CN103885178B - Moems双稳态光栅平动式光调制器及其阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光调制器技术领域，具体涉及一种光栅光调制器及其制造方法和阵列:MOEMS双稳态光栅平动式光调制器包括硅衬底1以及其上的绝缘层2,光栅6通过弹性支撑梁悬空支撑于绝缘层2上方，支撑梁由梁体5和支撑柱4组成，梁体的中部与光栅连接，梁体为由不同热膨胀系数材料组成的双层复合梁，在光栅在正下方设置有下反射表面3；外接的电流驱动装置7，可产生不同幅度、频率的电流。本发明利用一种具有双稳态特性支撑梁的可动光栅在电热驱动下可以切换双稳态位置，避免光栅在非稳态位置驻留易受电源波动干扰而引起位置漂移降低衍射效率的问题发生，同时达到防止粘附失效发生的目的，并具有驱动电路稳定性要求低、实现容易、功耗低的优点。

Description

MOEMS双稳态光栅平动式光调制器及其阵列

技术领域

本发明涉及光调制器技术领域，具体涉及一种光栅光调制器及其制造方法和阵列。

背景技术

MOEMS（Micro-Opto-Electro-MechanicalSystems,微光机电***）技术是MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电***)技术和光学技术的进一步融合，具有天生的优势，它可以实现微型光学元件和控制电路的集成，具有可大批量制造，单位成本低，体积微小，响应速度快，性能可靠等优势。目前，基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用，典型的有美国德州仪器公司的数字微镜器件DMD和硅光机械公司的光栅光阀GLV，他们在投影显示、自适应光学、传感器、光通信、微型化光学平台等方面也得到了广泛应用。利用MOEMS技术实现对光的强度、相位、偏振的操作和控制而衍生出的更多更广的功能性开发，已成为该领域的重要应用研发趋势。由重庆大学提出的基于MOEMS的光栅光调制器，利用光栅衍射原理实现光学调制在投影技术应用上取得了***研究成果，但现有的光栅光调制器，如重庆大学提出的申请号为200510020186.8的中国发明专利中公开的平动式光栅光调制器，对上下反射面的间距的控制要求比较高，在不加电和加电两个位置容易随着驱动电路电压波动形成位置漂移，造成上下反射面的间距参数与设计参数存在差异，不能获得预期的衍射效果。特别是在施压电压情况下，梁停留在下拉位置的某一高度是靠驱动电压决定的，而如果要在非接触工作方式下拉时保持光栅位置悬空在某一高度不变，就要一直保持施加恒定的电压，对驱动电路的稳定性要求较高，增加了驱动电路的复杂度。另外，在长期使用过程中，当静电下拉由于干扰出现下拉过度造成吸合现象后，一旦平动式光栅光调制器上下表面间的范德华力、陷阱电荷积累产生的静电力等表面力超过悬臂梁的弹性回复力，在没有其它向上的外加拉力的情况下，容易造成粘附使得器件无法再弹起而失效。但如果改变器件工作方式，使得下拉时平动式光栅光调制器上下表面接触，虽然保证了器件位置稳定而无漂移，可是更加容易造成器件粘附失效。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出了一种MOEMS技术制造的双稳态光栅平动式光调制器,利用一种具有双稳态特性支撑梁的可动光栅在电热驱动下可以切换稳态位置，避免光栅在非稳态位置驻留易受电源波动干扰而引起位置漂移降低衍射效率的问题发生，同时达到防止粘附失效发生的目的，并具有驱动电路稳定性要求低、实现容易、功耗低的优点。。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，包括如下结构：

硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层；

光栅，通过弹性支撑梁悬空支撑于绝缘层上方，所述光栅是在弹性基底上覆盖金属反射物形成的，所述弹性支撑梁由梁体和支撑柱组成，梁体的两端通过支撑柱固定设置于绝缘层上，梁体的中部与光栅固定连接，梁体为由不同热膨胀系数材料组成的双层复合梁，底层材料在加工时形成压应力，顶层材料在加工时形成张应力，其中至少有一层材料导电并通过两端的支撑柱形成电学连接的两极；

下反射表面，设置在光栅下方的绝缘层上；

电流驱动装置，与复合梁中的导电材料层两极相连形成回路，可产生不同幅度、不同频率的驱动电流。

进一步，所述弹性支撑梁有两根，分别与光栅相对的两侧面相连。

进一步，光栅表面和下反射面之间的间距可变，在连接光栅的弹性支撑梁不通过电流时，间距为(2n-1)λ/4；而通过电流时，间距为nλ/2。

进一步，构成所述弹性支撑梁的双层材料，底层材料为多晶硅，顶层材料为铝；光栅的底层材料为多晶硅，顶层材料为铝；下反射表面材料为铝；绝缘层的材料为二氧化硅。

进一步，构成所述弹性支撑梁的材料，还可以扩展为三层，中间层材料为多晶硅，顶层和底层材料为铝，在加工时多晶硅层形成压应力，铝层形成应力为0；光栅的底层材料为多晶硅，顶层材料为铝；下反射表面材料为铝；绝缘层的材料为二氧化硅。

本发明还提供所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器组成的光栅光调制器阵列，所述MOEMS双稳态光栅平动式光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器并列而成，其中每一个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器均可在驱动电路控制下独立动作，形成衍射效果不同的点阵。

本发明还公开制造如上所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器的方法，包括如下步骤：

1）在硅衬底上热氧化一层二氧化硅；

2）在步骤1）所得的二氧化硅层上低压化学气相淀积一层氮化硅作为绝缘层；

3）在步骤2）所得的绝缘层上溅射并光刻铝，形成多个与上层光栅对应的下反射面及为光栅加电的导线；

4）采用等离子增强化学气相沉积法在绝缘层上淀积二氧化硅作为牺牲层，并刻蚀形成用于容纳支撑柱的锚点；

5）淀积多晶硅并刻蚀支撑梁和光栅；

6）在光栅的顶层和支撑梁上溅射并刻蚀铝，形成反射面和双层材料的支撑梁；

7）用HF酸腐蚀掉牺牲层，使光栅悬空。

本发明利用了如下特性：双端固定的支撑梁由于内部预加的压应力作用，在外力作用下会失稳向上方或下方两个位置翘曲，直到内应力消失为止，形成上方或下方的两个稳态位置，在外力撤销后，梁可以自行保持稳态位置，直到下一次足够强的相反方向外力作用使得支撑梁在两个稳态间发生切换。本发明中双端固定的支撑梁由于存在上下两层不同材料，利用加工时的工艺参数调整可以预先使其产生不同的内应力方向，使得冷却时梁向控制的固定方向失稳并达到固定稳态位置。这个应力方向可以通过加电流使得热膨胀系数不同的两层材料发生应力反转，使得梁向相反方向运动，并切换到另一个稳态，直到撤去电流后温度降到阈值温度以后，梁应力分布回复导致它又会回复到原来的稳态位置。这两个稳态的位置是由材料的性质决定的。这种双稳态驱动方式在达到每个稳态位置后，梁的位置都很稳定，不易随着外界驱动电路的电流小幅波动发生漂移，只有在电流施加或撤销到达一定阈值后，应力分布发生反转才会造成梁的双稳态位置切换，所以对电流驱动装置的稳定性要求较低，驱动电路实现较为简单。

为了使得驱动电路功耗更低，驱动方式在长期使用中更稳定，还可以按进一步技术方案将复合梁材料扩展为三层：中间层材料预先形成压应力使得双端支撑时有失稳倾向产生双稳态特性，而上下两层为驱动层，当加电时使得梁的失稳方向向不同方向偏转。优选中间层材料为多晶硅，顶层和底层材料为铝，在加工时多晶硅层形成压应力，铝层形成应力为0。

按进一步技术方案描述，这两个稳态的位置，即光栅表面和下反射面之间的间距，在连接光栅的弹性支撑梁不通过电流时，间距为(2n-1)λ/4；而通过电流时，间距为nλ/2。这就使得上下两层光栅反射光线的相位差，在不通电流时，为π，在衍射光零级的位置形成干涉相消；在通过电流时，相位差为2π，在衍射光零级的位置形成干涉相长。所以这是两个调制效果最好的稳态位置，这个位置，是可以通过对支撑梁参数的设计和控制工艺参数来实现的。

本发明由于可动光栅表面在施加电流和撤去电流两个状态下分别处在双稳态的两个固定位置，不易发生如重庆大学提出的申请号为200510020186.8的中国发明专利中公开的平动式光栅光调制器位置漂移的现象，对驱动电路稳定性的要求较低；由于可动光栅表面在双稳态的两个位置都不和下表面接触，所以长期使用后也不易发生粘附失效现象；即使偶然粘附，利用电热驱动导致的应力分布反转可以使可动光栅表面获得向上的拉力而摆脱粘附失效。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明的单像素MOEMS双稳态光栅平动式光调制器结构图。

图2是所示的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器形成阵列的示意图。

图3是单像素MOEMS双稳态光栅平动式光调制器未加电流时应力翘曲情况的示意图。

图4是单像素MOEMS双稳态光栅平动式光调制器未电流时应力翘曲情况的示意图。

图5是三层材料复合梁单像素MOEMS双稳态光栅平动式光调制器底层材料加电应力翘曲情况的示意图。

图6是三层材料复合梁单像素MOEMS双稳态光栅平动式光调制器顶层材料加电应力翘曲情况的示意图。

图中：1.硅衬底，2.绝缘层，3.下反射表面，4.弹性支撑梁支撑柱5.弹性支撑梁梁体，6.光栅、7、电流驱动装置。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实例进行详细的描述。

参见图1，本实施例的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器包括硅衬底1以及设置于硅衬底上的绝缘层2,光栅6通过弹性支撑梁悬空支撑于绝缘层2上方，所述光栅是在弹性基底上覆盖金属反射物形成的，所述弹性支撑梁由梁体5和支撑柱4组成，梁体5的两端通过支撑柱4固定设置于绝缘层2上，梁体的中部与光栅固定连接，梁体为由不同热膨胀系数材料组成的双层复合梁，底层材料优选多晶硅，在加工时形成压应力，顶层材料优选铝，在加工时形成张应力，其中铝层导电并通过两端的支撑柱4形成电学连接的两极；在光栅在正下方的绝缘层上设置有下反射表面3；外接的电流驱动装置7，可以与复合梁中的导电材料层两极相连形成回路，可产生不同幅度、不同频率的驱动电流。

可通过如下工艺流程制作上述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器：

1）在硅衬底上热氧化一层二氧化硅；

2）在步骤1）所得的二氧化硅层上低压化学气相淀积一层氮化硅作为绝缘层；

3）在步骤2）所得的绝缘层上溅射并光刻铝，形成多个与上层光栅对应的下反射面及为光栅加电的导线；

4）采用等离子增强化学气相沉积法在绝缘层上淀积二氧化硅作为牺牲层，并刻蚀形成用于容纳支撑柱的锚点；

5）淀积多晶硅并刻蚀支撑梁和光栅；

6）在光栅的顶层和支撑梁上溅射并刻蚀铝，形成反射面和双层材料的支撑梁；

7）用HF酸腐蚀掉牺牲层，使光栅悬空。

MOEMS双稳态光栅平动式光调制器主要用于形成光栅光调制器阵列，可广泛用于显示、投影、印刷、光通讯、光谱仪上，以实现对多光束的开关选通，可减小这些仪器和设备的体积和重量。

参见图2，MOEMS双稳态光栅平动式光调制器主要用于形成光栅光调制器阵列，阵列至少2个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器并列而成，还设置有驱动电路，使其中每一个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器均可在电流驱动装置控制下分别上下运动到不同的双稳态高度。

本发明利用了如下特性：双端固定的支撑梁由于内部预加的压应力作用，在外力作用下会失稳向上方或下方两个位置翘曲，直到内应力消失为止，形成上方或下方的两个稳态位置，在外力撤销后，梁可以自行保持稳态位置，直到下一次足够强的相反方向外力作用使得支撑梁在两个稳态间发生切换。这两个稳态的位置是由材料的性质决定的。参见图3，本发明中支撑梁5存在上下两层不同材料。通过在加工时使底层材料形成压应力，顶层材料形成张应力。由于冷却过程中底层存在压应力的材料有扩张的趋势，而顶层形成张应力的材料有收缩的趋势，方向见图3中箭头，使得双端支撑梁下陷达到第一稳态位置，这个位置是初始位置，不需加电流就可达到。双端支撑梁5下陷使得在中间位置与之相连的光栅6下降，优选此时光栅6与下反射表面3间的距离h为(2n-1)λ/4,如n=1时取λ/4。另一方面，当支撑梁5加电流驱动的时候，参见图4，由于两层材料膨胀系数不同，比如优选的顶层材料是铝，底层材料是多晶硅，由于铝的膨胀系数大于多晶硅，使得顶层铝的膨胀趋势大于底层多晶硅的膨胀趋势，实际上在两层材料交界面处产生应力反转分布，致使双端支撑梁5上翘到第二稳态位置为止。在这个位置，优选此时光栅6与下反射表面3间的距离h为nλ/2，如n=1时取λ/2。直到撤去电流后温度降到阈值温度以后，梁应力分布回复导致它又会回复到原来的稳态位置。优选的两个双稳态高度使得上下两层光学表面反射光线的相位差，在不通电流时，为π，在衍射光零级的位置形成最强干涉相消效果；在通过电流时，相位差为2π，在衍射光零级的位置形成最强干涉相长效果。所以这是两个调制效果最好的稳态位置，这个位置，是可以通过对支撑梁参数的设计和控制工艺参数及加电流大小来实现的。这种双稳态驱动方式在达到每个稳态位置后，复合材料形成的梁体达到应力接近为0的稳定状态，所以对电流波动不敏感，需要较大的电流改变引起应力反转才能够使之再次失稳切换到相反方向的稳态。所以对电流驱动装置的稳定性要求较低，驱动电路实现较为简单。

本发明由于可动光栅表面在施加电流和撤去电流两个状态下分别处在双稳态的两个固定位置，不易发生如重庆大学提出的申请号为200510020186.8的中国发明专利中公开的平动式光栅光调制器位置漂移的现象，对驱动电路稳定性的要求较低；由于可动光栅表面在双稳态的两个位置都不和下表面接触，所以长期使用后也不易发生粘附失效现象；即使偶然粘附，利用电热驱动导致的应力分布反转可以使可动光栅表面获得向上的拉力而摆脱粘附失效。

为了使得驱动电路功耗更低，驱动方式在长期使用中更稳定，还可以按进一步技术方案将复合梁材料扩展为三层，参见图5和图6.中间层材料预先形成压应力使得双端支撑时有失稳倾向产生双稳态特性，而上下两层为驱动层，当加电时使得梁的失稳方向向不同方向偏转。优选中间层材料为多晶硅，顶层和底层材料为铝，在加工时多晶硅层形成压应力，铝层形成应力为0。图5中，当单独在底层铝通电流加热时，由于铝的膨胀系数大于多晶硅，使得底层铝的膨胀趋势大于中层多晶硅的膨胀趋势，致使双端支撑梁5下陷到第一稳态位置为止。图6中，当单独在顶层铝加热时，顶层铝的膨胀趋势大于中层多晶硅的膨胀趋势，致使双端支撑梁5上翘到第二稳态位置为止。这种三层复合材料支撑梁结构配合相应的驱动方式，使得梁一旦到达稳态位置，可以立刻撤去电流驱动，由于梁的双稳态主要是由中间层压应力和弹性系数都比较大的多晶硅层决定的，所以在双稳态时可以不加电流而维持位置稳定，在稳定后驱动电路功耗近似为零，总体上可以降低驱动电路功耗。

电流驱动装置7采用本领域现有的成熟技术，根据不同的阵列要求，采用有源驱动或无源驱动方式。同时驱动电路的电极引出线可在制作该结构的同时得到。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，其特征在于包括：

硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层；

光栅，通过弹性支撑梁悬空支撑于绝缘层上方，所述光栅是在弹性基底上覆盖金属反射物形成的，所述弹性支撑梁由梁体和支撑柱组成，梁体的两端通过支撑柱固定设置于绝缘层上，梁体的中部与光栅固定连接，梁体为由不同热膨胀系数材料组成的双层复合梁，底层材料在加工时形成压应力，顶层材料在加工时形成张应力，其中至少有一层材料导电并通过两端的支撑柱形成电学连接的两极；

下反射表面，设置在光栅下方的绝缘层上；

电流驱动装置，与复合梁中的导电材料层两极相连形成回路，可产生不同幅度、不同频率的驱动电流。

2.如权利要求1所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，其特征在于：所述弹性支撑梁有两根，分别与光栅相对的两侧面相连。

3.如权利要求1至2中任一项所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，其特征在于：光栅表面和下反射面之间的间距可变。

4.如权利要求1所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，其特征在于：构成所述弹性支撑梁的双层材料，底层材料为多晶硅，顶层材料为铝；光栅的底层材料为多晶硅，顶层材料为铝；下反射表面材料为铝；绝缘层的材料为二氧化硅。

5.一种MOEMS双稳态光栅平动式光调制器，其特征在于包括：

硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层；

光栅，通过弹性支撑梁悬空支撑于绝缘层上方，所述光栅是在弹性基底上覆盖金属反射物形成的，光栅的底层材料为多晶硅，顶层材料为铝，所述弹性支撑梁由梁体和支撑柱组成，梁体的两端通过支撑柱固定设置于绝缘层上，梁体的中部与光栅固定连接，梁体为三层复合梁，中间层材料为多晶硅，顶层和底层材料为铝，在加工时多晶硅层形成压应力，铝层应力为0；其中顶层和底层的铝层分别可以通过两端的支撑柱形成电学连接的两极，顶层和底层的铝层可以分别导通电流；

下反射表面，设置在光栅下方的绝缘层上；

电流驱动装置，可分别与复合梁中导电的顶层或者底层的两极相连形成回路，可产生不同幅度、不同频率的驱动电流。

6.如权利要求1至5中任一项所述的MOEMS双稳态光栅平动式光调制器组成的光栅光调制器阵列，其特征在于：所述MOEMS双稳态光栅平动式光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器并列而成，其中每一个MOEMS双稳态光栅平动式光调制器均可在电流驱动装置控制下独立动作。