Sma驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器及其陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及光調制器【技術領域】，具體涉及一種光柵光調制器及其制造方法和陣列。SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器包括基底和其上的絕緣層；位于絕緣層之上由支撐梁支撐具有反射面的可動平板，由施加到支撐梁或的偏壓驅動做垂直上下移動；支撐梁由梁體和支撐柱組成，梁體的中部與可動平板連接，梁體的材料為形狀記憶合金SMA；一個固定光柵，罩于上述部件組成的結構單元之上。本發(fā)明利用形狀記憶合金在加電升溫后材料可以變形到預設的形狀，形成雙穩(wěn)態(tài)特性，達到減低光柵非穩(wěn)態(tài)位置駐留引起的位置漂移和防止粘附失效發(fā)生的目的，同時具有驅動電壓低，可以和常規(guī)數(shù)字芯片驅動電路兼容、大行程、驅動力大的優(yōu)點。
【專利說明】SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器及其陣列
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光調制器【技術領域】，具體涉及一種光柵光調制器及其陣列。
【背景技術】
[0002]MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems,微光機電系統(tǒng))技術是MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微機電系統(tǒng))技術和光學技術的進一步融合，具有天生的優(yōu)勢，它可以實現(xiàn)微型光學元件和控制電路的集成，具有可大批量制造，單位成本低，體積微小，響應速度快，性能可靠等優(yōu)勢。目前，基于MOEMS技術制造的光調制器以其優(yōu)良的性能獲得高速的發(fā)展和廣泛的應用，典型的有美國德州儀器公司的數(shù)字微鏡器件DMD和娃光機械公司的光柵光閥GLV,他們在投影顯不、自適應光學、傳感器、光通信、微型化光學平臺等方面也得到了廣泛應用。利用MOEMS技術實現(xiàn)對光的強度、相位、偏振的操作和控制而衍生出的更多更廣的功能性開發(fā)，已成為該領域的重要應用研發(fā)趨勢。由重慶大學提出的基于MOEMS的光柵光調制器，利用光柵衍射原理實現(xiàn)光學調制在投影技術應用上取得了豐碩研究成果，但現(xiàn)有的光柵光調制器，如重慶大學提出的申請?zhí)枮?00510020185.3的中國發(fā)明專利中公開的反射鏡平動式光柵光調制器，對上下反射面的間距的控制要求比較高，在不加電和加電兩個位置容易隨著驅動電路電壓波動形成位置漂移，造成上下反射面的間距參數(shù)與設計參數(shù)存在差異，不能獲得預期的衍射效果。特別是在施壓電壓情況下，梁停留在下拉位置的某一高度是靠驅動電壓決定的，而如果要在非接觸工作方式下拉時保持光柵位置懸空在某一高度不變，就要一直保持施加恒定的電壓，對驅動電路的穩(wěn)定性要求較高，增加了驅動電路的復雜度。另外，在長期使用過程中，當靜電下拉由于干擾出現(xiàn)下拉過度造成吸合現(xiàn)象后，一旦平動式光柵光調制器上下表面間的范德華力、陷阱電荷積累產生的靜電力等表面力超過懸臂梁的彈性回復力，在沒有其它向上的外加拉力的情況下，容易造成粘附使得器件無法再彈起而失效。但如果改變器件工作方式，使得下拉時平動式光柵光調制器上下表面接觸，雖然保證了器件位置穩(wěn)定而無漂移，可是更加容易造成器件粘附失效。另一方面靜電驅動要獲得大行程的位移，通常要較高的驅動電壓，為了和現(xiàn)有常規(guī)數(shù)字芯片驅動電路兼容而降低驅動電壓的折中方法就是降低懸臂梁的剛性，這更增加了疲勞和粘附的可能。
[0003]在MOEMS器件常用的驅動中，電磁驅動和疏齒驅動由于結構太大不適用于光柵光調制器，形狀記憶合金SMA驅動，與壓電、靜電、熱氣等驅動方式相比，具有做功密度大、可恢復應變大、變形回復應力大、驅動電壓低等優(yōu)點，但用于光調制器必須和器件具體結構綜合考慮設計，才能夠有好的效果，而本專利出發(fā)點正是將反射鏡平動式光柵光調制器的垂直平動進行光學調制的特性與SMA的形狀記憶產生穩(wěn)定的雙穩(wěn)態(tài)開關結果有機結合起來，以解決光柵光調制器的工作穩(wěn)定性和粘附失效問題。

【發(fā)明內容】

[0004]有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種MOEMS技術制造的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，利用形狀記憶合金在加電升溫后材料產生馬氏體相變而變形到預設的形狀，達到減低光柵非穩(wěn)態(tài)位置駐留引起的位置漂移和防止粘附失效發(fā)生的目的，同時具有驅動電壓低可以和常規(guī)數(shù)字芯片驅動電路兼容、大行程、驅動力大的優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下:
[0006]本發(fā)明提出的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，包括如下結構:
[0007]基底，其上用濺射或淀積工藝形成絕緣層；
[0008]位于絕緣層之上一定間距、由支撐梁支撐的可動平板，可動平板具有反射面，并由施加到支撐梁或的偏壓驅動做垂直上下移動；
[0009]用于支撐可動平板的支撐梁，該支撐梁由梁體和支撐柱組成，梁體的兩端通過支撐柱固定設置于絕緣層上，梁體的中部與可動平板固定連接，梁體的材料為形狀記憶合金SMA ；
[0010]一個固定光柵，該固定光柵罩于上述部件組成的結構單元之上，并與基底固定，固定光柵與絕緣層之間為可動平板移動的空間間隙；
[0011]驅動電路，通過電極引出線連接支撐梁，可產生不同幅度、不同頻率的驅動電流。
[0012]進一步，所述支撐梁有兩根，交叉為十字形，中部與可動平板相連，支撐梁位于可動平板下方。
[0013]進一步，構成所述支撐梁的材料有雙層，上層為多晶硅，下層形狀記憶合金SMA的材料為TiNi合金，固定光柵、可動平板材料為鋁；絕緣層的材料為二氧化硅。
[0014]進一步，固定光柵表面和可動平板之間的間距可變，在連接可動平板的彈性支撐梁不通過電流時，間距為η λ/2 ;而通過電流時，間距為(2η-1) λ/4。
[0015]本發(fā)明還提供所述的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器組成的光柵光調制器陣列，所述SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器組成的光柵光調制器陣列由至少2個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器并列而成，其中每一個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器均可在驅動電路控制下獨立動作，形成衍射效果不同的點陣。
[0016]本發(fā)明利用了 SMA兼有形狀記憶效應的特性作為驅動。SMA在低溫時的馬氏體相和高溫的奧氏體相之間可以通過加熱和冷卻切換，使得其可以在應力變形后回復到其記憶的初始形狀。SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器中，用于支撐可動平板的支撐梁可以由具有雙程記憶效應的SMA合金在加熱和冷卻情況下形成兩個不同的穩(wěn)態(tài)位置。按進一步技術方案描述，構成所述支撐梁的材料也可以有雙層，上層為提供彈性偏置力的多晶硅，下層形狀記憶合金SMA的材料為TiNi合金，TiNi合金提供相變回復力。在室溫下不施加電流時，TiNi合金薄膜為馬氏體結構，支撐梁呈平坦狀；當對TiNi合金薄膜施加直流加熱電流后，TiNi合金薄膜變?yōu)閵W氏體結構，這時TiNi合金膜受張應力，整個復合支撐梁向上拱起。當對TiNi合金膜施加交變加熱電流后，復合支撐梁便實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)位置的切換。這兩個穩(wěn)態(tài)的位置是由材料的性質決定的，在穩(wěn)態(tài)時梁的位置都很穩(wěn)定，不易隨著外界驅動電路的電流小幅波動發(fā)生漂移，只有到達特定溫度才能再次發(fā)生變化，所以對電流驅動裝置的穩(wěn)定性要求較低，驅動電路實現(xiàn)較為簡單，而且SMA合金對驅動電壓要求較低，使得驅動電路可以和常規(guī)數(shù)字芯片驅動電路兼容，驅動的支撐梁具有大行程、驅動力大的優(yōu)點。[0017]按進一步技術方案描述，這兩個穩(wěn)態(tài)的位置，即光柵表面和下反射面之間的間距，在連接光柵的彈性支撐梁不通過電流時，間距為η λ /2 ;而通過電流時，間距為(2η-1)λ/4。這就使得上下兩層光柵反射光線的相位差，在不通過電流時，相位差為2 π，在衍射光零級的位置形成干涉相長；在通電流時，為η，在衍射光零級的位置形成干涉相消。所以這是兩個調制效果最好的穩(wěn)態(tài)位置，這個位置，是可以通過對支撐梁參數(shù)的設計和控制工藝參數(shù)來實現(xiàn)的。
[0018]本發(fā)明由于可動光柵表面在施加電壓和撤去電壓兩個狀態(tài)下分別處在雙穩(wěn)態(tài)的兩個固定位置，長期使用后不易發(fā)生如重慶大學提出的申請?zhí)枮?00510020185.3的中國發(fā)明專利中公開的反射鏡平動式光柵光調制器位置漂移的現(xiàn)象；由于支撐梁和可動平板表面在雙穩(wěn)態(tài)的兩個位置都不和下表面接觸，所以也不易發(fā)生粘附失效現(xiàn)象；即使偶然粘附，利用SMA強大的驅動力也可以使可動光柵表面獲得向上的拉力而擺脫粘附失效。
[0019]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標，和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書，權利要求書，以及附圖中所特別指出的結構來實現(xiàn)和獲得。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明的單像素SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器結構簡圖(僅顯示了一個像素)。
[0021]圖2是圖1沿A方向的剖面圖。
圖3是所示的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器形成陣列的示意圖。
圖4是形狀記憶效應原理示意圖。
[0022]圖5是單像素SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器未加電流時應力翹曲情況的示意圖。
[0023]圖6是單像素SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器加電流時應力翹曲情況的示意圖。
[0024]圖中:1.固定光柵,2.反射面,3.支撐梁,4.絕緣層,5.娃襯底,6.可動平板,7驅動電路。
【具體實施方式】
[0025]以下將對本發(fā)明的優(yōu)選實例進行詳細的描述。
[0026]參見圖1和圖2，本實施例的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器單個像素的結構包括固定光柵1、反射面2、支撐梁3、絕緣層4、硅襯底5、可動平板6、驅動電路7。其制作方式如下:利用熱氧化技術在硅襯底5上淀積一層硅的氧化物，形成絕緣層4，起絕緣作用；利用犧牲層技術，制成支撐梁3及可動平板6 ;支撐梁3的可選材料很多，本發(fā)明可以選用具有雙程記憶效應的SMA合金單層材料構成，也可選用雙層材料，底層為多晶硅，上層為形狀記憶合金TiNi。在通電加熱和在撤銷電流冷卻情況下，支撐梁會上下運動到兩個不同的穩(wěn)態(tài)位置，并帶動可動平板6上下運動?？蓜悠桨?上鍍有AL反射面2 ;固定光柵I表面同樣鍍有Al反射面,利用封裝技術將固定光柵I與娃襯底5固定,形成一個像素,若將固定光柵I整體罩于多個由上述部件組成的像素單元通過并列布置而形成面陣或線陣之上，形成如圖3所示的結構，固定光柵I與絕緣層4之間為可動平板6移動的空間間隙。
[0027]SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器主要用于形成光柵光調制器陣列，可廣泛用于顯示、投影、印刷、光通訊、光譜儀上，以實現(xiàn)對多光束的開關選通，可減小這些儀器和設備的體積和重量。
[0028]參見圖3，SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器主要用于形成光柵光調制器陣列，陣列至少2個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器并列而成，還設置有驅動電路，使其中每一個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器均可在驅動電路控制下分別上下運動到不同的雙穩(wěn)態(tài)高度。
[0029]本發(fā)明利用了 SMA兼有形狀記憶效應的特性作為驅動。參見圖4，形狀記憶合金在低溫呈柔性馬氏體相，容易塑性變形，而后加熱至高溫剛性的奧氏體相回復到變形前的形狀，同時產生較大的回復力，這樣可輸出一定的驅動力或位移，這就是利用形狀記憶效應的驅動機理。整個驅動過程曲線呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性，即在升溫過程中高過臨界點Ms或在降溫過程中低過臨界點As后相變不再繼續(xù)，所以本發(fā)明利用這個雙穩(wěn)態(tài)使得支撐梁在這兩個穩(wěn)態(tài)位置對電流驅動的波動不敏感。
[0030]本發(fā)明SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器中，用于支撐可動平板的支撐梁可以由具有雙程記憶效應的SMA合金在加熱和冷卻情況下形成兩個不同的穩(wěn)態(tài)位置。按進一步技術方案描述，構成所述支撐梁的材料也可以有雙層，上層為提供彈性偏置力的多晶硅，下層形狀記憶合金SMA的材料為TiNi合金，TiNi合金提供相變回復力。在高溫時，TiNi合金薄膜為奧氏體結構，質地較硬，應力也最大。該應力主要是由TiNi合金薄膜在晶化時與多晶硅薄膜間所產生的熱應力所決定的(常用晶態(tài)化溫度為550攝氏度左右)。在低溫時，TiNi合金薄膜為馬氏體結構，較軟，易變形，馬氏體孿晶在多晶硅薄膜偏置力作用下?lián)駜?yōu)取向，應力基本全部釋放。在相轉變溫度(45攝氏度-80攝氏度)范圍內，隨著馬氏體和奧氏體間相結構變化，TiNi合金薄膜中的應力相應積聚和釋放。支撐梁能產生大驅動位移的本質是由于形狀記憶效應使得在較窄的溫度范圍內產生較大的應力變化，而最大的驅動力則是由晶化溫度下的熱應力決定的。參見圖5，在室溫下不施加電流時，TiNi合金薄膜為馬氏體結構，支撐梁呈平坦狀。參見圖6，當對TiNi合金薄膜施加直流加熱電流后，TiNi合金薄膜變?yōu)閵W氏體結構，這時TiNi合金膜受張應力，整個復合支撐梁向上拱起。當對TiNi合金膜施加交變加熱電流后，復合支撐梁便實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)位置的切換。這兩個穩(wěn)態(tài)的位置是由材料的性質決定的，在穩(wěn)態(tài)時梁的位置都很穩(wěn)定，不易隨著外界驅動電路的電流小幅波動發(fā)生漂移，只有到達特定溫度才能再次發(fā)生變化，所以對電流驅動裝置的穩(wěn)定性要求較低，驅動電路實現(xiàn)較為簡單，而且SMA合金對驅動電壓要求較低，使得驅動電路可以和常規(guī)數(shù)字芯片驅動電路兼容，驅動的支撐梁具有大行程、驅動力大的優(yōu)點。
[0031]按進一步技術方案描述，這兩個穩(wěn)態(tài)的位置，即光柵表面和下反射面之間的間距，參見圖5和圖6，在連接光柵的彈性支撐梁不通過電流時，間距h為η λ /2，如η=1時取λ /2 ;而通過電流時，間距h為(2η-1) λ/4，如η=1時取λ/4。這就使得上下兩層光柵反射光線的相位差，在在不通過電流時，相位差為2 π，在衍射光零級的位置形成干涉相長；通電流時，為η，在衍射光零級的位置形成干涉相消。所以這是兩個調制效果最好的穩(wěn)態(tài)位置，這個位置，是可以通過對支撐梁參數(shù)的設計和控制工藝參數(shù)來實現(xiàn)的。
[0032]本發(fā)明由于可動光柵表面在施加電壓和撤去電壓兩個狀態(tài)下分別處在雙穩(wěn)態(tài)的兩個固定位置，長期使用后不易發(fā)生如重慶大學提出的申請?zhí)枮?00510020185.3的中國發(fā)明專利中公開的反射鏡平動式光柵光調制器位置漂移的現(xiàn)象；由于支撐梁和可動平板表面在雙穩(wěn)態(tài)的兩個位置都不和下表面接觸，所以也不易發(fā)生粘附失效現(xiàn)象；即使偶然粘附，利用SMA強大的驅動力也可以使可動光柵表面獲得向上的拉力而擺脫粘附失效。
[0033]驅動電路7采用本領域現(xiàn)有的成熟技術，根據(jù)不同的陣列要求，采用有源驅動或無源驅動方式。同時驅動電路的電極引出線可在制作該結構的同時得到。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領域的技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內。
【權利要求】
1.SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，其特征在于包括: a基底； b基底之上形成的絕緣層； c位于絕緣層之上一定間距、由支撐梁支撐的可動平板，可動平板具有反射面，并由施加到支撐梁或的偏壓驅動做垂直上下移動； d用于支撐可動平板的支撐梁，該支撐梁由梁體和支撐柱組成，梁體的兩端通過支撐柱固定設置于絕緣層上，梁體的中部與可動平板固定連接，梁體的材料為形狀記憶合金SMA ；e 一個固定光柵，該固定光柵罩于上述部件組成的結構單元之上，并與基底固定，固定光柵與絕緣層之間為可動平板移動的空間間隙； f驅動電路，通過電極引出線連接支撐梁，可產生不同幅度、不同頻率的驅動電流。
2.如權利要求1所述的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，其特征在于:所述支撐梁有兩根，交叉為十字形，中部與可動平板相連，支撐梁位于可動平板下方。
3.如權利要求1所述的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，其特征在于:構成所述支撐梁的材料有雙層，上層為多晶硅，下層形狀記憶合金SMA的材料為TiNi合金，固定光柵、可動平板材料為鋁；絕緣層的材料為二氧化硅。
4.如權利要求1至3中任一項所述的的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器，其特征在于:固定光柵表面和可動平板之間的間距可變，在連接可動平板的彈性支撐梁不通過電流時，間距為η λ /2 ;而通過電流時，間距為(2η-1) λ /4。
5.如權利要求1至4中任一項所述的SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器組成的光柵光調制器陣列，其特征在于:所述SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器組成的光柵光調制器陣列由至少2個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器并列而成，其中每一個SMA驅動的雙穩(wěn)態(tài)反射鏡平動式光柵光調制器均可在電流驅動裝置控制下獨立動作。
【文檔編號】G02B26/08GK103955056SQ201410116373
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權日:2014年3月26日
【發(fā)明者】張智海, 路遠, 張文凱, 高玲肖 申請人:重慶大學