专利名称：微光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微光学装置，并且更具体地，涉及微光学传感器和感测参数的方法。
背景技术：
在微传感器中使用悬臂型装置。例如，在加速度计中，悬臂梁的位移或偏转可以成为对要感测或监测的加速度的指示。作为另一示例，在生物芯片实验室(lab-on-chip)应用中，可以测量悬臂梁的偏转，作为对淀积在悬臂梁上的生物质量的指示。如附图中的图1所示，已知的是通过包括悬臂外部的光源的光学布置来测量悬臂梁的偏转，其中来自该光源的光束照射到悬臂梁上。从悬臂梁反射的光由外部的位置敏感光检测器(例如，CCD或光电二极管线型像素阵列)收集。在本说明书中，术语“位置敏感光检测器”被用于表示对入射到检测器表面上的光信号的照射位置敏感的光检测器。利用这种布置，检测器上的入射光点位移I是梁偏转距离i的函数。尽管利用这种布置可以测量偏转距离止并由此测量施加在悬臂梁上的力，但出于包括成本、可靠性问题、大体积质量制造复杂性以及信号处理难度等各种理由中的至少一种理由，这些布置不适于某些应用。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种微光学装置和感测参数的方法，申请人认为利用该装置和方法可以至少减轻前述缺点中的至少一些，或者该装置和方法为已知的装置和方法提供了有用的替代方案。根据本发明，提供了一种微光学装置，包括:-主体；-该主体包括可移动部件，该可移动部件能够相对于主体的另一部分移动；以及-光学元件，该光学元件设置在该可移动部件上或该可移动部件内。可移动部件可以包括例如膜片或薄膜。在本发明一优选实施例中，可移动部件包括悬臂梁。主体的所述另一部分可以包括基部，并且悬臂梁可以由支承体支承在基部上，以悬于该基部上方。可移动部件可以由任何合适材料制成，并且在一优选实施例中，该可移动部件至少部分由半导体材料制成。基部和可移动部件可以由半导体材料一体地形成。该半导体材料可以是直接带隙半导体材料。另选的是，该半导体材料可以是间接带隙半导体材料。该间接带隙半导体材料可以包括硅。基部可以包括体硅，悬臂梁可以包括利用绝缘体上硅(SOI)技术设置在该体硅上的硅层的第一部分，并且支承体可以包括利用SOI技术设置的中间隔离层的第一部分。所述光学元件可以安装在可移动部件中或其上，但优选地，与该可移动部件一体地形成。
所述光学元件可以包括光检测器。另选的是，所述光学元件可以包括光源，诸如电致发光装置(例如，半导体pn结或热元件)或者是包含光致发光材料的装置，其中光致发光材料在被另一光源激励之后发射光。用于激励光致发光材料的光源可以与主体集成或者可以位于主体外部。在一优选实施例中，悬臂梁由半导体材料制成，并且光源包括位于可移动部件的第一掺杂类型的第一部分与可移动部件的第二掺杂类型的第二部分之间的至少一个结。第一掺杂类型可以是P型，而第二掺杂类型可以是η型。在一个实施例中，悬臂梁可以包括第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分从支承体朝着可移动部件的第一部分和第二部分的对应远端延伸，以在所述至少一个结处相接。该装置可以包括用于与光源合作的光检测器。光检测器可以设置在一分离的主体上。在其它实施例中，光检测器可以与主体一体地形成。该装置可以包括位于光源与光检测器之间的光反射镜。该光反射镜可以位于主体的外部，或者可以形成主体的一部分，并且光检测器可以设置在该主体上。光检测器可以设置在体硅中。在另一实施例中，光检测器可以包括SOI硅层的第二部分，并且可以由中间隔离层的第二部分支承在体硅上。在另一些实施例中，该装置可以包括沿着光源与光检测器之间的一条直线延伸的光路。光检测器可以设置在体硅中。光检测器可以被设置为与悬臂梁横向间隔开。另选的是，悬臂梁可以在光检测器上方延伸。在另一实施例中，光检测器可以包括SOI硅层的第二部分，并且可以由中间隔离层的第二部分支承在体硅上。光检测器可以包括位置敏感光检测器。作为附加或替换，光检测器可以包括光谱敏感光检测器。同样在本发明的范围内，包括一种装置，包括:主体；该主体包括可移动部件，该可移动部件能够相对于主体的另一部分移动；设置在该可移动部件上的光学元件；间隔开的至少第一和第二光波导以及可控电源，该可控电源连接在主体与可移动部件之间以使可移动部件变形，并由此使所述至少第一和第二波导中的一个选定波导与该光学元件连通。该光学元件可以包括光源和光检测器中的任一者或两者。所述至少第一和第二波导可以包括光纤。根据本发明另一方面，提供了一种感测参数的方法，包括以下步骤:-使用微主体的可移动部件上或该可移动部件内的光源；-使该可移动部件受到待感测的参数的影响；以及-监测由光源发射的光信号的变化，以感测该参数。待感测的参数可以是改变该可移动部件和/或与其集成的光源的物理尺寸、形状、构造以及光学特性中的至少一个的任何参数。使该可移动部件变形或偏转或以其它方式改变所发射的光的方向的参数包括但不限于:质量、加速度、重力、压强以及取向。其它参数包括改变该可移动部件或集成光源的光学特性(诸如光谱吸收、透射、色散或反射率)的物理或化学参数。
下面参照附图仅通过示例的方式对本发明进行进一步描述，其中:图1是现有技术的悬臂型微光学传感器装置的图解例示图；图2是根据本发明的采用微光学传感器装置形式的微光学装置的第一示例实施例的图解表不;图3是根据本发明的传感器装置的第二示例实施例的图解表示；图4是根据本发明的传感器装置的第三示例实施例的图解表示；图5 Ca)和(b)是根据本发明的传感器装置的第四示例实施例的图解表示；图6是根据本发明的传感器装置的第五示例实施例的图解表示；图7是根据本发明的传感器装置的第六示例实施例的图解表示；图8是根据本发明的传感器装置的一示例实施例的仅相关部分的图解平面图；图9是图8的装置的图解侧视图；图10是根据本发明的传感器装置的第七示例实施例的图解侧视图；以及图11是微光学切换装置的一示例实施例的图解侧视图。
具体实施例方式在图1中，示出了利用外部光源102的现有技术光学传感器布置100，来自该光源的光束104照射到可移动部件或悬臂梁106上。光从悬臂梁沿108反射，并且由外部的位置敏感光检测器110 (例如，C⑶或光电二极管像素阵列)收集。检测器110上的入射光点位移距离I是梁偏转距离d的函数。参照图2，根据本发明的采用微光学传感器装置形式的微光学装置的第一示例实施例通常用标号10来标记。该装置10包括主体12，该主体包括可移动部件14和设置在该可移动部件上的光学元件16。在这里描述的示例实施例中，可移动部件包括悬臂梁14，其安装在主体12的基部26上，以在基部上方延伸。该可移动部件例如可以另选地包括膜片或薄膜。光学元件16可以是光源，诸如电致发光装置(例如热元件)或包括光致发光材料的装置，光致发光材料在被另一光源激励之后发射光。用于激励光致发光材料的光源可以与主体集成或者可以位于主体外部。然而，在这里描述的示例实施例中，光源16包括半导体材料的一个或多个pn结。该pn结可以反向或正向偏置，以生成光子，并且半导体材料可以是与所使用的半导体制造工艺兼容的任何直接或间接带隙材料。对于SOI (绝缘体上硅)CM0S技术的情况来说，半导体材料包括硅，并且悬臂梁14包括由SOI技术制成的有源硅层的第一部分，并且下面的掩埋氧化物(BOX)层的第一部分20.1用于在体材料上朝着悬臂梁的一端支承该悬臂梁。在18处，BOX的其余部分被去除或牺牲，以形成在由体材料制成的基部上方延伸的悬臂梁。在图2中，在悬臂梁14的可移动部分内生成光信号。集成光源16的外辐射模式根据悬臂梁的偏转被修改，并且外部的位置敏感光检测器22能够区别在未向梁施加力时检测到的来自悬臂光源16的辐射(如在A处)和在向梁施加向下的力时的辐射(如在B处)。这样，可以利用集成在悬臂梁14内的光源16来光学地测量梁偏转。在图3的示例实施例中，检测器22集成在半导体集成电路的主体12内。图3的装置10包括外部的光反射镜24，其相对于悬臂梁14的固定部分以恒定角度倾斜。该反射镜将从梁的可移动部分中的集成光源16发射来的光信号反射回至形成集成传感器装置的一部分的光检测器22。更具体地，位置敏感光检测器22被形成在用于制造悬臂的同一半导体层中，并且被支承在BOX的第二部分20.2上。图4中示出了另一示例实施例。在这个实施例中，位置敏感光检测器24被制造在半导体工艺中所使用的体材料26中。在图3和4的实施例中，位置敏感光检测器的输出信号(根据距离I而确定)都是悬臂梁的偏转i的函数。下面，参照图5 (a)和(b)中的示例实施例，来自集成光源16的光由基部26上方与悬臂梁处于同一水平面的集成光检测器22收集。光检测器输出信号随着偏转距离d而改变，因为光检测器所吸收的来自光源16的光的强度是偏转距离d的函数。因此，在图5Ca)和(b)的实施例中，光检测器22不需要是位置敏感检测器。如图6的示例实施例中所示，光检测器22在体材料26中制造，以与悬臂梁14横向间隔开。在这个实施例中，光检测器22优选为位置敏感装置。在其它实施例中并且如图7所示，光检测器22设置在集成光源16的正下方。同样，光检测器22优选为位置敏感装置。在图8和9的示例实施例中，悬臂梁14包括第一延长部分14.1和第二延长部分14.2。第一部分包括第一掺杂类型(例如P型)的材料，而第二部分包括第二掺杂类型(例如η型)的材料。部分14.1和14.2间隔开并且彼此平行地延伸，并且相接于悬臂梁远端处的pn结16。这种结构被认为可以具有一些优点，诸如不需要金属线路或迹线来形成悬臂梁的一部分。金属触点40可以设置在支承体20.1上,而光源16可以设置在其中偏转距离d(向纸内或纸外)为最大值或接近最大值的点处。在图5 (a)、5 (b)、6和7所示的完全集成的装置中，期望图8和9所示的悬臂梁构造14限制悬臂梁本身内部的光吸收，由此确保更多的光功率入射在光检测器22上。而且，该构造可以使得光源16非常接近光检测器22，得到光源16与光检测器22之间的良好f禹合。已知的是，机械应力(张应力或压应力)可以改变半导体材料的能带结构，例如，改变材料的导带与价带之间的禁带能隙值。因为半导体发光装置的发射光谱取决于能隙和能带结构，所以在图10的装置10中，将光源16设置在出现机械应力的悬臂梁14的主体内。光源16的发射光谱被用于测量偏转距离i。更具体地，将发光区16设置在经历足够机械应力的悬臂梁14上，并且光谱敏感检测器22检测光谱发射的变化(例如，峰值发射波长的变化)，这是对梁14的偏转距离i的指示。在图11中，示出了微光学切换装置50的示例实施例。光学元件16设置在悬臂梁14上。通过在悬臂梁14和体材料26之间施加静电势，悬臂梁位置可以在至少两个位置(标记为位置I和位置2)之间切换。这使得光学元件16能够选择性地与第一波导52和第二波导54中可选择的一个波导实现光学连通或耦合。该光学元件可以包括光源和/或光检测器。这些波导(不限于两个)可以用作输入和/或输出波导。这些波导可以包括光纤。
权利要求
1.一种微光学装置，包括: -主体； -该主体包括可移动部件，该可移动部件能够相对于主体的另一部分移动；以及 -光学元件，该光学元件设置在该可移动部件上或该可移动部件内。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，可移动部件包括悬臂梁。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，主体的所述另一部分包括基部，并且其中，悬臂梁由支承体支承在基部上，以悬于基部上方。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，可移动部件至少部分由半导体材料制成。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，基部和可移动部件由半导体材料一体地形成。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的装置，其中，半导体材料包括直接带隙半导体材料。
7.根据权利要求4或权利要求5所述的装置，其中，半导体材料包括间接带隙半导体材料。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述间接带隙半导体材料包括硅。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，基部包括体硅，其中，悬臂梁包括利用绝缘体上硅技术设置在该体硅上的硅层的第一部分，并且其中，支承体包括利用绝缘体上硅技术设置的隔离层的第一部分。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置，其中，光学元件与可移动部件一体地形成。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的装置，其中，光学元件包括光检测器。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的装置，其中，光学元件包括光源。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，光源包括位于可移动部件的第一掺杂类型的第一部分与可移动部件的第二掺杂类型的第二部分之间的至少一个结。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，悬臂梁包括第一部分和第二部分，该第一部分和第二部分从支承体朝着可移动部件的第一部分和第二部分的对应远端延伸，以在所述至少一个结处相接。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的装置，包括用于与光源合作的光检测器。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，光检测器设置在一分离的主体上。
17.根据权利要求15所述的传感器，其中，光检测器与主体一体地形成。
18.根据权利要求15至17中的任一项所述的装置，包括位于光源与光检测器之间的光反射镜。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，光反射镜位于主体的外部，并且其中，光检测器设置在主体上。
20.根据从属于权利要求9的权利要求19所述的装置，其中，光检测器设置在所述体硅中。
21.根据从属于权利要求9的权利要求19所述的装置，其中，光检测器包括所述硅层的第二部分并且由所述隔离层的第二部分支承在所述体硅上。
22.根据权利要求15至17中的任一项所述的装置，包括沿着光源与光检测器之间的一条直线延伸的光路。
23.根据从属于权利要求9的权利要求22所述的装置，其中，光检测器设置在所述体硅中。
24.根据权利要求23所述的装置，其中，光检测器被设置为与悬臂梁横向间隔开。
25.根据权利要求23所述的装置，其中，悬臂梁在光检测器上方延伸。
26.根据从属于权利要求9的权利要求22所述的装置，其中，光检测器包括所述硅层的第二部分并且由所述隔离层的第二部分支承在所述体硅上。
27.根据权利要求11和15至26中的任 一项所述的装置，其中，光检测器包括位置敏感光检测器。
28.根据权利要求11和15至26中的任一项所述的装置，其中，光检测器包括光谱敏感光检测器。
29.根据权利要求1所述的装置，包括至少第一和第二光波导以及可控电源，该可控电源连接在主体的所述另一部分与所述可移动部件之间以使所述可移动部件变形，并由此选择性地使所述至少第一和第二波导中的一个选定波导与所述光学元件连通。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，所述光学元件包括光源。
31.根据权利要求29或权利要求30所述的装置，其中，所述光学元件包括光检测器。
32.根据权利要求29至31中的任一项所述的装置，其中，所述至少第一和第二波导包括光纤。
33.一种感测参数的方法，包括以下步骤: -使用微主体的可移动部件上或该可移动部件内的光源； -使可移动部件受到待感测的参数的影响；以及 -监测由光源发射的光信号的变化，以感测所述参数。
全文摘要
微光学装置(10)包括主体(12)。该主体包括可移动部件(14)，其能够相对于该主体的另一部分(26)移动。在该可移动部件上或其内设置有诸如光源(16)的光学元件。可以使该可移动部件受到诸如质量之类的待感测参数的影响，并且通过在检测器(22)处监测由光源发射的光学信号的变化，可以监测该参数。
文档编号B81B7/02GK103097281SQ201180035285
公开日2013年5月8日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月19日
发明者M·都普雷斯, A·W·博格莱克 申请人:因西亚瓦(控股)有限公司