[发明专利]集成角度传感器的高衍射效率MEMS扫描光栅

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS扫描光栅，属于光谱分析技术和MEMS技术领域。

背景技术

基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical-System）技术的微型光谱仪具有体积小、重量轻、功耗低、探测速度快、性能稳定、可集成化、可批量化制造，以及成本相对低廉等优点，具有巨大的应用市场与开发潜力。

基于MEMS技术的扫描光栅是微型近红外光谱仪的核心元器件。当光谱仪处于工作状态时，扫描光栅的镜面以一定角度转动，在镜面的转动过程中，不同波长的光依次以某一特定角度入射到聚焦凹面反射镜上、经聚焦凹面反射镜聚焦成像后通过狭缝照射到单管探测器上，从而实现对光谱的连续探测。由于基于MEMS扫描光栅的微型近红外光谱仪避免了采用昂贵的近红外阵列探测器，从而大大降低了光谱仪的价格成本，必然会成为国内外微型近红外光谱仪的研发方向与主流趋势。

目前国内外报道的MEMS扫描光栅大多为矩形槽光栅，衍射效率很低；与矩形槽光栅相比，对称V形槽光栅具有更高的衍射效率。德国IPMS（FraunhoferInstituteforPhotonicMicrosystems）实验室制作了基于（100）硅片的V形槽扫描光栅，在硅片湿法刻蚀之后，只能形成对称的角度为54.74°的V形槽，这种光栅的闪耀角是固定的54.74°，不能根据不同的闪耀波长调节闪耀角度，导致光栅的衍射效率降低。

在光谱仪系统中，需要对扫描光栅的偏转角度进行精确测量，以便为扫描光栅高精度闭环反馈控制和光谱信息采集提供同步信号。目前一般采用的方法是将激光投射到光栅表面，经反射到接收屏上成像的方法得到扫描光栅的偏转角度。这种方法需要外加激光器、探测器等多个器件，无疑增加了近红外光谱仪的体积和复杂程度。

目前MEMS扫描光栅的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动和热驱动四种方式。静电驱动的驱动结构简单，但是非线性力学效应较明显，存在吸合现象，驱动电压较高；压电驱动可以产生较大的驱动力且功耗较低，缺点是温漂大，压电薄膜制作工艺较难；热驱动方式功耗高，环境温度影响大，响应速度慢；电磁式驱动装置可产生的驱动力大，线性度较好，并且可以单片集成电磁角度传感器，不足之处是需要外加磁场。

发明内容

本发明针对现有MEMS扫描光栅的局限性，提出一种基于MEMS工艺的高衍射效率、集成电磁角度传感器、电磁驱动的扫描光栅新结构。它采用偏晶向（111）硅片，闪耀角可以通过（111）硅片的切偏角来实现；并且它单片集成了电磁角度传感器，可以实现光栅偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统的便携性。

本发明通过以下技术方案来加以实现：

基于MEMS技术的扫描光栅由光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈、扭转梁以及支撑框架组成。光栅面、电磁驱动线圈、电磁传感线圈均制作在同一片偏晶向（111）硅片上，以硅结构层作为其共同的底层。光栅面位于硅结构层的正面，电磁驱动线圈及电磁传感线圈位于硅结构层的背面。光栅面、电磁驱动线圈及电磁传感线圈由支撑扭转梁支撑在支撑框架的内部。所述电磁驱动线圈及电磁传感线圈需在外加恒稳磁场下工作，扫描光栅的两侧固定有永磁体，产生沿x轴方向的永恒磁场。

光栅面的光栅为非对称锯齿形的闪耀光栅，该光栅槽型采用湿法刻蚀偏晶向（111）硅片完成。光栅常数和闪耀角度可以根据光谱范围和闪耀波长设计。光栅的闪耀角度即为（111）硅片在切割时，相对于标准（111）面偏向（110）面切割的角度。光栅表面镀层采用电子束蒸发工艺制作。

电磁驱动线圈采用单圈线圈结构，其以硅结构层作底层，包括采用溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层。磁驱动线圈的输入输出端通过电磁驱动线圈焊盘与外部电路相连。

电磁传感线圈采用矩形渐开线结构设计，也是以硅结构层作底层，由表层线圈和埋层引线组成。其中表层线圈包括溅射工艺制作的TiW/Au种子层和电镀工艺制作的Au层；埋层引线为使用离子注入和扩散工艺制作的硼层。表层线圈和埋层引线之间通过通孔进行连通，电磁传感线圈的输入输出端通过电磁传感线圈焊盘进行输出和测量。

当电磁驱动线圈中平行于扭转梁的线圈部分通有沿±y方向（平行于扭转梁）的驱动电流时，电磁驱动线圈与外加沿x轴方向（垂直于扭转梁）的稳恒磁场相互作用产生了±z方向的洛仑兹力，从而使光栅面绕扭转梁偏转。若施加的驱动信号与光栅面的谐振频率一致时，光栅面将产生绕扭转梁偏转的谐振运动，此时达到最大扫描角度。