百葉窗式mems大轉角可調閃耀光柵光調製器及其陣列的製作方法
2023-05-08 04:13:11
百葉窗式mems大轉角可調閃耀光柵光調製器及其陣列的製作方法
【專利摘要】本發明涉及MEMS光調製器【技術領域】，具體涉及一種MEMS閃耀光柵光調製器和陣列:所述百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器，包括矽襯底以及設置於矽襯底上的絕緣層、可動框架、柔性梁、光柵鏡面、雙層梳齒驅動結構、彈性懸臂梁、偏壓施加裝置及多個柱子；所述光柵鏡面一側通過支撐梁和2個柱子固定在襯底表面,另一側通過變形梁與可動框架連接，由雙層梳齒驅動結構驅動；所述偏壓施加裝置，可產生不同電平、不同頻率的驅動電壓施加在動齒與定齒之間，使動齒發生偏轉和移動，帶動可動框架，可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面，產生偏轉。本結構使MEMS閃耀光柵具有轉動角度大、連續模擬可調、可控能力好、衍射效率高、調諧頻率高、防止粘附失效的優點。
【專利說明】百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器及其陣列
【技術領域】
[0001]本發明涉及MEMS光調製器【技術領域】，具體涉及一種MEMS閃耀光柵光調製器和陣列。
【背景技術】
[0002]光柵也稱衍射光柵，利用多縫衍射原理讓光發生色散，是光學系統中廣泛應用的重要衍射元件，也是光譜分析設備的核心器件。它是一塊刻有很非常多的平行等寬、等距離狹縫的平面玻璃或金屬片，光柵夾縫一般為每毫米幾十到幾千條。單色平行光通過光柵後會形成暗條紋較寬、亮條紋較細的圖樣，稱為譜線。譜線的位置隨波長而定。複色平行光通過光柵後，波長不同的譜線出現在不同在位置形成光譜，光譜是多縫衍射與單縫幹涉共同作用的結果。當光柵刻劃成鋸齒形狀的線槽斷面時，光能量集中於某一光譜級上。由此方向探測，可得到最大光譜強度，這種現象便稱為閃耀，這種光柵就是閃耀光柵。在閃耀光柵中，起衍射作用的是一個光滑的平面，它與光柵表面有一夾角，稱為閃耀角。最大光強對應的波長稱為閃耀波長。閃耀光柵具有零級分光的特性，有很高的光譜分辨力和衍射效率，成為實用衍射光柵的主要類型，可應用於光譜儀、光通信、精密測量、雷射整形、單色儀、顯示等方面。
[0003]近幾年，隨著矽微加工技術的迅速發展和製作矽光柵技術的提高，對新型光柵的研究發展也受到更加廣泛的重視。在這樣的背景下，一種新型的光柵一可動閃耀光柵誕生了。可動閃耀光柵是基於MOEMS (微光機電技術)的新型光學器件,它的應用可以大大降低現有光譜儀的價格和尺寸。新型可動閃耀光柵的優點是:採用梳齒驅動，轉動角度大，可以用來製作集成光譜儀，這使得製作集成式微型光譜儀、集成光開關成為可能。
[0004]傳統的閃耀光柵其光器陣列一旦刻劃完成，其光柵參數就固定了，光柵衍射角度也就不可調諧。而隨著MEMS (微機電系統)器件和矽微加工技術的迅速發展，各種可調諧的閃耀光柵隨之產生。這類器件相對於傳統器件，具有可大批量製造、單位成本低、體積微小、方便靈活、性能可靠等優勢，獲得高速的發展和廣泛的應用。它們通過調諧不同的光柵參數，達到改變衍射角度的目的。比如改變閃耀光柵常數(光柵條的間距)或閃耀光柵角度都可以達到調諧目的。典型的例子如西北工業大學提出的申請號為200910021322.3的中國發明專利中的周期可調微機械光柵就是通過調節光柵周期也就是光柵常數的方式。但是，調諧閃耀光柵常數的調製器，因為其光柵條寬固定，所以在調諧拉開光柵條間距的同時會產生較大的空隙，降低了衍射效率。另一類器件，通過調諧閃耀光柵角度可以得到更高的衍射效率。這類器件又分成兩種類型:閃耀光柵陣列整體旋轉型和閃耀光柵陣列中光柵條單獨旋轉型。但是，現有的這兩類器件受限於MEMS加工工藝，其驅動方式大多採用靜電驅動，如西北工業大學提出的申請號為201310019811.1的中國發明專利中的閃耀角可調微機械光柵和重慶大學提出的申請號為200510020184.9的中國發明專利中的懸臂梁式閃耀光柵光調製器的結構就是用靜電驅動。由於靜電驅動要求驅動電極和光柵面之間的間距較小才能以小於矽片擊穿電壓產生偏轉效果，並且由於吸合現象使得這個間距只有約1/3左右的行程可用，所以光柵條轉動角度都比較小，使得光調製器調諧能力受限。而且靜電下拉光柵條時，容易由於吸合現象的產生導致光柵條粘附到底面而產生失效。也有使用外加磁場或SMA (形狀記憶合金)驅動的可調諧閃耀光柵，但驅動方式限制了其調諧頻率(開關速度)不高。
【發明內容】
[0005]為了更好地解決上述問題，本發明提出一種百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器，可應用於光譜儀、光通信、精密測量、雷射整形、顯示等領域。
[0006]本發明提出的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器，發明解決其技術問題所採用的技術方案如下:
[0007]百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器包括矽襯底以及設置於矽襯底上的絕緣層、梳齒驅動、光柵鏡面、彈性懸臂梁、可動框架、柔性梁、光柵鏡面、雙層梳齒驅動結構、彈性懸臂梁、偏壓施加裝置及多個柱子；所述光柵鏡面通過彈性懸臂梁及可動框架懸空支撐於絕緣層上方，光柵鏡面的一側通過支撐梁和2個柱子固定在襯底表面，另一側通過變形梁與可動框架連接，可動框架由柔性梁支撐在絕緣層上方，由雙層梳齒驅動結構驅動，雙層梳齒驅動結構由定齒和動齒組成，定齒通過柱子固定在襯底表面，動齒與可動框架是一體的，動齒布置在定齒上方，與定齒交錯，所述偏壓施加裝置，可產生不同電平、不同頻率的驅動電壓施加在動齒與定齒之間，使動齒發生偏轉和移動，帶動可動框架，可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面，產生偏轉。
[0008]進一步，所述的雙層梳齒驅動結構有兩部分，分布在可動框架兩側，其一側施加電壓可以使可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面偏轉，另一側施加電壓可以使光柵鏡面的偏轉回復。
[0009]本發明還提供所述的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器組成的光柵光調製器陣列，所述百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列由至少2個百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器的光柵鏡面並列而成，所有光柵鏡面通過變形梁與可動框架連接，並處於可動框架範圍內，共用一套梳齒驅動結構，雙層梳齒驅動結構布局在有效衍射光柵面的外圍可動框架的四個角上，多個百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器在偏壓施加裝置控制下一起動作，形如百葉窗的開合。
[0010]實現前述百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器結構可以有很多不同加工工藝，其中一種推薦的加工工藝包括如下步驟:
[0011]I)用深槽反應離子刻蝕把掩膜板覆蓋的地方刻蝕成底部梳齒圖形；
[0012]2)經過鍵合、器件層的研磨/拋光、熱氧化後，把矽襯底與頂部矽層連接起來形成SOI
[0013]晶片；
[0014]3)用自對準掩膜板2刻蝕出頂部梳齒圖形，並對步驟2)中得到的氧化層進行刻蝕；
[0015]4)用HF去除自對準掩膜板和氧化層；
[0016]5)頂層光柵鏡面濺射或者蒸鍍鋁或金作為反射面。
[0017]百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器，它具有MEMS可調諧的閃耀光柵調製器可大批量製造、單位成本低、體積微小、方便靈活、性能可靠的優點，相比於其它MEMS可調諧的閃耀光柵調製器，還具有轉動角度大、連續模擬可調、可控能力好、衍射效率高、調諧頻率高的優點。
[0018]本發明百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器所述的雙層梳齒驅動結構採用深槽刻蝕工藝製作，深寬比較高，使得光柵鏡面偏轉角度大，光柵光調製器分光範圍廣。而且所述的雙層梳齒驅動結構，使得光柵鏡面具有近似於線性的長程運動曲線，使得光柵光調製器連續模擬可調，可控能力好。
[0019]還可按進一步方案，將雙層梳齒驅動結構布置在可動框架兩側，這樣，其一側施加電壓可以使可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面偏轉，另一側施加電壓可以使光柵鏡面的偏轉回復，交替施加電壓使得光柵鏡面可靠偏轉和閉合，形如百葉窗開合。這樣，即使在光柵鏡面偏轉時與底面絕緣層發生了粘附，可在另一側雙層梳齒驅動結構施加電壓可以得到一個較大的驅動力，使得光柵鏡面偏轉可靠回復，這比單純的利用支撐可動框架的柔性支撐梁的彈性回復力更強，相比靜電驅動方式而言有效地避免了粘附失效現象，提高了調諧頻率。而且，所述的雙層梳齒驅動方式相對於SMA、磁力驅動方式能獲得更高的調諧頻率。
[0020]所述的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列，相鄰光柵鏡面間的間隙小，梳齒驅動結構布局在有效衍射光柵面的外圍可動框架的四個角上，這樣使得在形成光柵陣列時有效光學衍射面間隙很小，明顯提高了衍射效率。
[0021]本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1示出百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器結構示意圖。
[0023]圖2示出百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]以下將對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0025]參見圖1，本實施例的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器矽襯底I以及設置於矽襯底I上的絕緣層2，光柵鏡面3通過彈性懸臂梁及可動框架4懸空支撐於絕緣層2上方，光柵的一側通過支撐梁5和兩個柱子6固定在襯底表面，另一側通過變形梁7與可動框架4連接。可動框架4由柔性支撐梁8和柱子9固定在襯底I表面。定齒10與動齒11組成梳齒驅動器，共有兩組，定齒10固定在襯底I表面，動齒11與可動框架4是一體的。定齒10及動齒11呈上下空間交錯排列，其上均設置電極。以圖1中所示，與襯底I寬度方向平行的X方向為正方向。在定齒10與動齒11之間施加電壓，可動框架4將往定齒10方向斜下側移動。因為光柵鏡面3的一側已經通過支撐梁5與柱子6固定在襯底I表面上，所以光柵鏡面3的此面不動，通過變形梁7的拉動，光柵鏡面3就可以向下偏轉。由於光柵鏡面3的兩端均有一組雙層梳齒驅動器，這樣，其一側施加電壓可以使可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面偏轉，另一側施加電壓可以使光柵鏡面的偏轉回復，交替施加電壓使得光柵鏡面可靠偏轉和閉合，形如百葉窗開合。這樣，即使在光柵鏡面偏轉時與底面絕緣層發生了粘附，可在另一側雙層梳齒驅動結構施加電壓可以得到一個較大的驅動力，使得光柵鏡面偏轉可靠回復，這比單純的利用支撐可動框架的柔性支撐梁的彈性回復力更強，相比靜電驅動方式而言有效地避免了粘附失效現象，提高了調諧頻率。而且，所述的雙層梳齒驅動方式相對於SMA、磁力驅動方式能獲得更高的調諧頻率。
[0026]圖2中百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列動作原理與上面所述相同，只是陣列中每個閃耀光柵光調製器鏡面共用了一組雙層梳齒驅動器。
[0027]本實施例的雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調製器結構參數如下:
[0028]光柵鏡面長度1000um 光柵鏡面寬度IOOum 光柵鏡面高度10.5um[0029]梳齒長度 50um 梳齒寬度 IOum 梳齒高度 40um
[0030]柱子長度 20um 柱子寬度 20um 柱子聞度 90um
[0031]變形梁長度130um 變形梁寬度8um變形梁高度 0.5um
[0032]支撐梁長度85um 支撐梁寬度8um支撐梁高度 0.5um
[0033]可通過如下方法製作上述雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調製器:
[0034]I)首先準備P單晶矽晶片，然後用各向異性深度反應離子刻蝕把掩膜板一覆蓋的底部梳齒刻蝕成矽晶片，屏蔽層用的是1.6mm正光刻膠，接觸光刻機用於處理所有的光刻步驟；
[0035]2)在步驟I)的矽晶片上使用溼法氧化澱積一層厚度為200nm的氮化矽作為絕緣層；
[0036]3)使用各向異性深度反應離子刻蝕矽刻蝕機把覆蓋頂部和底部梳齒圖案的自對準掩膜板二刻蝕在頂部矽器件層；
[0037]4)晶片再次在深度反應離子刻蝕矽刻蝕機中刻蝕，為了消除底部梳齒中多餘的矽；
[0038]5)最後，利用氫氟酸腐蝕掉殘留在底部的氧化物，在光柵的頂層、鏤空處表面以及絕緣層上派射或蒸鍍金或招500nm,形成反射面。
[0039]百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器主要用於形成光柵光調製器陣列，可應用於光譜儀、光通信、精密測量、雷射整形、顯示等領域。
[0040]如西北工業大學提出的申請號為201310019811.1的中國發明專利中的閃耀角可調微機械光柵和重慶大學提出的申請號為200510020184.9的中國發明專利中的懸臂梁式閃耀光柵光調製器在進行光柵下拉過程中只能單面進行平動，光柵條轉動角度都比較小，另外，類似懸臂梁式閃耀光柵光調製器結構其驅動方式大多採用靜電驅動。由於靜電驅動要求驅動電極和光柵面之間的間距較小才能以小於矽片擊穿電壓產生偏轉效果，並且由於吸合現象使得這個間距只有約1/3左右的行程可用，所以光柵條轉動角度都比較小。而百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器採用深槽刻蝕工藝可以得到深寬比較高的梳齒結構，這種梳齒驅動使得偏轉角度也較大，使得光調製器調諧能力得到提高。而且所述的雙層梳齒驅動結構，使得光柵鏡面具有近似於線性的長程運動曲線，使得光柵光調製器連續模擬可調，可控能力好。
[0041]改變閃耀光柵常數(光柵條的間距)或閃耀光柵角度都可以達到調諧目的。但是，調諧閃耀光柵常數的調製器，因為其光柵條寬固定，所以在調諧拉開光柵條間距的同時會產生較大的空隙，降低了衍射效率，而百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列，相鄰光柵鏡面間的間隙小，梳齒驅動結構布局在有效衍射光柵面的外圍可動框架的四個角上，這樣使得在形成光柵陣列時有效光學衍射面間隙很小，明顯提高了衍射效率。
[0042]以上所述僅為本發明的優選實施例，並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器其特徵在於:包括矽襯底以及設置於矽襯底上的絕緣層、可動框架、柔性梁、光柵鏡面、雙層梳齒驅動結構、彈性懸臂梁、偏壓施加裝置及多個柱子；所述光柵鏡面通過彈性懸臂梁及可動框架懸空支撐於絕緣層上方，光柵鏡面的一側通過支撐梁和2個柱子固定在襯底表面，另一側通過變形梁與可動框架連接，可動框架由柔性梁支撐在絕緣層上方，由雙層梳齒驅動結構驅動，雙層梳齒驅動結構由定齒和動齒組成，定齒通過柱子固定在襯底表面，動齒與可動框架是一體的，動齒布置在定齒上方，與定齒交錯，所述偏壓施加裝置，可產生不同電平、不同頻率的驅動電壓施加在動齒與定齒之間，使動齒發生偏轉和移動，帶動可動框架，可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面，產生偏轉。
2.根據權利要求1所述的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器，其特徵在於:所述的雙層梳齒驅動結構有兩部分，分布在可動框架兩側，其一側施加電壓可以使可動框架通過變形梁拉動光柵鏡面偏轉，另一側施加電壓可以使光柵鏡面的偏轉回復。
3.根據權利要求1至2中任一項所述的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列，其特徵在於:所述的百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器陣列由至少2個百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器的光柵鏡面並列而成，所有光柵鏡面通過變形梁與可動框架連接，並處於可動框架範圍內，共用一套梳齒驅動結構，雙層梳齒驅動結構布局在有效衍射光柵面的外圍可動框架的四個角上，多個百葉窗式MEMS大轉角可調閃耀光柵光調製器在偏壓施 加裝置控制下一起動作，形如百葉窗的開合。
【文檔編號】B81B3/00GK103901610SQ201410116482
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月26日 優先權日:2014年3月26日
【發明者】張智海, 路遠, 張文凱, 高玲肖 申請人:重慶大學