靳 倩

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽471000）

引言

光譜分析技術是一種重要的理化分析與檢測手段，光譜儀是實現(xiàn)光譜分析的基本設備?；谂まD式微機械掃描光柵的微型光譜儀由于具有質(zhì)量輕、體積小、結構緊湊、性能穩(wěn)定、探測速度快、可以批量生產(chǎn)以及成本低廉的優(yōu)點，廣泛地應用于臨床醫(yī)學體檢、軍事探查、野外現(xiàn)場檢測、星載分析檢測等場合［1］。

扭轉式微機械掃描光柵作為微型光譜儀的核心器件，其性能很大程度上制約著微型光譜儀的應用。為了實現(xiàn)微型光譜儀的市場化應用，希望其同時兼?zhèn)潴w積輕巧、光譜分辨率高、驅動控制簡單以及成本低廉這些優(yōu)良的性能特點?；赟OI技術制備的扭轉式微機械掃描光柵的微型光譜儀是利用光譜掃描的方式進行探測的，因此其只需一個單點探測器即可完成光譜的識別，從而在不影響器件光譜分辨率的前提下大大降低了器件的成本［2］。

1 工作原理

扭轉式微機械掃描光柵的工作原理為：在一個可以轉動的平面（光柵質(zhì)量平板）上刻出光柵結構，利用驅動裝置使光柵的質(zhì)量平板進行扭轉，實現(xiàn)分光和光譜的掃描作用。如圖1所示，當一束復色光入射到光柵表面，將產(chǎn)生光的衍射現(xiàn)象，假設復色光入射角度不變，微機械掃描光柵在驅動力的作用下偏轉了θ角度，則經(jīng)光柵衍射后的相同衍射級次的光譜將會發(fā)生2θ的偏轉；又因為扭轉式微機械掃描光柵可以實現(xiàn)2個方向的扭轉，因此其產(chǎn)生的衍射光譜可以實現(xiàn)4θ的偏轉，即光譜掃描角度可達到4θ，滿足了微型光譜儀大譜段掃描的需求。

圖1 扭轉式微機械掃描光柵工作原理圖Fig.1 Working schematic diagram of micromachined scanning gratings

2 器件結構設計

通過對國內(nèi)外扭轉式微機械掃描光柵的現(xiàn)狀進行分析，發(fā)現(xiàn)在各種各樣的驅動結構中，利用SOI技術制備的靜電垂直梳齒驅動相對于其他驅動方式來說，它可以實現(xiàn)較低電壓驅動較大的位移，同時響應速度也較快［3］。因此，設計了一種利用靜電垂直梳齒驅動的扭轉式微機械掃描光柵結構，見圖2所示。器件利用SOI技術制作，分為器件層（30μm）、絕緣層（0.3μm）和基底層（350μm）。該扭轉式微機械掃描光柵的驅動裝置為靜電平面垂直梳齒，分為固定梳齒和可動梳齒，可動梳齒分布在刻有光柵條的質(zhì)量平板兩側，質(zhì)量平板通過扭轉梁與錨點相連，整個器件的可動結構（質(zhì)量平板、可動梳齒以及扭轉梁）懸置在基底形成的空腔上。在實際平面垂直梳齒工藝制作的過程中，由于MEMS加工的不對稱性以及器件的殘余應力等因素，將導致可動梳齒與固定梳齒在垂直方向產(chǎn)生一定的錯位，所以當給該器件施加一定的交流電時，由于梳齒之間產(chǎn)生了靜電力，而錯位的梳齒正好就起到了一個啟動電極的作用，因此質(zhì)量平板將帶動光柵進行有規(guī)律的扭轉，圖3為扭轉式微機械掃描光柵的動態(tài)驅動原理圖。

圖2 扭轉式微機械掃描光柵結構示意圖Fig.2 Schematic view of torsion-type micromachined scanning gratings

圖3 器件的動態(tài)驅動原理圖Fig.3 Dynamic driving view

對于扭轉式微機械掃描光柵來說，在分析其主振動模態(tài)時，器件可以用一個方形質(zhì)量塊來近似表示［4］。由于器件的主振型模態(tài)要求為轉動振動模態(tài)，因此其轉動方向的諧振頻率fφ為

式中：Iφ和kφ分別為質(zhì)量塊在其轉動方向的轉動慣量和在轉動方向的剛度。

當扭轉式微機械掃描光柵的尺寸一定時（如圖4所示），對于單根扭轉梁，其轉動慣量和剛度可以通過下式求出：

式中：a表示較小一個扭轉梁寬度和厚度的一半；b表示較大一個扭轉梁寬度和厚度的一半；ρ和G分別為硅材料的密度與剪切模量；tm為器件的厚度；Ws和Ls分別為扭轉梁的寬度和長度；Wm和Lm分別為光柵質(zhì)量平板的寬度和長度；N為梳齒驅動器的單側梳齒對數(shù)；Wf和Lf分別為梳齒的寬度和長度。結合扭轉式微機械掃描光柵的應用背景，考慮到單點探測型微型光譜儀多用于頻率較低的場合，因此設計的扭轉式微機械掃描光柵的諧振頻率也應較低，設計的具體結構尺寸見表1所示。器件的厚度由SOI的器件層所決定，由于使用的SOI器件層厚度為30μm，因此將b定為15 μm。通過計算可以得到該器件的理論諧振頻率為327.97Hz。

圖4 扭轉式微機械掃描光柵示意圖Fig.4 Configuration of torsion-type micromachined scanning gratings

表1 擬定質(zhì)量平板尺寸參數(shù)Table 1 Partial geometric dimensions of device

b）刻蝕氧化硅層，直至刻蝕到器件層，在氧化硅層上形成光柵結構的掩膜；

c）以氧化硅為掩膜，濕法刻蝕光柵梁結構，直至刻蝕出現(xiàn)V形光柵槽結構；

d）用40%的HF溶液去除氧化硅層，并進行熱處理去除內(nèi)應力；

e）基底層背面濺射鋁膜，作為ICP干法刻蝕基底空腔的掩膜；

f）刻蝕鋁，在一定濃度配比的鋁刻蝕液中用濕法腐蝕鋁，即將基底層的空腔結構復制到鋁膜上；

g）以鋁膜為掩膜刻蝕基底層硅，直至刻蝕到氧化硅層形成空腔；

h）刻蝕器件層硅，在ICP刻蝕系統(tǒng)中干法刻蝕器件層硅，直至刻蝕到氧化層形成質(zhì)量平板、梳齒以及扭轉梁等結構；

i）釋放，在40%HF溶液中腐蝕SOI的絕緣層，并將器件干燥，即完成扭轉式微機械掃描光柵器件的制作。

3 器件的制作工藝設計

SOI材料，即絕緣體上硅材料，是一種具有“Si／SiO2／Si”3層結構的新型硅基半導體材料，被國際上公認為“21世紀硅集成電路技術”的基礎［5］。它具有普通體硅材料所不具有的優(yōu)點：可以實現(xiàn)集成電路中元器件的介質(zhì)隔離，消除了體硅CMOS電路的寄生閂鎖效應；基于SOI工藝技術的MEMS器件具有寄生電容小、功耗低、工藝簡單的特點，使用SOI硅片可減少13%～20%的工序［6］。因此，利用SOI硅片的工藝技術對所設計的扭轉式微機械掃描光柵進行制作，主要需完成以下幾步：第一，刻蝕出光柵結構；第二，刻蝕出基底層背腔，為其扭轉提供空間；第三，刻蝕出器件層的質(zhì)量平板、扭轉梁以及驅動結構等；第四，進行絕緣層刻蝕，將器件進行釋放。工藝流程見圖5所示。工藝步驟簡述如下：

a）在器件層生成氧化硅層，用于光柵刻蝕的掩膜；

圖5 器件制作工藝流程圖Fig.5 Flow chart of SOI processes for scanning gratings

通過工藝方案制備了扭轉式微機械掃描光柵器件，將其進行打線封裝，器件樣件如圖6所示。圖6中（a）為所制備的器件芯片的正面及反面圖；（b）為器件在顯微鏡下的整體結構圖；（c）為刻蝕形成的V形光柵溝槽結構SEM圖；（d）為梳齒結構SEM圖。從圖6可以看出，制作完成的器件可動梳齒與固定梳齒有一定的錯位，這與之前結構設計的理論相符。

圖6 制作工藝完成后的器件樣件圖Fig.6 Photo of fabricated device

4 器件的性能測試

4.1 諧振頻率測試

利用激光多普勒測振儀，可以方便精確地測試出器件的一階諧振頻率，測試諧振峰值如圖7所示，最大諧振波峰處的頻率值即為器件的一階諧振頻率。從圖7可見測量的頻率值351.88Hz與理論值327.97Hz存在6.8%的誤差，該誤差是由于實際測量中的空氣阻尼導致的。

圖7 激光多普勒所測的諧振頻率峰值Fig.7 Resonant frequency of device measured by laser Doppler

4.2 器件的電壓－轉角性能測試

圖8 激光三角法測量最大轉角Fig.8 Maximum deflection angle of device measured by triangulation method

采用激光三角法（測試原理見圖8所示）對其進行轉角性能的測試，搭建相應的測試系統(tǒng)，通過測試L、b1、b2的數(shù)值即可得到所制備器件的電壓－轉角特性曲線。圖9所示為器件在555Hz的方波激勵信號作用下測得的電壓－轉角特性曲線，從圖9中可以看出，驅動電壓較小時，轉角增加速度較快；當轉角超過3°之后，器件的電壓－轉角特性近似線性；在驅動電壓為25V時，器件的最大轉角可達到±4.8°，對應的光學掃描角為19.2°?？梢娖骷哂休^大光譜掃描范圍。

圖9 器件的電壓－轉角特性曲線Fig.9 Voltage versus rotational angle

5 結論

扭轉式微機械掃描光柵作為單點探測型微型光譜儀的核心器件，在光學領域具有廣泛的應用前景。本文以扭轉式微機械掃描光柵作為研究對象，對其結構設計、制作工藝、性能測試等展開研究，實驗證明所設計的扭轉式微機械掃描光柵具有低頻驅動、掃描范圍廣、制作工藝簡單等優(yōu)點，初步滿足單點探測型微型光譜儀要求。

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