[發(fā)明專利]基于MOEMS工藝集成角度傳感器的微掃描光柵

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210199315.4
• 申請日: 2012-06-15
• 公開（公告）號: CN102692705A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 溫志渝;羅彪
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;G02B5/18
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微掃描光柵，屬于光譜分析技術(shù)和MOEMS（Micro-Optical-Electro-Mechanical?System）技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

利用MOEMS工藝制成的具有分光功能的掃描微光柵廣泛應(yīng)用于光學(xué)顯示、光譜分析、光學(xué)傳感，光通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的掃描光柵通常采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行光柵掃描，因而增大了光譜儀器的體積和系統(tǒng)本身的體積和能耗。目前隨著微機(jī)械和微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，微掃描光柵作為一種新的掃描和分光器件，具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、功耗低等特點，可以取代傳統(tǒng)光譜儀器的傳動和分光機(jī)構(gòu)。

按照微掃描光柵槽型分類，可以分為矩形相位光柵、矩形振幅光柵和閃耀光柵，一般而言閃耀光柵效率最高，但是這類硅基加工的微掃描光柵存在閃耀角過大以至于閃耀效率降低的問題；基于矩形相位光柵原理的微掃描光柵的效率低于前述閃耀式微掃描光柵的效率約百分之五，高于矩形振幅式微掃描光柵的效率百分之三十。

按照光譜掃描的方式分為變光柵常數(shù)、變閃耀角、改變光柵掃描角度等方式，其各自特點如下：

1.變光柵常數(shù)式掃描光柵通過改變光柵常數(shù)從而可以改變衍射光的方向，可以達(dá)到光譜掃描的目的，具有簡單易行的特點，但是其一般采用SOI硅片或者表面硅加工技術(shù)，從而使光柵的成本提高或者表面粗糙度提高，不利于低成本高效率光柵的制造。

2.變閃耀角式掃描光柵在現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中都使用表面硅加工工藝，不利于高衍射效率的光柵制造，并且使用高的靜電電壓驅(qū)動。

3.變光柵掃描角式微光柵通過改變光柵掃描角度可以達(dá)到光譜掃描的目的，這種微掃描光柵可以選擇合理的驅(qū)動方式可使得驅(qū)動所需的功耗降低。但是一般采用單晶硅的自停止刻蝕原理進(jìn)行閃耀結(jié)構(gòu)的刻蝕，閃耀角為54.7°，存在閃耀角過大而光柵外形尺寸有限的問題，在實際應(yīng)用中不能夠發(fā)揮閃耀光柵的優(yōu)勢。

按照驅(qū)動方式分為靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、熱驅(qū)動等驅(qū)動方式掃描微光柵，其特點如下：

1.靜電驅(qū)動式掃描光柵的特點是驅(qū)動方式簡單，功率消耗較小，適合于小距離，高速的光譜掃描，其缺點在于一般需要較高的驅(qū)動電壓，制造工藝流程較為復(fù)雜，因此提高制動效率是MOEMS掃描光柵的主要問題。

2.壓電驅(qū)動式掃描光柵可以輸出較大的制動力，從而可以擴(kuò)大光譜掃描范圍，缺點在于壓電材料的成膜工藝較困難。

3.電磁驅(qū)動可以輸出較大的電磁力矩，制動效率較高，所以微掃描光柵的掃描角度較大，可以使所應(yīng)用該類器件的光譜儀器光譜掃描范圍變大。

4.熱驅(qū)動式掃描光柵的特點在于工作頻率較低，并且熱制動器具有遲滯效應(yīng)，微掃描光柵響應(yīng)速度往往比較慢。

按照角度監(jiān)測方式分為主動監(jiān)測角度的掃描光柵和被動監(jiān)測角度的掃描光柵。到目前為止，對于集成有監(jiān)測光柵參數(shù)變化傳感器的掃描光柵研究較少。絕大多數(shù)多數(shù)掃描光柵采用了被動監(jiān)測的辦法對光柵的可變參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，被動監(jiān)測角度的掃描光柵主要依靠MOEMS器件同頻同相的特點，按照驅(qū)動和輸出的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系對微光柵的參數(shù)變化進(jìn)行估測，具有方法簡單易行的特點，適合于對角度監(jiān)測要求不高的場合。集成有監(jiān)測光柵參數(shù)變化傳感器的掃描光柵一般采用某種角度監(jiān)測辦法對角度進(jìn)行實時的監(jiān)測，該方法可以對微光柵進(jìn)行高精度的實時角度監(jiān)測，角度監(jiān)測更準(zhǔn)確。

微型化、寬光譜、低功耗、高精度、高分辨率、掃描角度主動式監(jiān)測是掃描光柵發(fā)展的重要方向。利用MOEMS的微加工技術(shù)制作集成有角度傳感器的掃描光柵是微光柵發(fā)展的一個趨勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有微掃描光柵局限性而提出的一種高衍射效率、集成壓阻角度傳感器、電磁驅(qū)動的基于MOEMS工藝的掃描微光柵，它采用不同于其他掃描光柵驅(qū)動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的主動監(jiān)測，減小系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的便攜性。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來加以實現(xiàn)：

基于MEMS工藝的集成角度傳感器的微掃描光柵，它由電磁驅(qū)動單元、壓阻角度傳感器單元、光柵衍射面單元和支撐扭轉(zhuǎn)梁單元四部分構(gòu)成。其中，磁驅(qū)動單元部分由MOEMS工藝加工的電磁驅(qū)動線圈與永久磁鐵元件組成。為了使掃描微光柵做繞支撐扭轉(zhuǎn)梁扭轉(zhuǎn)，加載于電磁驅(qū)動線圈的交流電壓Ui表示如下：

U_i=U_msin(ωt)

其中U_m為交流電壓幅值，ω為掃描微光柵的諧振頻率。所述電磁驅(qū)動線圈應(yīng)用濺射和電鍍工藝制作，埋層引線使用離子注入的方法制作。