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微光机电传感器系统

摘要

近年来，微机电系统因其突出的的光学应用价值而被广泛研究。微光机电系统是其中一项显著的成果°MEMS的尺寸和运动范围在微米以下，这使得MEMS实现光的干扰机制。因此，通过监测这些微干涉仪可以做出一个传感器系统。

这篇论文呈现了一个微光机电系统从建模，制造到测量的整个过程。传感器尖端被设计成k刻蚀在硅芯片上的法布里一珀罗腔，从光纤射出的光进入腔体并反射，反射的光信号被监测。当前端的周围环境出现一点改变，腔体的膜的震动会偏离共振；从而反射光的中心波长会改变，强度也会下降。

尖端的设计标准和制造过程使用了互补金属氧化物管。端头和源探测器间通过单模光纤连接。光源的频宽是1550nm。解译环境的改变用到了光时域反射仪和OSA。之后，复制和排列这样的传感器，形成一个传感器网络。这样，通过空分复用法可以使环境的瞬时变化得到定位和量化。我们把微光机电系统和其他传感器系统的物理特性，敏感度，制造难度和应用局限性能也做了比较。

关键字：微光机电系统传感器光时域反射仪干涉仪遥测数据监控器波分复用

1.介绍

建立的法布里一珀罗腔内置了两个平行的半反射镜。这种谐振器有很多应用，例如窄频波过滤器。如图1，入射光束的振幅是.，入射角频率是①，入射光部分透过反光镜1，记作*，部分光被半反射镜1反射，记作-3，这里半反

11 11

射镜的透射率和反射率分别为［和［。通过腔体的光的传输符合以下公式：

眇coL=可

c 2

这里n是腔体里介质的反光率（空气的反光律n约等于1），0是内部入射角，c是腔室的光速。同样，到达半反射镜2的〃七?光也部分反射部分透射。一部

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分的大小为r七￥-j的光反射回了半反射镜1，反射镜的相移为5。随后，经过数次光路往返后，所有的光瞬时在半反射镜1上相遇，它们的相差是m5（m代表整体）。然后，这些光束彼此重叠，一部分透过半反射镜1射出腔体（在半反射镜2也会出现相同的情况）。半反射镜1左侧总的反射波的表达式如下：

TOC\o1-5\h\z?t2a（rre-j8）mt2 1

t=~^111~2 =~^1

r r1-rre-B

m=0 1 1 12

如果使这两个半反射镜相同，则r2=r2=R,t2=t2=T,la|2=A，且入射光垂直

1 2 1 2 1 1

于半反射镜表面，最终半反射镜1左边的透射强度密度为：

L=m（入）或者X=2泌

2n m

考虑到光的干扰，只有波长满足X=些的光才能很好地干扰和传播；其他m

的波长会被破坏。另一方面，为了捕捉特定的波长，腔体的长度L可以调整，或者也可以通过监测广播的密度起伏和中心波长转变来测量环境改变时腔体的变形度。例如，如果我们设计一个频宽是1550nm的法布里一玻罗谐振器，则腔

体长度应该为L=1550nm/2=775nm。当m=1，腔体长度L.=775nm，这里腔室在

频宽为1550nm时有最好的过滤效果。

Mirror1 Mirror2

图1法布里一珀罗腔示意图

2.建模和制造

使用标准的互补金属氧化物半导体工艺法可以制造出硅表面微机械的布里一珀罗腔（传感器尖端）。这个过程涉及了多次的光屏蔽和氧化刻蚀。

首先要定义硅片上传感器尖端（或尖端阵列）的位置。这一步与COMS工艺的n阱的构造相对应。N阱衍模在以硅作基底的氧化硅上形成了一个圆形口，然后口内的氧化层被刻蚀掉，露出的与n型材料掺杂。

第二步是“thinox”，相应地这步要定义栅极，源极和漏极。一个圆形薄氧化物/氮化物层在n阱硅基上形成。它随后被用作按钮模。这一步需要“性质活泼的衍模”。

在有一定厚度的氧化膜生成之前，通道内的p移植是单向的。当氧化物/氮化物圈上形成了厚的氧化层后，薄的氧化物/氮化物薄层上会沉积相对小直径的原型聚乙烯一硅薄膜。这一步与CMOS工艺的聚乙烯的栅极定位对应。这一步使用的是聚乙烯衍模。

CMOS过程的很多后续步骤都是单向的。直到厚的氧化层形成，或金属接触时，接触孔掩膜才会用到。接触孔放置在聚乙烯层上的氧化覆盖层上，不用打开源极和漏极区的接触钻头。这些图形开口在后处理阶段会用到，它被用来刻蚀掉聚乙烯块，制作出合理的悬臂。

CMOS构造的余下步骤包括了金属化的循环处理，之后是钝化处理。这些步骤对这里的工艺来说都没有用，除了氧化步骤是无法避免的。接触孔在接下来的步骤里都是保持开着的。

标准的CMOS步骤之后，有很多必要的后处理工艺。首先要抛光顶层的氧化膜以形成良好的膜。其次，用液体刻蚀掉聚乙烯层（牺牲层），这样气体腔室得以形成。

从基体底部用液体刻蚀掉对应（110）硅片表面的（111）侧壁