電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械雙向調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法
【專利說(shuō)明】 電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械雙向調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法[0001 ]所屬領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于智能光功能器件領(lǐng)域，主要涉及印刷電路板技術(shù)、微加工技術(shù)、干涉濾波技術(shù)以及電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。
現(xiàn)有技術(shù)
[0003]琺珀濾波器是多光束干涉原理的一個(gè)重要應(yīng)用實(shí)例，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)是平行放置兩塊玻璃板，中間形成一個(gè)腔體，在腔體兩側(cè)的玻璃板表面上鍍?cè)龇茨?。通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏡面的移動(dòng)調(diào)整腔長(zhǎng)，當(dāng)腔長(zhǎng)為入射波半波長(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，因此，調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)即可輸出所需波段的光波。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，具有良好的應(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) 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(guò)熱電阻加熱驅(qū)動(dòng)梁產(chǎn)生的熱膨脹改變腔體長(zhǎng)度，停止加熱后熱膨脹消失，腔體長(zhǎng)度即恢復(fù)到原來(lái)大小;然而熱驅(qū)動(dòng)需要較長(zhǎng)的加熱過(guò)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(guò)兩反射鏡電極之間產(chǎn)生的靜電力來(lái)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鏡面的移動(dòng)，利用彈性支撐梁使鏡面復(fù)位;然而為了增加鏡面可動(dòng)范圍和器件的使用壽命，其對(duì)電極設(shè)計(jì)和彈性梁材料的選擇較為苛刻；同時(shí)為了得到強(qiáng)電場(chǎng)，施加的高電壓可能擊穿空氣造成器件損壞;再者，由于靜電驅(qū)動(dòng)存在“下拉”問(wèn)題，可動(dòng)鏡面的調(diào)制范圍僅約諧振腔長(zhǎng)度的1/3。2004年，韓國(guó)的H.K.Lee等人報(bào)道了一種基于硅微加工技術(shù)的電磁驅(qū)動(dòng)式微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器(I E E EPhoton.Technol.Lett，vol.16,pp.2087-2089，2004)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是金既作為支撐梁的結(jié)構(gòu)材料又作為載流線圈，通過(guò)載流線圈在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力來(lái)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)鏡面平移；然而，該器件制作工藝復(fù)雜，同時(shí)較厚的金膜以及多層布拉格反射鏡產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)影響鏡面平整度與兩鏡面之間的平行度，最終影響器件性能。2013年芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心(VTT)報(bào)道了一種壓電驅(qū)動(dòng)式微機(jī)械可調(diào)諧琺珀濾波器(Proc.SPIE ,vol.8870 ,887002，2013)，其實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)控制壓電驅(qū)動(dòng)器上的電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的形變來(lái)改變腔長(zhǎng);然而由于壓電驅(qū)動(dòng)對(duì)材料選擇的苛刻，其自由光譜范圍受到限制。
[0004]2007年，土耳其KOC大學(xué)的H.Urey研究小組提出了一種基于FR4材料制作電磁驅(qū)動(dòng)式微機(jī)械器件的方法(Optical MEMS and Nanophotonics，IEEE，卯.25-26 ,Hualien，2007) AR4材料是目前印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)行業(yè)最常用的基板材料之一，相比硅微機(jī)械器件，印刷電路板制作工藝成熟，價(jià)格低、加工周期短、設(shè)計(jì)和制造的靈活性大。2008年，該研究小組報(bào)道了一種基于FR4的電磁驅(qū)動(dòng)式微機(jī)械掃描鏡(IEEEPhoton.Technol.Lett ,vol.16,pp.2087-2089，2008)，他們將 FR4 基板切割成具有特定形狀的鏡面工作平臺(tái)、扭轉(zhuǎn)梁，同時(shí)在平臺(tái)的正反兩面均制作載流線圈，通過(guò)載流線圈在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力來(lái)驅(qū)動(dòng)工作平臺(tái)扭轉(zhuǎn)。這種驅(qū)動(dòng)方式具有良好的線性，驅(qū)動(dòng)力大;然而，該器件只有一組線圈，工作平臺(tái)的姿態(tài)無(wú)法進(jìn)行微調(diào)，導(dǎo)致掃描角度不能精確定位，同時(shí)，磁場(chǎng)由大尺寸的永磁體構(gòu)建，使得最終器件的體積較大。受H.Urey等人基于FR4的電磁驅(qū)動(dòng)式微機(jī)械掃描鏡的啟發(fā)，本發(fā)明提出了一種基于PCB的電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械雙向調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的
[0006]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)對(duì)驅(qū)動(dòng)材料要求苛刻、自由光譜范圍有限，硅微電磁驅(qū)動(dòng)制作工藝復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)位移有限、加工成本高;基于FR4材料的電磁驅(qū)動(dòng)式整體尺寸大、可動(dòng)鏡面姿態(tài)無(wú)法精確控制等技術(shù)缺陷。本發(fā)明提出了一種基于PCB的電磁驅(qū)動(dòng)微機(jī)械雙向調(diào)諧琺珀濾波器及其制作方法，旨在減少琺珀濾波器的整體尺寸，提高器件的線性度響應(yīng)，增加光學(xué)諧振腔的可調(diào)諧范圍和精細(xì)度，降低加工難度和成本，縮短加工周期。
[0007]技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明提出的基于PCB的電磁驅(qū)動(dòng)雙向調(diào)諧琺珀濾波器的結(jié)構(gòu)參閱圖1，基本工作原理參閱圖2。器件主要包括箱體1、蓋板7以及容納于箱體1、蓋板7之內(nèi)的第一可動(dòng)鏡面支撐2、第二可動(dòng)鏡面支撐4、第一反射鏡13、第二反射鏡11、第一多層線圈16、第二多層線圈6;
[0009]所述第一可動(dòng)鏡面支撐2與第二可動(dòng)鏡面支撐4之間的間距通過(guò)第一間隔層3控制，第二可動(dòng)鏡面支撐4與蓋板7之間的間距通過(guò)第二間隔層5控制；
[0010]所述的第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4均分別包括中間的工作鏡面及四周的框架，所述第一可動(dòng)鏡面支撐2的中間工作鏡面通過(guò)第一支撐梁18與所述四周框架連接，所述第二可動(dòng)鏡面支撐4的中間工作鏡面通過(guò)第二支撐梁19與所述四周框架連接；[0011 ]所述第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4的中間工作鏡面上分別有第一薄膜支撐12和第二薄膜支撐10，第一反射鏡13制作在第一薄膜支撐12上，第二反射鏡11制作在第二薄膜支撐10上；
[0012]所述第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4的四周框架外周均固定在箱體I上，第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4的四周框架上分別有制作有第一多層線圈16的第一 PCB多層板17和制作有第二多層線圈6的第二 PCB多層板20;所述第一多層線圈16和第二多層線圈6均由并聯(lián)的多個(gè)子多層線圈組成，兩者的多個(gè)子多層線圈位置精確對(duì)應(yīng);且所述的第一多層線圈16上多個(gè)子多層線圈的電流方向一致，第二多層線圈6上多個(gè)子多層線圈的電流方向一致；
[0013]所述蓋板7、第二可動(dòng)鏡面支撐4、第一可動(dòng)鏡面支撐2、箱體I上相應(yīng)位置分別有蓋板通光孔8、第二可動(dòng)鏡面支撐通光孔9、第一可動(dòng)鏡面支撐通光孔14、箱體通光孔15。
[0014]進(jìn)一步的，第一支撐梁18和第二支撐梁19根據(jù)需要設(shè)計(jì)成直梁、蟹臂梁、折疊梁等結(jié)構(gòu)，參閱圖4。
[0015]進(jìn)一步的，所述的第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4的兩種可能設(shè)計(jì)方案參閱圖3，它們是琺珀濾波器的主要工作機(jī)構(gòu)，可用FR-4、CEM-3等材料制作，通過(guò)粘接工藝或者螺釘連接，與箱體I固連。
[0016]進(jìn)一步的，所述的第一薄膜支撐12和第二薄膜支撐10根據(jù)工作波段要求選擇合適的基底材料，如紅外波段可選擇硅，可見(jiàn)光波段可選擇玻璃。
[0017]進(jìn)一步的，所述的第一反射鏡13和第二反射鏡11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。
[0018]進(jìn)一步的，所述的蓋板通光孔8、第二可動(dòng)鏡面支撐通光孔9、第一可動(dòng)鏡面支撐通光孔14、箱體通光孔15的形狀根據(jù)使用要求可以為正方形或者圓形。
[0019]基本工作原理參閱圖2，第一可動(dòng)鏡面支撐2和第二可動(dòng)鏡面支撐4的兩種可能設(shè)計(jì)方案參閱圖3。向第一多層線圈1