MOEMS阿達瑪變換光譜儀的可動光柵光開關陣列

岳秋琴 張智海 余 華

1.重慶電子工程職業學院，重慶，401331

2.重慶大學新型微納器件與系統技術國防重點學科實驗室，重慶，400044

0 引言

阿達瑪變換（Hadamard transform，HT）光譜儀是一種新型的多通道調制型光譜儀，它具有信噪比高、掃描速度快以及光通量大等優點，特別適用于微弱光譜信號測量［1－2］。阿達瑪變換光譜儀的關鍵器件——HT編碼模板主要包括：機械移動和旋轉式模板、液晶空間光調制器模板、微光機電系統 （MOEMS）光調制器模板。MOEMS光調制器模板與前兩者相比較，不僅克服了機械式模板固有的振動和磨損誤差，而且比液晶空間光調制器模板具有更快的調制速度、更大的帶寬和更高的效率。近年來，國內外一些專家學者對此展開了深入研究。文獻［3］介紹了靜電驅動相位式微型光柵干涉儀、可調式MEMS微型可編程光柵、周期可調式的MEMS微型可編程光柵，以及基于SOI制作的周期可調式MEMS微型可編程光柵。莫祥霞等［4］從空間采樣率的角度對光譜儀器分辨率進行分析，從而對MOEMS微鏡面陣光譜儀進行了優化設計。陳小來等［5］采用FPGA（現場可編程門陣列）＋ADV212（專用圖像壓縮編解碼芯片），設計了HT光譜儀硬件實時壓縮系統。

本文構建的MOEMS可動光柵光開關陣列利用光衍射原理，采用HT編碼模板進行光譜儀的編碼調制，相對于其他MOEMS微鏡型的光調制器來說，它具有加工工藝較簡單、成本較低、開關速度快、光譜范圍寬等優點。本文首先分析了HT光譜儀的結構及工作原理，然后提出了可動式光柵光開關陣列結構，并改進了傳統的HT算法，最后設計了加工工藝流程，完成了器件制作，并給出了實驗測試結果及分析。

1 HT光譜儀結構及工作原理

1.1 HT光譜儀結構

HT光譜儀的基本結構如圖1所示，它的工作原理如下：寬帶光源射出的光經過準直，透過采樣池和固定光柵分光，入射到MOEMS可動光柵光開 關 陣 列 （grating moving light modulator，GMLM）上。MOEMS光柵有兩個狀態：開態和關態。不同波長的光經調制后，只有在開態下，才能經過透鏡匯聚到單個探測器上。通過對MOEMS可動光柵光開關陣列按照Hadamard編碼模板編程驅動，可使不同波長的光按特定組合被探測器檢測到，再利用嵌入式系統進行信號解調處理，并在屏幕上顯示光譜測量結果。新型HT光譜儀具有光通量大、光譜信噪比高的優點，特別是應用于近紅外譜段時，可以使用單個近紅外探測器檢測，降低了成本，提高了靈敏度和集成度。

圖1 HT光譜儀結構圖

1.2 可動光柵光開關陣列結構設計及工作原理

可動光柵光開關陣列GMLM的每個像素結構如圖2所示。

圖2 GMLM單像素結構圖

頂層為可動光柵，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。當上下電極沒有施加電壓時，底層反射面與頂層光柵平面距離為nλ/2（λ為入射光波長，n為正整數），此時上下反射表面的相位差為0，±1級的能量幾乎為0，衍射能量集中在0級。當在上下極板之間施加電壓時，由此產生的靜電吸引力使可動光柵光開關向下移動λ/4，底層反射面與光柵平面的間距是（2n－1）λ/4，下反射面與可動光柵一起構成的矩形槽相位光柵相位差為π。由此，入射光的相位通過光柵的上下活塞式運動得到調制，實現光的開關態。

如圖3所示，采用GMLM實現被分光元件色散后的光譜面的空間調制，每個像素對應一個光通道。采用HT編碼模板來驅動GMLM，用HT編碼“0”或“1”來表征GMLM每個像素狀態“ON”或“OFF”。當像素狀態為“ON”時，表示通過該光通道的光可以達到探測器件，對應HT編碼模板的“1”；當像素狀態為“OFF”時，表示通過該光通道的光不能達到探測器件，而被衍射到了其他空間位置，此時對應HT編碼模板的“0”。

圖3 GMLM分光示意圖

2 HT誤差補償算法

2.1 原有的HT算法

HT應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為待測光譜的光強值向量；η為測量光強值向量。

式（1）表示所測信號光入射到編碼矩陣W的GMLM模板上，經過模板的光調制采集到信號光的各個頻段的光強值，該值已經是經過Hadamard編碼的光譜信號的數據值了。因此，只需對式（1）進行逆運算就可以得到所測光譜的數值，即

以上算法在理論上完美，但實際應用中會出現問題。原有的W編碼矩陣為0和1構成的矩陣，其物理意義分別代表對光的完全阻擋和通過。但實際上，GMLM的現有加工工藝使得陣列中的像素高度并非完全均勻，這使得它對某些光波段的調制并非全關和全開，這樣就會造成編碼誤差，影響復原光譜的質量。

2.2 適用于GMLM的HT誤差補償算法

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

其中，S為Sylvester型阿達瑪編碼矩陣［7］。這樣，測量光強值向量可以寫成

其中，b是一常量向量，其中的元素由下式給出：

修正后的測量光強值向量可以表示為

于是，光譜估計值可以表示為

這個算法考慮到了阿達瑪模板中每個像素的不完美狀況，因而可以對GMLM像素不均勻造成的編碼誤差進行較好的補償。整個補償算法如圖4所示，它具有誤差小、速度快、容易實現等優點。

圖4 HT誤差補償算法框圖

3 GMLM的設計理論分析及加工工藝

3.1 GMLM的吸合電壓設計分析

GMLM的吸合電壓非常重要，它關系到器件正常工作電壓的范圍和合理的器件驅動方式。當施加的電壓超過器件吸合電壓時，器件兩個極板會吸合在一起。設計中考慮了電容的邊緣場效應影響，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；ε為上極板和絕緣層間的相對介電常數；deff為上下極板間的等效距離；K為等效彈性系數。

K的計算公式如下：

式中，E為材料的彈性模量；σ為材料的應力；ν為泊松比；l、b1、t2分別為每個支撐梁展開后的長度、寬度、厚度。

根據設計參數，先代入式（7），求得邊緣場效應校正系數γ（deff）；然后根據式（9）求出彈性系數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，發現芯片上的懸空光柵形狀完整，表面光潔，無明顯應力翹曲現象，光柵底部犧牲層釋放干凈，無殘渣。

圖6 可動光柵光開關陣列SEM電鏡圖

4 測量實驗與結果

在信號發生器上產生三角波，經過高壓驅動器放大后，驅動GMLM進行動作。讓0級或±1級衍射光通過，觀察光電探測器上接收到的光強響應信號幅值大小，用示波器可觀測光強響應與驅動電壓的關系曲線，從而確定GMLM的工作電壓和吸合電壓。GMLM的驅動波形和光強響應信號如圖7所示。圖7上面第一通道波形顯示的是驅動電壓，下面第二通道波形顯示的是與光電探測器上接收到的0級光強信號成正比放大的電壓信號。從波形分析可知：隨著驅動電壓的增大，GMLM的可動光柵會逐漸下移，從而使0級衍射光逐漸減弱。當可動光柵光開關下拉λ/4距離時，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，光強響應最小。此時的電壓為器件的工作電壓，對應光強響應曲線的谷底。由圖7可知，當可動光柵光開關對達到吸合點時，電壓會發生跳變，光強響應曲線也同時發生跳變，這個電壓值稱為吸合電壓。經多次實驗測量分析發現：GMLM工作電壓為8.1V，吸合電壓為9.4V，具有工作電壓較低、便于與驅動電路兼容的優點。

圖7 GMLM驅動電壓和光強響應曲線

GMLM吸合時間和釋放時間的測量方法如下：用信號發生器上產生方波，方波幅值剛好超過吸合電壓大小，然后在示波器上觀察光強響應信號的上升沿和下降沿。對GMLM的一個像素進行測量的波形如圖8所示。圖8上面第一通道波形顯示的是與光電探測器上接收到的±1級光強信號成正比放大的電壓信號，下面第二通道波形顯示的是驅動電壓。使用示波器的自動測量功能，得到測量結果，器件吸合時間trise＝332μs，釋放時間tfall＝384μs，所以器件對方波的動態響應頻率為

圖8 GMLM的吸合時間和釋放時間測量波形

若陣列器件為100個像素，每次掃描時間為140ms，則完全滿足實時快速測量的要求。

對GMLM進行分光選通能力實驗，用激光和適當的光闌得到頻譜面上的像素點光斑，如圖9所示。圖9a所示為兩個相鄰像素單元未施加電壓時的0級和±1級譜，可以看出，光強集中在0級。圖9b所示為兩個相鄰像素單元在下拉過程中將光能衍射到±1級時的譜面情況。實驗證明，GMLM可以進行特定光譜波長的分光選通。

圖9 GMLM兩個相鄰像素單元的分光選通實驗

5 結語

本文提出了適用于HT光譜儀的MOEMS可動光柵光開關陣列，分析了其結構和工作原理，改進了HT編碼誤差補償算法，減小了誤差，并在實驗室完成了可動光柵光開關陣列加工。實驗測試表明，可動光柵光開關陣列可以在低至8.1V的電壓下進行光調制，開關頻率達到140Hz，它具有調制速度快、光譜范圍寬、機械磨損和誤差小等優點，完全可以滿足阿達瑪變換光譜儀的編碼要求。

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