CN103472579B - 一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种自倾斜微机电系统微镜，包括微镜边框、镜体和驱动臂，镜体通过驱动臂与微镜边框连接，由其驱动偏转倾斜，其特征在于：所述驱动臂在无源初始状态下使镜体处于自倾斜状态。一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法，其特征在于：所述驱动臂为数种热膨胀系数不同的材料叠放而成，在高于室温的工艺制作温度下制作成平坦结构，冷却到室温释放后驱动臂向热膨胀率高的一方收缩。本发明结构初始状态就为自倾斜一定角度，便于光路的对准和安装，另外无需特殊的工艺，就能够使微镜达到自倾斜结构，并且在驱动的过程中能够保持中心的固定，同时可以根据设计版图及工艺自由控制其倾斜角度。

Description

一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法

本发明为申请日：2012-2-24，申请号：2012100432792：“一种自倾斜微机电系统微镜及其制作方法”的分案申请。

技术领域

本发明属于微机电系统（MEMS）领域，涉及一种自倾斜微机电系统微镜结构的设计及其制作。

背景技术

微型化，高性能，低成本，大批量是当今器件制造的追求目标。微机电系统技术此时应运而生，被广大设备制造商广泛应用。使用微机电系统技术制造的器件主要可分成两大类，其一就是单纯微型化传统器件，如微型光学平台，其优点集中体现在可以拓展微型化的系统的使用范围；其二使用革新原理制造出传统方法无法制作的器件，如地磁传感器。

MEMS器件借助于成熟的半导体生产技术，使用硅等材料作为载体，促进了各式各样的新型微型化传感器与驱动器的蓬勃发展。传统的MEMS器件的制作方法基本上使用的是层层叠加，或者层层相减的加工方法。因此基本上制作完成的MEMS器件完成的各部分基本都保持与基底材料平行，制作自倾斜MEMS微镜结构充满挑战。但是，在特定的场合，如光通信领域就经常要求光纤与MEMS微镜出示保持一固定角度。因此，如果MEMS微镜本身就具备自倾斜状态，对准安装将十分便捷。

目前倾斜MEMS微镜结构实现基本上都是先制作平行结构，而后使用有源驱动使MEMS结构与基底成一定角度。这种设计方法的缺点就是无法做到自倾斜，在倾斜的过程中始终需要驱动。而一些自倾斜结构无法自由驱动，或者驱动过程中的轴和对称点会发生偏移。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提供一种在初始阶段微镜镜体就处于自倾斜状态的自倾斜微机电系统微镜及其制作方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种自倾斜微机电系统微镜，包括微镜边框、镜体和驱动臂，镜体通过驱动臂与微镜边框连接，由其驱动偏转倾斜，其特征在于：所述驱动臂在无源初始状态下使镜体处于自倾斜状态。

其进一步特征在于：所述驱动臂为一个或多个，分布在镜体两侧或周边，向下或向上弯曲。所述驱动臂由双层或多层组成，其中一层可用作加热电阻。所述镜体两侧的驱动臂的构成材料相同但叠层顺序相反。

优选的：所述镜体一侧的驱动臂的材料层从上到下为铝/二氧化硅/铂/二氧化硅，另一侧驱动臂的材料层从上到下为二氧化硅/铂/二氧化硅/铝。

进一步的：所述镜体为单轴、双轴或三轴自倾斜。

一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法，其特征在于：所述驱动臂为数种热膨胀系数不同的材料叠放而成，在高于室温的工艺制作温度下制作成与基底平行结构，冷却到室温释放后驱动臂向热膨胀率高的一方收缩。

进一步的：通过改变热膨胀系数不同的材料叠放次序，使驱动臂在室温下向上或向下弯曲。

进一步的：通过设置不同长度的驱动臂，使连接在驱动臂上的镜体在室温下自倾斜。

本方法可以使用体硅工艺，倾斜结构的角度可以很大。

驱动臂的材料可以使用高热膨胀系数的材料，如各种金属如铝、铜、镍、铬、金等，聚合物如SU-8、Polyimide、PMMA、PDMS等，以及碳纤维等；热膨胀系数低的材料为各种介电质材料：二氧化硅，金属氧化物，氮化硅，钨等。

本发明结构初始状态就为自倾斜一定角度，便于光路的对准和安装，另外无需特殊的工艺，就能够使微镜达到自倾斜结构，并且在驱动的过程中能够保持中心的固定，同时可以根据设计版图及工艺工程自由控制其倾斜角度。

附图说明

图1为本发明立体示意图；

图2为本发明加工时位置和释放后位置剖面图；

图3a、3b为本发明两种不同结构的驱动臂图（虚线位置为驱动臂加工时位置）；

图4为单驱动臂微镜结构示意图；

图5为图4A-A截面图（虚线位置为加工时位置）；

图6为两个驱动臂不同方向微镜结构示意图；

图7为图4B-B截面图（虚线位置为加工时位置）；

图8为两个驱动臂同方向微镜结构示意图；

图9为图4C-C截面图（虚线位置为加工时位置）；

图10为简单自倾斜单轴MEMS微镜的示意图；

图11为图10左右驱动臂截面示意图；

图12为三轴自倾斜MEMS微镜俯视图；

图13为Al与SiO2作为结构材料制作一单轴自倾斜MEMS微镜流程图：

（a）在高阻硅片上PECVDSiO2并图形化；

（b）蒸发Al并图形化

（c）再次PECVDSiO2并图形化

（d）键和/聚合物粘连硅片

（e）减薄并抛光正面硅

（f）蒸发Au并图形化

（g）DRIE背面硅；

（h）DRIE正面硅（加工工程中）

（i）冷却到室温的形状。

图中，1、微镜边框；2、驱动臂；3、镜体；4、铰链；5、硅片；6、SiO2；7、Al；8、Au。

具体实施方式

如图1、2所示一种自倾斜微机电系统微镜包括微镜边框1、镜体3和驱动臂2，镜体3通过驱动臂2与微镜边框1连接，由其驱动偏转倾斜，所述驱动臂在无源初始状态下使镜体3处于自倾斜状态。

如图3a、3b所示使用数种热膨胀系数不同的材料，使用MEMS微加工工艺，如蒸发，溅射，PECVD等等工艺制作，工艺制作过程中的温度一般高于室温，虽然在工艺制作中是平坦结构，但是由于器件制作完成后需要冷却到室温形成温度差，达到室温时将向热膨胀率高的一方收缩。因此，通过结构薄膜材料的叠放顺序的不同可以形成完全向不同方向偏转的结构。同时，对于向同一方向偏转的结构，可以通过版图设计时改变薄膜的长度，可以设计出向同一方向偏转但是偏转高度不一的结构。通过对不同的组合方式，就可以设计各种自倾斜结构的MEMS微镜。

图4为最典型单驱动臂结构，即只包括一个驱动臂2连接微镜边框1与镜体3。其驱动臂2截面如图5所示。

如图6所示微镜使用两个驱动臂2，但是一驱动臂向上弯曲，一驱动臂向下弯曲，两个驱动臂2分布在镜体3两边，截面如图7所示。

图8为两个驱动臂2同向结构，即使用的是同向上或者同向下弯曲的驱动臂结构，但是弯曲的高度不一致，其截面如图9所示。

如图10所示为了保证运动时，自倾斜结构MEMS微镜的中心能够固定，在制做单轴运动的MEMS微镜时，可以使用铰链4结构固定MEMS微镜，铰链4结构与MEMS微镜成一定角度。如左边的驱动臂2可以使用Al/SiO2两种材料作为向上弯曲的结构，右边的驱动臂2可以使用SiO2/Al两种材料作为向下弯曲的结构，其剖面如图11所示。

制作的三轴自倾斜MEMS微镜，由于每个MEMS微镜的驱动臂2长度不一，因此为了保证驱动过程当中中心点的偏移，需要严格按照驱动臂2的长短比例控制驱动电流。如图12中四个驱动臂2的长度各不相同。

为了更好的说明，本发明选用Al与SiO2作为结构材料制作一单轴自倾斜MEMS微镜，其材料叠放方式为一上一下反对称。其中选用Al/SiO2双材料体系的优点是其两热膨胀系数相差大，温度变化产生的偏转位移大。其中一具体实施例工艺流程如图13所示：

（a）在清洗好的高阻态硅片上PECVDSiO2并使用BOE湿法刻蚀形成图形；

（b）依次蒸发Al，并使用干法刻蚀形成焊盘与驱动臂结构中的Al；

（c）再次PECVDSiO2并干法刻蚀，至此Al/SiO2驱动臂结构已经成形；

（d）在例外一硅片上面溅射Au，并形成与镜面相对应图形，再使用Au对准的镜面共晶键合；

（e）正面硅减薄并抛光；

（f）溅射Au，并使用干法刻蚀形成镜面，同时充当刻蚀的掩膜；

（g）背面DRIE硅，刻蚀出镜面与驱动臂下面的空腔；

（h）再正面DRIE硅，无需要掩膜；

（i）冷却到室温。

基本使用与此相同的方法可以制作出各式自倾斜MEMS微镜。

Claims (4)

1.一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法，所述微镜包括微镜边框、镜体和驱动臂，镜体通过驱动臂与微镜边框连接，由其驱动偏转倾斜；其特征在于：所述驱动臂为数种热膨胀系数不同的材料叠放而成，驱动臂在高于室温的工艺制作温度下成平坦结构，冷却到室温释放后驱动臂向热膨胀率高的一方收缩。

2.根据权利要求1所述的一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法：其特征在于：通过改变热膨胀系数不同的材料叠放次序，使驱动臂在室温下向上或向下弯曲。

3.根据权利要求1所述的一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法：其特征在于：通过设置不同长度的驱动臂，使连接在驱动臂上的镜体在室温下自倾斜。

4.根据权利要求1所述的一种自倾斜微机电系统微镜的制作方法，特征在于：驱动臂的材料中高热膨胀系数的材料为各种金属：铝、铜、镍、铬、金，聚合物：SU-8、Polyimide、PMMA、PDMS，以及碳纤维；热膨胀系数低的材料为各种介电质材料：二氧化硅，金属氧化物，氮化硅，钨。