CN101937128A - 一种三压电悬臂梁驱动的mems微镜及其制作方法 - Google Patents

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本发明涉及一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜设计及制作方法，属于压电MEMS器件设计和集成制作技术领域。本发明包括微反射镜面、压电悬臂梁和弓形弯曲弹性窄梁，压电悬臂梁由硅悬臂梁表面固定厚度大于2μm的PZT驱动膜组成；三个压电悬臂梁分别通过三个弓形弯曲弹性窄梁与微反射镜面连接，压电悬臂梁两两之间呈120°夹角分布。本发明的制作方法首先在基片上制备压电厚膜，然后在压电厚膜上刻蚀压电悬臂梁图形；其次在PZT压电厚膜表面制作Au/Cr双层金属上电极和微反射镜面图形；最后在正面和背面刻蚀Si基片，形成三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜。本发明偏转方向多，PZT厚膜驱动力大，光损耗小；且制作工艺与MEMS工艺兼容，具有批量生产的潜力，可广泛用于光通讯领域。

Description

一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜及其制作方法 
技术领域
本发明涉及一种三压电悬臂梁驱动的MEMS(微电子机械系统)微镜及制作方法，属于智能材料与结构技术领域。 
背景技术
MEMS微镜是一种微型光学调制器件，它的基本原理是通过静电(或磁力或电热或压电)的作用使可以活动的微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向或相位。MEMS微镜及其阵列以其尺寸微小、镜面定向精度高、单片集成化等优点，可广泛用于光通讯中的光交换和光信号调制、光存储和光投影成像、光谱分析和生物医学仪器、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。 
按驱动方式分类，MEMS微镜可主要分为静电式、磁力式、电热式和压电式四种。其中压电驱动式MEMS微镜则以结构简单、驱动力大，响应速度快等优点成为最有应用潜力的发展方向之一。 
目前，压电驱动式MEMS微镜主要采用二个或四个压电悬臂梁的驱动结构。日本Maeda等人(Maeda等人，Application of sol-gel deposited thin PZT film for actuation of 1D and 2D scanners，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.73，No.1-2，144-152)采用溶胶-凝胶法制备的1.5μm厚锆钛酸铅(PZT)膜作为压电驱动材料，制作了四压电悬臂梁驱动的扫描微镜，微反射镜面能够分别沿X轴和Y轴方向转动。韩国Yee等人(Yee等人，PZT actuated micromirror for fine-tracking mechanism of high-density optical data storage，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.89，No.1-2，166-173)也运用溶胶-凝胶法制备了360nm厚PZT薄膜驱动的四压电悬臂梁微镜，可产生垂直方向的运动，能够用于高密度光存储的精确跟踪装置。韩国Kim等人(Kim等人，Piezoelectrically pushed rotational micromirrors using detached PZT actuators for wide-angle optical switch applications，Joumal of Micromechanics and Microengineering，Vol.18，No.12， 125022)也制作了四压电悬臂驱动驱动微镜，悬臂梁采用溶胶-凝胶法制备的380nm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，微反射镜面能够分别沿X轴和Y轴方向转动。法国Filhol等人(Filhol等人，Resonant micro-mirror excited by a thin-film piezoelectric actuator for fast optical beam scanning，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.123-124，483-489)则制作了双压电悬臂梁驱动的扭转微镜，悬臂梁采用射频溅射法制备的500nm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，可实现沿一个单轴的转动和垂直运动。美国Smits等人(Smits等人，Microelectromechanical flexure PZT actuated optical scanner：static and resonance behavior，Journal of Micromechanics and Microengineering，Vol.15，No.6，1285-1293)也制作了双压电悬臂梁驱动的扭转微镜，臂梁采用溶胶-凝胶法制备的0.8μm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，可实现沿一个单轴的转动。 
由上可以看出，压电驱动式MEMS微镜主要通过在压电悬臂梁上施加不同的组合电压，从而实现微反射镜面沿某个单轴或两个正交轴方向的转动，可转动的方向较少，难以满足微镜在光开光、光扫描和光成像等方面对多轴偏转方向的要求。在驱动材料方面，主要使用压电系数较高的PZT薄膜(＜2μm)作为微镜的驱动材料，但PZT薄膜的压电性能弱、驱动力小，限制了它在压电MEMS器件中的应用。此外，压电MEMS微镜的压电悬臂梁与微反射镜面均采用直线型窄弹性梁连接，这会使压电悬臂梁产生的扭曲应力影响微反射镜面的平整度，进而增加了光损耗。 
综上所述，为了满足压电MEMS微镜在光开光、光扫描和光成像等方面对多轴偏转方向的要求，并达到尽可能大的偏转角度，需要设计并制作新型结构的压电MEMS微镜以解决上述问题。 
发明内容
本发明的目的是为了解决传统MEMS微镜结构难以满足微镜在光开光、光扫描和光成像等方面对多轴偏转方向的要求，以及选取厚度小于2μm的PZT薄膜作为驱动材料，造成压电性能弱、驱动力小等缺点，而提供一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜及其制作方法。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 
本发明的一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜，包括一个微反射镜面、三个压电悬臂梁和三个弓形弯曲弹性窄梁，压电悬臂梁由硅悬臂梁表面固定厚度大于2μm的PZT驱动膜组成；三个压电悬臂梁分别通过三个弓形弯曲弹性窄梁与微反射镜面连接，三个压电悬臂梁与微反射镜面均在同一平面内，且压电悬臂梁两两之间呈120°夹角分布。 
本发明的一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜的制作方法，具体步骤如下： 
1)运用溶胶-凝胶法在具有图形化电极的Pt/Cr/SiO2/Si基片上制备厚度大于2μm的PZT压电厚膜，并经过湿法刻蚀技术完成PZT厚膜的图形化工艺，形成三个压电悬臂梁图形； 
2)利用溅射和剥离工艺在PZT压电厚膜表面制作Au/Cr双层金属上电极和微反射镜面图形； 
3)利用干法刻蚀技术分别在正面和背面刻蚀Si基片，形成三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜。 
本发明的三压电悬臂MEMS微镜的工作原理主要是基于逆压电效应，通过对三个压电悬臂施加不同组合的电压实现微反射镜面不同方向的转动，总计可实现沿六个轴的偏转运动。在压电材料方面，本发明采用溶胶-凝胶法制备了厚度大于2μm的PZT厚膜作为驱动材料，它不仅具有体型PZT压电陶瓷材料的压电性能高、输出信号高和使用频率范围宽的特点，而且还兼顾PZT薄膜工作电压低、尺寸小、质量轻和易于MEMS技术兼容的优点。采用弓形弯曲弹性窄梁连接压电悬臂梁和微反射镜面，可以有效缓解微反射镜面所受应力产生的形变，降低光损耗。 
本发明的有益效果是： 
与现有的二压电悬臂梁或四压电悬臂梁驱动的MEMS微镜相比，本发明具有如下优点：①偏转方向多，能够实现沿六轴方向的偏转运动；②PZT厚膜驱动力大，有利于提升压电MEMS微镜的性能；③弓形弯曲弹性窄梁可以有效缓解微反射镜面所受应力产生的形变，降低光损耗。④三压电悬臂梁MEMS微镜的所有制作工艺与MEMS工艺兼容，具有批量生产的潜力，可广泛用于光通讯中的光交换和光信号调制、光存储和光投影成像、光谱分析和生物医学 仪器、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。 
附图说明
图1为三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜的结构示意图； 
图2为实施例中步骤(1)的制作流程示意图； 
图3为实施例中步骤(2)的制作流程示意图； 
图4为实施例中步骤(3)的制作流程示意图； 
图5为实施例中步骤(4)的制作流程示意图； 
图6为实施例中步骤(5)的制作流程示意图； 
图7为实施例中步骤(6)的制作流程示意图； 
图8为三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜、弓形弯曲弹性窄梁及其拐角处放大的实物电子显微镜照片； 
图9为实施例中3μm厚PZT厚膜驱动的压电悬臂梁电子显微镜照片； 
其中，1-硅悬臂梁，2-PZT驱动膜，3-弓形弯曲弹性窄梁，4-微反射镜面，5-双抛Si片衬底，6-SiO2膜，7-Pt/Cr双层金属下电极，8-PZT厚膜，9-Au/Cr双层金属上电极，10-光刻胶。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。 
实施例 
如图1所示，本发明的一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜，包括一个微反射镜面4、三个压电悬臂梁和三个弓形弯曲弹性窄梁3，压电悬臂梁由硅悬臂梁1表面固定厚度3μm的PZT驱动膜2组成；三个压电悬臂梁分别通过三个弓形弯曲弹性窄梁3与微反射镜面4连接，三个压电悬臂梁与微反射镜面4均在同一平面内，且压电悬臂梁两两之间呈120°夹角分布。 
具体制作步骤如下： 
(1)如图2所示，首先在双抛Si片衬底5上物理增强化学气相沉积(PECVD)工艺单面沉积2μm的SiO2膜6，再利用溅射和剥离(lift-off)工艺在 SiO2膜6上制作出具有图案化的Pt/Cr双层金属下电极7，Pt和Cr金属薄膜的厚度分别为160nm和20nm。 
(2)如图3所示，根据溶胶-凝胶法制备出PZT溶胶，在硅基衬底上以3000rpm/min的转速旋涂PZT溶胶1min，450℃下热解30min，多次重复上述工艺，在700℃下退火5min制得PZT厚膜8。PZT厚膜8的厚度为3μm。经过光刻工艺在PZT厚膜8表面形成图案化的光刻胶掩蔽膜，将基片放入盐酸和氢氟酸为主的混合酸溶液中搅拌腐蚀8min，完成PZT厚膜8的图形化工艺。 
(3)如图4所示，运用溅射和剥离工艺在PZT厚膜表面制作Au/Cr双层金属上电极9和微反射镜面4图形，其中Au/Cr的厚度分别为300nm和50nm。 
(4)如图5所示，经过光刻工艺，在正面形成光刻胶掩蔽图形，再利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀SiO2膜6露出Si窗口，再刻蚀双抛Si片衬底5形成20μm深的凹槽。 
(5)如图6所示，利用PECVD工艺在双抛Si片衬底5背面生长1μm厚的SiO2膜6，然后旋涂4μm厚光刻胶，经过光刻工艺和ICP干法刻蚀SiO2露出窗口。 
(6)如图7所示，利用光刻胶和背面SiO2膜6作为掩蔽膜，ICP干法刻穿双抛Si片衬底5，释放三个压电悬臂梁和微反射镜面4，最终形成三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜结构。 
本发明的三压电悬臂MEMS微镜的工作原理主要是基于逆压电效应，通过对三个压电悬臂施加不同组合的电压实现微反射镜面不同方向的转动。如图1所示，上方、左边和右边的三个压电悬臂梁分别标记为a、b和c，并以上方悬臂梁a为参考，当悬臂梁a所受偏压与悬臂梁b和c所受偏压相反时，微反射镜面将会绕X轴转动；当悬臂梁a所受偏压为定值，悬臂梁b和c所受偏压互为相反时，微反射镜面将会绕Y轴转动。同理，以悬臂梁b和c为参考，同样会实现各两对正交轴的转动。三压电悬臂梁MEMS微镜总计可实现沿六个轴的偏转运动，两两轴之间夹角为30°。在压电材料方面，本发明采用溶胶-凝胶法制备了厚度大于2μm的PZT厚膜作为驱动材料，它不仅具有体型PZT压电陶瓷材料的压电性能高、输出信号高和使用频率范围宽的特点，而且还兼顾PZT薄膜工作电压低、尺寸小、 质量轻和易于MEMS技术兼容的优点。采用弓形弯曲弹性窄梁连接压电悬臂梁和微反射镜面，可以有效缓解微反射镜面所受应力产生的形变，降低光损耗。 

Claims (2)

1.一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜，其特征在于包括：一个微反射镜面(4)、三个压电悬臂梁、三个弓形弯曲弹性窄梁(3)，压电悬臂梁由硅悬臂梁(1)表面固定厚度大于2μm的PZT驱动膜(2)组成，三个压电悬臂梁分别通过三个弓形弯曲弹性窄梁(3)与微反射镜面(4)连接，三个压电悬臂梁与微反射镜面(4)均在同一平面内，且压电悬臂梁两两之间呈120°夹角分布。
2.一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜的制作方法，其特征在于具体步骤如下：
1)运用溶胶-凝胶法在具有图形化电极的Pt/Cr/SiO2/Si基片上制备厚度大于2μm的PZT压电厚膜，并经过湿法刻蚀技术完成PZT厚膜的图形化工艺，形成三个压电悬臂梁图形；
2)利用溅射和剥离工艺在PZT基压电厚膜表面制作Au/Cr双层金属上电极和微反射镜面图形；
3)利用干法刻蚀技术分别在正面和背面刻蚀Si基片，形成三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜。
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