基于MOEMS工艺集成角度传感器的微扫描光栅

摘要

本发明提出的一种高衍射效率、集成压阻角度传感器、电磁驱动的基于MOEMS工艺的扫描微光栅，它由电磁驱动单元，压阻角度传感器单元，光栅衍射面单元，支撑梁单元四部分构成。它采用不同于其他扫描光栅驱动结构，实现偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统的便携性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微扫描光栅，属于光谱分析技术和MOEMS （Micro-Optical-Electro-Mechanical System）技术领域。

背景技术

利用MOEMS工艺制成的具有分光功能的扫描微光栅广泛应用于光学显示、 光谱分析、光学传感，光通信等领域。传统的扫描光栅通常采用步进电机进行光 栅扫描，因而增大了光谱仪器的体积和系统本身的体积和能耗。目前随着微机械 和微机电技术的发展，微扫描光栅作为一种新的扫描和分光器件，具有体积小、 质量轻、精度高、功耗低等特点，可以取代传统光谱仪器的传动和分光机构。

按照微扫描光栅槽型分类，可以分为矩形相位光栅、矩形振幅光栅和闪耀光 栅，一般而言闪耀光栅效率最高，但是这类硅基加工的微扫描光栅存在闪耀角过 大以至于闪耀效率降低的问题；基于矩形相位光栅原理的微扫描光栅的效率低于 前述闪耀式微扫描光栅的效率约百分之五，高于矩形振幅式微扫描光栅的效率百 分之三十。

按照光谱扫描的方式分为变光栅常数、变闪耀角、改变光栅扫描角度等方式， 其各自特点如下：

1.变光栅常数式扫描光栅通过改变光栅常数从而可以改变衍射光的方向， 可以达到光谱扫描的目的，具有简单易行的特点，但是其一般采用SOI硅片或 者表面硅加工技术，从而使光栅的成本提高或者表面粗糙度提高，不利于低成本 高效率光栅的制造。

2.变闪耀角式扫描光栅在现有的文献资料中都使用表面硅加工工艺，不利 于高衍射效率的光栅制造，并且使用高的静电电压驱动。

3.变光栅扫描角式微光栅通过改变光栅扫描角度可以达到光谱扫描的目 的，这种微扫描光栅可以选择合理的驱动方式可使得驱动所需的功耗降低。但是 一般采用单晶硅的自停止刻蚀原理进行闪耀结构的刻蚀，闪耀角为54.7°，存在 闪耀角过大而光栅外形尺寸有限的问题，在实际应用中不能够发挥闪耀光栅的优 势。

按照驱动方式分为静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动等驱动方式扫描 微光栅，其特点如下：

1.静电驱动式扫描光栅的特点是驱动方式简单，功率消耗较小，适合于小 距离，高速的光谱扫描，其缺点在于一般需要较高的驱动电压，制造工艺流程较 为复杂，因此提高制动效率是MOEMS扫描光栅的主要问题。

2.压电驱动式扫描光栅可以输出较大的制动力，从而可以扩大光谱扫描范 围，缺点在于压电材料的成膜工艺较困难。

3.电磁驱动可以输出较大的电磁力矩，制动效率较高，所以微扫描光栅的 扫描角度较大，可以使所应用该类器件的光谱仪器光谱扫描范围变大。

4.热驱动式扫描光栅的特点在于工作频率较低，并且热制动器具有迟滞效 应，微扫描光栅响应速度往往比较慢。

按照角度监测方式分为主动监测角度的扫描光栅和被动监测角度的扫描光 栅。到目前为止，对于集成有监测光栅参数变化传感器的扫描光栅研究较少。绝 大多数多数扫描光栅采用了被动监测的办法对光栅的可变参数进行监测，被动监 测角度的扫描光栅主要依靠MOEMS器件同频同相的特点，按照驱动和输出的 函数对应关系对微光栅的参数变化进行估测，具有方法简单易行的特点，适合于 对角度监测要求不高的场合。集成有监测光栅参数变化传感器的扫描光栅一般采 用某种角度监测办法对角度进行实时的监测，该方法可以对微光栅进行高精度的 实时角度监测，角度监测更准确。

微型化、宽光谱、低功耗、高精度、高分辨率、扫描角度主动式监测是扫 描光栅发展的重要方向。利用MOEMS的微加工技术制作集成有角度传感器的 扫描光栅是微光栅发展的一个趋势。

发明内容

本发明的目的是针对现有微扫描光栅局限性而提出的一种高衍射效率、集 成压阻角度传感器、电磁驱动的基于MOEMS工艺的扫描微光栅，它采用不同 于其他扫描光栅驱动结构，实现偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统 的便携性。

本发明通过以下技术方案来加以实现：

基于MEMS工艺的集成角度传感器的微扫描光栅，它由电磁驱动单元、压 阻角度传感器单元、光栅衍射面单元和支撑扭转梁单元四部分构成。其中，磁驱 动单元部分由MOEMS工艺加工的电磁驱动线圈与永久磁铁元件组成。为了使 扫描微光栅做绕支撑扭转梁扭转，加载于电磁驱动线圈的交流电压Ui表示如下：

U_i=U_msin(ωt)

其中U_m为交流电压幅值，ω为扫描微光栅的谐振频率。所述电磁驱动线圈 应用溅射和电镀工艺制作，埋层引线使用离子注入的方法制作。

压阻角度传感器单元由压阻角度传感器和焊盘组成，该压阻角度传感器集 成于扫描光栅的支撑扭转梁上，压阻角度传感器为(100)硅的P型硅压阻，该压 阻角度传感器的方向与支撑扭转梁成45°,布置于[110]晶向，对光栅工作面的偏 转角度起到监测作用，压阻条采用惠斯通电桥电路结构的排布方式。可知扫描光 栅扭转角度θ_T与惠斯顿电桥输出电压V_T关系为：

$V_T==\frac{V_{\mathrm{in}}\mathrm{\beta bG}}{4\alpha l_x}({\pi }_{\mathrm{lt}}-{\pi }_{\mathrm{tT}})·{\theta }_T$

式中：V_in为惠斯顿电桥输入电压；α和β是硅的支撑扭转梁的扭转系数；b支撑 扭转梁的宽度；G为硅的剪切模量；l_x为支撑扭转梁的长度。所述支撑扭转梁 采用湿法减薄和等离子体刻蚀的工艺加工而成；所述压阻传感器实用离子注入工 艺制作。

光栅衍射面单元的光栅工作面槽型为矩形，光栅为位相型光栅，该槽型采 用硅的湿法刻蚀完成，光栅常数可以根据要求自行设计。支撑扭转梁起到支撑扫 描光栅工作面的作用，可扭转。当入射波长为λ平行光，入射角度为i（相对于 静态时的光栅表面）时，经过扫描光栅衍射后的出射光的衍射角度r可知为：

$\frac{\mathrm{k\lambda }}{d}-\sin (i+{\theta }_T)=\sin r$

式中：d为光栅常数；k为衍射光谱级次。所述光栅表面采用硅的湿法硅刻蚀工 艺制作，表面镀层采用电子束蒸发工艺制作。

本发明的器件整体结构简单，集成了电磁驱动线圈和偏转角度检测传感器， 可以实时的监测扫描光栅的偏转角度，进而检测衍射光线的出射情况。和现有微 扫描光栅相比，本发明具有以下优点：

1）微扫描光栅使用体硅加工技术制造，光学表面质量优于表面硅加工所得 微扫描光栅光学表面质量；

2）使用普通的单晶硅片，与其他采用SOI硅片制造的微扫描光栅相比，硅 片成本可降低到七分之一；

3）在微扫描光栅的支撑扭转梁上集成了惠斯顿电桥布局形式的压阻传感器， 使得扫描光栅的衍射光线的衍射角度可以得到实时的主动监测，可以进行连续光 谱的重构，并且扫描光栅可以进行闭环的控制；

4）使用湿法硅刻蚀工艺制作相位光栅，可以有效提高光栅的衍射效率，降 低成本；

附图说明

图1为集成角度传感器的微扫描光栅的正面俯视图。

图2为集成角度传感器的压阻角度传感器的局部视图。

图3是光栅工作面的局部截面图。

图4是压阻电阻的惠斯顿电桥连接图。

具体实施方式

下面结合附图来具体说明本发明。

参见图1和图2，本光栅是由支撑扭转梁1、光栅工作面2（背面）、微扫描 光栅的外框3、支撑扭转梁1（背面）上的压阻角度传感器4和5、高电位接触 焊盘6，压阻外接电压焊盘7、8和13、两个定阻值电阻9和10、电磁驱动线圈 19、电磁驱动线圈19的焊盘11,12组成。图中14、15、16、17代表定阻值电阻 9和10的焊盘。

本光栅使用普通的单晶硅片，光栅工作面2由支撑扭转梁1支撑在外框3 中间，参见图3，光栅工作面槽型为矩形，光栅为位相型光栅，该槽型采用硅的 湿法刻蚀完成，光栅常数可以根据要求自行设计，图中a为刻蚀光栅的保留部分， 图中b为刻蚀光栅的被刻蚀部分，20为镀膜层。电磁驱动线圈19在光栅工作面 2背面，由MOEMS工艺加工，电磁驱动线圈应用溅射和电镀工艺制作，埋层引 线使用离子注入的方法制作。压阻角度传感器4、5集成于扫描光栅的支撑扭转 梁1上，压阻角度传感器4、5为(100)硅的P型硅压阻，该压阻角度传感器的方 向与支撑梁1成45°,布置于[110]晶向，对光栅工作面的偏转角度起到监测作用， 压阻条采用惠斯通电桥电路结构的排布方式，参见图4。

工作方式：电流经过焊盘11、12流经电磁驱动线圈19，光栅工作面2由背 面的电磁驱动线圈19在磁场中所受的电磁力驱动发生偏转，由于光栅工作面2 发生偏转，所以经过分光后的衍射光也跟随着偏转，从而实现了光谱的分光与扫 描；同时，在光栅工作面发生偏转时，由于支撑扭转梁1的扭转，在梁的内部产 生应力导致压阻角度传感器4、5的阻值发生变化，所以外部电路可以通过焊盘 8、焊盘14的连接测量得到阻值的变化，进而通过信号处理得到光栅工作面1 的偏转角度。本发明中为了提高传感器的灵敏度，要求压阻角度传感器4、5与 支撑扭转梁1成45°角。

另外，本发明的光栅工作面的反射层采用了Au作为反射层材料，可以提高 衍射效率，同时用以抵消电磁驱动过程中大电流引起硅的热应力。