CN104020561A

CN104020561A - 热驱动mems微镜及1×n热驱动mems微镜阵列

Info

Publication number: CN104020561A
Application number: CN201410199558.7A
Authority: CN
Inventors: 丁金玲; 陈巧; 谢会开
Original assignee: WUXI WIO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Wuxi Weiwen Semiconductor Technology Co ltd
Priority date: 2014-05-12
Filing date: 2014-05-12
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-05-12
Also published as: CN104020561B

Abstract

本发明公开了一种热驱动MEMS微镜及1×N热驱动MEMS微镜阵列，热驱动MEMS微镜由镜面、微镜镜框以及连接镜面和微镜镜框的电热驱动臂组成，所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使微镜镜面旋转。阵列包括N个热驱动微镜单元和设有空腔的衬底；所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧并固定于衬底空腔上，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使对应微镜镜面旋转；所述N个热驱动微镜单元之间以相等间隙地排列形成1×N微镜阵列。本发明每个微镜用两侧电热驱动臂单独控制，可以调整驱动臂的长度实现不同角度量程的设计，且阵列具备低电压驱动、高镜面填充率、大量程设计，可以有效降低热串扰。

Description

热驱动MEMS微镜及1×N热驱动MEMS微镜阵列

技术领域

本发明涉及一种热驱动MEMS微镜及其形成的1×N热驱动MEMS微镜阵列，属于微机电微镜技术领域。

背景技术

对于二维MEMS阵列，需要同时实现微镜两个方向的驱动，因此，驱动器的设计至关重要。对于现有的阵列中，如果将驱动器布置于微镜的四边，可实现二维差分驱动控制，但是大幅降低镜面的填充率；如果每个方向用单个驱动器控制，可以提高镜面填充率，但是不能消除环境引入的测试误差。因此，现有的二维MEMS阵列不能同时实现填充率低电压驱动、高镜面填充率、大量程，存在缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种热驱动MEMS微镜及其形成的1×N热驱动MEMS微镜阵列，具有填充率低电压驱动、高镜面填充率、大量程。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

1×N热驱动MEMS微镜阵列，包括N个热驱动微镜单元和设有空腔的衬底，其中N为一个大于1的整数；所述每个热驱动微镜单元由镜面、微镜镜框以及连接镜面和微镜镜框的电热驱动臂组成，其中所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧并固定于衬底空腔上，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使对应微镜镜面旋转；所述N个热驱动微镜单元之间以相等间隙地排列形成1×N微镜阵列。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：还包括用于隔离热驱动微镜单元之间空气热传导的热阻挡墙。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述N个热驱动微镜单元的镜面呈并排排列，且所述热阻挡墙设置在每两个相邻的电热驱动臂之间。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述N个热驱动微镜单元的镜面呈并排排列，且每个镜面和微镜镜框均设有凸出部；所述每个镜面的凸出部使同一侧的两个电热驱动臂错位布置，且低于镜面凸出部的电热驱动臂利用镜面凸出部形成热阻挡墙，高于镜面凸出部的电热驱动臂利用微镜镜框凸出部形成热阻挡墙。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每两个相邻微镜镜框的其中一个上设有凸出部和凹陷部，通过电热驱动臂将镜面连接在凸出部和凹陷部之间，使得N个热驱动微镜单元的镜面呈错位排列；所述驱动微镜单元之间利用镜面或微镜镜框形成热阻挡墙。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述每个热驱动微镜单元还包括隔热连接件，所述电热驱动臂的两端分别通过隔热连接件与微镜边框、镜面相连接。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述隔热连接件由热导率小于20W/m.K的非金属材料制成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电热驱动臂为两层以上的薄膜结构，所述薄膜结构由热膨胀系数不同的两种以上薄膜材料组合而成。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述电热驱动臂为由薄膜梁连接而成的折叠梁结构。

一种上述1×N热驱动MEMS微镜阵列的热驱动MEMS微镜，由镜面、微镜镜框以及连接镜面和微镜镜框的电热驱动臂组成，所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使微镜镜面旋转。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明的热驱动MEMS微镜，每个微镜用两侧的电热驱动臂单独控制，并且通过两侧的电热驱动臂连接到微镜边框上，可以调整驱动臂的长度实现不同角度量程的设计，且不影响阵列镜面X方向的尺寸，通过改变分别施加在的驱动臂上的偏置电压，达到微镜在X、Y方向的旋转，该种方式结构更加便于镜面的旋转和控制。每个驱动臂通过隔热连接件连到微镜边框和镜面上，此设计可以提高热效率；并且电热驱动臂进一步为热膨胀系数不同的两种或多种薄膜材料组合而成，使其产生不同的热功率，从而使电热驱动臂产生位移。并且，在热驱动MEMS微镜的基础上，形成1×N的热驱动MEMS微镜阵列，并且通过热阻挡墙的合理设计和微镜错位排布，可以有效降低热串扰，从而使得阵列具备低电压驱动、高镜面填充率、大量程设计。

附图说明

图1为本发明的热驱动MEMS微镜单元结构示意图。

图2为本发明的1×N热驱动MEMS微镜阵列结构示意图。

图3为本发明的热驱动微镜单元施加电压示意图。

图4为本发明的微镜边框做为热阻挡墙示意图。

图5为本发明的微镜驱动臂错位布置并加热阻挡墙示意图。

图6为本发明的微镜镜面错开排列示意图。

其中标号解释：1-镜面，2-电热驱动臂，3-微镜镜框，4-隔热连接件，5-镜面凸出部，6-微镜镜框凸出部，7-微镜镜框凹陷部。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种热驱动MEMS微镜，包括镜面1、电热驱动臂2、微镜镜框3，所述镜面1分别在同一侧边上布置若干个电热驱动臂2，所述位于镜面1同一侧的若干个电热驱动臂2分别连接微镜镜框3，使得驱动臂2的两端分别与微镜边框3、镜面1相连接，以使微镜镜框3成对的设置于镜面1的相对两侧；通过在每个电热驱动臂2上分别施加偏置电压V1、V2、V3、V4，使微镜镜面旋转。在实施中，若干个电热驱动臂2取值可以为3个以上，镜面1上可以呈上下两侧分别沿Y方向布置两个电热驱动臂2。本实施例中，取4个电热驱动臂2，将四个电热驱动臂2沿Y方向分布于镜面1的四角，可以通过调整电热驱动臂的长度，也实现不同量程的设计，并且不影响X方向的尺寸。微镜的4个电热驱动臂2分布于镜面1的四角，通过改变分别施加在的电热驱动臂上的偏置电压V1、V2、V3、V4，如图3所示为热驱动微镜单元施加电压示意图，使得达到微镜镜面在X、Y方向的旋转，从而使得每个微镜都有4个电热驱动臂2独立控制。

在该热驱动MEMS微镜的基础上，本发明提出一种由所述热驱动MEMS微镜形成的1×N热驱动MEMS微镜阵列，如图2所示，包括N个热驱动微镜单元和设有空腔的衬底，其中每个热驱动微镜单元通过两侧的微镜镜框3固定在衬底空腔上，N个微镜镜框3可以形成一个整的微镜镜框；所述N个热驱动微镜单元并排排列形成1×N微镜阵列，且相邻两个热驱动微镜单元之间设有相等间隙d，其中N为一个大于1的整数,d是工艺刻蚀的线宽；通过在每个电热驱动臂上施加偏置电压使对应微镜镜面旋转。图2中，t为微镜单元的长度，W为每个热驱动微镜单元与相邻热驱动微镜单元的中心距，W及t 的取值根据实际需要设定。由此形成的二维MEMS微镜阵列可实现低电压驱动、高镜面填充率、大量程。在实施中，所述每个热驱动微镜单元的镜面3可以选择低于所述衬底表面。

对于本发明中的热驱动微镜单元，可以在每个电热驱动臂2的两端可以连接隔热连接件4，使得每个电热驱动臂2的两端分别通过隔热连接件4与微镜边框3、镜面1相连接。隔热连接件4由导热性能差的非金属材料制成，导热率小于20瓦每米每开尔文(W/m.K)，优选可以选择由SiO₂材料制成。

对于热驱动微镜单元中的每个电热驱动臂2是采用Bimorph变形结构，可以为两层以上的薄膜结构，如可以采用双层或多层薄膜结构。薄膜结构由热膨胀系数不同的两种以上薄膜材料组合而成，加电压使其产生不同的热功率，从而使电热驱动臂2产生位移。另外，对于每个电热驱动臂2可以为有多段薄膜梁连接而成的折叠梁结构，如用Al和SiO₂材料的薄膜梁连接形成，或由Al+SiO₂材料形成的薄膜梁和SiO₂+Al材料形成的薄膜梁连接而成的折叠梁，或由SiO₂+Al+SiO₂材料形成的薄膜梁连接而成的折叠梁，使得折叠梁结构由所需相同或不同的材料组合而成的单段梁连接形成。

由于阵列中相邻的热驱动微镜单元间会有热串扰，热可通过隔热连接件4传导到微镜边框3，再通过另一个电热驱动臂的隔热连接件4传导到相邻电热驱动臂上，也可以通过空气热传导到相邻电热驱动臂上。通过隔热连接件4的合理设计，可以有效降低热串扰，也可以在衬底加热沉。空气的热传导可以通过在热驱动微镜单元之间加热阻挡墙来隔离热，实现对空气热传导的隔离。

在利用热阻挡墙进行阻挡空气的热传导时，可以采用多种结构。其中一种优选的结构如图4所示，将N个热驱动微镜单元的镜面1呈并排排列，N个微镜边框3可以连接成一个整体的微镜边框，且热阻挡墙设置在每两个相邻的电热驱动臂2之间，在具体实施中利用微镜边框3做热阻挡墙，将所有相邻的电热驱动臂2用微镜边框3做热阻挡墙进行阻挡，可以有效降低空气热传导。另一种优选的结构如图5所示，N个热驱动微镜单元的镜面1呈并排排列，且每个镜面1设有镜面凸出部5，微镜镜框3也设有微镜镜框凸出部6，且N个微镜边框3可以连接成一个整体的微镜边框；所述每个镜面凸出部5使同一侧的两个电热驱动臂2错位布置，且低于镜面凸出部的电热驱动臂2利用镜面凸出部5形成热阻挡墙，高于镜面凸出部的电热驱动臂2利用微镜镜框凸出部6形成热阻挡墙，这样的结构，能够有效利用热驱动微镜单元本身的结构，使得其单独的热驱动微镜可以降低空气的热传导，也可以在阵列中通过错位结构阻挡空气的热传导。另外，还可以优选的一种结构，如图6所示，每两个相邻微镜镜框3的其中一个上设有凸出部6和凹陷部7，通过4个电热驱动臂2将镜面1连接在凸出部6和凹陷部7之间，使得N个热驱动微镜单元的镜面1呈错位排列，所述驱动微镜单元之间利用镜面1或微镜镜框3形成热阻挡墙，具体如图所述，当选取的是第n个热驱动微镜单元时，其前一个热驱动微镜单元为n-1,后一个热驱动微镜单元为n+1，当n为设有凸出部6和凹陷部7的热驱动微镜单元时，则第n-1、第n+1个为不设有凸出部和凹陷部的热驱动微镜单元，n为小于或等于N的自然数，这样即形成了错位排列结构。通过将N个微镜镜面1错位布置，空气的热传导将被镜面或者边框阻挡，会进一步控制热串扰。

另外，在阵列中，单个热驱动微镜单元的4个电热驱动臂分布于镜面的四角，通过改变分别施加在的电热驱动臂上的偏置电压V1、V2、V3、V4，达到微镜在X、Y方向的旋转。另外，在四个驱电热动臂上施加偏置电压V_b，可对微镜进行预热增强稳定性，且微镜形成差分输入，可以减小外界环境的干扰；Vx、Vy是镜面在X、Y方向旋转的所需电压分量，其在施加偏置电压V_b后折合到四个电热驱动臂上的电压值如下公式所示：

\{\begin{matrix} V 1 = V_{b} - (V_{x} + V_{y}) / 2 \\ V 2 = V_{b} + (V_{x} - V_{y}) / 2 \\ V 3 = V_{b} - (V_{x} - V_{y}) / 2 \\ V 4 = V_{b} + (V_{x} + V_{y}) / 2 \end{matrix}

另外，根据上述的1×N热驱动MEMS微镜阵列还涉及一种加工工艺，采用SOI硅片，SOI硅片包含两层硅，且两层硅之间为一层二氧化硅，包括如下步骤：

步骤1、在SOI硅片的其中一表面淀积铝并进行图形化处理，淀积二氧化硅并进行图形化处理，形成微镜驱动臂及隔热连接件；

步骤2、在步骤1中形成二氧化硅图形一面溅射Au或者Al金属膜，并进行图形化处理，形成微镜镜面；

步骤3、对SOI硅片的另一面进行DRIE硅深反应离子刻蚀，对步骤1所述的SOI硅片的加工面裸露的二氧化硅埋层进行图形化处理，形成衬底空腔及热阻挡墙；

步骤4、对步骤1所述的SOI硅片的加工面进行硅各向异性、同性刻蚀，并进行冷却，释放微镜镜面使镜面与镜框有垂直位移。

综上，本发明的热驱动MEMS微镜，每个微镜用两侧电热驱动臂单独控制，可以调整驱动臂的长度实现不同角度量程的设计，通过改变分别施加在的驱动臂上的偏置电压，达到微镜在X、Y方向的旋转，该种方式结构更加便于镜面的旋转和控制，由该微镜形成1×N的热驱动MEMS微镜阵列，具备低电压驱动、高镜面填充率、大量程设计，还可以有效降低热串扰。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：包括N个热驱动微镜单元和设有空腔的衬底，其中N为一个大于1的整数；所述每个热驱动微镜单元由镜面、微镜镜框以及连接镜面和微镜镜框的电热驱动臂组成，其中所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧并固定于衬底空腔上，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使对应微镜镜面旋转；所述N个热驱动微镜单元之间以相等间隙地排列形成1×N微镜阵列。

2.根据权利要求1所述1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：还包括用于隔离热驱动微镜单元之间空气热传导的热阻挡墙。

3.根据权利要求2所述热1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述N个热驱动微镜单元的镜面呈并排排列，且所述热阻挡墙设置在每两个相邻的电热驱动臂之间。

4.根据权利要求2所述热1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述N个热驱动微镜单元的镜面呈并排排列，且每个镜面和微镜镜框均设有凸出部；所述每个镜面的凸出部使同一侧的两个电热驱动臂错位布置，且低于镜面凸出部的电热驱动臂利用镜面凸出部形成热阻挡墙，高于镜面凸出部的电热驱动臂利用微镜镜框凸出部形成热阻挡墙。

5.根据权利要求2所述热1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述每两个相邻微镜镜框的其中一个上设有凸出部和凹陷部，通过电热驱动臂将镜面连接在凸出部和凹陷部之间，使得N个热驱动微镜单元的镜面呈错位排列；所述热驱动微镜单元之间利用镜面或微镜镜框形成热阻挡墙。

6.根据权利要求1所述1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述每个热驱动微镜单元还包括隔热连接件，所述电热驱动臂的两端分别通过隔热连接件与微镜边框、镜面相连接。

7.根据权利要求6所述1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述隔热连接件由热导率小于20 W/m.K的非金属材料制成。

8.根据权利要求1所述1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述电热驱动臂为两层以上的薄膜结构，所述薄膜结构由热膨胀系数不同的两种以上薄膜材料组合而成。

9.根据权利要求1所述1×N热驱动MEMS微镜阵列，其特征在于：所述电热驱动臂为由薄膜梁连接而成的折叠梁结构。

10.基于权利要求1至9任一项所述1×N热驱动MEMS微镜阵列的热驱动MEMS微镜，由镜面、微镜镜框以及连接镜面和微镜镜框的电热驱动臂组成，其特征在于：所述微镜镜框成对的设置于镜面的相对两侧，通过在所述电热驱动臂上施加偏置电压使微镜镜面旋转。