CN105022158A - 一种基于mems的可调红外滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的可调红外滤波器，集成了MEMS可调机械结构与表面等离子体共振单元，表面等离子体共振单元为由上下两层金属结构组成的双层金属结构，其中，双层金属结构的上层和下层分别设置有互补图案形状的上耦合层和下耦合层，互补图案的上耦合层和下耦合层具有相同或者相近的几何参数；并且，MEMS可调机械结构设置有用于支撑上耦合层的可动平行支撑板和用于设置下耦合层的下层衬底，可动平行支撑板通过柱体或者自身结构与下层衬底相连；并且，可动平行支撑板上设有金属电极；下层衬底包括底材和金属膜；并且，金属膜上设置有金属孔洞结构。本发明可以实现在主动模式和被动模式均可以调中心频率。

Description

一种基于MEMS的可调红外滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，尤其涉及的是一种基于MEMS的可调红外滤波器。

背景技术

红外可调滤波器在光通信、光谱学与光谱成像、激光测距与测速、生物医学等领域有重要的应用。在近红外波段（波长0.7~2.5um），激光系统被广泛应用于通信、激光精密测量等领域。而在中红外波段（波长0.25~25um），由于生物体与气体的本征吸收或者振动大多处于该波段，因此中红外光谱学常常被用于生物医药与气体传感领域。远红外波段（波长40~3000um，长波已经与毫米波、微波重叠）则是一个新兴学科，也经常被称为太赫兹（THz）波，在超宽带光通信、安防、时域光谱等领域也开始日益广泛应用。目前的红外可调滤波器普遍基于声光调制、液晶、法布里-泊罗干涉等原理，在调节带宽、集成度、成本控制等方面均存在应用瓶颈。表面等离子体器件因为其平面化、集成化而被广泛研究应用与各个领域。但是表面等离子体器件普遍基于微加工工艺，加工定型后很难调节其光学特性，一般的调节手段如温度、脉冲光等又存在设备复杂、调节速度慢等特点。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种在主动模式和被动模式均可以调中心波长的基于MEMS的可调红外滤波器。

本发明的技术方案如下：一种基于MEMS的可调红外滤波器，集成了MEMS可调机械结构与表面等离子体共振单元，表面等离子体共振单元为由上下两层金属结构组成的双层金属结构，其中，双层金属结构的上层和下层分别设置有互补图案形状的上耦合层和下耦合层，互补图案的上耦合层和下耦合层具有相同或者相近的几何参数；并且，MEMS可调机械结构设置有用于支撑上耦合层的可动平行支撑板和用于设置下耦合层的下层衬底，可动平行支撑板通过柱体与下层衬底相连；并且，可动平行支撑板上设有金属电极；下层衬底包括底材和金属膜；并且，金属膜上设置有金属孔洞结构。

应用于上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，其特征在于：其工作波段为0.7um至3000um之间。

应用于各个上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，上耦合层和下耦合层的互补图案形状为十字形、或圆形，并且，上下耦合层可以设置为频率选择平面、或超材料金属谐振环。

应用于各个上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，双层金属结构的大小或者排布周期为红外滤波器工作范围的中心波长或者附近，互补图案形状的上下耦合层的尺寸小于红外滤波器工作范围的中心波长，并且，上下耦合层的距离小于中心波长的四分之一。

应用于各个上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，上下层耦合距离调节结构设置为采用金属材料或者陶瓷材料制成的柱体，并且，MEMS可调机械结构设置为柱体锚、或微悬梁臂。

应用于各个上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，底材的制作材料设置为亚克力胶、或石英、或玻璃、或硅（Si）、或砷化镓（GaAs）、或磷化铟（InP）、或聚酰亚胺、或聚合物。

应用于各个上述技术方案，所述的基于MEMS的可调红外滤波器中，可动平行支撑板通过柱体与下层衬底相连，并悬空设置设置在下层衬底上方。

采用上述方案，本发明具有的优点在于：

1，        表面等离子体共振结构具有高集成度及平面化的优点，金属结构在红外波段的插入损耗（insertion loss）也相对较小。

2，        调节范围相对较宽，在近红外波段可以实现20~100nm波长的调节，中红外波段可以实现5~10微米波长的调节，在远红外与太赫兹波段可以实现10~120微米波长调节。

3，        所述滤波器实现带通（bandpass）滤波的效果，其半高宽（FWHM）可以由共振结构的图形调节，为不同的应用提供了更大弹性。

4，        MEMS调节速度较快，调节方式相比传统机械式调节功耗更低、集成度更高，对于产品化的应用成本更低。

具体实施方式

图1是本发明的基于MEMS的可调红外滤波器工作原理图；

图2是本发明的基于MEMS的可调红外滤波器剖面结构示意图；

图3是本发明所述双层互补表面等离子体共振结构实例；

图4是本发明所述光谱穿透曲线随加载在MEMS结构中电压的变化图。

具体实施方式

以下本发明结合附图进行详细说明。

本发明结合了MEMS与表面等离子体共振结构，进而实现可调滤波效果。表面等离子体共振结构中，实施的方法是互补型双层金属耦合，通过调节上下两层金属距离从而实现调节耦合共振频率，达到可调滤波效果。而MEMS可调机械结构的引入提供了在微米尺度进行机械式调节的手段，通过微悬梁臂或者其他机械连接方式，选用静电、压电等执行器，实现微器件的几何参数大范围可调的目标。

其中，本实施例提供了一种基于MEMS的可调红外滤波器，集成了MEMS可调机械结构与表面等离子体共振单元，如图1所示，表面等离子体共振结构由由上下两层金属结构组成的双层金属结构组成；所述的双层金属结构具有互补的图案的上耦合层1和下耦合层6；互补图案的上耦合层1和下耦合层6具有相同或者相近的几何参数；MEMS可调机械结构的上层构由SiN材料3或者其他红外透明材料及其组合材料构成的可动平行支撑板3，可动平行支撑板上设有金属电极2；可动平行支撑板通过柱体4与下层衬底相连；下层衬底包括底材7与金属膜5；所述金属膜5具有金属孔洞结构6。

本发明的可调红外滤波器的工作波长可以被设定在0.7~3000微米的红外波，在这个范围内，金属材料的色散（Dispersion）对结构的电磁特性影响相对较小，因此表面等离子体共振所产生的损耗也相对较小，在远红外波段金属材料的损耗几乎可以忽略不计。

本发明的可调红外滤波器由两大部分构成，MEMS可调机械结构与表面等离子体共振结构，所述MEMS可调机械结构提供机械式结构参数调节机制，所述表面等离子体共振结构提供波长选择机制。

其中，如图2所示，红外光8从正面入射，经过由上耦合层9和下耦合层13构成的互补图案的双层金属结构，产生表面等离子体耦合，耦合路径14是其耦合的其中一种可能模式，在模式的共振频率附近的红外光即可通过结构穿透过去成为透射光16。所述双层金属结构的材料构成包括但不限于金、银、铜，所述三种金属材料的表面等离子体特性相比其他金属及半导体材料是最好的，具有相对较小的损耗。

并且，如图3所示，所述的双层金属结构由图案形状互补的上耦合层和下耦合层构成，上耦合层和下耦合层为两层金属材料，图案包括但不限于图3所示的几种形状及其周期性排布阵列：其中，上耦合层17设置为十字形，上耦合层17和下耦合层18，下耦合层具有与十字形的上耦合层互补的图案19；或者，上耦合层20设置为圆形，上耦合层20和下耦合层21，下耦合层21具有与圆形的上耦合层互补的图案22；又或者，上耦合层23为超材料的金属谐振环，下耦合层24具有与圆形的金属谐振环形状的上耦合层互补的图案25。

所示图3中，互补性体现在上耦合层17与下耦合层的图案19分别为十字形金属与镂空的十字形，其设计几何参数相等，实际样品尺寸在微加工误差内接近相等；上耦合层20与下耦合层的图案22分别为金属圆盘与镂空金属圆洞，其直径相等或者在微加工误差范围内相近；上耦合层23与下耦合层的图案25分别为超材料金属谐振环与镂空环装孔洞，其几何参数相等或者在微加工误差范围内相近。

本发明所述可调红外滤波器的调节机制基于MEMS可调机械结构，其剖面图参见图2所示，MEMS可调机械结构由支撑材料10与柱体12构成，结构悬空在下层衬底15之上，通过电极11施加不同的电信号可以实现上下层距离调节。所述MEMS可调机械结构的工作状态可分为主动（active）与被动（passive）两种，在主动工作状态下作为可调滤波器件使用，在被动工作模式下通过滤波特性改变传递外界环境参数实现传感器功能。主动模式下，上下层金属距离通过MEMS可调机械结构调制，执行原理包括静电、热敏、压阻、压电、磁。被动工作模式下，上下层金属的距离由于外界环境参数如加速度的变化而产生变化，通过检测红外光透过率变化可以检测到外界环境参数的变化，从而实现传感器的功能。

所述MEMS可调机械结构通过表面微机械加工的MEMS工艺制作，其工艺流程包括：光刻、牺牲层技术、物理气相沉积（PVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、反应离子束刻蚀（RIE）、等离子体清洗、水电镀等。悬空结构的形成是靠牺牲层技术与反应离子束刻蚀产生，金属图形的形成是通过光刻与剥离（liftoff）工艺产生。

所述可调红外滤波器中柱体的材料包括但不限于金属或者陶瓷材料。其中最常用金属材料为镍或者铜，而陶瓷材料包括氮化硅，氧化硅等。所述MEMS可调机械结构的上下层连接方式可以采用其他MEMS结构替代，包括但不限于柱体锚、微悬梁臂。

所述可调红外滤波器中底材为在滤波器设计工作波段具有较低吸收率的材料，包括但不限于亚克力胶、石英、玻璃、硅（Si）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、聚酰亚胺、聚合物（Polymer）。

并且，本发明还提供了以下两个实施例：

实例一：

如图1所示，基于MEMS远红外（太赫兹）可调滤波器，由周期性排列的互补结构单元组成，其单元结构包括可动平行支撑板3及电极2。可动平行支撑板3有SiN/SiO2/SiN叠加组成，以降低内部机械应力，厚度分别为200nm/300nm/200nm。无论是SiN还是SiO2在远红外波段都有较大的吸收（大于30%），但是对于远红外的波长（300~500um）而言，薄膜厚度非常小，介质引入的损耗也非常小。可动平行支撑板3的SiN/SiO2/SiN薄膜由PECVD在300度加热底座与真空室中制作而成。器件底材7为石英（Quartz）晶体，在远红外具有较好透光性。通过光刻与剥离先在底材7上制作由金构成的底层金属图案，然后在金属图案上旋涂牺牲层，牺牲层由光刻胶构成，在250度热烘干后厚度约为30微米。然后通过光刻与水电镀制作由金属镍（Ni）构成柱体4，完成可动平行支撑板3与金属电极图案后，去除牺牲层。可动平行支撑板与底层金属直接的距离通过静电执行器进行调节，平行板吸合电压约为70V。

双层金属结构的互补图案设置为十字形，其周期为400微米，因此平行板面积约为400um*400um。十字形的臂长约为300um，宽约为70um，金属厚度120nm。如此，通过调节静电执行器加载在上下金属电极的电压，可以实现穿透光谱的调节，光谱随电压的变化的仿真效果如图4所示。

实例二：

基于MEMS的中红外波段（波长3-15um）可调滤波器，其MEMS可调机械结构与实例一类似，但是尺度上同比例缩小，所采用材料也因工作波段不一样而不一样，而互补双层金属结构圆盘状结构。可动平行支撑板3由单晶硅构成，底材7为硅晶圆，双层金属结构采用金作为构成材料。同样地，在底层金属图案通过光刻与磁控溅射制作完毕后，旋涂牺牲层材料光敏型聚酰亚胺，在250度环境下烘干一个小时后厚度约为2um。圆盘半径为3um，排列周期为10um，因此在50um*50um的平行板3上可以排布5*5个圆盘。执行器同样基于静电，多晶硅的杨氏模量取为120GPa，柱体4设置为微悬梁臂，其尺寸为：宽度10um，长度50um，厚度1um。悬梁臂的力常数可以经计算得到为9.6N/m，所以四个悬梁臂的力常数为38.4N/m。进一步地，静态电容值在上下层金属距离为2um的稳定状态下为1.1067E-14F。所以平板的吸合电压为63.9V，多物理仿真平台的仿真结果显示，当在上下层平行板电极施加电压值由0V变化到50V时，滤波器的带通中心波长由10.8um变化到15um，实现可调的中红外滤波效果。

实例一与实例二中同样的结构，工作在被动工作模式下均可以作为加速度传感器应用。本发明的基于MEMS的可调红外滤波器可以用于制作低成本的红外滤波器件与传感器件，大大降低传统调谐光路的光学系统复杂度，在光谱学与光谱成像、医疗健康、精密测量等领域会有广泛的应用。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于MEMS的可调红外滤波器，集成了MEMS可调机械结构与表面等离子体共振单元，其特征在于：

表面等离子体共振单元为由上下两层金属结构组成的双层金属结构，其中，双层金属结构的上层和下层分别设置有互补图案形状的上耦合层和下耦合层，互补图案的上耦合层和下耦合层具有相同或者相近的几何参数；

并且，MEMS可调机械结构设置有用于支撑上耦合层的可动平行支撑板和用于设置下耦合层的下层衬底，可动平行支撑板与下层衬底相连；

并且，可动平行支撑板上设有金属电极；下层衬底包括底材和金属膜；并且，金属膜上设置有金属孔洞结构。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：可动平行支撑板通过柱体或者自身结构与下层衬底相连。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：其工作波段为0.7um至3000um之间。

4.根据权利要求1所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：上耦合层和下耦合层的互补图案形状为十字形、或圆形，并且，上下耦合层可以设置为频率选择平面、或超材料金属谐振环。

5.根据权利要求4所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：双层金属结构的大小或排布周期为红外滤波器工作范围的中心波长或者附近，互补图案形状的上下耦合层的尺寸小于红外滤波器工作范围的中心波长，并且，上下耦合层的距离小于中心波长的四分之一。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：上下层耦合距离调节结构设置为采用金属材料或者陶瓷材料制成的柱体，并且，MEMS可调机械结构设置为柱体锚、或微悬梁臂。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：底材的制作材料设置为亚克力胶、或石英、或玻璃、或硅（Si）、或砷化镓（GaAs）、或磷化铟（InP）、或聚酰亚胺、或聚合物。

8.据权利要求1-7任一所述的基于MEMS的可调红外滤波器，其特征在于：可动平行支撑板通过柱体或者自身结构与下层衬底相连，并悬空设置在下层衬底上方。