【具体实施方式】
[0023]下面结合附图来具体说明本发明。
[0024]参见图1，集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅包括光栅面1、电磁驱动线圈2、电磁传感线圈3、扭转梁4以及支撑框架5。光栅面1、电磁驱动线圈2、电磁传感线圈3、扭转梁4以及支撑框架5均制作在同一片硅结构层6上，并以硅结构层6作为其共同的底层。光栅面1位于娃结构层的正面，电磁驱动线圈2及电磁传感线圈3位于娃结构层的背面。光栅面1、电磁驱动线圈2及电磁传感线圈3由扭转梁4支撑在支撑框架5的内部。
[0025]本发明使用的硅片为普通的单晶(111)硅棒，以〈110〉方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度(此角度就等于光栅的闪耀角，可根据需要进行设计)切割
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[0026]如图1 (a)和图2所不，光栅面1包括娃结构层6和镀在娃结构层6上的反射膜层11。光栅工作面槽型为非对称锯齿形。该槽型采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，不带有二氧化硅掩蔽层的硅表面将在Κ0Η (或TMAH)溶液中向下腐蚀，并在两个(111)晶面相交处自停止，这样就得到了非对称锯齿形的闪耀光栅。光栅常数和闪耀角度α可以根据要求自行设计，具体要根据光栅的光谱工作范围、分辨率、MEMS的加工条件等来确定。在本实施例中设计为d=4 μ m, α =8 °。
[0027]电磁驱动线圈2和电磁传感线圈3的结构如图1 (b)和图3所示。电磁驱动线圈2采用单圈线圈结构(图中最外一层的线圈就是驱动线圈2)，包括采用溅射工艺制作的Tiff/Au种子层15和电镀工艺制作的Au层16。电磁驱动线圈2通过电磁驱动线圈焊盘7、8与外接电路相连。
[0028]电磁传感线圈3被包围在电磁驱动线圈2内，采用矩形渐开线结构设计，由表层线圈和埋层引线组成(在图1 (b)中埋层引线用虚线表示)。其中表层线圈包括溅射工艺制作的TiW/Au种子层15和电镀工艺制作的Au层16 ;埋层引线为使用离子注入和扩散工艺制作的硼层14。表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连接。电磁传感线圈3通过电磁传感线圈焊盘9、10进行输出和测量。电磁传感线圈焊盘9、10以及电磁驱动线圈焊盘7、8均设置在支撑框架5上。
[0029]为了保证绝缘效果，防止产生串扰，在硅结构层6和以上的线圈层(即Tiff/Au种子层15)之间使用氧化硅12和氮化硅13作为绝缘层。
[0030]本发明在使用中，正弦交流信号通过电磁驱动线圈焊盘7、8施加到电磁驱动线圈2上，通电电磁驱动线圈在外加恒稳磁场的作用下驱动光栅面1发生偏转。由于光栅面1发生偏转，经过分光后的衍射光也跟着偏转，各单色光将依次进入光电探测器，从而实现光谱信号的单管探测。在光栅面发生偏转的同时，其背面的电磁传感线圈3作切割稳恒磁场运动产生感生电动势，感生电动势与可动光栅的角速度成正比，外部电路可以通过连接电磁传感线圈焊盘9、10测量得到感生电动势的变化，进而通过信号处理得到光栅面1的偏转角度信息，为扫描光栅偏转角度的精确控制和光谱信号的准确采集提供信号。
[0031]本发明具有较大的通用性，通过改变光栅的光栅常数和闪耀角度α，可以改变光栅的工作光谱范围和闪耀波长；通过改变光栅面1和扭转梁4的结构尺寸，可以改变扫描光栅的最大偏转角度和谐振频率。
【主权项】
1.集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:所述扫描光栅包括光栅面(1)、电磁驱动线圈(2)、电磁传感线圈(3)、扭转梁(4)以及支撑框架(5);所述光栅面(1)、电磁驱动线圈(2 )、电磁传感线圈(3 )均制作在同一偏晶向(111)硅片上，并以硅结构层(6)作为其共同的底层，光栅面(1)位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)位于硅结构层的背面；光栅面(1)、电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)由扭转梁(4)支撑在支撑框架(5)的内部； 所述光栅面(1)具有制作在硅结构层(6 )上的反射膜层(11)，光栅槽型为非对称锯齿形，光栅为反射型闪耀光栅； 所述电磁驱动线圈(2)采用单圈线圈结构，以娃结构层(6)作为底层，由TiW/Au种子层(15)和Au层(16)构成，电磁驱动线圈(2)的输入输出端通过电磁驱动线圈焊盘(7、8)与外部电路相连； 所述电磁传感线圈(3)位于电磁驱动线圈(2)内，采用矩形渐开线结构设计，由表层线圈和埋层引线组成，其中表层线圈也包括TiW/Au种子层(15)和Au层(16);埋层引线为硼层(14)，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(3)的输入输出端通过电磁传感线圈焊盘(9，10)进行输出和测量； 所述电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)需在外加恒稳磁场下工作。2.根据权利要求1所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:所述偏晶向(111)硅片为普通的单晶(111)硅棒，以(110)方向为轴，相对于标准(111)面偏向(110)面一个角度切割而成，此角度等于光栅的闪耀角。3.根据权利要求2所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:所述光栅面采用湿法刻蚀偏晶向(111)硅片制作而成，反射膜层(11)采用电子束蒸发工艺制作而成，光栅常数和闪耀角度α根据要求自行设计。4.根据权利要求1、2或3所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:所述表层线圈采用溅射工艺和电镀工艺制作而成；埋层引线使用离子注入和扩散工艺制作而成。5.根据权利要求1、2或3所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:在硅结构层(6)和电磁驱动线圈(2)及电磁传感线圈(3)之间设置有电绝缘层。6.根据权利要求1、2或3所述的集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅，其特征在于:所述电磁传感线圈(3 )位于电磁驱动线圈(2 )内，被电磁驱动线圈(2 )包围。
【专利摘要】本发明提出一种集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅。它由光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁和支撑框架组成。所述光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁和支撑框架均制作在同一片偏晶向的（111）硅基底上。光栅面、电磁驱动线圈及电磁传感线圈由一对扭转梁支撑在支撑框架的内部。本发明的光栅为非对称锯齿形的闪耀光栅，大大提高了扫描光栅的衍射效率。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。本发明同时集成了电磁式角度传感器，可以实现光栅扫描角度的实时测量。本发明成果可广泛应用于微型近红外光谱仪系统。
【IPC分类】G02B26/10, G02B5/18
【公开号】CN105242396
【申请号】CN201510805579
【发明人】温志渝, 聂秋玉, 黄俭
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月20日