專利名稱：基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種微位移傳感器，特別是涉 及基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器。
背景技術(shù)：
在微納技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和精密控制技術(shù)領(lǐng)域中，微位移傳感器是 微機(jī)電系統(tǒng)中較為重要的組件之一。針對(duì)微位移的測(cè)量方法，目前主要有電測(cè) 量技術(shù)和光學(xué)測(cè)量技術(shù)。其中基于電測(cè)量技術(shù)的位移傳感器主要有電磁式傳感 器，電渦流式傳感器。電磁式傳感器測(cè)量精度很低，達(dá)不到微米量級(jí)，而且受 電磁影響較大。電渦流式傳感器測(cè)量精度可以達(dá)到微米量級(jí)，但是要求被測(cè)物 體必須為金屬表面。
基于光學(xué)測(cè)量技術(shù)的位移傳感器主要有光纖微位移傳感器和激光干涉法 測(cè)量微位移。這兩者雖然克服了電測(cè)量微位移的缺點(diǎn)，精度也可以達(dá)到微米量 級(jí)。但是光纖微位移傳感器由于光源輸出光能量的波動(dòng)，反射物體表面反射率
的變化和外界環(huán)境的干擾會(huì)造成較大的測(cè)量誤差;而激光干涉法測(cè)量微位移主 要缺點(diǎn)是要求光源一定要為干涉光，不能使用普通光源，并且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要 求極高，不適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
隨著近來發(fā)展起來的平面環(huán)形微腔，具有極高的品質(zhì)因子和極小的模式體 積，使它在空間和時(shí)域上很好地實(shí)現(xiàn)光存儲(chǔ)，成為研究腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、 提高或抑制自發(fā)輻射率、降低激光器域值、制備光學(xué)率波器、產(chǎn)生確定性單光 子源、實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)制轉(zhuǎn)換器和光存儲(chǔ)器等的理想研究平臺(tái)。
由于平面環(huán)形微腔對(duì)光極為敏感，并且它的形狀對(duì)在平面環(huán)形微腔內(nèi)傳播 的光有決定作用，平面環(huán)形微腔中光的共振頻率和腔的形狀有以下關(guān)系
這里，^代表在平面環(huán)形微腔中傳輸基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微 位移傳感器光的共振頻率，《代表整數(shù)倍，C代表光速3xl0、"， ；/代表平面 環(huán)形微腔材料的折射率，丄代表平面環(huán)形微腔腔的長(zhǎng)度。很顯然，腔壁的微小 變化也會(huì)使在平面環(huán)形微腔傳輸?shù)墓獾墓舱穹逯蛋l(fā)生明顯變化。
因此，將平面環(huán)形微腔作為微位移的傳感器件成為可能。同時(shí)，伴隨MEMS (光刻、腐蝕、刻蝕)加工工藝的發(fā)展，也使實(shí)現(xiàn)平面環(huán)形微腔、光波導(dǎo)、懸 臂梁?jiǎn)卧闹苽浜蛡鞲衅飨到y(tǒng)一體化集成成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在克服上述微位移傳感器缺點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，而設(shè)計(jì) 和提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量靈敏度更高，精度更高，適用范圍更廣的基于集成 平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，包括平面環(huán)形微腔、光 波導(dǎo)、基底、與光波導(dǎo)相連的入射光纖及出射光纖，所述平面環(huán)形微腔與光波 導(dǎo)的光相耦合，平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)之間存在有0 2um距離；其特點(diǎn)是所 述微位移傳感器還有懸臂梁與探針，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自 由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻 蝕形成；所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)均被刻蝕在懸臂梁的上表面。
上述微位移傳感器縱向由上而下由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成,三層結(jié)構(gòu)依次由光刻技 術(shù)刻蝕形成。第一層結(jié)構(gòu)是所述平面環(huán)形微腔和光波導(dǎo)，所述平面環(huán)形微腔為 平面圓柱環(huán)形，光波導(dǎo)形狀為細(xì)長(zhǎng)方體，均采用對(duì)光有良好折射率的材料。第 二層結(jié)構(gòu)是所述懸臂梁，所述懸臂梁幾何形狀為長(zhǎng)而薄的長(zhǎng)方體，采用半導(dǎo)體 材料，并且在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置設(shè)有探針；懸臂梁是由正面 刻蝕和反面深刻蝕技術(shù)形成的，材料為半導(dǎo)體材料，探針形狀為針尖狀，長(zhǎng)度與懸臂梁的厚度有關(guān)，細(xì)度可以根據(jù)刻蝕程度進(jìn)行調(diào)整為納米級(jí)或者微米級(jí)。 第三層結(jié)構(gòu)為基底，所述基底幾何形狀為長(zhǎng)方體，采用半導(dǎo)體材料。
發(fā)明基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器利用現(xiàn)代MEMS加工
技術(shù)制成。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 由于采用集成平面環(huán)形微腔和懸臂梁結(jié)構(gòu)，和以往的傳感器相比，結(jié) 構(gòu)精巧簡(jiǎn)單，可以適用于基于懸臂梁陣列技術(shù)(也就是傳感器是由一組懸臂梁 組成的，因此可以將每一個(gè)懸臂梁上都刻蝕平面環(huán)形微腔和光波導(dǎo)，利用的機(jī) 理是范德華力使懸臂梁發(fā)生形變，影響透射譜共振峰值)的微傳感器上。
2、 由于采用長(zhǎng)而薄的懸臂梁結(jié)構(gòu)，并且與基底相連成為一體，和以往的 懸臂梁相比，可以取得高的靈敏度。
3、 由于采用平面環(huán)形微腔和光波導(dǎo)傳輸光路，可以克服以往傳感器的應(yīng) 用限制，可以應(yīng)用在如電磁復(fù)雜和超高真空系統(tǒng)等非常嚴(yán)格的環(huán)境中。
4、 可用于掃描探測(cè)物體表面，和以往的掃描區(qū)域相比，可以探測(cè)更大的
區(qū)域，而且不需要調(diào)試對(duì)準(zhǔn)，(因?yàn)橐酝墓饫w位移傳感器，主要用到了光纖 的全反射，就是對(duì)光路有很高要求，而此傳感器應(yīng)用的機(jī)理在于利用范德華力 使得懸臂梁發(fā)生形變，影響透射光的共振頻率，所以不需要調(diào)試對(duì)準(zhǔn)，直接測(cè) 就可以了)降低操作難度和因此帶來的誤差，對(duì)金屬和非金屬物體表面的探測(cè) 均適用。
5、 由于利用原子間的范德華力使得懸臂梁發(fā)生形變，通過光透射譜線共
振峰中心頻率的顯著變化進(jìn)行探測(cè)針尖發(fā)生的微小位移，因而達(dá)到的精度比以 往傳感器所達(dá)到的精度都高，測(cè)量精度可達(dá)到原子量級(jí)。
本發(fā)明主要應(yīng)用在物體表面形貌的顯微探測(cè)，可適用于磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，真 空環(huán)境，被測(cè)物體范圍廣，除普通的金屬，非金屬物質(zhì)表面外，也可對(duì)生物細(xì)


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖； 圖3是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)
如圖l和圖2所示，基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器包括平 面環(huán)形微腔l、光波導(dǎo)2、懸臂梁3、探針4、基底5、與光波導(dǎo)相連的入射光纖6 與出射光纖7;所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)的光相耦合；所述懸臂梁的一端與 基底相連，另一端為自由端，所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置， 懸臂梁和探針均用刻蝕形成;所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)均被刻蝕在懸臂梁的
上表面o
基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，第一層
結(jié)構(gòu)是利用光刻技術(shù)形成的平面環(huán)形微腔1和光波導(dǎo)2;第二層結(jié)構(gòu)是利用第二 次光刻技術(shù)形成的懸臂梁3，同時(shí)再次利用正背面刻蝕技術(shù)形成懸臂梁的下表 面自由端前部中間位置的探針4;第三層結(jié)構(gòu)是通過第三次光刻技術(shù)形成基底 5。微位移傳感器通過層層刻蝕后平面環(huán)形微腔1和光波導(dǎo)2形成在懸臂梁3上表 面，并將平面環(huán)形微腔l、光波導(dǎo)2、懸臂梁3和探針4集成在一起。 本發(fā)明實(shí)例
(1) 平面環(huán)形微腔采用MEMS加工技術(shù)在Si表面氧化生成Si02,并加工形 成平面環(huán)形微腔，材料為Si02，半徑為20-25um，環(huán)厚度為l-2um。為了得到半 高寬度值小，調(diào)制深度深，品質(zhì)因數(shù)高的平面環(huán)形微腔，本實(shí)例選擇平面環(huán)形 微腔的內(nèi)徑為20um。
(2) 光波導(dǎo)材料為Si02，幾何形狀為細(xì)長(zhǎng)方體，其中寬為l-2um，厚度為
0. 75-lum。
(3) 懸臂梁材料為GaAs，幾何形狀為長(zhǎng)方體，其中所述矩形的設(shè)計(jì)尺度 可以為長(zhǎng)度為100-400um，寬度為20-50um，厚度為O. 4-10um。
由于懸臂梁的應(yīng)力探測(cè)精度，隨著長(zhǎng)度/厚度比的增加而增加，因此，為了 取得高的靈敏度，宜制備長(zhǎng)而薄的梁結(jié)構(gòu)，本實(shí)例選擇懸臂梁的幾何尺寸分別 為長(zhǎng)為400um，寬為30um，厚度為10um。
(4) 探針在懸臂梁前端下表面中部刻蝕探針，材料為GaAs，長(zhǎng)度為lum，
細(xì)度是微米級(jí)別。
(5) 基底幾何形狀為長(zhǎng)方體，材料為^/。.6( "。4^。
上述實(shí)例中，平面環(huán)形微腔1和光波導(dǎo)2通過光刻技術(shù)加工，被刻蝕在懸臂 梁上，從而減少了彎曲損耗，可保證光單一模式的傳播。利用電子束刻蝕技術(shù) 將平面環(huán)形微腔和光波導(dǎo)之間距離控制在小于2um，本實(shí)例選擇平面環(huán)形微腔 和光波導(dǎo)之間距離為lum，以保證高效的耦合效果和透射譜的明顯變化。
本發(fā)明工作原理
如圖3所示，本發(fā)明采用可調(diào)激光器光源。由光源8發(fā)出的激光作為信號(hào)源， 經(jīng)過入射光纖6，進(jìn)入光波導(dǎo)2，由于倏逝波效應(yīng)，光通過光波導(dǎo)2耦合進(jìn)入平 面環(huán)形微腔l，在平面環(huán)形微腔l中發(fā)生共振，再經(jīng)過光波導(dǎo)2，出射光纖7，進(jìn) 入光譜分析儀9，光譜分析儀9信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)10并進(jìn)行數(shù)值分析。其中
當(dāng)光經(jīng)光波導(dǎo)中傳輸時(shí)，由于倏逝波的存在，以及光波導(dǎo)和平面環(huán)形微腔 以很小的距離刻蝕在一起，在傳輸接近平面環(huán)形微腔時(shí)，會(huì)有光耦合進(jìn)入平面 環(huán)形微腔繼續(xù)傳播，并在平面環(huán)形微腔中形成共振，之后再次通過倏逝波耦合 進(jìn)入光波導(dǎo)傳輸出來。由于平面環(huán)形微腔對(duì)光極為敏感，腔壁的微小變化會(huì)使 在平面環(huán)形微腔傳輸?shù)墓獾墓舱穹逯蛋l(fā)生明顯變化。當(dāng)平面環(huán)形微腔的腔壁發(fā) 生微小形變，改變了平面環(huán)形微腔的腔長(zhǎng)，改變了光在平面環(huán)形微腔中的共振 模式，影響了透射光的共振峰值。通過探測(cè)透射光共振峰值的變化，測(cè)得腔壁
的微小形變。腔壁長(zhǎng)度改變了腔內(nèi)光的共振模式，從而使透射譜線的共振峰值 發(fā)生明顯變化。通過所述光譜分析儀，可以分析得到共振峰值的變化曲線。然 后通過所述計(jì)算機(jī)可以分析透射譜線的共振峰值在所述懸臂梁形變前后的變 化，對(duì)應(yīng)測(cè)量出微位移的變化。
例如對(duì)某種物質(zhì)表面的形貌進(jìn)行探測(cè)
使用基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器掃描探測(cè)的物體表 面的形貌，當(dāng)被掃描探測(cè)的物體放置在由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的載物臺(tái)上需要探測(cè) 時(shí)，通過調(diào)節(jié)壓電陶瓷使得被掃描探測(cè)的物質(zhì)接近(非接觸)本發(fā)明的探針4， 并在沿垂直探針的方向移動(dòng)時(shí)，由于物質(zhì)原子與原子之間存在相互作用力(范 德華力)，大約為10-8~10-6iV，并且這種力的變化和原子與原子之間的距離有 關(guān)。在物質(zhì)表面原子與探針的針尖原子之間的距離達(dá)到范德華力作用范圍內(nèi)， 使得探針受到范德華力作用，而探針在懸臂梁的下表面，探針使懸臂梁也因此 受力，并發(fā)生微小形變，并使得在懸臂梁表面的平面環(huán)形微腔l的腔壁長(zhǎng)度發(fā) 生變化，改變了通過入射光纖和光波導(dǎo)耦合進(jìn)入平面環(huán)形微腔中光的共振頻率 (共振譜線)，這種共振頻率變化后的光再通過光波導(dǎo)和出射光纖，進(jìn)入光譜 分析儀。經(jīng)光譜分析儀分析，可以發(fā)現(xiàn)透射譜共振峰值的明顯變化，然后經(jīng)過 計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析，測(cè)得透射譜共振峰值的變化所對(duì)應(yīng)的探針發(fā)生的位移， 最終可以由計(jì)算機(jī)描繪出物質(zhì)表面的形貌。
權(quán)利要求
1、一種基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，包括平面環(huán)形微腔(1)、光波導(dǎo)(2)、基底(5)、與光波導(dǎo)相連的入射光纖(6)及出射光纖(7)，所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)的光相耦合，平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)之間存在有0～2um距離；其特征在于所述微位移傳感器還有懸臂梁(3)與探針(4)，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻蝕形成；所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)均被刻蝕在懸臂梁的上表面。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特征在于所述平面環(huán)形微腔(1)的材料為Si02，內(nèi)徑為20-25um，環(huán)厚度 為1-2um。
3、 如權(quán)利要求1所述的基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特征在于所述光波導(dǎo)(2)的材料為Si02，幾何形狀為細(xì)長(zhǎng)方體，其中寬 度為1-2um，厚度為0. 75-lum。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特征在于所述懸臂梁(3)的材料為GaAs，幾何形狀為長(zhǎng)而薄的長(zhǎng)方體， 長(zhǎng)度為100-400um，寬度為20-50um，厚度為0. 4-10um。
5、 如權(quán)利要求1所述的基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特征在于所述基底(5)的材料為Al0.6Ga0.4As。
6、 如權(quán)利要求1所述的基于集成平面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器， 其特征在于所述平面環(huán)形微腔(1)與光波導(dǎo)(2)之間存有最佳距離為lum。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于集成面環(huán)形微腔與懸臂梁的微位移傳感器，它包括平面環(huán)形微腔、光波導(dǎo)、基底、與光波導(dǎo)相連的入射光纖及出射光纖，所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)的光相耦合；其特點(diǎn)是所述微位移傳感器還有懸臂梁與探針，懸臂梁的一端連接在基底上，另一端為自由端；所述探針在懸臂梁的下表面自由端前部中間位置，懸臂梁和探針均用刻蝕形成；所述平面環(huán)形微腔與光波導(dǎo)均被刻蝕在懸臂梁的上表面；是利用現(xiàn)代MEMS加工技術(shù)制成的，可適用于磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，真空環(huán)境，被測(cè)物體范圍廣，除普通的金屬，非金屬物質(zhì)表面外，也可對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行表面測(cè)量。其測(cè)量精度可達(dá)10^-4埃。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101387496SQ20081007947
公開日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者嚴(yán)英占, 喆 吉, 姜國慶, 張文棟, 熊繼軍, 王寶花, 王少輝, 薛晨陽, 閆樹斌 申請(qǐng)人:中北大學(xué)