用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法-j9九游会真人

1.本发明属于微型传感器的技术领域，特别是涉及用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法。


背景技术：

2.微悬臂梁作为微机电系统中常用的微传感器，其所具有的成本低、质量轻、功耗低、体积小、灵敏度高、响应速度快以及可批量生成的优点，使其在物理量探测、生化领域、环境监测等诸多领域都具有广泛的应用。微悬臂梁的典型结构，一般是一端固定、另外一端悬空的结构。主要的结构形式包括矩形式、三角式、t形式、u形式、音叉式和桥式这6种。其中矩形结构较为简单，且加工容易，因此得到了最为广泛的应用。在相同尺寸下，梁的杨氏模量越大，共振频率越高，则检测灵敏度越高，因此利用杨氏模量大的材料会使梁的检测灵敏度提高。金刚石杨氏模量为1143gpa，约为硅杨氏模量(130gpa)的9倍，因此可承受的应变范围大，具有较好的灵敏度。同时金刚石还具有较高的热导率及热稳定性，可以在高达600℃的高温环境中工作。目前，微悬臂梁的制造一般采用湿法刻蚀或是干法刻蚀工艺。其工艺复杂，成本较高，探索工艺简单制备方法，可促进悬臂梁实现批量化生产。在光学传声的研究领域，采用振动的薄膜来反射射来的光束，实现声波振动到光束变化的转换，从而实现声信号
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光信号的转换，再通过该光信号将声信号进行传输，解决声传输依赖介质的问题，对于薄膜反应灵敏度和承受振动频率的覆盖范围有更高的要求，发明人考虑采用金刚石薄膜的微悬臂梁来作为这个振动元件，利用金刚石的相关特点来提升光学传声元件的性能。


技术实现要素：

3.为了解决存在的上述问题，来寻找一种制作过程环保，低制造成本的制备方法，本发明提供了光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法。
4.本发明的技术方案是：一种用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，包括如下步骤；
5.1).基片台的准备
6.准备基片台，采用尺寸为2英寸的钼片，对其进行镜面抛光，
7.2).金刚石薄膜生长
8.将上述抛光后的基片台放入到微波等离子体设备，通入甲烷和氢气，进行金刚石薄膜生长，甲烷浓度为5％，余量为氢气，温度为850℃-880℃，腔体压力为120-150mbar，微波功率为3000w-5500w，生长时间从15小时-50小时，成长为厚度10-50μm的金刚石薄膜；
9.3).降温脱离
10.步骤2)完成后，缓慢降低功率及压强，减缓温度降低速度，由于金刚石与钼之间的热膨胀系数不同，金刚石薄膜或从钼片表面脱落，得到自支撑金刚石薄膜；
11.4).激光切割制作微悬臂梁
12.将得到的自支撑金刚石薄膜，用激光直写设备根据微悬臂梁的尺寸图案进行激光
切割，先切割外形，然后再切割n形的狭缝，制得微悬臂梁。
13.优选的，所述步骤1)中钼片抛光后表面粗糙度《5nm。
14.优选的，所述步骤4)中微悬臂梁狭缝切割区域靠近自支撑金刚石薄膜的中部，所得微悬臂梁位于自支撑金刚石薄膜的中部。
15.优选的，所述步骤3)中缓慢降低温度，降温过程2-5个小时，自850℃-880℃降低到室温15℃-25℃。
16.本发明的有益效果是：
17.本发明的光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，首先将镜面抛光的钼片置入到微波等离子体设备中，控制通入的甲烷浓度，温度，内部压力，微波功率，生长时间等，实现对金刚石薄膜生长过程的控制，然后利用钼片和金刚石的热膨胀系数不同的特点，缓慢降温，生长完成的金刚石薄膜从钼片表面脱离下来，从而得到微米级超薄的、可用于光学传声领域的金刚石自支撑膜，最后通过激光切割在该金刚石自支撑膜上形成金刚石微悬臂梁，经测试，该金刚石微悬臂梁通过声波驱动其振动的灵敏度更高，同时能够覆盖的声波频率范围更宽，上述制作过程不涉及化学刻蚀与腐蚀基底的过程，制作过程更为环保，钼片本身还可以多次抛光反复使用，整体制作成本更低廉，更利于该金刚石微悬臂梁市场化推广。
附图说明
18.图1步骤3)获得的2英寸超薄自支撑金刚石薄膜
19.图2两种不同形状、尺寸的金刚石微悬臂梁，
20.图3为实验中30μm、50μm厚度的金刚石微悬臂梁在频率1khz、声压1mpa
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16mpa变化过程中输出电压的拟合曲线；
21.图4为实验中将100hz-14khz的声波信号加在30μm厚度的金刚石微悬臂梁的传声器灵敏度的响应曲线；
22.图5为实验中将100hz-14khz的声波信号加在50μm厚度的金刚石微悬臂梁的传声器灵敏度的响应曲线；
具体实施方式
23.以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。实施例1：一种用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，包括如下步骤；
24.1).基片台的准备
25.准备基片台，采用尺寸为2英寸的钼片，对其进行镜面抛光，钼片抛光后表面粗糙度《5nm。
26.2).金刚石薄膜生长
27.将上述抛光后的基片台放入到微波等离子体设备，通入甲烷和氢气，进行金刚石薄膜生长，甲烷浓度为5％，余量为氢气，温度为880℃，腔体压力为130mbar，微波功率为3500w，生长时间15小时，成长为厚度10μm的金刚石薄膜；
28.3).降温脱离
29.步骤2)完成后，缓慢降低温度，降温过程2个小时，自880℃降低到室温15℃-25℃。由于金刚石与钼之间的热膨胀系数不同，金刚石薄膜或从钼片表面脱落，得到自支撑金刚
石薄膜；
30.4).激光切割制作微悬臂梁
31.将得到的自支撑金刚石薄膜，用激光直写设备根据微悬臂梁的尺寸图案进行激光切割，先切割外形，然后再切割n形的狭缝，制得微悬臂梁。微悬臂梁狭缝切割区域靠近自支撑金刚石薄膜的中部，所得微悬臂梁位于自支撑金刚石薄膜的中部。
32.实施例2：一种用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，包括如下步骤；
33.1).基片台的准备
34.准备基片台，采用尺寸为2英寸的钼片，对其进行镜面抛光，钼片抛光后表面粗糙度《5nm。
35.2).金刚石薄膜生长
36.将上述抛光后的基片台放入到微波等离子体设备，通入甲烷和氢气，进行金刚石薄膜生长，甲烷浓度为5％，余量为氢气，温度为880℃，腔体压力为130mbar，微波功率为3500w，生长时间25小时，成长为厚度30μm的金刚石薄膜；
37.3).降温脱离
38.步骤2)完成后，缓慢降低温度，降温过程3个小时，自880℃降低到室温15℃-25℃。由于金刚石与钼之间的热膨胀系数不同，金刚石薄膜或从钼片表面脱落，得到自支撑金刚石薄膜；
39.4).激光切割制作微悬臂梁
40.将得到的自支撑金刚石薄膜，用激光直写设备根据微悬臂梁的尺寸图案进行激光切割，先切割外形，然后再切割n形的狭缝，制得微悬臂梁。微悬臂梁狭缝切割区域靠近自支撑金刚石薄膜的中部，所得微悬臂梁位于自支撑金刚石薄膜的中部。
41.实施例3：一种用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，包括如下步骤；
42.1).基片台的准备
43.准备基片台，采用尺寸为2英寸的钼片，对其进行镜面抛光，钼片抛光后表面粗糙度《5nm。
44.2).金刚石薄膜生长
45.将上述抛光后的基片台放入到微波等离子体设备，通入甲烷和氢气，进行金刚石薄膜生长，甲烷浓度为5％，余量为氢气，温度为880℃，腔体压力为130mbar，微波功率为3500w，生长时间40小时，成长为厚度50μm的金刚石薄膜；
46.3).降温脱离
47.步骤2)完成后，缓慢降低温度，降温过程4个小时，自880℃降低到室温15℃-25℃。由于金刚石与钼之间的热膨胀系数不同，金刚石薄膜或从钼片表面脱落，得到自支撑金刚石薄膜；
48.4).激光切割制作微悬臂梁
49.将得到的自支撑金刚石薄膜，用激光直写设备根据微悬臂梁的尺寸图案进行激光切割，先切割外形，然后再切割n形的狭缝，制得微悬臂梁。微悬臂梁狭缝切割区域靠近自支撑金刚石薄膜的中部，所得微悬臂梁位于自支撑金刚石薄膜的中部。
50.实施例4：一种用于光学传声金刚石微悬臂梁的制备方法，包括如下步骤；
51.1).基片台的准备
52.准备基片台，采用尺寸为2英寸的钼片，对其进行镜面抛光，钼片抛光后表面粗糙度《5nm。
53.2).金刚石薄膜生长
54.将上述抛光后的基片台放入到微波等离子体设备，通入甲烷和氢气，进行金刚石薄膜生长，甲烷浓度为5％，余量为氢气，温度为880℃，腔体压力为130mbar，微波功率为3500w，生长时间50小时，成长为厚度60μm的金刚石薄膜；
55.3).降温脱离
56.步骤2)完成后，缓慢降低温度，降温过程5个小时，自880℃降低到室温15℃-25℃。由于金刚石与钼之间的热膨胀系数不同，金刚石薄膜或从钼片表面脱落，得到自支撑金刚石薄膜；
57.4).激光切割制作微悬臂梁
58.将得到的自支撑金刚石薄膜，用激光直写设备根据微悬臂梁的尺寸图案进行激光切割，先切割外形，然后再切割n形的狭缝，制得微悬臂梁。微悬臂梁狭缝切割区域靠近自支撑金刚石薄膜的中部，所得微悬臂梁位于自支撑金刚石薄膜的中部。
59.下面是声光试验，用于验证上述实施例中得到的金刚石微悬臂梁的声光性能。
60.本试验分别将实施例2、3、4中制作的金刚石微悬臂梁拿去测试，
61.将金刚石微悬臂梁与光纤跳线固定于支架上，调整上述支架使上述光纤的陶瓷插芯端面与上述金刚石微悬臂梁表面相平行。在本实验中细微移动上述支架，使上述端面靠近上述悬臂梁表面，构成法布里-珀罗干涉仪。
62.本试验中采用1550nm波长的dfb激光器。上述激光器的入射光通过光纤环形器从上述陶瓷插芯端面射出，在上述金刚石微悬臂梁表面反射。上述反射光再通过上述环形器进入光电探测器，上述光电探测器将光强转换为电压输出至采集卡，并显示在电脑端。
63.该试验用于验证金刚石微悬臂梁在声场下的灵敏度和频率响应。在该试验中，将上述金刚石微悬臂梁、上述光纤跳线和上述支架放置于扬声器前。通过信号发生器控制上述扬声器产生1mpa压强、1khz频率的声波，然后提升上述信号发生器的电压，使上述声波压强升高，观察上述金刚石微悬臂梁的输出电压变化。
64.图3示出了上述金刚石微悬臂梁的灵敏度，分别表征了30μm、50μm厚度的金刚石微悬臂梁在1khz、1mpa-16mpa声波下的输出电压拟合曲线。
65.如图3所示，其中横轴为声压，纵轴为金刚石微悬臂梁的输出电压，其中，圆形表示30μm金刚石微悬臂梁，正方形表示50μm金刚石微悬臂梁。由图3可知，本发明公开的金刚石微悬臂梁具有良好的灵敏度，随着声压的升高，其输出电压呈现线性变化，根据光电探测器将光强转换为电压的工作原理可知，声压与该金刚石微悬臂梁反射后的光强也应是线性的对应关系，因此得出该金刚石微悬臂梁可以将声音信号转换为光学信号进行传输，实现声音信号的无介质传输，应用于需要传输声音，又没有传输介质的特定场合。
66.在本试验中，将100hz-14khz的声波信号分别施加在30μm、50μm厚度的金刚石微悬臂梁，测试出不同声波频率下的传声器灵敏度，描绘成频率响应曲线。图4-5示出了30μm、50μm厚度的金刚石微悬臂梁频率响应曲线图。其中横轴为上述扬声器施加的声场频率，纵轴为金刚石微悬臂梁的灵敏度，其中，圆形表示30μm金刚石微悬臂梁，正方形表示50μm金刚石微悬臂梁。由图4-5可知，本实施例公开的金刚石微悬臂梁在1k-6khz范围内频率响应较平
坦，能够覆盖的声波频率范围较宽，该微悬臂梁作为传声原件，其可适用的范围较大。