电磁驱动微机械双向调谐珐珀滤波器及其制作方法
【专利说明】 电磁驱动微机械双向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，基本结构是平行放置两块玻璃板，中间形成一个腔体，在腔体两侧的玻璃板表面上镀增反膜。通过驱动镜面的移动调整腔长，当腔长为入射波半波长的整数倍时，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，因此，调节腔长即可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(IEEE Photon.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的热膨胀改变腔体长度，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产生的静电力来驱动可动镜面的移动，利用弹性支撑梁使镜面复位;然而为了增加镜面可动范围和器件的使用寿命，其对电极设计和弹性梁材料的选择较为苛刻；同时为了得到强电场，施加的高电压可能击穿空气造成器件损坏;再者，由于静电驱动存在“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(I E E EPhoton.Technol.Lett，vol.16,pp.2087-2089，2004)，其主要创新点是金既作为支撑梁的结构材料又作为载流线圈，通过载流线圈在磁场中受到的洛伦兹力来驱动可动镜面平移；然而，该器件制作工艺复杂，同时较厚的金膜以及多层布拉格反射镜产生的内应力会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。2013年芬兰国家技术研究中心(VTT)报道了一种压电驱动式微机械可调谐珐珀滤波器(Proc.SPIE ,vol.8870 ,887002，2013)，其实现方式是通过控制压电驱动器上的电压，利用压电陶瓷的逆压电效应产生的形变来改变腔长;然而由于压电驱动对材料选择的苛刻，其自由光谱范围受到限制。
[0004]2007年，土耳其KOC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，卯.25-26 ,Hualien，2007) AR4材料是目前印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)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，该研究小组报道了一种基于FR4的电磁驱动式微机械扫描镜(IEEEPhoton.Technol.Lett ,vol.16,pp.2087-2089，2008)，他们将 FR4 基板切割成具有特定形状的镜面工作平台、扭转梁，同时在平台的正反两面均制作载流线圈，通过载流线圈在磁场中受到洛伦兹力来驱动工作平台扭转。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，同时，磁场由大尺寸的永磁体构建，使得最终器件的体积较大。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PCB的电磁驱动微机械双向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，压电驱动对驱动材料要求苛刻、自由光谱范围有限，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材料的电磁驱动式整体尺寸大、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PCB的电磁驱动微机械双向调谐珐珀滤波器及其制作方法，旨在减少珐珀滤波器的整体尺寸，提高器件的线性度响应，增加光学谐振腔的可调谐范围和精细度，降低加工难度和成本，缩短加工周期。
[0007]技术方案
[0008]本发明提出的基于PCB的电磁驱动双向调谐珐珀滤波器的结构参阅图1，基本工作原理参阅图2。器件主要包括箱体1、盖板7以及容纳于箱体1、盖板7之内的第一可动镜面支撑2、第二可动镜面支撑4、第一反射镜13、第二反射镜11、第一多层线圈16、第二多层线圈6;
[0009]所述第一可动镜面支撑2与第二可动镜面支撑4之间的间距通过第一间隔层3控制，第二可动镜面支撑4与盖板7之间的间距通过第二间隔层5控制；
[0010]所述的第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4均分别包括中间的工作镜面及四周的框架，所述第一可动镜面支撑2的中间工作镜面通过第一支撑梁18与所述四周框架连接，所述第二可动镜面支撑4的中间工作镜面通过第二支撑梁19与所述四周框架连接；[0011 ]所述第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4的中间工作镜面上分别有第一薄膜支撑12和第二薄膜支撑10，第一反射镜13制作在第一薄膜支撑12上，第二反射镜11制作在第二薄膜支撑10上；
[0012]所述第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4的四周框架外周均固定在箱体I上，第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4的四周框架上分别有制作有第一多层线圈16的第一 PCB多层板17和制作有第二多层线圈6的第二 PCB多层板20;所述第一多层线圈16和第二多层线圈6均由并联的多个子多层线圈组成，两者的多个子多层线圈位置精确对应;且所述的第一多层线圈16上多个子多层线圈的电流方向一致，第二多层线圈6上多个子多层线圈的电流方向一致；
[0013]所述盖板7、第二可动镜面支撑4、第一可动镜面支撑2、箱体I上相应位置分别有盖板通光孔8、第二可动镜面支撑通光孔9、第一可动镜面支撑通光孔14、箱体通光孔15。
[0014]进一步的，第一支撑梁18和第二支撑梁19根据需要设计成直梁、蟹臂梁、折叠梁等结构，参阅图4。
[0015]进一步的，所述的第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4的两种可能设计方案参阅图3，它们是珐珀滤波器的主要工作机构，可用FR-4、CEM-3等材料制作，通过粘接工艺或者螺钉连接，与箱体I固连。
[0016]进一步的，所述的第一薄膜支撑12和第二薄膜支撑10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。
[0017]进一步的，所述的第一反射镜13和第二反射镜11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。
[0018]进一步的，所述的盖板通光孔8、第二可动镜面支撑通光孔9、第一可动镜面支撑通光孔14、箱体通光孔15的形状根据使用要求可以为正方形或者圆形。
[0019]基本工作原理参阅图2，第一可动镜面支撑2和第二可动镜面支撑4的两种可能设计方案参阅图3。向第一多层线圈1