集成角度传感器的高衍射效率mems扫描光栅的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及MEMS扫描光栅，属于光谱分析技术和MEMS技术领域。
【背景技术】
[0002]基于MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System)技术的微型光谱仪具有体积小、重量轻、功耗低、探测速度快、性能稳定、可集成化、可批量化制造，以及成本相对低廉等优点，具有巨大的应用市场与开发潜力。
[0003]基于MEMS技术的扫描光栅是微型近红外光谱仪的核心元器件。当光谱仪处于工作状态时，扫描光栅的镜面以一定角度转动，在镜面的转动过程中，不同波长的光依次以某一特定角度入射到聚焦凹面反射镜上、经聚焦凹面反射镜聚焦成像后通过狭缝照射到单管探测器上，从而实现对光谱的连续探测。由于基于MEMS扫描光栅的微型近红外光谱仪避免了采用昂贵的近红外阵列探测器，从而大大降低了光谱仪的价格成本，必然会成为国内外微型近红外光谱仪的研发方向与主流趋势。
[0004]目前国内外报道的MEMS扫描光栅大多为矩形槽光栅，衍射效率很低；与矩形槽光栅相比，对称V形槽光栅具有更高的衍射效率。德国IPMS (Fraunhofer Institute forPhotonic Microsystems)实验室制作了基于(100)娃片的V形槽扫描光栅，在娃片湿法刻蚀之后，只能形成对称的角度为54.74°的V形槽，这种光栅的闪耀角是固定的54.74°，不能根据不同的闪耀波长调节闪耀角度，导致光栅的衍射效率降低。
[0005]在光谱仪系统中，需要对扫描光栅的偏转角度进行精确测量，以便为扫描光栅高精度闭环反馈控制和光谱信息采集提供同步信号。目前一般采用的方法是将激光投射到光栅表面，经反射到接收屏上成像的方法得到扫描光栅的偏转角度。这种方法需要外加激光器、探测器等多个器件，无疑增加了近红外光谱仪的体积和复杂程度。
[0006]目前MEMS扫描光栅的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动和热驱动四种方式。静电驱动的驱动结构简单，但是非线性力学效应较明显，存在吸合现象，驱动电压较高；压电驱动可以产生较大的驱动力且功耗较低，缺点是温漂大，压电薄膜制作工艺较难；热驱动方式功耗高，环境温度影响大，响应速度慢；电磁式驱动装置可产生的驱动力大，线性度较好，并且可以单片集成电磁角度传感器，不足之处是需要外加磁场。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有MEMS扫描光栅的局限性，提出一种基于MEMS工艺的高衍射效率、集成电磁角度传感器、电磁驱动的扫描光栅新结构。它采用偏晶向(111)硅片，闪耀角可以通过(111)硅片的切偏角来实现；并且它单片集成了电磁角度传感器，可以实现光栅偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统的便携性。
[0008]本发明通过以下技术方案来加以实现:
基于MEMS技术的扫描光栅由光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁以及支撑框架组成。光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈均制作在同一片偏晶向(111)硅片上，以硅结构层作为其共同的底层。光栅面位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈及电磁传感线圈位于硅结构层的背面。光栅面、电磁驱动线圈及电磁传感线圈由支撑扭转梁支撑在支撑框架的内部。所述电磁驱动线圈及电磁传感线圈需在外加恒稳磁场下工作，扫描光栅的两侧固定有永磁体，产生沿X轴方向的永恒磁场。
[0009]光栅面的光栅为非对称锯齿形的闪耀光栅，该光栅槽型采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片完成。光栅常数和闪耀角度可以根据光谱范围和闪耀波长设计。光栅的闪耀角度即为(111)硅片在切割时，相对于标准(111)面偏向(110)面切割的角度。光栅表面镀层采用电子束蒸发工艺制作。
[0010]电磁驱动线圈采用单圈线圈结构，其以硅结构层作底层，包括采用溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层。磁驱动线圈的输入输出端通过电磁驱动线圈焊盘与外部电路相连。
[0011]电磁传感线圈采用矩形渐开线结构设计，也是以硅结构层作底层，由表层线圈和埋层引线组成。其中表层线圈包括溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层；埋层引线为使用离子注入和扩散工艺制作的硼层。表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连通，电磁传感线圈的输入输出端通过电磁传感线圈焊盘进行输出和测量。
[0012]当电磁驱动线圈中平行于扭转梁的线圈部分通有沿±/方向(平行于扭转梁)的驱动电流时，电磁驱动线圈与外加沿方向(垂直于扭转梁)的稳恒磁场相互作用产生了
方向的洛仑兹力，从而使光栅面绕扭转梁偏转。若施加的驱动信号与光栅面的谐振频率一致时，光栅面将产生绕扭转梁偏转的谐振运动，此时达到最大扫描角度。
[0013]光栅面将入射到光栅平面的复合光衍射为单色光。当光栅面转动时，不同波长的光将依次照射到单管探测器上，从而实现对光谱的连续探测。
[0014]光栅面绕扭转梁转动时，其背面的电磁传感线圈作切割稳丨旦磁场运动产生感生电动势，而感生电动势与光栅面的角速度成正比，因此可以获得与光栅面扫描角度相关的信号。
[0015]本发明的器件整体结构简单，和现有扫描光栅相比，本发明具有以下优点:
1.本发明的光栅闪耀角是加工偏晶向(111)硅片时的切偏角，实现起来很容易。可以形成非对称锯齿形的闪耀光栅，而不是目前扫描光栅中常用的矩形光栅和对称V形光栅，因此大大提高了扫描光栅的衍射效率。
[0016]2.本发明的光栅采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，光栅的凹槽由单晶体内部的两个(111)面相交构成，保证了光栅的工作表面平整光滑。
[0017]3.本发明光栅的闪耀角度实现非常容易，即制作(111)硅片时，以〈110〉方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度切割，此角度就等于光栅的闪耀角。
[0018]4.本发明采用偏晶向(111)硅片作为基底材料，成本与普通单晶硅片相当，与其他采用SOI硅片制造的扫描光栅相比，大大降低了硅片成本。
[0019]5.在扫描光栅的背面集成了电磁角度传感器，实时主动监测扫描光栅的偏转角度，为扫描光栅高精度闭环反馈控制和光谱信息采集提供了同步信号，因而将大大提高基于扫描光栅的微型光谱仪的精度和稳定性。
[0020]6.本发明采用电磁驱动方式对MEMS扫描光栅进行驱动，可在较低的工作电压下实现光栅的大角度扫描。[0021 ] 本发明成果可广泛应用于微型近红外光谱仪系统。
【附图说明】
[0022]图1 (a)为本发明的MEMS扫描光栅的正面即光栅面的结构示意图；
图1 (b)为本发明的MEMS扫描光栅的背面即具有电磁驱动线圈和电磁传感线圈的一面的结构示意图；
图2为图1 (a)沿A-A向剖面的示意图；
图3为线圈的截面图即图1 (b)沿B-B向剖面的示意图。