CN109019505A - 一种同轴mems微镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同轴MEMS微镜及其制备方法，属于激光雷达探测技术领域。所述同轴MEMS微镜包括边框和边框内的第一微镜、第二微镜、转轴和多个梳齿。其中，转轴将边框分隔为两部分，第一微镜和第二微镜分别位于两部分中，并且通过连接梁连接，连接梁与转轴连接；多个梳齿在连接梁的两侧，梳齿一侧的定齿与边框连接，另一侧的动齿与连接梁连接。该同轴MEMS采用同轴双镜面结构，可以得到两个转角相同的微反射镜面，同时只需要采用一个MEMS微镜芯片，降低激光雷达的光学装配难度、电路控制难度及生产成本，同时利于激光雷达小型化的需求。

Description

一种同轴MEMS微镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种同轴MEMS微镜及其制备方法。

背景技术

MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)的内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、动作器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、激光雷达投影显示等以及它们的集成产品。

随着无人车技术的兴起，激光雷达作为重要的探测部件越来越受到重视。激光雷达顾名思义，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。激光雷达分为机械式、混合固态以及纯固态激光雷达，为了降低成本取消机械旋转结构、方法之一就是利用MEMS微镜把所有的机械部件集成到单个芯片，利用半导体工艺生产。通常情况下MEMS激光雷达主要由光源、扫描部件以及探测接收部件三部分组成。目前为了提高激光雷达的性能，采用双MEMS微镜芯片同轴结构，由于要使用两个MEMS微镜芯片，需要实时精确调节两个芯片的振动角度相同，从而增加了驱动电路以及光路的复杂性，相应的光路也不够紧凑，同时使用两个芯片会增加激光雷达的成本以及最后激光模块的大小不利于产品小型化的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同轴MEMS微镜及其制备方法，以解决现有激光雷达成本高、难以达到小型化需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种同轴MEMS微镜，包括边框和所述边框内的第一微镜、第二微镜、转轴和多个梳齿；

其中，所述转轴将所述边框分隔为两部分，所述第一微镜和所述第二微镜分别位于边框的两部分中，并且所述第一微镜和所述第二微镜通过连接梁连接，所述连接梁与所述转轴连接；

多个梳齿在所述连接梁的两侧，并且梳齿一侧的定齿与所述边框连接，另一侧的动齿与所述连接梁连接。

可选的，所述第一微镜和所述第二微镜表面镀有光学反射薄膜，所述光学反射薄膜的材质包括金、铝和银。

可选的，所述梳齿与所述转轴垂直。

可选的，所述转轴的材质为硅材料，或硅和碳化硅的混合材料，或硅和氮化硅的混合材料。

可选的，所述转轴的形状包括长方形和蛇形。

可选的，所述连接梁的形状包括长方形和菱形。

可选的，所述连接梁的内部为镂空。

可选的，所述边框上带有连通电路的金属焊盘。

本发明还提供了一种同轴MEMS微镜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、利用掩模版在硅片或SOI晶片制作图形制作掩模版，并通过体硅刻蚀工艺刻蚀出空腔及梳齿的定齿；；

步骤2、将其与新硅片或SOI晶片键合到一起；

步骤3、对键合后的新硅片或SOI晶片进行减薄；

步骤4、在减薄的硅片或SOI晶片上溅射金属，并利用光刻金属刻蚀工艺制作出金属焊盘以及镜面；

步骤5、利用光刻以及硅刻蚀技术刻蚀出梳齿动齿以及镜面释放。

可选的，所述步骤1中通过IC光刻技术制作掩模版。

在本发明中提供了一种同轴MEMS微镜及其制备方法，所述同轴MEMS微镜包括边框和边框内的第一微镜、第二微镜、转轴和多个梳齿。其中，转轴将边框分隔为两部分，第一微镜和第二微镜分别位于两部分中，并且通过连接梁连接，连接梁与转轴连接；多个梳齿在连接梁的两侧，梳齿一侧的定齿与边框连接，另一侧的动齿与连接梁连接。当驱动该同轴MEMS微镜时，需要利用引线方式将电路引出例如印刷电路版，在如印刷电路版上加载电压，由于采用静电驱动的方式，梳齿之间产生静电力，由于存在Z方向的力带动动齿进行转动，进而带动转轴进行运动，由于两微镜位于转轴的两侧，当转轴进行运动时带动两微镜一起运动。该同轴MEMS采用同轴双镜面结构，可以得到两个转角相同的微反射镜面，同时只需要采用一个MEMS微镜芯片，降低利率激光雷达的光学装配难度、电路控制难度及生产成本，同时利于激光雷达小型化的需求。

附图说明

图1是本实施例一提供的同轴MEMS微镜的结构示意图；

图2（a）~图2（b）是不同转轴的结构示意图；

图3（a）~图3（b）是不同连接梁的结构示意图；

图4是梳齿的结构示意图；

图5是同轴MEMS微镜的制备方法的流程示意图；

图6（a）~图6（e）是制备MEMS微镜的实施工艺步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种同轴MEMS微镜及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种同轴MEMS微镜，其结构如图1所示。所述同轴MEMS微镜包括边框1和所述边框1内的第一微镜2、第二微镜3、转轴4和多个梳齿5。所述边框1上带有连通电路的金属焊盘。

其中，所述转轴4将所述边框1分隔为两部分，所述转轴4的材质为硅材料，也可以为硅和碳化硅的混合材料，或硅和氮化硅的混合材料。所述转轴4的形状可以为如图1所示的长方形，也可以为图2（a）或图2（b）中所示的蛇形图形。所述第一微镜2和所述第二微镜3分别位于所述边框1的两部分中，具体的，所述第一微镜2和所述第二微镜3表面镀有高反射率的光学反射薄膜，所述光学反射薄膜的材质包括但不限于金、铝和银。进一步的，所述第一微镜2和所述第二微镜3通过连接梁6连接，所述连接梁6与所述转轴4连接。其中，所述连接梁6的形状包括长方形和菱形，如图3（a）和图3（b）所示，为了减重，所述连接梁6的内部可以为镂空结构。具体的，不同形状的转轴与不同形状连接梁均可以自由组合，定齿与动齿的位置形状均可根据实际情况进行调整，不限于附图中的搭配。

多个梳齿5在所述连接梁6的两侧，梳齿的结构示意图如图4所示，所述梳齿5一侧的定齿51与所述边框1连接，所述梳齿5另一侧的动齿52与所述连接梁6连接。所述梳齿5与所述转轴4垂直。

本实施例一提供的同轴MEMS微镜采用单MEMS芯片集成双微反射镜，实现用于光路同轴收发的激光雷达模组，可以得到具有相同转角与频率的MEMS微镜芯片，减少MEMS芯片的数量，降低MEMS芯片控制电路的复杂性，降低产品成本。采用同轴微镜的芯片可以减低芯片的封装尺寸和难度，降低因芯片而造成的功耗增大问题，适应今后小型化的产品趋势。

实施例二

本发明提供了一种同轴MEMS微镜的制备方法，流程示意图如图5所示，所述同轴MEMS微镜的制备方法包括如下步骤：

步骤S71、利用掩模版在硅片或SOI晶片制作图形，并通过体硅刻蚀工艺刻蚀出空腔及梳齿的定齿；

步骤S72、将其与新硅片或SOI晶片键合到一起；

步骤S73、对键合后的新硅片或SOI晶片进行减薄；

步骤S74、在减薄的硅片或SOI晶片上溅射金属，并利用光刻金属刻蚀工艺制作出金属焊盘以及镜面；

步骤S75、利用光刻以及硅刻蚀技术刻蚀出梳齿动齿以及镜面释放。

具体的，对利用掩模版在硅片或SOI晶片制作图形，并通过体硅刻蚀工艺刻蚀出空腔以及梳齿的定齿如图6（a）所示；接着选用另外新的硅片或SOI晶片，利用硅-硅键合技术将该新的硅片或SOI晶片和上述步骤制作出带有空腔以及梳齿定齿的硅晶键合到一起，如图6（b）所示；然后请参阅图6（c），将键合后的新硅片或SOI晶片进行减薄；在减薄的新硅片或SOI晶片上溅射金属，并利用光刻金属刻蚀工艺制作出金属焊盘以及镜面，如图6（d）；最后，利用光刻以及硅刻蚀技术刻蚀出梳齿动齿以及镜面释放，如图6（e）。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (9)

1.一种同轴MEMS微镜，其特征在于，包括边框和所述边框内的第一微镜、第二微镜、转轴和多个梳齿；

其中，所述转轴将所述边框分隔为两部分，所述第一微镜和所述第二微镜分别位于边框的两部分中，并且所述第一微镜和所述第二微镜通过连接梁连接，所述连接梁与所述转轴连接；

多个梳齿在所述连接梁的两侧，并且梳齿一侧的定齿与所述边框连接，另一侧的动齿与所述连接梁连接。

2.如权利要求1所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述第一微镜和所述第二微镜表面镀有光学反射薄膜，所述光学反射薄膜的材质包括金、铝和银。

3.如权利要求1所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述梳齿与所述转轴垂直。

4.如权利要求1所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述转轴的材质为硅材料，或硅和碳化硅的混合材料，或硅和氮化硅的混合材料。

5.如权利要求4所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述转轴的形状包括长方形和蛇形。

6.如权利要求1所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述连接梁的形状包括长方形和菱形。

7.如权利要求6所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述连接梁的内部为镂空。

8.如权利要求1所述的同轴MEMS微镜，其特征在于，所述边框上带有连通电路的金属焊盘。

9.一种同轴MEMS微镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、利用掩模版在硅片或SOI晶片制作图形，并通过体硅刻蚀工艺刻蚀出空腔及梳 齿的定齿；

步骤2、将其与新硅片或SOI晶片键合到一起；

步骤3、对键合后的新硅片或SOI晶片进行减薄；

步骤4、在减薄的硅片或SOI晶片上溅射金属，并利用光刻金属刻蚀工艺制作出金属焊 盘以及镜面；

步骤5、利用光刻以及硅刻蚀技术刻蚀出梳齿动齿以及镜面释放。