CN103487931A - 微机械可调法布里-珀罗干涉仪装置及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械可调法布里-珀罗干涉仪装置及其生产方法。其中，通过微机械（MEMS）技术生产可控法布里-珀罗干涉仪。现有技术干涉仪的温度漂移造成不准确性并且需要复杂封装。根据本发明，该干涉仪装置在同一基板上具有电可调干涉仪和参考干涉仪两者。使用该参考干涉仪测量温度漂移，并且该信息用于补偿利用可调干涉仪进行的测量。因此，可提高测量的准确性和稳定性，并且减轻了对于封装的需求。

Description

微机械可调法布里-珀罗干涉仪装置及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种法布里-珀罗干涉仪装置以及生产法布里-珀罗干涉仪装置的方法。更具体而言，本发明涉及采用微机械（MEMS）技术生产的可调法布里-珀罗干涉仪。在独立权利要求的前序部分指明了本发明的技术领域。

背景技术

例如，法布里-珀罗干涉仪用作滤光器并且用于光谱传感器。法布里-珀罗干涉仪基于两个镜，其中，法布里-珀罗腔形成在镜之间的间隙中。通过调节镜之间的距离（即，间隙的宽度），可控制法布里-珀罗干涉仪的通带波长。通常使用微机械技术生产法布里-珀罗干涉仪。例如，在专利文献FI95838中描述了这种方案。

微机械干涉仪通常包括基板以及具有两种不同折射率材料（例如，二氧化硅和硅）的层。干涉仪的镜由这两种材料的交替层构成。通过去除最初形成在两个镜之间的牺牲层，提供活动镜。通过将电压施加至包含在镜结构中的电极，控制活动镜的位置。

微机械生产技术允许批量生产干涉仪。然而，存在着与现有技术的干涉仪元件相关的某些缺点。为了避免由于环境变化造成干涉仪的不稳定，现有技术的法布里-珀罗干涉仪对于干涉仪的封装具有较高的要求。然而，在很多应用中，例如，汽车工业，必须保持较低的元件成本，而提供特殊的封装会造成生产成本上升。也非常难以避免环境温度的变化对于干涉仪温度的影响。结果，在干涉仪的波长响应中发生温度漂移，并且干涉仪的稳定性不够高。

发明内容

本发明的一个目标在于，避免或减少现有技术的缺点。

通过以下技术方案实现本发明的目标，其中，法布里-珀罗干涉仪装置在同一基板上包括电可调干涉仪和参考干涉仪。例如，连同利用可调干涉仪进行的各个测量，测量该参考干涉仪的响应。温度变化的影响对于这两个干涉仪是相似的，因此，参考干涉仪的响应的测量可用于对可调干涉仪的测量结果进行温度补偿。如果仍需要更精确的温度补偿，那么除了通过参考干涉仪进行补偿，还能够使用基于温度测量的补偿。

参考干涉仪覆盖一部分孔径，其中，传播通过干涉仪装置的部分辐射穿过参考干涉仪。优选地，由探测器接收穿过该孔径的所有辐射。在从辐射源中接收并且利用干涉仪进行扫描时，在参考干涉仪的标称波长处可检测到峰值。由于温度变化，峰值的波长漂移，并且根据该漂移，可推导出补偿需求。优选地，为了检测到峰值，参考干涉仪被设计为使其峰值在可调干涉仪操作的正常范围内。也最好将参考干涉仪的峰值波长设计成位于利用可调干涉仪测量的材料的吸收范围之外。这样，该材料不会影响参考干涉仪的功能。

一种法布里-珀罗干涉仪装置，其具有允许辐射传输的孔径，所述装置包括电可调法布里-珀罗干涉仪，该电可调法布里-珀罗干涉仪具有

-基板，

-第一镜结构，在所述基板上，

-第二活动镜结构，其中，所述第一镜结构和第二镜结构包括基本平行的第一镜和第二镜，

-法布里-珀罗腔，位于所述第一镜和第二镜之间，

-电极，用于电气控制所述镜之间的距离，

其特征在于

所述装置在所述基板的相反表面包括至少一个另外的镜结构，用于在所述装置的孔径内形成参考法布里-珀罗干涉仪。

一种用于生产参考法布里-珀罗干涉仪装置的方法，其中

-设置基板，

-在所述基板上设置第一镜结构，

-设置第二活动镜结构，其中，所述第一镜结构和第二镜结构包括基本平行的第一镜和第二镜，

-在所述第一镜和第二镜之间设置法布里-珀罗腔，

-设置电极，用于电气控制所述镜之间的距离，

其特征在于

在所述基板的相反表面设置至少一个另外的镜结构，用于提供参考干涉仪。

在从属权利要求中描述了本发明的某些优选实施方式。

根据本发明的一个实施方式，该装置在所述基板的相反表面包括两个另外的镜结构，即，第三镜结构和第四镜结构，在所述第三和第四镜结构之间具有确定的间隙，其中，所述间隙用作腔，并且所述第三和第四镜结构用作参考法布里-珀罗干涉仪的镜。在另一个实施方式中，所述第三和第四镜之间的间隙包括固体材料。

根据本发明的另一个实施方式，参考法布里-珀罗干涉仪在所述基板的相反表面上包括电可调法布里-珀罗干涉仪的固定镜结构、作为腔的基板、以及一个另外的镜结构。在另一个实施方式中，该基板在所述参考法布里-珀罗干涉仪的区域包括多个阱，其中，该另外的镜结构至少部分位于阱的底部表面。

根据一个实施方式，参考法布里-珀罗干涉仪覆盖所述装置的孔径的边缘区域。

根据又一个实施方式，该装置包括用于形成所述孔径的图案化材料层，其中，所述图案化材料层位于所述参考法布里-珀罗干涉仪的另外的镜结构上。

根据一个实施方式，在基板的相对侧同时沉积镜层。在本发明的另一个实施方式内，与可调干涉仪的镜层独立地沉积参考干涉仪的镜层。这样，能够独立地针对这两个干涉仪选择这些层的材料、厚度以及数量。

与现有已知的解决方案相比时，可通过本发明实现显著的优点。由于可在很大程度上补偿温度变化的影响，所以能够实现较高的温度稳定性。也能够降低对于封装的需求，从而减小封装和整体元件/系统的成本。而且，在更严酷的条件下，也能够使用干涉仪。

根据本发明的干涉仪非常适合于各种波长范围。需要选择用于基板以及对于工作波长透明的镜层的材料。也需要选择参考干涉仪的工作波长，使得光源和干涉仪之间的任何材料基本上不吸收辐射。

除了温度补偿以外，例如，本发明也可用于补偿法布里-珀罗干涉仪上的机械振动的影响。

在本专利申请中，术语“镜”表示具有反射光的一层或一组层的结构。

在本专利申请中，术语“辐射”或“光”用于表示波长的光学范围内的任何辐射。

在本专利申请中，“间隙宽度”表示在有关位置的镜之间的距离。例如，该间隙能够为真空或包括可为空气或其他气体的物质。在参考法布里-珀罗干涉仪内，该间隙优选地包括固体材料。

在本专利申请中，基板的“正面”表示主法布里-珀罗干涉仪的镜所在的表面。参考法布里-珀罗干涉仪位于相反的表面或“背面”。

附图说明

在以下部分中，通过参照附图，更详细地描述本发明的优选示例性实施方式，其中：

图1示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪装置的横截面；

图2a示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪装置的正视图；

图2b示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪装置的后视图；

图3示出了用于生产法布里-珀罗干涉仪装置的根据本发明的示例性工艺的流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪的横截面。干涉仪具有（例如）为单晶硅材料的基板100，在该基板上存在着按照层101至105设置的固定镜的反射层，其中，例如，层102和104是多晶硅，层101、103和105是二氧化硅。该图未示出可位于固定镜结构上的电极层。

干涉仪具有第二活动镜，其具有反射层111至115。例如，层112和114为多晶硅，层111、113和115为二氧化硅。该图未示出可位于活动镜结构上的电极层。

由已经从中去除了牺牲层的空间150形成干涉仪的腔。例如，由蒸汽HF穿过第二镜结构的孔（未示出）蚀刻该牺牲层。第二镜因此成为可活动的。已经从干涉仪的光学区域中去除牺牲层，但是未从牺牲层的边缘155去除该牺牲层。

干涉仪装置的背面具有参考干涉仪层。在图1的装置中，第三镜结构具有反射层121至125，这些层分别与电可调干涉仪的层101至105对应。第四镜结构具有反射层131至135，这些层分别与电可调干涉仪的层111至115对应。参考干涉仪的法布里-珀罗腔165所包含的材料与电可调干涉仪的牺牲层内所使用的材料相同。

例如，在干涉仪装置的背面，可具有保护层，其可保护材料不潮湿并且用作抗反射层。

例如通过铝或在干涉仪的工作范围内不传输辐射的一些其他材料的图案化层140形成用于进行辐射的孔径。该装置的孔径160具有中央区域161，该中央区域没有参考法布里-珀罗干涉仪的层。参考干涉仪延伸到孔径的边缘区域162。

在上述结构中，辐射穿过基板100，因此，该基板必须对于干涉仪的工作波长范围的辐射透明。

基板层也能够用作参考干涉仪的腔。在这种情况下，参考干涉仪在基板的背面具有一镜结构并且在基板的正面具有一镜结构（该结构也为电可调干涉仪的固定镜结构）。然而，该基板对于腔的使用来说较厚，由此，最好在基板的背面设置多个阱。背面镜然后沉积到阱的底部表面，进而由基板材料形成的腔的厚度变小。

图2a示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪装置20的正视图。用于上部和下部镜的电极的触点110a和110b位于干涉仪的角落。光学区域250为圆形，并且上部第二镜设置有用于去除牺牲层的孔。

图2b示出了根据本发明的示例性法布里-珀罗干涉仪装置20的后视图。该装置的孔径具有中央区域261，该中央区域没有参考干涉仪的层，其中，边缘区域262包括参考干涉仪的层。

图3示出了用于生产本发明的法布里-珀罗干涉仪装置（例如，图1和2a、2b的干涉仪装置）的根据本发明的示例性方法的流程图。

通过在阶段11中设置晶片（130），开始生成工艺。晶片材料可为例如单晶硅或熔融石英。在基板上设置第一固定镜结构的接下来的层（101至105）。在阶段12中，通过例如在基板上沉积多晶硅和富硅的氮化硅的连续层，可产生第一镜结构。例如，在三层（101、103、105）多晶硅之间可存在两层（102、104）二氧化硅。参考干涉仪的层（121至125）镜结构可与电可调干涉仪的固定镜结构层同时沉积。同时将这些层沉积在基板的相反侧。

层厚可为例如10nm至2μm。层的实际厚度取决于干涉仪需要在其中起作用的波长范围。层厚通常为相关层的材料内的辐射的工作波长的四分之一或一半。例如，这些层可通过LPCVD工艺沉积在基板上。可将第一固定镜的电极层沉积为掺杂的多晶硅的图案化层。在图3的方法中，在阶段13中，产生该导电层。由于这两个镜结构为固定的，所以在参考干涉仪内无需电极层。

在阶段14中，针对电可调干涉仪设置图案化牺牲层（155）。同时将形成参考干涉仪的腔的层沉积在基板的相反表面上。牺牲层将限定法布里-珀罗腔。牺牲层的厚度由干涉仪的镜之间所需要的距离限定。

在阶段15中，可针对活动镜结构设置触点和电极的图案化层。该层也可用作第二活动镜的光学层。

在阶段17中，形成针对第二活动镜的另外的层（111至115）。同时，沉积针对参考干涉仪的镜的层（131至135）。这些另外的层可包括例如多晶硅层和二氧化硅层。层厚可为例如10nm到2μm。层的实际厚度取决于需要干涉仪在其中起作用的波长范围。层厚通常为相关层的材料内的辐射的工作波长的四分之一或一半。例如，可通过LPCVD工艺，沉积这些层。接下来，在阶段19中，可针对电可调干涉仪形成电触点。

在阶段20中，可将例如富硅的氮化硅保护层沉积在晶片的表面上，该表面位于该装置的背面。这个保护层也可用作抗反射层。设置例如铝的另外的图案化层（140），用于形成针对辐射的孔径。

在阶段21中，从晶片中切割芯片。然后，在阶段22中，由蒸汽HF穿过第二镜的孔蚀刻该牺牲层。在从镜之间的光学区域中去除牺牲层时，对电可调干涉仪形成法布里-珀罗腔（150），并且释放第二活动镜。未从参考干涉仪中去除相应的层。最后，在阶段23中，封装芯片。电触点可接合，但是也能够使用法布里-珀罗干涉仪芯片的触点，用于进行焊接，而非接合。

存在着几个阶段，其中，在从晶片切掉芯片之前或者在从晶片中切割芯片之后但在封装芯片之前可去除牺牲层。

在图3的工艺中，将镜的层同时沉积到基板的相反侧。然而，能够单独地沉积这些层，从而可调干涉仪的镜结构以及参考干涉仪的镜结构具有不同特性的层。

已经根据所附实施方式描述了本发明。然而，本发明显然不仅仅限于这些实施方式，而是包括在发明概念和所附专利权利要求书内可想到的所有实施方式。

例如，已经提及某些材料、尺寸和形式作为实施本发明的实例。然而，显然可根据具体需求针对每个实现方式来改变并且优化尺寸、形式、材料以及结构细节或生产阶段。

本发明的干涉仪具有几个优选的应用。这些干涉仪可用作进行测量（例如特定气体或液体的含量）的各种装置内的可控滤波器。

Claims (10)

1.一种具有孔径的法布里-珀罗干涉仪装置，所述孔径允许辐射透过，所述装置包括电可调法布里-珀罗干涉仪，所述电可调法布里-珀罗干涉仪具有：

基板，

第一镜结构，在所述基板上，

第二活动镜结构，其中，所述第一镜结构和第二镜结构包括大致平行的第一镜和第二镜，

法布里-珀罗腔，位于所述第一镜和第二镜之间，

电极，用于电气控制这些镜之间的距离，

其特征在于

所述装置在所述基板的相反表面包括至少一个另外的镜结构，用于在所述装置的所述孔径内形成参考法布里-珀罗干涉仪。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置在所述基板的相反表面包括两个另外的镜结构，所述两个另外的镜结构为第三镜结构和第四镜结构，在所述第三镜结构和第四镜结构之间具有确定的间隙，其中，所述间隙用作腔，并且所述第三镜结构和第四镜结构用作所述参考法布里-珀罗干涉仪的镜。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第三镜和第四镜之间的间隙包括固体材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考法布里-珀罗干涉仪包括所述电可调法布里-珀罗干涉仪的固定镜结构、作为腔的所述基板、以及在所述基板的所述相反表面上一个另外的镜结构。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述基板在所述参考法布里-珀罗干涉仪的区域包括多个阱，其中，所述另外的镜结构至少部分位于所述阱的底部表面。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述参考法布里-珀罗干涉仪覆盖所述装置的所述孔径的边缘区域。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于形成所述孔径的图案化材料层，其中，所述图案化材料层位于所述参考法布里-珀罗干涉仪的另外的镜结构上。

8.一种用于生产法布里-珀罗干涉仪装置的方法，其中：

设置基板（11），

在所述基板上设置第一镜结构（12、13），

设置第二活动镜结构（15至17），其中，所述第一镜结构和第二镜结构包括大致平行的第一镜和第二镜，

在所述第一镜和第二镜之间提供法布里-珀罗腔，

设置电极（13、15、19），用于电气控制这些镜之间的距离，

其特征在于

在所述基板的相反表面上设置至少一个另外的镜结构，用于提供参考干涉仪。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，与针对所述电可调干涉仪的镜结构的层同时地沉积针对所述参考干涉仪的镜结构的层。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，独立于针对所述电可调干涉仪的镜结构的层的沉积来沉积针对所述参考干涉仪的镜结构的层。

Images