电磁驱动微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明属于智能光功能器件领域，主要涉及微机电系统(MEMS)技术、微加工技术以及干涉滤波技术等。
现有技术
[0002]珐珀滤波器是一种基于干涉原理的光学滤波器，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，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体长度，并且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。
[0003]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，展现出良好的应用前景。早在1997年，J.Peerlings等人就报道了一种基于MEMS技术的热驱动长谐振腔可调谐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片复位；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。2007年，E.Vargas-Rodriguez等人报道了一种采用压电方式驱动的微法泊干涉仪的制作方法(AIP Conf.Proc.，vol.992，pp.611-616，2007)，利用锆钛酸铅陶瓷的压电效应驱动可动镜面的移动，但是压电驱动存在时滞性和蠕变性等不足，而消除这些不足需要增加额外的控制电路，从而增加了系统的复杂性与不确定性。2012年，德国的N.Weber等人在关于扫描内窥镜的论文中报道了一种新的驱动方式(J.Microelectromech.Syst.，vol.21，n0.5, pp.1098-1106, 2012)，在扫描镜背面粘贴薄膜永磁片，通过附加磁场作用于永磁片从而对扫描镜产生扭转力矩。但是这种方法涉及薄膜永磁片的制备，其工艺制作复杂且需手动粘贴薄膜永磁片，因此难以确保器件性能的稳定性和一致性。目前并没有采用电磁驱动形式的微机械可调谐珐珀滤波器，受N.Weber等人扫描内窥镜的启发，本发明提出了一种基于磁粉填充的电磁驱动微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法。
【发明内容】
[0004]发明目的
[0005]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，压电驱动的驱动电压大、时滞性和蠕变性，以及手动粘贴薄膜永磁片的低效率、重复性差等技术缺陷，本发明提出了一种基于磁粉填充的电磁驱动微机械可调谐珐珀滤波器及其制作方法，旨在提高器件的线性度响应、增加驱动力、降低功耗、增加光学谐振腔有效工作距离。
[0006]技术方案
[0007]本发明提出的电磁驱动可调谐珐珀滤波器的三维模型参阅图1与图3，分别对应刚性支撑底座与薄膜支撑底座，基本工作原理分别如图2与图4所示。
[0008]参阅图1与图2，本发明提出的第一种形式的基于刚性支撑底座电磁驱动可调谐珐珀滤波器，主要包括可动镜面支撑1、固定镜面支撑5、薄膜永磁片2、第一反射镜3、第二反射镜6、悬臂梁4、线圈基板8、环状通电线圈9。
[0009]所述可动镜面支撑1的中间可动部分通过悬臂梁4悬置于外周固定部分；可动镜面支撑1的外周部分与固定镜面支撑5的外周部分之间通过第一锚点7键合；第一反射镜3和第二反射镜6分别在可动镜面支撑1中间可动部分与固定镜面支撑5内侧相对的相应位置放置，使得第一反射镜3与第二反射镜6之间形成光学谐振珐珀腔；可动镜面支撑1外周部分的另一侧通过第二锚点10与线圈基板8键合；可动镜面支撑1中间可动部分上与线圈基板8相对的一侧有环状的磁粉填充槽12，其内为薄膜永磁片2 ;线圈基板8上与薄膜永磁片2相对一侧布有环状通电线圈9 ;线圈基板8与第一反射镜3、第二反射镜6的位置相对应处开有通光孔11 ；
[0010]所述可动镜面支撑1和固定镜面支撑5可以根据所需透射光谱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；
[0011]所述第一反射镜3、第二反射镜6均为半透半反膜，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。
[0012]参阅图3与图4，本发明还提出了第二种形式的基于薄膜支撑底座电磁驱动可调谐珐珀滤波器，主要包括可动镜面支撑1、固定镜面支撑5、第一薄膜支撑13、第二薄膜支撑14、薄膜永磁片2、第一反射镜3、第二反射镜6、悬臂梁4、线圈基板8、环状通电线圈9。
[0013]所述可动镜面支撑1的中间可动部分通过悬臂梁4悬置于外周固定部分；可动镜面支撑1的外周部分与固定镜面支撑5的外周部分之间通过第一锚点7键合；所述可动镜面支撑1的中间可动部分和固定镜面支撑5中心相应位置分别开有可动镜面支撑通光孔15和固定镜面支撑通光孔16 ；
[0014]第一薄膜支撑13和第二薄膜支撑14分别在可动镜面支撑1中间可动部分与固定镜面支撑5内侧相对的相应位置横跨通光孔上，为第一反射镜3和第二反射镜6提供支撑；第一反射镜3和第二反射镜6分别在第一薄膜支撑13和第二薄膜支撑14内侧相对的相应位置放置，使得第一反射镜3与第二反射镜6之间形成光学谐振珐珀腔；可动镜面支撑1外周部分的另一侧通过第二锚点10与线圈基板8键合；可动镜面支撑1中间可动部分与线圈基板8相对的一侧有环状的磁粉填充槽12，其内为薄膜永磁片2 ;线圈基板8上与薄膜永磁片2相对一侧布有环状通电线圈9 ;线圈基板8与第一反射镜3、第二反射镜6的位置相对应处开有通光孔11 ;
[0015]所述第一薄膜支撑13、第二薄膜支撑14均为拉应力透光薄膜，旨在为反射镜提供良好支撑，可以为氮化硅薄膜、氧化硅薄膜等；
[0016]所述第一反射镜3、第二反射镜6均为半透半反膜，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。
[0017]工作过程:两种结构的珐珀滤波器除结构有所差异外，其工作过程相同。参阅图5 (a)与图5 (b)，薄膜永磁片2上面为N极，下面为S极。向环状通电线圈9中通入直流电，产生电磁场，磁场方向向上为S极、向下为N极，此时薄膜永磁片2与环状通电线圈9相对面的磁场方向相同，由于磁场间相互作用对第一反射镜3产生一个向上的驱动力使第一反射镜3向上运动，使得珐珀腔间隙减小，滤波范围改变，同时与第一反射镜3相连的悬臂梁4给第一反射镜3 —个向下的力，当二力平衡时第一反射镜3停止运动。向环状通电线圈9中通入反向电流，电磁场方向变成向上为N极、向下为S极，此时薄膜永磁片2与环状通电线圈9相对面的磁场方向相异，由于磁场间相互作用对镜面产生一个向下的驱动力驱使镜面向下运动，使得珐珀腔间隙增大，滤波范围改变，同时与第一反射镜3相连的悬臂梁4给第一反射镜3 —个向上的力，当二力平衡时第一反射镜3停止运动。
[0018]参阅图6，本发明提出的第一种形式的基于刚性支撑底座的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)，在可动镜面支撑1上刻蚀出磁粉填充槽12 ;
[0020]步骤2:参阅图6(b)，在刻蚀出的磁粉填充槽12内填充磁粉，并固化定型，完成充磁，形成薄膜永磁片2 ；
[0021]步骤3:参阅图6(c)，在可动镜面支撑1的背面淀积一层金属薄膜或多层介质薄膜，并图形化，其形状根据实际需要可为圆形、方形、长方形等，形成第一反射镜3 ;
[0022]步骤4:参阅图6(d)，在可动镜面支撑1上刻蚀出悬臂梁4，其结构形式根据实际需要可为直梁、蟹臂梁、折叠梁等，形成可动镜面结构，示意图参阅图6(e);
[0023]步骤5:参阅图6(f)，在固定镜面支撑5上淀积一层金属薄膜或多层介质薄膜，并图形化，其形状根据实际需要可为圆形、方形、长方形等，与步骤3对应，形成第二反射镜6 ;
[0024]步骤6:参阅图6(g)，将可动镜面支撑1与固定镜面支撑5的反射镜面相对，通过第一锚点7进行键合，形成完整珐珀腔；
[0025]步骤7:参阅图6(h)，在线圈基板8上制作通光孔11 ；
[0026]步骤8:参阅图6 (i)，在线圈基板8上一侧制作环状通电线圈9 ；
[0027]步骤9:参阅图6 (j)，将线圈基板8与已经键合好的可动镜面支撑1和固定镜面支撑5，通过第二锚点10键合，形成完整滤波器。
[0028]参阅图7，本发明提出的第二种形