CN101493578A - 一种周期可调微机械光栅及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种周期可调微机械光栅及其制作工艺，属于微光机电(MOEMS)器件领域。该光栅的特征在于，其基底为玻璃、蓝宝石等绝缘透明材料。其制作工艺为：在基底表面淀积一层金属薄膜；在结构材料的一侧刻蚀出一定高度的锚点；两者通过锚点键合在一起，并将结构材料减薄至所需厚度；对结构材料进行刻蚀、释放形成结构层部分，形成光栅。因为该光栅的基底是完全透光的，当入射光入射到光栅上时，一部分反射产生反射式衍射光谱；另一部分通过光栅栅条之间的缝隙到达基底的前表面产生投射，因此能同时工作在反射及透射方式。

Description

一种周期可调微机械光栅及其制作工艺

所属领域：

本发明属于微光机电(MOEMS)器件领域，主要涉及微机电***(MEMS)技术、光栅技术以及微加工技术等。

现有技术：

周期可调微机械光栅是一种全新概念下的光栅，以微机电***(MEMS)为基础，采用微加工技术制作。通过对光栅驱动电路的编程控制，实现对光栅周期的调节，从而使衍射光谱发生偏移。与传统光栅相比，周期可调微机械光栅具有衍射光强可编程控制、响应速度快、可大批量生产等特点。

近年来，随着微机械光栅技术研究的不断深入，周期可调微机械光栅的研究多有报道。2001年，台湾Ching-liang Dai等人采用CMOS工艺制作了反射式周期可调微机械光栅(Sensor.Actuat.A，2001，95：69)，该光栅结构采用三层金属和二层氧化硅材料复合淀积为结构层，使用硅作为基底，基底硅不透光，所以这种光栅只能工作于反射方式。2005年，密歇根大学的科研人员采用纳米压印技术，对PDMS材料进行加工，制作了透射式周期可调微机械光栅(Appl.Phys.Lett.，2005，86：161113-1)。该光栅的栅条结构通过在PDMS材料上直接刻划得到，由于PDMS是透明的聚合物材料，入射光经光栅栅条发生衍射后，衍射光直接透射输出。由于PDMS材料刚度小，在垂直于栅条方向对PDMS施加拉力或压力，PDMS产生伸缩变形，带动栅条移动，从而实现光栅周期的调节。2007年，日本东京大学基于SOI工艺，研制了一种反射式周期可调微机械光栅(MEMS’2007，Jan.21-25，2007，pp.147-150)。它是通过对SOI硅片结构层进行刻蚀和二氧化硅层进行选择性去除获得可动的光栅结构，基底也是硅材料，所以也只能工作在反射方式。在该光栅每相邻两个栅条上施加电压，栅条之间会产生静电力引起栅条的移动，改变光栅周期。

然而，已有的周期可调微机械光栅，受工艺及材料上的约束，只能工作于反射或透射方式，这在一定程度上限制了光栅的应用。

发明内容：

发明目的：

为了克服现有周期可调微机械光栅只能工作于反射或透射方式之一，光栅应用受限的不足，本发明提出一种新型的周期可调微机械光栅及其制作方法，这种新型的周期可调微机械光栅能同时工作于反射及透射方式。

技术方案：

参阅图1，本发明提出的周期可调微机械光栅由基底和结构层组成，结构层通过锚点3悬置于基底上；所述的结构层为硅、砷化镓等可刻蚀可键合的导电材料，结构层包括若干等距平行的光栅栅条8、弹性支撑梁9和连接梁10，每相邻的两根光栅栅条8通过两侧的折叠U形连接梁10进行连接，两端的两根光栅栅条8通过弹性支撑梁9连接到锚点3上，驱动器7与一端的光栅栅条8连接，带动光栅栅条8沿着与栅条垂直的方向往复运动；所述的基底为绝缘透明材料，如玻璃、蓝宝石等；基底上有金属薄膜作为电极及引线，使得驱动器7通过金属薄膜与外界连接，从而给驱动器7供电，金属薄膜为金、铝等材料。

参阅图2，本发明提出的周期可调微机械光栅的制作方法，包括如下工艺步骤：

步骤1：在基底1表面淀积一层金属薄膜2；

步骤2：在结构材料的一侧刻蚀出一定高度的锚点3；

步骤3：将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点3键合在一起，并将结构材料减薄至所需厚度；

步骤4：对结构材料进行刻蚀、释放形成结构层部分，形成周期可调的微机械光栅。

参阅图3，工作时，入射光4入射到微机械光栅上，一部分被光栅栅条8反射，产生反射式衍射光谱5；另一部分入射光通过光栅栅条8之间的缝隙到达基底1的前表面，由于基底1是完全透光的，因此在基底1的后表面形成透射式衍射光谱6。在较小的光栅周期下，周期可调微机械光栅对入射光4的反射式衍射光谱5和透射式衍射光谱6偏移较大；在驱动器7驱动下，弹性支撑梁9和连接粱10变形，光栅栅条8移动，光栅周期变大，周期可调微机械光栅对入射光4的反射式衍射光谱5和透射式衍射光谱6产生较小偏移。

有益效果：

本发明的有益效果是：该周期可调微机械光栅能同时工作在反射及透射方式，光栅周期的变化能够改变衍射光谱的衍射角度，使反射式衍射光和透射式衍射光在周围空间重新分配，从而改变光强分布。

附图说明：

图1.本发明提出的周期可调微机械光栅结构示意图

图2.本发明提出的周期可调微机械光栅制作工艺流程图

图3.本发明提出的周期可调微机械光栅工作原理图

图4.实施例1中的周期可调微机械光栅结构示意图

其中：1.基底；2.金属薄膜；3.锚点；4.入射光；5.反射式衍射光输出；6.透射式衍射光输出；7.驱动器；8.光栅栅条；9.弹性支撑梁；10.连接粱

具体实施方式：

实施例1：

参阅图4，本实施例中的周期可调微机械光栅由基底和结构层组成，结构层通过锚点3悬置于基底上。结构层材料为硅，包括7根等距平行的光栅栅条8，4根弹性支撑梁9，和12根连接梁10，每相邻的两根光栅栅条8通过两侧的折叠U形连接梁10进行连接，两端的两根光栅栅条8通过弹性支撑梁9连接到锚点3上，驱动器7采用静电梳齿驱动，与光栅栅条8的一端连接，带动光栅栅条8沿着与栅条垂直的方向往复运动。基底材料为玻璃，其上有材料为金的金属薄膜作为电极及引线，使得驱动器7通过金属薄膜与外界连接，从而给驱动器7供电。

本实施例中的周期可调微机械光栅的制作方法，工艺步骤如下：

步骤1：在基底1表面淀积一层金作为金属薄膜2；

步骤2：在硅片的一侧刻蚀出高50μm的锚点3；

步骤3：将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点3键合在一起，并将硅片减薄至20μm；

步骤4：对硅片进行刻蚀、释放形成结构层部分，形成周期可调的微机械光栅。

实施例2：

参阅图4，本实施例中的周期可调微机械光栅由基底和结构层组成，结构层通过锚点3悬置于基底上。结构层材料为砷化镓，包括7根等距平行的光栅栅条8，4根弹性支撑梁9，和12根连接梁10，每相邻的两根光栅栅条8通过两侧的折叠U形连接梁10进行连接，两端的两根光栅栅条8通过弹性支撑梁9连接到锚点3上，驱动器7采用静电梳齿驱动，与光栅栅条8的一端连接，带动光栅栅条8沿着与栅条垂直的方向往复运动。基底材料为蓝宝石，其上有材料为铝的金属薄膜作为电极及引线，使得驱动器7通过金属薄膜与外界连接，从而给驱动器7供电。

本实施例中的周期可调微机械光栅的制作方法，工艺步骤如下：

步骤1：在基底1表面淀积一层铝作为金属薄膜2；

步骤2：在砷化镓晶圆的一侧刻蚀出高50μm的锚点3；

步骤3：将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点3键合在一起，并将硅片减薄至30μm；

步骤4：对砷化镓晶圆进行刻蚀、释放形成结构层部分，形成周期可调的微机械光栅。

Claims (6)

1.一种周期可调微机械光栅，由基底和结构层组成，结构层通过锚点(3)悬置于基底上；结构层为可刻蚀可键合的导电材料，结构层包括若干等距平行的光栅栅条(8)、弹性支撑梁(9)和连接梁(10)，每相邻的两根光栅栅条(8)通过两侧的折叠U形连接梁(10)进行连接，两端的两根光栅栅条(8)通过弹性支撑梁(9)连接到锚点(3)上，驱动器(7)与一端的光栅栅条(8)连接，带动光栅栅条(8)沿着与栅条垂直的方向往复运动；基底上有金属薄膜作为电极及引线，使得驱动器(7)通过金属薄膜与外界连接，从而给驱动器(7)供电，其特征在于：所述的基底为绝缘透明材料。

2.一种如权利要求1所述的周期可调微机械光栅，其特征在于：所述的驱动器(7)为静电梳齿驱动器。

3.一种如权利要求1所述的周期可调微机械光栅，其特征在于：所述的基底材料为玻璃或蓝宝石。

4.一种如权利要求1所述的周期可调微机械光栅，其特征在于：所述的结构层材料为硅或砷化镓。

5.一种如权利要求1所述的周期可调微机械光栅，其特征在于：所述的金属薄膜材料为金或铝。

6.一种如权利要求1所述的周期可调微机械光栅的制作方法，包括如下工艺步骤：

步骤1：在基底(1)表面淀积一层金属薄膜(2)；

步骤2：在结构材料的一侧刻蚀出一定高度的锚点(3)；

步骤3：将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点(3)键合在一起，并将结构材料减薄至所需厚度；

步骤4：对结构材料进行刻蚀、释放形成结构层部分，形成周期可调的微机械光栅。

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