CN103954347A - 一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其采用水辅助飞秒激光加工法在平面光波导分路芯片加工悬臂梁，分别在每条输入分路光波导的两侧平行挖出一对等长的纵向凹槽，而后在输入分路光波导所在芯层区域之下，切割出一个底部间隙，使两侧的纵向凹槽在底部连通，而后在两侧的纵向凹槽的前端挖出一条连通两侧的纵向凹槽的横向凹槽，所述纵向凹槽、横向凹槽、底部间隙包围的中间区域形成可自由振动的悬臂梁。本发明可以加工出较大尺寸的悬臂梁，悬臂梁尺寸在μm数量级或mm数量级，制作的平面光波导振动传感器芯片不仅能响应高频率波段机械振动，而且能响应低频率波段机械振动。

Description

一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法

技术领域

本发明涉及一种光波导振动传感器，具体的说是一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法。

背景技术

传统的振动传感器一般采用电类传感器，这类传感器在强电磁干扰、高温潮湿、高压等环境下难以工作，且不适用于远距离传感。

光波导振动传感器克服了电类传感器的不足已被使用，光波导振动传感器中以悬臂梁形式的居多。现有的悬臂梁加工方法是用腐蚀法，通常是对基于硅衬底上的光波导结构进行硅腐蚀，加工出光波导悬臂梁结构。但硅材料机械强度较低，容易损坏，且硅腐蚀法仅能加工较小尺寸的悬臂梁，尺寸一般在几百nm到几μm数量级，仅适合在高频率波段响应机械振动，而不适合在低频率波段响应机械振动。而对于在玻璃衬底上的光波导芯片，目前无法通过纯腐蚀法制备出光波导悬臂梁结构。并且纯腐蚀法采用的硅衬底基光波导芯片与标准光纤连接封装工艺不兼容。制备在玻璃衬底上的PLC光波导芯片，和标准光纤封装工艺兼容，但无法通过纯腐蚀法制备出光波导悬臂梁结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种操作简单，加工效率高，速度快，悬臂梁尺寸在μm数量级或mm数量级，既适合在高频率波段响应机械振动，也适合在低频率波段响应机械振动的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其以玻璃衬底上的平面光波导分路芯片为基材，所述平面光波导分路芯片设有输入分路光波导、输出分路光波导；其特征是：首先清洗平面光波导分路芯片的上下两表面，将平面光波导分路芯片的上表面作为悬臂梁的上表面，采用水辅助飞秒激光加工法在平面光波导分路芯片上加工悬臂梁，分别在每条输入分路光波导的两侧挖出一对等长的与输入分路光波导平行的纵向凹槽，而后在输入分路光波导所在芯层区域之下，两侧纵向凹槽底端所在平面之上切割出一个矩形底部间隙，使两侧的纵向凹槽在底部连通；最后在两侧的纵向凹槽的前端挖出一条连通两侧纵向凹槽的横向凹槽，所述纵向凹槽、横向凹槽、矩形底部间隙包围的中间区域形成可自由振动的悬臂梁。

本发明所述悬臂梁的厚度为80微米，悬臂梁前端的横向凹槽的宽度为10～20微米。即悬臂梁的前端面与悬臂梁横向凹槽另一侧的输出分支光波导的输入端的距离为10～20微米。各个悬臂梁的长度和宽度不同，可根据响应振动频率的需要选择。

本发明所述清洗平面光波导分路芯片的上下两表面是将玻璃衬底上的平面光波导分路芯片依次置于丙酮、去离子水、酒精中，用功率40瓦的超声波清洗，再放入真空干燥箱中，在80℃恒温条件下加热半小时，冷却后，再用酒精清洗平面光波导分路芯片的上下两表面。

本发明采用水辅助飞秒激光加工法加工光波导悬臂梁，平面光波导分路芯片内波导芯层的上分界面距离平面光波导分路芯片的上表面约40微米，飞秒激光的入射方向是从平面光波导分路芯片的下表面朝向上表面方向入射。芯片的放置方法有两种，一种为平面光波导分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片被平底容器内的水淹没，平面光波导分路芯片的下表面与平底盘底面之间没有可以起伏的水面，飞秒激光自下而上透过平底容器底面入射。另一种为平面光波导分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片浸泡在平底容器内的水中但不被淹没，飞秒激光自上而下入射，水覆盖平面光波导分路芯片的上表面，但不覆盖平面光波导分路芯片的下表面，这样可避免在加工过程中，平面光波导分路芯片下表面一侧水面起伏对光束汇聚的影响。

本发明所述纵向凹槽和横向凹槽的挖出是从平面光波导分路芯片的上表面开始往芯片内部由浅入深逐层进行，由于水覆盖平面光波导分路芯片的上表面，加工下来的玻璃残渣能被水冲走，而不会影响飞秒激光对材料的刻蚀加工。悬臂梁底部间隙的加工先从纵向凹槽底一侧开始，使加工下来的玻璃残渣能通过纵向凹槽被水冲走。

本发明利用水辅助飞秒激光加工法加工平面光波导振动传感器的悬臂梁，平面光波导分路芯片的衬底为玻璃材料，在现有成品PLC平面光波导分路芯片上用水辅助飞秒激光加工法加工出悬臂梁及悬臂梁阵列，悬臂梁尺寸可以在几十μm以上，输入分路光波导嵌于悬臂梁内，输出分路光波导相对位于横向凹槽另一侧。外界振动将引起悬臂梁的振动，不同尺寸的悬臂梁将响应不同频率的外界振动，使得悬臂梁中的输入分路光波导的输出端相对输出分路光波导的接收端位置发生变化，从而导致光波导芯片的输出光强发生变化，通过测量这一光强变化量获得外界振动参数（振动频率、幅度等）。悬臂梁尺寸可以在μm数量级或mm数量级。该光波导振动传感芯片不仅能响应高频率波段机械振动，而且能响应低频率波段机械振动，弥补了硅腐蚀法的不足。由于提高了加工精确度，可以使横向单位长度内悬臂梁的排列密度增加，单只芯片分路通道可以达到8、16、32、64路等，结构比较紧凑，体积小,重量轻、造价低、灵敏度高。能够实时监测外界宽频段的微小振动。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明中平面光波导振动传感器芯片的结构示意图。

图2是图1的纵向截面视图。

图3是图1的横向截面视图。

图中标号是：1.悬臂梁，2.输入分路光波导，3.底部间隙，4.横向凹槽，5.纵向凹槽，6.输出分路光波导，11.悬臂梁前端面。

具体实施方式

一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其以玻璃衬底上的平面光波导分路芯片为基材，所述平面光波导分路芯片有输入分路光波导2、输出分路光波导6；其中输入分路光波导2的波导芯层的上分界面距离平面光波导分路芯片的上表面约40微米。首先清洗平面光波导分路芯片的上下两表面，所述清洗平面光波导分路芯片的上下两表面是将玻璃衬底上的平面光波导分路芯片依次置于丙酮、去离子水、酒精中，用功率40瓦的超声波清洗，再放入真空干燥箱中，在80℃恒温条件下加热半小时，冷却后，再用酒精清洗平面光波导分路芯片的上下两表面。

本发明将平面光波导分路芯片的上表面作为悬臂梁的上表面，采用水辅助法用飞秒激光在平面光波导分路芯片上加工悬臂梁。如图1、图2、图3所示。分别在每条输入分路光波导2的两侧挖出一对等长的与输入分路光波导平行的纵向凹槽5，纵向凹槽5的挖出从芯片的上表面开始往芯片内部逐层进行。纵向凹槽5加工深度为100微米后，降低飞秒激光的出射功率，降低其扫描速度。而后在输入分路光波导2所在芯层区域之下，两侧纵向凹槽底端所在平面之上切割出一个矩形底部间隙3，使两侧的纵向凹槽5在底部连通，在两侧的纵向凹槽5的前端挖出一条连通两侧的横向凹槽4，所述纵向凹槽5、横向凹槽4、矩形底部间隙3包围的中间区域形成可自由振动的悬臂梁1，输入分路光波导2嵌于悬臂梁1内，所述悬臂梁的厚度为80微米，也就是悬臂梁的底面与平面光波导分路芯片的上表面之间的间距为80微米。各个悬臂梁1的长度和宽度不同，可根据响应振动频率的需要选择。悬臂梁1的前端面11与输出分路光波导6的输入端的距离为10～20微米。若距离过大，耦合到输出分路波导6的光将减少而使光波导芯片的输出光强减弱，不利于光信号的探测。外界振动将引起悬臂梁1的振动，使得悬臂梁1前端的端面上的输入分路光波导2端头与输出分路光波导6的输入端之间的位置发生相对变化，从而导致输出分路光波导6输出的光强度发生变化，通过测量这一光强度变化量获得外界振动参数（振动频率、幅度等）。

本发明采用水辅助飞秒激光加工法加工光波导悬臂梁1，平面光波导分路芯片内波导芯层的上分界面距离平面光波导分路芯片的上表面约40微米，飞秒激光的入射方向是从平面光波导分路芯片的下表面朝向上表面方向入射。芯片的放置方法有两种，一种为平面光波导分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片被平底容器内的水淹没，平面光波导分路芯片的下表面与平底盘底面之间没有可以起伏的水面，飞秒激光自下而上透过平底容器底面入射。另一种为平面光波导分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片浸泡在平底容器内的水中但不被淹没，飞秒激光自上而下入射，水覆盖平面光波导分路芯片的上表面，但不覆盖平面光波导分路芯片的下表面，这样可避免在加工过程中，平面光波导分路芯片下表面一侧水面起伏对光束汇聚的影响。

本发明所述纵向凹槽4和横向凹槽5的挖出是从平面光波导分路芯片的上表面开始往芯片内部由浅入深逐层进行，由于水覆盖平面光波导分路芯片的上表面，平面光波导分路芯片的上表面与透明的平底容器底面之间有水层，加工下来的玻璃残渣能被水冲走，而不会影响飞秒激光对材料的刻蚀加工。悬臂梁底部间隙3的加工先从纵向凹槽4底一侧开始，使加工下来的玻璃残渣能通过纵向凹槽被水冲走。

本发明利用水辅助飞秒激光加工法加工平面光波导振动传感器的悬臂梁，平面光波导分路芯片的衬底为玻璃材料，在现有成品PLC平面光波导分路芯片上用水辅助飞秒激光加工法加工出悬臂梁及悬臂梁阵列，悬臂梁尺寸可以在几十μm以上，输入分路光波导嵌于悬臂梁内，输出分路光波导相对位于横向凹槽另一侧。外界振动将引起悬臂梁的振动，不同尺寸的悬臂梁将响应不同频率的外界振动，使得悬臂梁中的输入分路光波导的输出端相对输出分路光波导的接收端位置发生变化，从而导致光波导芯片的输出光强发生变化，通过测量这一光强变化量获得外界振动参数（振动频率、幅度等）。

本发明选用的PLC平面光波导分路芯片是玻璃材质，机械强度高。本发明用水辅助飞秒激光加工法在平面光波导芯片上加工悬臂梁阵列，可以加工出较大尺寸的悬臂梁。悬臂梁尺寸可以在μm数量级或mm数量级，不仅能在高频率波段机械振动，而且能在低频率波段机械振动，即可在宽频段内响应多个频率的振动。弥补了硅腐蚀法的不足。由于提高了加工精确度，可以使横向单位长度内悬臂梁的排列密度增加，单只芯片分路通道可以达到8、16、32、64路等，结构比较紧凑，体积小,重量轻、造价低、灵敏度高。能够实时监测外界宽频段的微小振动。

Claims (6)

1.一种平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其以玻璃衬底上的平面光波导分路芯片为基材，所述平面光波导分路芯片设有输入分路光波导、输出分路光波导；其特征是：首先清洗平面光波导分路芯片的上下两表面，将平面光波导分路芯片的上表面作为悬臂梁的上表面，采用水辅助飞秒激光加工法在平面光波导分路芯片上加工悬臂梁，分别在每条输入分路光波导的两侧挖出一对等长的与输入分路光波导平行的纵向凹槽，而后在输入分路光波导所在芯层区域之下，两侧纵向凹槽底端所在平面之上切割出一个矩形底部间隙，使两侧的纵向凹槽在底部连通；最后在两侧的纵向凹槽的前端挖出一条连通两侧纵向凹槽的横向凹槽，所述纵向凹槽、横向凹槽、矩形底部间隙包围的中间区域形成可自由振动的悬臂梁。

2.根据权利要求1所述的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其特征是：所述悬臂梁的厚度为80微米，悬臂梁前端的横向凹槽的宽度为10～20微米。

3.根据权利要求1所述的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其特征是：所述清洗平面光波导分路芯片的上下两表面是将玻璃衬底上的平面光波导分路芯片依次置于丙酮、去离子水、酒精中，用功率40瓦的超声波清洗，再放入真空干燥箱中，在80℃恒温条件下加热半小时，冷却后，再用酒精清洗平面光波导分路芯片的上下两表面。

4.根据权利要求1所述的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其特征是：所述平面光波导分路芯片的上表面朝上放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片被平底容器内的水淹没，飞秒激光自下而上透过平底容器底面入射。

5.根据权利要求1所述的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其特征是：平面光波导分路芯片的上表面朝下放置在透明的平底容器内，平面光波导分路芯片浸泡在平底容器内的水中,但平面光波导分路芯片的下表面露出水面，飞秒激光自上而下入射。

6.根据权利要求1所述的平面光波导振动传感器芯片悬臂梁的制作方法，其特征是：纵向凹槽和横向凹槽的挖出是从平面光波导分路芯片的上表面开始往芯片内部方向由浅入深逐层进行。