Sma驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器及其阵列的制作方法
【专利摘要】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。SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器包括基底和其上的绝缘层；位于绝缘层之上由支撑梁支撑具有反射面的可动平板，由施加到支撑梁或的偏压驱动做垂直上下移动；支撑梁由梁体和支撑柱组成，梁体的中部与可动平板连接，梁体的材料为形状记忆合金SMA；一个固定光栅，罩于上述部件组成的结构单元之上。本发明利用形状记忆合金在加电升温后材料可以变形到预设的形状，形成双稳态特性，达到减低光栅非稳态位置驻留引起的位置漂移和防止粘附失效发生的目的，同时具有驱动电压低，可以和常规数字芯片驱动电路兼容、大行程、驱动力大的优点。
【专利说明】SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器及其阵列
【技术领域】
[0001]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阵列。
【背景技术】
[0002]MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光机电系统)技术是MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统)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和娃光机械公司的光栅光阀GLV,他们在投影显不、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丰硕研究成果，但现有的光栅光调制器，如重庆大学提出的申请号为200510020185.3的中国发明专利中公开的反射镜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。另一方面静电驱动要获得大行程的位移，通常要较高的驱动电压，为了和现有常规数字芯片驱动电路兼容而降低驱动电压的折中方法就是降低悬臂梁的刚性，这更增加了疲劳和粘附的可能。
[0003]在MOEMS器件常用的驱动中，电磁驱动和疏齿驱动由于结构太大不适用于光栅光调制器，形状记忆合金SMA驱动，与压电、静电、热气等驱动方式相比，具有做功密度大、可恢复应变大、变形回复应力大、驱动电压低等优点，但用于光调制器必须和器件具体结构综合考虑设计，才能够有好的效果，而本专利出发点正是将反射镜平动式光栅光调制器的垂直平动进行光学调制的特性与SMA的形状记忆产生稳定的双稳态开关结果有机结合起来，以解决光栅光调制器的工作稳定性和粘附失效问题。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出了一种MOEMS技术制造的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，利用形状记忆合金在加电升温后材料产生马氏体相变而变形到预设的形状，达到减低光栅非稳态位置驻留引起的位置漂移和防止粘附失效发生的目的，同时具有驱动电压低可以和常规数字芯片驱动电路兼容、大行程、驱动力大的优点。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
[0006]本发明提出的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，包括如下结构:
[0007]基底，其上用溅射或淀积工艺形成绝缘层；
[0008]位于绝缘层之上一定间距、由支撑梁支撑的可动平板，可动平板具有反射面，并由施加到支撑梁或的偏压驱动做垂直上下移动；
[0009]用于支撑可动平板的支撑梁，该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，梁体的中部与可动平板固定连接，梁体的材料为形状记忆合金SMA ；
[0010]一个固定光栅，该固定光栅罩于上述部件组成的结构单元之上，并与基底固定，固定光栅与绝缘层之间为可动平板移动的空间间隙；
[0011]驱动电路，通过电极引出线连接支撑梁，可产生不同幅度、不同频率的驱动电流。
[0012]进一步，所述支撑梁有两根，交叉为十字形，中部与可动平板相连，支撑梁位于可动平板下方。
[0013]进一步，构成所述支撑梁的材料有双层，上层为多晶硅，下层形状记忆合金SMA的材料为TiNi合金，固定光栅、可动平板材料为铝；绝缘层的材料为二氧化硅。
[0014]进一步，固定光栅表面和可动平板之间的间距可变，在连接可动平板的弹性支撑梁不通过电流时，间距为η λ/2 ;而通过电流时，间距为(2η-1) λ/4。
[0015]本发明还提供所述的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，所述SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器并列而成，其中每一个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅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。
[0016]本发明利用了 SMA兼有形状记忆效应的特性作为驱动。SMA在低温时的马氏体相和高温的奥氏体相之间可以通过加热和冷却切换，使得其可以在应力变形后回复到其记忆的初始形状。SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器中，用于支撑可动平板的支撑梁可以由具有双程记忆效应的SMA合金在加热和冷却情况下形成两个不同的稳态位置。按进一步技术方案描述，构成所述支撑梁的材料也可以有双层，上层为提供弹性偏置力的多晶硅，下层形状记忆合金SMA的材料为TiNi合金，TiNi合金提供相变回复力。在室温下不施加电流时，TiNi合金薄膜为马氏体结构，支撑梁呈平坦状；当对TiNi合金薄膜施加直流加热电流后，TiNi合金薄膜变为奥氏体结构，这时TiNi合金膜受张应力，整个复合支撑梁向上拱起。当对TiNi合金膜施加交变加热电流后，复合支撑梁便实现双稳态位置的切换。这两个稳态的位置是由材料的性质决定的，在稳态时梁的位置都很稳定，不易随着外界驱动电路的电流小幅波动发生漂移，只有到达特定温度才能再次发生变化，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，而且SMA合金对驱动电压要求较低，使得驱动电路可以和常规数字芯片驱动电路兼容，驱动的支撑梁具有大行程、驱动力大的优点。[0017]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η λ /2 ;而通过电流时，间距为(2η-1)λ/4。这就使得上下两层光栅反射光线的相位差，在不通过电流时，相位差为2 π，在衍射光零级的位置形成干涉相长；在通电流时，为η，在衍射光零级的位置形成干涉相消。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。
[0018]本发明由于可动光栅表面在施加电压和撤去电压两个状态下分别处在双稳态的两个固定位置，长期使用后不易发生如重庆大学提出的申请号为200510020185.3的中国发明专利中公开的反射镜平动式光栅光调制器位置漂移的现象；由于支撑梁和可动平板表面在双稳态的两个位置都不和下表面接触，所以也不易发生粘附失效现象；即使偶然粘附，利用SMA强大的驱动力也可以使可动光栅表面获得向上的拉力而摆脱粘附失效。
[0019]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的单像素SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器结构简图(仅显示了一个像素)。
[0021]图2是图1沿A方向的剖面图。
图3是所示的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器形成阵列的示意图。
图4是形状记忆效应原理示意图。
[0022]图5是单像素SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器未加电流时应力翘曲情况的示意图。
[0023]图6是单像素SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器加电流时应力翘曲情况的示意图。
[0024]图中:1.固定光栅,2.反射面,3.支撑梁,4.绝缘层,5.娃衬底,6.可动平板,7驱动电路。
【具体实施方式】
[0025]以下将对本发明的优选实例进行详细的描述。
[0026]参见图1和图2，本实施例的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器单个像素的结构包括固定光栅1、反射面2、支撑梁3、绝缘层4、硅衬底5、可动平板6、驱动电路7。其制作方式如下:利用热氧化技术在硅衬底5上淀积一层硅的氧化物，形成绝缘层4，起绝缘作用；利用牺牲层技术，制成支撑梁3及可动平板6 ;支撑梁3的可选材料很多，本发明可以选用具有双程记忆效应的SMA合金单层材料构成，也可选用双层材料，底层为多晶硅，上层为形状记忆合金TiNi。在通电加热和在撤销电流冷却情况下，支撑梁会上下运动到两个不同的稳态位置，并带动可动平板6上下运动。可动平板6上镀有AL反射面2 ;固定光栅I表面同样镀有Al反射面,利用封装技术将固定光栅I与娃衬底5固定,形成一个像素,若将固定光栅I整体罩于多个由上述部件组成的像素单元通过并列布置而形成面阵或线阵之上，形成如图3所示的结构，固定光栅I与绝缘层4之间为可动平板6移动的空间间隙。
[0027]SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅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。
[0028]参见图3，SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器主要用于形成光栅光调制器阵列，阵列至少2个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器并列而成，还设置有驱动电路，使其中每一个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器均可在驱动电路控制下分别上下运动到不同的双稳态高度。
[0029]本发明利用了 SMA兼有形状记忆效应的特性作为驱动。参见图4，形状记忆合金在低温呈柔性马氏体相，容易塑性变形，而后加热至高温刚性的奥氏体相回复到变形前的形状，同时产生较大的回复力，这样可输出一定的驱动力或位移，这就是利用形状记忆效应的驱动机理。整个驱动过程曲线呈现双稳态特性，即在升温过程中高过临界点Ms或在降温过程中低过临界点As后相变不再继续，所以本发明利用这个双稳态使得支撑梁在这两个稳态位置对电流驱动的波动不敏感。
[0030]本发明SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器中，用于支撑可动平板的支撑梁可以由具有双程记忆效应的SMA合金在加热和冷却情况下形成两个不同的稳态位置。按进一步技术方案描述，构成所述支撑梁的材料也可以有双层，上层为提供弹性偏置力的多晶硅，下层形状记忆合金SMA的材料为TiNi合金，TiNi合金提供相变回复力。在高温时，TiNi合金薄膜为奥氏体结构，质地较硬，应力也最大。该应力主要是由TiNi合金薄膜在晶化时与多晶硅薄膜间所产生的热应力所决定的(常用晶态化温度为550摄氏度左右)。在低温时，TiNi合金薄膜为马氏体结构，较软，易变形，马氏体孪晶在多晶硅薄膜偏置力作用下择优取向，应力基本全部释放。在相转变温度(45摄氏度-80摄氏度)范围内，随着马氏体和奥氏体间相结构变化，TiNi合金薄膜中的应力相应积聚和释放。支撑梁能产生大驱动位移的本质是由于形状记忆效应使得在较窄的温度范围内产生较大的应力变化，而最大的驱动力则是由晶化温度下的热应力决定的。参见图5，在室温下不施加电流时，TiNi合金薄膜为马氏体结构，支撑梁呈平坦状。参见图6，当对TiNi合金薄膜施加直流加热电流后，TiNi合金薄膜变为奥氏体结构，这时TiNi合金膜受张应力，整个复合支撑梁向上拱起。当对TiNi合金膜施加交变加热电流后，复合支撑梁便实现双稳态位置的切换。这两个稳态的位置是由材料的性质决定的，在稳态时梁的位置都很稳定，不易随着外界驱动电路的电流小幅波动发生漂移，只有到达特定温度才能再次发生变化，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，而且SMA合金对驱动电压要求较低，使得驱动电路可以和常规数字芯片驱动电路兼容，驱动的支撑梁具有大行程、驱动力大的优点。
[0031]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，参见图5和图6，在连接光栅的弹性支撑梁不通过电流时，间距h为η λ /2，如η=1时取λ /2 ;而通过电流时，间距h为(2η-1) λ/4，如η=1时取λ/4。这就使得上下两层光栅反射光线的相位差，在在不通过电流时，相位差为2 π，在衍射光零级的位置形成干涉相长；通电流时，为η，在衍射光零级的位置形成干涉相消。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。
[0032]本发明由于可动光栅表面在施加电压和撤去电压两个状态下分别处在双稳态的两个固定位置，长期使用后不易发生如重庆大学提出的申请号为200510020185.3的中国发明专利中公开的反射镜平动式光栅光调制器位置漂移的现象；由于支撑梁和可动平板表面在双稳态的两个位置都不和下表面接触，所以也不易发生粘附失效现象；即使偶然粘附，利用SMA强大的驱动力也可以使可动光栅表面获得向上的拉力而摆脱粘附失效。
[0033]驱动电路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。
[0034]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。
【权利要求】
1.SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于包括: a基底； b基底之上形成的绝缘层； c位于绝缘层之上一定间距、由支撑梁支撑的可动平板，可动平板具有反射面，并由施加到支撑梁或的偏压驱动做垂直上下移动； d用于支撑可动平板的支撑梁，该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，梁体的中部与可动平板固定连接，梁体的材料为形状记忆合金SMA ；e 一个固定光栅，该固定光栅罩于上述部件组成的结构单元之上，并与基底固定，固定光栅与绝缘层之间为可动平板移动的空间间隙； f驱动电路，通过电极引出线连接支撑梁，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SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于:所述支撑梁有两根，交叉为十字形，中部与可动平板相连，支撑梁位于可动平板下方。
3.如权利要求1所述的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于:构成所述支撑梁的材料有双层，上层为多晶硅，下层形状记忆合金SMA的材料为TiNi合金，固定光栅、可动平板材料为铝；绝缘层的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1至3中任一项所述的的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器，其特征在于:固定光栅表面和可动平板之间的间距可变，在连接可动平板的弹性支撑梁不通过电流时，间距为η λ /2 ;而通过电流时，间距为(2η-1) λ /4。
5.如权利要求1至4中任一项所述的SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列，其特征在于:所述SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器组成的光栅光调制器阵列由至少2个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器并列而成，其中每一个SMA驱动的双稳态反射镜平动式光栅光调制器均可在电流驱动装置控制下独立动作。
【文档编号】G02B26/08GK103955056SQ201410116373
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】张智海, 路远, 张文凯, 高玲肖 申请人:重庆大学