CN108919478A - 一种可调谐f-p滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可调谐F‑P滤光片及其制备方法，属于红外光谱技术领域。本发明提出了一种用于红外光谱气体传感器的可调谐F‑P滤光片，其结构包括：硅衬底、设置在硅衬底上的固定布拉格反射镜、控制电极和金属桥腿，以及悬设在固定布拉格反射镜上方的金属桥面，所述金属桥面底部具有与固定布拉格反射镜相对的移动布拉格反射镜，所述金属桥面通过弹簧悬挂在金属桥腿上，在电压驱动下，所述移动布拉格反射镜在硅衬底上方沿竖直方向做上下运动。本发明可调谐F‑P滤光片结构新颖、体积微小、集成度高、制作简单，运用时驱动精准，调谐速度快，可使得红外光谱气体传感器采集到的光谱更为精细、准确，并且不受电磁辐射干扰。
Description
技术领域
本发明属于红外光谱技术领域，具体涉及一种可调谐F-P滤光片及其制备方法。
背景技术
气体传感器在航空环境监测领域发挥着重要的作用。航天器内各种有害气体的成分变化会对宇航员的身体健康产生非常重要的影响，同时在深空探测中对行星大气环境的检测也是进行研究的一项重要数据。随着航空航天技术的快速发展，对舱内环境和行星大气环境的探测需求也越来越高，需要研制高分辨率、宽波段的气体传感器。基于红外光谱吸收法的气体传感器相较基于电化学法和气相色谱法的气体传感器而言，其精度更高，稳定性更好，寿命也更长久。因此，红外光谱气体传感器作为航天器用气体传感器具有绝佳的发展潜力。随着探测器扫描性能发展到焦平面阵列扫描，也随之要求探测器具有更高的光谱分辨率。气体传感器中的探测器前端设有可调谐滤光片，而这一设置正是为了满足上述要求。常见的可调谐滤波片有声光滤波片、M-Z滤波片和F-P滤光片。声光滤波片的可调谐范围较大，但它的带宽不够窄；M-Z滤波片虽然有很窄的带宽，但可调谐的范围较小。相比之下，F-P滤光片则凭借其窄带宽和宽可调谐范围的特性，广泛应用在红外光谱领域。
目前，为适应航空航天领域气体传感器微型化的趋势，使得气体传感器各个部件之间的集成度会很高，然而随着集成度的提高，传感器电子部件、光机部件的热辐射和电磁辐射对探测器的干扰也就会越来越大。而探测器前端的可调谐F-P滤光片不仅为了提高极高的光谱分辨率，而且也希望其能够有效屏蔽电磁辐射，以最大程度地滤除探测波段外的红外辐射干扰，提高光谱采集的准确度。
微机电系统(Micro Electron Meehanieal System的MEMS)是近年来发展最为迅猛的一项新技术之一，其制造出尺寸在几毫米乃至更小乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是精细加工的一种，本质上是一种把微型机械元件与电子电路集成在同一颗芯片上的半导体技术。一般芯片只是利用硅半导体的电气特性，而MEMS则结合了芯片的电气和机械可动结构两种特性，在微小尺度上实现了与外界电、热、光、声、磁信号的相互作用。这种集成化使得微系统具有诸多优点，并为解决系统的微型化和集成化问题提供了一条有效的途径。
MEMS加工技术融合了多种微细加工技术，按照加工方式主要分为两种，分别是表面工艺和体工艺。表面工艺是将硅片作为衬底，在衬底之上进行器件和材料的加工。而体工艺则需要深入衬底，大量的去除衬底材料，形成诸如洞、坑、槽以及锯齿等形状，并且可加工器件的体积通常较大，与集成电路的兼容性不如表面工艺。
发明内容
鉴于上文所述，本发明针对现有技术的需求，提供了一种新型可调谐F-P滤光片及其制备方法，可用于红外光谱气体传感器。本发明可调谐F-P滤光片结构新颖、体积微小、集成度高、制作简单，运用时驱动精准，调谐速度快，可使得红外光谱气体传感器采集到的光谱更为精细、准确，并且不受电磁辐射干扰。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面本发明提供一种可调谐F-P滤光片，其结构包括：硅衬底(2)，所述硅衬底(2)的正面设置有固定布拉格反射镜(1)、控制电极(4)和金属桥腿(5)，所述固定布拉格反射镜(1)设置在硅衬底(2)正面的中间位置，所述控制电极(4)平行设置在固定布拉格反射镜(1)的两侧，所述金属桥腿(5)设置在固定布拉格反射镜(1)和控制电极(4)外围，并且分别对称设置在硅衬底(2)正面靠近边角的区域，所述硅衬底的上方悬设有底面具有移动布拉格反射镜(6)的金属桥面(7)，所述固定布拉格反射镜(1)和所述移动布拉格反射镜(6)面对面设置且相向面均设置有金属网栅(8)，所述金属桥面(7)通过弹力部件悬挂在金属桥腿(5)上；在电压驱动下，所述移动布拉格反射镜(6)能够在硅衬底(2)上方沿竖直方向做上下运动。
进一步地，本发明中硅衬底(2)的背面与固定布拉格反射镜(1)相对应处还设置有抗反射膜，所述抗反射膜优选为SiO2抗反射膜，透射率可达98％。
进一步地，本发明中金属网栅(8)的材料优选为Cu，并且金属网栅(8)优选为薄膜型金属网栅，所述薄膜型金属网栅的线宽窄，屏蔽效能高，可以有效地实现光学透明和屏蔽长波段的电磁干扰。
进一步地，本发明中固定布拉格反射镜(1)和移动布拉格反射镜(6)均采用多层介质高反膜，所述多层介质高反膜的构成包括高折射率和低折射率交替的薄膜层。作为一种具体实施方式，高折射率膜层可以选择Ge，Ge的折射率为4，并且化学性能稳定，目前被广泛地使用在滤波片上；作为一种具体实施方式，低折射率膜层可以选择SiO2，其折射率约为1.46，化学性能稳定。这里将高反射膜层记作H，将低反射膜层记作L，具体地，固定布拉格反射镜(1)自下而上依次由HLHLH这5层构成，移动布拉格反射镜(6)自下而上依次由LHLHLH这6层构成。
进一步地，所述控制电极(4)具体采用Ni-Cr合金制成。
进一步地，所述弹力部件的作用是使得移动布拉格反射镜(6)电压驱动下在硅衬底(2)上方沿竖直方向做上下运动，进而达到改变反射镜(1、6)之间的静电间隙d，作为一种具体实施方式，弹力部件可以选择弹簧。
本发明可调谐F-P滤光片的工作原理具体如下：
在控制电极上施加一个控制电压Vc+，而移动布拉格反射镜(6)相当于一个辅助电极，具有一个固定的参考电势Vcref。那么，固定布拉格反射镜(1)与移动布拉格反射镜(6)之间的电势差则为Vc＝Vc+-Vcref。电势差Vc会使固定布拉格反射镜(1)与移动布拉格反射镜(6)之间产生静电力F，从而使得固定布拉格反射镜(1)与移动布拉格反射镜(6)之间的静电间隙d缩小。静电力F、静电间隙d与电势差Vc之间的关系如下：
式中，ε0是自由空间的介电常数，A是反射镜镜面的面积。
由F-P干涉原理可知，静电间隙d改变，因此所能透射出F-P腔体的红外辐射的波长λ也会相应的改变，从而达到可调谐滤波的作用。两者满足如下关系式：
2nd cosθ＝mλ
式中，n为腔体内的介质折射率，θ为入射光的入射角，m取整数。
另一方面，本发明提供了上述可调谐F-P滤光片的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：在洁净、干燥的硅衬底(2)正面制作布拉格反射镜，并将其固定在硅衬底(2)中间位置，制得固定布拉格反射镜(1)；
步骤B：在经步骤A得到的硅衬底(2)正面制作控制电极(4)，所述控制电极(4)位于所述固定布拉格反射镜(1)的两侧且与之平行设置；
步骤C：在经步骤B制得的硅衬底(2)正面制作金属桥腿(5)，所述金属桥腿(5)位于固定布拉格反射镜(1)和控制电极(4)的外围，并且对称设置在硅衬底正面靠近边角的区域；
步骤D：在所述固定布拉格反射镜(1)的上反射面制作金属网栅(8)，然后在位于金属桥腿(5)内的区域旋涂牺牲层，经固化处理后，在牺牲层上制作与固定布拉格反射镜(1)相对设置的另一布拉格反射镜，再在牺牲层上的布拉格反射镜的下反射面制作金属网栅(8)；
步骤E：在经步骤D处理得到的布拉格反射镜上制作金属桥面(7)，并将金属桥面(7)通过弹性部件悬挂在外围金属桥腿(5)上，然后刻蚀去除牺牲层，形成F-P空腔体，由此制得移动布拉格反射镜(6)，至此完成器件的制备。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明可调谐F-P滤光片通过使用诸如弹簧这种弹力部件将底部设置有移动布拉格反射镜的金属桥面悬设在固定布拉格反射镜上方，这种设计既可以避免金属桥面在上下移动过程中发生形变，影响F-P滤光片的选频性能，也有利于调节两个反射镜之间的静电间隙，存在驱动精准，对间隙的细微控制准确，调谐速度快的优点。本发明可调谐F-P滤光片结构新颖、体积微小、集成度高，有助于可红外光谱气体传感器采集到的光谱更为精细、准确，并且不受电磁辐射干扰；而且制备方法简单可控，成本低廉，有利于工业化生产的推进。
附图说明
图1为本发明实施例所提供可调谐F-P滤光片的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例所提供可调谐F-P滤光片的顶部平面结构示意图；
图3为本发明实施例所提供可调谐F-P滤光片的光学膜层结构图；
图4为本发明实施例所提供可调谐F-P滤光片的制备流程的结构示意图；
图中：1为固定布拉格反射镜，2为硅衬底，3为固定支架，4为控制电极，5为金属桥腿，6为移动布拉格反射镜，7为金属桥面，8为金属网栅，9为弹簧，10为空气腔，11为聚酰亚胺牺牲层，所有白色层都表示SiO2低反射膜层，标作L，所有灰色层都表示Ge高反射膜层，标作H。
具体实施方式
下面结合具体实施例说明本发明的技术方案，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易的了解本发明的其他优点和功效。下文特举出较佳实施方案，并配合所附图示，作详细说明如下，但本发明不局限于所述具体实施方式。
实施例1：
结合图1和图2，本实施例提供一种可调谐F-P滤光片，其结构包括：硅衬底2，所述硅衬底2正面设置有固定布拉格反射镜1、控制电极4和金属桥腿5；所述固定布拉格反射镜1设置在硅衬底2正面的中间位置；所述控制电极4平行设置在固定布拉格反射镜1的两侧；所述金属桥腿5设置在固定布拉格反射镜1和控制电极4外围，并且分别对称设置在硅衬底正面靠近边角的区域；本实施例中控制电极4和金属桥腿具体都采用Ni-Cr合金制成；所述硅衬底的上方悬设有底面具有移动布拉格反射镜6的金属桥面7，本实施例中固定布拉格反射镜和移动布拉格反射镜均采用由高折射率和低折射率交替构成的多层介质高反膜，其中高折射率膜层可以选择Ge，Ge的折射率为4，低折射率膜层可以选择SiO2，其折射率约为1.46，这里将高反射膜层记作H，将低反射膜层记作L，具体地，如图3所示，固定布拉格反射镜1自下而上依次由HLHLH这5层构成，移动布拉格反射镜6自下而上依次由LHLHLH这6层构成；所述固定布拉格反射镜1和所述移动布拉格反射镜6面对面设置且相向面均设置有薄膜型金属网栅8，所述薄膜型金属网栅的线宽窄，屏蔽效能高，可以有效地实现光学透明和屏蔽长波段的电磁干扰，本实施例中金属网栅8的材料优选为Cu；所述金属桥面7通过弹簧9悬挂在金属桥腿5上，使得所述移动布拉格反射镜6能够在硅衬底2上方沿竖直方向做上下运动，进而达到改变反射镜1、6之间的静电间隙d，这样设计的好处在于，金属桥面7在上下移动的过程中不会发生形变，固定布拉格反射镜1和移动布拉格反射镜6始终保持平行状态，不会对F-P滤光片的选频性能产生影响。。
作为一种优选实施方式，在本实施的基础上还可以在硅衬底2的背面与所述固定布拉格反射镜1相对应处设置抗反射膜，抗反膜利用了各个界面反射光的相互干涉，最大程度地减少反射率，增加透过率；所述抗反射膜优选为SiO2抗反射膜，透射率可达98％。
本发明可调谐F-P滤光片的工作原理具体如下：
在控制电极上施加一个控制电压Vc+，而移动布拉格反射镜6相当于一个辅助电极，具有一个固定的参考电势Vcref。那么，固定布拉格反射镜1与移动布拉格反射镜6之间的电势差则为Vc＝Vc+-Vcref。电势差Vc会使固定布拉格反射镜1与移动布拉格反射镜6之间产生静电力F，从而使得固定布拉格反射镜1与移动布拉格反射镜6之间的静电间隙d缩小。静电力F、静电间隙d与电势差Vc之间的关系如下：
式中，ε0是自由空间的介电常数，A是反射镜镜面的面积。
由F-P干涉原理可知，静电间隙d改变，因此所能透射出F-P腔体的红外辐射的波长λ也会相应的改变，从而达到可调谐滤波的作用。两者满足如下关系式：
2nd cosθ＝mλ
式中，n为腔体内的介质折射率，θ为入射光的入射角，m取整数。
实施例2：
结合图4，本实施例提供一种可调谐F-P滤光片的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：对硅衬底2进行清洗，依次采用去污剂、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，清洗完成后采用干燥的氮气吹干；然后经上述操作所得洁净、干燥的硅衬底2的正面淀积布拉格反射镜Ge/SiO2/Ge/SiO2/Ge，并采用固定支架3将布拉格反射镜固定在硅衬底2中间位置，制得固定布拉格反射镜1；然后在硅衬底2的背面淀积抗反膜SiO2；所得器件结构如图(a)所示；
步骤B：在布拉格反射镜的左两侧分别淀积Ni-Cr合金薄膜材料形成的控制电极4；所得器件结构如图(b)所示；
步骤C：在固定布拉格反射镜1和控制电极4外围的硅衬底2上淀积Ni-Cr合金薄膜材料形成的金属桥腿，本实施例分别在硅衬底2正面靠近四个角的区域对称设置四个金属桥腿5；所得器件结构如图(c)所示；
步骤D：在所述固定布拉格反射镜1的上反射面镀制金属网栅8，然后在位于金属桥腿5内的区域旋涂聚酰亚胺牺牲层11，经固化处理后，所得器件结构如图(d)所示；然后在聚酰亚胺牺牲层11上制作与固定布拉格反射镜1相对设置的另一布拉格反射镜，再在聚酰亚胺牺牲层11上的布拉格反射镜的下反射面制作金属网栅8；所得器件结构如图(e)所示；
步骤E：在经步骤D制得的布拉格反射镜上淀积金属桥面7，并将金属桥面7通过弹簧9悬挂在金属桥腿5上，然后刻蚀去除聚酰亚胺牺牲层11，形成空气腔10，由此制得移动布拉格反射镜6，至此完成器件的制备，所得器件结构如图(f)所示。
本发明说明书中未详细说明的部分为本领域的技术人员共知内容。本发明专利申请对实质技术改进作出了较为详细的说明，但本发明所保护内容不局限于发明说明书中所述内容。所附权利要求解释为在基于本法明所述技术方案及思路前提下，包括本发明所述实例在内的，所有对本发明进行更改及改进的思路及技术方案。
Claims (7)
1.一种可调谐F-P滤光片，其结构包括：硅衬底(2)，所述硅衬底(2)的正面设置有固定布拉格反射镜(1)、控制电极(4)和金属桥腿(5)，所述固定布拉格反射镜(1)设置在硅衬底(2)正面的中间位置，所述控制电极(4)平行设置在固定布拉格反射镜(1)的两侧，所述金属桥腿(5)设置在固定布拉格反射镜(1)和控制电极(4)外围，并且分别对称设置在硅衬底(2)正面靠近边角的区域，所述硅衬底的上方悬设有底面具有移动布拉格反射镜(6)的金属桥面(7)，所述固定布拉格反射镜(1)和所述移动布拉格反射镜(6)面对面设置且相向面均设置有金属网栅(8)，所述金属桥面(7)通过弹力部件悬挂在金属桥腿(5)上；在电压驱动下，所述移动布拉格反射镜(6)能够在硅衬底(2)上方沿竖直方向做上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种可调谐F-P滤光片，其特征在于，所述硅衬底(2)的背面与固定布拉格反射镜(1)相对应处还设置有抗反射膜。
3.根据权利要求2所述的一种可调谐F-P滤光片，其特征在于，所述抗反射膜为SiO2抗反射膜。
4.根据权利要求1所述的一种可调谐F-P滤光片，其特征在于，所述固定布拉格反射镜(1)和移动布拉格反射镜(6)均采用多层介质高反膜，所述多层介质高反膜的构成包括高折射率和低折射率交替的薄膜层。
5.根据权利要求1所述的一种可调谐F-P滤光片，其特征在于，所述金属网栅(8)为薄膜型金属网栅。
6.根据权利要求1所述的一种可调谐F-P滤光片，其特征在于，所述弹力部件为弹簧(9)。
7.一种可调谐F-P滤光片的制备方法，包括如下步骤：
步骤A：在洁净、干燥的硅衬底(2)正面制作布拉格反射镜，并将其固定在硅衬底(2)中间位置，制得固定布拉格反射镜(1)；
步骤B：在经步骤A得到的硅衬底(2)正面制作控制电极(4)，所述控制电极(4)位于所述固定布拉格反射镜(1)的两侧且与之平行设置；
步骤C：在经步骤B制得的硅衬底(2)正面制作金属桥腿(5)，所述金属桥腿(5)位于固定布拉格反射镜(1)和控制电极(4)的外围，并且对称设置在硅衬底正面靠近边角的区域；
步骤D：在所述固定布拉格反射镜(1)的上反射面制作金属网栅(8)，然后在位于金属桥腿(5)内的区域旋涂牺牲层，经固化处理后，在牺牲层上制作与固定布拉格反射镜(1)相对设置的另一布拉格反射镜，再在牺牲层上的布拉格反射镜的下反射面制作金属网栅(8)；
步骤E：在经步骤D处理得到的布拉格反射镜上制作金属桥面(7)，并将金属桥面(7)通过弹性部件悬挂在外围金属桥腿(5)上，然后刻蚀去除牺牲层，形成F-P空腔体，由此制得移动布拉格反射镜(6)，至此完成器件的制备。
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