[发明专利]一种片上微腔超声增敏掏空芯片及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及片上微腔超声探测结构设计的技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

为解决如何提高片上微腔声探测器的探测灵敏度的问题，本发明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。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

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。

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。

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。