CN110031966B - 一种微镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微镜包括质量块、质量块上的镜面反射层、支撑结构和驱动单元对，驱动单元对沿质量块的一个对称轴对称设置，且驱动单元对中的每个驱动单元包括沿质量块的另一对称轴对称设置的一对驱动臂，驱动臂由U型折叠梁、U型折叠梁上的多个压电驱动块以及U型折叠梁的自由端上的两连接端，通过连接端将驱动臂固定于质量块以及支撑结构上。这样，构成了呈对称布置的微机电微镜，其通过压电驱动方式对镜面层进行驱动，无需扭转梁的支撑，减小驱动力的损耗，使得微镜具有更大的扫描角度，此外，U型折叠梁的横梁上设置多个压电驱动块，通过不同驱动块的压电控制，可以限制微镜面外的平动，进一步增大微镜扫描角度，并增强系统稳定性。

Description

一种微镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统及其制造领域，特别涉及一种微镜及其制造方法。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro Electromechanical System)是基于半导体制造技术，其融合了光刻、腐蚀、沉积、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的电子机械器件。

MOEMS(Micro Optical Micro Electromechanical System，微光机电系统)是利用微加工技术实现的光学系统，其具有体积小、重量轻和速度快的优点。扫描微镜是一种重要的MOEMS器件，在驱动力的作用下微镜的反射面发生偏转，从而改变入射光线角度，可广泛应用于投影、激光雷达、医学影像扫描、光谱仪等领域。而在微镜的设计中，如何进行微镜扭转的驱动设计成为微镜设计中的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微镜及其制造方法，减小驱动损耗，为反射面提供更大转角。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种微镜，包括：

质量块，所述质量块的第一表面内具有相互正交的第一对称轴和第二对称轴；

所述质量块的第一表面上的镜面反射层；

第一支撑结构；

驱动单元对，所述驱动单元对包括相对于第一轴呈对称分布的一对驱动单元，每个驱动单元包括相对于第二轴呈对称分布的一对驱动臂，每个驱动臂包括U型折叠梁、所述U型折叠梁的每条横梁上的多个压电驱动块以及与所述U型折叠梁的自由端固定的第一连接端和第二连接端，所述U型折叠梁包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述第一轴为所述第一对称轴或第二对称轴中的一个，所述第二轴为所述第一对称轴或第二对称轴中的另一个；

其中，所述驱动单元对通过U型折叠梁的所述第一连接端和所述第二连接端分别固定至所述质量块和所述第一支撑结构，所述U型折叠梁沿第一轴方向延伸且所述第一连接端和所述第二连接端靠近所述第二轴分布；沿垂直于所述第一表面方向所述驱动单元对及所述质量块具有活动空间。

此外，本申请还提供一种微镜的制造方法，所述方法包括：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括依次层叠的底硅层、埋氧层以及顶硅层；

在所述顶硅层中形成凸块以及凸块周围的硅薄层，所述凸块上表面用于支撑镜面反射层；

在所述硅薄膜上形成压电驱动块，所述压电驱动块与所述硅薄膜之间形成有绝缘层；

通过图案化所述硅薄膜，形成U型折叠梁、凸块底部的外缘、所述U型折叠梁的自由端处的第一连接端和第二连接端以及第一连接层，其中，所述凸块与凸块底部的外缘构成质量块，所述质量块的顶表面内具有相互正交的第一对称轴和第二对称轴；所述U型折叠梁位于所述压电驱动块之下且所述U型折叠梁的每条横梁上设置有多个压电驱动块，所述U型折叠梁包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述U型折叠梁、压电驱动块以及所述第一连接端和第二连接端构成驱动臂，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的一个呈对称分布的一对驱动臂构成驱动单元，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的另一个呈对称分布的一对驱动单元构成驱动单元对；所述第一连接层包围所述质量块以及驱动单元对，所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述外缘以及所述第一连接层连接；

去除所述质量块以及驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第一空腔，第一连接层下的埋氧层以及底硅层为第一支撑层，所述第一支撑层与所述第一连接层构成第一支撑结构。

本发明实施例提供的微镜及其制造方法，微镜包括质量块、质量块上的镜面反射层、支撑结构和驱动单元对，驱动单元对沿质量块的一个对称轴对称设置，且驱动单元对中的每个驱动单元包括沿质量块的另一对称轴对称设置的一对驱动臂，驱动臂由U型折叠梁、U型折叠梁上的多个压电驱动块以及U型折叠梁的自由端上的两连接端，通过连接端将驱动臂固定于质量块以及支撑结构上。这样，构成了呈对称布置的微机电微镜，其通过压电驱动方式对镜面层进行驱动，无需扭转梁的支撑，减小驱动力的损耗，使得微镜具有更大的扫描角度，此外，U型折叠梁的横梁上设置多个压电驱动块，通过不同驱动块的压电控制，可以限制微镜面外的平动，进一步增大微镜扫描角度，并增强系统稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了根据本发明实施例一的微镜的俯视结构示意图；

图1A和图1B分别为图1中的AA向和BB向剖面结构示意图；

图2示出了本发明实施例的微镜中驱动臂一实施例的结构示意图；

图2A和图2B示出了图2中的驱动臂的驱动原理侧视示意图；

图3示出了本发明实施例的微镜中驱动臂另一实施例的结构示意图；

图3A示出了图3中的驱动臂的驱动原理侧视示意图；

图4示出了实施例一微镜的驱动示意图；

图5示出了本发明实施例二的微镜的俯视结构示意图；

图5A示出了图5中的AA向剖面结构示意图；

图6示出了本发明实施例三的微镜的俯视结构示意图；

图6A示出了图6中的AA向剖面结构示意图；

图7示出了本发明实施例四的微镜的俯视结构示意图；

图7A示出了图7中的AA向剖面结构示意图；

图8-图14示出了根据本发明实施例的制造方法形成微镜的过程中微镜的剖面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参考图1-图7A所示，本申请提出一种微镜，包括：

质量块10，所述质量块10的第一表面内具有相互正交的第一对称轴X和第二对称轴Y；

所述质量块10的第一表面上的镜面反射层16；

第一支撑结构40；

驱动单元对，所述驱动单元对包括相对于第一轴呈对称分布的一对驱动单元20，每个驱动单元20包括相对于第二轴呈对称分布的一对驱动臂30，每个驱动臂30包括U型折叠梁32、所述U型折叠梁32的每条横梁上的多个压电驱动块34以及与所述U型折叠梁32的自由端固定的第一连接端36和第二连接端38，所述U型折叠梁32包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构32的横梁对称分布，所述第一轴为所述第一对称轴X或第二对称轴Y中的一个，所述第二轴为所述第一对称轴X或第二对称轴Y中的另一个；

其中，所述驱动单元对通过U型折叠梁32的所述第一连接端36和所述第二连接端38分别固定至所述质量块10和所述第一支撑结构40，所述U型折叠梁32沿第一轴方向延伸且所述第一连接端36和所述第二连接端38靠近所述第二轴分布；沿垂直于所述第一表面方向所述驱动单元对及所述质量块10具有活动空间。

在本申请实施例中，质量块10用于承载镜面反射层16以及与连接驱动单元20，质量块10为轴对称图形，质量块10的第一表面为承载镜面反射层16的表面，该表面内具有相互正交的第一轴X和第二轴Y。

质量块10可以采用单晶硅材料形成，在一些实施例中，质量块10可以包括凸块12以及凸块12底部周围的外缘14，凸块12用于承载镜面反射层16，外缘14用于与驱动单元20的连接，该质量块10可以通过刻蚀SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)衬底的顶硅层获得。凸块12第一表面的形状例如可以为方形、圆形或椭圆形等，其中，方形包括正方形和长方形。质量块的厚度范围可以为10-100μm。

在本申请实施例中，在质量块10周围可以排布一个或多个的驱动单元对，每个驱动单元对包括沿第一轴呈轴对称的一对驱动单元，每个驱动单元包括相对于第二轴呈对称分布的一对驱动臂30，第一轴为第一对称轴X或第二对称轴Y中的一个，第二轴为第一对称轴X或第二对称轴Y中的另一个。在一些实施例中，可以包括一个驱动单元对，该驱动单元对中的驱动单元可以沿第一对称轴或第二对称轴对称分布。在另一些实施例中，还可以包括包括多个驱动单元对，其中一些驱动单元对中的驱动单元关于第一对称轴对称分布，另一些驱动单元对中的驱动单元关于第二对称轴分布。

参考图1、图1A和图1B以及图5、图5A所示，每个驱动臂(30/30-i，i从1至8)包括U型折叠梁32、所述U型折叠梁32的每条横梁上的多个压电驱动块34以及与所述U型折叠梁32的自由端固定的第一连接端36和第二连接端38，U型折叠梁32可以包括一个或多个依次连接的U型结构，每个U型结构的横梁为对称分布。

其中，U型指基本为U型的结构，参考图2所示，在一些实施例中，该U型折叠梁32仅包含一个U型结构，U型结构包含有两个横梁、两横梁的连接梁以及两横梁向开口外延伸的连接端，在该实施例中，向开口外延伸的连接端即为U型折叠梁32的两个自由端。在另一些实施例中，该U型折叠梁32包括多个依次连接的U型结构，参考图3所示，每个U型结构的连接端依次连接，构成多个弯折的折叠梁，首个和末个U型结构的连接端即为该U型折叠梁32的自由端。在本申请实施例中，U型折叠梁32中的各U型结构的横梁呈对称分布，各U型结构自身沿其横梁方向为轴对称结构。在具体的应用中，该U型折叠梁32及其第一连接端36和第二连接端38可以为一体结构，可以为单晶硅材料，可以通过刻蚀SOI衬底的顶硅层形成。

在U型折叠梁32的每条横梁上都设置有多个压电驱动块，每个压电驱动块为一个压电驱动单元，用于提供压电驱动力，压电驱动块34包括由下至上依次层叠的下电极、压电薄膜以及上电极，压电薄膜的材料例如可以为PZT(锆钛酸铅)、氮化铝或氧化锌中的一种或他们的组合，通过上、下电极上施加不同的偏压，压电薄膜可以产生拉伸力或压缩力，从而驱动其下U型折叠梁32运动。当U型折叠梁32由硅材料或其他导体或半导体材料形成时，在U型折叠梁32与压电驱动块34之间还形成有绝缘层，绝缘层用于将压电驱动块34与折叠梁32电性隔离。其中，压电薄膜的厚度范围可以为0.1-30μm。

在本申请实施例中，通过U型折叠梁32的第一连接端36和第二连接端38分别连接到质量块10和第一支撑结构40上，该第一支撑结构40用于U型折叠梁32的固定，同时在固定之后，使得质量块10以及驱动单元对能够具有上下移动的空间，也就是垂直于第一对称轴X和第二对称轴Y所在平面的方向具有移动的空间。其中，U型折叠梁32是沿着驱动单元对中驱动单元的对称轴方向延伸的，即第一轴方向，且采用固定端即第一连接端36和第二连接端38更靠近第二轴、悬空端即U型结构的连接梁远离第二轴的分布方式。这样，就构成了驱动单元20悬挂于质量块的连接方式，同时，U型折叠梁为的横梁为对称结构，每个横梁上又分布有多个压电驱动块。

这样，每条横梁上不同的压电驱动块可以提供不同方向的驱动力，对于各U型折叠梁，可以在一横梁的一端提供拉伸力、另一端提供压缩力，在另一横梁的对称端提供相反方向的力，在两个横梁上相反方向力的作用下使得第一连接端36向上或向下运动，进而通过控制不同驱动臂中第一连接端36的运动方向，使得带动质量块10转动，转动过程无需任何扭转梁的支撑，直接利用压电驱动力转动，减小驱动损耗，使得微镜具有更大的扫描角度；同时，由于横梁上具有多个压电驱动块34，通过设置不同的压电驱动电压，这些压电驱动块可以提供不同方向的驱动力，在U型结构的悬空端，可以通过其侧的压电驱动块不同方向驱动力的控制，限制U型结构在微镜面外的平动，进一步增大微镜扫描角度，并增强系统稳定性。对于该部分的转动原理以及效果，将在下述具体实施例的分析中详细说明。

在本申请的实施例中，参考图1和图1A、图1B以及图5、图5A所示，第一支撑结构40可以包括包围质量块10的连接层46以及层叠于所述连接层46下的支撑层43、42，固定于所述质量块10的驱动单元对的活动空间为位于所述质量块之下、由第一支撑结构的支撑层43、42所围成的第一空腔60，所述第一支撑结构的连接层46与所述第二连接端38连接。在具体的应用中，该连接层46可以通过刻蚀SOI衬底的顶硅层形成，第一空腔60可以通过释放SOI衬底的埋氧层和底硅层形成。

在上述实施例中，连接层46、U型折叠梁32、U型折叠梁32的第一连接端36和第二连接端38以及质量块10可以为一体结构，都是通过刻蚀SOI衬底的顶硅层形成。

在上述实施例中，还可以包括：位于所述第一支撑结构40上的焊盘50，所述焊盘50用于通过电引线(图未示出)与压电驱动块34电连接，这样，通过焊盘50为不同的压电驱动块34提供驱动电压。

在本申请另一些实施例中，还可以包括第二支撑结构70以及另一些驱动单元对，该第二支撑结构70用于另一些驱动单元对中的U型折叠梁32的固定，参考图6、图6A和图7、图7A所示，同前述实施例，这些驱动单元对通过驱动单元(30-3/30-4)中的第一连接端36和第二连接端38分别固定于第一支撑结构40和第二支撑结构70上，这些驱动单元对的结构、设置及排布方式与和质量块10固定的那些驱动单元对具有相同的结构、设置及排布方式。

这些驱动单元对包括相对于第一轴呈对称分布的一对驱动单元(20-3或20-3、40-4)，每个驱动单元20-3/20-4包括相对于第二轴呈对称分布的一对驱动臂(30-i，i从1至16)，每个驱动臂(30-i)包括U型折叠梁32、所述U型折叠梁32的每条横梁上的多个压电驱动块34以及与所述U型折叠梁的自由端固定的第一连接端36和第二连接端38，所述U型折叠梁32包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述第一轴为所述第一对称轴X或第二对称轴Y中的一个，所述第二轴为所述第一对称轴X或第二对称轴Y中的另一个；其中，这些驱动单元对通过其中的第一连接端36和所述第二连接端38分别固定至第一支撑结构40和第二支撑结构70，U型折叠梁32沿第一轴方向延伸且所述第一连接端36和所述第二连接端38靠近所述第二轴分布，固定于第二支撑结构的驱动单元对的活动空间为第一支撑结构40和第二支撑结构70之间的第二空腔80。

在这些实施例中，第二支撑结构70包围第一支撑结构40，第二支撑结构包括连接层76以及层叠于所述连接层76下的支撑层73、72，固定于第二支撑结构70的驱动单元对的活动空间为由第一支撑结构40的支撑层43、42和第二支撑结构70的支撑层73、72所围成的第二空腔80，第二空腔80可以通过释放SOI衬底的埋氧层和底硅层形成。

在上述实施例中，还可以包括：位于所述第一支撑结构40和或第二支撑结构70上的焊盘50，所述焊盘50用于通过电引线(图未示出)与压电驱动块34电连接，这样，通过焊盘50为不同的压电驱动块34提供驱动电压。

在这些实施例中，通过增加另一些驱动单元对，通过这些驱动单元对可以驱动第一支撑结构40的运动，进而，使得与第一支撑结构40连接的驱动单元对具有更大的驱动力，从而，使得微镜具有更大的转角。

对于上述的实施例，对于驱动臂30中的U型折叠梁32，其每个U型结构的两个横梁上的压电块沿横梁方向呈对称分布，同时，每条横梁两侧的压电块具有基本相同的有效面积，横梁方向上呈对称分布可以使得U型结构的两条横梁能够提供基本相同的驱动力，而横梁两侧具有基本相同的有效面积是指，压电驱动块提供压电驱动力的有效面积基本相同，可以通过垂直横梁方向上压电驱动块的对称设置来实现，即每条横梁两侧的压电驱动块呈对称分布，也可以通过垂直横梁方向上两侧设置不同面积和数量的压电驱动块来实现，具体的，一侧的压电驱动块设置更大的有效面积，而另一相对侧设置更多压电驱动块，而这些压电驱动块的总有效面积与相对侧具有更大的压电驱动块的有效面积基本相同来实现。通过U型折叠梁32中U型结构上压电驱动块的对称设置，可以保证两条横梁以及每条横梁两侧的驱动力的基本相同，这样，通过控制不同压电驱动块的不同驱动方向，使得U型折叠梁的悬挂端垂直方向上的运动，避免由于压变驱动导致的镜面水平方向的位移，进一步增大微镜扫描角度，并增强系统稳定性。

以上对本申请实施例的微镜的结构进行了描述，为了更好地理解本申请技术方案和技术效果，以下将对具体的实施例的结构以及转动原理进行详细的描述。

首先对驱动臂的运动原理进行说明。

在驱动单元20中，每个驱动臂30中的U型折叠梁30可以包括一个或多个的U型结构，以下以U型结构上设置4块压电驱动块为例，对U型折叠梁30的运动原理进行描述。

参考图2所示，驱动臂30中的U型折叠梁32包括一个U型结构，与质量块16连接的第一连接端36的那条横梁上设置第一压电驱动块34-1和第二压电驱动块34-2，另一横梁上设置第三压电驱动块34-3和第四压电驱动块34-4，这些压电驱动块沿横梁延伸方向以及与横梁延伸方向垂直的方向都呈对称分布。

参考图2A所示，在第一压电驱动块34-1和第二压电驱动块34-2、第三压电驱动块34-3和第四压电驱动块34-4上分别提供驱动电压为V-、V+、V+、V-，V-、V+代表电压值相同但极性相反的驱动电压，这样，V-、V+对应的压电驱动块将提供大小基本相同且方向相反的驱动力，参考图2A所示，在与质量块10连接的固定端即第一连接端36将向上运动，其向上运动导致该横梁变形后在横向上缩短，而第一连接端36对应的悬挂端向下压，从而抵消了该横梁在横向上的缩短；同样地，与第一支撑结构连接的固定端将向下运动，其向下运动导致变形后在横向的缩短，而该第二连接端的固定端对应的悬挂端则向上拉，从而抵消了该横梁在横向上的缩短，这样，在这样的驱动力下，使得整个驱动臂30仅在垂直方向向上移动，而没有镜平面方向上的位移。

参考2B所示，在第一压电驱动块34-1和第二压电驱动块34-2、第三压电驱动块34-3和第四压电驱动块34-4上分别提供驱动电压为V+、V-、V-、V+，V-、V+代表电压值相同但极性相反的驱动电压，同上述同样的原理，在该驱动电压提供的驱动力下，使得整个U型折叠梁30仅在垂直方向向下移动，而没有镜平面方向上的位移。

参考图3所示，驱动臂30中的U型折叠梁32包括多个U型结构，每个U型结构采用相同的压电驱动块的分布方式，这样，参考图2A所示，在第一压电驱动块34-1和第二压电驱动块34-2、第三压电驱动块34-3和第四压电驱动块34-4上分别提供驱动电压为V-、V+、V+、V-，这样，在该驱动电压提供的驱动力下，每个U型结构仅在垂直方向向上移动，使得整个U型折叠梁30仅在垂直方向向上移动，而没有镜平面方向上的位移。同样地，通过将第一压电驱动块34-1和第二压电驱动块34-2、第三压电驱动块34-3和第四压电驱动块34-4上分别提供驱动电压为V+、V-、V-、V+，在该驱动电压提供的驱动力下，每个U型结构仅在垂直方向向下移动，使得整个驱动臂30仅在垂直方向向上移动，而没有镜平面方向下的位移。通过合理设置U型折叠梁32中U型结构的数量，可以控制所能提供的驱动力大小，使得微镜具有所需的合适转角。

基于上述的各驱动臂的运动原理，可以通过控制各驱动臂的运动，可以使得质量块绕第一或第二对称轴转动。

实施例一

参考图1所示，在该实施例一中，在质量块10周围设置有一个驱动单元对。该实施例中，可以实现微镜的双轴驱动。

在该实施例中，参考图1所示，驱动单元对可以包括沿第二对称轴Y对称分布的一对驱动单元20，当然也可以包括沿第一对称轴X对称分布的一对驱动单元20，即本实施例中，该第一轴可以为第一对称轴X，第二轴可以为第二对称轴Y；该第一轴可以为第二对称轴Y，第二轴可以为第一对称轴X。

参考图4所示，为了便于描述，将该一个驱动单元对中的驱动臂分别记做第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4，在一些应用中，参考图4中(A)所示，通过控制不同压电驱动块的驱动电压，使得这些第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4在质量块10侧的第一连接端分别向上、向上、向下、向下驱动，或者分别向下、向下、向上、向上驱动，可以使得质量块10绕第二对称轴Y转动，即微镜绕第二对称轴Y转动。

在另一些应用中，参考图4中(B)所示，使得这些第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4在质量块10侧的第一连接端分别向上、向下、向上、向下驱动，或者分别向下、向上、、向上、向下驱动，可以使得质量块10绕第一对称轴X转动，即微镜绕第一对称轴X转动。

实施例二

参考图5所示，在该实施例中，在质量块10周围设置有两个驱动单元对。该实施例中，可以实现微镜的单轴驱动或双轴驱动。

参考图5所示，驱动单元对为两对，为了便于描述，记做第一驱动单元对和第二驱动单元对，第一驱动单元对包括关于第二对称轴Y对称分布的一对驱动单元20-1，对于该驱动单元对，其第一轴为第二对称轴Y；第二驱动单元对包括关于第一对称轴X对称分布的一对驱动单元20-2，其第一轴为第一对称轴X。

为了便于描述，将驱动单元对中的驱动臂分别记做第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4、第五驱动臂30-5、第六驱动臂30-6、第七驱动臂30-7和第八驱动臂30-8，通过控制不同驱动臂在质量块10侧的第一连接端处的驱动方向，可以实现单轴或双轴的驱动。

在一些应用中，可以进行双轴驱动，可以仅利用一对驱动单元对进行驱动，可以将第一驱动臂30-1、第三驱动臂30-3向上驱动，而将第二驱动臂30-2、第四驱动臂30-4向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

可以将第五驱动臂30-5、第七驱动臂30-7向上驱动，第六驱动臂30-6、第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第二转动轴Y的转动。

在一些应用中，可以进行单轴驱动，可以利用两对驱动单元对进行驱动，实现大角度的单轴驱动，可以将第一驱动臂30-1、第三驱动臂30-3、第五驱动臂30-5、第六驱动臂30-6向上驱动，第二驱动臂30-2、第四驱动臂30-4、第七驱动臂30-7和第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

在另一些应用中，可以进行单轴驱动，可以利用两对驱动单元对进行驱动，实现大角度的单轴驱动，将第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第五驱动臂30-5、第七驱动臂30-7向上驱动，将第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4、第六驱动臂30-6、第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第二转动轴Y的转动。

这样，该实施例可以满足更多转动方向以及转动角度的不同需求，该结构具有更好的应用灵活性以及广泛性。

实施例三

参考图6所示，在该实施例中，在质量块10周围设置有一个驱动单元对，在第一支撑结构40之外还设置有一个驱动单元对。该实施例中，可以实现微镜的单轴驱动或双轴驱动。

参考图6所示，驱动单元对为两对，为了便于描述，记做第一驱动单元对和第二驱动单元对，第一驱动单元对连接质量块10，包括关于第二对称轴Y对称分布的一对驱动单元20-1，对于该驱动单元对，其第一轴为第二对称轴Y；第二驱动单元对连接于第一支撑结构和第二支撑结构，包括关于第一对称轴X对称分布的一对驱动单元20-3，其第一轴为第一对称轴X。

为了便于描述，将驱动单元对中的驱动臂分别记做第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4、第五驱动臂30-5、第六驱动臂30-6、第七驱动臂30-7和第八驱动臂30-8，通过控制不同驱动臂在质量块10侧的第一连接端处的驱动方向，可以实现单轴或双轴的驱动。

在一些应用中，可以进行双轴驱动，可以仅利用一对驱动单元对进行驱动，可以将第一驱动臂30-1、第三驱动臂30-3向上驱动，而将第二驱动臂30-2、第四驱动臂30-4向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

可以将第五驱动臂30-5、第七驱动臂30-7向上驱动，第六驱动臂30-6、第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第二转动轴Y的转动。

在一些应用中，可以进行单轴驱动，可以利用两对驱动单元对进行驱动，实现大角度的单轴驱动，可以将第一驱动臂30-1、第三驱动臂30-3、第五驱动臂30-5、第六驱动臂30-6向上驱动，第二驱动臂30-2、第四驱动臂30-4、第七驱动臂30-7和第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

在另一些应用中，可以进行单轴驱动，可以利用两对驱动单元对进行驱动，实现大角度的单轴驱动，将第一驱动臂30-1、第二驱动臂30-2、第五驱动臂30-5、第七驱动臂30-7向上驱动，将第三驱动臂30-3、第四驱动臂30-4、第六驱动臂30-6、第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第二转动轴Y的转动。

这样，该实施例可以满足更多转动方向以及转动角度的不同需求，该结构具有更好的应用灵活性以及广泛性。

实施例四

参考图7所示，在该实施例中，在质量块10周围设置有两个驱动单元对，在第一支撑结构40之外还设置有两个驱动单元对。该实施例中，可以实现微镜的大角度的内轴或外轴驱动。

参考图7所示，驱动单元对为四对，为了便于描述，记做第一驱动单元对、第二驱动单元对和第三驱动单元对、第四驱动单元对，第一驱动单元对和第二驱动单元对连接质量块10，包括关于第二对称轴Y对称分布的一对驱动单元20-1，对于该驱动单元对其第一轴为第二对称轴Y；以及关于第一对称轴X对称分布的一对驱动单元20-2，对于该驱动单元对其第一轴为第一对称轴X。

第三驱动单元对和第四驱动单元对连接于第一支撑结构40和第二支撑结构70之间，第三驱动单元对包括关于第二对称轴Y对称分布的一对驱动单元20-3，对于该驱动单元对其第一轴为第二对称轴Y；以及关于第一对称轴X对称分布的一对驱动单元20-4，对于该驱动单元对其第一轴为第一对称轴X。

在一些应用中，可以实现大角度的内轴驱动，可以利用与质量块连接的第一驱动单元对、第二驱动单元对进行内轴大角度驱动，可以将第一驱动臂30-1、第三驱动臂30-3、第五驱动臂30-5、第六驱动臂30-6向上驱动，第二驱动臂30-2、第四驱动臂30-4、第七驱动臂30-7和第八驱动臂30-8向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

在另一些应用中，可以实现大角度的外轴驱动，可以利用第三驱动单元对、第四驱动单元对进行外轴大角度驱动，可以将第九驱动臂30-9、第十一驱动臂30-11、第十三驱动臂30-13、第十四驱动臂30-14向上驱动，第十驱动臂30-10、第十二驱动臂30-12、第十五驱动臂30-15、第十六驱动臂30-16向下驱动，则可以实现微镜绕第一转动轴X的转动。

该实施例中，具有更多的驱动臂连接，可以实现更大角度的驱动，同时该结构具有较大的刚度与谐振频率，保证微镜结构具有好的抗震性能。

此外，本申请还提供了微镜的制造方法，以下结合实施例及制造过程中的附图8-13对其制造方法进行详细说明，其中附图8-13为图1中的微镜形成过程中沿AA方向的剖视图。

在步骤S01，提供SOI衬底100，所述SOI衬底100包括依次层叠的底硅层101、埋氧层102以及顶硅层103，参考图8所示。

在本实施例中，可以采用SOI衬底来形成该微镜，其中，顶硅层103可以用于形成质量块以及折叠梁等结构，埋氧层102以及顶硅层103可以用于空腔的形成。

在步骤S02，在所述顶硅层103中形成凸块12以及凸块12周围的硅薄层110，所述凸块12上表面用于支撑镜面反射层，参考图9所示。

可以采用刻蚀技术，例如干法或湿法刻蚀，对顶硅层103进行图形化，通过刻蚀去除部分厚度的顶硅层103，来形成凸块以及凸块12周围的硅薄层110，在具体的应用中，凸台的高度即凸出硅薄层的高度可以为5-50μm，硅薄层的高度可以为1-10μm。

在步骤S03，在所述硅薄膜110上形成压电驱动块34，所述压电驱动块34与所述硅薄膜110之间形成有绝缘层31，参考图10所示。

可以依次进行绝缘材料以及压电驱动块各膜层的生长，绝缘材料例如可以为氧化硅，绝缘材料的厚度可以为0.1-2μm，压电驱动块的各膜层包括由下至上依次层叠的下电极、压电薄膜以及上电极，压电薄膜的厚度范围可以为0.1-30μm。

而后，对压电驱动块各膜层以及绝缘材料进行图案化，依次进行上电极、压电薄膜、下电极以及绝缘材料的刻蚀，从而，形成压电驱动块34以及其下的绝缘层31。

而后，还可以生长钝化层，并进行图形化，实现开口电连接，钝化层例如可以为氧化硅或氮化硅或他们的组合。

在步骤S04，通过图案化所述硅薄膜110，形成U型折叠梁32、凸块底部的外缘14、所述U型折叠梁32的自由端处的第一连接端36和第二连接端38以及第一连接层46，其中，所述凸块12与凸块底部的外缘14构成质量块10，所述质量块10的顶表面内具有相互正交的第一对称轴和第二对称轴；所述U型折叠梁32位于所述压电驱动块34之下且所述U型折叠梁32的每条横梁上设置有多个压电驱动块34，所述U型折叠梁32包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述U型折叠梁32、压电驱动块34以及所述第一连接端36和第二连接端38构成驱动臂30，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的一个呈对称分布的一对驱动臂30构成驱动单元20，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的另一个呈对称分布的一对驱动单元20构成驱动单元对；所述第一连接层46包围所述质量块10以及驱动单元对，所述第一连接端36和所述第二连接端38分别与所述外缘14以及所述第一连接层46连接，参考图1及图11所示。

在该步骤中，通过图案化硅薄膜110，可以利用干法刻蚀去除硅薄膜中不需要的硅材料，图案化之后，一次形成U型折叠梁32、凸块底部的外缘14、所述U型折叠梁32的自由端处的第一连接端36和第二连接端38以及第一连接层46，且这些结构为一体结构。

此外，在该步骤中，还可以同时形成第二连接层76，参考图7和图7A所示，则，其中一部分驱动单元对形成在质量块10与第一连接层46之间，另一部分驱动单元对形成在第一连接层46与第二连接层76之间，具体的，所述第一连接层46包围所述质量块10以及部分驱动单元对，部分驱动单元对的所述第一连接端36和所述第二连接端38分别与所述外缘14以及所述第一连接层46连接；其中，所述第二连接层76包围所述第一连接层46以及另一部分驱动单元对，另一部分驱动单元对的所述第一连接端36和所述第二连接端38分别与所述第一连接层46以及所述第二连接层48。

通过图案化硅薄膜110，使得部分驱动单元对的所述第一连接端36和所述第二连接端38、所述外缘14以及所述第一连接层46为一体连接结构，另一部分驱动单元的所述第一连接端36和所述第二连接端38、所述第一连接层46以及所述第二连接层48为一体连接结构。

之后，可以在质量块10的凸台12上形成镜面反射层16，当然，该镜面反射层16也可以在其他步骤之后形成，例如可以在后续形成空腔之后形成。

而后，可以在上述形成的结构之上覆盖保护层120，参考图12所示。该保护层120在后续释放SOI衬底背面的过程中，起到保护已形成的器件结构的作用。该保护层120例如可以为光刻胶、SU8材料等。

在步骤S05，去除所述质量块10以及驱动单元对下方的埋氧层102以及底硅层101，以形成第一空腔60，第一连接层46下的埋氧层43以及底硅层42为第一支撑层，所述第一支撑层与所述第一连接层46构成第一支撑结构40，参考图13所示。

在该步骤中，进行质量块以及驱动单元对的释放，在第一连接层的外围还形成有另外一些驱动单元对时，同时进行外围驱动单元对的释放。在释放时，去除所述质量块10以及部分驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第一空腔60，进一步，还可以去除另一部分驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第二空腔80，参考图7和图7A所示，第二连接层76下的埋氧层73以及底硅层72为第二支撑层，所述第二支撑层与所述第二连接层73构成第二支撑结构70。之后，可以将保护层120去除，从而完成驱动单元对以及质量块的释放。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其具有与结构实施例相同的部分，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (19)

1.一种微镜，其特征在于，包括：

质量块，所述质量块的第一表面内具有相互正交的第一对称轴和第二对称轴；

所述质量块的第一表面上的镜面反射层，所述质量块包括凸块以及凸块底部周围的外缘，所述镜面反射层设置于所述凸块的第一表面之上，所述凸块用于承载镜面反射层，所述凸块底部周围的外缘与第一连接端连接；

第一支撑结构；

驱动单元对，所述驱动单元对包括相对于第一轴呈对称分布的一对驱动单元，每个驱动单元包括相对于第二轴呈对称分布的一对驱动臂，每个驱动臂包括U型折叠梁、所述U型折叠梁的每条横梁上的多个压电驱动块以及与所述U型折叠梁的自由端固定的第一连接端和第二连接端，所述U型折叠梁包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述第一轴为所述第一对称轴或第二对称轴中的一个，所述第二轴为所述第一对称轴或第二对称轴中的另一个；

其中，所述驱动单元对通过U型折叠梁的所述第一连接端和所述第二连接端分别固定至所述质量块和所述第一支撑结构，所述U型折叠梁沿第一轴方向延伸且所述第一连接端和所述第二连接端靠近所述第二轴分布；沿垂直于所述第一表面方向所述驱动单元对及所述质量块具有活动空间。

2.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述驱动单元对为多个，还包括第二支撑结构，部分所述驱动单元对通过其中的所述第一连接端和所述第二连接端分别固定至所述质量块和所述第一支撑结构，另一部分所述驱动单元对通过其中的所述第一连接端和所述第二连接端分别固定至所述第一支撑结构和所述第二支撑结构，固定于第二支撑结构的驱动单元对的活动空间为所述第一支撑结构和所述第二支撑结构之间的第二空腔。

3.根据权利要求2所述的微镜，其特征在于，所述第二支撑结构包围所述第一支撑结构，所述第二支撑结构包括连接层以及层叠于所述连接层下的支撑层。

4.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述第一支撑结构包括包围所述质量块的连接层以及层叠于所述连接层下的支撑层，固定于所述质量块的驱动单元对的活动空间为位于所述质量块之下、由第一支撑结构的所述支撑层所围成的第一空腔，所述第一支撑结构的连接层与所述第二连接端连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的微镜，其特征在于，每个所述U型结构的两条横梁上的压电驱动块沿横梁方向呈对称分布，每条横梁两侧的压电驱动块具有基本相同的有效面积。

6.根据权利要求5所述的微镜，其特征在于，每条横梁两侧的压电驱动块呈对称分布。

7.根据权利要求4所述的微镜，其特征在于，所述连接层、所述U型折叠梁、所述第一连接端、所述第二连接端以及所述质量块为一体结构。

8.根据权利要求7所述的微镜，其特征在于，所述一体结构为硅材料，所述压电驱动块与所述U型折叠梁之间还设置有绝缘层。

9.根据权利要求7所述的微镜，其特征在于，所述支撑层包括由上至下依次层叠的埋氧层以及硅层。

10.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述质量块为单晶硅，所述质量块的厚度范围为10-100μm。

11.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述凸块第一表面的形状为方形、圆形或椭圆形。

12.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，还包括：位于所述第一支撑结构上的焊盘，所述焊盘用于通过电引线与所述压电驱动块电连接。

13.根据权利要求2所述的微镜，其特征在于，还包括：位于所述第一支撑结构或所述第二支撑结构上的焊盘，所述焊盘用于通过电引线与所述压电驱动块电连接。

14.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述压电驱动块的压电薄膜的材料包括PZT、氮化铝或氧化锌中的一种或他们的组合。

15.根据权利要求1所述的微镜，其特征在于，所述压电驱动块的压电薄膜的厚度范围为0.1-30μm。

16.一种微镜的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供SOI衬底，所述SOI衬底包括依次层叠的底硅层、埋氧层以及顶硅层；

在所述顶硅层中形成凸块以及凸块周围的硅薄层，所述凸块上表面用于支撑镜面反射层；

在所述硅薄层上形成压电驱动块，所述压电驱动块与所述硅薄层之间形成有绝缘层；

通过图案化所述硅薄层，形成U型折叠梁、凸块底部的外缘、所述U型折叠梁的自由端处的第一连接端和第二连接端以及第一连接层，其中，所述凸块与凸块底部的外缘构成质量块，所述质量块的顶表面内具有相互正交的第一对称轴和第二对称轴；所述U型折叠梁位于所述压电驱动块之下且所述U型折叠梁的每条横梁上设置有多个压电驱动块，所述U型折叠梁包括一个或多个依次连接的U型结构，所述U型结构的横梁呈对称分布，所述U型折叠梁、压电驱动块以及所述第一连接端和第二连接端构成驱动臂，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的一个呈对称分布的一对驱动臂构成驱动单元，沿所述第一对称轴或第二对称轴中的另一个呈对称分布的一对驱动单元构成驱动单元对；所述第一连接层包围所述质量块以及驱动单元对，所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述外缘以及所述第一连接层连接；

去除所述质量块以及驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第一空腔，第一连接层下的埋氧层以及底硅层为第一支撑层，所述第一支撑层与所述第一连接层构成第一支撑结构。

17.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，在所述通过图案化所述硅薄层的步骤中，还包括：形成第二连接层；则，

所述第一连接层包围所述质量块以及驱动单元对，所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述外缘以及所述第一连接层连接，包括：

所述第一连接层包围所述质量块以及部分驱动单元对，部分驱动单元对的所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述外缘以及所述第一连接层连接；

其中，所述第二连接层包围所述第一连接层以及另一部分驱动单元对，另一部分驱动单元对的所述第一连接端和所述第二连接端分别与所述第一连接层以及所述第二连接层连接；

去除所述质量块以及驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第一空腔，包括：

去除所述质量块以及部分驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第一空腔；

还包括：

去除另一部分驱动单元对下方的埋氧层以及底硅层，以形成第二空腔，第二连接层下的埋氧层以及底硅层为第二支撑层，所述第二支撑层与所述第二连接层构成第二支撑结构。

18.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，在图案化所述硅薄层之后，还包括：

在所述第一连接层上形成焊盘，所述焊盘用于通过电引线与所述压电驱动块电连接。

19.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，在去除所述质量块以及驱动单元对下方的埋氧层以及顶硅层之前，还包括：

在SOI衬底上表面之上覆盖保护层。

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