CN111880257A - 一种可调光学滤波器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调光学滤波器件，器件包括两片具有光学镜面的衬底，两片具有光学镜面的衬底相对设置以在光学镜面之间形成腔体，相对设置的衬底的外围设置压电执行器，器件还包括设置在所述衬底上下两侧的支撑结构，压电执行器和衬底分别被键合到所述支撑结构上。具有光学镜面的衬底与压电执行器的组装是在一定温度和一定压力下的环境下，键合物有机材料发生形变以实现与压电执行器的组装，低于具有光学镜面的衬底机械强度的支撑结构，确保在组装完成后具有光学镜面的衬底具有较高的平整度，而且不需要极厚的衬底。

Description

一种可调光学滤波器件

技术领域

本发明涉及一种半导体器件领域，并且特别涉及一种可调光学滤波器件。

背景技术

基于Fabry-Perot（法伯腔）干涉的可调滤光器件（tuneable FPI）可以被用来制造微型光谱仪和小型甚至迷你高光谱相机。在可见光-近红外（400nm-1000nm）的高光谱成像领域，相较于其他的解决方案，法伯腔提供最简单的光路和系统结构，可以极大降低高光谱相机的体积，成本以及功耗。

在可见光-近红外范围的法伯腔器件通常使用光学玻璃（例如合成石英玻璃）作为衬底，通过光学和半导体加工形成镜面芯片，然后将两个镜面芯片同外置压电执行器（piezo actuator)组装成法伯腔模组。通过调整压电执行器的驱动电压，可以调整两个镜面芯片之间的相对位置，进而实现选通光谱上不同波段。由于压电执行器和玻璃之间存在巨大的机械特性差异，在其被组装之后，镜面芯片存在不可忽略的形变，主要是镜面芯片的翘曲。故通常需要使用非常厚的玻璃作为衬底来减小形变，结果是镜片加工的困难和系统体积的增加，模组的组装方式也很难实现批量化。

发明内容

为了解决现有可调滤波器件中镜片加工困难和系统体积过大问题，本发明提出了一种可调光学滤波器件，以试图解决现有技术中可调滤光器件的体积过大、加工工艺困难且难以批量化组装的问题。

本发明提出了一种可调光学滤波器件，所述器件包括两片具有光学镜面的衬底，所述两片具有光学镜面的衬底相对设置以在所述光学镜面之间形成腔体，所述相对设置的衬底的外围设置压电执行器，所述器件还包括设置在所述衬底上下两侧的支撑结构，所述压电执行器和所述衬底分别被键合到所述支撑结构上。凭借键合方式附着支撑结构可以使得在组装压电执行器和衬底时，通过在一定温度和压力环境下，键合物先形变以键合压电执行器，保证具有光学镜面的衬底具有较高的平整度，而且不需要极厚的衬底来完成组装工作。该可调光学滤波器件的制造工艺简单、体积小巧，同时也便于批量化组装生产。

在一个优选的实施例中，所述相对设置的衬底的左右外围分别设置有压电执行器，以实现对所述光学镜面的左右两端的驱动。以压电方式驱动实现光学滤波器件的可调，同时在组装时能兼容于标准化的微机械加工从而适合大批量生产。

在一个优选的实施例中，所述支撑结构由单独的衬底制成，并且设置有用于透光的通孔以使得光进入所述腔体内。凭借透光通孔的设置形成光路入射的通道，以使光线进入可调光学滤波器件的腔体内。

在一个优选的实施例中，所述支撑结构包括的衬底上设置有沟槽，以降低所述支撑结构的机械强度。凭借沟槽的设置降低应力，并且使支撑结构的机械强度低于具有光学镜面的衬底，保证组装后的具有光学镜面的衬底具有较高的平整度。

在一个优选的实施例中，所述通孔和沟槽的形成方式包括深硅蚀刻或激光加工以移除部分硅衬底。此形成方式便于批量生产，同时可完成光路入射的通道和降低机械强度两种效果的结构形成。

在一个优选的实施例中，所述具有光学镜面的衬底之间设置有间隔物，以使所述光学镜面间隔开形成所述腔体。凭借间隔物使两片具有光学镜面的衬底间隔开以形成腔体。

在一个优选的实施例中，所述具有光学镜面的衬底分别通过第一键合物与所述支撑结构键合，所述压电执行器分别通过第二键合物与所述支撑结构键合设置。通过独立的键合物的独立键合，方便键合物的预设置，便于批量生产。

在一个优选的实施例中，所述衬底为玻璃衬底，并且所述玻璃衬底的厚度大于0.3mm，并且所述第一键合物具有10nm到10um之间的厚度，所述第二键合物具有10-1000um的厚度。根据衬底的尺寸与压电执行器的尺寸，独立的设置支撑结构与其键合用的键合物的尺寸，便于批量生产。

在一个优选的实施例中，所述第一键合物的厚度小于所述第二键合物的厚度。根据衬底的尺寸与压电执行器的尺寸，可以根据实际情况选择最为合适的尺寸，便于批量生产。

在一个优选的实施例中，所述第一键合物和/或第二键合物的材质包括光刻胶或者粘胶。根据实际的应用情况，选择最为合适的键合物材料。

在一个优选的实施例中，所述支撑结构上设置第二键合物的设置方式包括晶圆级涂覆或纳升级别的微量点胶。工艺成熟，便于标准化批量生产。

在一个优选的实施例中，所述衬底为硅衬底，并且所述硅衬底分别通过第一键合物和设置在所述硅衬底的背离所述腔体的表面上的支撑块与所述支撑结构键合，所述压电执行器分别通过第二键合物与所述支撑结构键合。凭借支撑块与支撑结构形成的组合支撑，可以尽量降低衬底的厚度，从而减少衬底对红外光的吸收。

在一个优选的实施例中，所述支撑块通过额外的键合物被键合在所述硅衬底的背离所述腔体的表面上。独立的键合物将支撑块键合在衬底上，便于生产。

在一个优选的实施例中，所述硅衬底具有200um到2mm之间的厚度，并且由相对设置的所述硅衬底形成的腔组件的厚度小于所述压电执行器的厚度。较小的衬底的厚度，减少衬底对红外光的吸收，并且使得器件体积减少。

在一个优选的实施例中，所述支撑块的材质采用玻璃、硅或者氧化硅。不同材质的材料具有对应的性能参数，可以根据实际应用场景选择最为合适的材料。

在一个优选的实施例中，所述支撑结构与所述具有光学镜面的衬底键合的设置方式包括硅融合、阳极键合、共晶键合或有机聚合物键合。凭借键合的方式可将支撑结构和衬底具有结构紧密结合，保证可调光学滤波器件的稳定性。

在一个优选的实施例中，所述光学镜面材质采用银或氧化硅。不同材质的材料具有对应的性能参数，可以根据实际应用场景选择最为合适的材料。

在一个优选的实施例中，所述光学镜面结构采用分布式布拉格反射器。凭借布拉格反射器结构，可以一定程度上提高通光量。

在一个优选的实施例中，所述衬底为氧化铝衬底，并且所述光学镜面包括形成在所述氧化铝衬底的表面上的由两层硅薄膜相互键合而成的分布式布拉格反射器。凭借相互键合的两层硅薄膜，光在经过两层硅薄膜时会产生相应的反射和折射，进而实现滤波的效果。

在一个优选的实施例中，所述氧化铝衬底的背离所述腔体的背面形成有氧化硅薄膜。凭借氧化硅薄膜的设置形成防反射膜层，减少光线的反射提高通光量。

在一个优选的实施例中，所述衬底为硅衬底，并且所述光学镜面包括键合在所述硅衬底的内表面上的硅薄膜。凭借相互键合的硅薄膜和硅衬底，光在经过时会产生相应的反射和折射，进而实现滤波的效果。

在一个优选的实施例中，在两片所述衬底的光学镜面的周边表面设置有电极，以检测所述光学镜面之间的间距。凭借电极的设置完全避免由电容驱动导致的吸合效应，从而提高衬底的可动范围，扩大法布里-珀罗腔的光谱可调范围。

本发明公开了一种可调光学滤波器件，所述器件包括两片具有光学镜面的衬底，所述两片具有光学镜面的衬底相对设置以在所述光学镜面之间形成腔体，所述相对设置的衬底的外围设置压电执行器，所述器件还包括设置在所述衬底上下两侧的支撑结构，所述压电执行器和所述衬底分别被键合到所述支撑结构上。具有光学镜面的衬底与压电执行器的组装是在一定温度和一定压力下的环境下，键合物有机材料发生形变以实现与压电执行器的组装，低于具有光学镜面的衬底机械强度的支撑结构，确保在组装完成后具有光学镜面的衬底具有较高的平整度，而且不需要极厚的衬底。键合物的预先设置利于批量化生产，衬底可以通过划片形成若干具有光学镜片的镜片芯片，由此无论是镜片芯片的生产还是器件的组装都兼容于标准化的微机械加工从而适合大批量生产。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的第一个实施例的可调光学滤波器件的截面图；

图2是根据本发明的第一个实施例的支撑结构形成方式示意图；

图3是根据本发明的第一个实施例的具有光学镜面的衬底结构示意图；

图4是根据本发明的第二个实施例的可调光学滤波器件的截面图；

图5是根据本发明的第三个实施例的可调光学滤波器件的截面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种可调光学滤波器，其包括两片衬底20，衬底20上具有光学镜面60，两片衬底20相对设置以在所述光学镜面60之间形成腔体，相对设置的衬底20的左右外围设置压电执行器10，压电执行器10驱动具有光学镜面的衬底20以实现可调光学滤波器。此外，还包括设置在衬底20上下两侧的支撑结构30，压电执行器10和衬底20分别被键合到支撑结构30上。支撑结构30与具有光学镜面的衬底20键合的设置方式可以采用硅融合、阳极键合、共晶键合或有机聚合物键合。凭借键合的方式可将支撑结构和衬底具有结构紧密结合，保证可调光学滤波器件的稳定性。

在具体实施例中，外置压电执行器通常由PZT材料构成，具有一定的尺寸和厚度。其左右侧面是驱动电极并且通过焊锡的方式连接电线用于接通外部电压，其上下侧面通常接入一定的机械负荷。在驱动时，左右两侧面通常接入0-150V之间的电压，随着电压增加，压电执行器的纵向长度会增加，由此，其上的机械负荷可以被压电驱动器驱动。以压电方式驱动实现光学滤波器件的可调，同时在组装时能兼容于标准化的微机械加工从而适合大批量生产。

在具体实施例中，支撑结构30由单独的衬底制成，如图2所示，通过硅衬底在微加工部分移除的形式，形成用于透光的通孔32和降低支撑结构的机械强度的沟槽31，移除部分硅可采用深硅蚀刻或激光加工以移除部分硅基底，此形成方式工艺成熟，便于大批量加工。通孔32设置形成光路入射的通道，以使得光进入所述腔体内。沟槽31的设置降低支撑结构30应力，使支撑结构30的机械强度低于具有光学镜面的衬底20，保证组装后的具有光学镜面的衬底20具有较高的平整度。

在具体实施例中，如图3所示，衬底20采用玻璃材质，玻璃衬底的厚度大于0.3mm，衬底20上设置光学镜面60，光学镜面60可采用金属如银、介质或半导体材料构成。衬底20背离光学镜面60侧设置第一键合物50，光学镜面60上设置有间隔物70，以使光学镜面40间隔开形成所述腔体。间隔物70可以采用氧化硅或者其他硬质材料构成，尺寸在100纳米到10微米之间。

在具体实施例中，如图1所示，衬底20通过第一键合物50与支撑结构30键合，压电执行器10通过第二键合物60与支撑结构30键合设置。根据本实施例中的衬底20的尺寸与压电执行器10的尺寸，第一键合物50的厚度小于第二键合物60的厚度，具体的，第一键合物50具有10nm到10um之间的厚度，第二键合物60具有10-1000um的厚度。根据衬底的尺寸与压电执行器的尺寸，独立的设置支撑结构30与其键合用的键合物的尺寸，可根据实际需求选择需要的尺寸，方便生产加工和应用普及。在本实施例中，第一键合物50和第二键合物60采用不同的材质，特别的，第二键合物60采用晶圆级涂覆或纳升级别的微量点胶方式形成，可选用光刻胶（SU8）或者粘胶。

如图4所示，本发明的实施例提供了一种可调光学滤波器，包括两片衬底20，衬底20由氧化铝衬底21和防反射膜层22组成，氧化铝衬底21的背离腔体的背面形成防反射膜层22，防反射膜层22采用氧化硅薄膜，此衬底对中红外（如2-5微米）光具有良好的透过性。衬底20上的光学镜面采用分布式布拉格反射器90，本实施例中采用由氧化铝衬底21的表面上的由两层硅薄膜相互键合而成的分布式布拉格反射器90，两层硅薄膜可通过键合物键合，键合物可以采用第一键合物50或第二键合物60所使用的材料，也可以是其他材料。凭借相互键合的两层硅薄膜，光在经过两层硅薄膜时会产生相应的反射和折射，进而实现滤波的效果。布拉格反射器90表面上设置电极80，以检测所述光学镜面之间的间距，凭借电极的设置完全避免由电容驱动导致的吸合效应。电极80上设置有间隔物70，以使光学镜面40间隔开形成所述腔体。

在具体实施例中，衬底20上下两侧设置支撑结构30，衬底20通过第一键合物50与支撑结构30键合，压电执行器10通过第二键合物60与支撑结构30键合设置。支撑结构30由单独的衬底制成，通过硅衬底在微加工部分移除的形式，形成用于透光的通孔32和降低支撑结构的机械强度的沟槽31，移除部分硅可采用深硅蚀刻或激光加工以移除部分硅基底，此形成方式工艺成熟，便于大批量加工。通孔32设置形成光路入射的通道，以使得光进入所述腔体内。沟槽31的设置降低支撑结构30应力，使支撑结构30的机械强度低于具有光学镜面的衬底20，保证组装后的具有光学镜面的衬底20具有较高的平整度。根据本实施例中的衬底20的尺寸与压电执行器10的尺寸，第一键合物50的厚度小于第二键合物60的厚度，第一键合物10和第二键合物50可采用相同或者不同的材料。

如图5所示，本发明的实施例提供了一种可调光学滤波器，包括两片衬底，衬底为硅衬底23，其对远红外（6-14微米）光具有良好的透过性。硅衬底23上的光学镜面采用分布式布拉格反射器90，本实施例中采用由键合在硅衬底23的内表面上的硅薄膜组成，凭借相互键合的硅薄膜，光在经过两层硅薄膜时会产生相应的反射和折射，进而实现滤波的效果。布拉格反射器90表面上设置电极80，以检测所述光学镜面之间的间距，凭借电极的设置完全避免由电容驱动导致的吸合效应。电极80上设置有间隔物70，以使光学镜面40间隔开形成所述腔体。

在具体实施例中，硅衬底23具有200um到2mm之间的厚度，并且由相对设置的硅衬底23形成的腔组件的厚度小于压电执行器10的厚度，较小的衬底的厚度，减少衬底对红外光的吸收，并且使得器件体积减少。所以，硅衬底23的背离腔体的表面上设置支撑块33，硅衬底23上下两侧设置支撑结构30，支撑结构30通过第一键合物50与支撑块33键合设置，通过第二键合物60与压电执行器键合，支撑块33通过额外的键合物键合在硅衬底23的背离腔体的表面上，并且额外的键合物在硅衬底23的表面上形成防反射膜层22。凭借支撑块与支撑结构形成的组合支撑，可以尽量降低衬底的厚度，从而减少衬底对红外光的吸收。支撑块33的材质采用玻璃、硅或者氧化硅。不同材质的材料具有对应的性能参数，可以根据实际应用场景选择最为合适的材料。第一键合物50、第二键合物60、额外的键合物形成的防反射膜层22和采用的键合物的布拉格反射器90重的键合物可以采用相同或者不同的材质，可根据实际需要选择。

在上述具体实施例中公开的一种可调光学滤波器件，其具有光学镜面的衬底与压电执行器的组装是在一定温度和一定压力下的环境下，键合物有机材料发生形变以实现与压电执行器的组装，低于具有光学镜面的衬底机械强度的支撑结构，确保在组装完成后具有光学镜面的衬底具有较高的平整度，而且不需要极厚的衬底。键合物的预先设置利于批量化生产，衬底可以通过划片形成若干具有光学镜片的镜片芯片，由此无论是镜片芯片的生产还是器件的组装都兼容于标准化的微机械加工从而适合大批量生产。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (22)

1.一种可调光学滤波器件，其特征在于，所述器件包括两片具有光学镜面的衬底，所述两片具有光学镜面的衬底相对设置以在所述光学镜面之间形成腔体，所述相对设置的衬底的外围设置压电执行器，所述器件还包括设置在所述衬底上下两侧的支撑结构，所述压电执行器和所述衬底分别被键合到所述支撑结构上。

2.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述相对设置的衬底的左右外围分别设置有压电执行器，以实现对所述光学镜面的左右两端的驱动。

3.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑结构由单独的衬底制成，并且设置有用于透光的通孔以使得光进入所述腔体内。

4.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑结构包括的衬底上设置有沟槽，以降低所述支撑结构的机械强度。

5.根据权利要求3或4所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述通孔和沟槽的形成方式包括深硅蚀刻或激光加工以移除部分硅衬底。

6.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述具有光学镜面的衬底之间设置有间隔物，以使所述光学镜面间隔开形成所述腔体。

7.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述具有光学镜面的衬底分别通过第一键合物与所述支撑结构键合，所述压电执行器分别通过第二键合物与所述支撑结构键合设置。

8.根据权利要求7所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底，并且所述玻璃衬底的厚度大于0.3mm，并且所述第一键合物具有10nm到10um之间的厚度，所述第二键合物具有10-1000um的厚度。

9.根据权利要求7所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述第一键合物的厚度小于所述第二键合物的厚度。

10.根据权利要求7所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述第一键合物和/或第二键合物的材质包括光刻胶或者粘胶。

11.根据权利要求7所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑结构上设置第二键合物的设置方式包括晶圆级涂覆或纳升级别的微量点胶。

12.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述衬底为硅衬底，并且所述硅衬底分别通过第一键合物和设置在所述硅衬底的背离所述腔体的表面上的支撑块与所述支撑结构键合，所述压电执行器分别通过第二键合物与所述支撑结构键合。

13.根据权利要求12所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑块通过额外的键合物被键合在所述硅衬底的背离所述腔体的表面上。

14.根据权利要求12所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述硅衬底具有200um到2mm之间的厚度，并且由相对设置的所述硅衬底形成的腔组件的厚度小于所述压电执行器的厚度。

15.根据权利要求12所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑块的材质采用玻璃、硅或者氧化硅。

16.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述支撑结构与所述具有光学镜面的衬底键合的设置方式包括硅融合、阳极键合、共晶键合或有机聚合物键合。

17.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述光学镜面材质采用银或氧化硅。

18.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述光学镜面结构采用分布式布拉格反射器。

19.根据权利要求18所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述衬底为氧化铝衬底，并且所述光学镜面包括形成在所述氧化铝衬底的表面上的由两层硅薄膜相互键合而成的分布式布拉格反射器。

20.根据权利要求19所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述氧化铝衬底的背离所述腔体的背面形成有氧化硅薄膜。

21.根据权利要求18所述的可调光学滤波器件，其特征在于，所述衬底为硅衬底，并且所述光学镜面包括键合在所述硅衬底的内表面上的硅薄膜。

22.根据权利要求1所述的可调光学滤波器件，其特征在于，在两片所述衬底的光学镜面的周边表面设置有电极，以检测所述光学镜面之间的间距。

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