CN108761773A - 一种压电非均匀折叠梁驱动的moems扫描光栅微镜 - Google Patents

Abstract

一种压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，由光栅、微镜、扭转梁、压电非均匀折叠梁微驱动器、角传感器和固定框架组成。微镜通过扭转梁悬置于固定框架上使其绕扭转梁转动而限制其他方向的平动，并结合在微镜背部掏蚀凹槽，提高系统稳定性且避免镜面变形。微驱动器采用非均匀折叠梁结构和其上压电层长度占每折梁长度一半的优化布局，可在低功耗、低驱动电压下使微镜实现最大角度分光扫描；在四个微驱动器的最外侧梁靠近扭转梁一端一体化集成大面积压电角传感器，采用差分输出方式可使无需后端放大电路即有高线性度、伏量级的较强传感信号输出，实时监测微镜扫描角度。本发明结构简单，集成工艺兼容，能批量生产，可广泛应用于微型光谱仪中。

Description

一种压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜

技术领域

本发明涉及一种压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，属于光谱分析和微光机电系统领域。

背景技术

随着MOEMS（Micro-Opto-Electro-Mechanical System，微光机电系统）技术的发展，基于MOEMS技术的扫描光栅微镜可以将光栅、微镜、微驱动器和角传感器一体化单芯片集成，集分光、扫描和角度监测等功能于一体，具有扫描速度快、控制精度高、集成度高、成本低等优势，在微型光谱分析仪器中具有广泛的应用和迫切的需求。

按驱动方式分类，扫描光栅微镜的驱动当前主要有静电式、电磁式、电热式和压电式四种。德国夫琅禾费光子微系统所提出的静电梳齿驱动的MOEMS扫描光栅微镜，虽然有效避免了静电吸合效应，但仍然存在驱动电压高的问题，不利于与电路的一体化集成；且由于额外集成了压电式角传感器，增加了工艺的复杂度。重庆大学微系统中心前期研制的电磁式MOEMS扫描光栅微镜，虽然可以在低驱动电压下工作且一体化集成了电磁式角传感器，但是需要外后装配工艺来添加永磁铁，存在器件体积较大、电磁干扰严重、角传感信号微弱、稳定性差等问题。电热式微驱动器驱动力大，但热效应显著，且功耗高、响应速度较慢。相较而言，压电式微驱动器具有响应速度快、驱动电压低和驱动力大等优势，更具应用潜力，但其所存在的驱动位移小的问题亟需进一步突破。

为了解决上述问题，重庆大学曾先后提出了“大转角压电扫描微镜”和“压电式集成MOEMS扫描光栅微镜”两款器件。前者采用压电折叠梁来驱动微镜，并在扭转梁上集成了一对压电角传感器，但存在的问题在于：每折折叠梁上满布压电层不能使整个驱动器的驱动位移最大化，相邻两折梁的压电层需施加反向电压使得电极布线与驱动较难实现；且由于扭转梁的非线性弹簧效应致使布于其上的压电角传感器产生非线性输出，还存在共模干扰大、角信号微弱等问题；再者，由于没有集成光栅而不具备分光的功能。后者采用压电悬臂梁驱动结构，引入具有杠杆放大作用的连接梁来放大驱动位移，并在连接梁上集成了压电角传感器，但存在的问题在于：连接梁的引入同时使得器件的占空比小，空间利用率不高，导致芯片面积较大；且角传感器面积较小致使阻抗高，容易引入空间电磁波干扰，严重降低了角传感器的信噪比。

近年来，光谱分析仪器不断朝着微型化、宽光谱、高可靠性、高精度、低成本等方向发展，因而对MOEMS扫描光栅微镜进一步提出了小体积、大扫描角度、高稳定性、高控制精度、低成本等要求。然而，当前的MOEMS扫描光栅微镜由于上述问题的存在，严重制约了微型光谱仪的发展。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术的不足，提出一种集成工艺兼容的单芯片式压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，可有效改善驱动性能，降低功耗，降低工艺难度，改善角传感信号，提高系统稳定性。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜包括：光栅、微镜、扭转梁、压电非均匀折叠梁微驱动器、压电角传感器和固定框架，这些部件均通过MOEMS技术加工，一体化集成于同一偏晶向硅基片上。

所述微镜为长方体结构，正面集成了用于分光的锯齿形光栅，背面掏蚀有凹槽，以在相同转动惯量下减小镜体质量。微镜的左右两侧的中部各连接由一根扭转梁，微镜通过这一对扭转梁悬置于固定框架中，可绕扭转梁做谐振扭转。

所述压电非均匀折叠梁微驱动器有四个，对称分布于微镜的左上部、左下部、右上部、右下部的外侧，均为水平方向多折结构，外端固定于固定框架上，内端与微镜对应部的外侧相连，每个压电非均匀折叠梁微驱动器与固定框架相连的梁宽于其余梁，以产生大驱动力，且便于集成大面积压电角传感器，另外，每折梁的长度自外向内依次递减。

所述压电非均匀折叠梁微驱动器由非均匀折叠梁结构和其上所布的下电极层、压电层和上电极层构成，下电极层、压电层和上电极层三层重叠，自最外侧梁至内侧梁依次按靠近固定框架、靠近扭转梁轴线的方式交替分布，下电极层、压电层和上电极层宽度略小于每一折梁的宽度，长度占每折梁长度的一半，且每个压电非均匀折叠梁微驱动器各折梁上的上、下电极层分别通过电极引线串联。

所述压电角传感器有四个，分别集成于每个压电非均匀折叠梁微驱动器最外侧的一根梁上，并靠近扭转梁轴线的位置，压电角传感器自下而上由下电极层、压电层和上电极层构成，其上的电信号通过上下电极层输出。

所述固定框架整体为矩形框，在其内侧有和扭转梁相连的向内凸起的凸台，由于凸台的引入可使扭转梁的长度不受非均匀折叠梁尺寸的限制，因而可通过灵活设置扭转梁长度来实现预期谐振频率。

进一步，所述光栅是利用湿法腐蚀法和氧化锐化优化槽形法在所述扫描光栅微镜上形成锯齿形光栅，并在表面蒸镀有反射膜层。

进一步，所述微镜和固定框架与所采用的硅片厚度保持一致；所述扭转梁与所述折叠梁的非均匀折叠梁结构通过干法刻蚀一体化减薄而厚度一致。

进一步，所述凹槽为对称分布的九个“口”字型凹坑，整体呈九宫格排列。

与现有MOEMS扫描光栅微镜相比，本发明的优点在于：

1、本发明利用MOEMS技术实现了光栅、微镜、压电非均匀折叠梁微驱动器和压电角传感器的一体化单芯片集成，集分光、扫描和角度实时监测等功能于一体，具有体积小、集成度高、工艺简单兼容、可批量生产等显著优势。

2、微镜中部扭转梁的引入限制其他方向的平动，并与微镜背部掏蚀凹槽结构相结合，显著提高了系统的稳定性且有利于大镜面的实现而无镜面变形问题。

3、微驱动器和压电角传感器所用材料与层级结构完全相同，可一体化同时形成；每个压电非均匀折叠梁微驱动器中相邻梁之间压电层的上、下电极采用简单串联的布线方式，显著降低了电极互连难度；且微镜背部凹槽也可以在对扭转梁和压电折叠梁的梁结构进行整体减薄时一体化同时刻蚀成，从而简化了工艺，降低了加工成本。

4、压电非均匀折叠梁微驱动器的压电层优化地布置在非均匀折叠梁结构层上，压电层长度占每折梁长度一半的优化布局，实现驱动能力的最优化，显著提高了驱动能力，降低了功耗，可在低驱动电压下驱动扫描光栅微镜实现大角度分光扫描。

5、本发明在四个压电折叠梁的最外侧梁靠近扭转梁一端一体化集成了大面积压电角传感器，不仅显著提高了角传感信号的输出强度，而且因压电非均匀折叠梁微驱动器的最外侧梁上应变随扫描角度的线性变化使得角传感器有非常好的线性度；且四个角传感器可通过扭转梁同侧信号串联后再与异侧信号差分输出的方式可进一步提高角传感信号强度并有效抑制共模干扰，具有高灵敏度、高信噪比且无需后端放大电路等优势，可对扫描光栅微镜进行可靠地实时监测。

附图说明

图1为本发明的正面结构示意图；

图2为图1中沿A-A向的断面图；

图3为本发明的背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步说明。

参见图1，本发明的压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜包括：光栅1、微镜2、扭转梁3、压电非均匀折叠梁微驱动器4、压电角传感器5和固定框架6。所述光栅1、微镜2、扭转梁3、压电非均匀折叠梁微驱动器4、压电角传感器5和固定框架6通过MOEMS技术加工，一体化集成于同一偏晶向硅基片上。

微镜2采用长方体结构设计，正面利用各向异性湿法腐蚀自停止腐蚀的方法刻蚀形成用于分光的锯齿形光栅1，再进行氧化锐化优化光栅槽形，并蒸镀金反射膜以增强反射率。参见图3，微镜2背面掏蚀改变质量分布的凹槽7，凹槽7为对称分布的九个“口”字型凹坑，整体呈九宫格排列。

微镜2左右两侧的中部各连接有一根扭转梁3，扭转梁3另一段连接在固定框架6上，这样通过一对扭转梁3就将微镜2悬置于固定框架6中。

固定框架6整体为矩形框，在其内侧有和扭转梁3相连的向内凸起的凸台，便于灵活设计扭转梁3的长度。

微镜2和固定框架6的厚度与所用硅片厚度保持一致，以避免微镜2产生镜面变形，并使固定框架6有较高稳固性。扭转梁3和压电非均匀折叠梁微驱动器4的硅结构层采用正面干法刻蚀和背部刻蚀减薄的方法形成，因而保持厚度一致，且背部刻蚀减薄的同时在微镜2背部同时形成凹槽7。

压电非均匀折叠梁微驱动器4为每折长度由外到内依次递减的多折结构，四个压电非均匀折叠梁微驱动器4均匀分布于微镜2的左上部、左下部、右上部和右下部的外侧，压电非均匀折叠梁微驱动器4的外端固定于固定框架上，内端与对应侧的微镜的外侧连接。且每个压电非均匀折叠梁微驱动器4与固定框架6相连的梁宽于其余梁。

压电非均匀折叠梁微驱动器4由非均匀折叠梁结构层9和其上所布的下电极层10、压电层11和上电极层12构成，层级排布如图2所示，下电极层10、压电层11和上电极层12三层重叠，且长、宽相等。压电非均匀折叠梁微驱动器4的每折梁长度由外到内依次递减；每个压电非均匀折叠梁微驱动器4与固定框架6相连的梁宽于其余梁，以产生大驱动力，且便于集成大面积压电角传感器5；压电层11和上下电极层宽度略小于每一折梁的宽度，长度占每折梁长度的一半，自最外侧梁至内侧依次按靠近固定框架、靠近扭转梁轴线的方式交替分布；每个压电非均匀折叠梁微驱动器4各根梁上的上、下电极层分别通过电极引线串联。当给压电非均匀折叠梁微驱动器4施加电信号时，每折梁的末端位移传递累加，克服了驱动位移小的问题。

压电角传感器5集成于压电非均匀折叠梁微驱动器4与固定框架6相连的梁上靠近扭转梁3轴线的位置，压电角传感器自下而上也由下电极层、压电层和上电极层构成，其上的电信号通过上下电极层输出。

工作时，当给扭转梁3两侧的压电非均匀折叠梁微驱动器4分别施加大小相等、相位相反、频率等于微镜谐振频率驱动电压时，便会在微镜2两端产生大小相等、方向相反的驱动力驱动微镜2绕扭转梁3做谐振扫描，微镜2上的光栅1则会将准直入射的复色光色散成按波长大小依次排列的单色光，从而实现连续的分光扫描；与之同时，压电非均匀折叠梁微驱动器4与固定框架6相连的梁上靠近扭转梁3轴线的位置上产生的同步应变会使压电角传感器5感应产生与扫描角度大小相对应的电信号，因而可以用来对微镜2的扫描角度进行实时监测。为了增强角传感输出信号并抑制噪声干扰，四个压电角传感器5可采用扭转梁3同侧信号串联后再与异侧信号差分输出的方式进行角传感信号输出。

本发明结构利用MOEMS技术一体化集成于同一片硅基底上，微镜通过一对扭转梁悬置于固定框架上使其绕扭转梁转动而限制其他方向的平动，并结合在微镜背部掏蚀凹槽的方法，提高了系统的稳定性且避免镜面变形。本发明提出的压电非均匀折叠梁微驱动器采用非均匀折叠梁结构和其上压电层长度占每折梁长度一半的优化布局方式，可在低功耗、低驱动电压下使扫描光栅微镜实现最大大角度分光扫描；同时在四个压电非均匀折叠梁微驱动器的最外侧梁靠近扭转梁一端一体化集成大面积压电角传感器，采用差分输出方式可使无需后端放大电路即有高线性度、伏量级的较强传感信号输出，以实时监测微镜扫描角度。

本发明结构简单新颖，集成工艺兼容，能批量生产，可广泛应用于微型光谱仪中。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于，包括光栅、微镜、扭转梁、压电非均匀折叠梁微驱动器、压电角传感器和固定框架，以上部件均采用MOEMS技术一体化集成于同一片硅基底上；

所述微镜采用长方体结构设计，正面集成用于分光的光栅，背面有用于改变质量分布的凹槽，微镜悬置于固定框架中，在其左右两侧的中部对称设置一根扭转梁悬，与固定框架连接；

所述压电非均匀折叠梁微驱动器有四个，对称分布于微镜的左上部、左下部、右上部、右下部的外侧，均为水平方向多折梁结构，其一端固定于固定框架上，另一端与微镜对应部的外侧相连，每个压电非均匀折叠梁微驱动器中与固定框架相连的梁宽于其余梁，且每折梁的长度自外向内依次递减；

所述压电非均匀折叠梁微驱动器由非均匀折叠梁结构和其上所布的下电极层、压电层和上电极层构成，下电极层、压电层和上电极层三层重叠，自最外侧梁至内侧梁依次按靠近固定框架、靠近扭转梁轴线的方式交替分布，下电极层、压电层和上电极层宽度略小于每一折梁的宽度，长度占每折梁长度的一半，且每个压电非均匀折叠梁微驱动器各折梁上的上、下电极层分别通过电极引线串联；

所述压电角传感器有四个，分别集成于每个压电非均匀折叠梁微驱动器最外侧的一根梁上，并靠近扭转梁轴线的位置，压电角传感器自下而上由下电极层、压电层和上电极层构成，其上的电信号通过上下电极层输出；

所述固定框架整体为矩形框，在其内侧有和扭转梁相连的向内凸起的凸台。

2.根据权利要求1所述的压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述光栅是利用湿法腐蚀技术集成于所述微镜上，且所述光栅表面镀有增强反射率的反射膜层。

3.根据权利要求1所述的压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述凹槽为对称分布的九个“口”字型凹坑，整体呈九宫格排列。

4.根据权利要求1所述的压电非均匀折叠梁驱动的MOEMS扫描光栅微镜，其特征在于：所述微镜和固定框架与所采用的硅片厚度保持一致，所述扭转梁与所述压电非均匀折叠梁微驱动器的非均匀折叠梁结构通过干法刻蚀一体化减薄而厚度一致。