本部分介绍的内容能够有助于更好地理解本发明。因此，应按照这种思路 来阅读本部分的内容。本部分的内容并不理解为承认是现有技术还是非现有技 术的范围。
光探测器已经使用过各种物理方法以测量光强度。物理方法的例子包括光 感应化学反应、光感应加热和光感应电荷载流子转移。这些物理方法中的每一 种在测量入射光强度的能力上都有局限性。测量能力上的某些局限性是由物理 方法的速度和/或物理方法的波长选择性而产生的。

在第一方面，提供一种装置，包括室、机电驱动器、窗和机械悬臂梁。该 室具有内部，机械悬臂梁设置在该内部中。该机械悬臂梁具有附着到机电驱 动器的第一端和自由的第二端。该驱动器被配置成驱动该机械悬臂梁以执行 摆动(oscillatory motion)。该窗沿着该室的壁定位以使得外部光能够进入室内 并照射部分机械悬臂梁。该机械悬臂梁被配置成机械地对通过窗进入该室内 的外部光照射作出响应。
在一些实施例中，该装置包括配置来跟踪机械悬臂梁位置的运动探测器。 该运动探测器可以包括配置来向将光束导向悬臂梁的表面的光源和配置来响 应于测量机械悬臂梁反射的一部分光束以输出指示机械悬臂梁位置的数据信 号的光探测器。该装置还可包括配置成根据光探测器输出的数据信号确定外 部光的强度的处理器。
在一些实施例中，该室可以是基本排空了气体的。
在第二方面，提供一种方法，包括当以在一频率范围上驱动机械悬臂梁时 将机械悬臂梁的一个表面曝光在入射光下。该方法包括根据在执行该驱动时对 悬臂梁运动的测量确定机械悬臂梁的一个或多个动态机械特性。该方法还包括 根据所确定的一个或多个动态特性确定入射光的强度。
在本方法的一些实施例中，曝光的步骤可以包括维持机械悬臂梁的周围基 本真空。
在本方法的一些实施例中，该一个或多个确定的动态机械特性中的一个是 机械悬臂梁的机械共振特性。该一个或多个确定的动态机械特性中的该一个可 以是机械共振频率，机械共振幅度或被驱动的机械悬臂梁的相位滞后的表示。
在本方法的一些实施例中，确定强度的步骤还可以包括将所确定的一个或 多个动态机械特性和相同的一个或多个动态机械特性的参考值进行比较。
在第三方面，提供一种装置，包括机电驱动器、机械悬臂梁阵列和运动探 测器阵列。每个悬臂梁都具有物理附着到机电驱动器的第一端并具有自由的第 二端以响应被机电驱动器驱动的第一端而执行摆动。每个运动探测器被配置来 跟踪对应的一个机械悬臂梁的位置。每个机械悬臂梁机械地响应于入射在其上 的入射光的强度。
在一些实施例中，该装置还可以包括基本真空的室和能够使光进入该该室 的窗。机械悬臂梁阵列可以设置在室内。该窗被定位成允许光照射机械悬臂梁 的。在一些实施例中，该窗可以被配置来阻挡可见光。
在一些实施例中，该装置还可以包括被连接来从运动探测器接收数据信号 的处理器。该处理器被配置来基于所接收的数据信号产生表示由入射到机械悬 臂梁上的光形成的强度图案的图像数据。该处理器还可以被配置来基于机械悬 臂梁之一的机械共振特性的值确定入射到该一个机械悬臂梁上的光的强度。该 值从所接收的数据信号确定。

图1是示出光探测器的一个实施例的侧视图；
图2是用于图1的光探测器的示例性机械悬臂梁的末梢部分的顶视图；
图3是图1中的机械悬臂梁的末梢部分的侧视图，示出了与反射光子离开 其上表面相关的运动学；
图4是示出用于操作光探测器，例如图1中的光探测器的方法的一实施例 的流程图；
图5是示出可以用于图1的光探测器的微机械悬臂梁的示例实施例的侧视 图；
图6是示出用于制造2维(2D)图像的装置的倾斜顶视图；
图7是示出图6的装置中的光敏象素化区域的倾斜顶视图；以及
图8是示出操作图6—7的装置以产生2D图像的方法。
在附图和全文中，相同的附图标记指示具有相似功能的元件。
在一些附图中，夸大了一些特征的相对尺寸以更清晰地显示所要示出的一 个或多个结构。
这里，通过附图和说明性实施例的详细描述来更全面地描述各种实施例。 然而，本发明可以被实施成不同形式而不限于附图和说明性实施例的详细描述 中描述的实施例。

光探测器的各种实施例利用机械反应以探测和/或测量入射光的强度。特别 地，该机械反应是机械悬臂梁对入射光的动态机械响应。一些机械悬臂梁对入 射光具有快速的动态机械响应。基于此，结合有这种机械悬臂梁的光探测器可 以具有快速的响应时间。一些机械悬臂梁可能对在灵敏地以及高速地检测光的 其他物理方法中很少能利用的波长范围中的光具有基本的动态机械响应。基于 此，结合有这种机械悬臂梁的光探测器有利于在这些波长范围内探测光和/或测 量光强度。
图1示出的光探测器10包括机械悬臂梁12、机电驱动器14、密封室16、 窗18和运动探测器20。
在光探测器10中，机械悬臂梁12具有臂22，臂22具有第一自由端24和 物理附着到机电驱动器14上的第二端。刚性的支撑26可任选地提供机械悬臂 梁12的第二端和机电驱动器14之间的物理附着。由于其形式和/或物理附着， 机械悬臂梁12的自由端24能够执行摆动。特别地，臂22到机电驱动器14的 物理附着可以是挠性的，和/或机械悬臂梁的臂22本身可以是挠性的。与第二端 的附着相关的挠性和/或臂22本身的挠性能够使机械悬臂梁12的自由端24以相 当高的频率执行摆动。
机械悬臂梁12可以是，例如通过标准的微电子制造工艺由成层的半导体和 /或介电结构制造的微机械装置。图2示出了这种机械悬臂梁12的末梢部分的示 例形状。示例性悬臂梁12可以具有硅臂22，该硅臂22可以具有例如1μm或 更小的厚度，10—100μm的宽度和100—1000μm的长度。如图所示，机械悬 臂梁12的自由端24可比臂22的剩余部分更宽以至于当机械悬臂梁12具有足 够的挠性的同时也具有大的面积以与入射光相互作用。
在光探测器10中，机电驱动器14施加机械驱动信号到机械悬臂梁12的附 着端，例如，通过刚性支撑26。机电驱动器14可以包括平板压电结构28和横 过压电结构28连接的交流(AC)电源(未示出)。由平板压电结构制造机电驱 动器是本领域技术人员已知的。连接AC电源以在压电结构28上产生交流电压。 交流电压导致压电结构28和机械悬臂梁12的物理附着端以AC驱动频率振荡。 AC源可被配置来产生具有围绕机械悬臂梁12的机械共振频率的驱动频率范围 的电压。
在光探测器10中，室16是气密密封的并且具有基本真空的内部。该基本 真空的内部可以具有小于大约0.01大气压的气压，并可以具有例如小于大约 0.001大气压的气压，或甚至小于大约0.0001大气压的气压。室16的内部收容 整个机械悬臂梁12。室16内部的基本真空可减少周围气体对动态机械响应的干 扰，该动态机械响应是机械悬臂梁12对入射光的动态机械响应。
在光探测器10中，窗18允许外部光29进入室16而不破坏室16内的基本 真空。窗18被如此配置和/或定位使得这种外部光29可以聚焦到机械悬臂梁12 的一部分上，例如，聚焦到自由端24上。
窗18对所选择波长范围内的外部光29基本上是透明的。在一些实施例中， 窗18也可以基本上阻挡具有所选择波长范围之外波长的光。在这些实施例中， 窗18起到使光探测器10只对所选择波长范围内的外部光29灵敏的带通滤波器 的作用。例如，在一些实施例中，窗可允许所选择的红外波长范围内的光进入 室16而阻挡可见光。此时，光探测器10能够起到选择性探测红外光的探测器 的作用。
在光探测器10中，配置了运动探测器20来监测机械悬臂梁12的末梢部分 的摆动。基于该监测，运动探测器20输出一个或多个能够确定机械悬臂梁12 的末梢部分的运动的幅度，频率和/或相位滞后的数据信号。
运动探测器20包括光源30，例如弱光源，和光探测器32。光源30被配置 成向靠近自由端24的机械悬臂梁12的部分反射后表面传递准直光束34。特别 地，光源被如此配置以使得机械悬臂梁12向光探测器32反射准直光束34的一 部分36。光探测器32是空间分割的、位置灵敏光探测器。这种光探测器32的 例子包括四个四分之一型(four-quarter type)光电探测器、电荷耦合探测器(CCD) 和连接以提供微分检测(differential detection)的相邻光电二极管。定向光探测 器32的单独的光探测片段38、39使得入射到它们上的相对光强度可指示在机 械悬臂梁12运动期间的自由端24的位置。特别地，片段38、39所探测的相对 光强度的发展可以用来识别机械悬臂梁12在其摆动期间的最大位移，例如，通 过微分检测方案。基于此，运动探测器20提供足以确定机械悬臂梁12在摆动 期间的机械共振幅度、机械共振频率和/或相位的数据信号。
在各种不同的实施例中，运动探测器20的光源30和探测器32可以利用和 光探测器10探测的波长范围不同的波长范围的测量光。例如，在光探测器10 中，窗28可以是只对红外光透明的，而光探测器32可以是对可见光作出响应。 例如，光探测器32可以是对可见光灵敏而对红外光不灵敏的CCD。因此，光 探测器10能够探测用来监测机械悬臂梁12的运动的光探测器32的波长范围之 外的光。在该实施例中，依赖于机械悬臂梁12的光敏度的光探测器10能够扩 展探测灵敏度到这种CCD不是好的光探测器的波长。
在其它实施例中，运动探测器20可以通过电或磁测量而不是图1的实施例 中的光测量来跟踪机械悬臂梁12的摆动。为了实现这种运动测量，电路或磁性 粒子可被固定到接近其自由端24的机械悬臂梁12上。此时，电或磁测量将提 供确定机械悬臂梁12在摆动期间的机械共振幅度、机械共振频率和/或驱动器之 后的相位滞后所需要的数据信号。
光探测器10可任选地包括凸折射透镜或另一种聚焦透镜系统38。透镜或 透镜系统38通过透明窗18将外部光29聚焦到机械悬臂梁12的自由端24的一 部分上。这种聚焦能够增加到机械悬臂梁12上的光通量并因此提高光探测器10 对外部光29的总体灵敏度。
图1的光探测器10测量机械悬臂梁12的一个或多个受悬臂梁对其上发出 的入射光子的反射和/或吸收的运动学响应影响的机械属性。
图3示出了与动量光子P反射离开机械悬臂梁12的一部分上表面相关的运 动学。光子相对于上表面的法向矢量N以角度θ入射到上表面上。反射的光子 相对于法向矢量N以相同的角度θ离开。由于光子的反射，机械悬臂梁12沿着 与法向矢量N相反的方向接收冲击动量传递。在高入射角θ≈0，传递的动量大 约等于两倍入射光子的动量，即大约2P。因此，当θ→0，总的传递动量近似为 2h/λ，这里“h”是普朗克常量而λ是光波长。
由于光子的反射和吸收引起的动量传递可以导致机械悬臂梁12沿着其长 度和/或围绕其物理固定端机械弯曲，和/或导致机械悬臂梁12的运动衰减。如 果机电驱动器14的驱动频率远高于入射光强度的基本变化率，则光将有效地在 振荡机械悬臂梁12的动态机械属性中引入基本恒定的改变。基于此，根据机械 悬臂梁12的动态机械特性的改变能够测量入射光强度。实际上，这种入射光通 量可以改变，例如，机械悬臂梁12的机械共振频率、机械悬臂梁12的共振运 动幅度和/或机械悬臂梁12在机电驱动器14之后的相位滞后。各种不同的实施 例可以利用这些机械共振属性中的任一个来指示入射到机械悬臂梁12的上表面 上的光的强度。
图4示出了操作光探测器的方法40，该光探测器利用机械悬臂梁的动态机 械反应，例如，图1的机械悬臂梁12的机械共振响应，来测量入射到其上的光 的强度。
该方法40包括在接近机械悬臂梁的机械共振频率的频率范围上驱动机械 悬臂梁(步骤42)。驱动的步骤可以包括利用机电驱动器14来在掠过机械悬臂 梁12的机械共振频率周围的频率上驱动机械悬臂梁14。
该方法40包括当执行驱动步骤42时将机械悬臂梁的一个表面暴露在入射 光中(步骤44)。该入射光导致，例如，机械悬臂梁弯曲，其中该弯曲具有非零 时间平均。特别地，光将经常以在时间上比机械悬臂梁的机械共振运动的周期 更慢地改变的方式弯曲机械悬臂梁。
方法40包括在执行驱动步骤42时测量被驱动的机械悬臂梁的一个或多个 机械属性(步骤46)。该测量的机械属性可以是作为随机械驱动频率而变的机械 悬臂梁的振荡幅度和/或作为随机械驱动频率而变的机械驱动器之后的机械悬臂 梁的运动的相位滞后。对于机械悬臂梁12，运动探测器20和计算机(图1中未 示出)可以测量机械属性。计算机将从运动探测器20接收用于运动/位移测量的 数据信号并将基于用于所述运动/位移测量的数据信号确定机械悬臂梁的机械属 性。
该方法40还包括根据在步骤46测量的该一个或多个动态机械属性的一个 或多个值确定机械悬臂梁的一个或多个动态机械特性(步骤48)。该一个或多个 确定的动态机械特性可包括机械悬臂梁的机械共振频率和/或机械悬臂梁在其机 械共振时摆动的峰值幅度。机械悬臂梁的动态机械特性取决于入射光的强度， 例如，由于由这种光引入的惯性角动量的改变而导致的。
该方法40包括通过比较该一个或多个所确定的动态机械特性的一个或多 个值和用于相同特性的参考值确定在驱动步骤42期间入射到机械悬臂梁上的光 强度(步骤50)。确定光强度可以包括，例如，比较由执行步骤46和48所确定 的该一个或多个动态机械特性和用于参考光强度的相同的一个或多个动态机械 特性的存储值。
在一些实施例中，该方法40可以包括校准阶段。在校准阶段中，机械悬臂 梁将经历例如一系列参考光强度，并且将执行步骤42、44、46和48以为每一 个参考光强度确定所选择的一个或多个动态机械特性的值。此时，将做出参考 光强度和该一个或多个动态机械特性的对应值的列表。在步骤50，未知光强度 的确定包括比较通过执行步骤42、44、46和48所确定的用于该未知光强度的 该一个或多个动态机械特性的值和所述列表中的同一特性的值。未知光强度将 是对应于用于该一个或多个动态机械特性的相同值的参考光强度。
传统方法可用来制造微电子领域已知的晶体硅和电介质的非常小的机械悬 臂梁。例如，在公开于Applied Physics Letters，No.71(1997)288-90页的T.D. Stowe等人的名称为“Attonewton force detection using ultrathin silicon cantilevers” 的文章中描述了一些这样的方法。该文章的内容在此全文引入作为参考。
参考图5，上述文章的方法和/或相似制造方法可以制造用于能够用于图1 的光探测器10中的微机械悬臂梁的结构52。该结构52可以包括机械悬臂梁， 该机械悬臂梁的臂具有小于1微米(μm)的厚度，大约1—50μm的臂宽和大 约10—200μm的长度。这种晶体硅微机械悬臂梁能够具有对低的光通量(flux oflight)产生高机械灵敏性的高挠性。
上述制造方法和/或相似的制造方法可以包括执行一系列步骤。该系列可包 括蚀刻微机械悬臂梁进入绝缘体上硅(SOI)的硅晶片的前侧上的硅层54，例 如，通过掩模控制蚀刻。该蚀刻可以是利用SF6基化学的常规等离子体蚀刻。 该序列可包括在前侧上沉积保护层以保护蚀刻的微机械悬臂梁，例如，低温氧 化物层和该氧化物层上的低应力氮化硅层。该序列还可包括执行常规的SOI晶 片56的硅部分的深背面蚀刻。该蚀刻被选择为在SOI硅晶片的绝缘层58上停 止。该深背面蚀刻是掩模控制的来除去在先蚀刻的微机械悬臂梁下面的半导体。 该序列可以包括例如利用SF6基化学执行前侧等离子体蚀刻以除去保护氮化物 层。该序列可包括执行常规的缓冲湿蚀刻以除去微机械悬臂梁周围的氧化物层。 在湿蚀刻之后，该序列包括冲洗和干燥该结构而不使微机械悬臂梁经受危险的 表面张力。特别地，湿蚀刻可以首先被水替代，然后被甲醇替代。可以通过在 表面张力非常低或没有的临界(critical)二氧化碳中干燥除去甲醇。
一种成像装置可以包括多个图1的光探测器10和/或可以根据图4的方法 操作。这种成像装置基于空间测量的光强度产生图像并且可以用作，例如，红 外照相机。
图6和7示出了配置成制造2维(2D)图像的成像装置60。该装置60具 有沿着正交的和方向限定光敏象素的规则阵列的机械悬臂梁的2D阵列。这 些光敏象素使得装置60能够起到产生2D图像的照相机的作用。
参考图6，装置60包括室16、窗18、象素化光敏区域62、数字处理器64、 数据存储媒介66，并任选地包括成像透镜系统38。室16被气密密封或抽气以 维持象素化光敏区域62周围的基本真空，例如，小于0.01大气压的压力或甚至 大约或小于0.0001大气压的压力。窗18允许外部光29进入室16。在一些实施 例中，窗18或另一个滤光器(未示出)可被定位成可光学地带通滤波进入室16 的外部光29。这种滤波将装置60配置成利用该滤光器带通内的光波长选择性地 形成图像。象素化光敏区域62包括如同光敏象素的机械地响应入射光的单个器 件的2D阵列。每个这种器件产生指示入射在其上的光的强度的数据信号。由于 是基本真空的，所以各个器件都具有不受到由于周围气体而产生的显著干扰的 影响的动态机械响应。任选的成像透镜系统38将至少部分外部光29引导到象 素化光敏区域62上，例如，以在其上形成聚焦图像。连接数字处理器64以接 收象素化光敏装置62的各个器件产生的数据信号。根据所接收的数据信号，数 字处理器64被配置来产生用于产生代表外部光29在象素化光敏区域62上形成 的对应图像的2D数字图像的标准数字数据。数据存储媒介66被配置成接收和 存储用于由数字处理器64产生的所述图像的标准数字数据。数据存储媒介66 可包括硬驱动器、有源存储器、磁性存储媒介或光存储媒介。存储的标准数字 图像数据通过数字处理器64或通过常规的数据处理系统(未示出)从数据存储 媒介66取回以显示由象素化光敏区域62测量的原始光图像的数字形式。
参考图7，象素化光敏区域62具有沿着正交的和方向规则地分布的光 敏象素区域的2D阵列。象素化光敏区域62包括M个基本相同且平行的行元件 681，……，68M的规则阵列。M个行元件681—68M的规则阵列沿着方向延伸。 每个行元件681—68M包括N个光敏象素区域的线性空间阵列。
在该阵列中，每个行元件681—68M包括N个机械悬臂梁121，……，12(N-1)， 12N，例如微机械悬臂梁的线性空间阵列70；机电驱动器14，和运动探测器 201，……，20N-1，20N的线性空间阵列72。每个机械悬臂梁121—12N是象素化 光敏区域62的单个象素区域的光敏元件。每个机电驱动器14被物理地配置成 机械地驱动同一行元件681—68M的机械悬臂梁121—12N的整个阵列。也就是说， N个机械悬臂梁121—12N的每一个的一端都被物理地固定到该单个机械驱动器 14上。机电驱动器14包括，例如，连接在一对电极E上的交流电压源V和压 电结构PS。每对电极E设置在压电结构PS之一的相对侧上。在每个阵列72中， 单个运动探测器20j包括光源30j，例如LED，和对应空间分段的光探测器32J。 每个光源30j将光束导向同一行元件681—68M的对应的一个机械悬臂梁12j的背 面。每个光探测器32j探测和测量由对应机械悬臂梁12j反射回的对应光源30j 的一部分光束。这些光测量能够使每个运动探测器20j跟踪对应的机械悬臂梁12j 的摆动，如例如与图1中的运动探测器20相关描述的。
在一些实施例中，光源301—30N和空间分段的光探测器321—32N利用由装 置60成像的波长范围以外的光波长。例如，每个行元件681—68M的光探测器 321—32N可以是分段的电荷耦合探测器(CCD)的象素元件或以不同配置连接 的光电二极管的行相邻对，或四个四分之一型光电探测器行的线性阵列。CCD 通常是对可见光敏感而对红外光非常不敏感的。然而，即使光探测器321—32N 是CCD，装置60也能够配置成对红外光成像，因为机械悬臂梁121—12N可以 被配置成对红外光敏感。因此，机械悬臂梁121—12N的动态机械反应的利用能 够使2D成像装置产生对普通CCD的敏感范围之外的光形成图像。
图8说明操作图6—7的装置60产生对应于由入射到象素化光敏区域62 上的光形成的图像的2D图像的方法80。方法80包括在机械驱动频率范围上机 械地驱动单个行元件68j的每个机械悬臂梁121—12N，例如，如同方法40的步 骤42(步骤82)。这里，单个机电驱动器14一起驱动同一行元件68j的每个机 械悬臂梁121—12N。方法80包括在执行驱动步骤时曝光同一行元件68J的每个 机械悬臂梁121—12N于入射光，例如，如同方法40的步骤44(步骤84)。方法 80包括在执行驱动步骤时测量同一行元件68j的每个机械悬臂梁121—12N的一 个或多个机械属性，例如，如同方法40的步骤46(步骤86)。测量步骤86包 括利用同一行元件68j的运动探测器201—20N测量机械悬臂梁121—12N的位置 或运动。方法80包括根据相同行元件68j的机械悬臂梁121—12N的该一个或多 个测量的机械属性确定相同机械悬臂梁121—12N的一个或多个动态机械特性， 例如，机械共振幅度或机械共振频率，例如，如同方法40的步骤48(步骤88)。 方法80包括通过比较确定的一个或多个动态机械特性和用于同一机械悬臂梁 121—12N的相同特性的参考值确定同一行元件68j的每个机械悬臂梁121—12N 处的光强度，例如，如同方法40的步骤50(步骤90)。确定步骤86和88可以 在例如处理器64中执行。方法80包括在数据存储媒介66中存储用于图像的数 字数据(步骤92)。存储的用于图像的数字数据使得在所述图像的每个象素处的 光强度是与图像的该象素位于相同的或对应的空间位置的机械悬臂梁121—12N 处确定的光强度。
基于本说明书、附图和权利要求，本发明的其它实施例对本领域技术人员 来说将是显而易见的。