集成角度傳感器的高衍射效率mems掃描光柵的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及MEMS掃描光柵，屬于光譜分析技術和MEMS技術領域。
【背景技術】
[0002]基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)技術的微型光譜儀具有體積小、重量輕、功耗低、探測速度快、性能穩定、可集成化、可批量化制造，以及成本相對低廉等優點，具有巨大的應用市場與開發潛力。
[0003]基于MEMS技術的掃描光柵是微型近紅外光譜儀的核心元器件。當光譜儀處于工作狀態時，掃描光柵的鏡面以一定角度轉動，在鏡面的轉動過程中，不同波長的光依次以某一特定角度入射到聚焦凹面反射鏡上、經聚焦凹面反射鏡聚焦成像后通過狹縫照射到單管探測器上，從而實現對光譜的連續探測。由于基于MEMS掃描光柵的微型近紅外光譜儀避免了采用昂貴的近紅外陣列探測器，從而大大降低了光譜儀的價格成本，必然會成為國內外微型近紅外光譜儀的研發方向與主流趨勢。
[0004]目前國內外報道的MEMS掃描光柵大多為矩形槽光柵，衍射效率很低；與矩形槽光柵相比，對稱V形槽光柵具有更高的衍射效率。德國IPMS (Fraunhofer Institute forPhotonic Microsystems)實驗室制作了基于(100)娃片的V形槽掃描光柵，在娃片濕法刻蝕之后，只能形成對稱的角度為54.74°的V形槽，這種光柵的閃耀角是固定的54.74°，不能根據不同的閃耀波長調節閃耀角度，導致光柵的衍射效率降低。
[0005]在光譜儀系統中，需要對掃描光柵的偏轉角度進行精確測量，以便為掃描光柵高精度閉環反饋控制和光譜信息采集提供同步信號。目前一般采用的方法是將激光投射到光柵表面，經反射到接收屏上成像的方法得到掃描光柵的偏轉角度。這種方法需要外加激光器、探測器等多個器件，無疑增加了近紅外光譜儀的體積和復雜程度。
[0006]目前MEMS掃描光柵的驅動方式主要有靜電驅動、壓電驅動、電磁驅動和熱驅動四種方式。靜電驅動的驅動結構簡單，但是非線性力學效應較明顯，存在吸合現象，驅動電壓較高；壓電驅動可以產生較大的驅動力且功耗較低，缺點是溫漂大，壓電薄膜制作工藝較難；熱驅動方式功耗高，環境溫度影響大，響應速度慢；電磁式驅動裝置可產生的驅動力大，線性度較好，并且可以單片集成電磁角度傳感器，不足之處是需要外加磁場。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有MEMS掃描光柵的局限性，提出一種基于MEMS工藝的高衍射效率、集成電磁角度傳感器、電磁驅動的掃描光柵新結構。它采用偏晶向(111)硅片，閃耀角可以通過(111)硅片的切偏角來實現；并且它單片集成了電磁角度傳感器，可以實現光柵偏轉角的主動監測，減小系統的體積，提高系統的便攜性。
[0008]本發明通過以下技術方案來加以實現:
基于MEMS技術的掃描光柵由光柵面、電磁驅動線圈、電磁傳感線圈、扭轉梁以及支撐框架組成。光柵面、電磁驅動線圈、電磁傳感線圈均制作在同一片偏晶向(111)硅片上，以硅結構層作為其共同的底層。光柵面位于硅結構層的正面，電磁驅動線圈及電磁傳感線圈位于硅結構層的背面。光柵面、電磁驅動線圈及電磁傳感線圈由支撐扭轉梁支撐在支撐框架的內部。所述電磁驅動線圈及電磁傳感線圈需在外加恒穩磁場下工作，掃描光柵的兩側固定有永磁體，產生沿X軸方向的永恒磁場。
[0009]光柵面的光柵為非對稱鋸齒形的閃耀光柵，該光柵槽型采用濕法刻蝕偏晶向(111)硅片完成。光柵常數和閃耀角度可以根據光譜范圍和閃耀波長設計。光柵的閃耀角度即為(111)硅片在切割時，相對于標準(111)面偏向(110)面切割的角度。光柵表面鍍層采用電子束蒸發工藝制作。
[0010]電磁驅動線圈采用單圈線圈結構，其以硅結構層作底層，包括采用濺射工藝制作的TiW/Au種子層和電鍍工藝制作的Au層。磁驅動線圈的輸入輸出端通過電磁驅動線圈焊盤與外部電路相連。
[0011]電磁傳感線圈采用矩形漸開線結構設計，也是以硅結構層作底層，由表層線圈和埋層引線組成。其中表層線圈包括濺射工藝制作的TiW/Au種子層和電鍍工藝制作的Au層；埋層引線為使用離子注入和擴散工藝制作的硼層。表層線圈和埋層引線之間通過通孔進行連通，電磁傳感線圈的輸入輸出端通過電磁傳感線圈焊盤進行輸出和測量。
[0012]當電磁驅動線圈中平行于扭轉梁的線圈部分通有沿±/方向(平行于扭轉梁)的驅動電流時，電磁驅動線圈與外加沿方向(垂直于扭轉梁)的穩恒磁場相互作用產生了
方向的洛侖茲力，從而使光柵面繞扭轉梁偏轉。若施加的驅動信號與光柵面的諧振頻率一致時，光柵面將產生繞扭轉梁偏轉的諧振運動，此時達到最大掃描角度。
[0013]光柵面將入射到光柵平面的復合光衍射為單色光。當光柵面轉動時，不同波長的光將依次照射到單管探測器上，從而實現對光譜的連續探測。
[0014]光柵面繞扭轉梁轉動時，其背面的電磁傳感線圈作切割穩丨旦磁場運動產生感生電動勢，而感生電動勢與光柵面的角速度成正比，因此可以獲得與光柵面掃描角度相關的信號。
[0015]本發明的器件整體結構簡單，和現有掃描光柵相比，本發明具有以下優點:
1.本發明的光柵閃耀角是加工偏晶向(111)硅片時的切偏角，實現起來很容易。可以形成非對稱鋸齒形的閃耀光柵，而不是目前掃描光柵中常用的矩形光柵和對稱V形光柵，因此大大提高了掃描光柵的衍射效率。
[0016]2.本發明的光柵采用濕法刻蝕偏晶向(111)硅片制作而成，光柵的凹槽由單晶體內部的兩個(111)面相交構成，保證了光柵的工作表面平整光滑。
[0017]3.本發明光柵的閃耀角度實現非常容易，即制作(111)硅片時，以〈110〉方向為軸，相對于標準(111)面偏向(110)面一個角度切割，此角度就等于光柵的閃耀角。
[0018]4.本發明采用偏晶向(111)硅片作為基底材料，成本與普通單晶硅片相當，與其他采用SOI硅片制造的掃描光柵相比，大大降低了硅片成本。
[0019]5.在掃描光柵的背面集成了電磁角度傳感器，實時主動監測掃描光柵的偏轉角度，為掃描光柵高精度閉環反饋控制和光譜信息采集提供了同步信號，因而將大大提高基于掃描光柵的微型光譜儀的精度和穩定性。
[0020]6.本發明采用電磁驅動方式對MEMS掃描光柵進行驅動，可在較低的工作電壓下實現光柵的大角度掃描。[0021 ] 本發明成果可廣泛應用于微型近紅外光譜儀系統。
【附圖說明】
[0022]圖1 (a)為本發明的MEMS掃描光柵的正面即光柵面的結構示意圖；
圖1 (b)為本發明的MEMS掃描光柵的背面即具有電磁驅動線圈和電磁傳感線圈的一面的結構示意圖；
圖2為圖1 (a)沿A-A向剖面的示意圖；
圖3為線圈的截面圖即圖1 (b)沿B-B向剖面的示意圖。