CN116354306B - Mems封装光学相控阵芯片 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种MEMS封装光学相控阵芯片，包括扩束阵列，用于改变入射光的传播路径，扩束阵列包括绝缘层以及呈阵列分布在绝缘层上的若干通孔；两层导光层，相对设置在扩束阵列的两侧，两层导光层分别位于若干通孔的两端，以与若干通孔配合形成若干封闭的容纳腔，每个容纳腔内填充有碱金属气体；折射率调节机构，用于改变碱金属气体的折射率，折射率调节机构包括控制电路和与控制电路连接的若干磁场发生单元，若干磁场发生单元与若干通孔呈一对一设置。本申请的MEMS封装光学相控阵芯片使出射光的偏折角度不受硅材料对电场的敏感系数的限制，使得出射光的偏折角度更大，以增大激光雷达视场范围，且结构更加简单。

Description

MEMS封装光学相控阵芯片

技术领域

本发明涉及一种MEMS封装光学相控阵芯片，属于三维扫描成像技术领域。

背景技术

激光雷达作为人类视觉感知环境信息的重要方式，经过长期发展，技术已相对成熟并被广泛应用。常见的固态激光雷达技术有：微机电系统(MEMS)、面阵闪光(Flash)技术和光学相控阵(OPA)技术等，其中光学相控阵技术在基于光波相控阵扫描理论和新型光束指向技术，具有无惯性期间，结构稳定，方向可控等特点。

现有技术中，集成光波导型OPA通常采用热光相位调制方法实现水平方向光束扫描，芯片结构复杂、工艺繁琐、功耗很高。在MEMS封装的芯片中，偏折光的结构采用硅材料制成，其折射率是固定的，光线通过偏折光的结构后的偏折范围小，导致视场范围小，为了增加视场范围，通常在偏折光的结构周围集成一些电子元件，通过改变电子元件两端的电压来改变偏折光的结构周围的电场强度，进而可以使偏折光的结构的折射率发生改变，以增大通过偏折光的结构射出的光线的射出角度，达到增大激光雷达视场范围的目的。但是由于硅材料对电场的敏感系数随着电压的变化受到限制，即由硅材料制成的偏折光的结构内的介质的折射率变化幅度有限，光线的偏折角度范围依旧会受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，且不受硅材料电场敏感系数限制的可增加光线偏折角度的MEMS封装光学相控阵芯片。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种MEMS封装光学相控阵芯片，包括：

扩束阵列，用于改变入射光的传播路径，所述扩束阵列包括绝缘层以及呈阵列分布在所述绝缘层上的若干通孔；

两层导光层，相对设置在所述扩束阵列的两侧，两层所述导光层分别位于若干所述通孔的两端，以与若干所述通孔配合形成若干封闭的容纳腔，每个所述容纳腔内填充有碱金属气体；以及

折射率调节机构，用于改变所述碱金属气体的折射率，所述折射率调节机构包括控制电路和与所述控制电路连接的若干磁场发生单元，若干所述磁场发生单元与若干所述通孔呈一对一设置。

进一步地，所述磁场发生单元包括与所述控制电路连接的第一环状线圈和第二环状线圈，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别设置在对应通孔的两端。

进一步地，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别嵌设在两层所述导光层内；

或者，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别嵌设在所述绝缘层的两侧端面内；

或者，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈之一嵌设在一层所述导光层内，另一嵌设在所述绝缘层与另一导光层临近的一侧端面内。

进一步地，若干所述第一环状线圈的阳极和若干所述第二环状线圈的阳极分别连接至所述控制电路，若干所述第一环状线圈的阴极和若干所述第二环状线圈的阴极连接后连接至所述控制电路。

进一步地，所述控制电路包括电源模块、与所述电源模块连接的开关组和电流控制模块、以及与所述开关组连接的TTL控制模块，所述开关组包括与所述磁场发生单元呈一对一设置的若干电流开关，所述磁场发生单元通过对应电流开关连接至所述电源模块。

进一步地，若干所述通孔于所述绝缘层上均匀排布，于X方向和Y方向上，相邻两个所述通孔的距离相等。

进一步地，所述通孔的横截面呈圆形或者多边形。

进一步地，所述MEMS封装光学相控阵芯片具有绝缘封装壳，所述导光层、所述扩束阵列和所述折射率调节机构集成在所述绝缘封装壳内。

进一步地，所述导光层、所述绝缘封装壳采用透明材料制成。

进一步地，所述MEMS封装光学相控阵芯片还包括屏蔽组件，所述屏蔽组件包括相对设置在所述绝缘封装壳内的两个屏蔽件；

所述屏蔽件沿所述通孔的轴线方向布置，所述导光层和所述扩束阵列布置在两个所述屏蔽件之间，两个所述屏蔽件中的至少一个与所述绝缘封装壳之间具有间隙，所述控制电路布置在所述间隙内。

本发明的有益效果在于：本申请的MEMS封装光学相控阵芯片通过在通孔与导光层配合形成的封闭的容纳腔内填充碱金属气体，并设有可产生磁场的折射率调节机构，以改变碱金属气体折射率，进而增加出射光的偏折角度，与现有技术中，通过电压改变硅材料的折射率相比，不受硅材料对电场的敏感系数的限制，使得出射光的偏折角度更大，继而增大激光雷达视场范围，同时，仅通过在容纳腔内填充碱金属气体，与磁场发生机构配合即可实现增加出射光的偏折角度的目的，与现有技术中采用热光相位调制方法的芯片相比，结构更加简单。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例MEMS封装光学相控阵芯片的扩束阵列、导光层与磁场发生单元装配后的侧视结构示意图；

图2为图1所示的扩束阵列和第一环状线圈组装后的正视结构示意图；

图3为MEMS封装光学相控阵芯片整体封装后的剖视结构示意图；

图4为图3所示的控制电路与第一环状线圈组装后的结构示意图；

图5为图4所示的控制电路与磁场发生单元连接的电路结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

MEMS封装光学相控阵芯片可应用于三维激光扫描装置，其作用为调节入射光的出射偏折角度以形成更大范围的出射光，进而增大三维激光扫描装置的可视范围，该入射光具体为激光光束，由三维激光扫描装置的激光发射器发出，入射光经MEMS封装光学相控阵芯片偏折后形成更大范围的出射光，并投射在目标物上，出射光经目标物反射后被三维激光扫描装置的接收装置接收，并进行处理分析，为常规设置，在此不作赘述。诚然，MEMS封装光学相控阵芯片也可应用于其他工作场景，具体如，3D传感、照明、测距以及激光雷达等，本申请对此不做具体限定。

请参见图1至图3，本发明一实施例提供一种MEMS封装光学相控阵芯片，包括扩束阵列10、相对设置在扩束阵列10两侧的导光层2。扩束阵列10包括绝缘层1以及呈阵列分布在绝缘层1上的若干通孔3。其中，绝缘层1为不透明材料，该不透明材料包括但不限于硅，导光层2采用透明材料制成，该透明材料包括但不限于绝缘硅片、氮化硅、掺杂二氧化硅或亚磷酸盐的材料等。两层导光层2分别位于若干通孔3的两端，以与若干通孔3配合形成若干封闭的容纳腔31，每个容纳腔31内填充有碱金属气体。

为了使入射光经扩束阵列10发生偏折后，出射方向上的光强均匀分布，以提高对目标物的扫描效果，若干通孔3于绝缘层上均匀排布，于X方向和Y方向上，相邻两个通孔3的距离相等。需要说明的是，X方向和Y方向分别如图2中箭头X和箭头Y所示。

由于MEMS封装光学相控阵芯片应用的工作场景不同，其形状也不固定，为了满足不同形状或尺寸的MEMS封装光学相控阵芯片，扩束阵列10从整体上可被设置成圆形、矩形或不规则形状等。通孔3的横截面呈圆形或者多边形。本实施例中，以通孔3的横截面呈圆形，扩束阵列10的横截面呈矩形为例进行说明。需要说明的是，为了保证MEMS封装光学相控阵芯片的使用效果，导光层2与扩束整列10的横截面的形状应保持一致。

碱金属气体的折射率可随磁场强度变化而改变，为了提高出射光的偏折角度，MEMS封装光学相控阵芯片具有用于改变扩束阵列10折射率，即改变碱金属气体折射率的折射率调节机构。该折射率调节机构包括控制电路4和与控制电路4连接的若干磁场发生单元5，若干磁场发生单元5与若干通孔3呈一对一设置。

具体的，磁场发生单元5包括与控制电路4连接的第一环状线圈51和第二环状线圈52，第一环状线圈51、第二环状线圈52分别设置在对应通孔3的两端。以使通孔3的容纳腔31内各处的碱金属气体的折射率均可随磁场强度的变化改变，提高入射光的偏折效果。

其中，第一环状线圈51和第二环状线圈52的设置位置不固定，可以分别嵌设在两层导光层2内，或者分别嵌设在绝缘层1的两侧端面内，或者第一环状线圈51和第二环状线圈52中的一个嵌设在一层导光层2内，另一嵌设在绝缘层1与另一层导光层2临近的一侧端面内，本申请对此不做具体限定，其满足第一环状线圈51、第二环状线圈52分别套设在通孔3的两端上即可，本实施例中，以第一环状线圈51和第二环状线圈52分别嵌设在两层导光层2内为例进行说明。本实施例中，上述的第一环状线圈51和第二环状线圈52具体为亥姆霍兹线圈，或者两个串联的同轴、等径、相隔一定距离的通电螺旋管。

请参见图4并结合图1，为了实现对每个容纳腔31内的碱金属气体的折射率进行单独调整，从而使入射光实现不同程度的偏折，本实施例中，若干第一环状线圈51的阳极和若干第二环状线圈52的阳极分别连接至控制电路4，若干第一环状线圈51的阴极和若干第二环状线圈52的阴极连接后连接至控制电路4。以使控制电路4可以单独控制每个磁场发生单元5的第一环状线圈51和第二环状线圈52以在对应通孔3两端产生磁场。诚然，在其他实施例中，也可将若干第一环状线圈51的阳极和若干第二环状线圈52的阳极连接后，再连接至控制电路4，若干第一环状线圈51的阴极和若干第二环状线圈52的阴极分别连接至控制电路4。在此不做具体限定，可结合设计需求进行调整。

需要说明的是，第一环状线圈51和控制电路4的连接结构，与第二环状线圈52和控制电路4的连接结构相同，第二环状线圈52和控制电路4的连接结构，可参见图4所示的控制电路与第一环状线圈组装后的结构示意图。

呈上述，请参见图5，控制电路4包括电源模块41、与电源模块41连接的开关组和电流控制模块44、以及与开关组连接的TTL控制模块43，开关组包括与磁场发生单元5呈一对一设置的若干电流开关42，磁场发生单元5通过对应电流开关42连接至电源模块41。

呈上述，TTL控制模块43控制电流开关42导通，以使电源模块41、电流开关42和对应的磁场发生单元5形成回路，电源模块41通过导通的电流开关42给对应的磁场发生单元5进行供电，电流控制模块44控制电源模块41的输出电流大小。通过导通不同数量的电流开关42，以开启不同数量的磁场发生单元5，并通过改变电源模块41的输出电流大小，从而来改变磁场强度，以调整碱金属气体的折射率，进一步改变从扩束阵列10射出的出射光的出射方向。

需要说明的是，上述的TTL控制模块43可通过可编程逻辑芯片、逻辑电路或者单片机实现控制，电流控制模块44可通过DA输出信号以改变电源模块41的输出电流大小，为常规设置，在此不做赘述。

本实施例中，两层导光层2均呈水平状，以使入射光的偏折角度只与碱金属气体的折射率相关，换言之，只与折射率调节机构的调节效果相关，便于调整入射光的偏折角度。

本实施例中，上述碱金属气体为金属气体铯，诚然，在其他实施例中，也可选用其他碱金属气体，其满足在磁场强度变化时其折射率可改变即可，在此不做具体限定。

以本实施例为例，金属气体铯的折射率随磁场强度变化而改变。具体的，入射光与铯原子能级近共振，波长例如852nm，通过改变磁场强度，以改变铯原子的能级移动，从而改变入射光的折射率。用公式表示为： 其中，ρ表示密度，k表示入射光波矢，δ表示入射光与铯原子能级的失谐量，且δ与磁场强度成正比，Γ表示铯原子能级宽度。

请参见图1，为了对MEMS封装光学相控阵芯片的各个构件起到保护作用，以延长使用寿命，本实施例中，MEMS封装光学相控阵芯片具有绝缘封装壳6，导光层2、扩束阵列10和折射率调节机构集成在绝缘封装壳6内。需要说明的是，在其他实施例中，折射率调节机构的控制电路4也可设置在绝缘封装壳6外。用于发出激光光束的激光发射器也可以封装在绝缘封装壳6内，可结合设计需求调整，在此不做具体限定。同时呈上述，为了避免对光线的遮挡，绝缘封装壳6也采用透明材料制成，该透明材料具体为透明塑料。

需要说明的是，为了便于MEMS封装光学相控阵芯片与外部电路或控制器件连接，该绝缘封装壳6上还可以设置有连接外部电路或控制器件的焊点(未图示)等，MEMS封装光学相控阵芯片内部电气连接至焊点，或者，MEMS封装光学相控阵芯片内部的设有信号接发器件(未图示)，该信号接发器件与外部电路或控制器件信号连接，在此不做限定，可结合实际需求进行选择，其中，信号接发器件为现有技术，在此不做赘述。

由于本申请的MEMS封装光学相控阵芯片，是通过调节磁场强度以调整入射光的偏折角度，为了避免环境磁场或控制电路4产生的磁场对本申请的MEMS封装光学相控阵芯片造成影响，MEMS封装光学相控阵芯片还包括屏蔽组件，屏蔽组件包括相对设置在绝缘封装壳6内的两个屏蔽件7。

其中，为了避免屏蔽件7对入射光产生遮挡，屏蔽件7沿通孔3的轴线方向布置，导光层2和扩束阵列10布置在两个屏蔽件7之间，可选择的，两个屏蔽件7中的至少一个与绝缘封装壳6之间具有间隙8，控制电路4布置在间隙8内。

呈上述，通过屏蔽件7隔绝环境磁场或控制电路4产生的磁场，避免环境磁场或控制电路4产生的磁场，对碱金属气体的折射率造成影响。可选择的，为了避免控制电路4遮挡光线，并适配于屏蔽件7的布置结构，控制电路4也沿通孔3的轴线方向布置，且可减小MEMS封装光学相控阵芯片的径向尺寸。

本实施例中，上述的屏蔽件7可以呈弧形的薄片状，或者水平的薄片状，由坡莫合金制成，本申请对此不做具体限定。需要说明的是，通孔3的轴线方向如图1中箭头a所示。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，包括：

扩束阵列，用于改变入射光的传播路径，所述扩束阵列包括绝缘层以及呈阵列分布在所述绝缘层上的若干通孔；

两层导光层，相对设置在所述扩束阵列的两侧，两层所述导光层分别位于若干所述通孔的两端，以与若干所述通孔配合形成若干封闭的容纳腔，每个所述容纳腔内填充有碱金属气体；以及

折射率调节机构，用于改变所述碱金属气体的折射率，所述折射率调节机构包括控制电路和与所述控制电路连接的若干磁场发生单元，若干所述磁场发生单元与若干所述通孔呈一对一设置。

2.如权利要求1所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述磁场发生单元包括与所述控制电路连接的第一环状线圈和第二环状线圈，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别设置在对应通孔的两端。

3.如权利要求2所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别嵌设在两层所述导光层内；

或者，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈分别嵌设在所述绝缘层的两侧端面内；

或者，所述第一环状线圈、所述第二环状线圈之一嵌设在一层所述导光层内，另一嵌设在所述绝缘层与另一导光层临近的一侧端面内。

4.如权利要求3所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，若干所述第一环状线圈的阳极和若干所述第二环状线圈的阳极分别连接至所述控制电路，若干所述第一环状线圈的阴极和若干所述第二环状线圈的阴极连接后连接至所述控制电路。

5.如权利要求4所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述控制电路包括电源模块、与所述电源模块连接的开关组和电流控制模块、以及与所述开关组连接的TTL控制模块，所述开关组包括与所述磁场发生单元呈一对一设置的若干电流开关，所述磁场发生单元通过对应电流开关连接至所述电源模块。

6.如权利要求1所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，若干所述通孔于所述绝缘层上均匀排布，于X方向和Y方向上，相邻两个所述通孔的距离相等。

7.如权利要求6所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述通孔的横截面呈圆形或者多边形。

8.如权利要求1所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述MEMS封装光学相控阵芯片具有绝缘封装壳，所述导光层、所述扩束阵列和所述折射率调节机构集成在所述绝缘封装壳内。

9.如权利要求8所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述导光层、所述绝缘封装壳采用透明材料制成。

10.如权利要求8所述的MEMS封装光学相控阵芯片，其特征在于，所述MEMS封装光学相控阵芯片还包括屏蔽组件，所述屏蔽组件包括相对设置在所述绝缘封装壳内的两个屏蔽件；

所述屏蔽件沿所述通孔的轴线方向布置，所述导光层和所述扩束阵列布置在两个所述屏蔽件之间，两个所述屏蔽件中的至少一个与所述绝缘封装壳之间具有间隙，所述控制电路布置在所述间隙内。