CN107247330A - 压电式集成moems扫描光栅微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，涉及光谱分析和微光机电系统领域，由集成扫描光栅微镜、扭转梁、连接梁、角传感器、压电微驱动器和固定框架组成。所提出的集成扫描光栅微镜是基于偏晶向(111)硅基，在正面集成了闪耀光栅，在背面掏蚀了凹槽，提高了衍射效率和器件稳健性。为了在低驱动电压下实现大角度扫描，本发明采用了压电微驱动器并利用连接梁对驱动位移进行放大。为了对集成扫描光栅微镜运动状态实时监测，在连接梁上一体化集成了压电角传感器。本发明结构新颖简单，集成工艺兼容，可显著提高扫描光栅微镜的衍射效率、分辨率、稳健性和集成度，并改善扫描光栅微镜的驱动与角传感性能。

Description

压电式集成MOEMS扫描光栅微镜
技术领域
本发明属于光谱分析和微光机电系统领域，具体涉及一种压电式集成MOEMS扫描光栅。
背景技术
扫描光栅微镜是一种将光栅集成于微镜之上，具有分光和扫描功能的微型分光扫描器件，是扫描微型光谱仪的核心元器件，在光谱分析领域具有迫切的应用需求。基于MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统)技术的扫描光栅微镜具有小体积、低成本、低功耗、高精度、高集成度等显著优点，且以其为核心元器件的微型光谱仪可以避免使用价格昂贵的阵列式探测器，可拓展相应的光谱范围，具有显著的低成本、高性能等优势。同时，在相应的光电识别和遥感成像等领域具有广泛的应用需求。
微型光学扫描器件的驱动方式主要有：静电式、电磁式、电热式和压电式。德国夫琅禾费光子微系统所提出了静电式MOEMS扫描光栅微镜，但存在静电驱动电压高和工艺复杂等问题。专利“集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅”，申请号CN201510805579.3提出了一种电磁驱动并一体化集成电磁角传感器的扫描光栅微镜，但存在体积大、电磁干扰严重和角传感信号微弱等问题。电热驱动虽然驱动力较大，但是热效应问题影响较大且响应较慢。压电驱动驱动力大、驱动电压低、功耗低且可以在不需额外工艺的前提下一体化集成压电角传感器，却存在驱动位移较小的问题。
此外，应用于微型光谱仪的MOEMS扫描光栅微镜属于低频扫描器件，一般频率为数百赫兹。为了满足低频要求，现有技术采用对镜面和梁结构一体化减薄或保持厚镜面仅单纯减薄梁结构的方法。前者由于镜面较薄往往存在镜面静态和动态变形的问题，且限制了镜面尺寸，从而影响了器件的分辨率；后者虽然有效避免了镜面变形问题，但由于镜面质量较大而梁结构较薄，致使在环境的冲击和振动中梁结构容易断裂，降低了器件的稳定性。而且，现有的MOEMS扫描光栅微镜多在镜面上集成V形槽或矩形槽光栅，衍射效率较低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种能够改善器件的驱动和角传感性能，同时提高器件的集成度、稳定性和衍射效率的微镜系统。
为了实现上述目标，本发明通过以下技术方案来实现：
压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，包括：
一固定边框，该固定边框呈矩形。
四个压电微驱动器为矩形板状结构，并对称设置在所述固定边框的上边和下边内侧，固定在上边的两个压电微驱动器与固定在下边的两个压电微驱动器分别通过一连接梁连接。
一集成扫描光栅微镜为长方体结构，其左边和右边的中部分别与扭转梁的一端连接，所述两根扭转梁的另一端分别与一连接梁的中部连接；实现集成扫描光栅微镜悬置在固定边框的中部，且能够绕扭转梁的扭转轴做谐振转动。
所述固定边框、集成扫描光栅微镜、扭转梁、压电微驱动器和连接梁通过MEMS加工一体集成于偏晶向(111)硅基片上构成。
进一步，所述集成扫描光栅微镜的正面集成了用于分光的闪耀光栅，背面掏蚀凹槽。
进一步，在所述连接梁上布有压电角传感器。
进一步，所述闪耀光栅是利用湿法腐蚀在所述集成扫描光栅微镜上形成闪耀角等于硅基片切偏角的锯齿形闪耀光栅。
进一步，所述闪耀光栅表面镀有反射膜层。
进一步，所述集成扫描光栅微镜与所采用的硅基片厚度一致；所述扭转梁、连接梁和压电微驱动器的硅层厚度保持一致。
进一步，所述凹槽为对称分布的四个“口”字型凹坑，整体呈“田”字型排列。
进一步，所述压电微驱动器和压电角传感器自下而上由硅层、下电极层、压电薄膜和上电极层构成。
进一步，所述压电微驱动器的压电薄膜、上电极层和下电极层的面积略小于硅层面积。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1.本发明利用MOEMS技术实现了集成扫描光栅微镜、压电微驱动器和压电角传感器的一体化单芯片集成，集分光、扫描和角度实时监测等功能于一体，具有工艺兼容简单、体积小、集成度高等显著优势。
2.本发明采用偏晶向(111)硅片为基底材料，用各向异性湿法腐蚀工艺实现槽形为锯齿状的闪耀光栅，使器件具有较高的衍射效率。
3.本发明采用厚镜面结构有效避免了集成扫描光栅微镜静态和动态变形，同时在其背部掏槽的方法来改变微镜的质量分布，使得在相同的梁结构和相同的谐振频率要求下本发明的质量更小且镜面更大，不仅提高了器件在环境震动中的稳定性，而且由于镜面增大而提高了器件的分辨能力。
4.本发明采用压电驱动方式，并利用连接梁作为机械杠杆对驱动位移进行放大，具有驱动电压低、功耗低、扫描角度大等优势。
5.本发明采用与压电驱动器相同的压电材料一体化集成压电角传感器，工艺兼容性好，且扭转梁同侧的两个角传感器可串联输出后再与另一侧串联输出的角传感信号形成差分输出方式，故该角传感器具有工艺简单、高线性度、高灵敏度、高信噪比等优势。
6.本发明集成的压电角传感器可对集成扫描光栅微镜的运动状态进行实时监测，对微镜进行闭环控制。
附图说明
图1为本发明的正面示意图；
图2为本发明的背面示意图；
图3为本发明的闪耀光栅结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，包括：矩形的固定边框7、集成扫描光栅微镜2、两个扭转梁3、四个压电微驱动器5和两个连接梁4。固定边框7、集成扫描光栅微镜2、扭转梁3、压电微驱动器5和连接梁4通过MOEMS技术加工，一体集成于偏晶向111硅基片上构成。集成扫描光栅微镜2与所采用的硅基片厚度一致。扭转梁3、连接梁4和压电微驱动器5的硅层厚度保持一致。
集成扫描光栅微镜2采用长方体结构设计，如图3所示，正面利用各向异性湿法腐蚀自停止腐蚀方法刻蚀了用于分光的闪耀光栅1，其闪耀角等于硅基片切偏角的锯齿形，再进行氧化锐化优化光栅槽形，并蒸镀金反射膜。如图2所示，背面掏蚀改变质量分布的凹槽8，凹槽8为对称分布的四个“口”字型凹坑，整体呈“田”字型排列。
压电微驱动器5为矩形板状结构，四个压电微驱动器5均匀分布于固定边框7的左上、左下、右上和右下方内侧，其中，左上和左下的电微驱动器之间，以及右上和右下的压电微驱动器之间通过两个连接梁4连接。
连接梁4的中部与扭转梁3的一端连接，扭转梁3的另一端与集成扫描光栅微镜2连接，实现集成扫描光栅微镜2悬置在固定边框7的中部，且能够绕扭转梁3的扭转轴做谐振转动。连接梁4上布有压电角传感器6。
压电微驱动器5和压电角传感器6自下而上由硅层、下电极层、压电薄膜和上电极层构成。压电微驱动器5的压电薄膜、上电极层和下电极层的面积略小于硅层面积，留出的硅层边缘用于电极线引出。
当一束准直后的复色光入射到集成扫描光栅微镜上，其上的闪耀光栅1作为分光元件将入射光色散成按波长大小依次排列的单色光。分别给扭转梁3两侧的压电微驱动器5施加频率等于器件谐振频率的反相电压，扭转梁3两侧的压电微驱动器5产生相反方向的驱动力和驱动位移，并通过连接梁4将驱动位移放大并传递到扭转梁3上，集成扫描光栅微镜2进行谐振扫描。在集成扫描光栅微镜2谐振转动的同时，连接梁4上的压电角传感器感应产生与集成扫描光栅微镜2转角大小对应的电信号，可作为传感信号输出用来实时监测集成扫描光栅微镜2的运动状态。同时角传感信号可用作反馈信号构成闭环控制，实现对扫描角度的精确控制。为了提高角传感信号的灵敏度、线性度和信噪比，扭转梁3同侧的两路角传感信号串联输出，然后两侧的角传感信号再作差分输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，包括：
一固定边框(7)，该固定边框呈矩形，其特征在于，
四个压电微驱动器(5)为矩形板状结构，并对称设置在所述固定边框的上边和下边内侧，固定在上边的两个压电微驱动器与固定在下边的两个压电微驱动器分别通过一连接梁(4)连接；
一集成扫描光栅微镜(2)为长方体结构，其左边和右边的中部分别与扭转梁(3)的一端连接，所述两根扭转梁的另一端分别与一连接梁(4)的中部连接；实现集成扫描光栅微镜(2)悬置在固定边框(7)的中部，且能够绕扭转梁(3)的扭转轴做谐振转动；
所述固定边框(7)、集成扫描光栅微镜(2)、扭转梁(3)、压电微驱动器(5)和连接梁(4)通过MEMS加工一体集成于偏晶向(111)硅基片上构成。
2.根据权利要求1所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述集成扫描光栅微镜(2)的正面集成了用于分光的闪耀光栅(1)，背面掏蚀凹槽(8)。
3.根据权利要求1或2所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：在所述连接梁(4)上布有压电角传感器(6)。
4.根据权利要求1或2所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述闪耀光栅(1)是利用湿法腐蚀在所述集成扫描光栅微镜(2)上形成闪耀角等于硅基片切偏角的锯齿形闪耀光栅。
5.根据权利要求1或2所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述闪耀光栅(1)表面镀有反射膜层。
6.根据权利要求1所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述集成扫描光栅微镜(2)与所采用的硅基片厚度一致；所述扭转梁(3)、连接梁(4)和压电微驱动器(5)的硅层厚度保持一致。
7.根据权利要求2所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述凹槽(8)为对称分布的四个“口”字型凹坑，整体呈“田”字型排列。
8.根据权利要求3所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述压电微驱动器(5)和压电角传感器(6)自下而上由硅层、下电极层、压电薄膜和上电极层构成。
9.根据权利要求1所述的压电式集成MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述压电微驱动器(5)的压电薄膜、上电极层和下电极层的面积略小于硅层面积。
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