集成 潜力；( 5 ) 结构相对简单、制造工艺要求不高。( 6 ) 通过集成工艺实现规模化生 产，可降低成本。可见，集成光波导传感器不坦继承了光纤传感器的优点，而且 更有利于实现多功能集成、紧凑封装和批量生产，以及拥有小型轻量、稳定可靠、 低耗高效等其他传统传感器无法比拟的优势，是新一代微型化、集成化和蓍能化 传感器系统的重要组成部分。 当传感器变得更为精巧并且对其集成度要求更高时，集成光波导传感嚣的优 势会越来越明显，应用领域也会更加广阔。例如在航空航天领域，系统质量的减 小与传感器数量、数据传输量的增加成为矛盾，从而要求传感器具有较小的重力 因子和较少的负载材料、多功能、大带宽、高可靠性和极强的抗电磁干扰能力。 此时，集成光波导传感器和光纤数据传输相结合将是最好的选择。可以预见随着 集成光学材料科学、光通信技术、信息处理技术、传感技术和集成器件制作技术 的飞速发展，世界范围内的集成光学传感器技术的研究和应用范围会越来越大， 其发展潜力是不可估量的。 当前，国际上很多固家下在对用于各种用途的集成光波导传感器进行研制， 主要有压力、电磁场、流量、加速度h 角速度传感器等。我国部分研究机构也 开展了各种类型的集成光波导传感器的研究工作 j ，并取得了进展。但在集成 光波导微振动传感器方面，我国开展的研究相对较少。因此我们应紧跟国际传感 器最新的发展动向，采用新机理、利用新材料、通过新工艺，加大对集成光波导 微振动传感器的技术研究，缩短我国与国际传感器技术的差距。 1 2 微光机械振动传感器 自1 9 8 7 年第四届国际固态传感器和执行器会议以来，由微加工技术与传统 第一章：绪论 的传感器技术结合创立了微机械传感器和微执行器，开拓了微电子机械系统 ( m e m s ) 新领域。 微传感器是微电子机械系统的一个较大分支，也是今天最广泛使用的m e m s 器件，它是目前最为成功且最具有实用性的微机电装置。而微振动传感器的研究 一直是微传感器研究的一个重点。由于微振动传感器振动敏感芯片是微振动传感 器发展水平的重要标志，因而微振动传感器振动敏感芯片的研究成为微振动传感 器研究中最为活跃的部分。 1 9 7 9 年，由r o l a n c e 和a n g e l l 报道了第一篇关于在硅片上利用微机械加工 技术制作的加速度传感器。标志着加速度传感器的发展进入了一个新的阶段， 小型化、智能化、集成化己成为加速度传感器的发展方向。随后，人们围绕微振 动传感嚣展开了大量的研究工作。按照其工作原理，可将微振动传感器分为压电 式、电容式、压阻式、光学式。在结构设计上，悬臂粱式微振动传感器是比较典 型的微振动传感器，它以结构简单，制作工艺成熟，引起人们的普遍重视。在传 感原理上，光学式微振动传感器由于其特有光学传感优点而倍受青睐，一直是近 年研究的热点。 目前研制的光学式微振动传感器主要有两大类：纤维光学式( 光纤式) 和集 成光学式。它们的传感原理和其它原理的振动传感器一样，其运动变换部分都是 根据惯性原理，把传感器的质量块相对于基座( 被测物体) 的位移测出，从而得 到被测物体的加速度。在光机转换部分则以位移一祸合光强转换的光强调制型为 研究重点。 1 2 1 光纤式微振动传感器 目前，关于光纤式微振动传感器的研究较多“”，其结构大都为带有光源的 发射光纤与敏感质量块相固定，而连接探测器的接收光纤与被测物体相固接。当 被测物体产生加速运动时，发射光纤与接收光纤即产生相对位移，接收光纤接收 到的光强即受被测加速度调制，藉此测量出加速度值。还有一种可消除光源波动 影响的结构，其特点是将一根发射光纤固定在安有敏感质量块的悬臂梁上，两根 接收光纤并置于壳体上。当加速度为零时，二接收光纤接收到的光强相等，即使 在光源波动的情况下，输出亦为零，当有加速度时，二接收光纤接收到的光强 个增加而另一个减少，输出为二者之差，即采用了差动探测。 中国科学院硕士学位论文：m e m s 振动待感嚣的设计及制作工艺研究 1 2 2 集成光波导微振动传感器 关于集成光波导微振动传感器的研究报道在国内仅查到一篇【1 6 1 ，该报道给出 了传感器的原理图和结构示意图，如图11 所示。文中探讨了利用m e m s 技术 将振动传感嚣与s io e s i 异质结构光波导集成的工艺可行性，提供了可能实现所 设计结构的工艺方法，但是没有进行相应的理论分析和具体的结构参数设计，更 没有进行实验。 入i * 导 孓g 匹i 、出s 挂导【p - g t s i 1 图1 1 硅基材料半集成光波导微振动传感器 相比之下，在1 9 9 2 年s h a o d o n gw ua n dh a r l sj f r a n k e n a 就以 s i o ：a 1 2 0 3 s i 0 2 为材料把光波导管作成悬臂梁，另一端以光波导管为接收端，制 成了集成光学微机械悬臂粱振动传感器i i “。并进行了声音信号探测试验。其结构 如图l2 所示。从图中可以看出，相比于图1 1 该结构中硅基底材料只制作为支 撑结构，光波导管即为悬臂梁，因此集成度要明显高于图1 1 。 i 0 2 1 2 0 3 i 0 2 图1 2 硅基材料全集威光波导微振动传感器 1 9 9 9 年e r i co i l i e r 等人以s i l i c a ( 掺杂不同剂量的p 使其具有双折射率) 为 材料在硅基上制成了集成微光机械振动传感器【j “。如图l3 所示，传感器的基本 结构与图1 2 类似，不同的是采用了能消除光源波动影响的两条接收光波导进行 差分探测，质量块的增加提高了传感器的灵敏度，多模干涉耦合器的设计降低了 横向干扰的影响。文中不仅介绍了该传感器的制作工艺，并且对所制作传感器的 性能进行了测试，该传感器的测量范围能达到1 - 6 0 0 m s 2 ，工作频带为3 0 2 0 0 0 h z 。 该传感器是迄今为止报道的研究的最为详尽的集成光波导微振动传感器。但在材 第一章：绪论 料的选择上仍未突破硅基材料的束缚。 图13 硅基材料全集成光波导差分探测微振动传感器 目前，还未见到聚合物集成光波导微振动传感器的相关报道，相信随着相关 领域技术的进步，聚合物囊成光波导微振动传感器的研究必然会得到极大的发 展，而最终在军事和民用领域得到应用。本文因此开展了这方面的研究，并重点 介绍了我们在集成光波导微振动传感器的研究中所作的努力。 1 3 聚合物材料在集成光波导传感器中的应用现状和发展前景 从上面的介绍可以看出，在集成光波导微振动传感器的研究中，硅基材料的 应用比较普遍，硅基材料易于微机械加工实现各种微结构，利用成熟的i c 工艺 以及与其完全兼容的微机械加工技术可以方便地实现光机混合集成模块。这些使 得硅基材料在集成光波导微振动传感器的研究中得到了广泛应用。然而微器件系 统却面临着一个新的问题，即传统的硅基材料虽然加工技术比较成熟，但是机械 性能不够优良，由于硅的弹性模量比较高，硅梁的变形程度受到了严重的限制， 从而限制了传感器的灵敏度。而且传统的硅基材料加工工艺复杂，使用寿命短， 器件成本高。而对于传感嚣来说，提高生产效率和降低成本乃是决定集成光波导 传感器是否具有市场竞争力的关键所在。因此，随着硅基材料集成光波导传感器 的进一步发展，其需求的增加与高成本的矛盾会更加明显。所以，对于集成光波 导微振动传感器来说，材料的选择非常关键。 近年来，有机聚合物材料以其独特的性能、低廉的成本和相对容易的器件制 作工艺正受到越来越多的重视。并且己经在传感器领域获得了应用。应用这些材 料的传感器主要是机械和声学传感器以及电化学、化学和生物传感器。相比较而 言，集成光波导微振动传感器领域是聚合物材料的一个较新应用。利用聚合物具 有低弹性模量的机械特性，能够提供大的变形，这在一定程度上克服了硅基材料 主里量兰竺堡主兰竺笙查! 竺! 坚! 塑翌竺查堡竺堡苎垒! ! 竺三兰竺至 脆性大的缺点，具有获得高灵敏度的潜力。另外，同传统的无机光波导材料相比， 采用有机聚合物材料制备集成光波导器件具有如下优点： ( 1 ) 原材料成本低 ( 2 ) 制作工艺相对简单，可以淀积在各种类型的基底上 ( 3 ) 与传统的i c 工艺和微机械加工工艺兼容，可以制作出复杂的光机电集 成器件，利于系统集成和批量化生产 ( 4 ) 种类繁多，分子结构具有较宽的选择性。可以根据需要，通过调节有 机材料的组分以满足器件不同的物理化学性能要求。 ( 5 ) 电绝缘性好，抗电磁干扰和射频干扰能力强。 ( 6 ) 制作的器件质量轻、体积小、形状稳定性好。 这样，聚合物材料由于其特有的经济和实用价值优势被广泛的应用在光己子 领域。同时聚合物也为各种新型高集成光波导传感器的行发提供了可能性。 由于集成光波导微振动传感嚣对聚合物材料的要求关键考察两点：光学性能 和机械性能，而对聚合物材料在其它方面的性能要求相对较松。由此可知，现有 聚合物材料可以在振动传感领域大有用武之垃。而充分发挥聚合物材料在传感器 领域的价格优势，则是集成光波导微振动传苍器开发和实用化、产业化的重要途 径。为此，对聚合物光波导微振动传感器的研究是一种新的尝试，具有重大的研 究价值和实用意义。相信实用性的突破将带来聚合物在m e m s 器件中的繁荣。 1 4 论文主要研究内容 本论文以国家自然科学基金项目“硅基集成有机光波导微光机械振动传感器 的研究”为研究背景，重点从理论设计和工艺实现两个方面对用以实现低成本、 高灵敏度、高集成度的m e m s 振动传感器展开研究。论文主要研究内容有以下 几个方面： l 、设计硅基集成有机光波导微振动传感器：分析结构参数对传感器性能的 影响及参数选取原则，给出传感器光学波导和机械结构参数优化设计结果。 2 、研究聚合物微光机械振动传感器的微机械加工工艺，制作硅基聚甲基丙 烯酸甲酯集成光波导微振动传感器芯片。 3 、对制作的微光机械振动传感器芯片进行实验测试，验证理论设计的合理 堑兰堕 性和制作工艺的可行性。 第二章微光机械振动传感嚣的工作原理与结构设计 第二章微光机械振动传感器的工作原理与结构设计 2 1 引言 微振动传感器是微器件的代表，聚合物集成光波导微振动传感器是一种新型 的微振动传感器，研究该传感器集成光波导参数设计原则、机械结构参数的设计 原则及其对器件性能的影响，在微振动传感器结构参数优化设计及性能预测等方 面具有实用价值。本置从波导模式理论、振动力学和材料力学的一些基本理论出 发，给出了传感器光学波导参数和机械结构参数优化设计结果，并详细分析了梁 长、粱宽、粱厚、等效测振质量等参数对传感器性能的影响及其选取原则。 2 2 结构和工作原理 我们设计的微光机械振动传感器基本结构如图2 1 所示，从图中可以看出该 传感器主要由三部分缓成： 第一部分振动敏感元件：由对力敏感的弹性元件悬臂粱和测振质量块组 成，它们是微振动传感器的核，d 部件，用来感受外界振动。 第二部分集成光路：由单路输入光波导、1x 2 多模干涉耦合器、双路输 出光波导组成，其中输入光波导集成在悬臂梁质量块上。集成光路用来传递载 有振动信息的光信号。 第三部分基底：与振动机械相连，用以支撑集成光路和振动敏感元件，并 作为振动腔。 工作时激光经单模光纤耦合进入输入光波导，出射后经过多模干涉耦合器进 入双光路输出光波导，再由单模光纤将信号引导至光探测器。当外界没有振动输 入时，悬臂梁静止不动输入光波导的出端与多模干涉耦合器入端中心币对光 耦台进入多模干涉藕合器后经两输出光波导输出的光强相同。当外界有振动量输 入时，自由端质量块在惯性力作用下使悬臂梁发生弯曲变形，并引起质量块的微 小位移，使输入光波导的出端相对多模干涉耦舍器输入端中心发生一个微小位 移，相应地双路输出光波导输出光强发生相对变化，用光探测器探测出两输出光 中圆科学院硕士学位论文：m e m s 振动传感嚣的设计及制作工艺研究 波导的输出光强差。就可以得到与之对应的外界机械振动参数。双路两输出光波 导的输出光强差可以度量加速度的大小和方向。 图2 1 集成光波导微振动传感器结构示意图 2 3 掩埋矩形波导模式及波导参数设计 波导模式简单地说就是光波沿光波导传播的途径和方式。光的波动理论认 为，在给定的光波导中，光线只是以某些角度入射时，所传播的光波才会在波导 界面处发生全反射，以不同角度入射的光线，在界面上反射的次数是不同的【i 。 光学波导所传递光波之间相互干涉产生的横向强度分稚叫模式，只有满足干 涉加强的有限个特定方向的光波才能在光波导中传播，每一个特定方向对应波导 的一个模式。 在集成光波导传感器中光波导传播模式很多对信息的传输是不利的，因为载 有信启、的同一光信号采取很多模式传播，就会使这一光信号分为不同时间到达接 收端的多个小信号，从而导致合成信号的畸变。因此我们希望光波导的模式数量 越少越好。最好是只能传输一种模式的光波导即单模光波导。之所以说单模光波 导在测试技术中非常重要，还在于这种光波导制成的单模传感器较多模传感器有 更好的线性、灵敏度和动态范围。 第二章微光机械振动传惑嚣的工作原理与结构设计 对于我们研究的掩埋型聚合物条形波导，如图2 2 所示。 j l 辫 n 3 篓 n 1 月j m 鬓颦 图22 掩堙矩形介质渡导不蒽倒 应用马卡提里近似条件1 2 0 】，可以得出水平和垂直方向上互相关联的波导模式 本征方程： t 。，= 小万一a r c t a n ( - i - 5 ；- - 恚 = 。 - a r c t a r t - ： ；- 恚4 - ) 1 ，m = t ，z ，、 c z t ， t w 哪c t a n 一c t a n 盼删一。 b ：， 女；。：= 一k ”；一k ；一2 ) = 一磕( 2 - 3 ) 女；。3 = 一嘛n ；一k ：一二) 一k 。- 。 ( 2 4 ) “2 = 一嘛”；一k ，2 一p ：) = 一i ( 2 5 ) ；。：= 一k 一 女? 一3 ) = 一女旯( 2 - 6 ) 2 = 女i n 卜忙+ ；) ( 2 7 ) 其中：k 。= 2 州五为真空传播常数：九为光波波长：m 、n 分别为x 、y 方向的 模阶数；0 为矩形波导的纵向传播常数。 通过上述方程联立求解，可以求得波导承载的模式数量。 设计中我们对波导材料的折射率根据多次测量，取平均值取整：芯层折射率： 15 1 ：包层折射率：l4 9 ；波导宽度的设计受工艺条件的限制，选为w = j 聊? 那么，波导的单模条件就要靠厚度，来控制，波导厚度的选取受到两个条件 中国科学院硕士学位论丈：m e m s 振动传感嚣的设计及制作工艺研究 限制：l 、厚度不能太小，否则光斑太扁不利于波导光纤耦合：2 、工艺上对厚 度的控制不易做得很精确，因此波导厚度粗略选为t = 3 4 t a n 。 根据上述条件确定的参数，经过计算，在l5 5 u m 输入波长下，上述参数近 似满足波导单模条件。 2 4 振动敏感元件结构参数设计 振动传感器的工作原理大都基于机械振动，因此机械振动理论1 2 2 】是振动传感 器设计的理论基础。 微系统中的一些元件本质上就是一些微尺度的机械元件，因此，使用机域工 程学和机啵设计原理来进行微系统的设计和分析是必要的| 2 3 】。由于在微振动传感 器的设计中，振动位移为几个微米，结构尺寸要比振动位移大得多，工作中传感 器的变形在材料的线性范围内。因此j j 设计微振动传感器的特征尺寸在宏观振动 力学适用范围内，可以用机械振动理论来设计微振动传感器。 2 4 1 结构参数设计及结构工艺设计 从振动力学和材料力学川的一些基本理论出发，考虑到制作工艺的可行胜和 简单性，我们设计了如图2 1 所示的矩形截面悬臂梁质量块的结构形式。材斟性 能参数见表21 。 表21 材料参数表 材料名称 密度p ( g c m 3 )弹性模量e ( g p a )弯曲强度民( m p a ) p m m aj2346 0 i j o 通过设计、计算和分析，给出了如下结构参数： 粱长：e = 5 0 0 m 梁宽：w = 1 0 a m 粱厚：f = 2 0 p m 等效测振质量：m = 0 2 8 , u g 该结构参数下传感器的固有频辜f o = 3 5 尼眈，所能达到的测量范围为8 0 0 h 1 s 2 。 2 4 2 结构几何参数对传感器性能的影响及参数选取原则 振动传感器的主要特性与表征这些特性的性能指标是设计、研制和应用它们 第二章微光机械振动传感嚣的工作原理与结构设计 的主要依据。在设计传感器弹性敏感元件时，会遇到线性度、灵敏度和固有频率 之间相互矛盾、相互制约的问题。无限地提高某一指标往往会使传感器的其他性 能指标严重恶化【2 5 1 。例如，提高灵敏度会使线性度和固有频率降低，这就不能满 足测量动态量的要求。相反，固有频率提高了，灵敏度却降低了。因此，要综合 考虑传感器所要达到的测试要求以及结构参数对它们的影响，给出合适的结构参 数，结构参数的合理选择可以获得需要的输出灵敏度和频响。 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度 高时，与被测量变化对应的输出信号的值比较大，有利于信号处理。另外在设计 振动传感器时，总是希望提高弹性元件的无阻尼自由振动频率( 即固有频率) ， 因为弹性元件的固有频率，在很大程度上决定着传感器的动态特性，对很多传感 器来讲，为减! ) 动态误差、增大工作频带应当提高传感嚣的固有频率。下面就具 体考察结构参数对它们的影响。 首先，考察梁宽参数的选择 为满足灵敏度的要求粱宽应越小越好。但由图2 i 可以看出，光波导集成在 悬臂梁上，而掩埋矩形渡导的宽度为w 。= 5 ，一，因此梁的宽度受到光波导宽度 的限制尺寸难以减小。练合以上两点，我们将梁宽定为w = 舡m ，这样不但能够 保证集成光路与机械结构的工艺相容性及好的灵敏度，还能保证光波导的传输特 性。 其次，考察梁厚参数的选择 由于受旋涂法制备聚合物薄膜工艺的限制，梁难以作厚。如果采用多次旋涂 法制各厚的聚合物薄膜会使薄膜表面质量降低，从而影响波导的传输性能。又由 于工艺上对聚合物薄膜厚度的控制不易做得很精确，因此梁的厚度粗略选为 f i i5 2 0 “m 。 图23 是粱厚横向灵敏度比曲线，从图中可以看出，梁厚不能太小。如果是 传统的压电式、电容式或光纤式的微振动传感器，为了满足横向灵敏度比 5 的要求，梁厚至少要4 5 , u r n 。但是，由于本传感器在设计上采用了多模干涉耦合 器和差分探测光路，因此梁的横向振动只会引起光能的传输损失，而不会影响横 向灵敏度。这也是本传感器的特色之，即多模干涉耦合器的采用可以降低横向 干扰。因此梁的厚度可以取t = 1 5 2 舡埘，此时，传感器机械部分的横向灵敏度比 中圆科学院硕士学位论文：m e m s 振动传感嚣的设计及制作工艺研究 为4 4 2 5 ，尽管很高，但不影响最后输出的横向灵敏度。 1 02 0 3 04 05 0 c a n l i l e v ert h i c k n e s sc 岬) 图23 梁厚横向灵敦度比曲线 在确定梁长和敏感质量参数之前，首先看图24 所示的固有频率振幅关系曲 线，从图中可以看出，在振动力一定的情况下，梁的固有频率越低，粱在振动下 可以达到的振幅越大，传感器越灵敏：而传苍器的固有频率越高，则振幅越小， 灵敏度越低。因此在选择振动传感器的粱长和致感质量参数时，应考虑在频翠范 围许可的条件下，减小固有频率以提高灵敏度， 5 0 4 0 一 主3 0 一 罢 星2 0 詈 i10 o 05 0 010 0 015 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 4 0 0 04 5 0 0 仃e q u e n c y ( hz ) 图2 4固有频率振幅曲线( 口= 5 0 0 m s 2 ) 图2 5 所示为梁长、敏感质量与传感器灵敏度的关系曲线：图2 6 所示为梁 长、敏感质量与传感器固有频率的关系曲线。从图中可以看出梁长和敏感质量的 增加都具有提高灵敏度，降低固有频率的作用。但梁长对传感器灵敏度和固有频 蚰 o 一廿)|o焉王詈uasjbc0一 第二章微光机械振动传感嚣的工作原理与结构设计 率的影响都要大于敏感质量对灵敏度和固有频率的影响。因此我们首相考察梁长 参数的选择。 a m 。一4 0 0 3 t 0 0 二 l m m 图25 粱长、敏感质量与传感嚣灵敏度的关系曲线 蓬霪羹爹，么_ 。； 。、，矿。0 2 2 图2 6 粱长、敏感质量与传感器固有频率的关系曲线 4 o 妇 3 m ，0 2o ! 璺型茎竺塑主兰竺笙圭i 坚! 竺! 垫翌竺壁堡竺堡苎垒! ! 竺三主竺查 第三，梁长参数的选择 图2 7 是在一定加速度下振幅和频率随梁长的变化曲线，从图中可以看出， 梁长：5 0 0 p m 时传感器既可以满足在较大的频率范围内测量动态量又具有较 高的灵敏度。 c a n “l e v erl e n g o 1 j 图27 梁长振幅、固有频率曲线 最后，考察等效测振质量参数的选择 等效测振质量具有提高灵敏度降低固有频率的作用，由图25 可以看出，等 效测振质量与灵敏度呈线性变化。我们设计的振动传感器预计测量范围为 8 0 0 m s 2 ，当其它结构参数为以上选取参数时，等效测振质量m = 0 2 8 p g 时，传 感器灵敏度可达到j = 2 0 n t o i g ，灵敏度较高( 根据图2 9 ) 。此时固有频率 厶= 3 5 k t l z 。 综合以上曲线及分析可以得出：传感器的梁长越长，等效测振质量越大，越 有助于提高灵敏度：而梁宽和粱厚由于光波导的尺寸和制作工艺的限制难以改 变。所以灵敏度的调节只能由梁长和等效测振质量来完成，其中粱长对灵敏度的 影响更大。 图28 是结构参数为粱长l = 5 0 0 t i n ，梁宽w = 1 0 t m ，梁厚h = 2 0 , u r n ，等 效 9 1 i 振质量m = 0 2 8 , u g 下的传感嚣机械部分输入一输出特性曲线，即加速度- 变形 曲线。从图中可以看出该特性曲线是一条过零的直线，这是线性传感器比较理想 茅二章擞光机械振动传感嚣的工作原理与结构设计 的特性。图示曲线的斜率即为该结构参数下传感器的灵敏度s = 2 0 h r i g 。当振 动加速度日= 8 0 0 m s3 时，传感器具有最大的位移输出占= 1 6 5 m ，此时悬臂梁 根部的最大应力为o m ，x = o 1 6 8 m p a c r s ：最大应变为s = 5 0 1 0 一 1 0 0 u c 。 22 2o 18 16 14 e12 j ：10 08 0 6 04 02 2 0 0o o 6 0 08 0 01 0 0 0 a c c e l e r a t i o n ( m s 2 ) 图28 振动传感器输入输出曲线 由于大多数微振动传感器的研制都是采用s i 0 2 等硅基材料为结构材料的。 因此，为了说明本课题采用聚台物材料的优点，特给出了图2 , 9 所示的相同结构 不同材料的灵敏度对比曲线，从图中可以看出采用p m m a 制作微结构与采用 s i 0 2 制作微结构相比，它们的横向灵敏度比基本相同，但p m m a 材料的采用却 使灵敏度提高了约2 0 倍。 图2 9不同材料灵敏度对比曲线( f = 5 0 0 h z ) 中国科学院硕士学住论文：m e m s 振动传感器的设计覆制作工艺研究 由于传感器的相频特性与幅频特性之间存在一定的内在联系。所以通常在表 示传感器的动态特性时，用传感器的对数幅频特性曲线来表示。图2 1 0 为该传 感器无阻尼状态下的对数幅频特性曲线。图中o d b 的水平线是理想零阶( 比例) 系统的幅频特性。如果传感器的幅频特性曲线偏离理性直线，但不超过某个规定 的公差带，仍然认为是可用的范围，所以传感器的频率响应特性决定传感器的工 作频率范围。从图中可以看出，在s 5 ( 即传感器的频率线性度) 公差带范围 内，传感器的上下截至频率分别为 = 7 6 5 - - , - ， = o h z ，相应的频率区间( 0 ， 7 6 5 ) 为传感器的工作频带或频响范围。 里 o p x o y 吝 占 2 5 小结 f ( h ：) 图21 0 对数幅频特性曲线 本章从波导模式理论、振动力学和材料力学的一些基本理论出发，结合传感 器的制作工艺详细研究了微振动传感器的集成光学波导参数设计和机械结构参 数设计原则。设计了集成微光机械振动传感器的结构，阐述了传感器的工作原理： 给出了传感器光学波导参数和机铍结构参数优化设计结果。详细分析了结构几何 参数对传感器性能的影响，确定出了结构参数的设计步骤及选取原则，并得出了 如下结论： 1 、微振动传感器的结构参数设计必须重点考虑其微机械加工工艺的可行性。 2 、设计微振动传感器时，应考虑在传感器的线性范围内，在频率范围许可 的条件下，减小固有频率以提高灵敏度。因为灵敏度高时，与被测量变化对应的 汕 如 如 如 仙 o m 第二章微光机械振动传枣嚣的工作原理与结构设计 输出信号的值比较大，有利于信号处理。 3 、梁的宽厚比不再象传统的设计那样，宽厚比越小对横向灵敏度的降低越 明显。多模干涉耦合器的采用使宽厚比的减小对横向灵敏度的影响不是很大。 4 、由于梁的宽度受到光波导宽度的限制尺寸难以减小相应地梁的厚度又 受到与横向灵敏度相关的宽度的限制尺寸也难以减小。因此，只能将粱长和等效 测振质量作为调整灵敏度的变量，其中梁长对灵敏度的影响更大。 5 、相同结构下相比于s i c ) ! ，p m m a 材料的采用使传感器的灵敏度提高了 约2 0 倍。 第三章微光机械振动传感嚣芯片的制作工艺研究 第三章微光机械振动传感器芯片的制作工艺研究 3 1 引言 工艺是实现所设计结构参数的手段，因此工艺实现是课题研究过程最为重要 的部分。作为新近发展起来的非常有潜力的光电