基于寄生电容效应的MEMS近红外法布里-珀罗干涉仪

本发明属于微机电系统，具体涉及一种基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪。

背景技术：

1、法布里-珀罗干涉仪作为一种光学滤波器不仅广泛用于二项色性滤镜、光通信网络、光学波长计等光学领域中，还在天文学及引力波探测领域中具有很高的应用价值。法布里-珀罗干涉仪的主要构成结构为法布里-珀罗腔和上下透镜，在外力作用下，上下透镜相对移动从而导致法布里-珀罗腔的腔体高度发生变化，以达到调节光程差、使不同波长的光发生干涉的目的。其驱动模式主要有两种，即压电驱动模式和静电驱动模式。相较而言，静电驱动法布里-珀罗干涉仪具有更小的尺寸、更高的集成度、更低的能耗和更短的响应时间的优点，同时还具有与mems工艺兼容度高的优势。在专利文献cn103733035a和cn110702224a中对静电驱动法布里-珀罗干涉仪的基础结构及制备工艺做出了详细介绍。为了进一步改善上镜面在受到静电驱动后维持更好的平整度，可以在上镜面周围设计悬臂梁结构，使物理形变主要发生在悬臂梁区域。

2、近红外光谱位于可见光和中红外谱线之间，具体范围为780nm~2500nm。近红外光谱分析可以从事大多数有机物（主要是含氢基团，包含c-h/s-h/o-h/n-h等）的定性、定量分析。其主要应用范围为食品药品的成份鉴别、产地鉴别和真伪鉴别；农牧产品的成份鉴别、成熟度鉴别、品质分级、品种鉴定、产地鉴别和真伪鉴别；以及石油天然气的成分鉴别等。

3、基于上文所述，根据化学计量法原理，静电驱动式mems近红外法布里-珀罗干涉仪在有机物成分等方面的分析具有很高的应用价值。然而，必须要指出的是，由于近红外光谱的波长较短，导致了法布里-珀罗腔的腔体高度很窄（与光谱的通带中心波长有关，通常只有几微米）。同时，为了提高测量精度，干涉仪往往通过较大接收面的光电传感器进行信号转换，这就导致腔体的上下表面积相对来说很大（以圆形为例，其半径几百微米）。

4、若在加工过程中不对器件施加大预应力，往往极低的下拉电压就会使其出现pull-in现象，如此在精度上很难进控制。然而在加工过程中通过应力调节使其具有很高的张应力，使得上镜面周围悬臂梁出现明显的翘曲、塌陷、扭曲、褶皱等形变问题，从而使得悬臂梁结构在静电驱动式mems近红外法布里-珀罗干涉仪中的应用受到限制。

5、施加预应力的大小与具有悬臂梁结构的静电驱动式mems近红外法布里-珀罗干涉仪性能的优劣是一对矛盾体，研究出一种在低预应力（甚至无预应力）条件下仍拥有优异的检测精度的悬臂梁结构静电驱动式mems近红外法布里-珀罗干涉仪具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供了一种基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，该器件在低预应力（甚至无预应力）且保证无pull-in现象发生的条件下仍拥有较高的下拉电压，从而具有优异的检测精度。

2、本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于包括上基板、上镜面、嵌套环式悬臂梁结构上电极、承载层、下镜面、环形下电极和下基板，其中上基板和下基板平行设置于承载层两侧共同构成法布里-珀罗腔体，该上基板、承载层和下基板中部均设有圆形通孔；所述嵌套环式悬臂梁结构上电极外缘嵌套设置于上基板的圆形通孔内，嵌套环式悬臂梁结构上电极内缘嵌套设置有上镜面；所述承载层为绝缘体，用于在不受力情况下保证上基板和下基板相互平行，同时确保法布里-珀罗腔体高度为预设值；所述环形下电极外缘嵌套设置于下基板的圆形通孔内，环形下电极内缘嵌套设置有下镜面，其中下镜面与上镜面相对且平行设置，环形下电极与嵌套环式悬臂梁结构上电极相对且平行设置。

3、进一步限定，所述嵌套环式悬臂梁结构上电极由多根依次嵌套设置的单根环式悬臂梁及连接相邻单根环式悬臂梁的悬臂梁间连接梁构成，相邻的单根环式悬臂梁之间为空气缝隙。单根环式悬臂梁的数量、宽度设计根据实际需求而变，同样地，悬臂梁间连接梁的宽度、长度设计根据实际需求而变。

4、进一步限定，所述上镜面和嵌套环式悬臂梁结构上电极为可移动部件，其中上镜面不导电，嵌套环式悬臂梁结构上电极具有电压。

5、进一步限定，所述下基板为固定结构，其中下镜面接地，环形下电极电压与嵌套环式悬臂梁结构上电极相同，两者等电势可以在电极区域避免静电耦合，避免器件在工作中上基板发生偏转、褶皱等现象，上下镜面在平行的前提下，要尽量确保两者没有对位偏差。

6、进一步限定，所述上镜面和下镜面均由多层具有不同折射率属性材料的镜层叠加构成。

7、进一步限定，所述嵌套环式悬臂梁结构上电极与环形下电极等电势，其中嵌套环式悬臂梁结构上电极的嵌套环式悬臂梁的结构特性使其能够吸收静电力产生机械能，进而使得物理形变主要发生在单根环式悬臂梁和悬臂梁间连接梁处。

8、进一步限定，所述法布里-珀罗腔体的高度设计根据实际所需近红外光波的通带中心波长而调整。

9、本发明所述mems近红外法布里-珀罗干涉仪基于寄生电容效应，通过该效应，可以弱化高电势差对上基板位移的影响，以提高干涉仪的精度。在本发明中，寄生电容效应的具体体现形式为：嵌套环式悬臂梁结构上电极与下镜面作为导体，由于两者完全不对位，两者之间形成了非主电容路径的寄生电容结构，其介质为空气，由于法布里-珀罗腔间隙只有几微米，故寄生电容相较于以往具有主电容路径的静电驱动式mems法布里-珀罗干涉仪十分微弱，从而弱化了嵌套环式悬臂梁结构上电极电压产生静电驱动力的大小。

10、本发明所述mems近红外法布里-珀罗干涉仪在工作时，经前置滤光片处理过的近红外光从上镜面入射，经由法布里-珀罗腔，从下镜面出射。基于寄生电容效应产生的微弱静电驱动力，在上基板张应力很低的情况下，改变法布里-珀罗腔高度。嵌套环式悬臂梁结构上电极的嵌套环式悬臂梁结构吸收了大部分机械能，从而使得物理形变主要发生在悬臂梁结构处，同时，该结构能很大程度弱化应力集中现象，从而保证了上基板良好的平整度及上下镜面间的平行精度，提高了干涉仪的检测精准程度

技术特征：

1.基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于包括上基板、上镜面、嵌套环式悬臂梁结构上电极、承载层、下镜面、环形下电极和下基板，其中上基板和下基板平行设置于承载层两侧共同构成法布里-珀罗腔体，该上基板、承载层和下基板中部均设有圆形通孔；所述嵌套环式悬臂梁结构上电极外缘嵌套设置于上基板的圆形通孔内，嵌套环式悬臂梁结构上电极内缘嵌套设置有上镜面；所述承载层为绝缘体，用于在不受力情况下保证上基板和下基板相互平行，同时确保法布里-珀罗腔体高度为预设值；所述环形下电极外缘嵌套设置于下基板的圆形通孔内，环形下电极内缘嵌套设置有下镜面，其中下镜面与上镜面相对且平行设置，环形下电极与嵌套环式悬臂梁结构上电极相对且平行设置。

2.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述嵌套环式悬臂梁结构上电极由多根依次嵌套设置的单根环式悬臂梁及连接相邻单根环式悬臂梁的悬臂梁间连接梁构成，相邻的单根环式悬臂梁之间为空气缝隙。

3.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述上镜面和嵌套环式悬臂梁结构上电极为可移动部件，其中上镜面不导电，嵌套环式悬臂梁结构上电极具有电压。

4.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述下基板为固定结构，其中下镜面接地，环形下电极电压与嵌套环式悬臂梁结构上电极相同，两者等电势能够在电极区域避免静电耦合，避免器件在工作中上基板发生偏转、褶皱现象。

5.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述上镜面和下镜面均由多层具有不同折射率属性材料的镜层叠加构成。

6.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述嵌套环式悬臂梁结构上电极与环形下电极等电势，其中嵌套环式悬臂梁结构上电极的嵌套环式悬臂梁的结构特性使其能够吸收静电力产生机械能，进而使得物理形变主要发生在单根环式悬臂梁和悬臂梁间连接梁处。

7.根据权利要求1所述的基于寄生电容效应的mems近红外法布里-珀罗干涉仪，其特征在于：所述法布里-珀罗腔体的高度设计根据实际所需近红外光波的通带中心波长而调整。

技术总结本发明公开了一种基于寄生电容效应的MEMS近红外法布里‑珀罗干涉仪，包括上基板、上镜面、嵌套环式悬臂梁结构上电极、承载层、下镜面、环形下电极和下基板；其中上基板、承载层和下基板共同构成法布里‑珀罗腔体；上基板上设有上镜面与嵌套环式悬臂梁结构上电极；下基板上设有下镜面与下电极；嵌套环式悬臂梁结构上电极由多根依次嵌套设置的单根环式悬臂梁和悬臂梁间连接梁构成。基于寄生电容效应产生的微弱静电驱动力，在低张应力的情况下，改变法布里‑珀罗腔高度。静电力产生的大部分机械能大部分被嵌套环式悬臂梁上电极吸收，弱化了应力集中现象，实现了干涉仪对所需波段近红外光波的高精度采集。技术研发人员：巴雁远,慕璠钰,李一鸣,周远航受保护的技术使用者：河南师范大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2