大轉角壓電掃描微鏡的製作方法

2023-04-25 12:04:26

專利名稱：大轉角壓電掃描微鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及微光機電系統技術領域，特別涉及一種大轉角壓電掃描微鏡。
背景技術：
微光機電系統(Micro-optical-electromechanicalsystems,M0EMS)是指利用微 加工技術用於光學系統的MEMS (Micro-electromechanical systems)器件與系統。與傳統 光學機械電子系統比較，M0EMS體積更小、重量更輕、速度更快。掃描微鏡或微鏡陣列是一 種重要的M0EMS器件，在驅動力的作用下微鏡的反射鏡面發生偏轉從而改變入射光束的反 射角度，實現反射光束的掃描。可廣泛應用於醫學影像、光譜儀、條形碼閱讀等領域。按照微鏡驅動方式的不同，主要分為靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動和壓電驅動寸。靜電驅動微鏡是目前研究最多的一種，一般在結構中引入一對或多對電極，通過 電極間的靜電力驅動微鏡運動。該驅動方式的優點是設計容易，製造工藝簡單、重複性好。 其缺點是變間距靜電驅動的靜電力與極板位移之間是非線性關係，且為實現較大的偏轉 角度，需要較高的工作電壓(彡50V)，日本Toshiyosh H等人研製的一種梳齒電極驅動的二 維微鏡，鏡面尺寸為500 iimX 500 iim，最大轉角為9°，但是驅動電壓高達170Vd。。工作電 壓高不利於器件與電路的一體化集成。電磁驅動微鏡是利用電磁體或者永磁體產生的磁場力作為驅動力。電磁驅動的優 點是能夠提供較大的線性雙向作用(吸引和排斥)力，線性好、驅動力大、驅動電壓低；缺點 是磁性材料與MEMS工藝兼容性較差(通常需要手動組裝)，驅動電流大。美國密西根大學 研製了基於電磁驅動的三維微鏡，其微反射鏡面尺寸為gOOymXgOOiim，x軸方向最大偏 轉角度為士 4.2°，y軸方向最大偏轉角度為士 9. 2°，z軸方向位移為士 42i!m，但是其驅 動電流高達120mA。電熱驅動微鏡是利用驅動電流使材料受熱膨脹產生驅動力，美國Florida大學提 出了一種基於電熱驅動的雙軸多晶矽微機械扭轉微鏡，加熱器位於金屬氧化物中，通過改 變驅動電流的大小調節鏡片偏轉的角度。對於第一個扭轉軸驅動電流為3. 6mA時，微鏡轉 動40°，諧振頻率為445Hz;對於第二個扭轉軸驅動電流為8mA時，微鏡轉動25°，諧振頻 率為259Hz。電熱驅動器的缺點是功耗大，且受環境溫度影響較大。壓電驅動微鏡是利用壓電材料的逆壓電效應產生驅動力。壓電材料的驅動力大， 電壓響應速度快。壓電驅動器通常採用下電極/壓電層/上電極的「三明治」結構。日本 Stanely電子公司研製了一種壓電驅動的二維微鏡，提出了一種摺疊梁形式的壓電驅動器 使微鏡能轉動較大的角度，內軸在24V驅動電壓下轉動5. 6°，外軸在20V驅動電壓下轉動 8.6°。但是該微鏡僅由壓電摺疊梁在微鏡的一端支承，而另一端懸空，這種結構在繞鏡面 一端轉動時會伴隨著鏡面面外的上下振動，這樣在應用微鏡的光學系統中引入擾動，從而 降低系統的光學性能。近年來隨著光學系統的複雜化和智能化，對微鏡的性能要求不斷地提高，特別對
3微鏡反射光束提出了可控制的要求，因此需要對微鏡的偏轉角度進行精確測量。目前一般 採用將雷射投射到微鏡，經鏡面反射到接收屏上成像的方法得到微鏡轉角。這種方法需要 外加雷射器、探測器等多個器件，體積龐大。

發明內容
有鑑於此，本發明的目的是提供一種大轉角壓電掃描微鏡，具有轉動角度大、功耗 低、控制精度高、角度測量準確、限制鏡面面外平動等優點，能夠大範圍地推廣使用。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明的大轉角壓電掃描微鏡包括微 反射鏡面、多個壓電微驅動器以及支撐框架，所述反射鏡面、壓電微驅動器以及支撐框架均 製作在同一片矽結構層上並以矽結構層作為其共同的底層，所述反射鏡面、壓電微驅動器 位於支撐框架結構的內部；所述微反射鏡面包括所述矽結構層和採用M0EMS工藝製作在矽結構層上的反射 膜層；所述壓電微驅動器沿微反射鏡面的縱向中軸線對稱設置在微反射鏡面的左、右兩側， 同側的壓電微驅動器之間沿微反射鏡面的橫向中軸線上、下對稱；每一壓電微驅動器均為一隻摺疊梁，包括多段壓電驅動結構，所述壓電驅動結構 包括採用M0EMS工藝從下到上依次層疊製作在矽結構層上的下電極層、壓電層和上電極 層；其中，每一壓電微驅動器靠近微反射鏡面的一側與微反射鏡面的矽結構層相連 接，而靠近支撐框架的一側與支撐框架的矽結構層相連接，實現對微反射鏡面的驅動和支 撐；所述壓電微驅動器的電信號通過上、下電極層進行輸入。進一步，所述微反射鏡面的兩側分別設置有對稱的扭轉梁，同側的壓電微驅動器 以扭轉梁為對稱軸上下對稱設置；所述扭轉梁也具有與微反射鏡面、壓電微驅動器以及支 撐框架相同的矽結構層，扭轉梁的一端通過矽結構層與微反射鏡面相連接，另一端通過矽 結構層與支撐框架相連接；進一步，所述大轉角壓電掃描微鏡還包括製作在同一片矽結構層上的角度傳感 器，所述角度傳感器設置在扭轉梁與支撐框架相連接的端頭處且位於扭轉梁中心軸的一 側；進一步，所述角度傳感器為壓電式角度傳感器，所述壓電式角度傳感器包括採用 M0EMS工藝從下到上依次製作在矽結構層上的下電極、壓電層和上電極；所述壓電式角度傳感器的電信號通過上、下電極層進行輸出；進一步，所述角度傳感器為壓阻式角度傳感器，所述應變式角度傳感器包括採用 摻雜工藝掩埋製作在矽結構層內部的電阻；所述壓阻式角度傳感器的電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量；進一步，所述角度傳感器為應變式角度傳感器，所述應變式角度傳感器包括採用 M0EMS工藝依次層疊製作在矽結構層上得絕緣層和應變片，所述應變片為Pt片；所述應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進行輸出和測 量；進一步，在壓電微驅動器的矽結構層與下電極層之間設置有電絕緣層；
進一步，所述微反射鏡面的上、下兩側還設置有沿微反射鏡面的橫向中軸線上下 對稱的壓電微驅動器，同側的壓電微驅動器之間沿沿微反射鏡面的縱向軸線相互對稱。本發明的有益效果是1.本發明採用壓電驅動方式對微鏡進行驅動，壓電驅動器採用摺疊梁結構，該種 摺疊梁結構設計精巧，且沿微反射鏡面的軸線進行布置，可在較低的工作電壓下實現大轉 動角度，同時既可以布置在微反射鏡面的左右兩側，也可以布置在微反射鏡面的四周，擴大 了轉動範圍；2.微鏡中部由一對扭轉梁進行支承，扭轉梁的引入限制了微鏡面外的平動，使微 鏡繞扭轉梁轉動，增加了系統的穩定性；3.該微鏡集成了壓電式角度傳感器，實現對掃描角度的精確測量，從而無需外接 角度檢測裝置，能夠減小光學系統體積；4.本發明中的壓電微驅動器與壓電式角度傳感器採用相同的壓電材料，從而簡化 了微鏡加工工藝，降低了製造成本。本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並 且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要 求書來實現和獲得。


為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述，其中圖1為本發明的微鏡結構原理圖；圖2為圖1沿A-A向剖面示意圖；圖3為圖1在B處的放大示意圖；圖4為圖3沿F-F向剖面示意圖；圖5為本發明的製作原理圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例 僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護範圍。1-微反射鏡面；2-壓電微驅動器；3-角度傳感器；4-支撐框架；5-矽結構層； 7_下電極層；8-壓電層；9-上電極層；10-反射膜層；11-扭轉梁；12-壓電驅動結構；13-下 電極；14-壓電層；15-上電極；16-矽片層I ；17-5102層I ；18-矽片層II ；19-5102層II ； 20-下電極層；21-壓電材料層；22-上電極層。如圖1和圖2所示，本發明的大轉角壓電掃描微鏡包括微反射鏡面1、壓電微驅動 器2、角度傳感器3以及支撐框架4，反射鏡面1、壓電微驅動器2、角度傳感器3以及支撐框 架4均製作在同一片矽結構層5上並以矽結構層5作為其共同的底層，反射鏡面1、壓電微 驅動器2和壓電式角度傳感器3位於支撐框架4的框架結構的內部；微反射鏡面1包括矽結構層5和採用M0EMS工藝製作在矽結構層5上的反射膜層10，微反射鏡面1的左、右兩側設置有沿微反射鏡面1的縱向中軸線左右對稱的壓電微驅動 器2，同側的壓電微驅動器2之間沿微反射鏡面1的橫向中軸線相互對稱；本實施例中，壓 電微驅動器2為四個。微反射鏡面1的兩側分別設置有對稱的扭轉梁11，同側的壓電微驅動器2以扭轉 梁11為對稱軸上下對稱設置；扭轉梁11也具有與微反射鏡面1、壓電微驅動器2以及支撐 框架4相同的矽結構層5，扭轉梁11的一端通過矽結構層5與微反射鏡面1相連接，另一端 通過矽結構層5與支撐框架4相連接。每一壓電微驅動器2為一隻摺疊梁，其上製作多段壓電驅動結構12，所述壓電驅 動結構12包括採用M0EMS工藝從下到上依次層疊製作在矽結構層5上的下電極層7、壓電 層8和上電極層9 ；其中，每一壓電微驅動器2靠近微反射鏡面1的一側與微反射鏡面1的矽結構層 5相連接，靠近支撐框架4的一側與支撐框架4的矽結構層相連接，實現對微反射鏡面1的 驅動和支撐；壓電微驅動器2的電信號通過上、下電極層進行輸入，具體連接是採用交叉連接 的方式，即壓電驅動結構的上電極串聯相鄰壓電驅動結構的下電極，下電極串聯相鄰壓電 驅動結構的上電極，從而實現兩路通電。如圖3和圖4所示，角度傳感器3設置在扭轉梁11與支撐框架4相連接的端頭處 且位於扭轉梁11中心軸的相同一側(該同側關係是指不同的角度傳感器在不同扭轉梁上 的位置同時位於所處扭轉梁中心軸的上側或下側)，本實施例中，角度傳感器3採用壓電式 角度傳感器，包括採用M0EMS工藝從下到上依次製作在矽結構層5上的下電極13、壓電層 14和上電極15 ；壓電式角度傳感器的電信號通過上、下電極進行輸出。為保證絕緣效果，避免產生串擾，可以在壓電微驅動器2的矽結構層5與下電極層 7之間以及壓電式角度傳感器3的矽結構層5與下電極15之間設置有電絕緣層(圖中未標 示)°本發明在使用中，通過在相鄰的兩段壓電驅動結構12的上、下電極上施加反向電 壓，通過壓電摺疊梁末端角位移的累加，在與微反射鏡面連接處獲得大的角位移，從而驅動 微反射鏡面轉動較大的角度。當微反射鏡面繞扭轉梁轉動時，扭轉梁在與支撐框架的連接處的應力最大，而且 該處扭轉梁對稱軸兩側的應力類型相反，所以壓電傳感器布置在扭轉梁靠近支撐框架的一 端且僅布置在扭轉梁的對稱軸的相同一側。本發明的壓電式角度傳感器的結構為下電極/ 壓電層/上電極的「三明治」結構，當微反射鏡面繞扭轉梁轉動時，使扭轉梁產生應力，從而 在角度傳感器的上下電極間產生電勢差，且該電勢差與扭轉梁的應力成正比，進而與微反 射鏡面轉動角度成正比。通過檢測該電勢差，可獲得微反射鏡面轉動角度信息。本發明具有較大的通用性，在一定的工作電壓下，通過改變壓電摺疊梁的段數以 及各段壓電驅動結構的長度、寬度和間距來調節微鏡的轉動角度和工作頻率，以滿足不同 光學系統的要求。如圖5所示，本產品的製作過程如下1.如圖(a)所示，先在矽片I 16上熱生長5102層1 17;2.如圖(b)所示，在Si02層I 17上鍵合矽片II 18 ；
3.如圖(c)所示，採用CMP(化學機械研磨)減薄矽片II 18 ；4.如圖(d)所示，熱生長Si02層II 19，再依次澱積上Ti/Au/PZT/Au ；5.如圖(e)所示，刻蝕出上電極22和壓電材料21 ；其中，上電極22為第二層Au， 壓電材料21為PZT材料；6.如圖(f)所示，製作出下電極20和鏡面鍍層，下電極20和鏡面鍍層均為Ti/ Au(Ti層的作用是增加Au與Si/Si02的黏附性)7.如圖(g)所示，使用DRIE(深反應離子刻蝕)工藝釋放微鏡結構。(該圖中只 表示出了微反射鏡面、兩對壓電驅動結構和一對扭轉梁)需要說明的是，本發明的角度傳感器3還可以採用壓阻式角度傳感器或應變式角 度傳感器，其中，壓阻式角度傳感器包括採用摻雜工藝製作在矽結構層5內的掩埋電阻；所 述壓阻式角度傳感器的電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量。應變式角度傳感器包括採用M0EMS工藝依次層疊製作在矽結構層5上的絕緣層和 應變片，所述應變片為Pt片；應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進 行輸出和測量。最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較 佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求範圍當中。
權利要求
大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述微鏡包括微反射鏡面(1)、壓電微驅動器(2)以及支撐框架(4)，所述反射鏡面(1)、壓電微驅動器(2)以及支撐框架(4)均製作在同一片矽結構層(5)上並以矽結構層(5)作為其共同的底層，所述反射鏡面(1)、壓電微驅動器(2)位於支撐框架(4)結構的內部；所述微反射鏡面(1)包括所述矽結構層(5)和採用MOEMS工藝製作在矽結構層(5)上的反射膜層(10)；所述壓電微驅動器(2)沿微反射鏡面(1)的縱向中軸線對稱設置在微反射鏡面(1)的左、右兩側，同側的壓電微驅動器(2)之間沿微反射鏡面(1)的橫向中軸線上、下對稱；每一壓電微驅動器(2)為一隻摺疊梁，其上製作多段壓電驅動結構(12)，所述壓電驅動結構(12)包括採用MOEMS工藝從下到上依次層疊製作在矽結構層(5)上的下電極層(7)、壓電層(8)和上電極層(9)；其中，每一壓電微驅動器(2)靠近微反射鏡面(1)一側與微反射鏡面(1)的矽結構層(5)相連接，而靠近支撐框架(4)一側與支撐框架(4)的矽結構層相連接，實現對微反射鏡面(1)的驅動和支撐；所述壓電微驅動器(2)的電信號通過上、下電極層進行輸入。
2.根據權利要求1所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述微反射鏡面(1)的 兩側分別設置有對稱的扭轉梁(11)，同側的壓電微驅動器⑵以扭轉梁(11)為對稱軸上 下對稱設置；所述扭轉梁(11)也具有與微反射鏡面(1)、壓電微驅動器(2)以及支撐框架(4)相同的矽結構層(5)，扭轉梁(11)的一端通過矽結構層(5)與微反射鏡面⑴相連接， 另一端通過矽結構層(5)與支撐框架(4)相連接。
3.根據權利要求2所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述大轉角壓電掃描微 鏡還包括製作在同一片矽結構層(5)上的角度傳感器(3)，所述角度傳感器設置在扭轉梁 (11)與支撐框架(4)相連接的端頭處且位於扭轉梁(11)中心軸的同一側。
4.根據權利要求3所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述角度傳感器(3)為 壓電式角度傳感器，所述壓電式角度傳感器包括採用MOEMS工藝從下到上依次製作在矽結 構層(5)上的下電極(13)、壓電層(14)和上電極(15)；所述壓電式角度傳感器(3)的電信號通過上、下電極層進行輸出。
5.根據權利要求3所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述角度傳感器(3)為壓阻 式角度傳感器，所述壓阻式角度傳感器包括採用摻雜工藝掩埋在矽結構層(5)內部的電阻；所述壓阻式角度傳感器的電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量。
6.根據權利要求3所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述角度傳感器(3)為 應變式角度傳感器，所述應變式角度傳感器包括採用MOEMS工藝依次層疊製作在矽結構層(5)上的絕緣層和應變片，所述應變片為Pt片；所述應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進行輸出和測量。
7.根據權利要求1或2或3所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於在壓電微驅動 器(2)的矽結構層(5)與下電極層(7)之間設置有電絕緣層。
8.根據權利要求1所述的大轉角壓電掃描微鏡，其特徵在於所述微反射鏡面(1)的 上、下兩側還設置有沿微反射鏡面(1)的橫向中軸線上下對稱的壓電微驅動器(2)，同側的 壓電微驅動器(2)之間沿沿微反射鏡面(1)的縱向軸線相互對稱。
全文摘要
本發明公開了一種單片集成的大轉角壓電掃描微鏡，包括微反射鏡面、壓電微驅動器、角度傳感器以及支撐框架，所述反射鏡面、壓電微驅動器以及支撐框架均製作在同一片矽基底上，反射鏡面、壓電微驅動器位於支撐框架結構的內部；本發明採用壓電驅動方式對微鏡進行驅動，壓電微驅動器包括多條壓電摺疊梁，可在較低的工作電壓下實現微鏡的大角度掃描；微鏡中部由一對扭轉梁進行支承，使微鏡繞扭轉梁轉動，從而限制了微鏡面外的平動，增加了系統的穩定性；同時集成了壓電式角度傳感器，實現掃描角度的精確測量，因此無需外加角度檢測裝置，從而減小系統體積，本發明成果可廣泛應用於微型光譜儀、光學成像等領域。
文檔編號H01L41/09GK101852917SQ201010136889
公開日2010年10月6日 申請日期2010年3月31日 優先權日2010年3月31日
發明者溫中泉, 溫志渝, 賀學鋒, 錢蓉蓉, 陳李 申請人:重慶大學