一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法，涉及片上微腔超声探测结构设计的技术领域，从当前片上微腔超声探测芯片本身出发，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部刻蚀掏空出一个腔体，降低了传统片上微腔超声探测结构对微环谐振腔的结构限制，提升了微环谐振腔扰动的自由度，增大了微环谐振腔的形变量及响应灵敏度，提高了微环谐振腔的应变能力，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。提高了声探测灵敏度。提高了声探测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及片上微腔超声探测结构设计的
，更具体地，涉及一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，超声探测器可大致可分为压电探测器、MEMS探测器和光纤探测器。
[0003]其中，压电声探测器基于压电薄膜层将水声信号转换为电信号，由于受限于压电薄膜材料的性能瓶颈，造成检测灵敏度、响应带宽等方面的性能不足，压电声探测器已无法满足当今超声信号探测的实际需求。MEMS探测器是基于MEMS工艺实现片上小型化的探测器，基于工作原理可以分为电容型、压阻型和压电型。微电容探测器通常具有很高的灵敏度。然而，由于电容型探测器需要使用大型外部电路和放大器，结构上较为复杂，制造上有些困难。MEMS压阻型探测器具有结构简单、易于制造等优点，这些水听器可以用来检测低频信号。相比之下，由于压阻材料的能量传递效率较低，压阻型探测器的灵敏度较低。光纤声探测器的技术进步为超声信号探测的发展带来了新的希望。目前，光纤声探测器主要分为两种，一种是基于光纤布拉格光栅的对反射波长进行检测的光纤探测器，另一种是基于分布反馈布拉格光栅构成谐振腔，对谐振波长进行监测的光纤探测器。但对于声场信号的探测来说，单基元声探测器很难实现目标定位与特征判别，因而需要将传感单元连接为阵列结构，利用多阵列传感单元对声场信号进行相干检测，以获取更多目标的特征信息。但光纤声探测器的多阵列结构与单基元声探测器结构相比，维护成本和复用难度大幅提高，而且实际用于各领域的探测灵敏度有待提高。<br/>[0004]近几年来，基于微腔的片上声探测器受到了越来越多的关注。相比于前述压电探测器、MEMS探测器和光纤探测器而言，基于微环谐振腔的片上声探测器具有显著的阵列化优势与应用前景，在总线波导上添加微环结构即可实现微环阵列化，同时，作传感元的微环尺寸一般仅有微米量级，具有尺寸小易于集成的优点。因此，利用片上光学声探测器替代传统的声探测器，是一种理想可行且具有应用前景的技术方案。对于声探测器而言，探测灵敏度是衡量其性能的重要参数指标，而片上微环声探测器由于其发展时间远短于其他传统探测器，所以，其探测灵敏度相比于传统水听器优势不明显，因此，如何提高片上微腔声探测器的探测灵敏度，成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]为解决如何提高片上微腔声探测器的探测灵敏度的问题，本专利技术提出一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法，操作过程简单，增大了微腔变量，提高了声探测灵敏度，进一步为提高片上微环声探测器探测灵敏度提供了有效解决方案。
[0006]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种片上微腔超声增敏掏空芯片，包括：硫系材料波导层、二氧化硅层及硅衬底层，所述硫系材料波导层包括总线波导及微环谐振腔，所述微环谐振腔与总线波导耦合，耦
合后的微环谐振腔与总线波导设置于二氧化硅层上，二氧化硅层设置于硅衬底层的上底面，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出一个腔体。
[0008]在本技术方案中，沿硅衬底层的下底面向硅衬底层内部刻蚀掏空出一个腔体，降低了了传统片上微腔超声探测结构对微环谐振腔结构的限制，提升了微环谐振腔扰动的自由度，增大了微环谐振腔的形变量及响应灵敏度，从而在片上微腔超声探测芯片用于超声探测时，提高了声探测灵敏度。
[0009]优选地，所述腔体为圆柱腔，腔体的半径长度为微环谐振腔半径长度的1.5～4倍，圆柱腔体的设计使得掏空更均匀，可以有效增加微环谐振腔的扰动自由度，增大微环谐振腔的形变量，以保障掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度。
[0010]优选地，在腔体的半径长度由1.5*R向4*R增加时，随着腔体半径长度的增加，微环谐振腔的折射率灵敏度增大，R为微环谐振腔的半径，微环谐振腔的折射率灵敏度与腔体半径长度的关系满足：
[0011]y＝2.3
×
10^
‑6x2+2.783
×
10^
‑5x
‑
0.001767
[0012]其中，x表示腔体的半径长度；y表示微环谐振腔的折射率灵敏度。
[0013]优选地，腔体的底面圆心相对于微环谐振腔圆心的偏移量不超过2.5*R，R为微环谐振腔的半径，一方面，保障了掏空设计后的片上微腔超声探测芯片的声探测灵敏度；另一方面，表明了掏空操作对掏空位置的偏移程度有较大的容错性，进一步降低了掏空工艺上的腔体圆心与微环谐振腔圆心的对准要求，增加了容错，提高了该方案的可行性。
[0014]优选地，所述总线波导为直波导。
[0015]优选地，光信号由直波导通过倏逝波耦合进微环谐振腔，在微环谐振腔内满足谐振条件的波长，在微环谐振腔内发生谐振，谐振条件为：
[0016]2πnR＝mλ
[0017]其中，n为微环谐振腔的有效折射率，R为微环谐振腔的半径，m为谐振阶数m＝,,
…
；λ为微环谐振波长；
[0018]微环谐振腔在外部声压作用下回发生形变，其有效折射率n发生变化，微环谐振波长λ漂移，微环谐振腔从而进行超声信号探测。
[0019]本申请还提出一种片上微腔超声增敏掏空芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0020]S.选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层，将氧化硅层设置于硅衬底层上，形成基片；
[0021]S.在二氧化硅层上镀一层薄膜，然后依次通过旋涂正胶、离子束曝光、深反应离子刻蚀、除胶操作得到总线波导及微环谐振腔，并为总线波导镀一层聚合物涂层；
[0022]S.将经S之后的基片倒置，使硅衬底层的原底面朝上；
[0023]S.在原底面上依次进行旋涂正胶、离子束曝光、显影、深反应离子刻蚀、除胶操作，其中，进行深反应离子刻蚀操作时，沿硅衬底层的原底面向硅衬底层内部，刻蚀掏空出腔体。
[0024]在本技术方案中，选择一定厚度的二氧化硅层及硅衬底层时，硅衬底层一般厚度较厚，因此选用深反应离子刻蚀方式进行刻蚀操作，提高制备效率，在基片倒置开始前，为防止对总线波导造成损伤，在总线波导上再镀上一层聚合物涂层，一方面可以与外界环境
分隔开，有效抑制氧化，另一方面，可以对总线波导起到一定的支持作用，防止后续刻蚀掏空过程中，腔体半径过大情况下出现塌陷，还可以在基片倒置执行刻蚀掏空时，对总线波导起到一定的保护作用。
[0025]优选地，在步骤S中，选择的二氧化硅层厚度为um，硅衬底层为00um。
[0026]优选地，在进行深反应离子刻蚀操作时，基于SF6/O反应气体，通过F和O原子在硅表面的化学作用生成SiF
x
O
y
钝化层，再通过溅射刻蚀，将SiF
x
O
y
钝化层去除，反复进行深反应离子刻蚀操作若干次，得到腔体。
[0027]优选地，步骤S所述的聚合物涂层为聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0028]与现有技术相比，本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，包括：硫系材料波导层(1)、二氧化硅层(2)及硅衬底层(3)，所述硫系材料波导层(1)包括总线波导(11)及微环谐振腔(12)，微环谐振腔(12)与总线波导(11)耦合，耦合后的微环谐振腔(12)与总线波导(11)设置于二氧化硅层(2)上，二氧化硅层(2)设置于硅衬底层(3)的上底面，沿硅衬底层(3)的下底面向硅衬底层(3)内部，刻蚀掏空出一个腔体(31)。2.根据权利要求1所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，所述腔体(31)为圆柱腔，腔体(31)的半径长度为微环谐振腔(1)半径长度的1.5～4倍。3.根据权利要求2所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，在腔体(31)的半径长度由1.5*R向4*R增加时，随着腔体(31)半径长度的增加，微环谐振腔(12)的折射率灵敏度增大，R为微环谐振腔的半径，微环谐振腔(12)的折射率灵敏度与腔体(31)半径长度的关系满足：y＝2.3
×
10^
‑6x2+2.783
×
10^
‑5x
‑
0.001767其中，x表示腔体(31)的半径长度；y表示微环谐振腔(12)的折射率灵敏度。4.根据权利要求3所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，腔体(31)的底面圆心相对于微环谐振腔(12)圆心的偏移量不超过2.5*R，R为微环谐振腔(12)的半径。5.根据权利要求1所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在于，所述总线波导(11)为直波导。6.根据权利要求5所述的片上微腔超声增敏掏空芯片，其特征在在于，光信号由直波导通过倏逝波耦合进微环谐振腔(12)，在微环谐振腔(12)内满足谐振条件的波长，在微环谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：李朝晖，钟锐峰，潘竞顺，李强，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：