CN100454080C

CN100454080C - 一种压电厚膜驱动的微变形镜及其制备方法

Info

Publication number: CN100454080C
Application number: CNB2006101671530A
Authority: CN
Inventors: 褚家如; 许晓慧; 王翔; 赵钢; 冯艳; 刘芳; 刘勇; 张晋弘
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2006-12-09
Filing date: 2006-12-09
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: CN101021617A

Abstract

本发明属于微变形镜及其加工制备领域，具体涉及一种基于压电膜驱动的微变形镜及其制备方法。该微变形镜包括由致动单元组成的微致动器阵列和镜面，其微致动器阵列是中心对称的正六边形结构，由单晶硅膜片构成的镜面通过光敏高聚物凸台与上电极连接。其制备过程包括制备硅衬底压电陶瓷基膜、利用湿法刻蚀法刻蚀硅衬底压电陶瓷基膜、用湿法刻蚀方法刻蚀硅衬底压电陶瓷厚膜其形状、在硅衬底压电陶瓷厚膜阵列上制备上电极阵列、在上电极阵列的上表面制备连接凸台并利用光敏高聚物将镜面固定安装到致动器阵列上。本微变形镜能驱动镜面产生较大的位移量，从而满足天文观测和视网膜成像等领域的要求；本制备方法工艺简单、成本低，具有良好的商业应用前景。

Description

一种压电厚膜驱动的微变形镜及其制备方法

技术领域：

本发明属于微变形镜及其加工制备领域，具体涉及一种基于压电膜驱动的微变形镜及其制备方法。

背景技术：

变形镜是一种可用在光学系统中进行光路波前畸变校正、敌我光电识别等领域的新型光学器件，在军用和民用两个市场都有良好的应用前景。如将变形镜用于人眼视网膜成像时，可以校正时间和空间上都随机变化的活体人眼像差，以获得接近衍射极限的高分辨率视觉细胞图像，从而实现对严重影响人眼视力及致盲疾病(诸如视网膜血管病、黄斑疾病、视网膜脱离等眼底自身病变，以及高血压、动脉硬化、糖尿病等全身相关性疾病)的更早期诊断，帮助医生和患者及时治疗，减少患者失明的风险。另外，将变形镜用于地基天文望远镜时可以补偿大气扰动导致的波前畸变，从而使观测天体的分辨率达到衍射极限。

目前研究的基于微加工技术的微机械变形镜主要以静电和压电两种驱动方式为主。2006年，国际光学工程学会发表的论文集中公开了一种静电驱动式微变形镜加工工艺(“MEMS连续薄膜微变形镜的制备”，Proc.of SPIE，Vol.6306，pp630606-11，2006)。这种微变形镜中由于静电驱动PULL-IN现象的存在，使得其有效位移量一般不超过2微米；并且由于牺牲层工艺制备的镜面残余应力较大，导致镜面出现较大初始形变，严重影响变形镜的波前校正性能；此外，静电驱动微变形镜的工作电压高(一般大于150V)，因此，导致系统集成困难。2006年10月，美国《微机电系统杂志》中报道美国喷气推进实验室研究成功了一种压电薄膜驱动的微变形镜(Journal of MEMS，Vol.15，pp1214-1224，2006)。该类变形镜利用压电薄膜致动器阵列驱动镜面变形，避免了静电驱动式变形镜存在的工作电压高的缺陷，但由于其压电薄膜是通过凝胶-凝胶方法制备，其制备工艺复杂，稳定性和重复性较差，商业化应用很是困难，并且压电薄膜驱动力弱，导致镜面有效位移量小(一般不超过2微米)，不能满足特别用户的需要，例如对用于天文观测和视网膜成像等领域的微机械变形镜通常都要求其有效变形量在5-10微米，甚至更高。而且，虽然其镜面采用SOI硅片制备，克服了静电驱动式变形镜中存在的镜面初始形变大的不足，但是SOI硅片价格昂贵，且相应的加工设备要求高，因此制备此类镜面成本高。同时，该类变形镜中的镜面和致动器阵列之间用金属凸台固定，通常需要在高真空下进行两者的固定操作，对设备要求较高。此外，由于相邻的压电薄膜致动器单元构成正四边形结构，从而使控制镜面形状的解耦算法更加复杂，不利于镜面形状的解耦控制和最佳控制。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种基于压电厚膜驱动的微变形镜及其制备方法。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的压电厚膜驱动的微变形镜，包括由致动单元组成的微致动器阵列和镜面，其中的致动单元由硅衬底、带有上下电极的压电陶瓷膜和连接凸台组成，在硅衬底背面设有与压电陶瓷膜层相对应的孔，其特征在于，所述的微致动器阵列是中心对称的正六边形结构；所述压电陶瓷膜层的厚度为10-50微米；所述镜面为厚度为20-50微米厚的单晶硅膜片，或者在单晶硅膜片的上表面加镀金属反射层；所述镜面由光敏高聚物构成的连接凸台与上电极连接。

本发明的压电膜驱动的微变形镜的制备方法，其特征在于，其制备过程包括：

1)用常规技术将带有下电极的压电陶瓷基片固化到由弹性层和支撑层组成的硅衬底上，得到硅衬底压电陶瓷基膜。其具体操作步骤为：先将环氧胶用旋涂或丝网印刷方法均匀涂到压电陶瓷基片或者衬底硅上，其整体形状满足构成微致动器阵列的需要，所涂的环氧胶层的厚度为3-10微米；然后在0.1-1MPa的压力下将两者贴合，并通过热处理工艺(100-180℃保温1-3小时)使环氧胶固化，得到硅衬底压电陶瓷基膜。其中，所述的压电陶瓷基片是厚度为100-200微米、横向d₃₁压电系数大于100pmN的压电陶瓷体材料，例如PZT-5H，PMN-PT等；所述固化材料是一种不含添加剂的环氧胶，例如，上海合成树脂研究所的E-7环氧胶，北京波米公司的ZKEP-4530环氧胶等。

2)利用浸入方式的湿法刻蚀法刻蚀硅衬底压电陶瓷基膜，使压电陶瓷层厚度减薄到10-50微米，得到硅衬底压电陶瓷厚膜。其具体操作步骤为：将压电陶瓷膜浸入在压电陶瓷刻蚀液中刻蚀10-30分钟；然后在40-80℃的蒸馏水中浸泡10-30分钟，去除刻蚀过程中产生的化学残留物；重复这个过程，直到膜层厚度满足要求，得到硅衬底压电陶瓷厚膜。

3)用湿法刻蚀方法刻蚀硅衬底压电陶瓷厚膜，使其形状满足致动器阵列要求。其具体操作步骤为：先在压电陶瓷厚膜上制备根据致动器阵列形状设定的光刻胶掩模；然后用压电陶瓷刻蚀液刻蚀去除多余部分至下电极，制得硅衬底压电陶瓷厚膜阵列；所述的湿法刻蚀方法为现有技术中的浸入法刻蚀或雾化法刻蚀，所述致动器阵列是中心对称的正六边形结构。

4)在上述硅衬底压电陶瓷厚膜阵列上制备上电极阵列。其具体操作步骤为：先在压电陶瓷厚膜上用溅射或真空蒸发方法沉积导电金属层，然后在金属层上制备光刻胶掩模，再利用离子束刻蚀、化学刻蚀等常规的刻蚀方法去除多余处的的金属层，制成与压电陶瓷厚膜阵列相对应的上电极阵列，所述导电金属层用金属是导电系数教高的金属，例如金、银、铜、铝、钛等。

5)在上述上电极阵列的上表面制备连接凸台。其具体操作步骤为：在上电极阵列的上表面旋涂光敏高聚物层，并使用光刻工艺去除多余的光敏高聚物，制备成光敏高聚物凸台，凸台高度为10-50微米。

6)制备镜面。其具体操作步骤为：用湿法刻蚀方法将厚度为300-400微米的单晶硅片减薄，制备得到厚度为20-50微米的单晶硅膜片，并用溅射或真空蒸发方法在该单晶硅膜片表面上镀金属反射层，制成单晶硅膜镜面，镀层厚度为0.1-1微米；所述的刻蚀液是KOH溶液或者TMAH溶液等；所述金属反射层用金属是反射率高的金属，例如金、铝等。

7)利用光敏高聚物将镜面固定安装到致动器阵列上，并从衬底背面通过深反应离子刻蚀方法形成与压电陶瓷厚膜层相对应的孔，孔的轴线与连接凸台相同，孔径略大于压电陶瓷厚膜径，深度等于支撑层厚度。最后再引入电线、封装得成品。

在上述的制备过程中，所述的光敏高聚物是Azresist公司的AZ9200系列或者Microchem公司的SU8系列等，所述的光刻胶是Shipley公司的S1800系列或者北京化学试剂研究所的BP218系列等，所述的金属镀层是金或铝。

本发明的压电厚膜驱动的微变形镜，与现有技术中的静电或压电薄膜微变形镜相比，具有以下突出的优点：①由于压电膜厚度达到10-50微米，驱动力大，能驱动刚度较大的镜面产生较大的位移量(在55V工作电压下可产生10微米的镜面位移量)，克服了静电和压电薄膜驱动的微变形镜位移量小的不足；能够满足天文观测和视网膜成像等领域对变形量的使用要求；②压电厚膜是通过压电陶瓷基体材料湿法减薄制得，克服了溶胶-凝胶方法制备压电薄膜所导致的制备工艺复杂、稳定性和重复性差的不足，因此压电性能稳定，重复性好，有利于商业化应用；③镜面是由湿法刻蚀方法减薄普通单晶硅片来制备，避免了昂贵的SOI硅片和先进加工设备的使用，以及牺牲层工艺制备的镜面初始形变大的不足；④镜面和压电厚膜致动器阵列通过光敏高聚物来固定，克服了金属凸台固定对设备要求高的不足，并且光敏高聚物固定强度高、稳定性好、工艺简单。⑤相邻致动器单元之间构成中心对称的正六边形结构，从而使得相邻致动器单元之间的影响函数相同，避免了正四边形结构所导致的镜面形状的解耦控制复杂、解耦算法消耗时间多等不足。

因此，利用本发明制备的压电厚膜驱动的微机械变形镜，镜面位移量较大，各项性能稳定，并且整体制作工艺简单、成本低，具有良好的商业应用前景。

附图说明

下面通过附图和实例做进一步说明。

图1是本发明所述由7个致动单元构成的压电厚膜驱动微变形镜的一种实施例结构示意图。

图2是具有37个致动单元构成的压电厚膜驱动微变形镜，其中致动单元构成的微致动器阵列位置分布示意图。

图3是对本发明所述压电致动器单元进行不同电压测试得到的位移曲线图。

图4所示为本发明所述压电致动器单元在25V电压驱动下沿中心线的变形量分布图。

参见图1，图1.1是所述压电厚膜驱动微变形镜的外形图，图1.2是图1.1的A-A剖视图，图1.3是图1.1的仰视图。图中，硅衬底1上设有由七个致动单元构成的正六边形微致动器阵列。每个致动单元包括圆形连接凸台6、上电极5和圆形压电陶瓷厚膜4，其中，上电极5是用溅射或真空蒸发方法沉积在压电陶瓷厚膜上的导电金属层。3是与压电陶瓷厚膜层固连的下电极层，由弹性层和支撑层组成的硅衬底1通过环氧胶层2与下电极层3固化成整体。在硅衬底1的背面，设有用深反应离子刻蚀方法得到的七个盲孔，其轴线与圆形连接凸台相同，孔径略大于压电陶瓷厚膜径，深度等于支撑层厚度。8是由单晶硅膜片制成的镜面，其上表面上镀有金属膜反射层9，该镜面与连接凸台6之间由光敏高聚物层7连接。

参见图2，图中表达了使用37个致动单元时致动单元位置的分布情况，从该图可以看出，37个致动单元构成正六边形结构的微致动器阵列，由于中心完全对称，从而使得相邻致动器单元之间的影响函数相同，方便了解耦控制计算。

参见图3，横坐标为施加在致动器上的电压(单位是伏特)，纵坐标为致动器单元中心的纵向位移(单位是微米)。由图可知，随着施加在致动器上的电压的增加，致动器单元中心的纵向位移也随之增加，

参见图4，横坐标是沿中心线方向的位置(单位是毫米)，纵坐标是相应的位移(单位是微米)，图中黑色的点是测试的数据点，曲线是根据测试的数据点的拟合曲线。由图可知，致动器单元中心的位移最大，沿中心往外逐渐变小。

具体实施方式

实施例1：

1.制备硅衬底压电陶瓷基膜

将粘度为120cps的单组分环氧胶(ZKEP-4530，北京波米公司)用旋涂方法(2000转18秒，4000转30秒)制备到硅衬底表面，然后将带有下电极的压电陶瓷基片(直径25毫米，厚度100微米，昆山晶丰电子有限公司)贴合到涂有环氧胶的硅衬底表面，并在压电陶瓷基片表面施加0.5MPa的压力；然后，将其放在160℃的烘箱内保温1小时，使环氧胶固化，制得硅衬底压电陶瓷基膜。

2.制备硅衬底压电陶瓷厚膜

(1)配制压电陶瓷刻蚀液：先按常规方法在常温下将NH₄F的饱和溶液和浓度为49％的HF溶液按体积比为2∶3配制BHF溶液。所述体积比为已准备好的溶液的体积之比；如果所准备的溶液的浓度与前述不同，则配制时所采用的体积比要做相应调整，使各成分的摩尔浓度之比相当(以下配制过程中所述的体积比含义及其调整同此)。接着用去离子水配制常温下NH₄Cl的饱和溶液；HCl溶液可直接购买浓度为38％的常规产品；H₂O为去离子水；最后按体积比BHF∶HCl∶NH₄Cl∶H₂O＝1∶2∶4∶4将所准备的四种溶液按BHF、H₂O、HCl、NH₄Cl顺序混合配制成刻蚀液。所用的原料均为化学试剂，纯度均为分析纯。

(2)用湿法腐蚀减薄固定在硅衬底上的压电陶瓷基膜：将硅衬底压电陶瓷基膜浸没在(1)中所配制刻蚀液中，刻蚀时间为10分钟，然后用70℃的蒸馏水浸泡5分钟并晃动样品去除残留物；重复这个过程多次，最后得到厚度为25微米的压电陶瓷厚膜。

3.用雾化方法刻蚀硅衬底压电陶瓷厚膜，使其形状满足所需微致动器阵列要求。

(1)在压电陶瓷厚膜上制备根据致动器阵列形状设定的光刻胶掩膜：采用美国Shipley公司的S1830正型光刻胶作为掩膜，用旋转涂覆的方法在硅衬底压电陶瓷厚膜上制备光刻胶层。匀胶的转速为4000转每分钟，匀胶时间40秒，胶厚约3微米。匀胶后在95℃前烤15分钟对光刻胶进行固化，然后用UV紫外光刻机(该设备由美国ABM公司生产)将所需的掩膜图形曝光显影后在120℃后烤40分钟进行坚膜。

(2)雾化方法刻蚀压电陶瓷厚膜：将(1)中制备的带有光刻胶掩模的压电陶瓷厚膜放入由压电陶瓷刻蚀液形成的雾场中进行刻蚀，制得硅衬底压电陶瓷厚膜阵列；其中，刻蚀时间为7分钟；刻蚀完毕后，立即取出样品用去离子水清洗；然后在丙酮中浸泡10分钟去除光刻胶残留物，再用去离子水冲洗样品。取出，烘干，得到表面无残留物的压电陶瓷厚膜阵列。

4.制备上电极阵列

在压电陶瓷厚膜阵列上通过磁控溅射方法(该设备由中科院微电子中心生产)先后溅射钛层和白金层，钛层厚度为50纳米，白金层厚度为150纳米；然后，在所镀的金属层上制备光刻胶掩模，光刻胶掩模的制备过程同上述3(1)；然后，利用离子束刻蚀方法(该设备由中国电子科技集团第四十八所生产)刻蚀掉多余的白金层和钛层，刻蚀时间为10分钟，制得上电极阵列。

5.制备连接凸台

在上述制备的上电极阵列上用旋转涂覆的方法制备AZ9260光敏高聚物层。转速为2000转每分钟，匀胶时间40秒，胶厚约10微米；匀胶后在110℃前烤80秒对光敏高聚物进行固化，然后用UV紫外光刻机(该设备由美国ABM公司生产)将所需的掩膜图形曝光显影，得到10微米厚的光敏高聚物凸台。

6.制备镜面

在厚度为360微米的双面抛光的单晶硅片表面用等离子增强化学气象沉积方法(该设备由日本Samco公司生产)制备1微米厚的氮化硅薄膜，然后浸入到70℃水裕恒温的KOH溶液(30％浓度)中刻蚀，刻蚀时间约为8小时，取出后用去离子水清洗，然后浸入到49％的HF溶液中10分钟，去除单晶硅表面的氮化硅薄膜，并用去离子水清洗，烘干，制得20微米厚的单晶硅膜；然后在单晶硅膜表面用真空蒸发镀膜方法(该设备由日本ULVAC公司生产)镀金膜，金膜层的厚度为150nm，制得镜面。

7.将镜面固定安装到致动器阵列上

在上述镜面的反面上用旋转涂覆的方法制备AZ9260光敏高聚物层。转速为2000转每分钟，匀胶时间40秒，胶厚约10微米；然后将镜面的反面贴合到带有连接凸台的致动器阵列上，并在镜面上施加0.01MPa的压力，再然后在110℃烘烤20分钟对光敏高聚物进行固化；并从衬底背面通过深反应离子刻蚀方法形成与压电陶瓷厚膜层相对应的孔，孔的轴线与圆形连接凸台相同，孔径比压电陶瓷厚膜径大10％，深度等于支撑层厚度。最后再引入电线、封装得成品。

Claims

1.一种压电陶瓷膜驱动的微变形镜，包括由致动单元组成的微致动器阵列和镜面，其中的致动单元由硅衬底、带有上下电极的压电陶瓷膜和连接凸台组成，在硅衬底背面设有与压电陶瓷膜相对应的孔，其特征在于，所述的微致动器阵列是中心对称的正六边形结构；所述压电陶瓷膜的厚度为10-50微米；所述镜面由光敏高聚物构成的连接凸台与上电极连接，该镜面为厚度为20-50微米的单晶硅膜片。

2.如权利要求1所述的微变形镜，其特征在于，所述镜面是在单晶硅膜片的上表面加镀金属反射层。

3.如权利要求1所述的压电陶瓷膜驱动的微变形镜的制备方法，其特征在于，其制备过程包括：1)用常规技术将带有下电极的压电陶瓷基片固化到由弹性层和支撑层组成的硅衬底上，得到硅衬底压电陶瓷基膜；2)利用浸入方式的湿法刻蚀法刻蚀硅衬底压电陶瓷基膜，使硅衬底压电陶瓷基膜厚度减薄到10-50微米，得到硅衬底压电陶瓷膜；3)用湿法刻蚀方法刻蚀硅衬底压电陶瓷膜，使其形状满足微致动器阵列要求，得到硅衬底压电陶瓷膜阵列，所述微致动器阵列是中心对称的正六边形结构；4)在上述硅衬底压电陶瓷膜阵列上制备上电极阵列；5)在上述上电极阵列的上表面制备连接凸台；6)使用湿法刻蚀方法减薄单晶硅膜片制备镜面；7)利用光敏高聚物将镜面固定安装到微致动器阵列上，并从硅衬底背面通过深反应离子刻蚀方法形成与硅衬底压电陶瓷膜相对应的孔，最后再引入电线，封装得成品。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述镜面是在单晶硅膜片的上表面镀金属反射层构成。