基於微機電系統(mems)的二維靜電振鏡及其製作方法
2023-10-08 17:51:04
專利名稱：基於微機電系統(mems)的二維靜電振鏡及其製作方法
技術領域：
本發明提供一種基於微機電系統(MEMS)工藝製作的二維靜電振鏡及其製作方法，可用於小功率快速雷射掃描，如條碼掃描、舞臺雷射、雷射投影機等等。該系統使用簡潔的微機電系統(MEMS)工藝製作，以靜電作為驅動力，可在一個有特殊結構的振鏡上同時實現兩個維度(自由度)的振動。由於該系統的所有振動部件只是用於反射雷射的振鏡體，從而有效的減小了振鏡系統的轉動慣量、體積以及能耗，也進一步增加了掃描的速度和掃描的靈活性。
背景技術：
雷射具有獨特的光學特性，如單色性高，方向性強等特點，使得雷射器件的發展速度越來越快，應用越來越廣泛。特別是由於雷射極強的方向性，使它不藉助透鏡就能在相當一段距離內保持光點的質量，使其成為了條碼掃描的首選光源。同時，雷射的方向性也使得舞臺雷射的效果更加優美，加以水幕、煙霧的使用，甚至使其帶有迷幻的色彩，逐漸成為舞檯燈光中不可缺少的一部分。隨著雷射技術的不斷發展，紅色(波長650nm)、綠色(波長532nm)、藍色(波長473nm)的半導體雷射器已經漸進成熟。由於雷射的單色性極強，使用雷射產生的三原色調配出的色彩更加鮮豔，色域更寬，再加上雷射極強的方向性，使得以雷射為光源的投影機將具有色彩逼真，色彩範圍廣，像素精細等優點，且可以在任意距離都能投射出相當完美的畫面，而無需反覆調整焦距，這是其他形式的投影設備均無法實現的。正因如此，雷射投影設備越來越受到關注。但不管是條碼掃描、舞臺雷射還是雷射投影機，除了雷射光源以外，還需要將雷射進行掃描的掃描設備。以往的雷射掃描設備，一般都使用掃描稜鏡或電磁振鏡系統。掃描稜鏡系統的核心部件是一個有多個反射鏡面的可旋轉稜鏡，雷射照射到稜鏡上，使雷射以一定角度反射回來，當稜鏡旋轉時，反射角也隨之變化，即達到了掃描的目的。但因為它的結構特點，此時的掃描為一條直線。要實現二維掃描，就需要兩個旋轉稜鏡，或是用另一個振鏡才能完成。所以其體積笨重，結構複雜，功效低，難以實現高速掃描，機械磨損嚴重，而且掃描的角度為一恆定值，即畫面在固定距離上的投影大小是一個定值，要想改變畫面的大小，只能使用鏡頭等其他輔助方法來實現。而電磁振鏡系統，使用電磁力作為動力，使電磁振鏡電機的軸發生旋轉振動，從而使與其相連的小反射鏡隨之振動，達到往復掃描的效果。但要實現二維掃描，仍然需要兩個振鏡才能完成。而且由於使用線圈產生電磁力，而且線圈需要繞在一個質量較大的鐵心上，使它的大部分能量都消耗在振鏡電機的轉動慣量及其摩擦力上，只有極小部分用於反射鏡的振動，從而導致其工作電流大，易發熱，體積難以縮小，效率極低。而且由於其振動部件較大的轉動慣量，造成振動速度難以提高，難以實現基本無閃爍的掃描效果。而其他的聲光、電光等掃描方法，由於其成本等其他問題，也未能很好的普及。
發明內容
根據上文所述，設計了本發明及其製作方法。其使用靜電力的相互作用使振鏡偏轉，並使用特殊的懸臂支撐結構，使其能夠同時在兩個方向上產生振動。本發明結構簡單，實現了掃描系統的集成化。由於所有的振動部件只是用於反射雷射的振鏡，所以動作部分質量極小，極大的減小了不必要的轉動慣量，提高了掃描速度的同時，使得功耗減小。而且該掃描系統基本無機械摩擦，磨損小，同時還具有無噪音，發熱低，成本低，易於大規模量產等諸多優點。
本發明的一個目的提供一種基於微機電系統(MEMS)工藝製造的二維靜電振鏡。本發明的另一個目的是提供這種振鏡的製作方法。
根據本發明的第一個目的，提供一種基於微機電系統(MEMS)工藝製造的二維靜電振鏡。該系統包括1、襯底(10)，2、驅動層(20)，3、著陸層(30)(根據實施的具體情況可以不用，下同)，4、帶有支架、懸臂並且導電的振鏡層(40)。其特徵為1、本系統由襯底，驅動層，著陸層以及振鏡層組成；2、上述整個系統全部製作在一個不導電的絕緣襯底上；3、本系統的核心部件是由可以反光的導電材料制的振鏡層(40)，其由振鏡(400)、振鏡支架(401)以及懸臂(402)組成。該層的振鏡可以反射雷射，並由多個摺疊形懸臂與支架連接，支架直接固定於襯底上。懸臂具有一定彈性，可以允許振鏡產生兩個自由度(二維)的振動；4、振鏡層的下面可以有著陸層(30)，其有4個懸空的著陸電極(300)，由其支架(301)直接固定於襯底上，並與振鏡層連接，以確保振鏡與著陸電極的電位相等，使著陸發生時，振鏡與著陸電極不會粘連；5、襯底上面鍍有驅動層(20)，由驅動電極(200)、鍵合點(201)以及導線(202)組成，兩兩相對，用於提供驅動電壓以及外部管腳的連接；6、著陸層(30)不能與其下面的驅動層(20)的任何部分接觸，並保持相對於其工作電壓的安全距離，以保證著著陸層與驅動層的絕緣；7、為減少振鏡振動時的空氣阻力，提高振動速度和減小能耗，整個上述振鏡系統可以封裝於一個真空的環境中，同時，真空環境還可以隔離振鏡振動時產生的微弱噪音。
根據本發明的第二個目的，提供上述振鏡系統的製作方法。該方法包括以下幾個步驟1.準備一種絕緣性能良好的襯底，如二氧化矽襯底。
優選地，該襯底也可以使用導電或半導體材料進行絕緣化處理，如氧化等。
優選地，如果將驅動電極(後面介紹)直接通過雜質滲入襯底方法製作，則可以直接使用P型矽材料作為襯底。
2.在該襯底上沿襯底厚度方向製作掩模(210)，並使用表面薄膜工藝將金屬或導電材料製成驅動電極。
優選地，驅動電極也可以在P型矽襯底上，用掩模滲入N型雜質製得。
3.去除掩模(210)。
4.製作著陸層犧牲層(310)，著陸層犧牲層可以直接使用光刻膠(也稱抗蝕劑，下同)製得。
優選地，犧牲層也可以先置於整個器件表面，再由掩模刻蝕出所需的犧牲層。
5.使用表面薄膜工藝將金屬或導電材料製成著陸層。
6.使用掩模(311)，對著陸電極進行成型刻蝕，使其形成所需形狀。
7.去除掩模(311)。
優選地，著陸層的製作還可以在第4步後直接再製作一層用於著陸層結構成型的掩模，此掩模形狀與掩模(311)互補，厚度比著陸層略厚。然後使用第5步的方法製作著陸層，其厚度應比實際所需略厚。最後將其整體研磨至著陸層所需厚度即可。
優選地，由於著陸電極為可選件，根據實施的具體情況可以不用製作，所以如果具體實施中沒有使用著陸電極，則上述4～7步可以不做。
8.製作振鏡層犧牲層(410)。振鏡層犧牲層可以直接使用光刻膠製得。
優選地，犧牲層也可以先置於整個器件表面，再由掩模刻蝕出所需的犧牲層。
9.使用表面薄膜工藝將金屬或導電材料製成振鏡層。
10.使用掩模(411)，對反光振鏡層進行結構成型刻蝕，使其形成所需形狀。
11.去除掩模(411)，如有需要，對反光振鏡層進行拋光，然後去除所有犧牲層。
優選地，如果需要對反光振鏡層進行拋光，則可以在第8步之後直接製作用於反光振鏡層結構成型的掩模(412)，但此時的掩模應該與第10步中所述的掩模(411)正好相反(即互補)，且掩模厚度應比振鏡層略厚。接著進行上述第9步，制出振鏡層，其厚度應略大於實際所需厚度。然後直接進行拋光，打磨至振鏡層所需厚度，最後去除所有犧牲層即可。
根據本發明第二個目的的製作方法，可以製作出本發明第一目的的振鏡系統。該系統與其他掃描振鏡相比，結構簡單，製造容易，而且運動部件的尺寸和轉動慣量遠遠小於其他系統，這也使得他的能耗和發熱量有了明顯減小，也使得掃描頻率可以大幅度的提高，以實現更高的掃描要求。更重要的是，它可以在同一個振鏡上同時完成兩個方向上的掃描，從而進一步縮小了系統的體積。同時也可通過改變輸入的驅動信號隨意改變掃描方式，且掃描幅度也可以根據輸入電壓調節，這些特性也使其的應用範圍相當廣泛。比如超市中由多個反射鏡和一個較大的旋轉掃描多面稜鏡組成的萬向條碼掃描設備，僅使用一個本發明的振鏡器件即可實現。當應用於投影視頻輸出時，也易於通過改變驅動信號進行無像素損失的梯形校正等圖像糾正。
四
下面結合附圖，對本發明進行說明圖1為該系統的整體結構透視圖，其中包括襯底(10)，由驅動電極(200)、鍵合點(201)、導線(202)組成的驅動層(20)，著陸電極(300)及其支架(301)組成的著陸層(30)，以及振鏡(400)及其支架(401)、懸臂(402)一體化的振鏡層(40)。其中振鏡層已被部分剖切。
圖2為該振鏡系統的剖面示意圖。為更好地說明以及簡化作圖，這裡以及後面製作步驟的剖面示意圖，全部選用本圖右下方小圖所示的剖切面進行剖切。
圖3為該系統的各部件按次序分解的示意圖。
圖4A-4F為該系統振鏡懸臂(402)可以使用的結構形狀示意圖。
圖5A-5D為該系統中，驅動層的製作步驟的剖面示意圖及完成結果的整體透視圖。
圖6A-6E為該系統中，著陸層的製作步驟的剖面示意圖及完成結果的整體透視圖。
圖7A-7E為該系統中，振鏡層的一種製作步驟及完成結果的剖面示意圖。
圖8A-8D為該系統中，振鏡層的另一種製作步驟的剖面示意圖及完成結果的整體透視圖(振鏡層已剖切)。
圖9A-9E為該系統不使用著陸層時，振鏡層的一種製作步驟及完成結果的剖面示意圖。
圖10A-10D為該系統不使用著陸層時，振鏡層的另一種製作步驟的剖面示意圖及完成結果的整體透視圖(振鏡層已剖切)。
五具體實施例方式下面將參照附圖描述本發明的優選實施方式。
圖1為本發明的整體結構示意圖。圖2為該系統沿右下方小圖所示方向剖切的剖面示意圖。圖3為該系統的各部件按次序分解的示意圖。如圖1、圖2、圖3所示，該振鏡系統包括襯底(10)，驅動層(20)，著陸層(30)以及振鏡層(40)。
其具體實施方式
如下1、襯底(10)襯底是整個振鏡系統的載體，所有的其他結構都製作於襯底上。襯底優選由絕緣性好，易於製備和切割的材料製成，適用的材料可以是但不局限於玻璃(二氧化矽)。襯底還可以由其他導電材料經過絕緣處理製成，如將矽襯底進行表面氧化，製成表面有二氧化矽絕緣層的矽襯底，也可以是其他方法。當然，作為選擇，如果將驅動電極(後面介紹)直接通過雜質滲入襯底形成反向PN結的方法製作，則可以直接使用P型矽作為襯底。
2、驅動層(20)如圖3和圖5D所示，驅動層由驅動電極(200)、鍵合點(201)和連接導線(202)組成。驅動層是整個振鏡的制動裝置，可以通過在每個電極施加不同電壓的方法，對振鏡產生不同的靜電力，從而使振鏡產生不同角度和方向的偏轉。所有電極以中心為原點，兩兩相對。其中相對的兩個電極為一組，用於控制振鏡的一個維度(自由度)的振動，而其相鄰的另一組電極則負責另一個維度(自由度)的振動。驅動層應選用導電性能良好，工藝簡單的材料製作，這種材料可以是但不局限於金屬鋁、銀，也可以是別的材料，如氧化銦錫(ITO)等。當然，作為選擇，驅動層也可以由P型矽襯底材料上通過圖形掩模滲入適量N型雜質如P和As等，直接在襯底上製得。
3、著陸層(30)著陸層由著陸電極(300)和著陸電極支架(301)組成。著陸層是振鏡的保護裝置。當驅動電極的電壓過高，或受到某種極大的擾動時，振鏡將有可能越過靜電力與懸臂回彈力的臨界點，而被迅速吸向驅動電極造成粘連或放電燒毀振鏡。這時，著陸層的著陸電極可以支撐住振鏡，從而避免了振鏡與驅動電極的接觸，也就避免了振鏡系統的損壞。同時，由於著陸電極支架(301)與振鏡支架(401)相接觸，保證了著陸電極與振鏡電位相同，避免其相互粘連。著陸層應選用導電性能良好，工藝簡單的材料製作，這種材料可以是但不局限於金屬。當然，作為選擇，如果在具體實施過程中，振鏡的振動範圍離上述臨界點甚遠，並能保證此時振鏡永遠不會越過臨界點時，可以省去著陸電極及其製作，以節省成本。
4、振鏡層(40)振鏡層由振鏡(400)、支架(401)及懸臂(402)構成。振鏡層是最重要的器件，用於反射照射在其上的雷射，當其鏡體受靜電力作用偏轉時，反射雷射隨之偏轉。其振鏡要求儘可能的平整光潔。支架固定於襯底上，同時固定部分還可以用作鍵合點，由引線和外部管腳連接。懸臂為一種摺疊形結構，當受到外力作用時，可以彎曲變形，以提供必要的伸縮量以及回彈力。為了保持鏡體偏轉時的穩定以及減小振鏡的諧振，一個振鏡應至少有4個懸臂支撐，但不限於4個。該系統懸臂的形狀可以是但不限於圖4A-4F所示形狀，圖中黑色部分為刻蝕掉的部分，白色為保留的部分。如圖4A-4B所示，懸臂可以為雙向摺疊的「中」字形，其與振鏡及支架的連接點可以是振鏡的對角，也可以在振鏡的邊上。圖4C-4D所示，懸臂還可以是單摺疊(圖4C)或環繞形(圖4D)。圖4E-4F則表示由8個懸臂組成的懸臂系統。
圖5至圖10表示了製作本振鏡系統的方法。這是一種基於微機電系統(MEMS)工藝的製作方法。為更好地說明以及簡化作圖，圖5至圖10中的製作步驟只給出了一個剖面示意圖，並全部使用圖2右下方小圖所示的剖切面進行剖切，以便更好地說明如何在襯底上製作驅動層、著陸層、以及振鏡層。
接下來將參照附圖描述本發明的製作方法。
1、襯底(10)在該振鏡系統的製作中，首先，應準備好襯底。襯底可以是絕緣性好易於製備和切割絕緣體，如玻璃等，也可以由其他導電材料經過絕緣處理製成。作為選擇，如果將驅動層直接通過雜質滲入襯底形成反向PN結的方法製作，則可以直接使用P型矽材料作為襯底。
2、驅動層(20)接著，在準備好的襯底上製作驅動層。如圖5A所示，首先在襯底上製作圖形掩模(210)。這層掩模可以是光刻膠(抗蝕劑)，或者其他的犧牲材料，如氧化物。接著，如圖5B所示，使用表面加工工藝，製作驅動層(20)。這種工藝可以是蒸鍍、濺射或其他方法。然後除去掩模，即可將掩模不需要的驅動層一起去除，形成所需的驅動層。驅動層不宜過厚。完成後，即可得到如圖5C的驅動層。圖5D表示了完成驅動層後的整體結構透視圖。作為選擇，也可以使用P型矽襯底，在此襯底上製作如前面所說的圖形掩模(210)，然後使用摻雜工藝向P型矽襯底中摻入適當濃度的N型雜質如P和As等，使驅動電極周圍形成反向的PN結，使其形成驅動層電路。
3、著陸層(30)如圖6A-6D所示，在完成好的驅動層上製作著陸層。首先，如圖6A所示，在制好驅動層的襯底上製作犧牲層(310)。此犧牲層可以直接使用光刻膠製成，也可以先在帶有驅動層的襯底上生長出犧牲層，再由掩模刻蝕製成。然後在犧牲層上使用表面加工工藝，製作著陸層(30)，如圖6B。這種工藝可以是蒸鍍、濺射或其他方法。接著，如圖6C，在著陸層上面在製作一層圖形掩模(311)，並用該圖形掩模(311)對著陸層進行刻蝕，除去多餘的著陸層。最後，去除掩模(311)，即可完成著陸層的製作。此時，為了便於後面振鏡層的製作，犧牲層(310)可以不用去除，如圖6D。當然，作為選擇，如果掩模(311)的厚度不大，不會影響後面振鏡層的製作，則掩模(311)也可保留，那麼此時的掩模(311)就可以和犧牲層(310)使用同一種材料，如光刻膠等。圖6E表示了完成著陸層後的整體結構透視圖。
作為選擇，也可以在製作好犧牲層(310)後，直接在其上繼續製作一層圖形掩模，其圖形應與掩模(311)的圖形正好相反(即互補)，厚度比所需著陸層略厚。然後再製作著陸層，其厚度應略大於實際所需厚度。接著使用研磨的方法，將著陸層磨至所需厚度即可，此時上層的掩模以及不需要的著陸層均已被磨掉，同時還保證了上表面的光潔度，便於後續工作的進行。這種方法與後面的一種振鏡層的製作方法相似，所以附圖可以參考圖8A-8C中，振鏡層的這種製作方法。
4、振鏡層(40)圖7A-7D表示了振鏡層的一種製作方法。如圖7A所示，首先在制好著陸層的襯底上製作犧牲層(410)。此犧牲層可以直接使用光刻膠製成，也可以先在制好著陸層的襯底上生長出犧牲層，再由掩模刻蝕製成。然後在犧牲層上使用表面加工工藝，製作振鏡層(40)，如圖7B。此工藝與著陸層的製作工藝完全一樣。接著，如圖7C，在制好的振鏡層上面再製作一層圖形掩模(411)，並用該圖形掩模(411)對振鏡層進行刻蝕。完成後即可得到圖7D。為了達到更好的反射效果，可對振鏡層進行化學-機械拋光。最後除去所有的犧牲層以及掩模，即可得到該振鏡系統的最終成品。如圖7E所示。
作為選擇，如果振鏡層需要做化學-機械拋光，那麼振鏡層的製作則可以使用圖8A-8C所示的製作方法，以減去刻蝕振鏡層的工序。首先，如圖7A所示，在制好著陸層的襯底上製作犧牲層(410)。然後如圖8A所示，緊接著犧牲層(410)上面再製作另一層掩模(412)。此掩模(412)的圖形與圖7C中掩模(411)的圖形正好相反(即互補)，厚度比所需振鏡層略厚，其材料可以是光刻膠等，也可以是與犧牲層(410)一樣的材料。接著，如圖8B所示，在此犧牲層上製作振鏡層(40)，此工藝與著陸層的製作工藝完全一樣，而其厚度應略大於所需厚度。隨後將其整個進行化學-機械拋光。當振鏡層拋光至所需厚度時，由於掩模(412)的厚度比所需振鏡層略厚，而其上的不需要的振鏡層與略厚出振鏡層的掩模均已被研磨掉，則只剩下需要的振鏡層部分，如圖8C所示。最後除去所有的犧牲層及掩模，即可得到該振鏡系統的最終成品。前面所述的著陸層的另一種製作方法即這種製作方法。
含有著陸層的靜電振鏡成品的結構透視圖如圖8D所示，其中振鏡層已被部分剖切。
作為選擇，在製作過程中，如果不需要製作著陸層，則工藝要簡單許多。圖9A-9D表示不製作著陸層的該系統的一種製作方法。只需要在帶有驅動層的襯底上直接製作用于振鏡層的犧牲層(413)，而後續工序與圖7B-7D所示的振鏡層製作工序完全一樣，這裡不再詳細描述。作為選擇，不製作著陸層的該系統的另一種製作方法如圖10A-10C所示。同樣，只需要在帶有驅動層的襯底上直接製作用于振鏡層的犧牲層(413)，而其後續工序與圖8A-8C所示的振鏡層製作工序完全一樣，這裡也不再詳細描述。但由於這時的犧牲層(413)厚度較大(約300～500um)，所以應該儘可能選用生長速度快，刻蝕時間短的材料製作犧牲層，如果工藝條件允許，亦可使用光刻膠製作犧牲層。同時，為了保證振鏡的平整不變形，在最後去除掩模以及犧牲層時，應選用幹刻蝕工藝，以避免結構間殘留刻蝕液體蒸發時，其表面張力造成的應力。
這樣描述的本發明，顯然可以作出多種變更，且這些變更沒有背離本發明的主旨和範圍。同時，所附的權力請求書的範圍內也包括了本領域所顯而易見的所有這些修改。
權利要求
1.一種基於微機電系統(MEMS)工藝製作的二維靜電振鏡，該裝置包括一個襯底、一個驅動層、一個著陸層和一個振鏡層，其特徵在於所述襯底至少表面絕緣；所述驅動層包括電極、導線及鍵合點，所有電極以中心為原點，兩兩相對，並由相應的導線連接到鍵合點；所述著陸層由著陸電極及其支架構成，由支架固定在襯底上，並與驅動層絕緣；所述振鏡層由振鏡、支架及懸臂構成，由支架固定在襯底上，並與著陸層接觸，與驅動層絕緣。
2.根據權利要求1所述，其著陸層位於驅動層與振鏡層之間，使振鏡層不會與驅動層接觸。
3.根據權利要求1所述，其振鏡層的振鏡由摺疊形懸臂支撐，並可在驅動電極產生的靜電力的作用下，產生兩個方向的偏轉。
4.根據權利要求1所述，其振鏡層的支架固定在襯底上的部分同時也是振鏡層的鍵合點。
5.一種基於微機電系統(MEMS)的二維靜電振鏡的製作方法，此方法包括以下步驟對襯底進行絕緣處理；使用掩模(210)在襯底上製作出驅動層(20)；除去掩模(210)，並製作用於著陸層的犧牲層(310)；製作著陸層(30)，並使用掩模(311)對著陸層刻蝕，制出所需著陸層；除去掩模(311)，並製作用于振鏡層的犧牲層(410)；製作振鏡層(40)，並使用掩模(411)對振鏡層刻蝕，製作出所需振鏡層；對振鏡層進行化學-機械拋光；除去所有犧牲層。
6.根據權利要求5所述的方法，其襯底還可以直接使用絕緣材料。
7.根據權利要求5所述的方法，其襯底還可以由一種P型矽材料製成。
8.根據權利要求5或7所述的方法，其驅動層還可以使用通過掩模在P型矽襯底上滲入適量N型雜質的方法，直接在襯底上製得。
9.根據權利要求5所述的方法，其著陸層還可以使用先在犧牲層上製作結構掩模，然後製作著陸層，最後整體研磨成型的方法製作。
10.根據權利要求5所述的方法，其振鏡層還可以使用先在犧牲層上製作結構掩模，然後製作振鏡層，最後整體研磨拋光的方法製作。
全文摘要
本發明提供一種基於微機電系統(MEMS)工藝製作的二維靜電振鏡及其製作方法，可用於小功率快速雷射掃描，如雷射投影機、條碼掃描，舞臺雷射等。該系統使用簡潔的微機電系統(MEMS)工藝製作，以靜電作為驅動力，可在一個有特殊結構的振鏡上同時實現兩個維度(自由度)的振動。由於該系統的所有振動部分只有用於反射雷射的導電鏡面，從而有效的減小了振鏡系統的轉動慣量、體積以及能耗，也進一步增加了掃描的速度和掃描的靈活性。
文檔編號G02B26/10GK1693937SQ20051006931
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月13日 優先權日2005年5月13日
發明者李凌 申請人:李凌