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閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作方法

文檔序號(hào):5271558閱讀:564來源:國(guó)知局
專利名稱:閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于智能微型器件領(lǐng)域,主要涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、微加工技術(shù)以及光柵衍射技術(shù)等。
背景技術(shù)
閃耀光柵能將出射光的絕大部分能量集中到某一特定方向或特定衍射級(jí)或特定波長(zhǎng)上,極大提高了光柵的衍射效率,因此在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵是一種全新概念下的光柵,以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)為基礎(chǔ),米用微加工技術(shù)制作。通過對(duì)光柵驅(qū)動(dòng)電路的可編程控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵閃耀角的動(dòng)態(tài)調(diào)制,從而使衍射光譜產(chǎn)生相應(yīng)改變。閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵具有響應(yīng)速度快、成本低、可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn),在應(yīng)用中較傳統(tǒng)光柵具有更大的靈活性,極大拓展了光柵的應(yīng)用空間,提高了系統(tǒng)的微型化、集成化及智能化水平。美國(guó)空軍技術(shù)學(xué)院的D.M.Burns等人于1997年報(bào)道了幾種閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵(10th IEEE Int,I Conf.0n Micro Electro MechanicalSystems (MEMS), 1997, pp.55;Proc.SPIE, 1997, 3131:99.),采用標(biāo)準(zhǔn)化的 MUMPs 三層多晶娃表面微加工工藝,實(shí)現(xiàn)的最大可工作閃耀角對(duì)于雙向扭轉(zhuǎn)靜電驅(qū)動(dòng)式為1.25° ,對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)式為0.86°。2002年,美國(guó)加州大學(xué)和斯坦福大學(xué)的研究人員報(bào)道了一種相位和閃耀角同時(shí)可調(diào)的微機(jī)械光柵(Sensor.Actuat.A, 2002, 97-98:21.),采用上下四組梳齒驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)力,由MUMPs工藝制作,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大可工作閃耀角在0.8° 1.0°之間。可以看出,采用標(biāo)準(zhǔn)化表面微加工技術(shù)制備的閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的最大可工作閃耀角非常有限,主要是因?yàn)楸砻婀に囍锌衫玫目諝忾g隙非常小,通常只有2μπι左右。為了提高最大可工作閃耀角,本研究組提出了一種基于兩層多晶硅表面微加工技術(shù),通過大幅度增大Dimple結(jié)構(gòu)的深度來充分利用有限的空氣間隙,實(shí)現(xiàn)的最大可工作閃耀角超過 5.1。(光學(xué)學(xué)報(bào),2008,28:2220;Microsyst.Technol.,2009,15:853;中國(guó)激光,2008,35:211; Chinese Sc1.Bull.,2010,53:1.)。然而,通過研究發(fā)現(xiàn),利用表面工藝制作的微機(jī)械光柵,光學(xué)工作面的表面粗糙度較大,同時(shí)釋放孔等工藝結(jié)構(gòu)的引入減小了有效光學(xué)工作面積,這些都直接影響了器件的最終衍射效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是:為了克服表面加工閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的最大可工作閃耀角小、光學(xué)衍射效率低等方面的不足,本發(fā)明提出了一種新型的閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵制作工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案是:參閱圖1,所述的閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵包含基底I和置于基底I上的N組光柵單元;每組光柵單元包括一個(gè)下電極2、一個(gè)扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3和一個(gè)光柵反射梁4 ;所述下電極2置于基底I上;所述扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3及光柵反射梁4基于同一材料加工而成;光柵反射梁4通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連,懸置于基底I上;所述扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3通過接觸點(diǎn)向下懸置于光柵反射梁4上,且扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3的下端與基底I形成間隙;第i組光柵單元的下電極2與光柵反射梁4之間連接有驅(qū)動(dòng)電壓源5,電壓為Vi,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓Vi接通時(shí),第i組光柵單元的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3和光柵反射梁4在靜電力作用下向下運(yùn)動(dòng);當(dāng)扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3與基底I接觸之后,光柵反射梁4開始繞接觸點(diǎn)扭轉(zhuǎn),產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角Θ i ;參閱圖2,當(dāng)N組光柵單元的驅(qū)動(dòng)電壓Vi相等時(shí),光柵反射梁4產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角Θ i相等,扭轉(zhuǎn)角Θ i即為光柵的閃耀角;參閱圖3,當(dāng)N組光柵單元的驅(qū)動(dòng)電壓Vi不相等時(shí),光柵反射梁4產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角Θ i不相等,從而可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的衍射光譜。參閱圖4,所述閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝,包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖4 (a),在基底I上刻蝕出淺槽10 ;步驟2:參閱圖4(b),在基底I的淺槽10 —側(cè)淀積一層金屬薄膜,并刻蝕出圖形,形成下電極2 ;步驟3:參閱圖4(c),在導(dǎo)電的光柵結(jié)構(gòu)材料11的一側(cè)刻蝕出一定高度的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3,以及錨點(diǎn)12 ;步驟4:參閱圖4 (d),將由步驟2和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)12鍵合在一起;步驟5:參閱圖4(e),將光柵結(jié)構(gòu)材料11減薄至所需厚度;步驟6:參閱圖4(f),對(duì)光柵結(jié)構(gòu)材料11進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁4,它通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連。參閱圖5,第二種所述閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝,包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖5 (a),在基底I上淀積一層金屬薄膜,并刻蝕出圖形,形成下電極2 ;步驟2:參閱圖5(b),在導(dǎo)電的光柵結(jié)構(gòu)材料11的一側(cè)刻蝕出一定高度的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3,以及錨點(diǎn)12 ;步驟3:參閱圖5 (C),對(duì)形成的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3以及錨點(diǎn)12進(jìn)行刻蝕,使扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3的高度低于錨點(diǎn)12的高度。步驟4:參閱圖5 (d),將由步驟I和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)12鍵合在一起;步驟5:參閱圖5(e),將光柵結(jié)構(gòu)材料11減薄至所需厚度;步驟6:參閱圖5(f),對(duì)光柵結(jié)構(gòu)材料11進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁4,它通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出的用于閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作工藝,采用體硅干法刻蝕技術(shù)結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光減薄技術(shù),能夠?qū)⒐鈱W(xué)工作面的表面粗糙度控制在納米級(jí),可極大提高器件的光學(xué)效率;同時(shí),具有比表面工藝大的多、且工藝可調(diào)的空氣間隙,能大幅度提高器件的最大可工作閃耀角。本發(fā)明將促進(jìn)閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。


圖1至圖3是本專利方法所涉及的閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵工作示意圖;圖4是實(shí)施例1中閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝示意圖5是實(shí)施例2中閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝示意圖;圖6是實(shí)施例3中閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝示意圖。其中:1-基底;2_下電極;3_扭轉(zhuǎn)支點(diǎn);4_光柵反射梁;5_電壓源;10_淺槽;11-光柵結(jié)構(gòu)材料;12-錨點(diǎn);13-基底硅;14-氧化層;15-器件硅;16-支撐梁。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參閱圖4,本實(shí)施例中用于閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝,包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖4 (a),在硅基底I上刻蝕出I 2 μ m深的淺槽10 ;步驟2:參閱圖4 (b),在硅基底I的淺槽10 —側(cè)淀積一層IOOnm厚的金膜,并刻蝕出圖形,形成下電極2 ;步驟3:參閱圖4 (C),在摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11的一側(cè)刻蝕出5 μ m高的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3,以及錨點(diǎn)12 ;步驟4:參閱圖4 (d),將由步驟2和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)12鍵合在一起;步驟5:參閱圖4 (e),將摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11減薄至5 μ m厚;步驟6:參閱圖4(f),對(duì)摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁4,它通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連。實(shí)施例2參閱圖5,本實(shí)施例中用于閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝,包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖5(a),在硅基底I上淀積一層IOOnm厚的銀膜,并刻蝕出圖形,形成下電極2 ;步驟2:參閱圖5 (b),在摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11的一側(cè)刻蝕出5 μ m高的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3,以及錨點(diǎn)12 ;步驟3:參閱圖5 (C),對(duì)形成的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3以及錨點(diǎn)12進(jìn)行刻蝕,使扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3的高度低于錨點(diǎn)12的高度。步驟4:參閱圖5 (d),將由步驟I和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)12鍵合在一起;步驟5:參閱圖5 (e),將摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11減薄至5 μ m厚;步驟6:參閱圖5 (f),對(duì)摻雜硅光柵結(jié)構(gòu)材料11進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁4,它通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連。實(shí)施例3參閱圖6,本實(shí)施例中用于閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的體硅干法刻蝕工藝,包括如下基本的工藝步驟:步驟1:參閱圖6 (a),在玻璃基底I上刻蝕出I 2 μ m深的淺槽10 ;步驟2:參閱圖6 (b),在玻璃基底I的淺槽10 —側(cè)淀積一層150nm厚的金膜,并刻蝕出圖形,形成下電極2 ;步驟3:參閱圖6 (C),采用SOI硅片作為光柵結(jié)構(gòu)材料11,它包括400 μ m厚的基底硅13、1μπι厚的氧化層14以及15 μ m厚的器件硅15。在器件硅15上刻蝕出IOym高的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)3,以及錨點(diǎn)12 ;步驟4:參閱圖6 (d),將由步驟2和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)12鍵合在一起;步驟5:參閱圖6 (e),刻蝕掉光柵結(jié)構(gòu)材料11的基底硅13和氧化層14,剩下5 μ m厚的器件娃15。步驟6:參閱圖6(f),對(duì)器件硅15進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁4,它通過支撐梁16與錨點(diǎn)12相連。
權(quán)利要求
1.閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟1:在基底(I)上刻蝕出淺槽(10); 步驟2:在基底(I)的淺槽(10)—側(cè)淀積一層金屬薄膜,并刻蝕出圖形,形成下電極(2); 步驟3:在導(dǎo)電的光柵結(jié)構(gòu)材料(11)的一側(cè)刻蝕出扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)(3),以及錨點(diǎn)(12); 步驟4:將由步驟2和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)(12)鍵合在一起; 步驟5:將光柵結(jié)構(gòu)材料(11)減薄至所需厚度; 步驟6:對(duì)光柵結(jié)構(gòu)材料(11)進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁(4),它通過支撐梁(16)與錨點(diǎn)(12)相連。
2.閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作方法,其特征在于,包括如下步驟: 步驟1:在基底(I)上淀積一層金屬薄膜,并刻蝕出圖形,形成下電極(2); 步驟2:在導(dǎo)電的光柵結(jié)構(gòu)材料(11)的一側(cè)刻蝕出一定高度的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)(3),以及錨點(diǎn) (12); 步驟3:對(duì)形成的扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)(3)以及錨點(diǎn)(12)進(jìn)行刻蝕,使扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)(3)的高度低于錨點(diǎn)(12)的高度。
步驟4:將由步驟I和步驟3得到的結(jié)構(gòu)通過錨點(diǎn)(12)鍵合在一起; 步驟5:將光柵結(jié)構(gòu)材料(11)減薄至所需厚度; 步驟6:對(duì)光柵結(jié)構(gòu)材料(11)進(jìn)行刻蝕,得到光柵反射梁(4),它通過支撐梁(16)與錨點(diǎn)(12)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了兩種基于體硅干法刻蝕技術(shù)的閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵的制作方法,主要涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、微加工技術(shù)以及光柵衍射技術(shù)等。該方法包括刻蝕淺槽、淀積金屬薄膜并刻蝕形成下電極、刻蝕出扭轉(zhuǎn)支點(diǎn)和錨點(diǎn)、鍵合、減薄、刻蝕得到光柵反射梁等過程。該方法能夠?qū)⒐鈱W(xué)工作面的表面粗糙度控制在納米級(jí),可極大提高器件的光學(xué)效率;同時(shí),具有比表面工藝大的多、且工藝可調(diào)的空氣間隙,能大幅度提高器件的最大可工作閃耀角。本發(fā)明將促進(jìn)閃耀角可調(diào)微機(jī)械光柵在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103076676SQ20131001981
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者虞益挺, 苑偉政, 喬大勇 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)
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