專(zhuān)利名稱(chēng)：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(guó)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(diǎn)。其共同的不足是體積過(guò)大。近幾年國(guó)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(méi)有完全解決微型化、集成化過(guò)程中存在的工藝兼容這一關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)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。可調(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(dòng)器的空氣隙與光柵插棒相對(duì)并且光柵插棒插入驅(qū)動(dòng)器空氣隙，可調(diào)諧光柵及驅(qū)動(dòng)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(dòng)器為固定連接，在可調(diào)諧光柵主體下方無(wú)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(shí)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(méi)有給出驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)，只用圖示說(shuō)明其有電磁鐵及空氣隙。
已有制作工藝為集成式驅(qū)動(dòng)器使用宏觀(guān)工藝制作然后裝配在支撐體上或帶有滑動(dòng)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(dòng)器結(jié)構(gòu)?？烧{(diào)諧光柵及驅(qū)動(dòng)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(wèn)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(shí)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(dòng)器結(jié)構(gòu)，由于同步輻射運(yùn)行費(fèi)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(guó)目前還沒(méi)有全年開(kāi)放的LIGA專(zhuān)用線(xiàn)使工藝周期長(zhǎng)；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(wèn)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(dòng)端(4)、驅(qū)動(dòng)器(5)、驅(qū)動(dòng)器引線(xiàn)(6)、(7)、驅(qū)動(dòng)器電極(8)、(9)、線(xiàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)端(4)的一端相連接，光柵滑動(dòng)端(4)另一端的部分插入驅(qū)動(dòng)器(5)的開(kāi)口端，襯底(1)作為可調(diào)諧光柵及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器引線(xiàn)(6)(7)及電極(8)(9)位于襯底(1)的上表面，光柵滑動(dòng)端(4)與襯底(1)間為可滑動(dòng)接觸連接，光柵主體(3)與襯底(1)間為非接觸，驅(qū)動(dòng)器(5)中的線(xiàn)圈(10)繞制在鐵芯(12)周?chē)?br> 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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)及驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)的光刻膠圖形；(6)、在步驟5的表面用電鑄制作驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)及驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)；(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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)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(xiàn)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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)兩端開(kāi)孔以便繼續(xù)生長(zhǎng)線(xiàn)圈引線(xiàn)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(xiàn)圈中層。
(15)、對(duì)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(dòng)器鐵芯與線(xiàn)圈上層的絕緣層；(17)、在步驟16表面光刻、電鑄形成線(xiàn)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(xiàn)圈上層以外的絕緣層；(20)、腐蝕光柵滑動(dòng)端下部的二氧化硅，釋放光柵滑動(dòng)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(dòng)器不工作(即驅(qū)動(dòng)器電極間不加電壓)時(shí)，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(dòng)器電極間加直流電壓V時(shí)，在驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈中有電流I通過(guò)。驅(qū)動(dòng)器開(kāi)口端的磁場(chǎng)使光柵滑動(dòng)端向驅(qū)動(dòng)器方向移動(dòng)，從而引起為光柵間距均勻增加Δa。這時(shí)光柵間距變?yōu)閍+Δa。通過(guò)外加電路調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)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(jiǎn)化、低成本、高效率的顯著特點(diǎn)；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(dòng)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(shí)也增加了由工藝引起的位置誤差，降低了器件精度的問(wèn)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(cè)試的電子秤、壓力傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變/溫度測(cè)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(cè)、太陽(yáng)光譜、熱輻射探測(cè)、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(shí)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(dòng)端(4)、驅(qū)動(dòng)器(5)、驅(qū)動(dòng)器引線(xiàn)(6)、(7)、驅(qū)動(dòng)器電極(8)、(9)、線(xiàn)圈(10)、空氣隙(11)、鐵芯(12)。
襯底(1)采用3時(shí)(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(dòng)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(dòng)器(5)采用微型電磁驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器引線(xiàn)(6)、(7)和驅(qū)動(dòng)器電極(8)、(9)、線(xiàn)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(wú)水乙醇脫水后烘干；襯底用PECVD方法雙面分別生長(zhǎng)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(dòng)端(4)氮化硅薄膜之間形成光柵滑動(dòng)端(4)的犧牲層；驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)、驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)及驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圈中層。
在步驟17表面光刻、電鑄銅形成線(xiàn)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(xiàn)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(dòng)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(dòng)端(4)、驅(qū)動(dòng)器(5)、驅(qū)動(dòng)器引線(xiàn)(6)、(7)、驅(qū)動(dòng)器電極(8)、(9)、線(xiàn)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(dòng)端(4)的一端相連接，光柵滑動(dòng)端(4)的另一端部分插入驅(qū)動(dòng)器(5)的開(kāi)口端，襯底(1)作為可調(diào)諧光柵及驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)器引線(xiàn)(6)(7)及電極(8)(9)位于襯底(1)的上表面，光柵滑動(dòng)端(4)與襯底(1)間為可滑動(dòng)接觸連接，光柵主體(3)與襯底(1)間為非接觸，驅(qū)動(dòng)器(5)中的線(xiàn)圈(10)繞制在鐵芯(12)周?chē)?br> 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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)及驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)的光刻膠圖形；(6)、在步驟5的表面用電鑄制作驅(qū)動(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)及驅(qū)動(dòng)器電極、外引線(xiàn)；(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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)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(xiàn)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(dòng)器線(xiàn)圈底層繞線(xiàn)兩端開(kāi)孔以便繼續(xù)生長(zhǎng)線(xiàn)圈引線(xiàn)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(xiàn)圈中層。(15)、對(duì)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(dòng)器鐵芯與線(xiàn)圈上層的絕緣層；(17)、在步驟16表面光刻、電鑄形成線(xiàn)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(xiàn)圈上層以外的絕緣層；(20)、腐蝕光柵滑動(dòng)端下部的二氧化硅，釋放光柵滑動(dòng)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(dòng)端、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器引線(xiàn)、驅(qū)動(dòng)器電極、線(xiàn)圈、空氣隙、鐵芯,用準(zhǔn)LIGA技術(shù)工藝簡(jiǎn)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(dòng)器集成制作在同一襯底上,不需裝配對(duì)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(cè)試的電子秤、壓力傳感器、加速度傳感器、應(yīng)變/溫度測(cè)試儀及位移傳感器等?？捎糜谶b感探測(cè)、太陽(yáng)光譜、熱輻射探測(cè)、空間科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、光纖通信等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B5/28GK1346988SQ0111763
公開(kāi)日2002年5月1日 申請(qǐng)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(lè)孜純, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所