CN102707435A

CN102707435A - 双极型电磁式扫描微镜

Info

Publication number: CN102707435A
Application number: CN2012101702619A
Authority: CN
Inventors: 尚正国; 李东玲; 温志渝; 陈李; 温中泉
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种双极型电磁式扫描微镜，是以硅基材料为衬底，采用MEMS工艺，加工出含有微反射镜面2、双极型电磁微驱动器4、扭转梁1、角度传感器3、双极型电磁微驱动器线圈连接极5以及支撑框架6的双极型电磁式扫描微镜。本发明采用双极型驱动方式对微镜进行驱动，可实现吸引力和排斥力同时作用于扭转梁上，在较低的驱动电压下实现微镜的大角度扫描；由于采用双极型电磁式驱动的结构，使得其响应时间大大缩短，极大地提高了微镜的工作频率；同时集成了电磁式角度传感器，实现扫描角度的精确测量，因此该扫描微镜外围信号处理电路简单易行，其成果可广泛应用于医学成像、投影仪、光谱仪及图形码阅读器等领域。

Description

双极型电磁式扫描微镜

技术领域

本发明涉及微光机电系统技术领域，特别涉及一种双极型电磁式扫描微镜。

背景技术

扫描微镜作为微光机电系统（MOEMS）一种重要的器件之一，已被广泛应用于医学成像、投影仪、光谱仪及图形码阅读器等领域。其基本原理为：通过精确控制镜面旋转的驱动力，实现精确控制微镜镜面的旋转角度，从而达到精确控制光线的传播方向。

目前扫描微镜大都采用静电、电磁、电热及压电等驱动原理实现驱动。传统的电磁式MOEMS扫描微镜一般只具有单极型驱动，从而造成了器件具有体积大、旋转角度小、稳定性差、功耗大、寿命短等缺点。在已受到广泛研究的电磁式MOEMS 微镜中大都采用单极型（吸引力或排斥力）驱动，这就造成了在磁场和电流一定的情况下，微镜的最大偏转角度位移非常有限，该结构的特点严重限制了电磁式微镜在MOEMS领域的广泛应用，造成目前极少数有采用电磁式驱动的成熟的MOEMS商品化器件的出现。这种单极型驱动结构若要实现大的偏转位移或偏转角度，就要增强磁场强度和提高驱动电流，或者降低梁的刚度，这就势必会在增大系统体积的同时，提高系统的驱动电压，严重限制了它的应用范围。另一方面降低了梁的强度就使得微镜的机械强度显著降低，从而造成工作中的线性度降低，且易受冲击损坏。另外，这种单极型驱动的结构，器件本身的响应时间较长，因此工作频率也只能在较低的频率环境中，不适应于频率较高的应用场合。另外，前期的MOEMS扫描微镜大都需要额外增加一套外在的测量系统对其旋转角度进行测量，整个系统体积庞大，后续处理电路复杂。这些都限制了扫描微镜在MOEMS中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种双极型电磁式扫描微镜，具有功耗低、转动角度大、控制精度高、角度测量准确、稳定性高、线性度好等优点，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：

该双极型电磁式扫描微镜，包括微反射镜面、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架，所述反射镜面、双极型电磁微驱动线圈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、双极型电磁微驱动线圈位于支撑框架结构的内部；

所述微反射镜面的上、下两侧的中部位置分别设置有相互对称的扭转梁，所述扭转梁具有与微反射镜面、双极型电磁微驱动线圈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；

所述双极型电磁微驱动线圈包括微驱动线圈I和微驱动线圈II，两者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，微驱动线圈I和微驱动线圈II的绕向相反，在通入电流时，可实现吸引力和排斥力同时作用于扭转梁上（类似跷跷板结构）；

所述微驱动线圈I的起绕端设置有连接电极I，终绕端设置有驱动电极I，所述微驱动线圈II的起绕端设置有连接电极I，终绕端设置有驱动电极I，所述连接电极I与连接电极I导电连接，用于驱动微驱动线圈I和微驱动线圈II的电信号通过驱动电极I、驱动电极I输入；

进一步，所述连接电极I和连接电极II分别设置于微反射镜面左、右侧部分的中心位置处；

进一步，所述驱动电极I和驱动电极II设置于微反射镜面上、下两侧的其中一个扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置。

进一步，所述双极型电磁式扫描微镜还包括设置在微反射镜面上的角度传感器；

进一步，所述角度传感器的主体为一沿反射镜面的表面轮廓且沿微反射镜面的纵向中轴线对称设置的未封闭矩形条状框，正好将双极型电磁微驱动线圈包围在内，所述角度传感器的两个断点以微反射镜面的纵向中轴线为对称轴分别设置于微反射镜面的左、右两侧，分别向外引出设置为角度传感器电极I和角度传感器电极II。

进一步，角度传感器电极I和角度传感器电极II设置于微反射镜面上、下两侧的其中一个扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置；

或者，所述角度传感器为压电式角度传感器；

或者，所述角度传感器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内部的电阻；

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。

或者，所述角度传感器为应变式角度传感器，应变式角度传感器包括采用MEMS工艺依次层叠制作在硅结构层上的绝缘层和应变片，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。

进一步，所述微反射镜面包括所述硅结构层和采用MEMS工艺制作在硅结构层上的微镜面反射层。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用对称的双极型微驱动器结构实现微镜镜面的大角度转动，增大了微镜的扫描范围，同时降低了器件的驱动功耗，提高了器件的工作响应时间；另外本发明还具有结构简单，工艺复杂度低，成品率高，可批量生产等特点，因此，该双极型扫描微镜有望成为未来MOEMS领域扫描微镜发展的重点方向之一，具有较高的应用价值。

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为本发明的双极型扫描微镜结构原理图;

图2为图1沿A-A’向剖面示意图；

图3为图1沿B-B’向示意图；

图4为采用压电式角度传感器的扫描微镜结构原理图;

图5为本发明的制作工艺流程图。

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-扭转梁；2-微反射镜面；3-角度传感器；41-微驱动器I；42-微驱动器II；6-支撑框架；a-角度传感器电极I；a’-角度传感器电极II；b-驱动电极I；b’-驱动电机II；c-连接电极I；c’-连接电极II。

如图1至图3所示，本发明的双极型电磁式扫描微镜包括微反射镜面2、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架6，反射镜面2、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架6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，所述反射镜面2、双极型电磁微驱动线圈位于支撑框架4结构的内部；

微反射镜面2的上、下两侧的中部位置分别设置有相互对称的扭转梁1，所述扭转梁1具有与微反射镜面2、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架6相同的硅结构层，扭转梁1的一端通过硅结构层与微反射镜面2相连接，另一端通过硅结构层与支撑框架6相连接；

双极型电磁微驱动线圈包括微驱动线圈I 41和微驱动线圈II 42，两者沿微反射镜面2的纵向中轴线对称设置在微反射镜面2的左、右两侧，微驱动线圈I 41和微驱动线圈II 42的绕向相反，在通入电流时，可实现吸引力和排斥力同时作用于扭转梁1上；

微驱动线圈I 41的起绕端设置有连接电极I c，终绕端设置有驱动电极I b，所述微驱动线圈II 42的起绕端设置有连接电极I c’，终绕端设置有驱动电极I b’，所述连接电极I c与连接电极I c’导电连接，用于驱动微驱动线圈I 41和微驱动线圈II 42的电信号通过驱动电极I b、驱动电极I b’输入。

本实施例中，连接电极I c和连接电极II c’分别设置于微反射镜面左、右侧部分的中心位置处。驱动电极I b 和驱动电极II b’ 设置于微反射镜面上、下两侧的其中一个扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置。

本发明的双极型电磁式扫描微镜还包括设置在微反射镜面2上的角度传感器3，本实施例中采用电磁式角度传感器，其线圈沿扭转梁1轴心线完全对称分布，本实施例采用单匝（当然在实践中可以根据需要采用多匝结构），角度传感器的主体为一沿反射镜面2的表面轮廓且沿微反射镜面2的纵向中轴线对称设置的未封闭矩形条状框，正好将双极型电磁微驱动线圈包围在内，角度传感器的两个端点以微反射镜面2的纵向中轴线为对称轴分别设置于微反射镜面2的左、右两侧，分别向外引出设置为角度传感器电极I a和角度传感器电极II a’。本实施例中，角度传感器电极I a和角度传感器电极II a’设置于与驱动电极I b 和驱动电极II b’相同一侧的扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置。

需要说明的是，本发明的角度传感器3还可以采用压电式角度传感器、压阻式角度传感器或应变式角度传感器，如图4所示，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MEMS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，角度传感器设置在扭转梁1上，其引出电极可根据实际需要，分别置于与驱动电极I b和驱动电极II b’相同一侧的扭转梁上，或者异侧的扭转梁上。

如果采用压阻式角度传感器，则压阻式传感器包括采用掺杂工艺制作在硅结构层内的掩埋电阻，电信号通过连接在电阻上的引线进行输出和测量。

如果采用应变式角度传感器，则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。

本发明的压电微镜的制作工艺流程如图5所示，具体实施方式如下所述：

（1）在双抛硅片上双面生长SiO₂层，背面光刻图形化厚去除SiO₂层并进行磷扩散，双面生长Si₃N₄层，形成双极型电磁微驱动器线圈的连接电极；如果不采用此步的扩散工艺来制作连接电极，需要增加作为微驱动器线圈连接电极的方块电阻，如图（a）所示；

（2）正面光刻图形化后RIE去除表层Si₃N₄层，湿法去除SiO₂层，湿法腐蚀Si基底至一定深度，如图（b）所示；

（3）背面光刻图形化后磁控溅射TiW/Au作为种子层，厚胶工艺后进行电镀，形成角度传感器3，双极型电磁微驱动器线圈连接极5，角度传感器电极a、a’，驱动电极b、b’，如图（c）所示；

（4）背面光刻图形化，RIE刻蚀去除背面Si₃N₄层，湿法去除SiO₂层，并用湿法进行双面腐蚀，实现结构释放，如图（d）所示；

（5）正面生长金属层，作为微镜面反射层，如图（e）所示。

本发明具有较大的通用性，在一定的工作电压下，通过改变电磁微驱动器线圈的绕制圈数（图1中为6圈），可以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。

本发明采用双极型驱动方式对微镜进行驱动，可实现吸引力和排斥力同时作用于扭转梁上，在较低的驱动电压下实现微镜的大角度扫描；由于采用双极型电磁式驱动的结构，使得其响应时间大大缩短，极大地提高了微镜的工作频率；同时集成了电磁式角度传感器，实现扫描角度的精确测量，因此该扫描微镜外围信号处理电路简单易行，其成果可广泛应用于医学成像、投影仪、光谱仪及图形码阅读器等领域。

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

1.双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述微镜包括微反射镜面（2）、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架（6），所述反射镜面（2）、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架（6）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，所述反射镜面（2）、双极型电磁微驱动线圈位于支撑框架（4）结构的内部；

所述微反射镜面（2）的上、下两侧的中部位置分别设置有相互对称的扭转梁（1），所述扭转梁（1）具有与微反射镜面（2）、双极型电磁微驱动线圈以及支撑框架（6）相同的硅结构层，扭转梁（1）的一端通过硅结构层与微反射镜面（2）相连接，另一端通过硅结构层与支撑框架（6）相连接；

所述双极型电磁微驱动线圈包括微驱动线圈I（41）和微驱动线圈II（42），两者沿微反射镜面（2）的纵向中轴线对称设置在微反射镜面（2）的左、右两侧，微驱动线圈I（41）和微驱动线圈II（42）的绕向相反，在通入电流时，可实现吸引力和排斥力同时作用于扭转梁（1）上；

所述微驱动线圈I（41）的起绕端设置有连接电极I（c），终绕端设置有驱动电极I（b），所述微驱动线圈II（42）的起绕端设置有连接电极I（c’），终绕端设置有驱动电极I（b’），所述连接电极I（c）与连接电极I（c’）导电连接，用于驱动微驱动线圈I（41）和微驱动线圈II（42）的电信号通过驱动电极I（b）、驱动电极I（b’）输入。

2.根据权利要求1所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述连接电极I（c）和连接电极II（c’）分别设置于微反射镜面左、右侧部分的中心位置处。

3.根据权利要求1所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述驱动电极I（b）和驱动电极II（b’）设置于微反射镜面上、下两侧的其中一个扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置。

4.根据权利要求1所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述双极型电磁式扫描微镜还包括角度传感器（3），所述角度传感器设置于微反射镜面（2）或扭转梁上。

5.根据权利要求4所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述角度传感器为电磁式角度传感器，传感器的主体为一沿反射镜面（2）的表面轮廓且沿微反射镜面（2）的纵向中轴线对称设置的未封闭矩形条状框，正好将双极型电磁微驱动线圈包围在内，所述角度传感器的两个断点以微反射镜面（2）的纵向中轴线为对称轴分别设置于微反射镜面（2）的左、右两侧，分别向外引出设置为角度传感器电极I（a）和角度传感器电极II（a’）。

6.根据权利要求5所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：角度传感器电极I（a）和角度传感器电极II（a’）设置于微反射镜面上、下两侧的其中一个扭转梁上，且以扭转梁的中轴为对称轴对称设置。

7.根据权利要求3所述的双极型电磁式扫描微镜，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上的下电极、压电层和上电极，所述角度传感器设置在扭转梁（1）与支撑框架（6）相连接的端头处且位于扭转梁（1）中心轴的同一侧。

8.根据权利要求3所述的双极型电磁式扫描微镜，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内部的电阻，所述角度传感器设置在扭转梁（1）与支撑框架（6）相连接的端头处且位于扭转梁（1）中心轴的同一侧；

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。

9.根据权利要求3所述的双极型电磁式扫描微镜，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上的绝缘层和应变片，所述应变片为Pt片；所述角度传感器设置在扭转梁（1）与支撑框架（6）相连接的端头处且位于扭转梁（1）中心轴的同一侧；

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。

10.根据权利要求1所述的双极型电磁式扫描微镜，其特征在于：所述微反射镜面（2）包括所述硅结构层和采用MEMS工艺制作在硅结构层上的微镜面反射层（10）。