CN108873313A - 微机电光学相位调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种微机电光学相位调制器。所述微机电光学相位调制器，包括透光平板、外围支架、扭转机构、以及扭转驱动器，其中：所述透光平板的上表面与下表面分别镀制光学增透膜；所述透光平板通过扭转机构与所述外围支架连接；所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板发生扭转。本发明提供的微机电光学相位调制器，光学口径大、相位调制范围大、光学损耗低、偏振无关，其调谐范围覆盖紫外至中远红外宽广的光学波段。同时，本发明提供的微机电光学相位调制器的体积小、结构简单，可以实现批量化生产，大幅度降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种微机电光学相位调制器。
背景技术
“相位”是描述激光光波的关键物理参量，对光波的传播行为有重大的影响。光学相位调制器是一种重要的光学器件，其功能是对入射的激光束的相位进行调制、控制。光学相位调制器具有广泛的应用前景，特别在光纤传感器、光学干涉仪、光学精密测量、激光器、光学相位阵列扫描器等器件中，均属于关键、核心光电元件。在光纤传感器、光学干涉仪、光学精密测量中，光学相位调制不但可以提高光干涉仪工作的稳定性，而且还可以实现光相位的高精度测量，在使光学相位测量技术成为光学测量、光纤传感中最高精度的测量技术中，光学相位调制器是发挥着关键作用。在激光谐振腔中，光学相位调制器可以锁定激光谐振波长或实现激光波长调谐。在光学相位阵列扫描器中，具有相位线性空间分布的激光可以实现激光光束的偏转，这在激光雷达中具有重要应用。光学相位调制器根据其具体的光学应用类型，可以分为线性相位调制器、正弦相位调制器、相位跟踪调制器等多种，以实现对激光信号所需要的光相位进行调制。
现有的光学相位调制器主要是基于电光晶体或液晶电光效应的电光相位调制器，根据激光光波传播空间的不同特点，可以分为自由空间型和波导型两种光电相位调制器，其基本原理是电控制信号调节电光晶体、液晶盒或电光波导的折射率n，从而使传输光束的相位得到调制、控制。这些光学相位调制器虽然获得了广泛的应用，但它们也存在很大的不足，如调制电压高、偏振敏感、相位调节范围小、光学插入损耗大、成本高等。光学技术领域需要进一步发展调制电压低、偏振无关、相位调节范围大、光学插入损耗低、成本低的新型光学相位调制器，以满足日益增长的光学相位调制器的应用需求。除电光相位调制器外，还有一些基于光弹效应、光纤拉伸、反射镜微位移的光学相位调制器，获得了一定的应用，但也各自存在一些不足之处，例如：光弹效应光学相位调制器利用压电陶瓷或机械拉伸，需要的调制电压高或功耗高、其调制范围小，且与输入光信号的偏振态相关；基于光纤拉伸的光学相位调制器采用压电材料拉伸光纤长度，驱动电压高，调制特性存在时间漂移；反射镜微位移的光学相位调制器是利用轴向垂直移动的光学反射镜改变光程而实现光学相位的调制，仅能工作于反射工作模式，采用压电或MEMS(Micro-electro-Mechanical System)驱动器驱动的相位调制范围较小。在很多光学应用中需要透射式、大调谐范围的光学相位调制器，需要进一步发展透射式、大调谐范围的光学相位调制器。
因此，如何增大光学相位调制器的调谐范围，降低光学相位调制器的制造成本，扩大光学相位调制器的应用范围，降低生产成本，实现批量化生产，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种微机电光学相位调制器，以解决现有的光学相位调制器调谐范围小的问题，并减小光学相位调制器的体积，降低生产成本，实现光学相位调制器的批量化生产。
为了解决上述问题，本发明提供了一种微机电光学相位调制器，包括透光平板、外围支架、扭转机构、以及扭转驱动器，其中：所述透光平板的上表面与下表面分别镀制光学增透膜；所述透光平板通过扭转机构与所述外围支架连接；所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板发生扭转。
优选的，所述透光平板的材质为单晶硅、玻璃、光学塑料、光学晶体或光学陶瓷。
优选的，所述扭转驱动器为静电垂直梳齿扭转驱动器、电磁扭转驱动器、压电扭转驱动器或电热扭转驱动器。
优选的，所述扭转机构包括共轴设置的第一扭转梁和第二扭转梁；所述第一扭转梁的一端连接所述外围支架，另一端连接所述透光平板；所述第二扭转梁的一端连接所述外围支架，另一端连接所述透光平板；所述透光平板能够以所述第一扭转梁和第二扭转梁的轴向为转轴发生扭转。
优选的，所述扭转驱动器为静电垂直梳齿扭转驱动器，所述静电垂直梳齿扭转驱动器包括设置在转轴同侧的第一静梳齿组以及第一动梳齿组；其中：所述第一动梳齿组与所述透光平板连接；所述第一静梳齿组与所述外围支架连接；所述第一动梳齿组与所述第一静梳齿组之间具有一预设的高度差，所述高度差使所述第一静梳齿组与所述第一动梳齿组能够在施加电压的情况下发生相对位移，并进一步驱动所述透光平板沿着所述转轴发生扭转。
优选的，所述扭转驱动器还包括与第一静梳齿组以及第一动梳齿组相对于转轴对称分布的第二静梳齿组以及第二动梳齿组；在施加电压的情况下，所述第二静梳齿组以及第二动梳齿组发生相对位移，产生的扭转运动与第一静梳齿组、第一动梳齿组施加电压产生的扭转运动方向相反。
优选的，所述扭转驱动器为电磁扭转驱动器，所述电磁扭转驱动器包括一组金属线圈，所述金属线圈设置在透光平板表面，所述金属线圈通过转轴连接到设置在外围支架的电极焊盘上，流过所述金属线圈的驱动电流在外部偏置磁场的作用下产生电磁扭转力，驱动所述透光平板沿着所述转轴发生扭转。
优选的，所述金属线圈为铜线圈、铝线圈或金线圈。
优选的，所述金属线圈通过一支撑框架制造在所述透光平板表面。
本发明提供的微机电光学相位调制器，通过在透光平板的两相对的表面镀制光学增透膜，并采用基于MEMS技术的扭转驱动器驱动透光平板扭转实现光学相位调制，其光学口径大、相位调制范围大(可从0到数百个2π弧度)、光学损耗低、偏振无关，其调谐范围覆盖紫外至中远红外宽广的光学波段。同时，本发明提供的微机电光学相位调制器的体积小、结构简单，可以实现批量化生产，大幅度降低制造成本。
附图说明
附图1是本发明第一具体实施方式的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的结构示意图；
附图2是本发明第一具体实施方式的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的截面示意图；
附图3A-3G是本发明第一具体实施方式的制造包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的主要工艺流程示意图；
附图4是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的结构示意图；
附图5是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的截面示意图；
附图6A-6F是本发明第二具体实施方式的制造包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的主要工艺流程示意图；
附图7是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器去除玻璃支架前的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的微机电光学相位调制器及其制造方法的具体实施方式做详细说明。
第一具体实施方式
本具体实施方式提供了一种微机电光学相位调制器，附图1是本发明第一具体实施方式的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的结构示意图，附图2是本发明第一具体实施方式的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的截面示意图。
如图1、2所示，本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器包括一透光平板21、外围支架13、扭转机构以及扭转驱动器。其中：所述透光平板21包括相互平行的上表面和下表面，且所述透光平板21的上表面镀制有第一光学增透膜12、下表面镀制有第二光学增透膜11，所述第一光学增透膜12和所述第二光学增透膜11用于增大光线的透射率。为了确保所述透光平板21的两透光表面具有高平行度、高光学光洁度，优选的，所述透光平板21的材质为单晶硅、玻璃、光学塑料、光学晶体或光学陶瓷。本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器尤其适用于对红外光的调制，为了提高红外光的透射率，优选的，所述透光平板21是红外透光平板，所述第一光学增透膜12和所述第二光学增透膜11均为红外增透膜，所述红外增透膜更优选为光学透过率优于99.5％的红外光学增透膜。更优选的，所述透光平板21的材质为单晶硅。
本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器调制光学相位的原理是：透光平板法线的角度偏转将改变入射准直光束在透光平板中的传输光学厚度，即改变准直光束传播的光程，从而可以通过控制透光平板的法线角度来调制与控制传输准直光束的光学相位。基于上述原理，本具体实施方式所述透光平板21通过所述扭转机构与所述外围支架13连接；所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板21发生扭转。具体来说，所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板21围绕所述扭转机构发生扭转运动。为了增大本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器的应用范围和制造的灵活性，所述扭转驱动器可以为静电垂直梳齿扭转驱动器、电磁扭转驱动器、压电扭转驱动器或电热扭转驱动器。在本具体实施方式中，为了便于所述透光平板21发生扭转，简化微机电光学相位调制器的整体结构，优选的，所述扭转机构包括共轴设置的第一扭转梁161和第二扭转梁162；所述第一扭转梁161的一端连接所述外围支架13，另一端连接所述透光平板21；所述第二扭转梁162的一端连接所述外围支架13，另一端连接所述透光平板21；所述透光平板21能够以所述第一扭转梁161和所述第二扭转梁162的轴向为转轴发生扭转。
为了驱动所述透光平板绕所述扭转机构扭转，本具体实施方式所述的扭转驱动器为基于MEMS技术的静电垂直梳齿扭转驱动器，其包括设置在所述转轴同侧的第一静梳齿组141以及第一动梳齿组151；其中，所述第一动梳齿组151与所述透光平板21连接；所述第一静梳齿组141与所述外围支架13连接；所述第一动梳齿组151与所述第一静梳齿组141之间具有一预设的高度差，所述高度差使所述第一静梳齿组141与所述第一动梳齿组151能够在施加电压的情况下产生相对位移，并进一步驱动所述透光平板21沿着所述转轴发生扭转。其中，所述第一静梳齿组141由多个等间隔排列的静梳齿组成，所述第一动梳齿组151由相同数量的等间隔排列的动梳齿组成。为了确保所述静电垂直梳齿扭转驱动器能够驱动所述透光平板21沿着所述转轴发生扭转，在所述第一静梳齿组141与所述第一动梳齿组151之间施加一电压。在所述第一动梳齿组151与所述第一静梳齿组141之间存在数微米至数十微米的高度差异，由所述第一动梳齿组151与所述第一静梳齿组141构成静电垂直梳齿扭转驱动器，所述第一动梳齿组151可绕所述第一扭转梁161和所述第二扭转梁162的轴向作一定角度的旋转运动。在所述静电垂直梳齿扭转驱动器谐振运动的情形下，通过高低梳齿可以完成静电垂直梳齿扭转驱动器的谐振运动的启动，在一定的扭转幅度时达到平衡，而维持等幅度的谐振运动。在谐振运动的维持过程中，通过在所述第一动梳齿组151、所述第一静梳齿组141处于恰当的交叠角度时施加静电驱动电压脉冲，调节静电驱动电压的大小，补偿每个周期内的所述静电垂直梳齿扭转驱动器运动能量的消耗，实现等幅度的谐振运动。通过采用基于MEMS技术的扭转驱动器驱动所述透光平板产生扭转运动，使得所述微机电光学相位调制器的尺寸大幅度缩小，可以制造出毫米级尺寸的光学器件，且制造成本也大幅度降低。
通过在所述透光平板21的两透光表面(即上表面和下表面)分别镀制光学增透膜，并用一基于MEMS技术的扭转驱动器驱动所述透光平板的扭转，与传统的反射式光学相位调制器相比，本具体实施方式的微机电光学相位调制器为透射式，可以实现超大的光学相位调制范围，相位调制范围可达0至数百个2π弧度，而且可以实现连续调节，大大拓展了应用范围，尤其是在光学相位阵列扫描器中可以实现更大角度的扫描。不仅如此，本具体实施方式提供的微机电光学相位调制器，其光学相位调制与激光束的偏振态无关，还可通过反射镜与单模双光纤准直器耦合，实现光纤相位调制器。
为了提高扭转驱动效率和扭转角度范围，优选的，如图1所示，本具体实施方式所述的扭转驱动器还包括与所述第一静梳齿组141以及所述第一动梳齿组151相对于所述转轴对称分布的第二静梳齿组142以及第二动梳齿组152；在施加驱动电压的情况下，所述第二静梳齿组142以及所述第二动梳齿组152发生相对位移，产生的扭转运动与第一静梳齿组141、第一动梳齿组151施加电压产生的扭转运动方向相反。采用这一结构，以增加扭转驱动的角度范围。与所述第一静梳齿组141、第一动梳齿组151相似，所述第二静梳齿组142由多个等间隔排列的静梳齿组成，所述第二动梳齿组152由相同数量的等间隔排列的动梳齿组成，且所述第二静梳齿组142、所述第二动梳齿组152之间也具有与所述第一静梳齿组141、所述第一动梳齿组151之间相同的高度差。
本具体实施方式提供的微机电光学相位调制器，通过在一透光平板的相对侧均镀制光学增透膜，并采用基于MEMS技术的扭转驱动器驱动透光平板扭转实现光学相位调制，其光学口径大、相位调制范围大(可从0到数百个2π弧度)、光学损耗低、偏振无关，其调谐范围覆盖紫外至中远红外宽广的光学波段。同时，本发明提供的微机电光学相位调制器的体积小、结构简单，可以实现批量化生产，大幅度降低制造成本。
以下举例说明制造本具体实施方式所述的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的方法。附图3A-3G是本发明第一具体实施方式的制造包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的主要工艺流程示意图。如图3A-3G所示，本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器制造方法包括如下步骤：
a)提供第一单晶硅片，如图3A所示，所述第一单晶硅片是由顶层硅41、埋氧化层42和衬底43依次层叠构成的SOI硅片(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)。所述顶层硅41的厚度为50微米，所述衬底43的厚度为450微米。上述顶层硅41的厚度、所述衬底43的厚度仅为举例说明本具体实施方式，并不是对本具体实施方式的限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
b)所述顶层硅41上表面的一部分依次经氧化、光刻、刻蚀，形成多个凹陷部411，所述顶层硅41的上表面一未刻蚀部分作为透光平板21，所述多个凹陷部411对称分布于所述透光平板21的相对两侧，如图3B所示。所述多个凹陷部411的深度优选为所述顶层硅41厚度的一半。所述多个凹陷部411用于形成后续的静梳齿和动梳齿。
c)提供第二单晶硅片，所述第二单晶硅片依次经氧化、光刻、腐蚀，形成一通孔，用以构成所述外围支架13，结构如图3C所示。
d)如图3D所示，所述顶层硅41的上表面与所述第二单晶硅片进行硅-硅键合，形成硅-硅键合组合体，且所述顶层硅41中的所述透光平板21和所述多个凹陷部411均位于所述第二单晶硅片的通孔内。
e)如图3E所示，所述硅-硅键合组合体依次经机械减薄、硅湿法腐蚀，去除所述第一单晶硅片的所述衬底43和所述埋氧化层42，以暴露出所述顶层硅41的下表面。
f)如图3F所示，在所述顶层硅41的下表面对准光刻，硅深刻蚀直至穿通，以释放微结构，形成相互等间隔排列的第一动梳齿组151与第一静梳齿组141，且所述第一动梳齿组151与所述第一静梳齿组141之间具有一预设的高度差，所述高度差使所述第一动梳齿组151与所述第一静梳齿组141能够在施加电压的情况下发生相对位移，并进一步驱动所述透光平板21沿着一扭转机构的转轴发生扭转；以及与所述第一静梳齿组141和所述第一动梳齿组151相对于转轴对称分布的第二静梳齿组142和第二动梳齿组152，所述第二动梳齿组152与所述第二静梳齿组142之间也具有同样的预设高度差；在施加电压的情况下，所述第二静梳齿组142以及所述第二动梳齿组152发生相对位移，产生的扭转运动与第一静梳齿组141、第一动梳齿151组施加电压产生的扭转运动方向相反。
g)如图3G所示，采用硬掩膜技术，在所述透光平板21的上表面镀制第一光学增透膜12、下表面镀制第二光学增透膜11。本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器尤其适用于对红外光的调制，为了提高红外光的透射率，优选的，所述光学增透膜为红外光增透膜，所述红外光增透膜更优选为光学透过率优于99.5％的红外光增透膜。最后经划片，得到本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器。
以上制造方法只是对制造本具体实施方式所述的包括静电垂直梳齿扭转驱动器的微机电光学相位调制器的举例说明，并不是对本具体实施方式的限定，本领域技术人员根据其掌握的普通技术知识，也可采用其他方法制造本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器。
第二具体实施方式
本具体实施方式提供一种微机电光学相位调制器，附图4是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的结构示意图，附图5是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的截面示意图。
如图4、5所示，本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器包括一透光平板61、外围支架53、扭转机构以及扭转驱动器。其中：所述透光平板61包括相互平行的上表面和下表面，且所述透光平板61的上表面镀制有第一光学增透膜51、下表面镀制有第二光学增透膜62，所述第一光学增透膜51和所述第二光学增透膜62用于增大光线的透射率。为了确保所述透光平板61具有高的光学透过率，优选的，所述透光平板61的材质为单晶硅、玻璃、光学塑料、光学晶体或光学陶瓷。本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器尤其适用于对可见光的调制，为了提高可见光的透射率，优选的，所述透光平板61是可见光透光平板，所述第一光学增透膜51和所述第二光学增透膜62均为可见光增透膜，所述可见光增透膜更优选为光学透过率优于99.5％的可见光增透膜。更优选的，所述透光平板61的材质为玻璃。
本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器调制光学相位的原理是：透光平板法线的角度偏转将改变入射准直光束在透光平板中的传输光学厚度，即改变准直光束传播的光程，从而可以通过控制透光平板的法线角度来调制与控制传输准直光束的光学相位。基于上述原理，所述透光平板61通过所述扭转机构与所述外围支架53连接；所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板61发生扭转。具体来说，所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板61围绕所述扭转机构发生扭转运动。为了增大本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器的应用范围和制造的灵活性，所述扭转驱动器为静电垂直梳齿扭转驱动器、电磁扭转驱动器、压电扭转驱动器或电热扭转驱动器。在本具体实施方式中，为了便于所述透光平板发生扭转，简化微机电光学相位调制器的整体结构，优选的，所述扭转机构包括共轴设置的第一扭转梁561和第二扭转梁562；所述第一扭转梁561的一端连接所述外围支架53，另一端连接所述透光平板61；所述第二扭转梁562的一端连接所述外围支架53，另一端连接所述透光平板61；所述透光平板61能够以所述第一扭转梁561和所述第二扭转梁562的轴向为转轴发生扭转。
为了驱动所述透光平板绕所述扭转机构扭转，本具体实施方式所述的扭转驱动器为基于MEMS技术的电磁扭转驱动器，所述电磁扭转驱动器包括一组金属线圈54，所述金属线圈54设置在透光平板61表面，所述金属线圈54通过转轴连接到设置在所述外围支架53的电极焊盘上，流过所述金属线圈54的驱动电流在外部偏置磁场的作用下产生电磁扭转力，驱动所述透光平板61沿着所述转轴发生扭转。具体来说，所述金属线圈54的第一端通过所述第一扭转梁561延伸至所述外围支架53，并与所述外围支架53上的第一电极焊盘551连接；所述金属线圈54的第二端通过所述第二扭转梁562延伸至所述外围支架53，并与所述外围支架53上的第二电极焊盘552连接。优选的，所述金属线圈54可以是铜线圈、铝线圈或金线圈。在本具体实施方式中，由于铜具有良好的导电性，且价格低廉，优选的，所述金属线圈54为铜线圈。将所述微机电光学相位调制器封装时，在所述微机电光学相位调制器的两侧放置永磁铁，例如钕铁硼永磁铁，用以提供偏置磁场，当所述金属线圈54中有电流流过时，所述透光平板61在电磁扭转力的作用下将绕所述转轴扭转，以实现对通过所述透光平板61的准直光束的光相位调制。本具体实施方式通过采用基于MEMS技术的电磁扭转驱动器驱动所述透光平板61产生扭转运动，使得所述微机电光学相位调制器的尺寸大幅度缩小，可以制造出毫米级尺寸的光学器件，且制造成本也大幅度降低。
通过在透光平板的两透光表面分别镀制光学增透膜，并用一基于MEMS技术的扭转驱动器驱动所述透光平板的扭转，与传统的反射式光学相位调制器相比，本具体实施方式的微机电光学相位调制器为透射式，可以实现超大的光学相位调制范围，相位调节范围可达0至数百个2π弧度，而且可以实现连续调节，大大拓展了应用范围，尤其是在光学相位阵列扫描器中可以实现更大角度的光束扫描。不仅如此，本具体实施方式提供的微机电光学相位调制器，其光学相位调制与激光束的偏振态无关，还可通过反射镜与单模双光纤准直器耦合，实现光纤相位调制器。
优选的，为了简化制造工序，并获得较强的扭转效果，所述金属线圈54通过一半导体材料的支撑框架52制造在所述透光平板61表面。
本具体实施方式提供的微机电光学相位调制器，通过在一透光平板的相对侧(即上表面和下表面)镀制光学增透膜，并采用基于MEMS技术的扭转驱动器驱动透光平板扭转实现光学相位调制，其光学口径大、相位调制范围大(可从0到数百个2π弧度)、光学损耗低、偏振无关，其调谐范围覆盖紫外至中远红外宽广的光学波段。同时，本发明提供的微机电光学相位调制器的体积小、结构简单，可以实现批量化生产，大幅度降低制造成本。
以下举例说明制造本具体实施方式所述的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的方法。附图6A-6F是本发明第二具体实施方式的制造包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的主要工艺流程示意图。如图6A-6F所示，本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器制造方法包括如下步骤：
A)如图6A所示，提供一第三单晶硅片52，所述第三单晶硅片52的厚度为450微米。所述第三单晶硅片52的厚度仅为举例说明本具体实施方式，并不是对本具体实施方式的限定，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
B)如图6B所示，所述第三单晶硅片52的上表面依次经氧化、涂胶、光刻、溅射、刻蚀、电镀，形成一组金属线圈54。其具体的操作步骤可以为：对所述第三单晶硅片52进行氧化，并在所述第三单晶硅片52的上表面涂胶、光刻、溅射制造金属种子层，所述金属种子层经刻蚀形成所述金属线圈54的种子层，并进行金属电镀将所述金属线圈54的厚度增至25微米。其中，由于铜具有良好的导电性，且价格低廉，优选的，所述金属线圈54为铜线圈。
C)如图6C所示，提供一玻璃片，并对所述玻璃片进行图形化加工，以在所述玻璃片中形成穿通的结构。在本具体实施方式中，所述玻璃片的型号为Pyrex7740玻璃片，对所述玻璃片采用机械加工或紫外激光加工的形式形成如图6C所示的图形化的玻璃片。
D)如图6D所示，将图形化的所述玻璃片与所述第三单晶硅片52的下表面进行硅-玻璃键合，形成一硅-玻璃键合组合体。
E)如图6E所示，在所述第三单晶硅片52的上表面经光刻、硅深刻蚀，直至所述第三单晶硅片52穿通，释放硅结构，并暴露出经图形化的玻璃片以形成透光平板61，所述金属线圈54在驱动电流以及外部偏置磁场的作用下产生电磁扭转力，用以驱动所述透光平板61沿着扭转机构的转轴发生扭转。
F)如图6F所示，采用硬掩膜技术，在所述玻璃片的相对两侧分别镀制光学增透膜。在所述玻璃片的上表面镀制第一光学增透膜51、下表面镀制第二光学增透膜62。本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器尤其适用于对可见光的调制，为了提高可见光的透射率，优选的，所述透光平板61是可见光透光平板，所述第一光学增透膜51和所述第二光学增透膜62均为可见光增透膜，所述可见光增透膜更优选为光学透过率优于99.5％的可见光学增透膜。
附图7是本发明第二具体实施方式的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器去除玻璃支架前的结构示意图，其中，所述玻璃支架的设置是为了保证在工艺制作过程中支撑所述玻璃片中的所述透光平板61。经过上述步骤得到的微机电光学相位调制器如图7所示，此时，为了使得所述透光平板61能够围绕其转轴自由转动，还需采用紫外激光将限制所述透光平板61转动的所有玻璃支架91切断去除。所述金属线圈54的第一端通过所述第一扭转梁561延伸至所述外围支架53，并与所述外围支架53上的第一电极焊盘551连接；所述金属线圈54的第二端通过所述第二扭转梁562延伸至所述外围支架53，并与所述外围支架53上的第二电极焊盘552连接。最后经划片，得到本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器。
将所述微机电光学相位调制器封装时，在所述微机电光学相位调制器的两侧放置永磁铁，例如钕铁硼永磁铁，用以提供磁场偏置，当所述金属线圈54中有电流流过时，所述透光平板61在电磁扭转力的作用下将绕所述转轴旋转，以实现对通过所述透光平板61的准直光束的光相位调制。
以上制造方法只是对制造本具体实施方式所述的包括电磁扭转驱动器的微机电光学相位调制器的举例说明，并不是对本具体实施方式的限定，本领域技术人员根据其掌握的普通技术知识，也可采用其他方法制造本具体实施方式所述的微机电光学相位调制器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种微机电光学相位调制器，其特征在于，包括透光平板、外围支架、扭转机构、以及扭转驱动器，其中：
所述透光平板的上表面与下表面分别镀制光学增透膜；
所述透光平板通过扭转机构与所述外围支架连接；
所述扭转驱动器用以驱动所述透光平板发生扭转。
2.根据权利要求1所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述透光平板的材质为单晶硅、玻璃、光学塑料、光学晶体或光学陶瓷。
3.根据权利要求1所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述扭转驱动器为静电垂直梳齿扭转驱动器、电磁扭转驱动器、压电扭转驱动器或电热扭转驱动器。
4.根据权利要求1所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述扭转机构包括共轴设置的第一扭转梁和第二扭转梁；所述第一扭转梁的一端连接所述外围支架，另一端连接所述透光平板；所述第二扭转梁的一端连接所述外围支架，另一端连接所述透光平板；所述透光平板能够以所述第一扭转梁和第二扭转梁的轴向为转轴发生扭转。
5.根据权利要求4所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述扭转驱动器为静电垂直梳齿扭转驱动器，所述静电垂直梳齿扭转驱动器包括设置在转轴同侧的第一静梳齿组以及第一动梳齿组；其中：
所述第一动梳齿组与所述透光平板连接；
所述第一静梳齿组与所述外围支架连接；
所述第一动梳齿组与所述第一静梳齿组之间具有一预设的高度差，所述高度差使所述第一静梳齿组与所述第一动梳齿组能够在施加电压的情况下发生相对位移，并进一步驱动所述透光平板沿着所述转轴发生扭转。
6.根据权利要求5所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述扭转驱动器还包括与第一静梳齿组以及第一动梳齿组相对于转轴对称分布的第二静梳齿组以及第二动梳齿组；在施加电压的情况下，所述第二静梳齿组以及第二动梳齿组发生相对位移，产生的扭转运动与第一静梳齿组、第一动梳齿组施加电压产生的扭转运动方向相反。
7.根据权利要求4所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述扭转驱动器为电磁扭转驱动器，所述电磁扭转驱动器包括一组金属线圈，所述金属线圈设置在透光平板表面，所述金属线圈通过转轴连接到设置在外围支架的电极焊盘上，流过所述金属线圈的驱动电流在外部偏置磁场的作用下产生电磁扭转力，驱动所述透光平板沿着所述转轴发生扭转。
8.根据权利要求7所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述金属线圈为铜线圈、铝线圈或金线圈。
9.根据权利要求7所述的微机电光学相位调制器，其特征在于，所述金属线圈通过一支撑框架制造在所述透光平板表面。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113820851A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 双轴垂直梳齿mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
| CN113820852A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 高占空比mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101963698A (zh) * | 2010-09-30 | 2011-02-02 | 西北工业大学 | 一种微机械空间光调制器 |
| CN102081243A (zh) * | 2010-12-08 | 2011-06-01 | 福州高意光学有限公司 | 一种可调滤光片的调谐方法 |
| CN102442630A (zh) * | 2010-09-30 | 2012-05-09 | 贺思源 | 一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构 |
| CN103292688A (zh) * | 2013-05-22 | 2013-09-11 | 中北大学 | 十字对称结构大光程差弹光调制干涉仪 |
| CN103906997A (zh) * | 2011-10-31 | 2014-07-02 | 日本精工株式会社 | 光学传感器、光学传感器的制造方法、光学式编码器、扭矩检测装置以及电动动力转向装置 |
| CN104765144A (zh) * | 2015-03-20 | 2015-07-08 | 西北工业大学 | 电磁—静电混合驱动二维微扫描镜及制作方法 |
| CN105549200A (zh) * | 2011-10-03 | 2016-05-04 | 三美电机株式会社 | 光学扫描装置 |
| CN106353891A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-01-25 | 山西大学 | 一种moems激光扫描微镜阵列散斑抑制装置 |
-
2017
- 2017-05-10 CN CN201710324529.2A patent/CN108873313A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101963698A (zh) * | 2010-09-30 | 2011-02-02 | 西北工业大学 | 一种微机械空间光调制器 |
| CN102442630A (zh) * | 2010-09-30 | 2012-05-09 | 贺思源 | 一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构 |
| CN102081243A (zh) * | 2010-12-08 | 2011-06-01 | 福州高意光学有限公司 | 一种可调滤光片的调谐方法 |
| CN105549200A (zh) * | 2011-10-03 | 2016-05-04 | 三美电机株式会社 | 光学扫描装置 |
| CN103906997A (zh) * | 2011-10-31 | 2014-07-02 | 日本精工株式会社 | 光学传感器、光学传感器的制造方法、光学式编码器、扭矩检测装置以及电动动力转向装置 |
| CN103292688A (zh) * | 2013-05-22 | 2013-09-11 | 中北大学 | 十字对称结构大光程差弹光调制干涉仪 |
| CN104765144A (zh) * | 2015-03-20 | 2015-07-08 | 西北工业大学 | 电磁—静电混合驱动二维微扫描镜及制作方法 |
| CN106353891A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-01-25 | 山西大学 | 一种moems激光扫描微镜阵列散斑抑制装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| O. TABATA 等: "《MEMS可靠性》", 31 March 2009, 东南大学出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113820851A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 双轴垂直梳齿mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
| CN113820852A (zh) * | 2021-08-30 | 2021-12-21 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 高占空比mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
| CN113820852B (zh) * | 2021-08-30 | 2023-10-17 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 高占空比mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
| CN113820851B (zh) * | 2021-08-30 | 2023-10-17 | 安徽中科米微电子技术有限公司 | 双轴垂直梳齿mems微镜、微镜阵列及制备方法 |
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