Moems掃描光柵微鏡系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及MEMS掃描光柵微鏡，屬于光譜分析技術(shù)和MEMS技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]掃描光柵微鏡作為光譜分析儀器的核心元器件，具有分光功能。將光柵(分光)、微鏡(掃描)和角度傳感器(微鏡運(yùn)動檢測)一體化單芯片集成的M0EMS掃描光柵微鏡，既可以實(shí)現(xiàn)掃描光柵微鏡的高控制精度，提高光譜儀的精度，又能減小系統(tǒng)體系與控制難度。面對目前大氣環(huán)境污染監(jiān)測、食品安全檢測、醫(yī)藥成分檢測等眾多特殊環(huán)境領(lǐng)域的需求，世界各國針對如何精確控制掃描光柵微鏡開展了深入研究。
[0003]必達(dá)泰克公司生產(chǎn)的系列光譜儀由于沒有集成驅(qū)動器和角度傳感器，無法實(shí)現(xiàn)微鏡的掃描，故只能采用CCD陣列探測器。該類型光譜分析儀器具有性能穩(wěn)定、探測速度快、光譜分辨率高、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。但是能滿足需求的長波CCD陣列探測器成本較高，所以在很大程度上限制了該類光譜儀的研發(fā)推廣。
[0004]南京中地儀器有限公司生產(chǎn)的光譜儀采用了將光柵和步進(jìn)電機(jī)二次集成的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了光柵的掃描分光功能，從而可以采用單管CCD探測器獲取光譜信號，大大降低了成本。由于沒有集成角度傳感器，該系統(tǒng)存在明顯的問題:步進(jìn)電機(jī)掃描速度慢，系統(tǒng)輸出光譜波長重復(fù)性差，尤其是二次集成的步進(jìn)電機(jī)機(jī)械軸容易磨損。故很難實(shí)現(xiàn)對掃描光柵微鏡的精確控制。
[0005]重慶大學(xué)微系統(tǒng)中心之前針對集成角度傳感器的M0EMS掃描光柵微鏡開展了初步研究，但M0EMS掃描光柵微鏡、驅(qū)動線圈和角度傳感器均采用的是長方形設(shè)計，且集成角度傳感器只有一圈。該設(shè)計缺點(diǎn)是:首先，M0EMS掃描光柵微鏡、驅(qū)動線圈和角度傳感器均采用長方形設(shè)計不僅造成制造成本提高，且無論怎樣設(shè)計傳感線圈都無法實(shí)現(xiàn)在面積一定的前提下，角度輸出信號的最大化；其次，沒有進(jìn)行角度傳感線圈與驅(qū)動線圈的比例優(yōu)化設(shè)計，集成角度傳感器只有一圈且角度輸出信號很小，只有幾個毫伏的量級，故角度輸出信號很小，和噪聲基本處于一個數(shù)量級，很難被后端的電路所采集?？梢娭霸O(shè)計的集成角度傳感器的M0EMS掃描光柵雖初步將角度傳感器集成于M0EMS掃描光柵微鏡上，但由于設(shè)計上存在的不足，角度輸出信號較弱、很難采集，故無法精度控制M0EMS掃描光柵微鏡的掃描角度及范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有的集成角度傳感器的M0EMS掃描光柵微鏡的角度輸出信號較弱且控制精度較低的局限性，提出一種M0EMS掃描光柵微鏡系統(tǒng)，通過優(yōu)化對角度傳感器的設(shè)計，在M0EMS掃描光柵微鏡面積一定的基礎(chǔ)上，設(shè)計最優(yōu)線圈匝數(shù)比，并結(jié)合后端控制電路，將角度輸出信號提高到近1伏級別，從根本上克服了之前M0EMS掃描光柵微鏡控制角度輸出信號較弱且控制精度較低的問題，可以實(shí)現(xiàn)M0EMS掃描光柵微鏡的精確控制。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下: 本發(fā)明的MOEMS掃描光柵微鏡系統(tǒng)包括M0EMS掃描光柵微鏡和后端閉環(huán)控制電路。所述M0EMS掃描光柵微鏡采用正方形設(shè)計，由掃描光柵、扭轉(zhuǎn)梁、固定邊框、電磁式驅(qū)動線圈和磁電式角度傳感器通過MEMS加工一體集成于偏晶向硅基片上構(gòu)成。其中，掃描光柵、扭轉(zhuǎn)梁、固定邊框集成在硅基片正面，電磁式驅(qū)動線圈和磁電式角度傳感器集成在硅基片背面，磁電式角度傳感器的角度傳感線圈位于電磁驅(qū)動線圈內(nèi)。所述掃描光柵通過扭轉(zhuǎn)梁固定在固定邊框中，扭轉(zhuǎn)梁在電磁式驅(qū)動線圈的驅(qū)動下帶動整個M0EMS掃描光柵微鏡繞其轉(zhuǎn)動，固定邊框?qū)崿F(xiàn)支撐和固定。掃描光柵的閃耀角度為7.9°、光柵常數(shù)為4um，并在表層鍍A1膜，實(shí)現(xiàn)對入射復(fù)合光的閃耀分光功能。
[0008]本M0EMS掃描光柵微鏡系統(tǒng)的磁電式角度傳感器采用正方形、多圈金線漸開式設(shè)計，包括角度傳感線圈、外端開線、內(nèi)端開線、埋層引線和電極板，在M0EMS掃描光柵微鏡掃描過程中產(chǎn)生實(shí)時、動態(tài)的角度輸出信號。外端開線由埋層引線引出并與電極板連接，內(nèi)端開線通過另一埋層引線引出并與電極板連接；兩電極板連接后端閉環(huán)控制電路，進(jìn)行角度輸出信號的測量與處理。
[0009]同樣，電磁式驅(qū)動線圈也為正方形漸開式線圈。
[0010]為了在低電壓驅(qū)動M0EMS掃描光柵微鏡掃描的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)角度輸出信號的最大化，本發(fā)明將M0EMS掃描光柵微鏡面積設(shè)計為6*6mm2，電磁驅(qū)動線圈與角度傳感線圈的寬度設(shè)計為80um，線圈間隔為20um，電磁驅(qū)動線圈與角度傳感線圈的匝數(shù)之和為29，匝數(shù)分配比例為3:26。
[0011]進(jìn)一步，所述角度傳感線圈是通過在3;102表面淀積Si 3N4薄膜并進(jìn)行RIE刻蝕，之后在表層濺射Au制作；埋層引線是通過對Si02進(jìn)行RIE刻蝕并采用離子注入B的方式制作。
[0012]進(jìn)一步，所述驅(qū)動線圈的外端開線采用表層引線工藝，內(nèi)段開線采用埋層引線工藝；電磁驅(qū)動線圈、角度傳感線圈與Si基片之間通過LPCVD工藝淀積S1jP Si 3N4薄膜作為絕緣層。
[0013]具體地，所述閉環(huán)控制電路包括驅(qū)動器控制模塊、M0EMS掃描光柵微鏡控制模塊和閉環(huán)控制模塊，驅(qū)動器控制模塊對驅(qū)動線圈產(chǎn)生的驅(qū)動信號進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)并使其具有穩(wěn)定的輸出，M0EMS掃描光柵微鏡控制模塊接收穩(wěn)定的驅(qū)動信號，控制M0EMS掃描光柵微鏡以適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行掃描，閉環(huán)控制模塊接收角度傳感線圈產(chǎn)生的角度輸出信號并將該角度輸出信號進(jìn)行處理和放大，用于對驅(qū)動器控制模塊進(jìn)行反饋控制，同步調(diào)整驅(qū)動器控制模塊中驅(qū)動線圈產(chǎn)生的驅(qū)動信號大小，使該信號能夠穩(wěn)定驅(qū)動M0EMS掃描光柵微鏡進(jìn)行掃描；所述閉環(huán)控制模塊具有前端反饋控制及后端獲取處理同步實(shí)施的功能。
[0014]與現(xiàn)有集成角度的M0EMS掃描光柵微鏡相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明通過設(shè)計正方形M0EMS掃描光柵微鏡，且角度傳感器也為正方形設(shè)計?？梢源_保在同等面積的前提下，正方形設(shè)計總能保證角度傳感器產(chǎn)生最大的角度輸出信號。
[0015]2、本發(fā)明采用多圈漸開式角度傳感器設(shè)計并在表層濺射Au，大大降低了電阻值，提高了角度輸出信號。在正方形M0EMS掃描光柵微鏡設(shè)計保證單圈最大角度信號的基礎(chǔ)上，設(shè)計最優(yōu)電磁驅(qū)動線圈與角度傳感線圈線圈的匝數(shù)比3:26，實(shí)現(xiàn)角度傳感信號達(dá)到近1伏級別，在保證驅(qū)動電壓較低的前提下極大提高了角度輸出信號的強(qiáng)度。
[0016]3、通過結(jié)合后端閉環(huán)控制電路，可以將角度傳感信號轉(zhuǎn)化為電信號作為反饋信號對驅(qū)動信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和調(diào)制，極大提高了 MOEMS掃描微鏡的準(zhǔn)確性、精度、穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對MOEMS掃描光柵微鏡的精確控制。
[0017]4、本發(fā)明的角度傳感器可以通過MEMS加工工藝集成于M0EMS掃描光柵微鏡，大大減小了微型光譜儀的體積，且降低了整體制造成本。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的M0EMS掃描光柵微鏡正面結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖2為本發(fā)明的M0EMS掃描光柵微鏡背面結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖3為本發(fā)明的M0EMS掃描光柵微鏡系統(tǒng)的閉環(huán)控制電路原理圖。
[0021]圖中:1、掃描光柵，2、扭轉(zhuǎn)梁，3、固定邊框，4、驅(qū)動線圈，5、傳感線圈，6、外端開線，7、內(nèi)端開線，8、外端埋層引線，9、內(nèi)端埋層引線，10、11分別為連接外端埋層引線及內(nèi)端埋層引線的電極，12、驅(qū)動器控制模塊，13、M0EMS掃描光柵微鏡控制模塊，14、閉環(huán)控制模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0023]參見圖1和圖2，本發(fā)明的M0EMS掃描光柵微鏡為正方形，其是由掃描光柵1、扭轉(zhuǎn)梁2、固定邊框3、驅(qū)動線圈4、角度傳感線圈5、外端開線6、內(nèi)端開線7、埋層引線8、9、電極10、11通過MEMS加工工藝共同集成在同一單晶硅基片上。
[0024]其中，掃描光柵1、扭轉(zhuǎn)梁2、固定邊框3集成在硅基片正面，扭轉(zhuǎn)梁2將掃描光柵1和固定邊框3連接起來，扭轉(zhuǎn)梁2可以在驅(qū)動線圈4的驅(qū)動下帶動整個M0EMS掃描光柵微鏡繞其轉(zhuǎn)動，固定邊框3對其實(shí)現(xiàn)支撐和固定作用。M0EMS掃描光柵微鏡正面通過各向異性濕