靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的製作方法

2023-10-08 17:47:14

靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其主要由位於最底層的低阻矽基底，位於中間層的固定梳齒和梳齒引線，位於最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片組和支撐梁組，以及同時處於中間層和最高層的錨位所組成；通過在X軸方向引入4根L形支撐梁來作為X軸方向的鏡面旋轉軸，使得內部固定梳齒的引線恰好從相鄰兩根L形支撐梁空隙中央通過，這樣的設計既能夠簡化了器件結構和加工工藝、降低了成本，還使得微鏡片的引線更為方便，以便於組成大規模微鏡片陣列，對拓展靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的應用領域具有十分重要的意義。
【專利說明】靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微光機電系統領域，具體涉及一種靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡。

【背景技術】
[0002]在微光機電系統領域，靜電驅動的二維掃描微機電系統微鏡片，是現代光通信系統中的重要器件，可作為光開關、光衰減器和光學多路復用器等。然而，現有的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡及其陣列主要存在以下缺點:(I)殘餘應力產生的鏡面彎曲會因溫度變化而加劇，從而導致插入損耗的變大；(2)器件結構和加工工藝複雜，加工成本高；(3)組成陣列時引線不方便等。這些缺點大大限制了靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡及其陣列的推廣應用。
實用新型內容
[0003]本實用新型所要解決的技術問題是現有靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡插入損耗大、工藝複雜和組成大規模微鏡片陣列時引線困難等問題，提供一種靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡及其製作工藝。
[0004]為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0005]—種靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，主要由位於最底層的低阻娃基底，位於中間層的固定梳齒和梳齒引線，位於最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片組和支撐梁組，以及同時處於中間層和最高層的錨位所組成；
[0006]低阻矽基底的上表面覆有絕緣層；
[0007]固定梳齒固定在低阻矽基底的上表面，並由2個外部固定梳齒和2個內部固定梳齒構成；其中2個外部固定梳齒對稱設置在低阻矽基底的Y軸向即前後兩側的邊緣處，2個內部固定梳齒對稱設置在低阻娃基底的X軸向即左右兩側的中部；
[0008]錨位直立在低阻矽基底的上表面，並由4根從中間層貫穿到最高層的錨杆構成；上述4根錨杆均分為2組，並分別固定在2個內部固定梳齒的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部固定梳齒左側的2根錨杆相對稱，位於內部固定梳齒右側的2根錨杆相對稱，且位於內部固定梳齒左側的2根錨杆與位於內部固定梳齒右側的2根錨杆相對稱；
[0009]可動梳齒懸設在固定梳齒的上方，並由2個外部可動梳齒和2個內部可動梳齒構成；2個外部可動梳齒分別位於2個外部固定梳齒的正上方，且外部可動梳齒的投影與外部固定梳齒相嚙合；2個內部可動梳齒分別位於2個內部固定梳齒的正上方，且內部可動梳齒的投影與內部固定梳齒相嚙合；
[0010]二維掃描微鏡片組由二維掃描平臺以及平貼在二維掃描平臺的上表面的微鏡片構成；二維掃描平臺的X軸向即左右側壁各直接與I個內部可動梳齒相固連，二維掃描平臺的Y軸向即前後側壁各通過一鏡面旋轉軸與I個外部可動梳齒固連；
[0011]支撐梁組包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，並分別懸設在2個內部可動梳齒的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部可動梳齒左側的2根L形支撐梁相對稱，位於內部可動梳齒右側的2根L形支撐梁相對稱，且位於內部可動梳齒左側的2根L形支撐梁與位於內部可動梳齒右側的2根L形支撐梁相對稱；每根L形支撐梁的一端與I根錨杆相連，另一端與外部可動梳齒相連；
[0012]2根梳齒引線分別固定在2個內部固定梳齒的相對外側，其中位於左側的梳齒引線從位於內部可動梳齒左側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位於右側的梳齒引線從位於內部可動梳齒右側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。
[0013]上述方案中，每根錨杆內部均設有一個內置絕緣層，該內置絕緣層橫置於錨杆內，並將錨杆分為上下兩個獨立並絕緣的部分，其中下部分錨杆的高度與固定梳齒的高度相當，上部分錨杆的高度與可動梳齒的高度相當。
[0014]上述方案中，微鏡片的上和/或下表面鍍有金屬膜。
[0015]上述方案中，2個外部固定梳齒均為單向梳齒，2個外部固定梳齒的齒槽的開口均向內朝向即朝向低阻矽基底的中部，且2個外部固定梳齒的齒槽朝向正對；與之對應，2個外部可動梳齒均為單向梳齒，2個外部可動梳齒的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻矽基底的邊緣，且2個外部可動梳齒的齒槽朝向背對。
[0016]上述方案中，每個內部固定梳齒均由2個在Y軸向並排的雙向梳齒組成，即每個內部固定梳齒的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒；與之對應，每個內部可動均由位於中部的I個雙向梳齒和位於兩側的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒，單向梳齒的開口向內朝向即即朝向雙向梳齒。
[0017]上述方案中，所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃製成。
[0018]本實用新型與現有技術相比所具有的優點是:本實用新型通過在X軸方向引入4根L形支撐梁來作為X軸方向的鏡面旋轉軸，使得內部固定梳齒的引線恰好從相鄰兩根L形支撐梁空隙中央通過，這樣的設計既能夠簡化了器件結構和加工工藝、降低了成本，還使得微鏡片的引線更為方便，以便於組成大規模微鏡片陣列，對拓展靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的應用領域具有十分重要的意義。此外，本實用新型還通過在鏡面上下表面鍍金屬膜，消除了殘餘應力造成的鏡面彎曲，減小了因溫度變化導致的鏡面曲率半徑變化及其由此帶來的插入損耗的變化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為單個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的立體示意圖。
[0020]圖2為單個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的俯視圖。
[0021]圖3為單個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的最底層和中間層的立體示意圖。
[0022]圖4為單個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的最上層的立體示意圖。
[0023]圖5為2X2個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡陣列的俯視圖。
[0024]圖中標號:1、低阻矽基底，2-1、外部固定梳齒，2-2、內部固定梳齒，3、梳齒引線，4-1、外部可動梳齒，4-2、內部可動梳齒，5-1、二維掃描平臺，5-2、微鏡片，5-3、鏡面旋轉軸，6、支撐梁組，7、錨位；7-1、內置絕緣層，8、絕緣層。

【具體實施方式】
[0025]—種靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，如圖1-4所不,主要由位於最底層的低阻矽基底1，位於中間層的固定梳齒和梳齒引線3，位於最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片5-2組和支撐梁組6，以及同時處於中間層和最高層的錨位7所組成。
[0026]低阻矽基底I的上表面覆有絕緣層8。該絕緣層8是厚度為0.1?10微米的聚合物、二氧化矽或者氮化矽。
[0027]固定梳齒固定在低阻矽基底I的上表面，並由2個外部固定梳齒2-1和2個內部固定梳齒2-2構成。其中2個外部固定梳齒2-1對稱設置在低阻矽基底I的Y軸向即前後兩側的邊緣處，2個內部固定梳齒2-2對稱設置在低阻矽基底I的X軸向即左右兩側的中部。
[0028]錨位7直立在低阻矽基底I的上表面，並由4根從中間層貫穿到最高層的錨杆構成。每根錨杆內部均設有一個內置絕緣層7-1，該內置絕緣層7-1是厚度為0.1?10微米的聚合物、二氧化矽或者氮化矽。內置絕緣層7-1橫置於錨杆內，並將錨杆分為上下兩個獨立並絕緣的部分，其中下部分錨杆的高度與固定梳齒的高度相當，上部分錨杆的高度與可動梳齒的高度相當。上述4根錨杆均分為2組，並分別固定在2個內部固定梳齒2-2的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底I的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部固定梳齒2-2左側的2根錨杆相對稱，位於內部固定梳齒2-2右側的2根錨杆相對稱，且位於內部固定梳齒2-2左側的2根錨杆與位於內部固定梳齒2-2右側的2根錨杆相對稱。
[0029]可動梳齒懸設在固定梳齒的上方，並由2個外部可動梳齒4-1和2個內部可動梳齒4-2構成。2個外部可動梳齒4-1分別位於2個外部固定梳齒2-1的正上方，且外部可動梳齒4-1的投影與外部固定梳齒2-1相嚙合。2個內部可動梳齒4-2分別位於2個內部固定梳齒2-2的正上方，且內部可動梳齒4-2的投影與內部固定梳齒2-2相嚙合。
[0030]二維掃描微鏡片5-2組由二維掃描平臺5-1以及平貼在二維掃描平臺5-1的上表面的微鏡片5-2構成。微鏡片5-2的上下表面均鍍有金屬膜，該金屬膜可以是金、銅或者鋁，其厚度為50?500納米。二維掃描平臺5-1的X軸向即左右側壁各直接與I個內部可動梳齒4-2相固連，二維掃描平臺5-1的Y軸向即前後側壁各通過一鏡面旋轉軸5-3與I個外部可動梳齒4-1固連。上述鏡面旋轉軸5-3的寬度為2?10微米。
[0031]支撐梁組6包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，並分別懸設在2個內部可動梳齒4-2的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底I的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部可動梳齒4-2左側的2根L形支撐梁相對稱，位於內部可動梳齒4-2右側的2根L形支撐梁相對稱，且位於內部可動梳齒4-2左側的2根L形支撐梁與位於內部可動梳齒4-2右側的2根L形支撐梁相對稱。每根L形支撐梁的一端與I根錨杆相連，另一端與外部可動梳齒4-1相連。位於同一側的且相鄰的兩根L形支撐梁的間距為4?20微米。
[0032]2根梳齒引線3分別固定在2個內部固定梳齒2-2的相對外側，其中位於左側的梳齒引線3從位於內部可動梳齒4-2左側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位於右側的梳齒引線3從位於內部可動梳齒4-2右側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。L形支撐梁的寬度為2?12微米。
[0033]所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃製成。可動梳齒與固定梳齒的聞度為20?120微米。為了能夠實現外部固定梳齒2-1與外部可動梳齒4-1的投影嚙合，2個外部固定梳齒2-1均為單向梳齒，2個外部固定梳齒2-1的齒槽的開口均向內朝向即朝向低阻矽基底I的中部，且2個外部固定梳齒2-1的齒槽朝向正對；與之對應，2個外部可動梳齒4-1均為單向梳齒，2個外部可動梳齒4-1的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻矽基底I的邊緣，且2個外部可動梳齒4-1的齒槽朝向背對。為了能夠實現內部固定梳齒2-2與內部可動梳齒4-2的投影嚙合，每個內部固定梳齒2-2均由2個在Y軸向並排的雙向梳齒組成，即每個內部固定梳齒2-2的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒2-1 ;與之對應，每個內部可動均由位於中部的I個雙向梳齒和位於兩側的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒2-1，單向梳齒的開口向內朝向即即朝向雙向梳齒。
[0034]靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的具體製作工藝流程如下:
[0035]①準備SOI層厚度為45微米、中間二氧化矽厚度為I微米、基底厚度為300微米的矽片A和SOI層厚度為80微米、中間氧化矽厚度為I微米、基底厚度為300微米的矽片B各一片。
[0036]②在矽片A的SOI層上沉積200納米厚的金，深刻蝕矽片B，形成最小線寬3微米的固定梳齒及其引線。
[0037]③將矽片A與B進行鍵合，並在兩層中間形成一層200納米厚的二氧化矽絕緣層8。
[0038]④去除矽片A的基底層。
[0039]⑤刻蝕矽片A，形成鏡面結構；最後，採用Lift off工藝在表面沉積200納米厚的金。
[0040]實際使用時，本靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡若要實現繞X軸掃描，只要將在外部固定梳齒2-1和L形支撐梁外端點分別接到直流電源的正、負極，就可在外部固定梳齒2-1和外部可動梳齒4-1之間形成一個電勢差，從而驅動鏡面繞X軸旋轉。若要實現繞Y軸掃描，只要將梳齒引線3和其中任何一個錨位7的上表面分別接到直流電源的正、負極，就可在內部固定梳齒2-2與內部可動梳齒4-2之間形成電勢差，從而驅動鏡面繞X軸轉動。
[0041]以上是單個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡的情況，2X2個靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡陣列結構示意圖，如圖5所示，實際使用時，只要將相應的梳齒通過引線與電源正負極相連即可實現二維掃描。考慮到引線方便，相鄰單元之間要留有足夠的距離。
【權利要求】
1.靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其特徵在於:主要由位於最底層的低阻娃基底(1)，位於中間層的固定梳齒和梳齒引線(3)，位於最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片(5-2)組和支撐梁組￠)，以及同時處於中間層和最高層的錨位(7)所組成； 低阻矽基底(I)的上表面覆有絕緣層(8)； 固定梳齒固定在低阻矽基底(I)的上表面，並由2個外部固定梳齒(2-1)和2個內部固定梳齒(2-2)構成；其中2個外部固定梳齒(2-1)對稱設置在低阻矽基底(I)的Y軸向即前後兩側的邊緣處，2個內部固定梳齒(2-2)對稱設置在低阻矽基底(I)的X軸向即左右兩側的中部； 錨位(7)直立在低阻矽基底(I)的上表面，並由4根從中間層貫穿到最高層的錨杆構成；上述4根錨杆均分為2組，並分別固定在2個內部固定梳齒(2-2)的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底(I)的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部固定梳齒(2-2)左側的2根錨杆相對稱，位於內部固定梳齒(2-2)右側的2根錨杆相對稱，且位於內部固定梳齒(2-2)左側的2根錨杆與位於內部固定梳齒(2-2)右側的2根錨杆相對稱； 可動梳齒懸設在固定梳齒的上方，並由2個外部可動梳齒(4-1)和2個內部可動梳齒(4-2)構成；2個外部可動梳齒(4-1)分別位於2個外部固定梳齒(2-1)的正上方，且外部可動梳齒(4-1)的投影與外部固定梳齒(2-1)相嚙合；2個內部可動梳齒(4-2)分別位於2個內部固定梳齒(2-2)的正上方，且內部可動梳齒(4-2)的投影與內部固定梳齒(2-2)相嚙合； 二維掃描微鏡片(5-2)組由二維掃描平臺(5-1)以及平貼在二維掃描平臺(5-1)的上表面的微鏡片(5-2)構成；二維掃描平臺(5-1)的X軸向即左右側壁各直接與I個內部可動梳齒(4-2)相固連，二維掃描平臺(5-1)的Y軸向即前後側壁各通過一鏡面旋轉軸(5-3)與I個外部可動梳齒(4-1)固連； 支撐梁組(6)包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，並分別懸設在2個內部可動梳齒(4-2)的相對外側，且這4根錨杆在低阻矽基底(I)的上表面呈兩兩對稱設置，即位於內部可動梳齒(4-2)左側的2根L形支撐梁相對稱，位於內部可動梳齒(4-2)右側的2根L形支撐梁相對稱，且位於內部可動梳齒(4-2)左側的2根L形支撐梁與位於內部可動梳齒(4-2)右側的2根L形支撐梁相對稱；每根L形支撐梁的一端與I根錨杆相連，另一端與外部可動梳齒(4-1)相連； 2根梳齒引線(3)分別固定在2個內部固定梳齒(2-2)的相對外側，其中位於左側的梳齒引線(3)從位於內部可動梳齒(4-2)左側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位於右側的梳齒引線(3)從位於內部可動梳齒(4-2)右側的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。
2.根據權利要求1所述的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其特徵在於:每根錨杆內部均設有一個內置絕緣層(7-1)，該內置絕緣層(7-1)橫置於錨杆內，並將錨杆分為上下兩個獨立並絕緣的部分，其中下部分錨杆的高度與固定梳齒的高度相當，上部分錨杆的高度與可動梳齒的高度相當。
3.根據權利要求1所述的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其特徵在於:微鏡片(5-2)的上和/或下表面鍍有金屬膜。
4.根據權利要求1所述的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其特徵在於:2個外部固定梳齒(2-1)均為單向梳齒，2個外部固定梳齒(2-1)的齒槽的開口均向內朝向即朝向低阻矽基底(I)的中部，且2個外部固定梳齒(2-1)的齒槽朝向正對；與之對應，2個外部可動梳齒(4-1)均為單向梳齒，2個外部可動梳齒(4-1)的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻矽基底(I)的邊緣，且2個外部可動梳齒(4-1)的齒槽朝向背對。
5.根據權利要求1所述的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡，其特徵在於:每個內部固定梳齒(2-2)均由2個在Y軸向並排的雙向梳齒組成，即每個內部固定梳齒(2-2)的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒(2-1);與之對應，每個內部可動均由位於中部的I個雙向梳齒和位於兩側的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒(2-1)，單向梳齒的開口向內朝向即即朝向雙向梳齒。
6.根據權利要求4或5所述的靜電驅動微機電系統二維掃描微鏡,其特徵在於:所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃製成。
【文檔編號】G02B26/10GK204116713SQ201420640709
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月30日 優先權日:2014年10月30日
【發明者】陳春明, 胡放榮, 張隆輝, 彭暉 申請人:桂林市光隆光電科技有限公司