CN101852917B - 大转角压电扫描微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成的大转角压电扫描微镜，包括微反射镜面、压电微驱动器、角度传感器以及支撑框架，所述反射镜面、压电微驱动器以及支撑框架均制作在同一片硅基底上，反射镜面、压电微驱动器位于支撑框架结构的内部；本发明采用压电驱动方式对微镜进行驱动，压电微驱动器包括多条压电折叠梁，可在较低的工作电压下实现微镜的大角度扫描；微镜中部由一对扭转梁进行支承，使微镜绕扭转梁转动，从而限制了微镜面外的平动，增加了系统的稳定性；同时集成了压电式角度传感器，实现扫描角度的精确测量，因此无需外加角度检测装置，从而减小系统体积，本发明成果可广泛应用于微型光谱仪、光学成像等领域。

Description

大转角压电扫描微镜

技术领域

本发明涉及微光机电系统技术领域，特别涉及一种大转角压电扫描微镜。

背景技术

微光机电系统(Micro-optical-electromechanical systems，MOEMS)是指利用微加工技术用于光学系统的MEMS(Micro-electromechanical systems)器件与系统。与传统光学机械电子系统比较，MOEMS体积更小、重量更轻、速度更快。扫描微镜或微镜阵列是一种重要的MOEMS器件，在驱动力的作用下微镜的反射镜面发生偏转从而改变入射光束的反射角度，实现反射光束的扫描。可广泛应用于医学影像、光谱仪、条形码阅读等领域。

按照微镜驱动方式的不同，主要分为：静电驱动、电磁驱动、电热驱动和压电驱动等。

静电驱动微镜是目前研究最多的一种，一般在结构中引入一对或多对电极，通过电极间的静电力驱动微镜运动。该驱动方式的优点是：设计容易，制造工艺简单、重复性好。其缺点是：变间距静电驱动的静电力与极板位移之间是非线性关系，且为实现较大的偏转角度，需要较高的工作电压(≥50V)，日本Toshiyosh H等人研制的一种梳齿电极驱动的二维微镜，镜面尺寸为500μm×500μm，最大转角为9°，但是驱动电压高达170V_dc。工作电压高不利于器件与电路的一体化集成。

电磁驱动微镜是利用电磁体或者永磁体产生的磁场力作为驱动力。电磁驱动的优点是能够提供较大的线性双向作用(吸引和排斥)力，线性好、驱动力大、驱动电压低；缺点是磁性材料与MEMS工艺兼容性较差(通常需要手动组装)，驱动电流大。美国密歇根大学研制了基于电磁驱动的三维微镜，其微反射镜面尺寸为900μm×900μm，x轴方向最大偏转角度为±4.2°，y轴方向最大偏转角度为±9.2°，z轴方向位移为±42μm，但是其驱动电流高达120mA。

电热驱动微镜是利用驱动电流使材料受热膨胀产生驱动力，美国Florida大学提出了一种基于电热驱动的双轴多晶硅微机械扭转微镜，加热器位于金属氧化物中，通过改变驱动电流的大小调节镜片偏转的角度。对于第一个扭转轴驱动电流为3.6mA时，微镜转动40°，谐振频率为445Hz；对于第二个扭转轴驱动电流为8mA时，微镜转动25°，谐振频率为259Hz。电热驱动器的缺点是功耗大，且受环境温度影响较大。

压电驱动微镜是利用压电材料的逆压电效应产生驱动力。压电材料的驱动力大，电压响应速度快。压电驱动器通常采用下电极/压电层/上电极的“三明治”结构。日本Stanely电子公司研制了一种压电驱动的二维微镜，提出了一种折叠梁形式的压电驱动器使微镜能转动较大的角度，内轴在24V驱动电压下转动5.6°，外轴在20V驱动电压下转动8.6°。但是该微镜仅由压电折叠梁在微镜的一端支承，而另一端悬空，这种结构在绕镜面一端转动时会伴随着镜面面外的上下振动，这样在应用微镜的光学系统中引入扰动，从而降低系统的光学性能。

近年来随着光学系统的复杂化和智能化，对微镜的性能要求不断地提高，特别对微镜反射光束提出了可控制的要求，因此需要对微镜的偏转角度进行精确测量。目前一般采用将激光投射到微镜，经镜面反射到接收屏上成像的方法得到微镜转角。这种方法需要外加激光器、探测器等多个器件，体积庞大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种大转角压电扫描微镜，具有转动角度大、功耗低、控制精度高、角度测量准确、限制镜面面外平动等优点，能够大范围地推广使用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明的大转角压电扫描微镜包括微反射镜面、多个压电微驱动器以及支撑框架，所述反射镜面、压电微驱动器以及支撑框架均制作在同一片硅结构层上并以硅结构层作为其共同的底层，所述反射镜面、压电微驱动器位于支撑框架结构的内部；

所述微反射镜面包括所述硅结构层和采用MOEMS工艺制作在硅结构层上的反射膜层；所述压电微驱动器沿微反射镜面的纵向中轴线对称设置在微反射镜面的左、右两侧，同侧的压电微驱动器之间沿微反射镜面的横向中轴线上、下对称；

每一压电微驱动器均为一只折叠梁，包括多段压电驱动结构，所述压电驱动结构包括采用MOEMS工艺从下到上依次层叠制作在硅结构层上的下电极层、压电层和上电极层；

其中，每一压电微驱动器靠近微反射镜面的一侧与微反射镜面的硅结构层相连接，而靠近支撑框架的一侧与支撑框架的硅结构层相连接，实现对微反射镜面的驱动和支撑；

所述压电微驱动器的电信号通过上、下电极层进行输入。

进一步，所述微反射镜面的两侧分别设置有对称的扭转梁，同侧的压电微驱动器以扭转梁为对称轴上下对称设置；所述扭转梁也具有与微反射镜面、压电微驱动器以及支撑框架相同的硅结构层，扭转梁的一端通过硅结构层与微反射镜面相连接，另一端通过硅结构层与支撑框架相连接；

进一步，所述大转角压电扫描微镜还包括制作在同一片硅结构层上的角度传感器，所述角度传感器设置在扭转梁与支撑框架相连接的端头处且位于扭转梁中心轴的一侧；

进一步，所述角度传感器为压电式角度传感器，所述压电式角度传感器包括采用MOEMS工艺从下到上依次制作在硅结构层上的下电极、压电层和上电极；

所述压电式角度传感器的电信号通过上、下电极层进行输出；

进一步，所述角度传感器为压阻式角度传感器，所述应变式角度传感器包括采用掺杂工艺掩埋制作在硅结构层内部的电阻；

所述压阻式角度传感器的电信号通过连接在电阻上的引线进行输出和测量；

进一步，所述角度传感器为应变式角度传感器，所述应变式角度传感器包括采用MOEMS工艺依次层叠制作在硅结构层上得绝缘层和应变片，所述应变片为Pt片；

所述应变式角度传感器的电信号通过连接在应变片上的引出线进行输出和测量；

进一步，在压电微驱动器的硅结构层与下电极层之间设置有电绝缘层；

进一步，所述微反射镜面的上、下两侧还设置有沿微反射镜面的横向中轴线上下对称的压电微驱动器，同侧的压电微驱动器之间沿沿微反射镜面的纵向轴线相互对称。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用压电驱动方式对微镜进行驱动，压电驱动器采用折叠梁结构，该种折叠梁结构设计精巧，且沿微反射镜面的轴线进行布置，可在较低的工作电压下实现大转动角度，同时既可以布置在微反射镜面的左右两侧，也可以布置在微反射镜面的四周，扩大了转动范围；

2.微镜中部由一对扭转梁进行支承，扭转梁的引入限制了微镜面外的平动，使微镜绕扭转梁转动，增加了系统的稳定性；

3.该微镜集成了压电式角度传感器，实现对扫描角度的精确测量，从而无需外接角度检测装置，能够减小光学系统体积；

4.本发明中的压电微驱动器与压电式角度传感器采用相同的压电材料，从而简化了微镜加工工艺，降低了制造成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的微镜结构原理图；

图2为图1沿A-A向剖面示意图；

图3为图1在B处的放大示意图；

图4为图3沿F-F向剖面示意图；

图5为本发明的制作原理图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

1-微反射镜面；2-压电微驱动器；3-角度传感器；4-支撑框架；5-硅结构层；7-下电极层；8-压电层；9-上电极层；10-反射膜层；11-扭转梁；12-压电驱动结构；13-下电极；14-压电层；15-上电极；16-硅片层I；17-SiO₂层I；18-硅片层II；19-SiO₂层II；20-下电极层；21-压电材料层；22-上电极层。

如图1和图2所示，本发明的大转角压电扫描微镜包括微反射镜面1、压电微驱动器2、角度传感器3以及支撑框架4，反射镜面1、压电微驱动器2、角度传感器3以及支撑框架4均制作在同一片硅结构层5上并以硅结构层5作为其共同的底层，反射镜面1、压电微驱动器2和压电式角度传感器3位于支撑框架4的框架结构的内部；

微反射镜面1包括硅结构层5和采用MOEMS工艺制作在硅结构层5上的反射膜层10，微反射镜面1的左、右两侧设置有沿微反射镜面1的纵向中轴线左右对称的压电微驱动器2，同侧的压电微驱动器2之间沿微反射镜面1的横向中轴线相互对称；本实施例中，压电微驱动器2为四个。

微反射镜面1的两侧分别设置有对称的扭转梁11，同侧的压电微驱动器2以扭转梁11为对称轴上下对称设置；扭转梁11也具有与微反射镜面1、压电微驱动器2以及支撑框架4相同的硅结构层5，扭转梁11的一端通过硅结构层5与微反射镜面1相连接，另一端通过硅结构层5与支撑框架4相连接。

每一压电微驱动器2为一只折叠梁，其上制作多段压电驱动结构12，所述压电驱动结构12包括采用MOEMS工艺从下到上依次层叠制作在硅结构层5上的下电极层7、压电层8和上电极层9；

其中，每一压电微驱动器2靠近微反射镜面1的一侧与微反射镜面1的硅结构层5相连接，靠近支撑框架4的一侧与支撑框架4的硅结构层相连接，实现对微反射镜面1的驱动和支撑；

压电微驱动器2的电信号通过上、下电极层进行输入，具体连接是采用交叉连接的方式，即压电驱动结构的上电极串联相邻压电驱动结构的下电极，下电极串联相邻压电驱动结构的上电极，从而实现两路通电。

如图3和图4所示，角度传感器3设置在扭转梁11与支撑框架4相连接的端头处且位于扭转梁11中心轴的相同一侧(该同侧关系是指不同的角度传感器在不同扭转梁上的位置同时位于所处扭转梁中心轴的上侧或下侧)，本实施例中，角度传感器3采用压电式角度传感器，包括采用MOEMS工艺从下到上依次制作在硅结构层5上的下电极13、压电层14和上电极15；压电式角度传感器的电信号通过上、下电极进行输出。

为保证绝缘效果，避免产生串扰，可以在压电微驱动器2的硅结构层5与下电极层7之间以及压电式角度传感器3的硅结构层5与下电极15之间设置有电绝缘层(图中未标示)。

本发明在使用中，通过在相邻的两段压电驱动结构12的上、下电极上施加反向电压，通过压电折叠梁末端角位移的累加，在与微反射镜面连接处获得大的角位移，从而驱动微反射镜面转动较大的角度。

当微反射镜面绕扭转梁转动时，扭转梁在与支撑框架的连接处的应力最大，而且该处扭转梁对称轴两侧的应力类型相反，所以压电传感器布置在扭转梁靠近支撑框架的一端且仅布置在扭转梁的对称轴的相同一侧。本发明的压电式角度传感器的结构为下电极/压电层/上电极的“三明治”结构，当微反射镜面绕扭转梁转动时，使扭转梁产生应力，从而在角度传感器的上下电极间产生电势差，且该电势差与扭转梁的应力成正比，进而与微反射镜面转动角度成正比。通过检测该电势差，可获得微反射镜面转动角度信息。

本发明具有较大的通用性，在一定的工作电压下，通过改变压电折叠梁的段数以及各段压电驱动结构的长度、宽度和间距来调节微镜的转动角度和工作频率，以满足不同光学系统的要求。

如图5所示，本产品的制作过程如下：

1.如图(a)所示，先在硅片I 16上热生长SiO₂层I 17；

2.如图(b)所示，在SiO₂层I 17上键合硅片II 18；

3.如图(c)所示，采用CMP(化学机械研磨)减薄硅片II 18；

4.如图(d)所示，热生长SiO₂层II 19，再依次淀积上Ti/Au/PZT/Au；

5.如图(e)所示，刻蚀出上电极22和压电材料21；其中，上电极22为第二层Au，压电材料21为PZT材料；

6.如图(f)所示，制作出下电极20和镜面镀层，下电极20和镜面镀层均为Ti/Au(Ti层的作用是增加Au与Si/SiO₂的黏附性)

7.如图(g)所示，使用DRIE(深反应离子刻蚀)工艺释放微镜结构。(该图中只表示出了微反射镜面、两对压电驱动结构和一对扭转梁)

需要说明的是，本发明的角度传感器3还可以采用压阻式角度传感器或应变式角度传感器，其中，压阻式角度传感器包括采用掺杂工艺制作在硅结构层5内的掩埋电阻；所述压阻式角度传感器的电信号通过连接在电阻上的引线进行输出和测量。

应变式角度传感器包括采用MOEMS工艺依次层叠制作在硅结构层5上的绝缘层和应变片，所述应变片为Pt片；应变式角度传感器的电信号通过连接在应变片上的引出线进行输出和测量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.大转角压电扫描微镜，其特征在于：所述微镜包括微反射镜面(1)、压电微驱动器(2)以及支撑框架(4)，所述微反射镜面(1)、压电微驱动器(2)以及支撑框架(4)均制作在同一片硅结构层(5)上并以硅结构层(5)作为其共同的底层，所述微反射镜面(1)、压电微驱动器(2)位于支撑框架(4)结构的内部；

所述微反射镜面(1)包括所述硅结构层(5)和采用MOEMS工艺制作在硅结构层(5)上的反射膜层(10)；所述压电微驱动器(2)沿微反射镜面(1)的纵向中轴线对称设置在微反射镜面(1)的左、右两侧，同侧的压电微驱动器(2)之间沿微反射镜面(1)的横向中轴线上、下对称；

每一压电微驱动器(2)为一只折叠梁，其上制作多段压电驱动结构(12)，所述压电驱动结构(12)包括采用MOEMS工艺从下到上依次层叠制作在硅结构层(5)上的下电极层(7)、压电层(8)和上电极层(9)；

其中，每一压电微驱动器(2)靠近微反射镜面(1)一侧与微反射镜面(1)的硅结构层(5)相连接，而靠近支撑框架(4)一侧与支撑框架(4)的硅结构层相连接，实现对微反射镜面(1)的驱动和支撑；

所述压电微驱动器(2)的电信号通过上、下电极层进行输入；

所述微反射镜面(1)的两侧分别设置有对称的扭转梁(11)，同侧的压电微驱动器(2)以扭转梁(11)为对称轴上下对称设置；所述扭转梁(11)也具有与微反射镜面(1)、压电微驱动器(2)以及支撑框架(4)相同的硅结构层(5)，扭转梁(11)的一端通过硅结构层(5)与微反射镜面(1)相连接，另一端通过硅结构层(5)与支撑框架(4)相连接；

所述大转角压电扫描微镜还包括制作在同一片硅结构层(5)上的角度传感器(3)，所述角度传感器设置在扭转梁(11)与支撑框架(4)相连接的端头处且位于扭转梁(11)中心轴的同一侧。

2.根据权利要求1所述的大转角压电扫描微镜，其特征在于：所述角度传感器(3)为压电式角度传感器，所述压电式角度传感器包括采用MOEMS工艺从下到上依次制作在硅结构层(5)上的下电极(13)、压电层(14)和上电极(15)；

所述压电式角度传感器(3)的电信号通过上、下电极进行输出。

3.根据权利要求1所述的大转角压电扫描微镜，其特征在于：所述角度传感器(3)为压阻式角度传感器，所述压阻式角度传感器包括采用掺杂工艺掩埋在硅结构层(5)内部的电阻；

所述压阻式角度传感器的电信号通过连接在电阻上的引线进行输出和测量。

4.根据权利要求1所述的大转角压电扫描微镜，其特征在于：所述角度传感器(3)为应变式角度传感器，所述应变式角度传感器包括采用MOEMS工艺依次层叠制作在硅结构层(5)上的绝缘层和应变片，所述应变片为Pt片；

所述应变式角度传感器的电信号通过连接在应变片上的引出线进行输出和测量。

5.根据权利要求1至4任一所述的大转角压电扫描微镜，其特征在于：在压电微驱动器(2)的硅结构层(5)与下电极层(7)之间设置有电绝缘层。

6.根据权利要求1至4任一所述的大转角压电扫描微镜，其特征在于：所述微反射镜面(1)的上、下两侧还设置有沿微反射镜面(1)的横向中轴线上下对称的压电微驱动器(2)，同侧的压电微驱动器(2)之间沿微反射镜面(1)的纵向轴线相互对称。

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