[发明专利]基于MOEMS工艺集成角度传感器的微扫描光栅

说明书

技术领域

本发明涉及一种微扫描光栅，属于光谱分析技术和MOEMS（Micro-Optical-Electro-Mechanical System）技术领域。

背景技术

利用MOEMS工艺制成的具有分光功能的扫描微光栅广泛应用于光学显示、光谱分析、光学传感，光通信等领域。传统的扫描光栅通常采用步进电机进行光栅扫描，因而增大了光谱仪器的体积和系统本身的体积和能耗。目前随着微机械和微机电技术的发展，微扫描光栅作为一种新的扫描和分光器件，具有体积小、质量轻、精度高、功耗低等特点，可以取代传统光谱仪器的传动和分光机构。

按照微扫描光栅槽型分类，可以分为矩形相位光栅、矩形振幅光栅和闪耀光栅，一般而言闪耀光栅效率最高，但是这类硅基加工的微扫描光栅存在闪耀角过大以至于闪耀效率降低的问题；基于矩形相位光栅原理的微扫描光栅的效率低于前述闪耀式微扫描光栅的效率约百分之五，高于矩形振幅式微扫描光栅的效率百分之三十。

按照光谱扫描的方式分为变光栅常数、变闪耀角、改变光栅扫描角度等方式，其各自特点如下：

1.变光栅常数式扫描光栅通过改变光栅常数从而可以改变衍射光的方向，可以达到光谱扫描的目的，具有简单易行的特点，但是其一般采用SOI硅片或者表面硅加工技术，从而使光栅的成本提高或者表面粗糙度提高，不利于低成本高效率光栅的制造。

2.变闪耀角式扫描光栅在现有的文献资料中都使用表面硅加工工艺，不利于高衍射效率的光栅制造，并且使用高的静电电压驱动。

3.变光栅扫描角式微光栅通过改变光栅扫描角度可以达到光谱扫描的目的，这种微扫描光栅可以选择合理的驱动方式可使得驱动所需的功耗降低。但是一般采用单晶硅的自停止刻蚀原理进行闪耀结构的刻蚀，闪耀角为54.7°，存在闪耀角过大而光栅外形尺寸有限的问题，在实际应用中不能够发挥闪耀光栅的优势。

按照驱动方式分为静电驱动、压电驱动、电磁驱动、热驱动等驱动方式扫描微光栅，其特点如下：

1.静电驱动式扫描光栅的特点是驱动方式简单，功率消耗较小，适合于小距离，高速的光谱扫描，其缺点在于一般需要较高的驱动电压，制造工艺流程较为复杂，因此提高制动效率是MOEMS扫描光栅的主要问题。

2.压电驱动式扫描光栅可以输出较大的制动力，从而可以扩大光谱扫描范围，缺点在于压电材料的成膜工艺较困难。

3.电磁驱动可以输出较大的电磁力矩，制动效率较高，所以微扫描光栅的扫描角度较大，可以使所应用该类器件的光谱仪器光谱扫描范围变大。

4.热驱动式扫描光栅的特点在于工作频率较低，并且热制动器具有迟滞效应，微扫描光栅响应速度往往比较慢。

按照角度监测方式分为主动监测角度的扫描光栅和被动监测角度的扫描光栅。到目前为止，对于集成有监测光栅参数变化传感器的扫描光栅研究较少。绝大多数多数扫描光栅采用了被动监测的办法对光栅的可变参数进行监测，被动监测角度的扫描光栅主要依靠MOEMS器件同频同相的特点，按照驱动和输出的函数对应关系对微光栅的参数变化进行估测，具有方法简单易行的特点，适合于对角度监测要求不高的场合。集成有监测光栅参数变化传感器的扫描光栅一般采用某种角度监测办法对角度进行实时的监测，该方法可以对微光栅进行高精度的实时角度监测，角度监测更准确。

微型化、宽光谱、低功耗、高精度、高分辨率、扫描角度主动式监测是扫描光栅发展的重要方向。利用MOEMS的微加工技术制作集成有角度传感器的扫描光栅是微光栅发展的一个趋势。

发明内容

本发明的目的是针对现有微扫描光栅局限性而提出的一种高衍射效率、集成压阻角度传感器、电磁驱动的基于MOEMS工艺的扫描微光栅，它采用不同于其他扫描光栅驱动结构，实现偏转角的主动监测，减小系统的体积，提高系统的便携性。

本发明通过以下技术方案来加以实现：

基于MEMS工艺的集成角度传感器的微扫描光栅，它由电磁驱动单元、压阻角度传感器单元、光栅衍射面单元和支撑扭转梁单元四部分构成。其中，磁驱动单元部分由MOEMS工艺加工的电磁驱动线圈与永久磁铁元件组成。为了使扫描微光栅做绕支撑扭转梁扭转，加载于电磁驱动线圈的交流电压Ui表示如下：

U_i=U_msin(ωt)

其中U_m为交流电压幅值，ω为扫描微光栅的谐振频率。所述电磁驱动线圈应用溅射和电镀工艺制作，埋层引线使用离子注入的方法制作。