一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统。压力传感器由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元用于接收外部的光线；所述环形硅条单元为由直线硅条和介质槽构成的多边形环形硅条单元；所述耦合光输出硅条单元用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足一定公式要求。本发明专利技术的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，能与光纤高效耦合，且尺寸可在微米级，满足微型化要求。

【技术实现步骤摘要】
一种压力传感器及其制备方法、压力检测系统
本专利技术涉及光学压力传感器
，特别是涉及一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器及其制备方法。
技术介绍
二十世纪下半叶，计算机和互联网技术的发展与普及让人类从电子时代进入到信息时代。进入到二十一世纪，随着相关技术的更新换代和信息产业的兴起，信息革命浪潮进入到新的阶段，人类正从人人相联的互联网时代走向万物相连的物联网时代，而作为计算机感知世界的接口，各种传感器也将在物联网的建设中得到极大的发展和应用。作为传感器的一大类分支，压力传感器被广泛地应用在军事、汽车、航空航天等诸多领域。从诞生至今，压力传感器也经历了从机械式到电子式再到微机电式的长足发展。现阶段，从敏感元件类型来说，微型压力传感器主要有电容式、压阻式、谐振式和光学式几种。光学式压力传感器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、能在高温高压等恶劣环境下工作等特点，成为压力传感器发展的一个趋势。而光波导压力传感器作为微型化的光学压力传感器，在具备上述优势的同时，还具有易于微型化、集成化，与半导体工艺兼容，成本低廉等优点。光波导传感器基于光波导的环形谐振腔、马赫增德尔干涉结构和缺陷布拉格结构等光波导器件，利用器件受压时的光弹效应和尺寸变化感知外界压力大小。其中，基于光波导环形谐振腔的压力传感器结构更为紧凑，输出检测方法简单，因而得到了越来越多的关注。现有的光波导环形谐振腔压力传感器一般基于高折射率差的绝缘衬底上的硅(SOI)材料。SOI硅片的顶部到底部依次为硅层、二氧化硅层和硅层。蚀刻SOI硅片得到的压力传感器的顶部结构示意图和侧视图结构分别如图1和2所示。如图1所示，顶部的硅层蚀刻后的结构由直波导(直线硅条)和弯曲波导(圆环形硅条)构成。输入光从Input端口进入，在上路直波导与环形波导接近处，一部分满足谐振条件的光进入弯曲波导并产生谐振，再耦合进下路直波导由Drop端口输出；剩下的不满足谐振条件的光从上路直波导的Throughput端口输出。底部的硅蚀刻出腔体结构。硅条部分的横截面结构如图3所示，硅条截面为矩形结构，其下端为中间层的二氧化硅，再下端为腔体或者衬底的硅层。光波导传感器一般工作在单模模式的偏振光下，现有的基于环形谐振腔的压力传感器，由于顶层硅与二氧化硅的折射率差(3.455/1.46)很大，要保证器件的单模条件等光学性能，该光波导结构的横截面结构只能为上述结构，且只能为亚微米量级，一般为纳米级，而不能为更大尺寸，否则将无法满足单模条件。相应地，微环谐振腔的研究也逐渐趋向于亚微米化。这样，存在的不足是：1)，纳米波导与外部的用于输入光线的光纤的耦合效率低，影响整个系统的实际性能。一般SOI材料上单模光波导在百纳米量级(200nm)，而通用的单模光纤尺寸在8～10μm，两者耦合效率低，模式失配损耗大。而且，单模光波导的尺寸在纳米级，使得容差小，加工要求高，在对底层硅进行腐蚀时，需对顶层纳米结构严格保护。2)，一般采用的SOI硅片的顶层硅厚度为220nm，为了保证顶层硅条或中间层二氧化硅薄膜层的机械性能，衬底的腔体需保留十几到几十微米的衬底硅(如图2中标记为A所示厚度的衬底硅)。这样，存在的问题就是：在利用湿法刻蚀加工上述结构时，往往难以精确控制该部分衬底硅的厚度，从而使得实际器件性能与仿真有较大偏差，同时也降低了成品率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，能与光纤高效耦合，且尺寸可在微米级，满足微型化要求。本专利技术进一步解决的技术问题是提出一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器的制备方法，可制备出于能与光纤高效耦合，且满足微型化要求的压力传感器。本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的光线；所述环形硅条单元包括由n条直线硅条首尾连接形成的环形结构和一输入介质槽、n-2个反射介质槽，一输出介质槽，n为大于等于3的整数；所述输入介质槽用于对输入硅条单元传输的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中；所述反射介质槽用于将所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线完全反射到另一直线硅条中；所述输出介质槽用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述输出硅条单元中；所述环形硅条单元中，所述输入介质槽、n-2个所述反射介质槽和所述输出介质槽分别设置在所述环形结构的n个角部位置，且各介质槽的垂直线为相应角的角平分线；所述输入介质槽和输出介质槽的宽度为150～250纳米，所述反射介质槽的宽度在5微米以上，所述输入介质槽、输出介质槽和反射介质槽贯穿所述顶部的硅层，各介质槽内填充均一的折射率在1.5以下的物质；所述耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足如下要求：r＞0.5，其中，r＝h/H，c为0.3。一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：准备SOI硅片，所述SOI硅片的顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层；按照如上所述的压力传感器中的直线硅条、介质槽的要求蚀刻所述SOI硅片的顶部硅层；蚀刻所述SOI硅片的底部的硅层，使其形成衬底腔体。一种压力检测系统，包括激光器、偏振控制器、单模光纤、压力传感器和光探测器，所述压力传感器为如如上所述的压力传感器，所述激光器用于发射激光，所述单模光纤用于接收所述激光器发射的激光并传输，所述偏振控制器用于将所述单模光纤中传输的光线调整为单模模式的偏振光，所述压力传感器用于接收所述单模光纤输出的单模模式的偏振光，并将所述压力传感器的所述氧化硅层上施加的压力信息转换为所述压力传感器中环形硅条单元的谐振信息，所述光探测器用于探测所述压力传感器的耦合光输出硅条单元输出的偏振光的光强。本专利技术与现有技术对比的有益效果是：本专利技术的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，顶层蚀刻的结构由直线硅条、介质槽等组成，直线硅条的形状和尺寸满足特定要求，从而经验证符合单模条件。同时，硅条的横截面是脊形结构(包括两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层)，在符合单模条件的情形下，横截面宽度W可以做到较大，不再像现有技术那样受尺寸的限制，横截面宽度可以做到和单模光纤芯层尺寸(8～10μm)接近，因而可以与光纤高效耦合，极大地减少模式失配引起的损耗。而由直线硅条和介质槽组合形成的环形硅条单元作为环形谐振腔，由于采用介质槽来改变光线传输方向，而不是依靠弯曲硅条作为波导来改变光线传输方向，因此无需像传统弯曲硅条那样尺寸要做到较大才能对抗弯曲损耗，所以即使在小尺寸下，弯曲损耗也很低，本专利技术的环形硅条单元的尺寸可以做到较小，使得整体压力传感器的尺寸可以达到较小，满足微型化要求。【附图说明】图1是现有技术的压力传感器的顶部结构示意图；图2是现有技术的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的光线；所述环形硅条单元包括由n条直线硅条首尾连接形成的环形结构和一输入介质槽、n‑2个反射介质槽，一输出介质槽，n为大于等于3的整数；所述输入介质槽用于对输入硅条单元传输的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中；所述反射介质槽用于将所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线完全反射到另一直线硅条中；所述输出介质槽用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分投射的光线传输至所述输出硅条单元中；所述耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足如下要求：r>0.5，其中，r=h/H，c为0.3。

【技术特征摘要】
1.一种基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：由包括从顶部到底部依次为硅层、氧化硅层和硅层的SOI硅片蚀刻而成；底部的硅层蚀刻出腔体结构；顶部的硅层经蚀刻后形成的结构包括：输入硅条单元、环形硅条单元和耦合光输出硅条单元；所述输入硅条单元包括直线硅条，用于接收外部的光线；所述环形硅条单元包括由n条直线硅条首尾连接形成的环形结构和一输入介质槽、n-2个反射介质槽，一输出介质槽，n为大于等于3的整数；所述输入介质槽用于对输入硅条单元传输的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述环形硅条单元的一直线硅条中；所述反射介质槽用于将所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线完全反射到另一直线硅条中；所述输出介质槽用于对所述环形硅条单元中的一直线硅条中的光线进行部分反射、部分透射，并将部分透射的光线传输至所述输出硅条单元中；所述环形硅条单元中，所述输入介质槽、n-2个所述反射介质槽和所述输出介质槽分别设置在所述环形结构的n个角部位置，且各介质槽的垂直线为相应角的角平分线；所述输入介质槽和输出介质槽的宽度为150～250纳米，所述反射介质槽的宽度在5微米以上，所述输入介质槽、输出介质槽和反射介质槽贯穿所述顶部的硅层，各介质槽内填充均一的折射率在1.5以下的物质；所述耦合光输出硅条单元包括直线硅条，用于将接收的光线输出至外部；各直线硅条的横截面结构由两侧的深度为h的硅层和中间深度为H、宽度为W的凸起硅层组成，h、H和W满足如下要求：其中，r＝h/H，c为0.3。2.根据权利要求1所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述n为4，所述环形硅条单元包括4条直线硅条首尾连接形成的四边形结构和一输入介质槽、两个反射介质槽和一输出介质槽。3.根据权利要求2所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述四边形结构为方形结构。4.根据权利要求3所述的基于光波导环形谐振腔的压力传感器，其特征在于：所述输...

【专利技术属性】
技术研发人员：董瑛，刘渝进，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44