專利名稱：一種周期可調微機械光柵及其制作工藝的制作方法
一種周期可調微機械光柵及其制作工藝
所屬領域
本發明屬于微光機電(MOEMS)器件領域，主要涉及微機電系統(MEMS)技術、光柵技 術以及微加工技術等。
現有技術
周期可調微機械光柵是一種全新概念下的光柵，以微機電系統(MEMS)為基礎，采用 微加工技術制作。通過對光柵驅動電路的編程控制，實現對光柵周期的調節，從而使衍射光 譜發生偏移。與傳統光柵相比，周期可調微機械光柵具有衍射光強可編程控制、響應速度快、 可大批量生產等特點。
近年來，隨著微機械光柵技術研究的不斷深入，周期可調微機械光柵的研究多有報道。 2001年，臺灣Ching-liang Dai等人采用CMOS工藝制作了反射式周期可調微機械光柵(&朋w: 」"wa,. 4 200/， W: 69)，該光柵結構采用三層金屬和二層氧化硅材料復合淀積為結構層，使 用硅作為基底，基底硅不透光，所以這種光柵只能工作于反射方式。2005年，密歇根大學的 科研人員采用納米壓印技術，對PDMS材料進行加工，制作了透射式周期可調微機械光柵 丄饑，抓'M/7W-7)。該光柵的柵條結構通過在PDMS材料上直接刻劃得 到，由于PDMS是透明的聚合物材料，入射光經光柵柵條發生衍射后，衍射光直接透射輸出。 由于PDMS材料剛度小，在垂直于柵條方向對PDMS施加拉力或壓力，PDMS產生伸縮變形， 帶動柵條移動，從而實現光柵周期的調節。2007年，日本東京大學基于SOI工藝，研制了一 種反射式周期可調微機械光柵(MEMS'^CJcmJ/-", 2007，；^. /47-/50)。它是通過對SOI 硅片結構層進行刻蝕和二氧化硅層進行選擇，去除獲得可動的光柵結構，基底也是硅材料， 所以也只能工作在反射方式。在該光柵每相鄰兩個柵條上施加電壓，柵條之間會產生靜電力 引起柵條的移動，改變光柵周期。
然而，己有的周期可調微機械光柵，受工藝及材料上的約束，只能工作于反射或透射方 式，這在一定程度上限制了光柵的應用。
發明內容
發明目的
為了克服現有周期可調微機械光柵只能工作于反射或透射方式之一，光柵應用受限的不 足，本發明提出一種新型的周期可調微機械光柵及其制作方法，這種新型的周期可調微機械 光柵能同時工作于反射及透射方式。技術方案
參閱圖1，本發明提出的周期可調微機械光柵由基底和結構層組成，結構層通過錨點3 懸置于基底上；所述的結構層為硅、砷化鎵等可刻蝕可鍵合的導電材料，結構層包括若干等 距平行的光柵柵條8、彈性支撐梁9和連接梁10，每相鄰的兩根光柵柵條8通過兩側的折疊 U形連接梁10進行連接，兩端的兩根光柵柵條8通過彈性支撐梁9連接到錨點3上，驅動器 7與一端的光柵柵條8連接，帶動光柵柵條8沿著與柵條垂直的方向往復運動；所述的基底 為絕緣透明材料，如玻璃、藍寶石等；基底上有金屬薄膜作為電極及引線，使得驅動器7通 過金屬薄膜與外界連接，從而給驅動器7供電，金屬薄膜為金、鋁等材料。
參閱圖2，本發明提出的周期可調微機械光柵的制作方法，包括如下工藝步驟
步驟1:在基底1表面淀積一層金屬薄膜2;
步驟2:在結構材料的一側刻蝕出一定高度的錨點3;
步驟3:將由步驟1和步驟2得到的結構通過錨點3鍵合在一起，并將結構材料減薄至所需 厚度；
步驟4:對結構材料進行刻蝕、釋放形成結構層部分，形成周期可調的微機械光柵。
參閱圖3，工作時，入射光4入射到微機械光柵上， 一部分被光柵柵條8反射，產生反
射式衍射光譜5;另一部分入射光通過光柵柵條8之間的縫隙到達基底1的前表面，由于基
底1是完全透光的，因此在基底1的后表面形成透射式衍射光譜6。在較小的光柵周期下， 周期可調微機械光柵對入射光4的反射式衍射光譜5和透射式衍射光譜6偏移較大；在驅動 器7驅動下，彈性支撐梁9和連接粱10變形，光柵柵條8移動，光柵周期變大，周期可調微 機械光柵對入射光4的反射式衍射光譜5和透射式衍射光譜6產生較小偏移。 有益效果
本發明的有益效果是該周期可調微機械光柵能同時工作在反射及透射方式，光柵周期 的變化能夠改變衍射光譜的衍射角度，使反射式衍射光和透射式衍射光在周圍空間重新分配， 從而改變光強分布。
圖1.本發明提出的周期可調微機械光柵結構示意圖 圖2.本發明提出的周期可調微機械光柵制作工藝流程圖 圖3.本發明提出的周期可調微機械光柵工作原理圖 圖4.實施例1中的周期可調微機械光柵結構示意圖
其中l.基底；2.金屬薄膜；3.錨點；4.入射光；5.反射式衍射光輸出；6.透射式衍射光輸出；7.驅動器；8.光柵柵條；9.彈性支撐梁；IO.連接粱
具體實施例方式
實施例l:
參閱圖4，本實施例中的周期可調微機械光柵由基底和結構層組成，結構層通過錨點3 懸置于基底上。結構層材料為硅，包括7根等距平行的光柵柵條8， 4根彈性支撐梁9，和12 根連接梁10，每相鄰的兩根光柵柵條8通過兩側的折疊U形連接梁10進行連接，兩端的兩 根光柵柵條8通過彈性支撐梁9連接到錨點3上，驅動器7采用靜電梳齒驅動，與光柵柵條 8的一端連接，帶動光柵柵條8沿著與柵條垂直的方向往復運動。基底材料為玻璃，其上有 材料為金的金屬薄膜作為電極及引線，使得驅動器7通過金屬薄膜與外界連接，從而給驅動 器7供電。
本實施例中的周期可調微機械光柵的制作方法，工藝步驟如下.-步驟l:在基底1表面淀積一層金作為金屬薄膜2; 步驟2:在硅片的一側刻蝕出高50nm的錨點3;
歩驟3:將由步驟1和步驟2得到的結構通過錨點3鍵合在一起，并將硅片減薄至20pm;
步驟4:對硅片進行刻蝕、釋放形成結構層部分，形成周期可調的微機械光柵。 實施例2:
參閱圖4，本實施例中的周期可調微機械光柵由基底和結構層組成，結構層通過錨點3 懸置于基底上。結構層材料為砷化鎵，包括7根等距平行的光柵柵條8， 4根彈性支撐梁9， 和12根連接梁10,每相鄰的兩根光柵柵條8通過兩側的折疊U形連接梁10進行連接，兩端 的兩根光柵柵條8通過彈性支撐梁9連接到錨點3上，驅動器7采用靜電梳齒驅動，與光柵 柵條8的一端連接，帶動光柵柵條8沿著與柵條垂直的方向往復運動。基底材料為藍寶石， 其上有材料為鋁的金屬薄膜作為電極及引線，使得驅動器7通過金屬薄膜與外界連接，從而 給驅動器7供電。
本實施例中的周期可調微機械光柵的制作方法，工藝步驟如下 步驟l:在基底1表面淀積一層鋁作為金屬薄膜2;
步驟2:在砷化鎵晶圓的一側刻蝕出高5(Him的錨點3;
步驟3:將由步驟1和步驟2得到的結構通過錨點3鍵合在一起，并將硅片減薄至30nm;
步驟4:對砷化鎵晶圓進行刻蝕、釋放形成結構層部分，形成周期可調的微機械光柵。
權利要求
1.一種周期可調微機械光柵，由基底和結構層組成，結構層通過錨點(3)懸置于基底上；結構層為可刻蝕可鍵合的導電材料，結構層包括若干等距平行的光柵柵條(8)、彈性支撐梁(9)和連接梁(10)，每相鄰的兩根光柵柵條(8)通過兩側的折疊U形連接梁(10)進行連接，兩端的兩根光柵柵條(8)通過彈性支撐梁(9)連接到錨點(3)上，驅動器(7)與一端的光柵柵條(8)連接，帶動光柵柵條(8)沿著與柵條垂直的方向往復運動；基底上有金屬薄膜作為電極及引線，使得驅動器(7)通過金屬薄膜與外界連接，從而給驅動器(7)供電，其特征在于所述的基底為絕緣透明材料。
2. —種如權利要求1所述的周期可調微機械光柵，其特征在于所述的驅動器(7)為靜 電梳齒驅動器。
3. —種如權利要求1所述的周期可調微機械光柵，其特征在于所述的基底材料為玻璃 或藍寶石。
4. 一種如權利要求1所述的周期可調微機械光柵，其特征在于所述的結構層材料為硅 或砷化鎵。
5. —種如權利要求1所述的周期可調微機械光柵，其特征在于所述的金屬薄膜材料為 金或鋁。
6. —種如權利要求1所述的周期可調微機械光柵的制作方法，包括如下工藝步驟 步驟l:在基底(1)表面淀積一層金屬薄膜(2);步驟2:在結構材料的一側刻蝕出一定高度的錨點(3);步驟3:將由步驟1和步驟2得到的結構通過錨點(3)鍵合在一起，并將結構材料減 薄至所需厚度；步驟4:對結構材料進行刻蝕、釋放形成結構層部分，形成周期可調的微機械光柵。
全文摘要
本發明公開了一種周期可調微機械光柵及其制作工藝，屬于微光機電(MOEMS)器件領域。該光柵的特征在于，其基底為玻璃、藍寶石等絕緣透明材料。其制作工藝為在基底表面淀積一層金屬薄膜；在結構材料的一側刻蝕出一定高度的錨點；兩者通過錨點鍵合在一起，并將結構材料減薄至所需厚度；對結構材料進行刻蝕、釋放形成結構層部分，形成光柵。因為該光柵的基底是完全透光的，當入射光入射到光柵上時，一部分反射產生反射式衍射光譜；另一部分通過光柵柵條之間的縫隙到達基底的前表面產生投射，因此能同時工作在反射及透射方式。
文檔編號G02B26/08GK101493578SQ20091002132
公開日2009年7月29日 申請日期2009年2月27日 優先權日2009年2月27日
發明者喬大勇, 孫瑞康, 斌 燕, 苑偉政, 虞益挺 申請人:西北工業大學