CN105242396B - 集成角度传感器的高衍射效率mems扫描光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅。它由光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁和支撑框架组成。所述光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁和支撑框架均制作在同一片偏晶向的（111）硅基底上。光栅面、电磁驱动线圈及电磁传感线圈由一对扭转梁支撑在支撑框架的内部。本发明的光栅为非对称锯齿形的闪耀光栅，大大提高了扫描光栅的衍射效率。本发明采用电磁驱动方式对MEMS扫描光栅进行驱动，可在较低的工作电压下实现光栅的大角度扫描。本发明同时集成了电磁式角度传感器，可以实现光栅扫描角度的实时测量。本发明成果可广泛应用于微型近红外光谱仪系统。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS扫描光栅，属于光谱分析技术和MEMS技术领域。
背景技术
基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技术的微型光谱仪具有体积小、重量轻、功耗低、探测速度快、性能稳定、可集成化、可批量化制造，以及成本相对低廉等优点，具有巨大的应用市场与开发潜力。
基于MEMS技术的扫描光栅是微型近红外光谱仪的核心元器件。当光谱仪处于工作状态时，扫描光栅的镜面以一定角度转动，在镜面的转动过程中，不同波长的光依次以某一特定角度入射到聚焦凹面反射镜上、经聚焦凹面反射镜聚焦成像后通过狭缝照射到单管探测器上，从而实现对光谱的连续探测。由于基于MEMS扫描光栅的微型近红外光谱仪避免了采用昂贵的近红外阵列探测器，从而大大降低了光谱仪的价格成本，必然会成为国内外微型近红外光谱仪的研发方向与主流趋势。
目前国内外报道的MEMS扫描光栅大多为矩形槽光栅，衍射效率很低；与矩形槽光栅相比，对称V形槽光栅具有更高的衍射效率。德国IPMS(Fraunhofer Institute forPhotonic Microsystems)实验室制作了基于(100)硅片的V形槽扫描光栅，在硅片湿法刻蚀之后，只能形成对称的角度为54.74°的V形槽，这种光栅的闪耀角是固定的54.74°，不能根据不同的闪耀波长调节闪耀角度，导致光栅的衍射效率降低。
在光谱仪系统中，需要对扫描光栅的偏转角度进行精确测量，以便为扫描光栅高精度闭环反馈控制和光谱信息采集提供同步信号。目前一般采用的方法是将激光投射到光栅表面，经反射到接收屏上成像的方法得到扫描光栅的偏转角度。这种方法需要外加激光器、探测器等多个器件，无疑增加了近红外光谱仪的体积和复杂程度。
目前MEMS扫描光栅的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动和热驱动四种方式。静电驱动的驱动结构简单，但是非线性力学效应较明显，存在吸合现象，驱动电压较高；压电驱动可以产生较大的驱动力且功耗较低，缺点是温漂大，压电薄膜制作工艺较难；热驱动方式功耗高，环境温度影响大，响应速度慢；电磁式驱动装置可产生的驱动力大，线性度较好，并且可以单片集成电磁角度传感器，不足之处是需要外加磁场。
发明内容
本发明针对现有MEMS扫描光栅的局限性，提出一种基于MEMS工艺的高衍射效率、集成电磁角度传感器、电磁驱动的扫描光栅新结构。它采用偏晶向(111)硅片，闪耀角可以通过(111)硅片的切偏角来实现；并且它单片集成了电磁角度传感器，可以实现光栅偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统的便携性。
本发明通过以下技术方案来加以实现：
基于MEMS技术的扫描光栅由光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁以及支撑框架组成。光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈均制作在同一片偏晶向(111)硅片上，并以偏晶向(111)硅片的硅结构层作为其共同的底层。光栅面位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈及电磁传感线圈位于硅结构层的背面。光栅面、电磁驱动线圈及电磁传感线圈由支撑扭转梁支撑在支撑框架的内部。所述电磁驱动线圈及电磁传感线圈需在外加恒稳磁场下工作，扫描光栅的两侧固定有永磁体，产生沿x轴方向的永恒磁场。
光栅面的光栅为非对称锯齿形的闪耀光栅，该光栅槽型采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片完成。光栅常数和闪耀角度可以根据光谱范围和闪耀波长设计。光栅的闪耀角度即为(111)硅片在切割时，相对于标准(111)面偏向(110)面切割的角度。光栅表面镀层采用电子束蒸发工艺制作。
电磁驱动线圈采用单圈线圈结构，其以硅结构层作底层，包括采用溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层。磁驱动线圈的输入输出端通过电磁驱动线圈焊盘与外部电路相连。
电磁传感线圈采用矩形渐开线结构设计，也是以硅结构层作底层，由表层线圈和埋层引线组成。其中表层线圈包括溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层；埋层引线为使用离子注入和扩散工艺制作的硼层。表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连通，电磁传感线圈的输入输出端通过电磁传感线圈焊盘进行输出和测量。
当电磁驱动线圈中平行于扭转梁的线圈部分通有沿±y方向(平行于扭转梁)的驱动电流时，电磁驱动线圈与外加沿x轴方向(垂直于扭转梁)的稳恒磁场相互作用产生了±z方向的洛仑兹力，从而使光栅面绕扭转梁偏转。若施加的驱动信号与光栅面的谐振频率一致时，光栅面将产生绕扭转梁偏转的谐振运动，此时达到最大扫描角度。
光栅面将入射到光栅平面的复合光衍射为单色光。当光栅面转动时，不同波长的光将依次照射到单管探测器上，从而实现对光谱的连续探测。
光栅面绕扭转梁转动时，其背面的电磁传感线圈作切割稳恒磁场运动产生感生电动势，而感生电动势与光栅面的角速度成正比，因此可以获得与光栅面扫描角度相关的信号。
本发明的器件整体结构简单，和现有扫描光栅相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的光栅闪耀角是加工偏晶向(111)硅片时的切偏角，实现起来很容易。可以形成非对称锯齿形的闪耀光栅，而不是目前扫描光栅中常用的矩形光栅和对称V形光栅，因此大大提高了扫描光栅的衍射效率。
2.本发明的光栅采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，光栅的凹槽由单晶体内部的两个(111)面相交构成，保证了光栅的工作表面平整光滑。
3.本发明光栅的闪耀角度实现非常容易，即制作(111)硅片时，以[110]方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度切割，此角度就等于光栅的闪耀角。
4.本发明采用偏晶向(111)硅片作为基底材料，成本与普通单晶硅片相当，与其他采用SOI硅片制造的扫描光栅相比，大大降低了硅片成本。
5.在扫描光栅的背面集成了电磁角度传感器，实时主动监测扫描光栅的偏转角度，为扫描光栅高精度闭环反馈控制和光谱信息采集提供了同步信号，因而将大大提高基于扫描光栅的微型光谱仪的精度和稳定性。
6.本发明采用电磁驱动方式对MEMS扫描光栅进行驱动，可在较低的工作电压下实现光栅的大角度扫描。
本发明成果可广泛应用于微型近红外光谱仪系统。
附图说明
图1(a)为本发明的MEMS扫描光栅的正面即光栅面的结构示意图；
图1(b)为本发明的MEMS扫描光栅的背面即具有电磁驱动线圈和电磁传感线圈的一面的结构示意图；
图2为图1(a)沿A-A向剖面的示意图；
图3为线圈的截面图即图1(b)沿B-B向剖面的示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明。
参见图1，集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅包括光栅面1、电磁驱动线圈2、电磁传感线圈3、扭转梁4以及支撑框架5。光栅面1、电磁驱动线圈2、电磁传感线圈3、扭转梁4以及支撑框架5均制作在同一片硅结构层6上，并以硅结构层6作为其共同的底层。光栅面1位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈2及电磁传感线圈3位于硅结构层的背面。光栅面1、电磁驱动线圈2及电磁传感线圈3由扭转梁4支撑在支撑框架5的内部。
本发明使用的硅片为普通的单晶(111)硅棒，以[110]方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度(此角度就等于光栅的闪耀角，可根据需要进行设计)切割而成。
如图1(a)和图2所示，光栅面1包括硅结构层6和镀在硅结构层6上的反射膜层11。光栅工作面槽型为非对称锯齿形。该槽型采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，不带有二氧化硅掩蔽层的硅表面将在KOH(或TMAH)溶液中向下腐蚀，并在两个(111)晶面相交处自停止，这样就得到了非对称锯齿形的闪耀光栅。光栅常数和闪耀角度α可以根据要求自行设计，具体要根据光栅的光谱工作范围、分辨率、MEMS的加工条件等来确定。在本实施例中设计为d＝4μm,α＝8°。
电磁驱动线圈2和电磁传感线圈3的结构如图1(b)和图3所示。电磁驱动线圈2采用单圈线圈结构(图中最外一层的线圈就是驱动线圈2)，包括采用溅射工艺制作的TiW/Au种子层15和电镀工艺制作的Au层16。电磁驱动线圈2通过电磁驱动线圈焊盘7、8与外接电路相连。
电磁传感线圈3被包围在电磁驱动线圈2内，采用矩形渐开线结构设计，由表层线圈和埋层引线组成(在图1(b)中埋层引线用虚线表示)。其中表层线圈包括溅射工艺制作的TiW/Au种子层15和电镀工艺制作的Au层16；埋层引线为使用离子注入和扩散工艺制作的硼层14。表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连接。电磁传感线圈3通过电磁传感线圈焊盘9、10进行输出和测量。电磁传感线圈焊盘9、10以及电磁驱动线圈焊盘7、8均设置在支撑框架5上。
为了保证绝缘效果，防止产生串扰，在硅结构层6和以上的线圈层(即TiW/Au种子层15)之间使用氧化硅12和氮化硅13作为绝缘层。
本发明在使用中，正弦交流信号通过电磁驱动线圈焊盘7、8施加到电磁驱动线圈2上，通电电磁驱动线圈在外加恒稳磁场的作用下驱动光栅面1发生偏转。由于光栅面1发生偏转，经过分光后的衍射光也跟着偏转，各单色光将依次进入光电探测器，从而实现光谱信号的单管探测。在光栅面发生偏转的同时，其背面的电磁传感线圈3作切割稳恒磁场运动产生感生电动势，感生电动势与可动光栅的角速度成正比，外部电路可以通过连接电磁传感线圈焊盘9、10测量得到感生电动势的变化，进而通过信号处理得到光栅面1的偏转角度信息，为扫描光栅偏转角度的精确控制和光谱信号的准确采集提供信号。
本发明具有较大的通用性，通过改变光栅的光栅常数和闪耀角度α，可以改变光栅的工作光谱范围和闪耀波长；通过改变光栅面1和扭转梁4的结构尺寸，可以改变扫描光栅的最大偏转角度和谐振频率。
Claims (5)
1.集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于：所述扫描光栅包括光栅面(1)、电磁驱动线圈(2)、电磁传感线圈(3)、扭转梁(4)以及支撑框架(5)；所述光栅面(1)、电磁驱动线圈(2)、电磁传感线圈(3)均制作在同一偏晶向(111)硅片上，并以偏晶向(111)硅片的硅结构层(6)作为其共同的底层，光栅面(1)位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)位于硅结构层的背面；光栅面(1)、电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)由扭转梁(4)支撑在支撑框架(5)的内部；
所述光栅面(1)具有制作在硅结构层(6)上的反射膜层(11)，光栅槽型为非对称锯齿形，光栅为反射型闪耀光栅；
所述电磁驱动线圈(2)采用单圈线圈结构，以硅结构层(6)作为底层，由TiW/Au种子层(15)和Au层(16)构成，电磁驱动线圈(2)的输入输出端通过电磁驱动线圈焊盘(7、8)与外部电路相连；
所述电磁传感线圈(3)位于电磁驱动线圈(2)内，采用矩形渐开线结构设计，由表层线圈和埋层引线组成，其中表层线圈也包括TiW/Au种子层(15)和Au层(16)；埋层引线为硼层(14)，表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连通，电磁传感线圈(3)的输入输出端通过电磁传感线圈焊盘(9，10)进行输出和测量；
所述电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)需在外加恒稳磁场下工作。
2.根据权利要求1所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于：所述偏晶向(111)硅片为普通的单晶(111)硅棒，以[110]方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度切割而成，此角度等于光栅的闪耀角。
3.根据权利要求2所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于：所述光栅面采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，反射膜层(11)采用电子束蒸发工艺制作而成，光栅常数和闪耀角度α根据要求自行设计。
4.根据权利要求1、2或3所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于：所述表层线圈采用溅射工艺和电镀工艺制作而成；埋层引线使用离子注入和扩散工艺制作而成。
5.根据权利要求1、2或3所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于：在硅结构层(6)和电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)之间设置有电绝缘层。
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