一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其采用水輔助飛秒激光加工法在平面光波導(dǎo)分路芯片加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導(dǎo)的兩側(cè)平行挖出一對(duì)等長(zhǎng)的縱向凹槽，而后在輸入分路光波導(dǎo)所在芯層區(qū)域之下，切割出一個(gè)底部間隙，使兩側(cè)的縱向凹槽在底部連通，而后在兩側(cè)的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側(cè)的縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、底部間隙包圍的中間區(qū)域形成可自由振動(dòng)的懸臂梁。本發(fā)明可以加工出較大尺寸的懸臂梁，懸臂梁尺寸在μm數(shù)量級(jí)或mm數(shù)量級(jí)，制作的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片不僅能響應(yīng)高頻率波段機(jī)械振動(dòng)，而且能響應(yīng)低頻率波段機(jī)械振動(dòng)。
【專利說明】一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器，具體的說是一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器一般采用電類傳感器，這類傳感器在強(qiáng)電磁干擾、高溫潮濕、高壓等環(huán)境下難以工作，且不適用于遠(yuǎn)距離傳感。
[0003]光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器克服了電類傳感器的不足已被使用，光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器中以懸臂梁形式的居多?，F(xiàn)有的懸臂梁加工方法是用腐蝕法，通常是對(duì)基于硅襯底上的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行硅腐蝕，加工出光波導(dǎo)懸臂梁結(jié)構(gòu)。但硅材料機(jī)械強(qiáng)度較低，容易損壞，且硅腐蝕法僅能加工較小尺寸的懸臂梁，尺寸一般在幾百nm到幾μ m數(shù)量級(jí)，僅適合在高頻率波段響應(yīng)機(jī)械振動(dòng)，而不適合在低頻率波段響應(yīng)機(jī)械振動(dòng)。而對(duì)于在玻璃襯底上的光波導(dǎo)芯片，目前無法通過純腐蝕法制備出光波導(dǎo)懸臂梁結(jié)構(gòu)。并且純腐蝕法采用的硅襯底基光波導(dǎo)芯片與標(biāo)準(zhǔn)光纖連接封裝工藝不兼容。制備在玻璃襯底上的PLC光波導(dǎo)芯片，和標(biāo)準(zhǔn)光纖封裝工藝兼容，但無法通過純腐蝕法制備出光波導(dǎo)懸臂梁結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡(jiǎn)單，力口工效率高，速度快，懸臂梁尺寸在μ m數(shù)量級(jí)或mm數(shù)量級(jí),既適合在高頻率波段響應(yīng)機(jī)械振動(dòng)，也適合在低頻率波段響應(yīng)機(jī)械振動(dòng)的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片為基材，所述平面光波導(dǎo)分路芯片設(shè)有輸入分路光波導(dǎo)、輸出分路光波導(dǎo)；其特征是:首先清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面，將平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面作為懸臂梁的上表面，采用水輔助飛秒激光加工法在平面光波導(dǎo)分路芯片上加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導(dǎo)的兩側(cè)挖出一對(duì)等長(zhǎng)的與輸入分路光波導(dǎo)平行的縱向凹槽，而后在輸入分路光波導(dǎo)所在芯層區(qū)域之下，兩側(cè)縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個(gè)矩形底部間隙，使兩側(cè)的縱向凹槽在底部連通；最后在兩側(cè)的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側(cè)縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、矩形底部間隙包圍的中間區(qū)域形成可自由振動(dòng)的懸臂梁。
[0006]本發(fā)明所述懸臂梁的厚度為80微米，懸臂梁前端的橫向凹槽的寬度為10?20微米。即懸臂梁的前端面與懸臂梁橫向凹槽另一側(cè)的輸出分支光波導(dǎo)的輸入端的距離為10?20微米。各個(gè)懸臂梁的長(zhǎng)度和寬度不同，可根據(jù)響應(yīng)振動(dòng)頻率的需要選擇。
[0007]本發(fā)明所述清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片依次置于丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空干燥箱中，在80°C恒溫條件下加熱半小時(shí)，冷卻后，再用酒精清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面。[0008]本發(fā)明采用水輔助飛秒激光加工法加工光波導(dǎo)懸臂梁，平面光波導(dǎo)分路芯片內(nèi)波導(dǎo)芯層的上分界面距離平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面約40微米，飛秒激光的入射方向是從平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面朝向上表面方向入射。芯片的放置方法有兩種，一種為平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片被平底容器內(nèi)的水淹沒，平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面與平底盤底面之間沒有可以起伏的水面，飛秒激光自下而上透過平底容器底面入射。另一種為平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片浸泡在平底容器內(nèi)的水中但不被淹沒，飛秒激光自上而下入射，水覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面，但不覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面，這樣可避免在加工過程中，平面光波導(dǎo)分路芯片下表面一側(cè)水面起伏對(duì)光束匯聚的影響。
[0009]本發(fā)明所述縱向凹槽和橫向凹槽的挖出是從平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面開始往芯片內(nèi)部由淺入深逐層進(jìn)行，由于水覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面，加工下來的玻璃殘?jiān)鼙凰疀_走，而不會(huì)影響飛秒激光對(duì)材料的刻蝕加工。懸臂梁底部間隙的加工先從縱向凹槽底一側(cè)開始，使加工下來的玻璃殘?jiān)芡ㄟ^縱向凹槽被水沖走。
[0010]本發(fā)明利用水輔助飛秒激光加工法加工平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器的懸臂梁，平面光波導(dǎo)分路芯片的襯底為玻璃材料，在現(xiàn)有成品PLC平面光波導(dǎo)分路芯片上用水輔助飛秒激光加工法加工出懸臂梁及懸臂梁陣列，懸臂梁尺寸可以在幾十ym以上，輸入分路光波導(dǎo)嵌于懸臂梁內(nèi)，輸出分路光波導(dǎo)相對(duì)位于橫向凹槽另一側(cè)。外界振動(dòng)將引起懸臂梁的振動(dòng)，不同尺寸的懸臂梁將響應(yīng)不同頻率的外界振動(dòng)，使得懸臂梁中的輸入分路光波導(dǎo)的輸出端相對(duì)輸出分路光波導(dǎo)的接收端位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光波導(dǎo)芯片的輸出光強(qiáng)發(fā)生變化，通過測(cè)量這一光強(qiáng)變化量獲得外界振動(dòng)參數(shù)(振動(dòng)頻率、幅度等)。懸臂梁尺寸可以在Pm數(shù)量級(jí)或mm數(shù)量級(jí)。該光波導(dǎo)振動(dòng)傳感芯片不僅能響應(yīng)高頻率波段機(jī)械振動(dòng)，而且能響應(yīng)低頻率波段機(jī)械振動(dòng)，彌補(bǔ)了硅腐蝕法的不足。由于提高了加工精確度，可以使橫向單位長(zhǎng)度內(nèi)懸臂梁的排列密度增加，單只芯片分路通道可以達(dá)到8、16、32、64路等，結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積小，重量輕、造價(jià)低、靈敏度高。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)外界寬頻段的微小振動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0012]圖1是本發(fā)明中平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是圖1的縱向截面視圖。
[0014]圖3是圖1的橫向截面視圖。
[0015]圖中標(biāo)號(hào)是:1.懸臂梁，2.輸入分路光波導(dǎo),3.底部間隙,4.橫向凹槽,5.縱向凹槽，6.輸出分路光波導(dǎo)，11.懸臂梁前端面。
【具體實(shí)施方式】
[0016]一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片為基材，所述平面光波導(dǎo)分路芯片有輸入分路光波導(dǎo)2、輸出分路光波導(dǎo)6 ;其中輸入分路光波導(dǎo)2的波導(dǎo)芯層的上分界面距離平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面約40微米。首先清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面，所述清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片依次置于丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空干燥箱中，在80°C恒溫條件下加熱半小時(shí)，冷卻后，再用酒精清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面。
[0017]本發(fā)明將平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面作為懸臂梁的上表面，采用水輔助法用飛秒激光在平面光波導(dǎo)分路芯片上加工懸臂梁。如圖1、圖2、圖3所示。分別在每條輸入分路光波導(dǎo)2的兩側(cè)挖出一對(duì)等長(zhǎng)的與輸入分路光波導(dǎo)平行的縱向凹槽5,縱向凹槽5的挖出從芯片的上表面開始往芯片內(nèi)部逐層進(jìn)行?？v向凹槽5加工深度為100微米后，降低飛秒激光的出射功率，降低其掃描速度。而后在輸入分路光波導(dǎo)2所在芯層區(qū)域之下，兩側(cè)縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個(gè)矩形底部間隙3，使兩側(cè)的縱向凹槽5在底部連通，在兩側(cè)的縱向凹槽5的前端挖出一條連通兩側(cè)的橫向凹槽4，所述縱向凹槽5、橫向凹槽4、矩形底部間隙3包圍的中間區(qū)域形成可自由振動(dòng)的懸臂梁1，輸入分路光波導(dǎo)2嵌于懸臂梁I內(nèi)，所述懸臂梁的厚度為80微米，也就是懸臂梁的底面與平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面之間的間距為80微米。各個(gè)懸臂梁I的長(zhǎng)度和寬度不同，可根據(jù)響應(yīng)振動(dòng)頻率的需要選擇。懸臂梁I的前端面11與輸出分路光波導(dǎo)6的輸入端的距離為10?20微米。若距離過大，耦合到輸出分路波導(dǎo)6的光將減少而使光波導(dǎo)芯片的輸出光強(qiáng)減弱,不利于光信號(hào)的探測(cè)。外界振動(dòng)將引起懸臂梁I的振動(dòng)，使得懸臂梁I前端的端面上的輸入分路光波導(dǎo)2端頭與輸出分路光波導(dǎo)6的輸入端之間的位置發(fā)生相對(duì)變化,從而導(dǎo)致輸出分路光波導(dǎo)6輸出的光強(qiáng)度發(fā)生變化，通過測(cè)量這一光強(qiáng)度變化量獲得外界振動(dòng)參數(shù)(振動(dòng)頻率、幅度等)。
[0018]本發(fā)明采用水輔助飛秒激光加工法加工光波導(dǎo)懸臂梁1，平面光波導(dǎo)分路芯片內(nèi)波導(dǎo)芯層的上分界面距離平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面約40微米，飛秒激光的入射方向是從平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面朝向上表面方向入射。芯片的放置方法有兩種，一種為平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片被平底容器內(nèi)的水淹沒，平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面與平底盤底面之間沒有可以起伏的水面，飛秒激光自下而上透過平底容器底面入射。另一種為平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片浸泡在平底容器內(nèi)的水中但不被淹沒，飛秒激光自上而下入射，水覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面，但不覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面，這樣可避免在加工過程中，平面光波導(dǎo)分路芯片下表面一側(cè)水面起伏對(duì)光束匯聚的影響。
[0019]本發(fā)明所述縱向凹槽4和橫向凹槽5的挖出是從平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面開始往芯片內(nèi)部由淺入深逐層進(jìn)行，由于水覆蓋平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面，平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面與透明的平底容器底面之間有水層，加工下來的玻璃殘?jiān)鼙凰疀_走，而不會(huì)影響飛秒激光對(duì)材料的刻蝕加工。懸臂梁底部間隙3的加工先從縱向凹槽4底一側(cè)開始，使加工下來的玻璃殘?jiān)芡ㄟ^縱向凹槽被水沖走。
[0020]本發(fā)明利用水輔助飛秒激光加工法加工平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器的懸臂梁，平面光波導(dǎo)分路芯片的襯底為玻璃材料，在現(xiàn)有成品PLC平面光波導(dǎo)分路芯片上用水輔助飛秒激光加工法加工出懸臂梁及懸臂梁陣列，懸臂梁尺寸可以在幾十ym以上，輸入分路光波導(dǎo)嵌于懸臂梁內(nèi)，輸出分路光波導(dǎo)相對(duì)位于橫向凹槽另一側(cè)。外界振動(dòng)將引起懸臂梁的振動(dòng)，不同尺寸的懸臂梁將響應(yīng)不同頻率的外界振動(dòng)，使得懸臂梁中的輸入分路光波導(dǎo)的輸出端相對(duì)輸出分路光波導(dǎo)的接收端位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光波導(dǎo)芯片的輸出光強(qiáng)發(fā)生變化，通過測(cè)量這一光強(qiáng)變化量獲得外界振動(dòng)參數(shù)(振動(dòng)頻率、幅度等)。
[0021]本發(fā)明選用的PLC平面光波導(dǎo)分路芯片是玻璃材質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度高。本發(fā)明用水輔助飛秒激光加工法在平面光波導(dǎo)芯片上加工懸臂梁陣列，可以加工出較大尺寸的懸臂梁。懸臂梁尺寸可以在μ m數(shù)量級(jí)或_數(shù)量級(jí),不僅能在高頻率波段機(jī)械振動(dòng)，而且能在低頻率波段機(jī)械振動(dòng)，即可在寬頻段內(nèi)響應(yīng)多個(gè)頻率的振動(dòng)。彌補(bǔ)了硅腐蝕法的不足。由于提高了加工精確度，可以使橫向單位長(zhǎng)度內(nèi)懸臂梁的排列密度增加，單只芯片分路通道可以達(dá)到8、16、32、64路等，結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積小，重量輕、造價(jià)低、靈敏度高。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)外界寬頻段的微小振動(dòng)。
【權(quán)利要求】
1.一種平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其以玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片為基材，所述平面光波導(dǎo)分路芯片設(shè)有輸入分路光波導(dǎo)、輸出分路光波導(dǎo)；其特征是:首先清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面，將平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面作為懸臂梁的上表面，采用水輔助飛秒激光加工法在平面光波導(dǎo)分路芯片上加工懸臂梁，分別在每條輸入分路光波導(dǎo)的兩側(cè)挖出一對(duì)等長(zhǎng)的與輸入分路光波導(dǎo)平行的縱向凹槽，而后在輸入分路光波導(dǎo)所在芯層區(qū)域之下，兩側(cè)縱向凹槽底端所在平面之上切割出一個(gè)矩形底部間隙，使兩側(cè)的縱向凹槽在底部連通；最后在兩側(cè)的縱向凹槽的前端挖出一條連通兩側(cè)縱向凹槽的橫向凹槽，所述縱向凹槽、橫向凹槽、矩形底部間隙包圍的中間區(qū)域形成可自由振動(dòng)的懸臂梁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其特征是:所述懸臂梁的厚度為80微米，懸臂梁前端的橫向凹槽的寬度為10?20微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其特征是:所述清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面是將玻璃襯底上的平面光波導(dǎo)分路芯片依次置于丙酮、去離子水、酒精中，用功率40瓦的超聲波清洗，再放入真空干燥箱中，在80°C恒溫條件下加熱半小時(shí)，冷卻后，再用酒精清洗平面光波導(dǎo)分路芯片的上下兩表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其特征是:所述平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片被平底容器內(nèi)的水淹沒，飛秒激光自下而上透過平底容器底面入射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其特征是:平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器內(nèi)，平面光波導(dǎo)分路芯片浸泡在平底容器內(nèi)的水中，但平面光波導(dǎo)分路芯片的下表面露出水面，飛秒激光自上而下入射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面光波導(dǎo)振動(dòng)傳感器芯片懸臂梁的制作方法，其特征是:縱向凹槽和橫向凹槽的挖出是從平面光波導(dǎo)分路芯片的上表面開始往芯片內(nèi)部方向由淺入深逐層進(jìn)行。
【文檔編號(hào)】G01H9/00GK103954347SQ201410197243
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】高仁喜, 孫正和, 夏正娜 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）