微機械可調(diào)法布里-珀羅干涉儀裝置及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微機械可調(diào)法布里-珀羅干涉儀裝置及其生產(chǎn)方法。其中，通過微機械（MEMS）技術生產(chǎn)可控法布里-珀羅干涉儀。現(xiàn)有技術干涉儀的溫度漂移造成不準確性并且需要復雜封裝。根據(jù)本發(fā)明，該干涉儀裝置在同一基板上具有電可調(diào)干涉儀和參考干涉儀兩者。使用該參考干涉儀測量溫度漂移，并且該信息用于補償利用可調(diào)干涉儀進行的測量。因此，可提高測量的準確性和穩(wěn)定性，并且減輕了對于封裝的需求。
【專利說明】微機械可調(diào)法布里-珀羅干涉儀裝置及其生產(chǎn)方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種法布里-珀羅干涉儀裝置以及生產(chǎn)法布里-珀羅干涉儀裝置的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及采用微機械(MEMS)技術生產(chǎn)的可調(diào)法布里-珀羅干涉儀。在獨立權利要求的前序部分指明了本發(fā)明的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]例如，法布里-珀羅干涉儀用作濾光器并且用于光譜傳感器。法布里-珀羅干涉儀基于兩個鏡，其中，法布里-珀羅腔形成在鏡之間的間隙中。通過調(diào)節(jié)鏡之間的距離(即，間隙的寬度)，可控制法布里-珀羅干涉儀的通帶波長。通常使用微機械技術生產(chǎn)法布里-珀羅干涉儀。例如，在專利文獻FI95838中描述了這種方案。
[0003]微機械干涉儀通常包括基板以及具有兩種不同折射率材料(例如，二氧化硅和硅)的層。干涉儀的鏡由這兩種材料的交替層構成。通過去除最初形成在兩個鏡之間的犧牲層，提供活動鏡。通過將電壓施加至包含在鏡結構中的電極，控制活動鏡的位置。
[0004]微機械生產(chǎn)技術允許批量生產(chǎn)干涉儀。然而，存在著與現(xiàn)有技術的干涉儀元件相關的某些缺點。為了避免由于環(huán)境變化造成干涉儀的不穩(wěn)定，現(xiàn)有技術的法布里-珀羅干涉儀對于干涉儀的封裝具有較高的要求。然而，在很多應用中，例如，汽車工業(yè)，必須保持較低的元件成本，而提供特殊的封裝會造成生產(chǎn)成本上升。也非常難以避免環(huán)境溫度的變化對于干涉儀溫度的影響。結果，在干涉儀的波長響應中發(fā)生溫度漂移，并且干涉儀的穩(wěn)定性不夠聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個目標在于，避免或減少現(xiàn)有技術的缺點。
[0006]通過以下技術方案實現(xiàn)本發(fā)明的目標，其中，法布里-珀羅干涉儀裝置在同一基板上包括電可調(diào)干涉儀和參考干涉儀。例如，連同利用可調(diào)干涉儀進行的各個測量，測量該參考干涉儀的響應。溫度變化的影響對于這兩個干涉儀是相似的，因此，參考干涉儀的響應的測量可用于對可調(diào)干涉儀的測量結果進行溫度補償。如果仍需要更精確的溫度補償，那么除了通過參考干涉儀進行補償，還能夠使用基于溫度測量的補償。
[0007]參考干涉儀覆蓋一部分孔徑，其中，傳播通過干涉儀裝置的部分輻射穿過參考干涉儀。優(yōu)選地，由探測器接收穿過該孔徑的所有輻射。在從輻射源中接收并且利用干涉儀進行掃描時，在參考干涉儀的標稱波長處可檢測到峰值。由于溫度變化，峰值的波長漂移，并且根據(jù)該漂移，可推導出補償需求。優(yōu)選地，為了檢測到峰值，參考干涉儀被設計為使其峰值在可調(diào)干涉儀操作的正常范圍內(nèi)。也最好將參考干涉儀的峰值波長設計成位于利用可調(diào)干涉儀測量的材料的吸收范圍之外。這樣，該材料不會影響參考干涉儀的功能。
[0008]一種法布里-珀羅干涉儀裝置，其具有允許輻射傳輸?shù)目讖?，所述裝置包括電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀，該電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀具有
[0009]-基板，[0010]-第一鏡結構，在所述基板上，
[0011]-第二活動鏡結構，其中，所述第一鏡結構和第二鏡結構包括基本平行的第一鏡和
第二鏡，
[0012]-法布里-珀羅腔，位于所述第一鏡和第二鏡之間，
[0013]-電極，用于電氣控制所述鏡之間的距離，
[0014]其特征在于
[0015]所述裝置在所述基板的相反表面包括至少一個另外的鏡結構，用于在所述裝置的孔徑內(nèi)形成參考法布里-珀羅干涉儀。
[0016]一種用于生產(chǎn)參考法布里-珀羅干涉儀裝置的方法，其中
[0017]-設置基板，
[0018]-在所述基板上設置第一鏡結構，
[0019]-設置第二活動鏡結構，其中，所述第一鏡結構和第二鏡結構包括基本平行的第一鏡和第二鏡，
[0020]-在所述第一鏡和第二鏡之間設置法布里-珀羅腔，
[0021 ]-設置電極，用于電氣控制所述鏡之間的距離，
[0022]其特征在于
[0023]在所述基板的相反表面設置至少一個另外的鏡結構，用于提供參考干涉儀。
[0024]在從屬權利要求中描述了本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方式。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，該裝置在所述基板的相反表面包括兩個另外的鏡結構，即，第三鏡結構和第四鏡結構，在所述第三和第四鏡結構之間具有確定的間隙，其中，所述間隙用作腔，并且所述第三和第四鏡結構用作參考法布里-珀羅干涉儀的鏡。在另一個實施方式中，所述第三和第四鏡之間的間隙包括固體材料。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方式，參考法布里-珀羅干涉儀在所述基板的相反表面上包括電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀的固定鏡結構、作為腔的基板、以及一個另外的鏡結構。在另一個實施方式中，該基板在所述參考法布里-珀羅干涉儀的區(qū)域包括多個阱，其中，該另外的鏡結構至少部分位于阱的底部表面。
[0027]根據(jù)一個實施方式，參考法布里-珀羅干涉儀覆蓋所述裝置的孔徑的邊緣區(qū)域。
[0028]根據(jù)又一個實施方式，該裝置包括用于形成所述孔徑的圖案化材料層，其中，所述圖案化材料層位于所述參考法布里-珀羅干涉儀的另外的鏡結構上。
[0029]根據(jù)一個實施方式，在基板的相對側同時沉積鏡層。在本發(fā)明的另一個實施方式內(nèi)，與可調(diào)干涉儀的鏡層獨立地沉積參考干涉儀的鏡層。這樣，能夠獨立地針對這兩個干涉儀選擇這些層的材料、厚度以及數(shù)量。
[0030]與現(xiàn)有已知的解決方案相比時，可通過本發(fā)明實現(xiàn)顯著的優(yōu)點。由于可在很大程度上補償溫度變化的影響，所以能夠實現(xiàn)較高的溫度穩(wěn)定性。也能夠降低對于封裝的需求，從而減小封裝和整體元件/系統(tǒng)的成本。而且，在更嚴酷的條件下，也能夠使用干涉儀。[0031 ] 根據(jù)本發(fā)明的干涉儀非常適合于各種波長范圍。需要選擇用于基板以及對于工作波長透明的鏡層的材料。也需要選擇參考干涉儀的工作波長，使得光源和干涉儀之間的任何材料基本上不吸收輻射。
[0032]除了溫度補償以外，例如，本發(fā)明也可用于補償法布里-珀羅干涉儀上的機械振動的影響。
[0033]在本專利申請中，術語“鏡”表示具有反射光的一層或一組層的結構。
[0034]在本專利申請中，術語“輻射”或“光”用于表示波長的光學范圍內(nèi)的任何輻射。
[0035]在本專利申請中，“間隙寬度”表示在有關位置的鏡之間的距離。例如，該間隙能夠為真空或包括可為空氣或其他氣體的物質。在參考法布里-珀羅干涉儀內(nèi)，該間隙優(yōu)選地包括固體材料。
[0036]在本專利申請中，基板的“正面”表示主法布里-珀羅干涉儀的鏡所在的表面。參考法布里-珀羅干涉儀位于相反的表面或“背面”。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]在以下部分中，通過參照附圖，更詳細地描述本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方式，其中:
[0038]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀裝置的橫截面；
[0039]圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀裝置的正視圖；
[0040]圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀裝置的后視圖；
[0041]圖3示出了用于生產(chǎn)法布里-珀羅干涉儀裝置的根據(jù)本發(fā)明的示例性工藝的流程圖。
【具體實施方式】
[0042]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀的橫截面。干涉儀具有(例如)為單晶硅材料的基板100，在該基板上存在著按照層101至105設置的固定鏡的反射層，其中，例如，層102和104是多晶硅，層101、103和105是二氧化硅。該圖未示出可位于固定鏡結構上的電極層。
[0043]干涉儀具有第二活動鏡，其具有反射層111至115。例如，層112和114為多晶硅，層111、113和115為二氧化硅。該圖未示出可位于活動鏡結構上的電極層。
[0044]由已經(jīng)從中去除了犧牲層的空間150形成干涉儀的腔。例如，由蒸汽HF穿過第二鏡結構的孔(未示出)蝕刻該犧牲層。第二鏡因此成為可活動的。已經(jīng)從干涉儀的光學區(qū)域中去除犧牲層，但是未從犧牲層的邊緣155去除該犧牲層。
[0045]干涉儀裝置的背面具有參考干涉儀層。在圖1的裝置中，第三鏡結構具有反射層121至125，這些層分別與電可調(diào)干涉儀的層101至105對應。第四鏡結構具有反射層131至135，這些層分別與電可調(diào)干涉儀的層111至115對應。參考干涉儀的法布里-珀羅腔165所包含的材料與電可調(diào)干涉儀的犧牲層內(nèi)所使用的材料相同。
[0046]例如，在干涉儀裝置的背面，可具有保護層，其可保護材料不潮濕并且用作抗反射層。
[0047]例如通過鋁或在干涉儀的工作范圍內(nèi)不傳輸輻射的一些其他材料的圖案化層140形成用于進行輻射的孔徑。該裝置的孔徑160具有中央?yún)^(qū)域161，該中央?yún)^(qū)域沒有參考法布里-珀羅干涉儀的層。參考干涉儀延伸到孔徑的邊緣區(qū)域162。
[0048]在上述結構中，輻射穿過基板100，因此，該基板必須對于干涉儀的工作波長范圍的輻射透明。[0049]基板層也能夠用作參考干涉儀的腔。在這種情況下，參考干涉儀在基板的背面具有一鏡結構并且在基板的正面具有一鏡結構(該結構也為電可調(diào)干涉儀的固定鏡結構)。然而，該基板對于腔的使用來說較厚，由此，最好在基板的背面設置多個阱。背面鏡然后沉積到阱的底部表面，進而由基板材料形成的腔的厚度變小。
[0050]圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀裝置20的正視圖。用于上部和下部鏡的電極的觸點IlOa和IlOb位于干涉儀的角落。光學區(qū)域250為圓形，并且上部第二鏡設置有用于去除犧牲層的孔。
[0051]圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性法布里-珀羅干涉儀裝置20的后視圖。該裝置的孔徑具有中央?yún)^(qū)域261，該中央?yún)^(qū)域沒有參考干涉儀的層，其中，邊緣區(qū)域262包括參考干涉儀的層。
[0052]圖3示出了用于生產(chǎn)本發(fā)明的法布里-珀羅干涉儀裝置(例如，圖1和2a、2b的干涉儀裝置)的根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的流程圖。
[0053]通過在階段11中設置晶片(130)，開始生成工藝。晶片材料可為例如單晶硅或熔融石英。在基板上設置第一固定鏡結構的接下來的層(101至105)。在階段12中，通過例如在基板上沉積多晶娃和富娃的氮化娃的連續(xù)層，可產(chǎn)生第一鏡結構。例如，在三層(101、103、105)多晶硅之間可存在兩層(102、104) 二氧化硅。參考干涉儀的層(121至125)鏡結構可與電可調(diào)干涉儀的固定鏡結構層同時沉積。同時將這些層沉積在基板的相反側。
[0054]層厚可為例如IOnm至2 μ m。層的實際厚度取決于干涉儀需要在其中起作用的波長范圍。層厚通常為相關層的材料內(nèi)的輻射的工作波長的四分之一或一半。例如，這些層可通過LPCVD工藝沉積在基板上?？蓪⒌谝还潭ㄧR的電極層沉積為摻雜的多晶硅的圖案化層。在圖3的方法中，在階段13中，產(chǎn)生該導電層。由于這兩個鏡結構為固定的，所以在參考干涉儀內(nèi)無需電極層。
[0055]在階段14中，針對電可調(diào)干涉儀設置圖案化犧牲層(155)。同時將形成參考干涉儀的腔的層沉積在基板的相反表面上。犧牲層將限定法布里-珀羅腔。犧牲層的厚度由干涉儀的鏡之間所需要的距離限定。
[0056]在階段15中，可針對活動鏡結構設置觸點和電極的圖案化層。該層也可用作第二活動鏡的光學層。
[0057]在階段17中，形成針對第二活動鏡的另外的層(111至115)。同時，沉積針對參考干涉儀的鏡的層(131至135)。這些另外的層可包括例如多晶硅層和二氧化硅層。層厚可為例如IOnm到2μπι。層的實際厚度取決于需要干涉儀在其中起作用的波長范圍。層厚通常為相關層的材料內(nèi)的輻射的工作波長的四分之一或一半。例如，可通過LPCVD工藝，沉積這些層。接下來，在階段19中，可針對電可調(diào)干涉儀形成電觸點。
[0058]在階段20中，可將例如富硅的氮化硅保護層沉積在晶片的表面上，該表面位于該裝置的背面。這個保護層也可用作抗反射層。設置例如鋁的另外的圖案化層(140)，用于形成針對福射的孔徑。
[0059]在階段21中，從晶片中切割芯片。然后，在階段22中，由蒸汽HF穿過第二鏡的孔蝕刻該犧牲層。在從鏡之間的光學區(qū)域中去除犧牲層時，對電可調(diào)干涉儀形成法布里-珀羅腔(150)，并且釋放第二活動鏡。未從參考干涉儀中去除相應的層。最后，在階段23中，封裝芯片。電觸點可接合，但是也能夠使用法布里-珀羅干涉儀芯片的觸點，用于進行焊接，而非接合。
[0060]存在著幾個階段，其中，在從晶片切掉芯片之前或者在從晶片中切割芯片之后但在封裝芯片之前可去除犧牲層。
[0061]在圖3的工藝中，將鏡的層同時沉積到基板的相反側。然而，能夠單獨地沉積這些層，從而可調(diào)干涉儀的鏡結構以及參考干涉儀的鏡結構具有不同特性的層。
[0062]已經(jīng)根據(jù)所附實施方式描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明顯然不僅僅限于這些實施方式，而是包括在發(fā)明概念和所附專利權利要求書內(nèi)可想到的所有實施方式。
[0063]例如，已經(jīng)提及某些材料、尺寸和形式作為實施本發(fā)明的實例。然而，顯然可根據(jù)具體需求針對每個實現(xiàn)方式來改變并且優(yōu)化尺寸、形式、材料以及結構細節(jié)或生產(chǎn)階段。
[0064]本發(fā)明的干涉儀具有幾個優(yōu)選的應用。這些干涉儀可用作進行測量(例如特定氣體或液體的含量)的各種裝置內(nèi)的可控濾波器。
【權利要求】
1.一種具有孔徑的法布里-珀羅干涉儀裝置，所述孔徑允許輻射透過，所述裝置包括電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀，所述電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀具有: 基板， 第一鏡結構，在所述基板上， 第二活動鏡結構，其中，所述第一鏡結構和第二鏡結構包括大致平行的第一鏡和第二鏡， 法布里-珀羅腔，位于所述第一鏡和第二鏡之間， 電極，用于電氣控制這些鏡之間的距離， 其特征在于 所述裝置在所述基板的相反表面包括至少一個另外的鏡結構，用于在所述裝置的所述孔徑內(nèi)形成參考法布里-珀羅干涉儀。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置在所述基板的相反表面包括兩個另外的鏡結構，所述兩個另外的鏡結構為第三鏡結構和第四鏡結構，在所述第三鏡結構和第四鏡結構之間具有確定的間隙，其中，所述間隙用作腔，并且所述第三鏡結構和第四鏡結構用作所述參考法布里-珀羅干涉儀的鏡。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第三鏡和第四鏡之間的間隙包括固體材料。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述參考法布里-珀羅干涉儀包括所述電可調(diào)法布里-珀羅干涉儀的 固定鏡結構、作為腔的所述基板、以及在所述基板的所述相反表面上一個另外的鏡結構。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述基板在所述參考法布里-珀羅干涉儀的區(qū)域包括多個阱，其中，所述另外的鏡結構至少部分位于所述阱的底部表面。
6.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述參考法布里-珀羅干涉儀覆蓋所述裝置的所述孔徑的邊緣區(qū)域。
7.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括用于形成所述孔徑的圖案化材料層，其中，所述圖案化材料層位于所述參考法布里-珀羅干涉儀的另外的鏡結構上。
8.一種用于生產(chǎn)法布里-珀羅干涉儀裝置的方法，其中: 設置基板(11)， 在所述基板上設置第一鏡結構(12、13)， 設置第二活動鏡結構(15至17)，其中，所述第一鏡結構和第二鏡結構包括大致平行的第一鏡和第二鏡， 在所述第一鏡和第二鏡之間提供法布里-珀羅腔， 設置電極(13、15、19)，用于電氣控制這些鏡之間的距離， 其特征在于 在所述基板的相反表面上設置至少一個另外的鏡結構，用于提供參考干涉儀。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，與針對所述電可調(diào)干涉儀的鏡結構的層同時地沉積針對所述參考干涉儀的鏡結構的層。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，獨立于針對所述電可調(diào)干涉儀的鏡結構的層的沉積來沉積針對所述參考干涉儀的`鏡結構的層。
【文檔編號】G02B26/00GK103487931SQ201310229267
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月8日 優(yōu)先權日:2012年6月8日
【發(fā)明者】亞爾科·安蒂拉, 馬爾蒂·布盧姆伯格 申請人:Vtt技術研究中心