专利名称：基于环形微腔的微光纤电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用微光机电系统技术设计的微型传感器，具体为一种利
用高Q值的环形微腔加工成的基于环形微腔的微光纤电压传感器。
背景技术：
电压传感是光纤传感的一个重要应用，对于光纤电压传感器的研究始于20 世纪70年代，在多年的发展中，人们提出了关于光纤电压传感器的多种模型及 理论，将光纤电压传感器分为两大类功能型和非功能型。功能型光纤电压传 感器主要是利用线性压电元件或电致伸縮元件作相位调制器。非功能型光纤电 压传感器是以电光晶体的线性电光效应来感测电压。
最早的光纤电压传感器要数法布里一拍罗光纤电压传感器，光纤电压传感 器经过近三十多年的发展，已在理论上及技术上取得了很大的进展。就国内发展 情况而言，北方交通大学研究的以BGO晶体的Pockels效应为基础，以DSP为 信号处理芯片的非功能性光纤电压传感器，不仅可以实现有效值和瞬时值的实 时输出，而且可以实现谐波分析；华中理工大学研究了无源光纤脉冲电压电场 传感器，并且对光纤电压互感器暂态信号处理的原理进行了设计并进行了实验 测试，证明已达到实用要求。国外研制的以BTO作为电光晶体的光纤传感器， 通过让两个波长的光同时工作，实现了灵敏度的光可控性；另外一种以PZT陶 瓷管的压电效应为基础的功能性光纤电压传感器，以干涉仪的频率输出作为有 用信号，可以实现实时的信号重组；可用于SF6绝缘高压开关的光纤电压传感 器采用全光纤结构，结构简单，有较高的可靠性。以上各传感器都是在庞大的 光学光路系统或者繁杂的电路系统的基础上实现其功能的。近年来，随着高新 技术的发展，各种高精尖设备功能日益增加，结构越来越复杂，传感器的应用 越来越频繁，所以传感器体积小型化，微型化是一个必然趋势。传感器的体积 微型高精度传感器在生物、医药、军事等很多领域的应用己成为研究热点。这
类传感器可以探测某装置电压的微小变化，在微陀螺仪、微加速度计等方面有 广阔的应用前景。
随着微机电系统(MEMS)技术的发展，MEMS微型传感器有着体积小、重量 轻、响应快、功耗低、成本低、精度高、易于阵列化集成等优点，在生产、生 活各领域中越来越得到广泛的应用。近来发展起来的高Q值平面环形微腔，典 型值Q 1 X 108，并可通过MEMS工艺不断完善进一步提高。利用MEMS工艺 和高功率C02脉冲激光器表面处理技术，能够实现sio 2平面环形微腔单元的制
备。与锥形光纤耦合有利于泵浦光的耦合输入与受激激光的耦合输出，单模光 纤具有的优越传输特性，有利于获得高品质光束。这种特性还未见有在微型传 感器领域的应用。
发明内容
本发明为了解决高Q值环形微腔在传感器领域的应用的问题而提供了一种 基于环形微腔的微光纤电压传感器。
本发明是由以下技术方案实现的，一种基于环形微腔的微光纤电压传感器， 结构包括由硅柱支撑的平面环形微腔，和与平面环形微腔偶合的锥形光纤，平 面环形微腔中部的微盘上设有铝质欧姆接触，在金属欧姆接触上植有两个钨极 探针。
加工方法为， 一、环形微腔的制作
1、 在抛光的P型高掺杂的硅基上热生长出二氧化硅层；
2、 用光刻法在硅盘上定影出微腔版3、 用离子注入法在微盘中间生长铝质欧姆接触；
4、 在室温下，用HF溶液刻蚀掉多余的氧化层；并用XeF2气体各向同性刻 蚀硅基以形成硅柱；
5、 用C(V激光器加工Si02微盘以形成环形微腔； 二，锥形光纤的制作本发明所用的锥形光纤采用熔拉法制作，最后所得
锥区为50um—80um，最佳锥区光纤直径在lum—3um的锥形光纤。
由于微腔的直径和锥形光纤的锥区直径各不相同，最后将环形微腔和锥形
光纤以400nm—800nm的间隔进行耦合测试调试并按最佳耦合效果封装。封装技 术为常规技术。
由附图l发明装置图可以知道，激光器所发出的激光束通过锥形光纤耦合 到环形微腔内，由于光在微腔内不断地相干叠加，能量不断增强，当钨极探针 所接外界电压无变化时，再由锥形光纤耦合出来将形成稳定波形输出。但当外 界电压变化时，由于电压的变化导致环形微腔中欧姆接触的温度变化，由于热 光效应和材料的热膨胀效应进而影响环形微腔折射率的变化，从而当从锥形光 纤再耦合出光的时候会形成光谱频移，通过对光频移的检测便可以得到光频移 跟电压变化的具体关系。
对于微腔中传播的光脉冲被限制在微腔内，光子晶体放置在变化的温度场 中，可把温度场变为一个作用力，作用力将同时影响的结构和折射率分布，使 光脉冲通过长度为的后相位延迟，延迟量为^ = 2朋￡/;1 (L为光脉冲在微腔中传 播的长度)，又知伊=2祈，于是得到频率关于折射率的关系/ = ^近而得到频移 随折射率变化 的 关系 式 A/=+A" (1)
由于热光效应和材料的热膨胀效应，微腔中温度的变化可用一维热传导方 程描述热稳定状况下的热流分布
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中T为温度分布，Q温度场作用在单位表面上的热传导功率，r为微腔截面径 向位置，K代表石英介质的热传导率，解方程得到截面的温度场分布 r(r),。)-是(r。2-r2) (3)
其中r。为截面半径，T(r。)表示表面位置处温度，对于纤芯石英，热传导率取值 K = o.35Ca/.c-'.^.yr'， Q与外界温度场变化量有关表示因温度变化而导致的单
位时间单位面积里热能传播量。
对(3)式进行微分，可得微腔内径向温度的径向变化率 <formula>formula see original document page 6</formula> (4)
分析上式知横截面内形成径向温度梯度，其梯度量与初始温度场的温度和因温 度场变化而形成的向辐射热功率相关，梯度量在微腔中心处低，在表面处高， 因此，在外界变化的温度场作用下，温度分布会出现不均匀，由于内部温度分 布不均匀，内外层之间存在温差而产生热应力，根据热弹性理论，微腔内热应
力分量为
<formula>formula see original document page 6</formula> (5)
其中<formula>formula see original document page 6</formula> ， r是热胀系数，E、 li分别表示石英的杨氏模量和U参数。
微腔内部热量分别不均会产生热应力，横截面内折射率分布发生变化内各点 的温度和热应力不同，在内会形成热应变，热应力与产生的应变之间满足广义
胡克定律<formula>formula see original document page 6</formula>其中<formula>formula see original document page 6</formula>， p是石英介质弹光效应系数矩阵，<formula>formula see original document page 6</formula>表示热应力产 生的应变，热应变改变了材料性质，使各点的折射率分布出现波动，根据弹光 理论，折射率波动量与应变之间的关系为 <formula>formula see original document page 6</formula>(6)
其中n表示石英介质空间某点折射率，Pu、 Pu表示石英介质的弹光系数， e3表示纤芯内某点横向和纵向应变，根据广义胡克定律和(5)、 (6)得到微腔 内空间折射率公布表示式为
<formula>formula see original document page 7</formula>
其n。表示石英无应力折射率，n2=Qn。3aCb/K，表示因温度场作用微腔折射率的 变化系数，Cb为常数，由弹光系数Pn、 P^确定，热膨胀系数ct与微腔的应变e ^ "有关。对上式微分可得微腔折射率波动量为<formula>formula see original document page 7</formula>) 又知Q=U2t/R将此式和(8)式代入(1)式便得到频移和电压平方的关系式
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中R为欧姆接触的电阻值，由此关系式很容易看出从锥形光纤耦合出的激光 频移和检测电压的平方成正比线性关系。
在实际应用时，将钨极探针直接接到被测装置上，被测对象电压的变化传递 到环形微腔内转换成光频率的变化，由于高Q值环形微腔的作用，即使外接非 常微弱的电压信号，通过光波在微腔中不断地相干叠加作用，相对于对光信号 起到了放大的效果，然后通过锥形光纤耦合出进而在光电检测器上读出其变化， 进一步得出所测电压值。
本发明的优点正是采用日益成熟的MEMS加工工艺技术，以现有的物理知识 为理论基础，将电压传感器朝微型化、集成化方向发展。彻底摆脱原有光纤电 压传感器体积大、功耗高、受环境影响严重等限制发展的问题。通过实际测试， 在不考虑由于封装和光电转换损耗等原因造成的微小误差情况下，通过滤波放 大输出波形还是非常理想。经过对输出波进行处理，得到跟理论预测下非常吻 合的线性关系。线性关系如图4所示。
图l为本发明的结构示意图
图2为是环形微腔制作工艺流程示意图
图3为锥形光纤示意图
图4为频移跟电压平方的关系图
具体实施例方式
如图1所示意， 一种基于环形微腔的微光纤电压传感器，结构包括由硅柱 5支撑的平面环形微腔3，和与平面环形微腔3偶合的锥形光纤5，平面环形微 腔3中部的微盘上设有铝质欧姆接触2,在金属欧姆接触2上植有两个钨极探 针l，上述装置中环形微腔直径在60um—120um，环的直径在5um—8um，硅柱 的高在30um—45um，锥形光纤最佳锥区光纤直径在lum—3um,欧姆接触的直径 在20咖一25um,厚度在0. lum，探针直径在10um--20um。
如图2所示意，加工方法为， 一、环形微腔的制作，
1、 在抛光的P型高掺杂的硅基上热生长出二氧化硅层；
2、 用光刻法在硅盘上定影出微腔版3、 用离子注入法在微盘中间生长铝质欧姆接触；
4、 在室温下，用HF溶液刻蚀掉多余的氧化层；并用XeF2气体各向同性刻 蚀硅基以形成硅柱；
5、 用C(V激光器加工Si02微盘以形成环形微腔；
其中步骤l, 二氧化硅层的厚度为2um,采用热生长的主要原因是该体系在 红外光和可见光波段具有较低的吸收率，特别是在1550nm波段。
其中步骤2，在用掩膜板光刻前，将硅盘在丙酮、异丙醇溶液中脱脂并用去 离子水清洗干净，然后用干燥的氮气吹干并在13(TC条件下烘焙两分钟；待冷 却两分钟后再将其浸泡在六甲基二硅胺烷溶液中两分钟；涂上光刻胶后将硅盘 在9(TC下烘焙两分钟以固定光刻胶；最后用紫外光透过掩膜板照射。二氧化硅 微盘的直径在80um—160um，欧姆接触版直径在20um--25umm。
其中步骤3，离子注入后硅盘要在丙酮溶液中浸泡一夜；并在氮气环境中500 。C下退火10到20分钟；最后形成欧姆接触的厚度在0. lum。
其中步骤4，在用HF溶液刻蚀前，将硅盘在115'C下烘焙一分钟；XeF2气体
的真空度为3托。所得硅柱的高度在30um--45咖。
其中步骤5，激光器为10.6um波长激光器；且输出光功率密度在100WM/m2; 光斑直径在120um—200um;最后所得环形微腔直径在60um—120um，环的直径 在5um—8um。
二、锥形光纤的制作
本发明所用的锥形光纤采用熔拉法制作，将光纤被加热部分(约1 cm)的外 套剥掉，固定在夹具上，然后将氢焰口对准，氢气流速随加工过程中光纤的变 化不断调节。实验时，先打开氢焰机加热光纤，等待l一2s使光纤充分熔融， 手控调节步进马达，马达带动夹具的一端缓慢拉伸光纤直至理想锥区形成。
其中，所使用的是普通单模石英光纤，纤芯为低浓度掺杂Ge02的Si02，包 层为Si02，外套为聚酰胺，直径分别是10、 125、 250um，纤芯和包层的折射率 分别为1.460和1.458。最后所得锥区为50um—80um，最佳锥区光纤直径在 lum--3um的锥形光纤。
由于微腔的直径和锥形光纤的锥区直径各不相同，最后将环形微腔和锥形 光纤以大约400nm—800nm的间隔进行耦合测试调试并按最佳耦合效果封装。
权利要求
1、一种基于环形微腔的微光纤电压传感器，其特征在于结构包括由硅柱(5)支撑的平面环形微腔(3)，和与平面环形微腔(3)偶合的锥形光纤(4)，平面环形微腔(3)中部的微盘上设有铝质欧姆接触(2)，在金属欧姆接触上植有两个钨极探针(1)，环形微腔直径在60um--120um，环的直径在5um--8um，加工方法为一、环形微腔的制作，(1)、在抛光的p型高掺杂的硅基上热生长出二氧化硅层；(2)、用光刻法在硅盘上定影出微腔版图；(3)、用离子注入法在微盘中间生长铝质欧姆接触；(4)、在室温下，用HF溶液刻蚀掉多余的氧化层；并用XeF2气体各向同性刻蚀硅基以形成硅柱；(5)、用CO2激光器加工SiO2微盘以形成环形微腔；二、锥形光纤的制作锥形光纤采用熔拉法制作，最后所得锥区为50um—80um，最佳锥区光纤直径在1um--3um的锥形光纤，最后将环形微腔和锥形光纤以400nm—800nm的间隔进行耦合并封装。
2、根据权利要求1所述的基于环形微腔的微光纤电压传感器，其特征在于 其中加工方法步骤(1)， 二氧化硅层的厚度为2um，其中步骤(2)，在用掩膜 板光刻前，将硅盘在丙酮、异丙醇溶液中脱脂并用去离子水清洗千净，然后用 干燥的氮气吹干并在13(TC条件下烘焙两分钟；待冷却两分钟后再将其浸泡在 六甲基二硅胺垸溶液中两分钟；涂上光刻胶后将硅盘在90'C下烘焙两分钟以固 定光刻胶；最后用紫外光透过掩膜板照射，二氧化硅微盘的直径在 80咖--160um，欧姆接触版直径在20um—25画，其中步骤(3)，离子注入后硅盘要在丙酮溶液中浸泡一夜；并在氮气环境 中500。C下退火10到20分钟；最后形成欧姆接触的厚度为0. lum，其中步骤(4)，在用HF溶液刻蚀前，将硅盘在115。C下烘焙一分钟；XeF2 气体的真空度为3托，所得硅柱的高度在30um--45um，其中步骤(5)，激光器为10. 6um波长激光器;且输出光功率密度在100WM/m2; 光斑直径在120um--200um。
全文摘要
本发明涉及一种采用微光机电系统技术设计的微型传感器，具体为一种利用高Q值的环形微腔加工成的基于环形微腔的微光纤电压传感器。解决了高Q值环形微腔在传感器领域的应用的问题。结构包括由硅柱支撑的平面环形微腔，和与平面环形微腔偶合的锥形光纤，平面环形微腔中部的微盘上设有铝质欧姆接触，在金属欧姆接触上植有两个钨极探针。本发明的优点正是采用日益成熟的MEMS加工工艺技术，以现有的物理知识为理论基础，将电压传感器朝微型化、集成化方向发展。彻底摆脱原有光纤电压传感器体积大、功耗高、受环境影响严重等限制。
文档编号B81C1/00GK101386403SQ200810079408
公开日2009年3月18日 申请日期2008年9月13日 优先权日2008年9月13日
发明者严英占, 任小红, 喆 吉, 姜国庆, 张文栋, 熊继军, 王宝花, 王少辉, 闫树斌 申请人:中北大学