CN1451992A - 一种可变闪耀光栅的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变闪耀光栅的制作方法，涉及一种基于微机电技术的可变闪耀光栅的制作方法；可以制作成一种可以广泛应用于传感、医疗仪器、光谱分光仪器和光电子领域的可变闪耀光栅。本发明是将闪耀光栅制作在可高频小位移形变的硅橡胶基板上，通过电压控制位移装置改变可形变基板的几何长度从而改变刻蚀在可形变的硅橡胶基板上的闪耀光栅的光栅常数。本发明将光机电三者的优点集中于一个系统内，使其各个性能得到最大的发挥，实现了光机电一体化的集成，具有设计合理、易于批量生产、成品率高等优点。

Description

一种可变闪耀光栅的制作方法

技术领域

本发明涉及可变闪耀光栅的制作方法，具体涉及一种基于微机电技术的可变闪耀光栅的制作方法，可以制作成一种可以广泛应用于传感、生物医疗仪器、光谱分光仪器和光电子领域的可变闪耀光栅；沿袭大规模集成电路的微机电技术，可以容易地批量制作性能完全相同的可变闪耀光栅。

背景技术

自上世纪六十年代提出微机电技术(Micro Electro MechanicalSystem，简称MEMS)以来，世界各工业国都积极响应将制造技术的发展推向新的高潮。经过四十几年的不懈努力，这种先进的制造技术由于各专业和学科之间的不断渗透、交叉、融合，使其日趋系统化、集成化，已经发展为集机械、电子、信息、材料和操作系统的新兴交叉学科，可以称之为一个制造工程。另外，随着大规模系统集成电路(LSI)的飞速发展，0.13微米量级的加工技术也已堂皇登场，这一技术的进步又对微机电技术产生了巨大的推动作用，比如深刻蚀技术(DRIE)的日臻完美。这一技术在微机电领域里的应用促使了光通信、微机械加工和电子控制合成光机电一体化系统的发展。本发明就是在这一技术的背景之下展开的。

发明内容

本发明的目的是基于微机电技术，提出一种可变闪耀光栅的制作方法。

本发明的目的是这样实现的：将闪耀光栅制作在可高频小位移形变的硅橡胶基板(以下简称基板)上，通过电压控制位移装置改变基板的几何长度从而改变刻蚀在基板上的闪耀光栅的光栅常数。

具体地说，本发明包括下列步骤：

a、采用SOI硅基板，首先在基板上腐蚀掉器件层的硅层，形成可伸缩薄膜2.1的硅层区域；

b、清洗露出的二氧化硅表面并进行活化处理；

c、在这个区域内涂布形成可伸缩薄膜2.1的材料然后进行钝化处理；

d、在可伸缩薄膜2.1表面用磁控溅射法镀上对工作波长反射系数高的化学稳定薄膜；

e、用曝光刻蚀法形成闪耀光栅；

f、在SOI硅基板的控制部分用DRIE刻蚀形成需要容量的梳状电极；

g、用XeF₂技术腐蚀掉硅胶所在的正下方底部的基板硅；

h、进一步用HF溶液腐蚀掉与可伸缩薄膜2.1接触的SO₂层，使可伸缩薄膜2.1完全暴露。

所述光栅是刻痕形状按工作波长要求刻出的反射光栅，它把光能由原来的零级最大移至由刻痕形状决定的反射光方向，从而使与这一级次相应的极大既有大的角色散作用，又集中了较强的光能。

光栅方程为： $\sin \mathrm{\α}\±\sin \mathrm{\θ}=\frac{\±\mathrm{k\λ}}{d},$

其中，λ为闪耀波长，α为入射角，θ为闪耀角，刻痕周期d即光栅常数，d′是形变后的光栅常数。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)易于集成，将光机电三者的优点集中于一个系统内，使其各个性能得到最大的发挥，实现了光机电一体化的集成；

(2)设计合理，性能价格比高，易于实现批量生产、成品率高。

(3)可广泛应用于传感、生物医疗器械、光谱分析仪器和光电子领域。

附图说明

图1为本发明作为位移传感用的总体框图；

图2为可变闪耀光栅结构示意图。

其中：

1-信号输入端；

2-可变闪耀光栅，

   2.1-可伸缩薄膜，

   2.2-二氧化硅层，

   2.3-硅层；

3-形变个体；

4-信号输出端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明。

如图2所示为可变闪耀光栅结构示意图。可变闪耀光栅2制作在一张可伸缩薄膜2.1的线性形变区域，该区域要根据薄膜的物理力学性质由计算机模拟计算确定，在这个区域内薄膜单方向拉伸时其他方向的形变在容许的范围内。

具体制作时，首先在SOI(Silicon on Insulate，简称SOI)硅基板的上层腐蚀掉形成可伸缩薄膜2.1的硅层区域，二氧化硅层2.2和硅基2.3下层即为腐蚀后的SOI硅基板，可伸缩薄膜2.1涂布在活化过的二氧化硅表面，然后在可伸缩薄膜2.1表面光刻形成可变闪耀光栅，并除去底层硅基。当电压控制位移装置驱动模块的控制驱动电压变化时，电压控制位移装置会随着外部控制电压的变化而线性变化；电压控制位移装置的可动部分与可伸缩薄膜2.1牢固连接，由此来控制光栅常数的变化，而使定波长和定角度衍射，从而实现光电子领域广泛需求的光路切换功能。

如图1所示，如果将光栅和被测量微动物体连接，通过测量定角度波长变化量或定波长角度变化量计算得被测量微动物体的形变量，又可以实现光栅位移传感器的功能。

所述可伸缩薄膜2.1的材料可以用硅橡胶或其他具有同样理化特性的材料。其特点是：1)理化性能稳定；2)完全弹性形变的范围较大；3)制作简单、成本低、且膜厚可以根据需要简单增减；3)可以采用微机电的全硅制作工艺制作。由于该材料的特点使得光栅常数的变化量足够大。

硅橡胶的制作采用二氧化硅表面涂层工艺。硅橡胶可由低分子量的硅油加适量的催化剂合成，催化剂的量直接影响硅橡胶的力学性质。将配置好的硅油液体涂在活化处理后的二氧化硅表面，这时活性化的界面可以使硅橡胶与二氧化硅之间牢固结合，便于下一道工序处理。

所述可变闪耀光栅2的反射工作面采用金属铝或其它可以获得对于工作波长具有高反射率的稳定金属膜。方法是在硅橡胶表面用激光溅射法镀上金属等对红外波段反射系数较高的化学稳定薄膜，然后用曝光刻蚀法形成闪耀光栅。零控制电压下的光栅常数调整以及单条光栅微细构造的细致可以容易地用曝光刻蚀法实现。

可变闪耀光栅的电压控制位移装置的电极可以采用梳状电极结构，用深活性离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，简称DRIE)工艺制作硅材料的该梳状电极结构可以达到2微米以下的精确电极间隙，可达到低电压控制的目的，并可以实现高频的调制，响应时间达微秒量级。同时能够使得动作位移量与施加电压之间为线性关系，完全无回滞效应。

Claims (5)

1、一种可变闪耀光栅的制作方法，其特征是：

a、采用SOI硅基板，首先在基板上腐蚀掉器件层的硅层，形成可伸缩薄膜(2.1)的硅层区域；

b、清洗露出的二氧化硅表面并进行活化处理；

c、在这个区域内涂布形成可伸缩薄膜(2.1)的材料然后进行钝化处理；

d、在可伸缩薄膜(2.1)表面用磁控溅射法镀上对工作波长反射系数高的化学稳定薄膜；

e、用曝光刻蚀法形成闪耀光栅；

f、在SOI硅基板的控制部分用DRIE刻蚀形成需要容量的梳状电极；

g、用XeF₂技术腐蚀掉硅胶所在的正下方底部的基板硅；

h、进一步用HF溶液腐蚀掉与可伸缩薄膜(2.1)接触的SO₂层，使可伸缩薄膜(2.1)完全暴露。

2、根据权利要求1所说的可变闪耀光栅的制作方法，其特征是可伸缩薄膜(2.1)的材料可以用硅橡胶或其它具有同样理化特性的材料。

3.根据权利要求1所说的可变闪耀光栅的制作方法，其特征是可伸缩薄膜(2.1)材料的制作采用二氧化硅表面涂层工艺。

4.根据权利要求1所说的可变闪耀光栅的制作方法，其特征是闪耀光栅的反射工作面镀有金属铝或其他可以获得高反射率的稳定金属膜。

5.根据权利要求书1所说的可变闪耀光栅的制作方法，其特征是闪耀光栅的电极可以采用梳状电极结构。

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