專利名稱：一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器、制作方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器、制作方法及應(yīng)用，屬于光纖通信領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光纖通信的發(fā)展，光纖傳輸系統(tǒng)，光纖網(wǎng)絡(luò)的推廣和普及，必然需要大量的光通訊器件，其中可調(diào)式光衰減器(Variable Optical attenuator)是現(xiàn)代寬帶光網(wǎng)中的一種核心器件，可用于密集波分復(fù)用光纖光網(wǎng)絡(luò)(DWDMFiber Optical Networks)中各信道信號(hào)的強(qiáng)弱調(diào)整，還可用于模擬光纖長距離傳輸或檢測(cè)傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。
MEMS微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical Systems，簡(jiǎn)稱″MEMS″)，又稱微系統(tǒng)，是受微電子技術(shù)啟發(fā)并在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的、是微電子加工技術(shù)和多種微機(jī)械加工技術(shù)相融合而成的微型系統(tǒng)。完整的MEMS是由感知外界信息(力、熱、光、磁、化等)的微傳感器、控制對(duì)象的微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS具有集成電路系統(tǒng)的許多優(yōu)點(diǎn)，如微型化、以硅為主要材料，機(jī)械電氣性能優(yōu)良、可批量生產(chǎn)、集成化等，同時(shí)又集約了機(jī)械、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科發(fā)展出的尖端成果。具有多學(xué)科交叉、多技術(shù)融合的特點(diǎn)，并且為上述學(xué)科的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了有力的工具。
現(xiàn)有MEMS技術(shù)制作的光路可調(diào)式光衰減器主要包括兩種控制類型，一種類型是控制擋光片運(yùn)動(dòng)的擋光型光路可調(diào)光衰減器(圖1)，另一種類型是控制反射鏡面運(yùn)動(dòng)的光路反射型光衰減器(圖2)。對(duì)于擋光型光衰減器，主要使用一個(gè)控制器來控制擋光片的在光路中的運(yùn)動(dòng)來控制光路的耦合面積，以此來獲得可調(diào)諧的光衰減量。比如中國發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枮?0127939.4)報(bào)道，其采用MEMS技術(shù)制作了一個(gè)擋光片驅(qū)動(dòng)器，利用電磁控制驅(qū)動(dòng)器在光路中的運(yùn)動(dòng)達(dá)到控制光信號(hào)衰減的目的，利用這種方法使得插入損耗低、分辨率高，但體積較大、組裝技術(shù)困難并且偏振相關(guān)損耗大。因此器件的體積大不利于器件的集成化，組裝技術(shù)困難不利于器件的大規(guī)模制作，偏振相關(guān)損耗大將使得衰減器的應(yīng)用范圍大幅縮小。而另一種控制反射鏡面運(yùn)動(dòng)的光路反射型光衰減器，主要利用反射鏡面發(fā)射回光路，調(diào)節(jié)反射耦合程度，以此來獲得光衰減量。又如中國專利申請(qǐng)CN02134213.X，報(bào)道利用一鍍有反射率成線性變化的反射膜或有效反射面積成線性變化的活動(dòng)反射鏡將光的方向從一光學(xué)端口反射到另一光學(xué)端口，控制活動(dòng)發(fā)射鏡面的運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到光學(xué)衰減的目的(圖3)。這種反射式光衰減器需要制作成線性變化的反射膜或者反射面積成線性變化的活動(dòng)反射鏡，增加制作工藝難度，而且移動(dòng)這種發(fā)射鏡達(dá)到衰減的反射式光衰減器與擋光型衰減器類似，可能導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗過大，而且這種設(shè)計(jì)的活動(dòng)反射鏡需要移動(dòng)很大的距離，直接導(dǎo)致工作電壓過高，從而器件的功耗增大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器、制作方法及應(yīng)用?？蔀榉瓷涫娇烧{(diào)光衰減器提供一種利用MEMS技術(shù)制作的工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，靜電驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)微鏡驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)器利用靜電力驅(qū)動(dòng)，通過施加較低的電壓，可以使得微鏡面扭轉(zhuǎn)一定角度，通過鏡面扭轉(zhuǎn)的小角度來改變反射光耦合，不同的角度改變引起相應(yīng)的光信號(hào)衰減量。
本發(fā)明提供的一種MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器是由下電極圖形、硅材料器件層、扭轉(zhuǎn)微鏡面、左上電極、左細(xì)梁、右上電極、右細(xì)梁以及上電極與下電極的隔離空間構(gòu)成；其中，左上電極通過左細(xì)梁和硅材料器件層相連接；右上電極通過右細(xì)梁和硅材料器件層相連接；扭轉(zhuǎn)微鏡面位于上電極和下電極構(gòu)成的隔離空間內(nèi)。
所述的扭轉(zhuǎn)微鏡面所在的隔離空間從幾微米到幾十個(gè)微米距離，鏡面扭轉(zhuǎn)的角度可隨驅(qū)動(dòng)器的上電極和下電極施加的電壓調(diào)節(jié)。
本發(fā)明提供的一種MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的制作方法包括的步驟是首先在硅片背面上制作出扭轉(zhuǎn)鏡面的上電極與下電極隔離空間，構(gòu)成扭轉(zhuǎn)鏡面的扭轉(zhuǎn)空間，然后在玻璃上制作鋁的下電極，接著把硅片背面和玻璃套準(zhǔn)后鍵合在一起，把鍵合好的硅玻璃鍵合片進(jìn)行硅片減薄，最后在減薄的硅片層上制作出扭轉(zhuǎn)鏡面的兩端固定的細(xì)梁、驅(qū)動(dòng)器的上電極和扭轉(zhuǎn)微鏡面。對(duì)硅片進(jìn)行劃片后，得到單個(gè)靜電鏡面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，具體特征在于(1)硅片利用一層二氧化硅薄膜作為腐蝕的掩膜層，利用MEMS技術(shù)中的光刻工藝在二氧化硅薄膜上制作出所需圖形，然后使得硅片背面在氫氧化鉀溶液中腐蝕出上電極和下電極的間隔空間。
(2)在減薄后的硅片器件層上，利用光刻工藝制作出扭轉(zhuǎn)鏡面需要的細(xì)梁位置、驅(qū)動(dòng)器的上電極位置和扭轉(zhuǎn)微鏡面位置，然后利用等離子體硅深刻蝕工藝把硅片器件層刻蝕穿通，得到所需的扭轉(zhuǎn)微鏡面、驅(qū)動(dòng)器的上電極和固定上電極和扭轉(zhuǎn)微鏡面的兩根細(xì)梁。
(3)在利用等離子體硅深刻蝕工藝刻蝕得到所需扭轉(zhuǎn)鏡面，驅(qū)動(dòng)器上電極和細(xì)梁之前，可以利用光刻，濺射工藝在硅片器件層上的扭轉(zhuǎn)鏡面部分濺射上一層增加光反射效率的金薄膜。然后再利用等離子體硅深刻蝕工藝刻蝕出所需的扭轉(zhuǎn)微鏡面、驅(qū)動(dòng)器上電極和兩根細(xì)梁。
(4)對(duì)硅玻璃鍵合片上的硅材料進(jìn)行減薄的方法或選用氫氧化鉀(KOH)腐蝕或四甲基氫氧化銨(TMAH)腐蝕液的方法，或采用等離子體硅刻蝕的方法進(jìn)行硅片減薄。
(5)硅片經(jīng)過氫氧化鉀腐蝕減薄或者等離子體硅刻蝕減薄后，可以使用化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)所剩的硅片器件層進(jìn)行表面拋光處理，以獲得更好的硅器件層表面。
(6)可以用氮化硅薄膜作為腐蝕掩膜，腐蝕溶液或KOH溶液或使用TMAH等可以腐蝕硅的各向異性腐蝕液。
(7)在對(duì)硅片進(jìn)行劃片后，得到單個(gè)靜電鏡面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，通過施加幾伏到幾十伏范圍的較低電壓，使微鏡面扭轉(zhuǎn)角度，從而改變發(fā)射光耦合，不同的角度引起相應(yīng)的光信號(hào)衰減。從而使本發(fā)明提供的MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器用于反射式可調(diào)光衰減器。
綜上所述，本發(fā)明的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器，利用MEMS中的光刻、腐蝕、鍵合、濺射和等離子硅深刻蝕技術(shù)制作一種工藝簡(jiǎn)單可行，利用靜電精密驅(qū)動(dòng)，光插入損耗小，驅(qū)動(dòng)電壓低的可用于反射式可調(diào)光衰減器的扭轉(zhuǎn)微鏡面驅(qū)動(dòng)器。該種微鏡面驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于現(xiàn)有MEMS技術(shù)制作出的鏡面驅(qū)動(dòng)器，有體積小、工藝簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低、可靠性高，響應(yīng)速度快和利于集成的優(yōu)點(diǎn)。


圖1現(xiàn)有控制擋光片運(yùn)動(dòng)的擋光型光路可調(diào)光衰減器裝配2現(xiàn)有控制反射鏡運(yùn)動(dòng)的反射式光路可調(diào)光衰減器原理3現(xiàn)有反射式光衰減器驅(qū)動(dòng)器發(fā)射鏡面結(jié)構(gòu)，(a)為正視圖，(b)為側(cè)視圖。
圖4(a)～(j)為本發(fā)明的實(shí)施例制作過程示意圖(a)為制作驅(qū)動(dòng)器的硅片示意圖(b)為硅片經(jīng)過氧化后上下表面生長一層二氧化硅薄膜示意圖(c)在硅片背面二氧化硅層制作出需要硅腐蝕的窗口圖形示意圖(d)為硅片放入氫氧化鉀腐蝕溶液腐蝕后示意圖(e)為在玻璃上采用濺射工藝濺射一層鋁薄膜示意圖(f)為制作出的下電極示意圖(g)為利用硅玻璃鍵合技術(shù)鍵合示意圖(h)為硅玻璃鍵合片在硅基底進(jìn)行腐蝕減薄后的示意圖(i)為在硅器件層上制作出所需梁、上電極和扭轉(zhuǎn)微鏡面?zhèn)纫暿疽鈭D(j)為扭轉(zhuǎn)微鏡面驅(qū)動(dòng)器的示意圖(俯視)圖5為本發(fā)明提供的微機(jī)電系統(tǒng)鏡面驅(qū)動(dòng)器示意中1.為輸入光信號(hào)光纖 2.為輸出光信號(hào)光纖 3.為光纖的支撐部件 4.為擋光片 5.雙光纖準(zhǔn)直器 6.反射鏡面 7.鏡面的基底 10.為硅襯底 11.為二氧化硅薄膜 12.為去除二氧化硅薄膜后暴露出的需要腐蝕的硅區(qū)域 13.為硅片上腐蝕出的上電極和下電極需要的隔離空間區(qū)域 14.為鋁薄膜 15.為玻璃基底 16.為所需的下電極圖形 17.為硅基底腐蝕減薄后剩下的硅材料器件層 18.為扭轉(zhuǎn)微鏡面 19.為左上電極 20.為左細(xì)梁 21.為右上電極22.為右細(xì)梁具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明所提供的MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面的制作工藝步驟，以表述本發(fā)明提供的扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)以及作為可調(diào)光衰減器的應(yīng)用。
本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下1.在硅片上表面和背面生長一層厚度為1000埃到5000埃左右的二氧化硅薄膜。如圖4(b)所示。
2.利用MEMS技術(shù)中的光刻、顯影和二氧化硅腐蝕工藝在二氧化硅薄膜上制作出所需圖形。如圖4(c)所示。
3.把硅片放入溶液濃度為40％溫度為40℃的氫氧化鉀溶液或TMAH溶液中，硅片背面圖形在氫氧化鉀溶液中各向異性腐蝕出10um深圖形，作為上電極和下電極的間隔空間，同時(shí)這個(gè)腐蝕出來的間隔空間也可以對(duì)扭轉(zhuǎn)鏡面提供過載保護(hù)。如圖4(d)所示。
4.利用二氧化硅腐蝕工藝去除硅片上剩余的二氧化硅薄膜。
5.在玻璃片上利用濺射工藝使得玻璃上濺射一層1um左右的鋁電極。如圖4(e)所示。
6.利用光刻、顯影和鋁腐蝕工藝在鋁薄膜上腐蝕出所需的下電極圖形。如圖4(f)所示。
7.硅片背面腐蝕出來的上電極與下電極的隔離空間和玻璃上制作出來的鋁下電極套準(zhǔn)后，利用硅玻璃鍵合技術(shù)進(jìn)行整體的鍵合，使得硅片和玻璃成為一個(gè)整體。如圖4(g)所示。
8.把硅玻璃鍵合片放入氫氧化鉀腐蝕溶液中對(duì)硅片進(jìn)行整體減薄，使得玻璃上的硅片器件層保留在幾十微米左右。如圖4(h)所示。
9.在減薄后的硅片器件層上通過光刻、顯影制作出所需扭轉(zhuǎn)鏡面和上電極處的圖形。
10.利用濺射工藝在硅片暴露出的圖形區(qū)域?yàn)R射幾千埃厚的金薄膜層，以提高反射鏡面的反射率。
11.在減薄后的硅片器件層上再次通過光刻、顯影制作出所需扭轉(zhuǎn)鏡面、上電極和兩端的固定細(xì)梁圖形。利用等離子體硅深刻蝕工藝刻蝕穿通硅片器件層，得到分離開的扭轉(zhuǎn)微鏡面、上電極和兩端固定的細(xì)梁結(jié)構(gòu)。如圖4(i)所示。
12.對(duì)整個(gè)硅片進(jìn)行劃片得到單個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)的，主要應(yīng)用于雙光纖準(zhǔn)直器的反射式可調(diào)光衰減器的扭轉(zhuǎn)微鏡面驅(qū)動(dòng)器。
所制得的MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器，鏡面扭轉(zhuǎn)的角度可隨驅(qū)動(dòng)器的上電極和下電極施加的電壓調(diào)節(jié)，施加電壓的范圍為幾伏特到幾十伏特，所制得得MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器如圖5所示。
本發(fā)明所制備的MEMS扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器是利用靜電驅(qū)動(dòng)，通過施加較低的電壓，使鏡面扭轉(zhuǎn)一定角度，從而改變光耦合，不同角度的改變引起相應(yīng)光信號(hào)衰減，所以是一種相對(duì)于現(xiàn)有MEMS技術(shù)制作的一種反射式可調(diào)光衰減器。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器，其特征在于1)由下電極圖形(16)、硅材料器件層(17)、扭轉(zhuǎn)微鏡面(18)、左上電極(19)、左細(xì)梁(20)、右上電極(21)、右細(xì)梁(22)以及上電極與下電極的隔離空間(13)構(gòu)成；2)左上電極(19)通過左細(xì)梁(20)和硅材料器件層(17)相連接；右上電極(21)通過右細(xì)梁(22)和硅材料器件層(17)相連接；3)扭轉(zhuǎn)微鏡面(18)位于上電極和下電極構(gòu)成的隔離空間(13)內(nèi)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器，其特征在于所述的扭轉(zhuǎn)微鏡面(18)所在的隔離空間從幾微米到幾十個(gè)微米距離，且鏡面扭轉(zhuǎn)的角度隨施加在驅(qū)動(dòng)器的上電極和下電極的電壓調(diào)節(jié)；施加的電壓在幾伏特到幾十伏特范圍。
3.制作權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的方法，其特征在于包括的步驟是首先在硅片背面上制作出扭轉(zhuǎn)鏡面的上電極與下電極隔離空間，構(gòu)成扭轉(zhuǎn)鏡面的扭轉(zhuǎn)空間，然后在玻璃上制作鋁的下電極，接著把硅片背面和玻璃套準(zhǔn)后鍵合在一起，把鍵合好的硅玻璃鍵合片進(jìn)行硅片減薄，最后在減薄的硅片層上制作出扭轉(zhuǎn)鏡面的兩端固定的細(xì)梁、驅(qū)動(dòng)器的上電極和扭轉(zhuǎn)微鏡面，對(duì)硅片進(jìn)行劃片后，得到單個(gè)的靜電鏡面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器。
4.按權(quán)利要求3所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于硅片利用一層二氧化硅薄膜作為腐蝕的掩膜層，利用MEMS技術(shù)中的光刻工藝在二氧化硅薄膜上制作出所需圖形，然后使得硅片背面在氫氧化鉀溶液中腐蝕出上電極和下電極的間隔空間。
5.按權(quán)利要求3所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于在減薄后的硅片器件層上，利用光刻工藝制作出扭轉(zhuǎn)鏡面需要的細(xì)梁位置、驅(qū)動(dòng)器的上電極位置和扭轉(zhuǎn)微鏡面位置，然后利用等離子體硅深刻蝕工藝把硅片器件層刻蝕穿通，得到所需的扭轉(zhuǎn)微鏡面、驅(qū)動(dòng)器的上電極和固定上電極和扭轉(zhuǎn)微鏡面的兩根細(xì)梁。
6.按權(quán)利要求3所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的方法，其特征在于在利用等離子體硅深刻蝕工藝刻蝕得到所需扭轉(zhuǎn)鏡面，驅(qū)動(dòng)器上電極和細(xì)梁之前，利用光刻，濺射工藝在硅片器件層上的扭轉(zhuǎn)鏡面部分濺射上一層增加光反射效率的金薄膜，然后再利用等離子體硅深刻蝕工藝刻蝕出所需的扭轉(zhuǎn)微鏡面、驅(qū)動(dòng)器上電極和兩根細(xì)梁。
7.按權(quán)利要求3所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于對(duì)硅玻璃鍵合片上的硅材料進(jìn)行減薄或選用氫氧化鉀或四甲基氫氧化銨腐蝕的方法，或采用等離子體硅刻蝕的方法。
8.按權(quán)利要求3或4所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器的制作方法，其特征在于用氮化硅薄膜作為腐蝕掩膜，腐蝕溶液或使用四甲基氫氧化銨溶液腐蝕硅的各向異性腐蝕液。
9.按權(quán)利要求1所述的一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器，其特征在于用于反射式可調(diào)光衰減器，它是對(duì)硅片進(jìn)行劃片后，得到單個(gè)靜電鏡面驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，通過施加較低的電壓，使微鏡扭轉(zhuǎn)角度，從而改變發(fā)射光耦合，不同的角度改變引起相應(yīng)的光信號(hào)衰減量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)鏡面驅(qū)動(dòng)器、制作方法及應(yīng)用。其特征在于所述的扭轉(zhuǎn)微鏡面位于上電極和下電極構(gòu)成的隔離空間內(nèi)，其扭轉(zhuǎn)的角度隨驅(qū)動(dòng)器的上電極和下電極施加的電壓調(diào)節(jié)。其制作方法是利用MEMS中的光刻、腐蝕、鍵合、濺射和等離子硅深刻蝕技術(shù)制作一種工藝簡(jiǎn)單可行，利用靜電精密驅(qū)動(dòng)，光插入損耗小，驅(qū)動(dòng)電壓低的可用于反射式可調(diào)光衰減器的扭轉(zhuǎn)微鏡面驅(qū)動(dòng)器。該種微鏡面驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于現(xiàn)有MEMS技術(shù)制作出的鏡面驅(qū)動(dòng)器，有體積小、工藝簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)電壓低、可靠性高，響應(yīng)速度快和利于集成的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81B5/00GK1587022SQ20041005356
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月6日
發(fā)明者李四華, 吳亞明 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所