專利名稱：基于moems工藝集成角度傳感器的微掃描光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微掃描光柵，屬于光譜分析技術(shù)和MOEMS(Micro-Optical-Electro-Mechanical System)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用MOEMSエ藝制成的具有分光功能的掃描微光柵廣泛應(yīng)用于光學(xué)顯示、光譜分析、光學(xué)傳感，光通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的掃描光柵通常采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行光柵掃描，因而增大了光譜儀器的體積和系統(tǒng)本身的體積和能耗。目前隨著微機(jī)械和微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，微掃描光柵作為一種新的掃描和分光器件，具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、功耗低等特點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)光譜儀器的傳動(dòng)和分光機(jī)構(gòu)。按照微掃描光柵槽型分類，可以分為矩形相位光柵、矩形振幅光柵和閃耀光柵，一般而言閃耀光柵效率最高，但是這類硅基加工的微掃描光柵存在閃耀角過(guò)大以至于閃耀效 率降低的問(wèn)題；基于矩形相位光柵原理的微掃描光柵的效率低于前述閃耀式微掃描光柵的效率約百分之五，高于矩形振幅式微掃描光柵的效率百分之三十。按照光譜掃描的方式分為變光柵常數(shù)、變閃耀角、改變光柵掃描角度等方式，其各自特點(diǎn)如下I.變光柵常數(shù)式掃描光柵通過(guò)改變光柵常數(shù)從而可以改變衍射光的方向，可以達(dá)到光譜掃描的目的，具有簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，但是其一般采用SOI硅片或者表面硅加工技木，從而使光棚的成本提聞或者表面粗糖度提聞，不利于低成本聞效率光棚的制造。2.變閃耀角式掃描光柵在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中都使用表面硅加工エ藝，不利于高衍射效率的光柵制造，并且使用高的靜電電壓驅(qū)動(dòng)。3.變光柵掃描角式微光柵通過(guò)改變光柵掃描角度可以達(dá)到光譜掃描的目的,這種微掃描光柵可以選擇合理的驅(qū)動(dòng)方式可使得驅(qū)動(dòng)所需的功耗降低。但是一般采用單晶硅的自停止刻蝕原理進(jìn)行閃耀結(jié)構(gòu)的刻蝕，閃耀角為54. V，存在閃耀角過(guò)大而光柵外形尺寸有限的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中不能夠發(fā)揮閃耀光柵的優(yōu)勢(shì)。按照驅(qū)動(dòng)方式分為靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式掃描微光柵，其特點(diǎn)如下I.靜電驅(qū)動(dòng)式掃描光柵的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，功率消耗較小，適合于小距離，高速的光譜掃描，其缺點(diǎn)在于一般需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓，制造エ藝流程較為復(fù)雜，因此提高制動(dòng)效率是MOEMS掃描光柵的主要問(wèn)題。2.壓電驅(qū)動(dòng)式掃描光柵可以輸出較大的制動(dòng)力，從而可以擴(kuò)大光譜掃描范圍，缺點(diǎn)在于壓電材料的成膜エ藝較困難。3.電磁驅(qū)動(dòng)可以輸出較大的電磁力矩,制動(dòng)效率較高,所以微掃描光柵的掃描角度較大，可以使所應(yīng)用該類器件的光譜儀器光譜掃描范圍變大。4.熱驅(qū)動(dòng)式掃描光柵的特點(diǎn)在于工作頻率較低，并且熱制動(dòng)器具有遲滯效應(yīng)，微掃描光柵響應(yīng)速度往往比較慢。
按照角度監(jiān)測(cè)方式分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)角度的掃描光柵和被動(dòng)監(jiān)測(cè)角度的掃描光柵。到目前為止，對(duì)于集成有監(jiān)測(cè)光柵參數(shù)變化傳感器的掃描光柵研究較少。絕大多數(shù)多數(shù)掃描光柵采用了被動(dòng)監(jiān)測(cè)的辦法對(duì)光柵的可變參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，被動(dòng)監(jiān)測(cè)角度的掃描光柵主要依靠MOEMS器件同頻同相的特點(diǎn)，按照驅(qū)動(dòng)和輸出的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)微光柵的參數(shù)變化進(jìn)行估測(cè)，具有方法簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，適合于對(duì)角度監(jiān)測(cè)要求不高的場(chǎng)合。集成有監(jiān)測(cè)光柵參數(shù)變化傳感器的掃描光柵一般采用某種角度監(jiān)測(cè)辦法對(duì)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，該方法可以對(duì)微光柵進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)角度監(jiān)測(cè)，角度監(jiān)測(cè)更準(zhǔn)確。微型化、寬光譜、低功耗、高精度、高分辨率、掃描角度主動(dòng)式監(jiān)測(cè)是掃描光柵發(fā)展的重要方向。利用MOEMS的微加工技術(shù)制作集成有角度傳感器的掃描光柵是微光柵發(fā)展的ー個(gè)趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有微掃描光柵局限性而提出的ー種高衍射效率、集成壓阻 角度傳感器、電磁驅(qū)動(dòng)的基于MOEMSエ藝的掃描微光柵,它米用不同于其他掃描光柵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的主動(dòng)監(jiān)測(cè)，減小系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的便攜性。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)加以實(shí)現(xiàn)基于MEMSエ藝的集成角度傳感器的微掃描光柵,它由電磁驅(qū)動(dòng)單兀、壓阻角度傳感器單元、光柵衍射面単元和支撐扭轉(zhuǎn)梁単元四部分構(gòu)成。其中，磁驅(qū)動(dòng)単元部分由MOEMSエ藝加工的電磁驅(qū)動(dòng)線圈與永久磁鐵元件組成。為了使掃描微光柵做繞支撐扭轉(zhuǎn)梁扭轉(zhuǎn)，加載于電磁驅(qū)動(dòng)線圈的交流電壓Ui表示如下Ui=UmSin(Cot)其中Um為交流電壓幅值，ω為掃描微光柵的諧振頻率。所述電磁驅(qū)動(dòng)線圈應(yīng)用濺射和電鍍エ藝制作，埋層引線使用離子注入的方法制作。壓阻角度傳感器単元由壓阻角度傳感器和焊盤(pán)組成，該壓阻角度傳感器集成于掃描光柵的支撐扭轉(zhuǎn)梁上，壓阻角度傳感器為(100)硅的P型硅壓阻，該壓阻角度傳感器的方向與支撐扭轉(zhuǎn)梁成45°，布置于[110]晶向，對(duì)光柵工作面的偏轉(zhuǎn)角度起到監(jiān)測(cè)作用，壓阻條采用惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)的排布方式?？芍獟呙韫鈻排まD(zhuǎn)角度θτ與惠斯頓電橋輸出電壓V1關(guān)系為
,.,,Km;, 、η J1 == " r {π/Γ -π,τ )·ΘΓ4o:/r式中Vin為惠斯頓電橋輸入電壓；α和β是硅的支撐扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)系數(shù)；b支撐扭轉(zhuǎn)梁的寬度；G為硅的剪切模量；lx為支撐扭轉(zhuǎn)梁的長(zhǎng)度。所述支撐扭轉(zhuǎn)梁采用濕法減薄和等離子體刻蝕的エ藝加工而成；所述壓阻傳感器實(shí)用離子注入エ藝制作。光柵衍射面単元的光柵工作面槽型為矩形，光柵為位相型光柵，該槽型采用硅的濕法刻蝕完成，光柵常數(shù)可以根據(jù)要求自行設(shè)計(jì)。支撐扭轉(zhuǎn)梁起到支撐掃描光柵工作面的作用，可扭轉(zhuǎn)。當(dāng)入射波長(zhǎng)為λ平行光，入射角度為i (相對(duì)于靜態(tài)時(shí)的光柵表面)吋，經(jīng)過(guò)掃描光柵衍射后的出射光的衍射角度r可知為
~1 - sin (/+ ΘΓ) = sin r
式中d為光柵常數(shù)；k為衍射光譜級(jí)次。所述光柵表面采用硅的濕法硅刻蝕エ藝制作，表面鍍層采用電子束蒸發(fā)エ藝制作。本發(fā)明的器件整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成了電磁驅(qū)動(dòng)線圈和偏轉(zhuǎn)角度檢測(cè)傳感器，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)掃描光柵的偏轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而檢測(cè)衍射光線的出射情況。和現(xiàn)有微掃描光柵相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I)微掃描光柵使用體娃加工技術(shù)制造,光學(xué)表面質(zhì)量?jī)?yōu)于表面娃加工所得微掃描光柵光學(xué)表面質(zhì)量；2)使用普通的單晶硅片，與其他采用SOI硅片制造的微掃描光柵相比，硅片成本可降低到七分之一；3)在微掃描光柵的支撐扭轉(zhuǎn)梁上集成了惠斯頓電橋布局形式的壓阻傳感器，使得 掃描光柵的衍射光線的衍射角度可以得到實(shí)時(shí)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)，可以進(jìn)行連續(xù)光譜的重構(gòu)，并且掃描光柵可以進(jìn)行閉環(huán)的控制；4)使用濕法硅刻蝕エ藝制作相位光柵，可以有效提高光柵的衍射效率，降低成本；


圖I為集成角度傳感器的微掃描光柵的正面俯視圖。圖2為集成角度傳感器的壓阻角度傳感器的局部視圖。圖3是光柵工作面的局部截面圖。圖4是壓阻電阻的惠斯頓電橋連接圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明。參見(jiàn)圖I和圖2，本光柵是由支撐扭轉(zhuǎn)梁I、光柵工作面2 (背面)、微掃描光柵的外框3、支撐扭轉(zhuǎn)梁I (背面)上的壓阻角度傳感器4和5、高電位接觸焊盤(pán)6，壓阻外接電壓焊盤(pán)7、8和13、兩個(gè)定阻值電阻9和10、電磁驅(qū)動(dòng)線圈19、電磁驅(qū)動(dòng)線圈19的焊盤(pán)11，12組成。圖中14、15、16、17代表定阻值電阻9和10的焊盤(pán)。本光柵使用普通的單晶硅片，光柵工作面2由支撐扭轉(zhuǎn)梁I支撐在外框3中間，參見(jiàn)圖3，光柵工作面槽型為矩形，光柵為位相型光柵，該槽型采用硅的濕法刻蝕完成，光柵常數(shù)可以根據(jù)要求自行設(shè)計(jì)，圖中a為刻蝕光柵的保留部分，圖中b為刻蝕光柵的被刻蝕部分，20為鍍膜層。電磁驅(qū)動(dòng)線圈19在光柵工作面2背面，由MOEMSエ藝加工，電磁驅(qū)動(dòng)線圈應(yīng)用濺射和電鍍エ藝制作，埋層引線使用離子注入的方法制作。壓阻角度傳感器4、5集成于掃描光柵的支撐扭轉(zhuǎn)梁I上，壓阻角度傳感器4、5為(100)硅的P型硅壓阻，該壓阻角度傳感器的方向與支撐梁I成45°，布置于[110]晶向，對(duì)光柵工作面的偏轉(zhuǎn)角度起到監(jiān)測(cè)作用，壓阻條采用惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)的排布方式，參見(jiàn)圖4。工作方式電流經(jīng)過(guò)焊盤(pán)11、12流經(jīng)電磁驅(qū)動(dòng)線圈19，光柵工作面2由背面的電磁驅(qū)動(dòng)線圈19在磁場(chǎng)中所受的電磁力驅(qū)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于光柵工作面2發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所以經(jīng)過(guò)分光后的衍射光也跟隨著偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了光譜的分光與掃描；同時(shí)，在光柵工作面發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，由干支撐扭轉(zhuǎn)梁I的扭轉(zhuǎn)，在梁的內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致壓阻角度傳感器4、5的阻值發(fā)生變化，所以外部電路可以通過(guò)焊盤(pán)8、焊盤(pán)14的連接測(cè)量得到阻值的變化，進(jìn)而通過(guò)信號(hào)處理得到光柵工作面I的偏轉(zhuǎn)角度。本發(fā)明中為了提高傳感器的靈敏度，要求壓阻角度傳感器4、5與支撐扭轉(zhuǎn)梁I成45°角。
另外，本發(fā)明的光柵工作面的反射層采用了 Au作為反射層材料，可以提高衍射效率，同時(shí)用以抵消電磁驅(qū)動(dòng)過(guò)程中大電流引起硅的熱應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.基于MOEMSエ藝集成角度傳感器的微掃描光柵，它由電磁驅(qū)動(dòng)單元、壓阻角度傳感器単元、光柵衍射面単元和支撐扭轉(zhuǎn)梁?jiǎn)卧獦?gòu)成；其特征在于，所述電磁驅(qū)動(dòng)單元由MOEMSエ藝加工的電磁驅(qū)動(dòng)線圈(19)與永久磁鐵元件組成，為了使掃描微光柵做繞支撐扭轉(zhuǎn)梁(I)扭轉(zhuǎn)，加載于電磁驅(qū)動(dòng)線圈(19)的交流電壓Ui表示如下Ui=UmSin (ω ) 其中Um為交流電壓幅值，ω為掃描微光柵的諧振頻率；所述電磁驅(qū)動(dòng)線圈應(yīng)用濺射和電鍍エ藝制作，埋層引線使用離子注入的方法制作； 所述壓阻角度傳感器単元由壓阻角度傳感器(4、5)和焊盤(pán)(6)組成，該壓阻角度傳感器集成于掃描光柵的支撐扭轉(zhuǎn)梁(I)上，壓阻角度傳感器為(100)硅的P型硅壓阻，該壓阻角度傳感器的方向與支撐扭轉(zhuǎn)梁成45°，布置于[110]晶向，對(duì)光柵工作面的偏轉(zhuǎn)角度起到監(jiān)測(cè)作用，壓阻條采用惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)的排布方式， 所述光柵衍射面単元的光柵工作面(2)槽型為矩形，光柵為位相型光柵； 所述支撐扭轉(zhuǎn)梁(I)支撐掃描光柵工作面，可扭轉(zhuǎn)； 當(dāng)入射波長(zhǎng)為λ平行光，入射角度為i吋，經(jīng)過(guò)掃描光柵衍射后的出射光的衍射角度r為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于MOEMSエ藝集成角度傳感器的微掃描光柵,其特征在于所述掃描微光柵扭轉(zhuǎn)角度θ τ與惠斯頓電橋輸出電壓Vt關(guān)系為
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于MOEMSエ藝集成角度傳感器的微掃描光柵，其特征在于所述支撐扭轉(zhuǎn)梁采用濕法減薄和等離子體刻蝕的エ藝加工而成；所述壓阻角度傳感器使用離子注入エ藝制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于MOEMSエ藝集成角度傳感器的微掃描光柵，其特征在于所述光柵工作面(2)槽型采用硅的濕法刻蝕而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的基于MOEMSエ藝集成角度傳感器的微掃描光柵，其特征在于所述光柵表面采用硅的濕法硅刻蝕エ藝制作，表面鍍層采用電子束蒸發(fā)エ藝制作。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種高衍射效率、集成壓阻角度傳感器、電磁驅(qū)動(dòng)的基于MOEMS工藝的掃描微光柵，它由電磁驅(qū)動(dòng)單元，壓阻角度傳感器單元，光柵衍射面單元，支撐梁?jiǎn)卧牟糠謽?gòu)成。它采用不同于其他掃描光柵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的主動(dòng)監(jiān)測(cè)，減小系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的便攜性。
文檔編號(hào)G02B26/10GK102692705SQ20121019931
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月16日
發(fā)明者溫志渝, 羅彪 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)