CN103018895B - 一种表面微机械加工的模拟微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面微机械加工的模拟微镜，该模拟微镜包括微镜面、扭转梁、第一驱动梁、锚区、压焊区、衬底、隔离层和第二驱动梁，所述的锚区为四个，锚区位于衬底上方，且隔离层连接在锚区和衬底之间；每个锚区的顶面设有一个压焊区；第一驱动梁的两端连接在两个锚区上，第二驱动梁连接在其余两个锚区上，且第一驱动梁和第二驱动梁相互平行；第一驱动梁包括第一上驱动梁和第一下驱动梁，第一下驱动梁的顶面连接在第一上驱动梁的底面，且第一上驱动梁和第一下驱动梁的热膨胀系数不同；微镜面相对的两侧各通过一个扭转梁与第一驱动梁和第二驱动梁连接。该结构的模拟微镜可连续改变微镜面的旋转角度。

Description

一种表面微机械加工的模拟微镜
技术领域
本发明涉及一种微镜，具体来说，涉及一种表面微机械加工的模拟微镜。
背景技术
作为一种重要的光学MEMS器件，硅微机械（也就是MEMS）微镜在光纤通讯、投影显示、数据存储、精密测量、医疗成像等国防和民用领域都有着广泛的应用。一般来说，压电驱动的硅微镜工艺复杂性和难度较高，压电材料的生长方式通常与硅微加工技术不兼容；电磁驱动的微镜系统结构设计与加工制造都比较复杂，且需要考虑到电磁场的屏蔽；目前最著名的是TI公司的数字微镜。该镜采用静电驱动，具有固定的偏转角度。实际应用中常需要能连续改变角度的微镜，通常的结构难以实现，这也是目前需要研究和解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种表面微机械加工的模拟微镜，该结构的模拟微镜可连续改变微镜面的旋转角度。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种表面微机械加工的模拟微镜，该模拟微镜包括微镜面、扭转梁、第一驱动梁、锚区、压焊区、衬底、隔离层和第二驱动梁，所述的锚区为四个，锚区位于衬底上方，且隔离层连接在锚区和衬底之间；每个锚区的顶面设有一个压焊区；第一驱动梁的两端连接在两个锚区上，第二驱动梁连接在其余两个锚区上，且第一驱动梁和第二驱动梁相互平行；第一驱动梁包括第一上驱动梁和第一下驱动梁，第一下驱动梁的顶面连接在第一上驱动梁的底面，且第一上驱动梁和第一下驱动梁的热膨胀系数不同；微镜面相对的两侧各通过一个扭转梁与第一驱动梁和第二驱动梁连接。
进一步，所述的第二驱动梁包括第二上驱动梁和第二下驱动梁，第二下驱动梁连接在第二上驱动梁的底面，且第二上驱动梁和第二下驱动梁的热膨胀系数不同。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
1.模拟微镜可连续改变微镜面的旋转角度。现有技术中，模拟微镜的转动是固定的角度。而本发明的模拟微镜中，第一驱动梁中包括热膨胀系数不同的第一上驱动梁和第一下驱动梁。当在第一驱动梁中施加电流，第一驱动梁受热升温。由于第一上驱动梁和第一下驱动梁的热膨胀系数不同，第一驱动梁将在垂直方向产生位移，通过扭转梁带动微镜面的一侧发生倾斜。微镜面的倾斜角度取决于施加在第一驱动梁上的电流大小。因为电流的数值是可以连续调节的，所以微镜面的倾斜角度也是可以连续调节的。
2．微镜面两侧同时调节，增加模拟微镜旋转的灵敏度。在本发明的模拟微镜中，第二驱动梁也可以包括热膨胀系数不同的第二上驱动梁和第二下驱动梁。同样，对第二驱动梁8施加电流，可以调节微镜面1另一侧的倾斜角度。这样，同时调节第一驱动梁和第二驱动梁的中的电流，可以增强模拟微镜旋转的灵敏度。
3．驱动力大，微镜面旋转效果佳。在本发明的模拟微镜中，通过在压焊区之间施加电压，在驱动梁中通入电流，使得驱动梁发生变形，从而带动微镜面旋转。电压越大，驱动梁中通入的电流也就越大，微镜面的旋转角度也就越大。微镜面的旋转效果佳。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中的第一驱动梁的纵向截面图。
图3是本发明中第二驱动梁的纵向截面图。
图中有：微镜面1、扭转梁2、第一驱动梁3、第一上驱动梁301、第一下驱动梁302、锚区4、压焊区5、衬底6、隔离层7、第二驱动梁8、第二上驱动梁801、第二下驱动梁802。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种表面微机械加工的模拟微镜，该模拟微镜包括微镜面1、扭转梁2、第一驱动梁3、锚区4、压焊区5、衬底6、隔离层7和第二驱动梁8。锚区4为四个，锚区4位于衬底6上方，且隔离层7连接在锚区4和衬底6之间。每个锚区4的顶面设有一个压焊区5。第一驱动梁3的两端连接在两个锚区4上，第二驱动梁8连接在其余两个锚区4上，且第一驱动梁3和第二驱动梁8相互平行。第一驱动梁3和第二驱动梁8处于悬空状态。第一驱动梁3包括第一上驱动梁301和第一下驱动梁302，第一下驱动梁302的顶面连接在第一上驱动梁301的底面。也就是说，第一驱动梁3采用上下布置的双层结构。第一上驱动梁301和第一下驱动梁302的热膨胀系数不同。微镜面1相对的两侧各通过一个扭转梁2与第一驱动梁3和第二驱动梁8连接。微镜面1处于悬空状态。如果扭转梁2发生扭转，那么微镜1面也随之旋转。
进一步，所述的第一驱动梁3中，第一上驱动梁301或者第一下驱动梁302由电阻材料制成。电阻材料可以施加电流或电压。当然，所述的第一驱动梁3中，第一上驱动梁301和第一下驱动梁302也可均由电阻材料制成，且第一上驱动梁301和第一下驱动梁302之间设有电隔离材料层。设置电隔离材料层将避免第一上驱动梁301和第一下驱动梁302之间的电流流动，避免电阻短路。
作为一种改进方案，如图3所示，第二驱动梁8包括第二上驱动梁801和第二下驱动梁802，第二下驱动梁802连接在第二上驱动梁801的底面，且第二上驱动梁801和第二下驱动梁802的热膨胀系数不同。该方案中，第二驱动梁8和第一驱动梁3一样，都采用上下布置的双层结构。这样，如果第二驱动梁8发生变形，可以通过扭转梁2带动微镜面1旋转。
进一步，所述的第二驱动梁8中，第二上驱动梁801或者第二下驱动梁802由电阻材料制成。电阻材料可以施加电流或电压。当然，第二上驱动梁801和第二下驱动梁802可均由电阻材料制成，且第二上驱动梁801和第二下驱动梁802之间设有电隔离材料层。设置电隔离材料层将避免第二上驱动梁801和第二下驱动梁802之间的电流流动，避免电阻短路。
为提高微镜面1旋转的灵敏度，所述的扭转梁2的两端分别连接在微镜面1侧边的中点和第一驱动梁3侧壁的中点，或者扭转梁2的两端分别连接在微镜面1侧边的中点和第二驱动梁8侧壁的中点。因为第一驱动梁3侧壁的中点和第二驱动梁8侧壁的中点的形变最大，所以，扭转梁2的一端连接在第一驱动梁3侧壁的中点和第二驱动梁8侧壁的中点，会提高微镜面1旋转的灵敏度及幅度。
上述结构的微镜的工作原理是：因为第一驱动梁3中包括热膨胀系数不同的第一上驱动梁301和第一下驱动梁302，第一上驱动梁301和第一下驱动梁302上下叠加布置，所以当在第一驱动梁3两端的压焊区5上通上电压后，第一驱动梁3中有电流流过，第一驱动梁3受热升温。由于第一上驱动梁301和第一下驱动梁302的热膨胀系数不同，第一驱动梁3将在垂直方向产生位移，通过扭转梁2带动微镜面1的一侧发生倾斜。如果第一上驱动梁301的热膨胀系数大于第一下驱动梁302，第一驱动梁3将向衬底6外侧凸起，带动微镜面1倾斜。反之，若第一下驱动梁302的热膨胀系数大于第一上驱动梁301，第一驱动梁3将朝向衬底6凹进，带动微镜面1反方向倾斜。微镜面1的倾斜角度取决于施加在第一驱动梁3上的电流大小。因为电流的数值是可以连续调节的，所以微镜面1的倾斜角度也是可以连续调节的。同样，当第二驱动梁8采用热膨胀系数不同的第二上驱动梁801和第二下驱动梁802时，施加在第二驱动梁8中的电流，可以调节微镜面1另一侧的倾斜角度。
该结构的模拟微镜可以采用表面微机械加工技术实现，具体包括如下步骤：
（1）选用氧化硅片作为衬底6的材料，硅片上的氧化层可作为电绝缘隔离，同时也可作为微镜面1和第一驱动梁3与第二驱动梁8的牺牲层；
（2）用低压化学气相淀积生成多晶硅并掺杂，作为双层驱动梁的下层材料，并作为微镜的主体材料；
（3）用表面低压化学气相淀积或氧化形成一电绝缘隔离层；
（4）光刻锚区上的压焊区窗口，并用氢氟酸溶液腐蚀步骤（3）中形成的氧化层，露出多晶硅，以便下步形成电接触；
（5）溅射形成一层金属铝；
（6）光刻并刻蚀金属铝、步骤（3）制成的氧化层和多晶硅，形成模拟微镜结构，此时微镜面1下方还有氧化隔离层，需要释放；
（7）腐蚀硅片上的氧化隔离层，释放微镜，制得微镜。
本发明提出的技术方案全部采用表面微加工方法实现，因此工艺简单。第一驱动梁3和第二驱动梁8采用施加电压或电流的方式产生电热驱动，原理明确，作用力较大，且可以方便地通过控制电流或电压的大小，从而控制微镜面的转动角度，因此可以任意控制微镜的角度。

Claims (5)

1.一种表面微机械加工的模拟微镜，其特征在于，该模拟微镜包括微镜面(1)、扭转梁(2)、第一驱动梁(3)、锚区(4)、压焊区(5)、衬底(6)、隔离层(7)和第二驱动梁(8)，所述的锚区(4)为四个，锚区(4)位于衬底(6)上方，且隔离层(7)连接在锚区(4)和衬底(6)之间；每个锚区(4)的顶面设有一个压焊区(5)；第一驱动梁(3)的两端连接在两个锚区(4)上，第二驱动梁(8)连接在其余两个锚区(4)上，且第一驱动梁(3)和第二驱动梁(8)相互平行；第一驱动梁(3)包括第一上驱动梁(301)和第一下驱动梁(302)，第一下驱动梁(302)的顶面连接在第一上驱动梁(301)的底面，且第一上驱动梁(301)和第一下驱动梁(302)的热膨胀系数不同；微镜面(1)相对的两侧各通过一个扭转梁(2)与第一驱动梁(3)和第二驱动梁(8)连接；在第一驱动梁(3)中施加电流，第一驱动梁(3)受热升温，第一驱动梁(3)将在垂直方向产生位移，通过扭转梁(2)带动微镜面的一侧发生倾斜；微镜面的倾斜角度取决于施加在第一驱动梁(3)上的电流大小。
2.按照权利要求1所述的表面微机械加工的模拟微镜，其特征在于，所述的第一驱动梁(3)中，第一上驱动梁(301)或者第一下驱动梁(302)由电阻材料制成，或者第一上驱动梁(301)和第一下驱动梁(302)均由电阻材料制成，且第一上驱动梁(301)和第一下驱动梁(302)之间设有电隔离材料层。
3.按照权利要求1或2所述的表面微机械加工的模拟微镜，其特征在于，所述的第二驱动梁(8)包括第二上驱动梁(801)和第二下驱动梁(802)，第二下驱动梁(802)连接在第二上驱动梁(801)的底面，且第二上驱动梁(801)和第二下驱动梁(802)的热膨胀系数不同。
4.按照权利要求3所述一种表面微机械加工的模拟微镜，其特征在于，所述的第二驱动梁(8)中，第二上驱动梁(801)或者第二下驱动梁(802)由电阻材料制成，或者第二上驱动梁(801)和第二下驱动梁(802)均由电阻材料制成，且第二上驱动梁(801)和第二下驱动梁(802)之间设有电隔离材料层。
5.按照权利要求3所述的表面微机械加工的模拟微镜，其特征在于，所述的扭转梁(2)的两端分别连接在微镜面(1)侧边的中点和第一驱动梁(3)侧壁的中点，或者扭转梁(2)的两端分别连接在微镜面(1)侧边的中点和第二驱动梁(8)侧壁的中点。
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