一种可调谐MOEMS滤光片制造技术

本发明专利技术公开了一种可调谐MEMOS滤光片，包括：悬臂梁、可动镜面Si支撑结构、两层反射膜、F‑P腔和衬底；其中所述两层反射膜分别位于衬底上部和可动镜面Si支撑结构下部，用于形成F‑P腔，使得光在两层反射膜之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用；所述悬臂梁位于衬底上方和所述可动镜面Si支撑结构侧边，在可动镜面Si支撑结构与衬底之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构可随着悬臂梁的弯曲变形而平行向下移动，从而调节所述F‑P腔的间距，以便调节光通带中心波长。此外还公开可调谐MEMOS滤光片的调谐控制器和封装结构。

【技术实现步骤摘要】
一种可调谐MOEMS滤光片
本专利技术属于红外探测成像领域，具体而言，涉及基于MOEMS(微光机电系统)技术的波长可调谐滤光片以及其调谐控制器和封装结构。
技术介绍
随着红外探测器技术的发展，现代大规模红外探测器组件已经具备了极高的空间分辨率，在红外搜索跟踪中可以实现很高的探测概率和低误警率。但是宽带中波红外或者长波红外探测器在搜索与跟踪过程中会受到背景杂波、诱饵干扰而导致其探测能力降低，因此为了提高各种军事任务中对杂乱背景下的隐蔽物体的探测能力，需要通过多光谱或者超光谱成像探测技术来提高目标识别率。然而传统的多光谱成像系统采用色散、分立光学元件，例如光栅、棱镜或者各种干涉仪等来进行分光、处理，其体积庞大、结构复杂、功耗大，无法满足未来无人机、微纳卫星等微小型化平台的应用需求。例如随着空间技术的飞速发展，未来的航天体系正朝着类似航天器群的分散航天体系的思路发展，主要思想就是将天基任务、功能或传感器分散到一个或多个轨道平台、平面或者多域的多个系统中。其中研究的核心组成就是分散分布的微纳卫星以及其空间组网技术。这种小型化的卫星平台对于平台载荷的体积、重量、功耗以及数据处理量提出了苛刻的要求，同时还要求载荷在复杂环境中能够获取到有用信息。因此，传统多光谱成像系统的产品和技术形态需要做出重大改变，来满足微小型化搭载的需求，即朝着更小体积、轻重量、低功耗，甚至是更智能化的方向发展。波长可调谐的自适应多光谱探测微系统技术集成MEMS(微电子机械系统)技术、光学薄膜技术、微电子技术：通过将光学薄膜工艺与MEMS器件工艺结合，制备芯片级可调F-P腔(法布里-珀罗腔)MOEMS(微光机电系统)滤光片。通过电压调节F-P腔的尺寸进而调制滤光片的中心波长，实现光谱通带的独立调谐。并且结合自适应调节控制算法与反馈控制电路技术，根据探测器成像数据处理结果进行反馈驱动电压，以实现自适应于变化的环境和任务的多光谱成像。这种基于MOEMS的可调滤光片技术的自适应红外多光谱探测微系统大大减小体积、重量、功耗，智能化水平更高。在军用领域可满足星载、无人机机载等多种微小型化平台进行多光谱成像进而识别目标弹头、诱饵以及其他隐蔽军事目标的探测需求；在民用领域可应用于安防、农业、便携式食品药品的物质光谱检测与分析等。多光谱成像有多种分光方式，其中基于滤光片转轮的方式在早期应用较为普遍，如图1所示。该方式需对每个通道进行单独成像，涉及不同中心波长的滤光片的切换，每次将一个滤光片转轮对准探测器，其滤片轮的循环工作模式为:滤片轮转动→滤片轮至某一位置停止(对准成像光学系统)→图像拍摄→滤片轮转动至下一个滤光片位置停止。上述现有技术的主要缺陷有：(1)整个过程中滤片轮频繁的转动和停止操作导致成像过程缓慢，效率较低；(2)滤光片转轮体积、重量、功耗大；(3)在一个波段范围内，只能有固定数量和确定通带波长的滤光片，谱段调节的灵活性不足。(4)由于有机械运动部件，系统稳定性差，且结构的可靠性难以保证。图2所示为现在常用的推扫色散型多光谱成像中的光栅反射式成像光谱仪。其工作原理如下：物体辐射或反射的光经过光学系统聚焦后入射穿过狭缝，经球面镜反射后入射到凸球面光栅进行反射分光，分光之后再经过球面镜反射，最后不同波长的光入射在光电探测器阵列的不同位置，经过图像处理可以对目标区域的一个维度在不同的波长处同时探测成像，目标在另外一个维度的像经过扫描：成像系统空间上的运动(如卫星)或者物体的平移运动(如传送带带动)，或者经过光学扫描装置对目标扫描之后，经过信号处理最终形成完整的二维多光谱图像。图2所示的现有技术缺点如下：(1)由于该技术获得目标的一帧图像需要扫描，需要较长的时间，不适应高速成像的应用要求；(2)系统体积相对较大，不适合微小型化平台的使用；(3)该技术获得的多光谱图像对应的光谱中心波长数值是固定的，因此该技术不适用于根据外界环境的变化自由选择最佳中心波长对目标进行成像与识别；(4)该技术同时对所有谱段探测成像，获得目标的二维光谱图像导致数据量较大，对硬件资源要求较高。因此需要一种MOEMS的可调谐红外探测系统及相关的器件来解决现有技术存在的上述问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供了一种基于MOEMS(微光机电系统)技术的波长可调谐滤光片以及其调谐控制器和封装结构。本专利技术的一个目的是构建基于MOEMS技术的芯片级的通带可调谐滤光片，大大降低多光谱分光的体积、重量、功耗；既可以用于覆盖整个焦平面进行多光谱探测成像，也可以用于单个探测器前端，进行物质的光谱信息获取与分析。本专利技术的另一个目的是构建能够根据环境光谱的变化而自适应选择最佳探测谱段的智能化可调谐红外成像探测系统，探测中心波长的选择灵活可变，需要的数据量大大降低；本专利技术的另一个目的是构建能够与探测器进行三维集成的微型化多光谱分光系统，大大降低系统体积、重量。为实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种可调谐MEMOS滤光片，包括：悬臂梁(501)、可动镜面Si支撑结构(502)、两层反射膜(503)、F-P腔(506)和衬底(510)；其中所述两层反射膜(503)分别位于衬底(510)上部和可动镜面Si支撑结构(502)下部，用于形成F-P腔(506)，使得光在两层反射膜(503)之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用；所述悬臂梁(501)位于衬底510上方和所述可动镜面Si支撑结构502侧边，在可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构502可随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动，从而调节所述F-P腔的间距，以便调节光通带中心波长。另外，本专利技术还提供了一种可调谐MOEMS滤光片，包括：衬底(707)、两层反射膜(701)、两层电极薄膜(703)和F-P腔(704)；其中，所述两层反射膜中的上反射膜和下反射膜位于衬底上方，在所述两层反射膜(701)和中间的空气间隙形成F-P腔(704)，波长满足干涉条件的光在两层反射膜(701)之间产生谐振，实现通带滤光；以及所述两层电极薄膜(703)用于加载驱动电压，并产生静电吸引力来驱动所述两层反射膜(701)中的上反射膜向下移动，以调节F-P腔(704)的间距，从而实现光通带中心波长的调节。另外，本专利技术还提供了一种可调谐MOEMS滤光片的调谐控制器，包括电容读出电路、反馈控制电路和静电驱动电路，所述可调谐MOEMS滤光片包括由两层反射膜形成的F-P腔，所述两层反射膜相当于上下极板电容；其中所述电容读取电路读取所述极板电容的值，以获取所述F-P腔的间距，并将所述电容值输入所述PID控制器；所述PID控制器通过比较所述电容值和目标值，产生反馈控制信号，并将所述反馈信号输出值驱动电路；以及所述驱动电路使用单端转差分静电驱动电路，通过对F-P腔的上下极板电容施加电压产生静电驱动力，完成F-P腔间距的调节。根据本专利技术提供的可调谐MOEMS滤光片可以大大降低目前多光谱成像系统的体积、重量、功耗，实现芯片级的光谱分光模块，可以大大增加多光谱成像技术应用的平台适用范围，特别是满足微小型化平台对多光谱技术的需求。并且能够结合自适应谱段选择算法实现在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调谐MEMOS滤光片，包括：悬臂梁(501)、可动镜面Si支撑结构(502)、两层反射膜(503)、F‑P腔(506)和衬底(510)；其中所述两层反射膜(503)分别位于衬底(510)上部和可动镜面Si支撑结构(502)下部，用于形成F‑P腔(506)，使得光在两层反射膜(503)之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用；所述悬臂梁(501)位于衬底510上方和所述可动镜面Si支撑结构502侧边，在可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构502可随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动，从而调节所述F‑P腔的间距，以便调节光通带中心波长。

【技术特征摘要】
2016.12.23 CN 20161120298131.一种可调谐MEMOS滤光片，包括：悬臂梁(501)、可动镜面Si支撑结构(502)、两层反射膜(503)、F-P腔(506)和衬底(510)；其中所述两层反射膜(503)分别位于衬底(510)上部和可动镜面Si支撑结构(502)下部，用于形成F-P腔(506)，使得光在两层反射膜(503)之间产生多次反射后选择出波长满足干涉极大条件的光谱，从而实现通带滤光的作用；所述悬臂梁(501)位于衬底510上方和所述可动镜面Si支撑结构502侧边，在可动镜面Si支撑结构502与衬底510之间的静电力作用下产生弯曲变形，并与弹性恢复力达到平衡，导致可动镜面Si支撑结构502可随着悬臂梁501的弯曲变形而平行向下移动，从而调节所述F-P腔的间距，以便调节光通带中心波长。2.根据权利要求1所述的滤光片，还包括两层增透膜(504)，底层增透膜位于衬底(510)的下表面，上层增透膜位于所述可动镜面Si支撑结构(502)的上表面，用于实现特定波长范围的光谱增强透射。3.根据权利要求2所述的滤光片，还包括重掺杂导电区域(509)，所述重掺杂导电区域(509)是在衬底(510)上表面做的重掺杂层，用于产生与可动镜面Si支撑结构(502)之间的静电场和静电吸引力。4.根据权利要求3所述的滤光片，还包括压焊点(508)，用于提供可动镜面Si支撑结构(502)与衬底(510)的键合工艺，使二者固定，并充当可动镜面Si支撑结构(502)与电极的互连线功能。5.根据权利要求4所述的滤光片，还包括支撑结构(507)，位于衬底(510)上，用于支撑可动镜面Si支撑结构(502)，提供所述F-P腔(506)的空气间隙。6.根据权利要求5所述的滤光片，还包括电极引线(505)，位于所述重掺杂导电区域(509)上，用于连接正负电极与外部驱动电路，实现可动镜面Si支撑结构(502)与衬底(510)之间产生电场和静电吸引力。7.根据权利要求6所述的滤光片，在所述可动镜面Si支撑结构(502)和所述重掺杂导电区域(509)上施加驱动电压，使得二者之间静电吸引力驱动所述悬臂梁(501)并达到平衡，实现所述两层反射膜(503)与中间间隙形成的所述F-P腔506间距的调节，从而实现光通带的中心波长的调节。8.根据权利要求7所述的滤光片，通过金属键合工艺将两个硅晶片镀反射膜后对准、键合，再经过一系列减薄、光刻、刻蚀、去除牺牲层的工艺实现所述滤光片的制作。9.一种可调谐MOEMS滤光片，包括：衬底(707)、两层反射膜(701)、两层电极薄膜(703)和F-P腔(704...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东亮，胡小燕，刘大川，林霄，王伟平，丁子瑜，刘杰，王志强，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11