專利名稱：微型可調(diào)諧紅外濾光器及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)器件，涉及一種用于紅外成像的紅外可調(diào)諧濾光器及制作工藝的改進(jìn)。
已有技術(shù)現(xiàn)狀目前國際上用于紅外成像的紅外可調(diào)諧濾光器有聲光方法、Fabry-Perot方法和Fourier變頻光譜方法等，均具有高透射、寬接收角和寬可調(diào)型焦平面變頻等優(yōu)點。其共同的不足是體積過大。近幾年國外也提出了微型化結(jié)構(gòu)及制作方法，由于其各部分分別采用微機(jī)械和機(jī)械方法制作，使得濾光器的制造沒有完全解決微型化、集成化過程中存在的工藝兼容這一關(guān)鍵問題。
已有結(jié)構(gòu)(T.R.Ohnstein，J.D.Zook，等Proc.MEMS′95，MICROElectro Mechanical Sytems，PP170-174，IEEE，Amsterdam(1995))由支撐體、光柵固定端、可調(diào)諧光柵主體、光柵插棒、驅(qū)動器組成，微型可調(diào)諧光柵包括光柵固定端、光柵主體及光柵插棒?？烧{(diào)諧光柵主體的兩端分別與光柵固定端及光柵插棒相連接，驅(qū)動器的空氣隙與光柵插棒相對并且光柵插棒插入驅(qū)動器空氣隙，可調(diào)諧光柵及驅(qū)動器的支撐體位于二者的正下方，支撐體與光柵固定端及驅(qū)動器為固定連接，在可調(diào)諧光柵主體下方無支撐體，光柵插棒懸浮在支撐體上方。
已有結(jié)構(gòu)中光柵插棒懸浮在支撐體上方雖然減少摩擦，但不利于工藝制作，同時易引起可調(diào)諧光柵在與支撐體平面垂直方向上引起光柵主體彎曲，降低器件工作精度。原文獻(xiàn)并沒有給出驅(qū)動器的具體結(jié)構(gòu)，只用圖示說明其有電磁鐵及空氣隙。
已有制作工藝為集成式驅(qū)動器使用宏觀工藝制作然后裝配在支撐體上或帶有滑動端及光柵主體的可調(diào)諧光柵結(jié)構(gòu)電鑄在犧牲層上，然后釋放并裝配在襯底上，襯底在此之前已制備有磁極和附著柱等驅(qū)動器結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)諧光柵及驅(qū)動器是由LIGA工藝分別制作的，電鑄材料為坡莫合金。
工藝步驟中存在的問題首先采用裝配方法制作該器件，不利于批量制作及其它器件與電路集成；同時也增加了由工藝引起的裝配誤差，降低了器件精度。其次，采用LIGA技術(shù)制作光柵及驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，由于同步輻射運行費用昂貴使器件制作成本高；因LIGA工藝需要厚吸收體掩模使工藝復(fù)雜；因我國目前還沒有全年開放的LIGA專用線使工藝周期長；又因同步輻射光源數(shù)量極少使其方法普及性差。
本發(fā)明的目的是解決已有技術(shù)的以上問題，將提供一種集成化微型可調(diào)諧紅外濾光器及制備工藝方法。將典型的微機(jī)械工藝與微電子有機(jī)結(jié)合的利于批量制作及與其它器件與電路集成工藝方法。
本發(fā)明如圖1所示包括在襯底(1)的上表面集成制備有光柵固定端(2)、光柵主體(3)、光柵滑動端(4)、驅(qū)動器(5)、驅(qū)動器引線(6)、(7)、驅(qū)動器電極(8)、(9)、線圈(10)、空氣隙(11)、鐵芯(12)。
本發(fā)明器件由可調(diào)諧光柵及驅(qū)動器及襯底三部分組成。微型可調(diào)諧光柵包括光柵固定端(2)、光柵主體(3)及光柵滑動端(4)。光柵主體(3)的兩端分別與光柵固定端(2)的一端及光柵滑動端(4)的一端相連接，光柵滑動端(4)另一端的部分插入驅(qū)動器(5)的開口端，襯底(1)作為可調(diào)諧光柵及驅(qū)動器(5)的支撐體位于二者的正下方，襯底(1)的上表面與光柵固定端(2)的下表面及驅(qū)動器(5)的下表面固定連接，在襯底(1)本體上制備有空氣隙(11)，光柵主體(3)置于空氣隙(11)的上方，驅(qū)動器引線(6)(7)及電極(8)(9)位于襯底(1)的上表面，光柵滑動端(4)與襯底(1)間為可滑動接觸連接，光柵主體(3)與襯底(1)間為非接觸，驅(qū)動器(5)中的線圈(10)繞制在鐵芯(12)周圍。
本發(fā)明的工藝步驟及順序如下(1)、將襯底雙面化學(xué)拋光并清潔處理(2)、在襯底的雙面分別生長一定厚度的絕緣層；(3)、在襯底的絕緣層表面上制作、光刻、腐蝕形成光柵滑動端的犧牲層；(4)、在步驟3的表面濺射一定厚度的電鑄陰極；(5)、在步驟4的表面用紫外光刻方法刻出驅(qū)動器線圈底層繞線及驅(qū)動器電極、外引線的光刻膠圖形；(6)、在步驟5的表面用電鑄制作驅(qū)動器線圈底層繞線及驅(qū)動器電極、外引線；(7)、去除步驟5表面的光刻膠，并且干法刻蝕表面的銅薄膜；(8)、在步驟7的表面均勻涂覆一層光敏絕緣材料，光刻、顯影留下驅(qū)動器線圈底層繞線表面部分，以保證與鐵芯絕緣；(9)、在步驟8的表面濺射可調(diào)諧光柵與鐵芯的電鑄陰極；(10)、在步驟9的表面用厚膠光刻形成可調(diào)諧光柵與鐵芯膠模；(11)、在步驟10的表面制作可調(diào)諧光柵和線圈鐵芯；(12)、在步驟11的表面去除厚光刻膠并刻蝕電鑄陰極；(13)、在步驟12的表面光刻，刻蝕光敏絕緣材料，在驅(qū)動器線圈底層繞線兩端開孔以便繼續(xù)生長線圈引線中間層部分；(14)、在步驟13的表面制作電鑄陰極，厚膠光刻并制作線圈中層。
(15)、對步驟14去除厚光刻膠、再去除電鑄陰極；(16)、在步驟15表面涂膠并光刻作為驅(qū)動器鐵芯與線圈上層的絕緣層；(17)、在步驟16表面光刻、電鑄形成線圈上層；(18)、在襯底背面光刻并進(jìn)行深刻蝕，形成可調(diào)諧光柵主體背面空氣隙；(19)、除去線圈上層以外的絕緣層；(20)、腐蝕光柵滑動端下部的二氧化硅，釋放光柵滑動端，制作出微型可調(diào)諧紅外濾光器。
本發(fā)明工作原理如圖2當(dāng)驅(qū)動器不工作(即驅(qū)動器電極間不加電壓)時，可調(diào)諧光柵處于自由狀態(tài)，可調(diào)諧光柵間距為a。當(dāng)驅(qū)動器電極間加直流電壓V時，在驅(qū)動器線圈中有電流I通過。驅(qū)動器開口端的磁場使光柵滑動端向驅(qū)動器方向移動，從而引起為光柵間距均勻增加Δa。這時光柵間距變?yōu)閍+Δa。通過外加電路調(diào)節(jié)驅(qū)動器電壓V，可使光柵間距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變，可調(diào)諧光柵工作波長在3-13微米范圍內(nèi)變化，從而使紅外可調(diào)諧濾光器輸出成像信息。
本發(fā)明優(yōu)點在于1、采用準(zhǔn)LIGA技術(shù)作為本發(fā)明的基礎(chǔ)工藝，與LIGA技術(shù)相比，具有工藝簡化、低成本、高效率的顯著特點；2、本發(fā)明采用典型的三維微細(xì)加工技術(shù)將可調(diào)諧光柵與驅(qū)動器集成，便于制成微光電機(jī)械系統(tǒng)芯片；減少器件中各部分的位置誤差，提高器件的可靠性及成品率。解決已有技術(shù)采用分離件裝配制作器件，不利于批量制作，不能與其它器件及電路集成；同時也增加了由工藝引起的位置誤差，降低了器件精度的問題。
本發(fā)明隨著器件原理、工藝及微集成技術(shù)的深入研究，使其不僅作為微型紅外截止濾光器使用，還可將其作為重要元件，用于高精度的微重量測試的電子秤、壓力傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變/溫度測試儀及位移傳感器等。以這種器件為主體制造的微型化儀器將可望用于遙感探測、太陽光譜、熱輻射探測、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、光纖通信等領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明主剖示2是圖1的俯視圖本發(fā)明的實施例如圖1所示包括有襯底(1)、光柵固定端(2)、光柵主體(3)、光柵滑動端(4)、驅(qū)動器(5)、驅(qū)動器引線(6)、(7)、驅(qū)動器電極(8)、(9)、線圈(10)、空氣隙(11)、鐵芯(12)。
襯底(1)采用3時(100)晶向硅片，將襯底雙面化學(xué)拋光。光柵固定端(2)、光柵主體(3)、光柵滑動端(4)、鐵芯(12)采用坡莫合金材料制成。光柵主體(3)采用透射光柵。驅(qū)動器(5)采用微型電磁驅(qū)動器。驅(qū)動器引線(6)、(7)和驅(qū)動器電極(8)、(9)、線圈(10)采用銅材料?？諝庀?11)是在襯底(1)背面光刻并用KOH溶液進(jìn)行濕法刻蝕。
襯底清潔處理步驟為1)、以甲苯、丙酮、乙醇等去除油污等有機(jī)物；
2)、用王水煮沸去除金屬離子；3)、用去離子水超聲清洗，無水乙醇脫水后烘干；襯底用PECVD方法雙面分別生長厚度約1微米的氮化硅絕緣層；步驟3中在襯底的氮化硅絕緣層表面上射頻濺射厚度為500納米的二氧化硅薄膜，采用微電子技術(shù)中的薄膠光刻、濕法腐蝕，在光柵滑動端(4)氮化硅薄膜之間形成光柵滑動端(4)的犧牲層；驅(qū)動器線圈底層繞線、驅(qū)動器電極、外引線的電鑄陰極為厚度700納米的金屬銅；在步驟6表面的驅(qū)動器線圈底層繞線及驅(qū)動器電極、外引線是用精密脈沖電鑄銅制作；在8步驟上所涂覆的光敏材料為聚酰亞胺；在步驟9的表面濺射的電鑄陰極為坡莫合金；在步驟11表面采用電鑄坡莫合金作為可調(diào)諧光柵和線圈鐵芯；在步驟12的表面去膠并干法刻蝕坡莫合金材料的電鑄陰極；在步驟13表面光刻，干法刻蝕的光敏絕緣材料為聚酰亞胺；在步驟14的表面濺射銅薄膜作電鑄陰極，厚膠光刻并電鑄銅作為線圈中層。
在步驟17表面光刻、電鑄銅形成線圈上層；襯底背面光刻并進(jìn)行用KOH溶液作為腐蝕液進(jìn)行深刻蝕，形成可調(diào)諧光柵主體背面空氣隙；干法刻蝕除去線圈上層以外的絕緣層。
權(quán)利要求
1.微型可調(diào)諧紅外濾光器，包括光柵固定端(2)、光柵主體(3)、光柵滑動端(4)，其特征在于在襯底(1)的上表面集成制備有光柵固定端(2)、光柵主體(3)、光柵滑動端(4)、驅(qū)動器(5)、驅(qū)動器引線(6)、(7)、驅(qū)動器電極(8)、(9)、線圈(10)、空氣隙(11)、鐵芯(12)，光柵主體(3)的兩端分別與光柵固定端(2)的一端及光柵滑動端(4)的一端相連接，光柵滑動端(4)的另一端部分插入驅(qū)動器(5)的開口端，襯底(1)作為可調(diào)諧光柵及驅(qū)動器(5)的支撐體位于二者的正下方，襯底(1)的上表面與光柵固定端(2)的下表面及驅(qū)動器(5)的下表面固定連接，在襯底(1)本體上制備有空氣隙(11)，光柵主體(3)置于空氣隙(11)的上方，驅(qū)動器引線(6)(7)及電極(8)(9)位于襯底(1)的上表面，光柵滑動端(4)與襯底(1)間為可滑動接觸連接，光柵主體(3)與襯底(1)間為非接觸，驅(qū)動器(5)中的線圈(10)繞制在鐵芯(12)周圍。
2.微型可調(diào)諧紅外濾光器的制備工藝，其特征在于工藝步驟及順序如下(1)、將襯底雙面化學(xué)拋光并清潔處理；(2)、在襯底的雙面分別生長一定厚度的絕緣層；(3)、在襯底的絕緣層表面上制作、光刻、腐蝕形成光柵滑動端的犧牲層；(4)、在步驟3的表面濺射一定厚度的電鑄陰極；(5)、在步驟4的表面用紫外光刻方法刻出驅(qū)動器線圈底層繞線及驅(qū)動器電極、外引線的光刻膠圖形；(6)、在步驟5的表面用電鑄制作驅(qū)動器線圈底層繞線及驅(qū)動器電極、外引線；(7)、去除步驟5表面的光刻膠，并且干法刻蝕表面的銅薄膜；(8)、在步驟7的表面均勻涂覆一層光敏絕緣材料，光刻、顯影留下驅(qū)動器線圈底層繞線表面部分，以保證與鐵芯絕緣；(9)、在步驟8的表面濺射可調(diào)諧光柵與鐵芯的電鑄陰極；(10)、在步驟9的表面用厚膠光刻形成可調(diào)諧光柵與鐵芯膠模；(11)、在步驟10的表面制作可調(diào)諧光柵和線圈鐵芯；(12)、在步驟11的表面去除厚光刻膠并刻蝕電鑄陰極；(13)、在步驟12的表面光刻，刻蝕光敏絕緣材料，在驅(qū)動器線圈底層繞線兩端開孔以便繼續(xù)生長線圈引線中間層部分；(14)、在步驟13的表面制作電鑄陰極，厚膠光刻并制作線圈中層。(15)、對步驟14去除厚光刻膠、再去除電鑄陰極；(16)、在步驟15表面涂膠并光刻作為驅(qū)動器鐵芯與線圈上層的絕緣層；(17)、在步驟16表面光刻、電鑄形成線圈上層；(18)、在襯底背面光刻并進(jìn)行深刻蝕，形成可調(diào)諧光柵主體背面空氣隙；(19)、除去線圈上層以外的絕緣層；(20)、腐蝕光柵滑動端下部的二氧化硅，釋放光柵滑動端，制作出微型可調(diào)諧紅外濾光器。
全文摘要
本發(fā)明屬于微光學(xué)器件,包括襯底、光柵固定端、光柵主體、光柵滑動端、驅(qū)動器、驅(qū)動器引線、驅(qū)動器電極、線圈、空氣隙、鐵芯,用準(zhǔn)LIGA技術(shù)工藝簡化、低成本、效率高;用典型的三維微細(xì)加工技術(shù)將可調(diào)諧光柵與驅(qū)動器集成制作在同一襯底上,不需裝配對準(zhǔn),便于制成微光電機(jī)械系統(tǒng)芯片;本發(fā)明提供微型可調(diào)諧紅外濾光器,可用于微重量測試的電子秤、壓力傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變/溫度測試儀及位移傳感器等?？捎糜谶b感探測、太陽光譜、熱輻射探測、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、光纖通信等領(lǐng)域。
文檔編號G02B5/28GK1346988SQ0111763
公開日2002年5月1日 申請日期2001年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月30日
發(fā)明者梁靜秋, 姚勁松, 樂孜純, 王立軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所