微光机电系统

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—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—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1a ，入射角频率是ω，入射光部分透过反光镜1，记作11a t ，部分光被半反射镜1反射，记作-11a r ，这里半反射镜的透射率和反射率分别为1t 和1r 。

通过腔体的光的传输符合以下公式：2c o s δθω=⋅L c n这里n 是腔体里介质的反光率（空气的反光律n 约等于1），θ是内部入射角，c 是腔室的光速。

同样，到达半反射镜2的211δj et a -光也部分反射部分透射。

一部分的大小为2211δj e t a r -的光反射回了半反射镜1，反射镜的相移为δ。

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δm （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：δδj m m j e r r r t r e r r a t t -∞=--==∑21121012112111)( 如果使这两个半反射镜相同，则12122212221,,A a T t t R r r =====，且入射光垂直于半反射镜表面，最终半反射镜1左边的透射强度密度为：)2(n m L λ= 或者 m nL2=λ考虑到光的干扰，只有波长满足m nL2=λ的光才能很好地干扰和传播；其他的波长会被破坏。

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—玻罗谐振器，则腔体长度应该为L=1550nm/2=775nm 。

当m=1，腔体长度min L =775nm ，这里腔室在频宽为1550nm 时有最好的过滤效果。

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—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。

镜子1 镜子2图1 法布里—珀罗腔示意图1.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。

2.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”。

3.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—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。

4.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。

5.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。

6.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。

7.从基体底部用液体刻蚀掉对应（110）硅片表面的（111）侧壁矩形槽。

刻蚀的槽要与它上面的腔室对齐。

事实上，用与第一步里相同的掩膜就可以做到这个要求。

然后，裸露出纤维的一端，插入到基片上的矩形槽里。

接着固定纤维和塑料缓冲区，关闭模孔。

腔室1基体腔室2光纤维图2 传感器尖端的最终结构3.传感器网络设计对于大量的实际应用来说，例如船舶和飞机上面的检测器，缤纷不是只是单纯的单点传感。

换句话说，单独的传感器端头并不能满足收集完整系统信息的要求。

如果我们把所有的传感器单元串起来并排列成网络，那么一个完整的传感器系统就会建立起来。

很少有机器能实现完整的传感器系统。

对于微光机电系统传感器尖端可能的应用来说，有两种构造网络的方法：遥测数据监控器和波分复用。

3.1 遥测数据监控器如图4，使用的光时域反射仪固有的光源频宽是1550nm。

在光源和最后一个传感器尖端之间，独立的尖端间通过光耦合形成“纤维”连接。

当光时域反射仪的的光源发射一个脉冲进入系统，到达每个传感器尖端的时间不同，使得各个尖端到光源的距离不一样，这样，各个传感器的反射信号会陆续到达光是域反射仪。

每个信号达到的时间不一样，这样可以监测各个传感器。

这个方法主要的优点是，每个传感器尖端是一样的，这样制作很方便，产出量也会很高。

同时，有两个因素可能会使它的应用受到局限：反射死角，光是域反射仪的动态范围。

对于一个光学检测仪来说，如果前后反射间隔时间太短，后面的反射可能被覆盖，或者检测得到的后一个反射情况不精确。

对于实际的光时域反射仪测试员来说，死角区域可缩至3-5吗，这表明两尖端的反映间隔至少要大于此。

另一个因素是光时域反射仪的动态范围（更准确的说是“测量范围”），这个因素使网络力传感器的部署受到了限制。

发射的脉冲反射的信号组图3 TDM传感器网络3.2 波分复用如图5.设置了一个宽频光源，它的波长由1510nm到1550nm均匀构成。

在光源前面是插入的一个光耦和仪，它可以分离反射信号到下一个接收器，这个接收器连接了一个广谱分析仪。

每个传感器尖端结构都有不同的L，但是都是在155nm—775nm这个范围内。

传感器件的波长差也是一定的，这样每个传感器的信息都能通过连续的不同波长段而被解译识别。

与OTDR的方法相似，所有的传感器都通过光耦合连接到纤维总线上，仪光谱分析仪会监测每个传感器上反射光的光谱变化。

传感器的数量主要取决于波长的分辨率和光谱分析仪的测量范围。

入射光谱反射信号光谱图4 WDM传感器网络4.应用所有的微光机电系统里面，有四种最有前景的应用。

4.1 机械变形这种传感器可以附在材料表面，或者夹在两个材料层之间。

当机械力加载在传感器附近的材料上时，材料的形变使薄膜向下挤压，传感器就会有反应。

这相当于改变了腔室的共振波长，这样外界环境的改变都可以通过测量薄膜位移的改变来监测和计算。

4.2 压力这类传感器也可以用来检测压力。

刻蚀掉聚乙烯层后，如果我们不关上腔室1上的接触孔，封闭的腔室2可是作为共振计。

当压力改变时，腔室内外的压力差会导致硅片上的氧化层/氮化层薄膜上下移动，这会使共振计的波长发生转换。

另外，如果我们在后续的构造阶段封住接触孔，顶层的硅氧化物也可作为传感薄膜。

4.3 加速计如图5，参照步骤5和6，用合适的接触掩膜将聚乙烯硅层刻蚀掉后，硅氧化薄膜可以当做悬臂，这正是加速计的结构。

把这个传感系统装在飞机上后，飞机加速度改变，悬臂的波动会改变腔室的波长。

同时，如果传感器沿着水管或油管排布，那么管道流量也可以得到监测。

4.4 生物化学应用刻蚀掉聚乙烯硅片层后，如果我们将腔室1填满化学敏感材料，并将其浸在特定的溶液里，这样，一个生物化学传感器就形成了。

传感器尖端浸在溶液里并与之反应，它的密度改变会导致体积改变，从而戳到氧化层/氮化层使其变形。

通过测量液体的光学性质，可以确定溶液的类型和浓度。

5.结论传统的智能材料，例如聚偏氟乙烯，因其易于制造，商业前景好，高的变形抗力和精确度而被广泛用于传感器技术，特别是用在压力和超声波无波坏性监测上。

但是在强电磁场作用下用在传感器尖端的材料会严重分解。

同时，聚偏氟乙烯的电子输出范围不如光学信号。

另一个偏聚氟乙烯传感器的缺点是，偏聚氟乙烯表面上细小的压力无法被精确定位，因此，偏聚氟乙烯在这方面并不适用。

最近几年，随着光纤和固态电子学的发展，微光机电系统逐渐显示了它在传感器应用方面的诱人前景，只是它里面的纤维结构比较复杂而已。

与其他材料相比，例如偏聚氟乙烯，MOEMS在类似强电磁场等恶劣的条件下依然能正常运转。

在传输能力内，MOEMS可以进行远程控制。

MOEMS的材料很迷你，相对很小。

因此，理论上MOEMS的尖端要比偏聚氟乙烯的更小，对所检测材料的影响也就更小。

另外，MEOMS的传感器网络的设计部署也很简易。

在不同的情况下，微光机电系统传感器和智能材料传感器各有千秋。