Thin dielectric diaphragm pressure sensor with optical readout

광학적 신호감지의 유전박막 다이아프레임을 이용하는 압력센서

Optical intensity-type pressure sensor was fabricated by coupling optical fiber with a micromachined thin dielectric diaphragm, which consists of a 300 nm thick $SiO_{2}$ layer sandwiched between 150 nm thick top and bottom $Si_{3}N_{4}$ layers. At the wavelength of the sensor light source near $1.3\;{\mu}m$, the optical transmittance of the diaphragm was about 50 %, but it was decreased to a few percents by depositing $1,000\;{\AA}$ thick gold(Au) layer on the diaphragm, which is sufficient enough to be used as a light reflection layer of the sensor. From the optical output power-pressure characteristics of the sensors, it was found that the output power linearly decreased with increasing applied pressure from 0 to 77 torr regardless of the diaphragm size. The respective sensitivities were 0.52, 0.65, and 0.77 nW/torr for the diaphragm sizes of $3{\times}3$, $4{\times}4$, and $5{\times}5\;mm^{2}$, indicating that the sensitivity increases as diaphragm size decreases.

실리콘 미세가공 기술로 약 $0.6{\mu}m$ 두께의 150 nm-$Si_{3}N_{4}$/300 nm-$SiO_{2}$/150 nm-$Si_{3}N_{4}$ 다이아프레임을 실리콘 기판위에 형성하고, 이것과 광섬유를 결합하여 광강도형 압력센서를 제작하였다. 센서의 광원에서 사용하는 파장인 $1.3\;{\mu}m$ 근방에서 다이아프레임의 광투과도는 약 50 %였으나, 다이아프레임에 약 $1,000\;{\AA}$의 금(Au)을 증착하여 다이아프레임의 광투과도를 수 %정도로 감소시킬 수 있어서 이 다이아프레임을 센서의 광반사막으로 사용할 수 있었다. 다이아프레임의 크기를 $3{\times}3\;mm^{2}$, $4{\times}4\;mm^{2}$ 및 $5{\times}5\;mm^{2}$로 각각 변화시켜 제작한 센서에서, 센서의 광출력은 $0{\sim}77\;torr$의 측정압력범위에서 인가하는 압력을 중가 시킴에 따라 각각 선형적으로 감소하였으며, 이들 센서의 압력감도는 각각 0.52 nW/torr, 0.65 nW/torr 및 0.77 nW/torr로서 다이아프레임의 크기를 증가시킴에 따라 증가하였다.