CN103901610B - 百叶窗式mems大转角可调闪耀光栅光调制器及其阵列 - 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:所述百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层、可动框架、柔性梁、光栅镜面、双层梳齿驱动结构、弹性悬臂梁、偏压施加装置及多个柱子；所述光栅镜面一侧通过支撑梁和2个柱子固定在衬底表面,另一侧通过变形梁与可动框架连接，由双层梳齿驱动结构驱动；所述偏压施加装置，可产生不同电平、不同频率的驱动电压施加在动齿与定齿之间，使动齿发生偏转和移动，带动可动框架，可动框架通过变形梁拉动光栅镜面，产生偏转。本结构使MEMS闪耀光栅具有转动角度大、连续模拟可调、可控能力好、衍射效率高、调谐频率高、防止粘附失效的优点。

Description

百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器及其阵列

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

光栅也称衍射光栅，利用多缝衍射原理让光发生色散，是光学系统中广泛应用的重要衍射元件，也是光谱分析设备的核心器件。它是一块刻有很非常多的平行等宽、等距离狭缝的平面玻璃或金属片，光栅夹缝一般为每毫米几十到几千条。单色平行光通过光栅后会形成暗条纹较宽、亮条纹较细的图样，称为谱线。谱线的位置随波长而定。复色平行光通过光栅后，波长不同的谱线出现在不同在位置形成光谱，光谱是多缝衍射与单缝干涉共同作用的结果。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。最大光强对应的波长称为闪耀波长。闪耀光栅具有零级分光的特性，有很高的光谱分辨力和衍射效率，成为实用衍射光栅的主要类型，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、单色仪、显示等方面。

近几年，随着硅微加工技术的迅速发展和制作硅光栅技术的提高，对新型光栅的研究发展也受到更加广泛的重视。在这样的背景下，一种新型的光栅—可动闪耀光栅诞生了。可动闪耀光栅是基于MOEMS(微光机电技术)的新型光学器件，它的应用可以大大降低现有光谱仪的价格和尺寸。新型可动闪耀光栅的优点是：采用梳齿驱动，转动角度大，可以用来制作集成光谱仪，这使得制作集成式微型光谱仪、集成光开关成为可能。

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。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

为了更好地解决上述问题，本发明提出一种百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

本发明提出的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层、梳齿驱动、光栅镜面、弹性悬臂梁、可动框架、柔性梁、光栅镜面、双层梳齿驱动结构、弹性悬臂梁、偏压施加装置及多个柱子；所述光栅镜面通过弹性悬臂梁及可动框架悬空支撑于绝缘层上方，光栅镜面的一侧通过支撑梁和2个柱子固定在衬底表面,另一侧通过变形梁与可动框架连接，可动框架由柔性梁支撑在绝缘层上方，由双层梳齿驱动结构驱动，双层梳齿驱动结构由定齿和动齿组成，定齿通过柱子固定在衬底表面，动齿与可动框架是一体的，动齿布置在定齿上方，与定齿交错，所述偏压施加装置，可产生不同电平、不同频率的驱动电压施加在动齿与定齿之间，使动齿发生偏转和移动，带动可动框架，可动框架通过变形梁拉动光栅镜面，产生偏转。

进一步，所述的双层梳齿驱动结构有两部分，分布在可动框架两侧，其一侧施加电压可以使可动框架通过变形梁拉动光栅镜面偏转，另一侧施加电压可以使光栅镜面的偏转回复。

本发明还提供所述的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，所述百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器阵列由至少2个百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器的光栅镜面并列而成，所有光栅镜面通过变形梁与可动框架连接，并处于可动框架范围内，共用一套梳齿驱动结构，双层梳齿驱动结构布局在有效衍射光栅面的外围可动框架的两个侧边，多个百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器在偏压施加装置控制下一起动作，形如百叶窗的开合。

实现前述百叶窗式MEMS大转角可调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)顶层光栅镜面溅射或者蒸镀铝或金作为反射面。

百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，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、连续模拟可调、可控能力好、衍射效率高、调谐频率高的优点。

本发明百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器所述的双层梳齿驱动结构采用深槽刻蚀工艺制作，深宽比较高，使得光栅镜面偏转角度大，光栅光调制器分光范围广。而且所述的双层梳齿驱动结构，使得光栅镜面具有近似于线性的长程运动曲线，使得光栅光调制器连续模拟可调，可控能力好。

还可按进一步方案，将双层梳齿驱动结构布置在可动框架两侧，这样，其一侧施加电压可以使可动框架通过变形梁拉动光栅镜面偏转，另一侧施加电压可以使光栅镜面的偏转回复，交替施加电压使得光栅镜面可靠偏转和闭合，形如百叶窗开合。这样，即使在光栅镜面偏转时与底面绝缘层发生了粘附，可在另一侧双层梳齿驱动结构施加电压可以得到一个较大的驱动力，使得光栅镜面偏转可靠回复，这比单纯的利用支撑可动框架的柔性支撑梁的弹性回复力更强，相比静电驱动方式而言有效地避免了粘附失效现象,提高了调谐频率。而且，所述的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。

所述的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器阵列，相邻光栅镜面间的间隙小，梳齿驱动结构布局在有效衍射光栅面的外围可动框架的四个角上，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。

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

图1示出百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器结构示意图。

图2示出百叶窗式MEMS大转角可调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，本实施例的百叶窗式MEMS大转角可调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通过弹性悬臂梁及可动框架4悬空支撑于绝缘层2上方，光栅的一侧通过支撑梁5和两个柱子6固定在衬底表面,另一侧通过变形梁7与可动框架4连接。可动框架4由柔性梁8和柱子9固定在衬底1表面。定齿10与动齿11组成梳齿驱动器，共有两组，定齿10固定在衬底1表面，动齿11与可动框架4是一体的。定齿10及动齿11呈上下空间交错排列，其上均设置电极。以图1中所示，与衬底1宽度方向平行的x方向为正方向。在定齿10与动齿11之间施加电压，可动框架4将往定齿10方向斜下侧移动。因为光栅镜面3的一侧已经通过支撑梁5与柱子6固定在衬底1表面上，所以光栅镜面3的此面不动，通过变形梁7的拉动，光栅镜面3就可以向下偏转。由于光栅镜面3的两端均有一组双层梳齿驱动器，这样，其一侧施加电压可以使可动框架通过变形梁拉动光栅镜面偏转，另一侧施加电压可以使光栅镜面的偏转回复，交替施加电压使得光栅镜面可靠偏转和闭合，形如百叶窗开合。这样，即使在光栅镜面偏转时与底面绝缘层发生了粘附，可在另一侧双层梳齿驱动结构施加电压可以得到一个较大的驱动力，使得光栅镜面偏转可靠回复，这比单纯的利用支撑可动框架的柔性支撑梁的弹性回复力更强，相比静电驱动方式而言有效地避免了粘附失效现象,提高了调谐频率。而且，所述的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。

图2中百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器阵列动作原理与上面所述相同，只是阵列中每个闪耀光栅光调制器镜面共用了一组双层梳齿驱动器。

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或蒸镀金或铝500nm，形成反射面。

百叶窗式MEMS大转角可调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。

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，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。而百叶窗式MEMS大转角可调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。而且所述的双层梳齿驱动结构，使得光栅镜面具有近似于线性的长程运动曲线，使得光栅光调制器连续模拟可调，可控能力好。

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，而百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器阵列，相邻光栅镜面间的间隙小，梳齿驱动结构布局在有效衍射光栅面的外围可动框架的四个角上，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。

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)

1.百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，其特征在于：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层、可动框架、柔性梁、光栅镜面、双层梳齿驱动结构、弹性悬臂梁、偏压施加装置及多个柱子；所述光栅镜面通过弹性悬臂梁及可动框架悬空支撑于绝缘层上方，光栅镜面的一侧通过支撑梁和2个柱子固定在衬底表面,另一侧通过变形梁与可动框架连接，可动框架由柔性梁支撑在绝缘层上方，由双层梳齿驱动结构驱动，双层梳齿驱动结构由定齿和动齿组成，定齿通过柱子固定在衬底表面，动齿与可动框架是一体的，动齿布置在定齿上方，与定齿交错，所述偏压施加装置，可产生不同电平、不同频率的驱动电压施加在动齿与定齿之间，使动齿发生偏转和移动，带动可动框架，可动框架通过变形梁拉动光栅镜面，产生偏转。

2.根据权利要求1所述的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，其特征在于：所述的双层梳齿驱动结构有两部分，分布在可动框架两侧，其一侧施加电压可以使可动框架通过变形梁拉动光栅镜面偏转，另一侧施加电压可以使光栅镜面的偏转回复。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器的阵列，其特征在于：所述的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器阵列由至少2个百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器的光栅镜面并列而成，所有光栅镜面通过变形梁与可动框架连接，并处于可动框架范围内，共用一套梳齿驱动结构，双层梳齿驱动结构布局在有效衍射光栅面的外围可动框架的两个侧边，多个百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器在偏压施加装置控制下一起动作，形如百叶窗的开合。