電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于智能光功能器件領(lǐng)域，主要涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、微加工技術(shù)以及干涉濾波技術(shù)等。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]琺珀濾波器是一種基于干涉原理的光學(xué)濾波器，于1897年由法國(guó)物理學(xué)家C.Fabry和A.Perot提出。基本結(jié)構(gòu)為兩塊平行放置的玻璃板，中間形成一個(gè)腔體，兩塊玻璃板靠近腔體的一側(cè)分別鍍有部分反射金屬膜。驅(qū)動(dòng)鏡面移動(dòng)調(diào)整腔體長(zhǎng)度，并且入射光波的波長(zhǎng)為腔長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，光波可形成穩(wěn)定振蕩，產(chǎn)生多光束干涉，輸出等間隔梳狀波形，調(diào)節(jié)腔體長(zhǎng)度即可只輸出所需波段的光波。
[0003]利用新興的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)琺珀濾波器的微型化與集成化，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。早在1997年，J.Peerlings等人就報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)的熱驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)諧振腔可調(diào)諧GaAs-AlAs琺珀濾波器(IEEE Photon.Technol.Lett, vol.9, pp.1235-1237，1997)，其實(shí)現(xiàn)方式是通過熱電阻加熱驅(qū)動(dòng)梁產(chǎn)生熱膨脹進(jìn)而改變腔體長(zhǎng)度，停止加熱后熱膨脹消失，腔體長(zhǎng)度即恢復(fù)到原來大小，然而熱驅(qū)動(dòng)需要較長(zhǎng)的加熱過程，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)緩慢，同時(shí)功耗也較大。2003年，D.B.Mott等人報(bào)道了一種基于MEMS技術(shù)制作并采用靜電力驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鏡面的琺珀濾波器(Proc.SPIE, vol.4841，pp.578-585，2003)，其實(shí)現(xiàn)方式是通過兩反射鏡電極之間的電場(chǎng)產(chǎn)生靜電力來驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鏡面移動(dòng)，通過彈性支撐梁使鏡片復(fù)位；為了增加鏡面可動(dòng)范圍和器件的使用壽命，電極設(shè)計(jì)和彈性梁材料的選擇至關(guān)重要；同時(shí)為了得到強(qiáng)電場(chǎng)，施加的高電壓將擊穿空氣造成器件損壞；再者，靜電驅(qū)動(dòng)存在“下拉”問題，可動(dòng)鏡面的調(diào)制范圍僅約諧振腔長(zhǎng)度的1/3。2007年，E.Vargas-Rodriguez等人報(bào)道了一種采用壓電方式驅(qū)動(dòng)的微法泊干涉儀的制作方法(AIP Conf.Proc.，vol.992，pp.611-616，2007)，利用鋯鈦酸鉛陶瓷的壓電效應(yīng)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鏡面的移動(dòng)，但是壓電驅(qū)動(dòng)存在時(shí)滯性和蠕變性等不足，而消除這些不足需要增加額外的控制電路，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與不確定性。2012年，德國(guó)的N.Weber等人在關(guān)于掃描內(nèi)窺鏡的論文中報(bào)道了一種新的驅(qū)動(dòng)方式(J.Microelectromech.Syst.，vol.21，n0.5, pp.1098-1106, 2012)，在掃描鏡背面粘貼薄膜永磁片，通過附加磁場(chǎng)作用于永磁片從而對(duì)掃描鏡產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。但是這種方法涉及薄膜永磁片的制備，其工藝制作復(fù)雜且需手動(dòng)粘貼薄膜永磁片，因此難以確保器件性能的穩(wěn)定性和一致性。目前并沒有采用電磁驅(qū)動(dòng)形式的微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器，受N.Weber等人掃描內(nèi)窺鏡的啟發(fā)，本發(fā)明提出了一種基于磁粉填充的電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的
[0005]為了克服熱驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、功耗大，靜電驅(qū)動(dòng)的非線性響應(yīng)、易擊穿、驅(qū)動(dòng)位移有限，壓電驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓大、時(shí)滯性和蠕變性，以及手動(dòng)粘貼薄膜永磁片的低效率、重復(fù)性差等技術(shù)缺陷，本發(fā)明提出了一種基于磁粉填充的電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法，旨在提高器件的線性度響應(yīng)、增加驅(qū)動(dòng)力、降低功耗、增加光學(xué)諧振腔有效工作距離。
[0006]技術(shù)方案
[0007]本發(fā)明提出的電磁驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧琺珀濾波器的三維模型參閱圖1與圖3，分別對(duì)應(yīng)剛性支撐底座與薄膜支撐底座，基本工作原理分別如圖2與圖4所示。
[0008]參閱圖1與圖2，本發(fā)明提出的第一種形式的基于剛性支撐底座電磁驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧琺珀濾波器，主要包括可動(dòng)鏡面支撐1、固定鏡面支撐5、薄膜永磁片2、第一反射鏡3、第二反射鏡6、懸臂梁4、線圈基板8、環(huán)狀通電線圈9。
[0009]所述可動(dòng)鏡面支撐1的中間可動(dòng)部分通過懸臂梁4懸置于外周固定部分；可動(dòng)鏡面支撐1的外周部分與固定鏡面支撐5的外周部分之間通過第一錨點(diǎn)7鍵合；第一反射鏡3和第二反射鏡6分別在可動(dòng)鏡面支撐1中間可動(dòng)部分與固定鏡面支撐5內(nèi)側(cè)相對(duì)的相應(yīng)位置放置，使得第一反射鏡3與第二反射鏡6之間形成光學(xué)諧振琺珀腔；可動(dòng)鏡面支撐1外周部分的另一側(cè)通過第二錨點(diǎn)10與線圈基板8鍵合；可動(dòng)鏡面支撐1中間可動(dòng)部分上與線圈基板8相對(duì)的一側(cè)有環(huán)狀的磁粉填充槽12，其內(nèi)為薄膜永磁片2 ;線圈基板8上與薄膜永磁片2相對(duì)一側(cè)布有環(huán)狀通電線圈9 ;線圈基板8與第一反射鏡3、第二反射鏡6的位置相對(duì)應(yīng)處開有通光孔11 ；
[0010]所述可動(dòng)鏡面支撐1和固定鏡面支撐5可以根據(jù)所需透射光譜要求選擇合適的基底材料，如紅外波段可選擇硅，可見光波段可選擇玻璃；
[0011]所述第一反射鏡3、第二反射鏡6均為半透半反膜，可以為金屬反射鏡、布拉格反射鏡等，構(gòu)成琺珀腔，光束可以在反射鏡間形成多光束干涉。
[0012]參閱圖3與圖4，本發(fā)明還提出了第二種形式的基于薄膜支撐底座電磁驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧琺珀濾波器，主要包括可動(dòng)鏡面支撐1、固定鏡面支撐5、第一薄膜支撐13、第二薄膜支撐14、薄膜永磁片2、第一反射鏡3、第二反射鏡6、懸臂梁4、線圈基板8、環(huán)狀通電線圈9。
[0013]所述可動(dòng)鏡面支撐1的中間可動(dòng)部分通過懸臂梁4懸置于外周固定部分；可動(dòng)鏡面支撐1的外周部分與固定鏡面支撐5的外周部分之間通過第一錨點(diǎn)7鍵合；所述可動(dòng)鏡面支撐1的中間可動(dòng)部分和固定鏡面支撐5中心相應(yīng)位置分別開有可動(dòng)鏡面支撐通光孔15和固定鏡面支撐通光孔16 ；
[0014]第一薄膜支撐13和第二薄膜支撐14分別在可動(dòng)鏡面支撐1中間可動(dòng)部分與固定鏡面支撐5內(nèi)側(cè)相對(duì)的相應(yīng)位置橫跨通光孔上，為第一反射鏡3和第二反射鏡6提供支撐；第一反射鏡3和第二反射鏡6分別在第一薄膜支撐13和第二薄膜支撐14內(nèi)側(cè)相對(duì)的相應(yīng)位置放置，使得第一反射鏡3與第二反射鏡6之間形成光學(xué)諧振琺珀腔；可動(dòng)鏡面支撐1外周部分的另一側(cè)通過第二錨點(diǎn)10與線圈基板8鍵合；可動(dòng)鏡面支撐1中間可動(dòng)部分與線圈基板8相對(duì)的一側(cè)有環(huán)狀的磁粉填充槽12，其內(nèi)為薄膜永磁片2 ;線圈基板8上與薄膜永磁片2相對(duì)一側(cè)布有環(huán)狀通電線圈9 ;線圈基板8與第一反射鏡3、第二反射鏡6的位置相對(duì)應(yīng)處開有通光孔11 ;
[0015]所述第一薄膜支撐13、第二薄膜支撐14均為拉應(yīng)力透光薄膜，旨在為反射鏡提供良好支撐，可以為氮化硅薄膜、氧化硅薄膜等；
[0016]所述第一反射鏡3、第二反射鏡6均為半透半反膜，可以為金屬反射鏡、布拉格反射鏡等，構(gòu)成琺珀腔，光束可以在反射鏡間形成多光束干涉。
[0017]工作過程:兩種結(jié)構(gòu)的琺珀濾波器除結(jié)構(gòu)有所差異外，其工作過程相同。參閱圖5 (a)與圖5 (b)，薄膜永磁片2上面為N極，下面為S極。向環(huán)狀通電線圈9中通入直流電，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向向上為S極、向下為N極，此時(shí)薄膜永磁片2與環(huán)狀通電線圈9相對(duì)面的磁場(chǎng)方向相同，由于磁場(chǎng)間相互作用對(duì)第一反射鏡3產(chǎn)生一個(gè)向上的驅(qū)動(dòng)力使第一反射鏡3向上運(yùn)動(dòng)，使得琺珀腔間隙減小，濾波范圍改變，同時(shí)與第一反射鏡3相連的懸臂梁4給第一反射鏡3 —個(gè)向下的力，當(dāng)二力平衡時(shí)第一反射鏡3停止運(yùn)動(dòng)。向環(huán)狀通電線圈9中通入反向電流，電磁場(chǎng)方向變成向上為N極、向下為S極，此時(shí)薄膜永磁片2與環(huán)狀通電線圈9相對(duì)面的磁場(chǎng)方向相異，由于磁場(chǎng)間相互作用對(duì)鏡面產(chǎn)生一個(gè)向下的驅(qū)動(dòng)力驅(qū)使鏡面向下運(yùn)動(dòng)，使得琺珀腔間隙增大，濾波范圍改變，同時(shí)與第一反射鏡3相連的懸臂梁4給第一反射鏡3 —個(gè)向上的力，當(dāng)二力平衡時(shí)第一反射鏡3停止運(yùn)動(dòng)。
[0018]參閱圖6，本發(fā)明提出的第一種形式的基于剛性支撐底座的琺珀濾波器的制作工藝包括如下基本步驟:
[0019]步驟1:參閱圖6(a)，在可動(dòng)鏡面支撐1上刻蝕出磁粉填充槽12 ;
[0020]步驟2:參閱圖6(b)，在刻蝕出的磁粉填充槽12內(nèi)填充磁粉，并固化定型，完成充磁，形成薄膜永磁片2 ；
[0021]步驟3:參閱圖6(c)，在可動(dòng)鏡面支撐1的背面淀積一層金屬薄膜或多層介質(zhì)薄膜，并圖形化，其形狀根據(jù)實(shí)際需要可為圓形、方形、長(zhǎng)方形等，形成第一反射鏡3 ;
[0022]步驟4:參閱圖6(d)，在可動(dòng)鏡面支撐1上刻蝕出懸臂梁4，其結(jié)構(gòu)形式根據(jù)實(shí)際需要可為直梁、蟹臂梁、折疊梁等，形成可動(dòng)鏡面結(jié)構(gòu)，示意圖參閱圖6(e);
[0023]步驟5:參閱圖6(f)，在固定鏡面支撐5上淀積一層金屬薄膜或多層介質(zhì)薄膜，并圖形化，其形狀根據(jù)實(shí)際需要可為圓形、方形、長(zhǎng)方形等，與步驟3對(duì)應(yīng)，形成第二反射鏡6 ;
[0024]步驟6:參閱圖6(g)，將可動(dòng)鏡面支撐1與固定鏡面支撐5的反射鏡面相對(duì)，通過第一錨點(diǎn)7進(jìn)行鍵合，形成完整琺珀腔；
[0025]步驟7:參閱圖6(h)，在線圈基板8上制作通光孔11 ；
[0026]步驟8:參閱圖6 (i)，在線圈基板8上一側(cè)制作環(huán)狀通電線圈9 ；
[0027]步驟9:參閱圖6 (j)，將線圈基板8與已經(jīng)鍵合好的可動(dòng)鏡面支撐1和固定鏡面支撐5，通過第二錨點(diǎn)10鍵合，形成完整濾波器。
[0028]參閱圖7，本發(fā)明提出的第二種形