MOEMS阿達(dá)瑪變換光譜儀的可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列

岳秋琴 張智海 余 華

1.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶，401331

2.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶，400044

0 引言

阿達(dá)瑪變換（Hadamard transform，HT）光譜儀是一種新型的多通道調(diào)制型光譜儀，它具有信噪比高、掃描速度快以及光通量大等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于微弱光譜信號(hào)測(cè)量［1－2］。阿達(dá)瑪變換光譜儀的關(guān)鍵器件——HT編碼模板主要包括：機(jī)械移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)式模板、液晶空間光調(diào)制器模板、微光機(jī)電系統(tǒng) （MOEMS）光調(diào)制器模板。MOEMS光調(diào)制器模板與前兩者相比較，不僅克服了機(jī)械式模板固有的振動(dòng)和磨損誤差，而且比液晶空間光調(diào)制器模板具有更快的調(diào)制速度、更大的帶寬和更高的效率。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些專家學(xué)者對(duì)此展開了深入研究。文獻(xiàn)［3］介紹了靜電驅(qū)動(dòng)相位式微型光柵干涉儀、可調(diào)式MEMS微型可編程光柵、周期可調(diào)式的MEMS微型可編程光柵，以及基于SOI制作的周期可調(diào)式MEMS微型可編程光柵。莫祥霞等［4］從空間采樣率的角度對(duì)光譜儀器分辨率進(jìn)行分析，從而對(duì)MOEMS微鏡面陣光譜儀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。陳小來(lái)等［5］采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）＋ADV212（專用圖像壓縮編解碼芯片），設(shè)計(jì)了HT光譜儀硬件實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)。

本文構(gòu)建的MOEMS可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列利用光衍射原理，采用HT編碼模板進(jìn)行光譜儀的編碼調(diào)制，相對(duì)于其他MOEMS微鏡型的光調(diào)制器來(lái)說(shuō)，它具有加工工藝較簡(jiǎn)單、成本較低、開關(guān)速度快、光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。本文首先分析了HT光譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理，然后提出了可動(dòng)式光柵光開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)，并改進(jìn)了傳統(tǒng)的HT算法，最后設(shè)計(jì)了加工工藝流程，完成了器件制作，并給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析。

1 HT光譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 HT光譜儀結(jié)構(gòu)

HT光譜儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的工作原理如下：寬帶光源射出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直，透過(guò)采樣池和固定光柵分光，入射到MOEMS可動(dòng)光柵光開 關(guān) 陣 列 （grating moving light modulator，GMLM）上。MOEMS光柵有兩個(gè)狀態(tài)：開態(tài)和關(guān)態(tài)。不同波長(zhǎng)的光經(jīng)調(diào)制后，只有在開態(tài)下，才能經(jīng)過(guò)透鏡匯聚到單個(gè)探測(cè)器上。通過(guò)對(duì)MOEMS可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列按照Hadamard編碼模板編程驅(qū)動(dòng)，可使不同波長(zhǎng)的光按特定組合被探測(cè)器檢測(cè)到，再利用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)處理，并在屏幕上顯示光譜測(cè)量結(jié)果。新型HT光譜儀具有光通量大、光譜信噪比高的優(yōu)點(diǎn)，特別是應(yīng)用于近紅外譜段時(shí)，可以使用單個(gè)近紅外探測(cè)器檢測(cè)，降低了成本，提高了靈敏度和集成度。

圖1 HT光譜儀結(jié)構(gòu)圖

1.2 可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列GMLM的每個(gè)像素結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GMLM單像素結(jié)構(gòu)圖

頂層為可動(dòng)光柵，在其反射面上蝕刻有鏤空的光柵；中間層為懸臂梁，它作為支撐梁，用來(lái)支撐頂層反射面；頂層反射面和底層反射面之間的間距可變。當(dāng)上下電極沒(méi)有施加電壓時(shí)，底層反射面與頂層光柵平面距離為nλ/2（λ為入射光波長(zhǎng)，n為正整數(shù)），此時(shí)上下反射表面的相位差為0，±1級(jí)的能量幾乎為0，衍射能量集中在0級(jí)。當(dāng)在上下極板之間施加電壓時(shí)，由此產(chǎn)生的靜電吸引力使可動(dòng)光柵光開關(guān)向下移動(dòng)λ/4，底層反射面與光柵平面的間距是（2n－1）λ/4，下反射面與可動(dòng)光柵一起構(gòu)成的矩形槽相位光柵相位差為π。由此，入射光的相位通過(guò)光柵的上下活塞式運(yùn)動(dòng)得到調(diào)制，實(shí)現(xiàn)光的開關(guān)態(tài)。

如圖3所示，采用GMLM實(shí)現(xiàn)被分光元件色散后的光譜面的空間調(diào)制，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)光通道。采用HT編碼模板來(lái)驅(qū)動(dòng)GMLM，用HT編碼“0”或“1”來(lái)表征GMLM每個(gè)像素狀態(tài)“ON”或“OFF”。當(dāng)像素狀態(tài)為“ON”時(shí)，表示通過(guò)該光通道的光可以達(dá)到探測(cè)器件，對(duì)應(yīng)HT編碼模板的“1”；當(dāng)像素狀態(tài)為“OFF”時(shí)，表示通過(guò)該光通道的光不能達(dá)到探測(cè)器件，而被衍射到了其他空間位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)HT編碼模板的“0”。

圖3 GMLM分光示意圖

2 HT誤差補(bǔ)償算法

2.1 原有的HT算法

HT應(yīng)用于光譜儀中的基本公式可以表示為

式中，W為編碼矩陣；ψ為待測(cè)光譜的光強(qiáng)值向量；η為測(cè)量光強(qiáng)值向量。

式（1）表示所測(cè)信號(hào)光入射到編碼矩陣W的GMLM模板上，經(jīng)過(guò)模板的光調(diào)制采集到信號(hào)光的各個(gè)頻段的光強(qiáng)值，該值已經(jīng)是經(jīng)過(guò)Hadamard編碼的光譜信號(hào)的數(shù)據(jù)值了。因此，只需對(duì)式（1）進(jìn)行逆運(yùn)算就可以得到所測(cè)光譜的數(shù)值，即

以上算法在理論上完美，但實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。原有的W編碼矩陣為0和1構(gòu)成的矩陣，其物理意義分別代表對(duì)光的完全阻擋和通過(guò)。但實(shí)際上，GMLM的現(xiàn)有加工工藝使得陣列中的像素高度并非完全均勻，這使得它對(duì)某些光波段的調(diào)制并非全關(guān)和全開，這樣就會(huì)造成編碼誤差，影響復(fù)原光譜的質(zhì)量。

2.2 適用于GMLM的HT誤差補(bǔ)償算法

適用于GMLM的HT誤差補(bǔ)償算法基于這樣一個(gè)更合理的假設(shè)［6］：假設(shè)GMLM在“ON”態(tài)下的通光率為to，在“OFF”態(tài)下的通光率為tc，則式（1）中編碼矩陣W中的1和0應(yīng)該相應(yīng)地修改為to和tc。這樣，原有的編碼矩陣W改善為

其中，S為Sylvester型阿達(dá)瑪編碼矩陣［7］。這樣，測(cè)量光強(qiáng)值向量可以寫成

其中，b是一常量向量，其中的元素由下式給出：

修正后的測(cè)量光強(qiáng)值向量可以表示為

于是，光譜估計(jì)值可以表示為

這個(gè)算法考慮到了阿達(dá)瑪模板中每個(gè)像素的不完美狀況，因而可以對(duì)GMLM像素不均勻造成的編碼誤差進(jìn)行較好的補(bǔ)償。整個(gè)補(bǔ)償算法如圖4所示，它具有誤差小、速度快、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 HT誤差補(bǔ)償算法框圖

3 GMLM的設(shè)計(jì)理論分析及加工工藝

3.1 GMLM的吸合電壓設(shè)計(jì)分析

GMLM的吸合電壓非常重要，它關(guān)系到器件正常工作電壓的范圍和合理的器件驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)施加的電壓超過(guò)器件吸合電壓時(shí)，器件兩個(gè)極板會(huì)吸合在一起。設(shè)計(jì)中考慮了電容的邊緣場(chǎng)效應(yīng)影響，引入修正因子γ（h）［8］如下：

式中，a為柵條寬度；t為上極板厚度；h為上下兩極板間的等效距離。

由此得到修正后的吸合電壓公式：

式中，A為上下極板重合部分的面積；ε0為真空介電常數(shù)；ε為上極板和絕緣層間的相對(duì)介電常數(shù)；deff為上下極板間的等效距離；K為等效彈性系數(shù)。

K的計(jì)算公式如下：

式中，E為材料的彈性模量；σ為材料的應(yīng)力；ν為泊松比；l、b1、t2分別為每個(gè)支撐梁展開后的長(zhǎng)度、寬度、厚度。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，先代入式（7），求得邊緣場(chǎng)效應(yīng)校正系數(shù)γ（deff）；然后根據(jù)式（9）求出彈性系數(shù)K；最后將上述值代入式（8），求出吸合電壓。

3.2 GMLM加工工藝

GMLM加工工藝采用表面濺射Al膜（其中w（Si）＝1%）的微加工工藝［9］，具體工藝流程如圖5所示：（a）P型100硅片進(jìn)行熱氧化，濺射Al膜，圖形化底層電極和反射面；（b）PECVD淀積SiO2，形成絕緣層；（c）涂聚酰亞胺PI，圖形化PI，形成支撐錨點(diǎn)孔；（d）濺射Al膜，形成支柱和支撐梁；（e）涂光刻膠，曝光，但不刻蝕；（f）濺射 Al膜，形成頂層反射面；（g）干法刻蝕Al膜，形成頂層光柵；（h）等離子去膠釋放梁。

圖5 GMLM加工工藝流程圖

加工后的芯片如圖6所示。檢查外觀，發(fā)現(xiàn)芯片上的懸空光柵形狀完整，表面光潔，無(wú)明顯應(yīng)力翹曲現(xiàn)象，光柵底部犧牲層釋放干凈，無(wú)殘?jiān)?/p>

圖6 可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列SEM電鏡圖

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

在信號(hào)發(fā)生器上產(chǎn)生三角波，經(jīng)過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)器放大后，驅(qū)動(dòng)GMLM進(jìn)行動(dòng)作。讓0級(jí)或±1級(jí)衍射光通過(guò)，觀察光電探測(cè)器上接收到的光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)幅值大小，用示波器可觀測(cè)光強(qiáng)響應(yīng)與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系曲線，從而確定GMLM的工作電壓和吸合電壓。GMLM的驅(qū)動(dòng)波形和光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)如圖7所示。圖7上面第一通道波形顯示的是驅(qū)動(dòng)電壓，下面第二通道波形顯示的是與光電探測(cè)器上接收到的0級(jí)光強(qiáng)信號(hào)成正比放大的電壓信號(hào)。從波形分析可知：隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，GMLM的可動(dòng)光柵會(huì)逐漸下移，從而使0級(jí)衍射光逐漸減弱。當(dāng)可動(dòng)光柵光開關(guān)下拉λ/4距離時(shí)，反射面與光柵平面距離為（2n－1）λ/4，GMLM上下反射表面相位差為π，光強(qiáng)響應(yīng)最小。此時(shí)的電壓為器件的工作電壓，對(duì)應(yīng)光強(qiáng)響應(yīng)曲線的谷底。由圖7可知，當(dāng)可動(dòng)光柵光開關(guān)對(duì)達(dá)到吸合點(diǎn)時(shí)，電壓會(huì)發(fā)生跳變，光強(qiáng)響應(yīng)曲線也同時(shí)發(fā)生跳變，這個(gè)電壓值稱為吸合電壓。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)：GMLM工作電壓為8.1V，吸合電壓為9.4V，具有工作電壓較低、便于與驅(qū)動(dòng)電路兼容的優(yōu)點(diǎn)。

圖7 GMLM驅(qū)動(dòng)電壓和光強(qiáng)響應(yīng)曲線

GMLM吸合時(shí)間和釋放時(shí)間的測(cè)量方法如下：用信號(hào)發(fā)生器上產(chǎn)生方波，方波幅值剛好超過(guò)吸合電壓大小，然后在示波器上觀察光強(qiáng)響應(yīng)信號(hào)的上升沿和下降沿。對(duì)GMLM的一個(gè)像素進(jìn)行測(cè)量的波形如圖8所示。圖8上面第一通道波形顯示的是與光電探測(cè)器上接收到的±1級(jí)光強(qiáng)信號(hào)成正比放大的電壓信號(hào)，下面第二通道波形顯示的是驅(qū)動(dòng)電壓。使用示波器的自動(dòng)測(cè)量功能，得到測(cè)量結(jié)果，器件吸合時(shí)間trise＝332μs，釋放時(shí)間tfall＝384μs，所以器件對(duì)方波的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為

圖8 GMLM的吸合時(shí)間和釋放時(shí)間測(cè)量波形

若陣列器件為100個(gè)像素，每次掃描時(shí)間為140ms，則完全滿足實(shí)時(shí)快速測(cè)量的要求。

對(duì)GMLM進(jìn)行分光選通能力實(shí)驗(yàn)，用激光和適當(dāng)?shù)墓怅@得到頻譜面上的像素點(diǎn)光斑，如圖9所示。圖9a所示為兩個(gè)相鄰像素單元未施加電壓時(shí)的0級(jí)和±1級(jí)譜，可以看出，光強(qiáng)集中在0級(jí)。圖9b所示為兩個(gè)相鄰像素單元在下拉過(guò)程中將光能衍射到±1級(jí)時(shí)的譜面情況。實(shí)驗(yàn)證明，GMLM可以進(jìn)行特定光譜波長(zhǎng)的分光選通。

圖9 GMLM兩個(gè)相鄰像素單元的分光選通實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了適用于HT光譜儀的MOEMS可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列，分析了其結(jié)構(gòu)和工作原理，改進(jìn)了HT編碼誤差補(bǔ)償算法，減小了誤差，并在實(shí)驗(yàn)室完成了可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列加工。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，可動(dòng)光柵光開關(guān)陣列可以在低至8.1V的電壓下進(jìn)行光調(diào)制，開關(guān)頻率達(dá)到140Hz，它具有調(diào)制速度快、光譜范圍寬、機(jī)械磨損和誤差小等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足阿達(dá)瑪變換光譜儀的編碼要求。

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