专利名称：基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光学仪器技术领域的光栅及其制备方法，具体的说，涉 及的是一种基于形状记忆合金(SMA)弹簧驱动可调距硅光栅及其制备方法。
背景技术：
光栅是光学仪器中不可或缺的基本装置，它是基于不同波长光的衍射可以将 入射光分解成很多成分或直接过滤掉。
光栅的机械刻划技术由夫琅和费于1814年发明，使用的是一种叫做镜铜的 高度抛光的金属；20世纪30年代Strong又发明了真空镀膜技术。在此之后， 大多数光栅都是利用在玻璃衬底上沉积铝或金膜然后再刻划而成的。D. Rudolph 和G. Schmahl在1967年提出了全息法制作光栅。1975年沐.Tang和S. W. ang首 次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅。光栅是结合数码科技与传统印刷的 技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世 界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。光栅也称衍射光栅，是利用 多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等 宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大， 一般每毫米几 十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很 宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而 异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通 过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。
经对现有技术文献的检索发现，鞠挥，吴一辉，王立鼎在《微纳电子技术》 2002年第二期的第29-33页发表的题为"硅光栅的制作与应用"提到了基于MEMS 技术加工的硅光栅。这种硅光栅是由梳状静电驱动器驱动硅光栅的，虽然该光栅 可以根据光的波长对入射光进行分解或者滤波，但是不足之处在于驱动器会改变 光栅的形貌进而影响光栅的衍射效率和效果
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于形状记忆合金弹簧驱 动的硅光栅及其制备方法，由形状记忆合金弹簧根据温度的变化对光栅进行驱动 的，从而既能实现可调焦距的光栅功能又能很好的抑制因驱动影响光栅的衍射效 率。而该形状记忆合金弹簧可以由外围电路的接通对弹簧进行加热，从而使得弹 簧收縮或者延伸，进而驱动整个光栅的焦距的变化。
本发明是通过以下技术方案实现的-
本发明所涉及的基于形状记忆合金弹簧驱动的硅光栅由平行光栅和形状记 忆合金弹簧构成，连接在光栅两边的是形状记忆合金弹簧，整个平行光栅下端固 定有基座，整个平行光栅最上端设有平移手柄。该形状记忆合金弹簧是一个锯齿 形状的弹簧，它最上端通过键合技术固定在平移手柄上，最下端通过键合技术固 定在光栅的基座上。
所述形状记忆合金弹簧厚度为29um，长度为2. 6mm。该弹簧不是通常的螺旋 状的弹簧，而是一个一个类似锯齿形状的弹簧连接而成的锯齿形状的弹簧，每一 个弹簧都连接平行光栅中两个上下相邻的光栅，即连接下光栅的上端和上光栅的 下端。
所述平行光栅是基于形状记忆合金弹簧驱动的，相邻光栅之间的狭缝距离为 40um，整个硅光栅结构的尺寸为10mm*6mm，整个平行光栅部分为4. 8mm*8mm，其 中平行光栅每一块光栅，其尺寸为120um*4. 8mm。
本发明所涉及的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备方法，包括 光栅的制备方法以及形状记忆合金弹簧的制备方法两个部分，最后再把光栅与弹 簧连接起来形成可调距光栅，其中
所述光栅的制备方法是由如下步骤制作完成
第一步氧化单晶硅；
第二步在氧化好的硅基片上旋涂光刻胶； 第三步对旋涂后的光刻胶进行曝光； 第四步曝光后将器件放入显影液中； 第五步刻蚀二氧化硅；
第六步感应耦合等离子——反应离子刻蚀。
所述第一步，具体为选取n型单晶硅为基片，将其进行双面氧化。 所述第二步，具体为将光刻胶滴于基片上，使用台式甩胶机匀胶，然后在电热板上进行前烘，冷却至室温。
所述匀胶是指以500rpm/min匀胶4s，再以3000rpm/min匀胶，使最终光刻 胶达到设定的厚度。
所述第三步，具体为根据设计的光栅结构，设计光刻掩膜板。将设计好的 掩膜板置于UV(紫外)光源与光刻胶之间，将掩膜板的图案与旋涂好光刻胶的硅 基片进行校准，曝光。
所述第四步，具体为曝光后，对硅基片进行冲洗、风干或甩干，然后放在 电热板上进行后烘，冷却至室温，然后显影。
所述第五步，具体为将第四步完成好的器件放入HF (氢氟酸)溶液中去
除作为掩膜的二氧化硅。
所述第六步，具体为用ICP-DRIE (感应耦合等离子体深反应刻蚀)对整 个器件进行刻蚀，刻蚀气体为S&，保护气体为C4Fs。
所述形状记忆合金弹簧的制备方法，该弹簧是由THB-138N光刻胶(日本住友 化学有限公司的产品)的模具铸造出来的，可用于与硅光栅连接，形成可调光栅。
具体步骤如下
第一步在硅基片旋涂一层THB-138N负胶(日本住友化学有限公司的产品) 作为铸造形状记忆合金弹簧的模具，将旋涂好的光刻胶模具进行前烘，然后制作 具有弹簧形状的掩模版，将掩膜板置于紫外光源与模具之间进行曝光，曝光后将 整个模具放入THB-D1显影液(日本住友化学有限公司的产品)中，这样铸造形 状记忆合金弹簧的模具就生成了。通常使用的光刻胶是SU-8胶，但是这种光刻 胶价格相对比较贵，又因为做弹簧模具需要大量的，所以本发明选择廉价 THB-138N负胶做模具。
第二步从显影液中把模具取出来，再进行后烘，坚固光刻胶模具，最后就 是将熔融的形状记忆合金Ni-Ti倒入THB-138N光刻胶的模具中，经冷却至室温；
第三步将第二步得到的整个器件连同模具放入THB-S1剥离液(日本住友 化学有限公司的产品)中，围绕在弹簧四周的THB-138N光刻胶的模具将被溶解， 最终剩下所需形状记忆合金弹簧。该形状记忆合金弹簧的厚度为29um，长度为 2.6mm。在高温相位该弹簧将收縮，在低温相位将延伸。
本发明基于形状记忆合金弹簧驱动的光栅与一般基于梳状静电驱动的光栅 相比较具有更稳定的优点。因为基于梳状静电驱动实际上就是依据两极板之间的静电引力作用从而控制光栅的运动，但是当光栅调整好焦距时，由于电荷的运动 将导致两极板之间的静电引力不平衡，这样会导致整个结构的不均匀，进而破坏 已调整好的焦距，这将大大降低衍射效率和衍射效果。
本发明的硅光栅，通过对外围电路的控制，对弹簧进行通电，当形状记忆合 金弹簧通电后，流过弹簧的电流将转化为热能，从而使得弹簧被加热。当温度达 到80(TC时弹簧将处于收縮状态，此时弹簧沿着垂直方向的负向运动，从而使得 硅栅的焦距变小；当温度达到50(TC时弹簧将处于拉伸状态，此时弹簧沿着垂直
方向的正向运动，从而使得硅栅的焦距变大。由于加热时是对光栅两边的弹簧同 时加热的，所以热量的分布是相当的均匀，这样就保证了弹簧压縮-拉伸线性度 很高，从而使得光栅移动时光栅的底部始终与水平方向平行。这样得到的衍射效 果会很均匀，效率也会很高，同样不会对整个器件造成影响。
图1为本发明的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距光栅的示意其中1、 2、 3为可调距光栅，5、 6、 7为形状记忆合金弹簧，8为基座，4 为平移手柄。
图2为本发明实施例中可调距光栅的制作工艺其中9为二氧化硅，10为n型硅衬底，ll为光刻胶(0FPR-800， 450cp); 步骤a为双面氧化硅衬底，步骤b为旋涂光刻胶，步骤c为图形化光刻胶，步骤 d为湿法刻蚀二氧化硅，步骤e为ICP-DRIE(感应耦合等离子体深反应离子刻蚀) 刻蚀硅衬底。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅由平 行光栅和形状记忆合金弹簧构成，连接在光栅两边的是形状记忆合金弹簧，整个 平行光栅下端固定有基座，整个平行光栅最上端设有平移手柄。形状记忆合金弹 簧连接在平行光栅中每个光栅两边，形状记忆合金弹簧是锯齿形状的弹簧，它最 上端通过键合技术固定在平移手柄上，最下端通过键合技术固定在光栅的基座上。
本实施例中，平行光栅包括互相平行的三个光栅l、 2、 3构成，相应的，形 状记忆合金弹簧即锯齿形状弹簧，也有三个，锯齿形状弹簧5通过键合技术一端 固定在基座8上，另外一端固定在光栅2的下端，中间的光栅2由锯齿形状弹簧 6依次连接，最后一个锯齿形状弹簧7连接最上面的光栅3以及平移手柄4。
所述形状记忆合金弹簧5、 6、 7的厚度为29um，最大伸长度为15mm。该弹 簧是一个一个锯齿形状弹簧拼凑起来的。每一个锯齿形状弹簧连接两个光栅，分 别为下光栅的上端和上光栅的下端，这样就组成了类似弹簧形状的驱动器。
所述平行光栅是基于形状记忆合金弹簧驱动的，两个相邻光栅之间的狭缝距 离为40um，整个硅光栅的结构尺寸为10mn^6腿，整个平行光栅部分为4. 8mm*8mm， 其中如图l所示，平行光栅中的每一块光栅l、 2、 3,其尺寸为120um*4.8mm。
实施例2
本实施例涉及的的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备方法，包 括光栅的制备以及形状记忆合金弹簧的制备，再把光栅与弹簧连接起来形成可调 距光栅。
如图2所示，其中9为二氧化硅，10为n型硅衬底，11为光刻胶(0FPR-800, 450cp);步骤a为双面氧化硅衬底，步骤b为旋涂光刻胶，步骤c为图形化光刻 胶，步骤d为湿法刻蚀二氧化硅，步骤e为ICP-DRIE(感应耦合等离子体深反应 离子刻蚀)刻蚀硅衬底。所述光栅部分是由如下步骤制作完成
第一步，选取n型单晶硅为基片，其电阻率为5-8Qcm，厚度为200um。将 其放入氧化炉中进行双面氧化30min，温度设定在IIO(TC 。
第二步，选择高黏性的光刻胶(0FPR-800， 450cp)(日本住友化学有限公司) 滴于基片上，用台式甩胶机先低速匀胶(500rpm/min)4s，再高速(3000rpm/min) 匀胶，使得最终光刻胶的厚度达到2.5um。然后在电热板上以ll(TC加热大约 12min，进行前烘冷却至室温。
第三步，根据设计的光栅结构，用激光照排机在照相机底片上制得光刻掩膜 板。将设计好的掩膜板置于UV(紫外)光源与光刻胶之间，将掩膜板的图案与旋 涂好光刻胶的硅基片进行校准，调节光刻机的光能量为7Mw/em2。
第四步，曝光后，对硅基片进行冲洗、风干或甩干，然后放在电热板上以12(TC继续加热大约10min(后烘)，冷却至室温，在丽D-3溶液(日本住友化学 有限公司产品)中显影3min。
第五步，将第四步完成好的器件放入HF (氢氟酸)溶液(HF的浓度是47呢， 刚03的浓度是35%，水的浓度是18%)中去除作为掩膜的二氧化硅，此时底面的 二氧化硅被去除了，同时未受到光刻胶保护的二氧化硅也被去除了。
第六步，用ICP-DRIE对整个器件进行刻蚀。设备采用日本SAMC0公司 RIE-800iPB，刻蚀气体为SFfi ，保护气体为C4 ，刻蚀速率为8um/min，耗时25min。
所述形状记忆合金弹簧部分，该弹簧是由THB-138N光刻胶的模具铸造出来 的，可用于与硅光栅连接，形成可调光栅。如图2所示的1为形状记忆合金弹簧 的形状，其制备步骤为
在硅基片旋涂一层厚厚的THB-138N (日本住友化学有限公司产品)负胶作 为铸造形状记忆合金弹簧的模具，将旋涂好的光刻胶模具放入温度为90'C的炉 中进行前烘5分钟。然后制作具有弹簧形状的掩模版，将掩膜板置于UV (紫外) 光源与模具之间进行曝光。曝光后将整个模具放入THB-Dl显影液(日本住友化 学有限公司产品)中，这样铸造形状记忆合金弹簧的模具就生成了。
从显影液中把模具取出来，再进行温度为150'C的后烘，目的是为了坚固光 刻胶模具。最后就是将熔融的形状记忆合金Ni-Ti (其中50.5%Ni， 49. l%Ti， 0.4%Fe)倒入THB-138N光刻胶的模具中，经冷却至室温。
然后将整个器件连同模具放入专用THB-S1 (日本住友化学有限公司产品) 剥离液中，围绕在弹簧四周的THB-138N光刻胶的模具将被溶解，最终剩下所需 形状记忆合金弹簧。最后再把光栅与弹簧连接起来形成可调距光栅结构。
本实施例的硅光栅的可动部分的高度是5mm，正常的焦距是40mn。对弹簧进 行加热，此时弹簧放置在低真空腔室中以防止弹簧被氧化。通过对外围电路的控 制，对弹簧进行通电，当形状记忆合金弹簧通电后，流过弹簧的电流将转化为热 能，从而使得弹簧被加热。当温度达到80(TC时弹簧将处于收缩状态，此时弹簧 沿着如图1的X轴的负向运动，从而使得硅栅的焦距变小；当温度达到50(TC时 弹簧将处于拉伸状态，此时弹簧沿着如图1的X轴的正向运动，从而使得硅栅的 焦距变大。由于加热时是对光栅两边的弹簧同时加热的，所以热量的分布是相当 的均匀，这样就保证了弹簧压縮-拉伸线性度很高，从而使得光栅移动时光栅的 底部始终与Y轴平行。这样得到的衍射效果会很均匀，效率也会很高，同样不会对整个器件造成影响。当形状记忆合金弹簧驱动器通过的电流是0.35A时，此时 的光栅将会被拉伸10%,即20um，在此过程中光栅的水平偏移角度仅仅为 0. 32mrad。
权利要求
1、一种基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅，其特征在于由平行光栅和形状记忆合金弹簧构成，所述形状记忆合金弹簧连接在平行光栅中每个光栅两边，整个平行光栅下端固定有基座，整个平行光栅最上端设有平移手柄，所述形状记忆合金弹簧是一个锯齿形状的弹簧，它最上端固定在平移手柄上，最下端固定在光栅的基座上。
2、 根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅，其特 征是，所述形状记忆合金弹簧是一个一个齿形状的弹簧连接而成的锯齿形状的弹 簧，每一个弹簧都连接平行光栅中两个上下相邻的光栅，即连接下光栅的上端和 上光栅的下端。
3、 根据权利要求1所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅，其特 征是，所述可调距硅光栅，其尺寸为10mffl*6mm，其中形状记忆合金弹簧厚度为 29um，长度为2. 6mm;整个平行光栅部分为4. 8mm*8mm，其中平行光栅中每一块 光栅，其尺寸为120um*4. 8腿，平行光栅中相邻光栅之间的狭缝距离为40um。
4、 一种基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备方法，其特征在于 包括光栅的制备方法以及形状记忆合金弹簧的制备方法，再把光栅与弹簧连接起 来形成可调距光栅，其中所述光栅的制备方法，包括如下步骤 第一步氧化单晶硅；第二步在氧化好的硅基片上旋涂光刻胶； 第三步对旋涂后的光刻胶进行曝光； 第四步曝光后将器件放入显影液中； 第五步刻蚀二氧化硅；第六步感应耦合等离子，采用反应离子刻蚀； 所述形状记忆合金弹簧的制备方法，包括如下步骤第一步在硅基片旋涂一层THB-138N负胶作为铸造形状记忆合金弹簧的模 具，将旋涂好的光刻胶模具进行前烘，然后制作具有弹簧形状的掩模版，将掩膜 板置于紫外光源与模具之间进行曝光，曝光后将整个模具放入THB-Dl显影液中，这样铸造形状记忆合金弹簧的模具就生成了 ；第二步从显影液中把模具取出来，再进行后烘，坚固光刻胶模具，最后就是将熔融的形状记忆合金Ni-Ti倒入THB-138N光刻胶的模具中，经冷却至室温；第三步将第二步得到的整个器件连同模具放入T朋-S1剥离液中，围绕在弹簧四周的THB-138N光刻胶的模具将被溶解，最终剩下所需形状记忆合金弹簧。
5、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备 方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第一步具体为选取n型单晶硅为基 片，将其进行双面氧化。
6、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备 方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第二步具体为将光刻胶滴于基片上， 使用台式甩胶机匀胶，然后在电热板上进行前烘，冷却至室温。
7、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备 方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第三步具体为根据设计的光栅结构，设计光刻掩膜板，将设计好的掩膜板置于紫外光源与光刻胶之间，将掩膜板的图 案与旋涂好光刻胶的硅基片进行校准，曝光。
8、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备 方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第四步具体为曝光后，对硅基片进行冲洗、风干或甩干，然后放在电热板上进行后烘，冷却至室温，然后显影。
9、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第五步具体为将第四步完成好的器件放入氢氟酸溶液中去除作为掩膜的二氧化硅。
10、 根据权利要求4所述的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅的制备方法，其特征是，所述光栅的制备方法中，第六步具体为用感应耦合等离子体 深反应刻蚀对整个器件进行刻蚀，刻蚀气体为SF"6，保护气体为C4&。
全文摘要
本发明涉及一种光学仪器技术领域的基于形状记忆合金弹簧驱动可调距硅光栅及其制备方法，所述可调距硅光栅包括平行光栅、形状记忆合金弹簧，形状记忆合金弹簧连接在平行光栅中每个光栅两边，整个平行光栅下端固定有基座，整个平行光栅最上端设有平移手柄，形状记忆合金弹簧是一个锯齿形状的弹簧，它最上端固定在平移手柄上，最下端固定在光栅的基座上。制备方法包括光栅的制备以及形状记忆合金弹簧的制备，最后再把光栅与弹簧连接起来形成可调距光栅。本发明由形状记忆合金弹簧根据温度的变化对光栅进行驱动的，从而既能实现可调焦距的光栅功能又能很好的抑制因驱动影响光栅的衍射效率。
文档编号G02B26/00GK101546036SQ20091005044
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者健 孙, 冠 张, 李以贵, 陈少军, 阳 高 申请人:上海交通大学