一种电磁驱动式微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法
【专利说明】一种电磁驱动式微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法
[0001]所属领域
[0002]本发明属于智能光功能器件领域，主要涉及印刷电路板技术、微加工技术、干涉滤波技术以及电磁驱动技术等。
现有技术
[0003]珐珀滤波器是多光束干涉原理的一个重要应用实例，于1897年由法国物理学家C.Fabry和A.Perot提出。基本结构为两块平行放置的玻璃板，中间形成一个腔体，在两块玻璃板靠近腔体的一侧分别镀有部分反射金属膜。驱动镜面移动调整腔长，并且当入射光波的波长为腔长的整数倍时，光波可形成稳定振荡，产生多光束干涉，输出等间隔梳状波形，调节腔体长度即可只输出所需波段的光波。利用新兴的微机电系统(MEMS)技术可以实现珐珀滤波器的微型化与集成化，具有良好的应用前景。早在1997年，J.Peerlings等人就报道了一种基于MEMS技术的热驱动GaAs-AlAs珐珀滤波器(IEEEPhoton.Technol.Lett, vol.9，pp.1235-1237，1997)，其实现方式是通过热电阻加热驱动梁产生热膨胀进而改变腔体长度，停止加热后热膨胀消失，腔体长度即恢复到原来大小，然而热驱动需要较长的加热过程，导致结构响应缓慢，同时功耗也较大。2003年，D.B.Mott等人报道了一种基于MEMS技术制作并采用静电力驱动可动镜面的珐珀滤波器(Proc.SPIE, vol.4841，pp.578-585，2003)，其实现方式是通过两反射镜电极之间的电场产生静电力来驱动可动镜面移动，通过弹性支撑梁使镜面复位；为了增加镜面可动范围和器件的使用寿命，电极设计和弹性梁材料的选择至关重要；同时为了得到强电场，施加的高电压将击穿空气造成器件损坏；再者，静电驱动存在“下拉”问题，可动镜面的调制范围仅约谐振腔长度的1/3。2004年，韩国的H.K.Lee等人报道了一种基于硅微加工技术的电磁驱动式微机械可调谐珐珀滤波器(IEEE Photon.Technol.Lett, vol.16，pp.2087-2089, 2004)。金既作为支撑梁结构材料同时又作为线圈，载流线圈在磁场中受到洛伦兹力，从而实现可动镜面平移。然而，该器件制作工艺复杂，较厚的金膜以及多层布拉格反射镜将产生大的应力，影响镜面平整度与两镜面之间的平行度，最终影响器件性能。
[0004]2007年，土耳其K0C大学的H.Urey研究小组提出了一种基于FR4材料制作电磁驱动式微机械器件的方法(Optical MEMS and Nanophotonics, IEEE, pp.25-26, Hualien, 2007) 0 FR4材料是目前印刷电路板行业最常用的基板材料之一。相比硅微机械器件，印刷电路板制作工艺成熟，价格低、加工周期短、设计和制造的灵活性大。2008年，该研究小组报道了基于FR4的电磁驱动式微机械扫描镜(IEEE Photon.Technol.Lett, vol.16，pp.2087-2089, 2008)。把FR4基板切割成特定形状，形成镜面工作平台、扭转梁，平台的正反两面均制作有线圈。载流线圈在磁场中受到洛伦兹力的作用，从而驱动工作平台扭转。这种驱动方式具有良好的线性，驱动力大。然而，该器件只有一组线圈，工作平台的姿态无法进行微调，导致扫描角度不能精确定位。受H.Urey等人基于FR4的电磁驱动式微机械扫描镜的启发，本发明提出了一种基于印刷电路板的电磁驱动式微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法。
【发明内容】
[0005]发明目的
[0006]为了克服热驱动的响应时间长、功耗大，静电驱动的非线性响应、易击穿、驱动位移有限，硅微电磁驱动制作工艺复杂、驱动位移有限、加工成本高，基于FR4材料的电磁驱动可动镜面姿态无法精确控制等技术缺陷，本发明提出了一种基于印刷电路板的电磁驱动式微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法，旨在实现精确调整可动镜面的姿态、提高器件的线性度响应、增加驱动力、增加光学谐振腔的可调谐范围、降低加工难度和成本、缩短加工周期。
[0007]技术方案
[0008]参阅图1，本发明提出的基于印刷电路板的电磁驱动式可调谐珐珀滤波器，主要包括可动镜面支撑4、固定镜面支撑2、第一反射镜8、第二反射镜14、永磁体16和线圈6，所述部件均容纳于箱体1和盖板5形成的空腔内；
[0009]所述可动镜面支撑4和固定镜面支撑2分别以与盖板5平行的角度置于箱体1内，两者之间通过第一间隔层3间隔，可动镜面支撑4与永磁体16之间则通过第二间隔层17间隔；所述可动镜面支撑4包含一个中间镜面和一个外周框架，所述中间镜面通过直梁、蟹臂梁或折叠梁等不同结构形式的支撑梁13悬置于外周框架内部；第一反射镜8制作在第一薄膜支撑7上，且通过第一薄膜支撑7置于可动镜面支撑4的中间镜面上，第二反射镜14制作在第二薄膜支撑15上，且通过第二薄膜支撑15置于固定镜面支撑2上；第一反射镜8和第二反射镜14为内侧相对布置；盖板5、可动镜面支撑4、固定镜面支撑2及箱体1的底部，在与第一反射镜8和第二反射镜14对应的位置上，分别开有盖板通光孔9、可动镜面支撑通光孔10、固定镜面支撑通光孔11和箱体通光孔12 ;
[0010]所述盖板5内侧有环状且具有相应通光孔的永磁体16 ;可动镜面支撑4上有用标准PCB生产工艺制作的线圈6 ;所述线圈6由多个周向布置的子线圈组成；
[0011]所述的可动镜面支撑4和固定镜面支撑2是珐珀滤波器的主要工作机构，可用FR4、P1、PET等材料制作，它们通过粘接工艺或者螺钉连接，与箱体1固连。
[0012]所述的第一薄膜支撑7和第二薄膜支撑15根据工作波段要求选择合适的基底材料，如红外波段可选择硅，可见光波段可选择玻璃。
[0013]所述的第一反射镜8和第二反射镜14为半透半反膜，可以为金属反射镜、布拉格反射镜等，构成珐珀腔，光束可以在反射镜间形成多光束干涉。
[0014]所述的盖板通光孔9、可动镜面支撑通光孔10、固定镜面支撑通光孔11和箱体通光孔12的形状根据使用要求可以为正方形或者圆形。
[0015]参阅图5，所述的永磁体的形状可以为带通光孔的圆形、方形。
[0016]参阅图2，本发明提出的基于印刷电路板的电磁驱动式可调谐珐珀滤波器，其基本工作原理如下:永磁体16的磁力线方向由上向下。参阅图2(a)，向子线圈中分别通入等量的直流电，载流线圈6等效为磁体，与永磁体16相互吸引，使得珐珀腔间隙增大，滤波范围改变，同时与第一反射镜8相连的支撑梁13给镜面一个向下的力，当二力平衡时镜面停止运动。参阅图2(b)，向线圈6中通入反向电流，载流线圈6等效为磁力线方向相反的磁体，与永磁体16相互排斥，使得珐珀腔间隙减小，滤波范围改变，同时与第一反射镜8相连的悬臂梁给镜面一个向上的力，当二力平衡时镜面停止运动。若由于加工及装配误差，导致工作时可动镜面与固定镜面不平行，通过调节相应的子线圈中的电流大小和方向，对可动镜面的姿态进行微调，使可动镜面与固定镜面平行。
[0017]单独的可动镜面可以作为扫描镜，通过调节相应的子线圈中的电流大小，对可动镜面的姿态进行微调，精确控制扫描角度。
[0018]参阅图6，本发明提出的基于印刷电路板的电磁驱动式可调谐珐珀滤波器的制作工艺包括如下基本步骤:
[0019]步骤1:参阅图6(a)，首先用标准PCB生产工艺在基板上制作线圈6，之后在基板上加工出悬臂梁13、通光孔10，得到可动镜面支撑4。
[0020]步骤2:参阅图6(b)，在第一薄膜支撑7上沉积一层金属薄膜或者多层介质薄膜，形成第一反射镜8 ；
[0021 ] 步骤3:参阅图6 (c)，把第一薄膜支撑7用粘接工艺固定到可动镜面支撑4的相应部位；
[0022]步骤4:参阅图6 (d)，在第二薄膜支撑15上沉积一层金属薄膜或者多层介质薄膜，形成第二反射镜14 ；
[0023]步骤5:参阅图6(e)，在基板上制出通光孔11，得到固定镜面支撑2 ;
[0024]步骤6:参阅图6(f)，把第二薄膜支撑15用粘接工艺固定到固定镜面支撑2的相应部位；
[0025]步骤7:参阅图6(g)，在金属或者工程塑料上加工通光孔12等结构，成为箱体1 ;
[0026]步骤8:参阅图6 (h)，在金属或者工程塑料上加工通光孔9等结构，成为盖板5 ;<