CN103901609B - 基于双层梳齿驱动的mems可动闪耀光栅光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS光调制器技术领域，具体涉及一种MEMS闪耀光栅光调制器和阵列:所述MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器，采用双层梳齿驱动，并将双层梳齿驱动位置布置在光栅镜面两端的柔性支撑梁上。使用多个可动闪耀光栅光调制器构成阵列时，每一个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作，而且每个光栅镜面间的间隙很小。本结构使光栅可以向两侧发生大角度偏转，具有偏转角大、衍射效率高、调谐频率高、防粘附的优点。这种光栅光调制器及其阵列，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

Description

基于双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器

技术领域

本发明涉及MEMS光调制器技术领域，具体涉及一种MEMS闪耀光栅光调制器和阵列。

背景技术

当光栅刻划成锯齿形状的线槽断面时，光能量集中于某一光谱级上。由此方向探测，可得到最大光谱强度，这种现象便称为闪耀，这种光栅就是闪耀光栅。在闪耀光栅中，起衍射作用的是一个光滑的平面，它与光栅表面有一夹角，称为闪耀角。闪耀光栅具有零级分光、衍射效率高的特性，所以它的研究就越来越受到人们的关注。闪耀光栅可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

传统的闪耀光栅其光器阵列一旦刻划完成，其光栅参数就固定了，光栅衍射角度也就不可调谐。而随着MEMS(微机电系统)器件和硅微加工技术的迅速发展，各种可调谐的闪耀光栅随之产生。这类器件相对于传统器件，具有可大批量制造、单位成本低、体积微小、方便灵活、性能可靠等优势，获得高速的发展和广泛的应用。它们通过调谐不同的光栅参数，达到改变衍射角度的目的。比如改变闪耀光栅常数(光栅条的间距)或闪耀光栅角度都可以达到调谐目的。典型的例子如西北工业大学提出的申请号为200910021322.3的中国发明专利中的周期可调微机械光栅就是通过调节光栅周期也就是光栅常数的方式。但是，调谐闪耀光栅常数的调制器，因为其光栅条宽固定，所以在调谐拉开光栅条间距的同时会产生较大的空隙，降低了衍射效率。另一类器件，通过调谐闪耀光栅角度可以得到更高的衍射效率。这类器件又分成两种类型：闪耀光栅阵列整体旋转型和闪耀光栅阵列中光栅条单独旋转型。但是，现有的这两类器件受限于MEMS加工工艺，其驱动方式大多采用静电驱动，如西北工业大学提出的申请号为201310019811.1的中国发明专利中的闪耀角可调微机械光栅和重庆大学提出的申请号为200510020184.9的中国发明专利中的悬臂梁式闪耀光栅光调制器的结构就是用静电驱动。由于静电驱动要求驱动电极和光栅面之间的间距较小才能以小于硅片击穿电压产生偏转效果，并且由于吸合现象使得这个间距只有约1/3左右的行程可用，所以光栅条转动角度都比较小，使得光调制器调谐能力受限。同时静电扭转光栅条的驱动方式施力点在光栅条正下方，容易造成光栅条在扭转时受应力影响而变形，降低衍射效率。而且静电下拉光栅条时，容易由于吸合现象的产生导致光栅条粘附到底面而产生失效。也有使用外加磁场或SMA(形状记忆合金)驱动的可调谐闪耀光栅，但驱动方式限制了其调谐频率(开关速度)不高。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅，改进了闪耀光栅的光学性能和闪耀光栅的机械性能，其加工采用体硅加工工艺，主要构成如下：

1.一种双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅镜面通过扭转梁悬空支撑于绝缘层上方，所述的扭转梁由动齿和柱子组成，动齿的一端通过柱子固定设置于绝缘层上，动齿的另一端与光栅镜面固定连接，所述的动齿为两个，分别与光栅镜面的两端固定连接，动齿与定齿组成梳齿驱动器，其中定齿固定于衬底上，所述的定齿共有两个，光栅镜面的两侧都分别分布有动齿和定齿，并且每个动齿都交叉悬浮在各自对应的定齿上，两侧的定齿和其对应的定齿上都分别装设有电极，动齿和定齿共同组成双层梳齿驱动结构。

2.进一步，所述的动齿分布在光栅镜面两侧，交叉悬浮在两侧各自对应的定齿上方，动齿和两侧各自对应的定齿上均分别装设电极，驱动电路在一侧的动齿和其对应的定齿之间，以及另一动齿和其对应的定齿之间交替施加电压，使得光栅镜面可以两面偏转。

实现前述双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器结构可以有很多不同加工工艺，其中一种推荐的加工工艺包括如下步骤：

1)用深槽反应离子刻蚀把掩膜板1覆盖的地方刻蚀成底部梳齿图形；

2)经过键合、器件层的研磨/抛光、热氧化后，把硅衬底与顶部硅层连接起来形成SOI晶片；

3)用自对准掩膜板2刻蚀出顶部梳齿图形，并对步骤2)中得到的氧化层进行刻蚀；

4)用HF去除自对准掩膜板和氧化层。

5)顶层光栅镜面溅射蒸镀铝或者金作为反射面。

本发明还提供所述的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器阵列，所述光栅光调制器阵列由至少2个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器并列而成，其中每一个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作。

本发明的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器，它具有MEMS可调谐的闪耀光栅调制器可大批量制造、单位成本低、体积微小、方便灵活、性能可靠的优点，相比于其它MEMS可调谐的闪耀光栅调制器，还具有转动角度大、衍射效率高、调谐频率高的优点。双层梳齿驱动由于两侧悬浮的动齿交叉分布两侧定齿上方，可以采用深槽刻蚀工艺得到深宽比较高的梳齿结构，这样使得梳齿在单侧定齿和动齿之间施加驱动电压时，偏转角度就比间隙较小的静电驱动大，而交替在两侧定齿和动齿之间施加驱动电压时，光栅光调制器可以两面偏转使偏转角度加倍，所以具有转动角度大、调谐能力高的优点。

由于偏转角度的增大，可能出现光栅镜面在偏转后会与底面产生粘附，可采用在反向侧施加电压使光栅镜面偏转恢复。这样就避免了静电驱动中常见的粘附失效问题。

由于双层梳齿驱动结构施加力的位置集中在扭转梁上，所以应力集中和产生变形的主要地方只有扭转梁，光栅镜面的有效衍射面上受应力影响小，衍射面在扭转时保持平坦，衍射效率高。双层梳齿驱动结构布局在中心的有效衍射光栅面两端，而且宽度小于光栅带宽，这样使得在形成光栅阵列时有效光学衍射面间隙很小，明显提高了衍射效率。双层梳齿驱动方式相对于SMA、磁力驱动方式能获得更高的调谐频率。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器结构示意图。

图2示出双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器阵列结构示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1，本实施例的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器硅衬底1以及设置于硅衬底1上的绝缘层2,光栅镜面3通过扭转梁悬空支撑于绝缘层2上方，所述的扭转梁由动齿4和柱子5组成，动齿4上设置电极，动齿4的一端通过柱子5固定设置于绝缘层2上，动齿4的另一端与光栅镜面3固定连接，所述的动齿为两个，分别与光栅镜面3的两端固定连接，动齿4与定齿6组成梳齿驱动器，其中定齿6固定于衬底1上，并在上面设置电极，所述的定齿6共有两个，分别与动齿4对应，工作时以衬底1宽度方向为x方向正方向，向动齿4与定齿6a或者定齿6b在x方向的某一侧之间施加电压，由于两个柱子5是固定的，而且动齿和定齿是呈上下空间交错排列的，所以动齿不会往x轴正方向移动，而是向下偏转，此时，光栅镜面3随着动齿向下偏转而偏转。另外光栅镜面3的两端均存在梳齿驱动器，因此可以在梳齿两边的其中一边施加电压，光栅镜面3可以向梳齿的两边偏转，这样双向偏转使得偏转角度比单向偏转增加了一倍。由于偏转角度的增大，可能出现光栅镜面在偏转后会与底面产生粘附，可采用在反向侧施加电压使光栅镜面偏转恢复。

本实施例的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器结构参数如下：

可通过如下方法制作上述双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器：

1)首先准备<100>P单晶硅晶片，然后用各向异性深度反应离子刻蚀把掩膜板一覆盖的底部梳齿刻蚀成硅晶片，屏蔽层用的是1.6mm正光刻胶，接触光刻机用于处理所有的光刻步骤；

2)在步骤1)的硅晶片上使用湿法氧化淀积一层厚度为200nm的氮化硅作为绝缘层；

3)使用各向异性深度反应离子刻蚀硅刻蚀机把覆盖顶部和底部梳齿图案的自对准掩膜板二刻蚀在顶部硅器件层；

4)晶片再次在深度反应离子刻蚀硅刻蚀机中刻蚀，为了消除底部梳齿中多余的硅；

5)最后，利用氢氟酸腐蚀掉残留在底部的氧化物，在光栅的顶层、镂空处表面以及绝缘层上溅射蒸镀金或铝500nm，形成反射面。

双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器主要用于形成光栅光调制器阵列，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

参见图2，双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器阵列由至少2个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器并列而成，还设置有相应的驱动电路，使其中每一个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作，即阵列中的每个光栅都可以根据下拉电压的不同分别向上下偏转到不同的角度。

光栅光调制器作为光衍射器件，其平坦度对其光学特性有至关重要的影响，若其平坦度较差，将直接关系到对光的开关调制效果，提高光学平坦度在光栅光调制器设计中尤为重要，其表面的不平度差一般要求不超过λ/10，因此可将不平度在λ/10以内的光栅面积作为平坦度的衡量指标，其中λ为入射光中心波长。通过仿真表明，双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器在偏转时，双层梳齿驱动结构产生变形的主要地方只有扭转梁，有效衍射面上受应力影响小，衍射面在扭转时保持平坦，平坦度较好，衍射效率高。

如如西北工业大学提出的申请号为201310019811.1的中国发明专利中的闪耀角可调微机械光栅和重庆大学提出的申请号为200510020184.9的中国发明专利中的悬臂梁式闪耀光栅光调制器在进行光栅下拉过程中只能单面进行平动，光栅条转动角度都比较小，而双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器在偏转时，由于可以分别向两级电极施加电压，双层梳齿驱动结构使得光栅面可以两面偏转，偏转角度较大。另外，类似悬臂梁式闪耀光栅光调制器结构其驱动方式大多采用静电驱动。由于静电驱动要求驱动电极和光栅面之间的间距较小才能以小于硅片击穿电压产生偏转效果，并且由于吸合现象使得这个间距只有约1/3左右的行程可用，所以光栅条转动角度都比较小。而双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器采用深槽刻蚀工艺可以得到深宽比较高的梳齿结构，这种梳齿驱动使得偏转角度也较大，使得光调制器调谐能力得到提高。

改变闪耀光栅常数(光栅条的间距)或闪耀光栅角度都可以达到调谐目的。但是，调谐闪耀光栅常数的调制器，因为其光栅条宽固定，所以在调谐拉开光栅条间距的同时会产生较大的空隙，降低了衍射效率，而双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器由于双层梳齿驱动结构布局在中心的有效衍射光栅面两端，而且宽度小于光栅带宽，这样使得在形成光栅阵列时有效光学衍射面间隙很小，明显提高了衍射效率。

驱动电路采用本领域现有的成熟技术，多采用电压驱动。根据不同的阵列要求，采用有源驱动或无源驱动方式。同时驱动电路的电极引出线可在制作该结构的同时得到。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅镜面通过扭转梁悬空支撑于绝缘层上方，所述的扭转梁由动齿和柱子组成，动齿的一端通过柱子固定设置于绝缘层上，动齿的另一端与光栅镜面固定连接，所述的动齿为两个，分别与光栅镜面的两端固定连接，动齿与定齿组成梳齿驱动器，其中定齿固定于衬底上，所述的定齿共有两个，光栅镜面的两侧都分别分布有动齿和定齿，并且每个动齿都交叉悬浮在各自对应的定齿上，两侧的动齿和其对应的定齿上都分别装设有电极，动齿和定齿共同组成双层梳齿驱动结构。

2.根据权利要求1所述的双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器，其特征在于：所述的动齿分布在光栅镜面两侧，交叉悬浮在两侧各自对应的定齿上方，动齿和两侧各自对应的定齿上均分别装设电极，驱动电路在一侧的动齿和其对应的定齿之间，以及另一动齿和其对应的定齿之间交替施加电压，使得光栅镜面可以两面偏转。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，其特征在于：所述光栅光调制器阵列由至少2个双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器并列而成，其中每一个双层梳齿驱动的MEMS可动闪耀光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作。