CN111399215A - 一种电磁驱动式mems微镜及其制作方法 - Google Patents

一种电磁驱动式mems微镜及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁驱动式MEMS微镜，包括透明的上盖、导热的基座、微镜以及螺线管，上盖盖设于基座上表面，并与基座围成真空的空腔，微镜固定并容纳于空腔内，包括框架、反射镜以及磁铁，反射镜固定在框架内，螺线管固定在基座内且顶端与反射镜间隔设置，磁铁固定在反射镜背面，用于在通电的螺线管的作用下，带动反射镜相对于框架发生扭转。本发明的电磁驱动式MEMS微镜，由于微镜芯片上集成的驱动器为磁铁，并不产生热量，MEMS微镜仍然可以采用真空式的封装结构，既能快速散热，又能有效避免真空封装方式影响器件的正常工作带来的发热问题，而且不需要在真空腔室内进行电连接，因此不会影响封装置的气密性，有利于电磁驱动式MEMS微镜性能的提升。

Description

一种电磁驱动式MEMS微镜及其制作方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种电磁驱动式MEMS微镜及其制作方法。
背景技术
在基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)微镜技术的固态激光雷达中，通常包括采用同轴和非同轴光路这两种方式来进行远距离处目标物的探测，而同轴扫描中由于发射光和接收光均经过MEMS微镜，这将要求MEMS微镜具有较大的镜面。然而由于大镜面微镜自身具有较大的惯性量，需要更大的驱动力来使微镜达到较大的扫描视角，目前市场上较为成熟的大口径振镜的有效直径不超过8mm。
为了得到满足远距离测距要求的大尺寸振镜，真空封装是一个重要的解决方法。现有MEMS扫描微镜的电磁驱动技术中，由于一组或者多组闭合线圈是集成在MEMS微镜的可动芯片上，真空状态下，虽然振镜运动时的阻尼很小，能量利用率得以显著提高，然而真空绝热的环境下线圈产生的热量将难以传递转移出去，不利于结构的散热，随着热量不断累积会对芯片的本征频率产生影响，甚至长期高温环境会导致器件结构的失效。同时，封装时需要考虑MEMS器件上的电学信号与外部电信号的连接通道，容易造成气密性变差的封装效果，因此阻碍了电磁式MEMS微镜的真空封装技术的应用。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种电磁驱动式MEMS微镜及其制作方法，MEMS微镜采用真空式的封装结构，并且能够有效避免真空封装方式对器件正常工作带来的发热问题，且真空腔室内不需要进行电连接，不会影响封装气密性。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种电磁驱动式MEMS微镜，包括透明的上盖、导热的基座、微镜以及螺线管，所述上盖盖设于所述基座上表面，并与所述基座围成真空的空腔，所述微镜固定并容纳于所述空腔内，包括框架、反射镜以及磁铁，所述反射镜固定在所述框架内，所述螺线管固定在所述基座内且顶端与所述反射镜间隔设置，所述磁铁固定在所述反射镜背面，用于在通电的所述螺线管的作用下，带动所述反射镜相对于所述框架发生扭转。
作为其中一种实施方式，所述上盖内表面凹陷形成第一凹槽，所述微镜容纳于所述第一凹槽内。
作为其中一种实施方式，所述基座包括贯穿其厚度方向的螺线管固定孔，所述螺线管固定在所述螺线管固定孔内。
作为其中一种实施方式，所述电磁驱动式MEMS微镜还包括导热胶，所述导热胶填充在所述螺线管固定孔内并包裹所述螺线管。
作为其中一种实施方式，所述基座上表面凹陷形成一圈环形的第二凹槽，所述第二凹槽与所述反射镜的轮廓边缘正对设置。
作为其中一种实施方式，所述螺线管、所述磁铁均为多个，所述微镜的扭转轴向的两侧各设有至少一个所述磁铁。
作为其中一种实施方式，所述电磁驱动式MEMS微镜还包括PCB板(PrintedCircuit Board，即印刷电路板)和下基板，所述PCB板贴合于所述基座底部，且所述螺线管的两个引脚分别连接所述PCB板，所述下基板贴合于所述PCB板的底面。
作为其中一种实施方式，所述上盖与所述基座键合。
本发明的另一目的在于提供一种电磁驱动式MEMS微镜的制作方法，包括：
提供一微镜，所述微镜包括框架、反射镜以及固定在所述反射镜背面的磁铁；
提供一导热的基座，将螺线管固定并密封在所述基座中；
将所述微镜固定到所述基座上表面，使所述框架固定在所述基座上，所述反射镜背面朝向所述基座；
在所述基座上贴合透明的上盖，将所述所述微镜封闭在所述上盖与所述基座围成的空腔内；
将所述上盖、所述基座、所述微镜、所述螺线管放入具有一定真空度和保护气氛的空腔环境内，将所述上盖与所述基座进行密封键合。
作为其中一种实施方式，所述电磁驱动式MEMS微镜的制作方法还包括：在所述基座下方依次固定PCB板和下基板，使所述螺线管的两个引脚分别连接所述PCB板，并使所述下基板固定地贴合于所述PCB板的底面。
本发明的电磁驱动式MEMS微镜，由于微镜芯片上集成的驱动器为磁铁，并不产生热量，MEMS微镜仍然可以采用真空式的封装结构，既能快速散热，又能有效避免真空封装方式影响器件的正常工作带来的发热问题，而且不需要在真空腔室内进行电连接，因此不会影响封装置的气密性，有利于电磁驱动式MEMS微镜性能的提升。
附图说明
图1为本发明实施例的一种MEMS微镜的透视结构示意图；
图2为本发明实施例的一种基座与垫片的立体结构示意图；
图3为本发明实施例的MEMS微镜的其中一个封装步骤示意图；
图4为本发明实施例的MEMS微镜的另一个封装步骤示意图；
图5为本发明实施例的螺线管与PCB板的信号连接示意图；
图6为本发明实施例的一种MEMS微镜的制作方法的流程示意图；
图中标号说明如下：
10-上盖；20-基座；30-微镜；31-框架；32-反射镜；33-磁铁；40-螺线管；50-PCB板；60-下基板；100-第一凹槽；200-螺线管固定孔；300-第二凹槽；401、402-引脚；501、502-焊盘；600-FPC信号连接端口；D-垫片；D1-固定孔；D2-避位孔。
具体实施方式
在本发明中，术语“设置”、“设有”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。术语“第一”“第二”“第三”也仅仅用于区分不同的对象，并不代表任何顺序关系。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1，为本发明实施例的一种MEMS微镜的透视结构示意图。
本发明实施例提供了一种电磁驱动式MEMS微镜，包括透明的上盖10、导热的基座20、微镜30以及螺线管40，上盖10盖设于基座20上表面，并与基座20围成真空的空腔，微镜30固定并容纳于空腔内，包括框架31、反射镜32以及磁铁33，反射镜32固定在框架31内，螺线管40固定在基座20内且顶端与反射镜32间隔设置，磁铁33固定在反射镜32背面，用于在通电的螺线管40的作用下，带动反射镜32相对于框架31发生扭转。
具体地，上盖10可以采用石英玻璃等透光材料制作，可用来保护微镜的镜面，同时也实现防水防尘等效果。基座20为导热性能好、气密性高的材料，例如金属、陶瓷等材料，可以快速地将螺线管40工作过程中产生的热量散发出去。制作微镜30的材料可以是单晶硅、SOI、金属等材料，但并不限于此。
本实施例中，螺线管40、磁铁33均为4个，4个磁铁33两两对称地分别位于微镜30的两对扭转轴的轴向的两相对侧，即，反射镜32的第一扭转轴的两侧分别设有一个磁铁33，反射镜32的第二扭转轴的两侧分别设有一个磁铁33，第一扭转轴与第二扭转轴相互垂直，从而实现微镜的二维扫描。可以理解的是，本实施例的结构也可以用于一维微镜中，只需在一维微镜的扭转轴轴向的两侧分别设计磁铁33即可，螺线管40设置在对应的磁铁33的下方，且与磁铁33在同一轴线上。而且，扭转轴轴向的每侧的螺线管40、磁铁33的数量均可以设计为多个，只需保证微镜30的扭转轴向的两侧各设有至少一个磁铁33与下方的至少一个螺线管40对应即可。
微镜30的框架31可以固定在基座20上，也可以固定在上盖10上，本实施例中，优选框架31通过紧固件固定在下方的基座20上，上盖10也通过紧固件固定在下方的基座20上。
结合图2所示，基座20上用于固定上盖10的部位位于外围区域，用于固定框架31的部位位于外围区域内侧，使得微镜30的反射镜32位于基座20的中间区域。
反射镜32包括朝向上盖10的反射面和朝向基座20的背面，该磁铁33可以选用永久性强磁铁，具有使用寿命长、工作温度高等优点，磁铁33可以通过粘贴等方式固定到反射镜32的背面。当电磁驱动式MEMS微镜组装完成后，基座20内的螺线管40的顶端正对上方的磁铁33，通过对螺线管40底端施加一定频率和幅值的交流信号后，螺线管40即可相应地对反射镜32上的磁铁33产生磁力，通过改变交流信号的参数，即可选择性地对磁铁33施加吸引力和排斥力，从而带动微镜的反射镜32相对于框架31发生扭转。当输入信号的频率和微镜扭转模态的本征频率一致时，微镜会产生共振，从而实现最大的扭转角度。微镜的共振频率可以通过改变磁铁33的大小、厚度来调整。
由于本发明的MEMS微镜的可动芯片上固定的是不产生热量的磁铁，通过将磁铁随微镜固定在真空的空腔内，而将发热的螺线管集成在导热性能较好的基座中，基本消除了真空绝热环境下的热量转移过程，可以忽略热量累积对于微镜芯片的本征频率的影响，提高了结构的性能，降低了微镜的反射镜运动过程中受到的阻尼，尤其使得大尺寸反射镜在相同的驱动功耗下实现更大的光学扫描角。同时，由于螺线管集成在基座中，通过将其另一端伸出基座，即可与PCB板导通连接，封装时无需考虑MEMS器件上的电学信号与外部电信号的连接通道问题，保证了MEMS微镜的封装气密性，因此实现了电磁式MEMS微镜的真空封装。
可以理解的是，微镜30容纳于上盖10与基座20围成空腔内，反射镜32与上盖10之间、反射镜32与基座20之间均具有一定的间隔，以保证反射镜32具有适当的扭转空间。具体地，本实施例在上盖10的内表面凹陷形成第一凹槽100，微镜30容纳于第一凹槽100内，并在基座20的上表面凹陷形成一圈环形的第二凹槽300，第二凹槽300与反射镜32的轮廓边缘正对设置。基座20上还开设有贯穿其厚度方向的螺线管固定孔200，螺线管40固定在螺线管固定孔200内，导热胶填充在螺线管固定孔200内并包裹螺线管40，从而使得基座20与螺线管40结合的部位和螺线管固定孔200被密封，上盖10与基座20之间的空腔仍能实现可靠的真空度。
这里，环形的第二凹槽300的形状与反射镜32的形状匹配，例如，当反射镜32为圆形时，第二凹槽300为圆环形，当反射镜32为椭圆形时，第二凹槽300为椭圆环形，当反射镜32为多边形时，第二凹槽300围成的区域呈为多边形。由于第二凹槽300与第一凹槽100的存在，反射镜32的偏转空间可以更大。
结合图2所示，框架31除了通过紧固件固定在下方的基座20上外，还通过垫片D将框架31与基座20之间的间距增大。具体地，垫片D为片状结构，包括四周的固定孔D1和中间的避位孔D2，四周的固定孔D1用于供紧固件穿过而对垫片D进行水平限位，中间的避位孔D2与上方的反射镜32轮廓匹配且与反射镜32正对，用于供反射镜32偏转过程中嵌入，为反射镜32提供偏转空间，同时也不会遮挡下方的螺线管40。
组装微镜30时，具体是使紧固件先穿过框架31的一端，再穿过垫片的固定孔D1，最后将紧固件固定在基座20上，使垫片D位于框架31与基座20之间，为微镜30提供足够的扭转空间，反射镜可以实现更大的光学扫描角。垫片D为隔热材质，可以阻碍螺线管40产生的热量依次通过基座20和垫片传递给空腔。
如图5，为本发明实施例的螺线管与PCB板的信号连接示意图。结合图3～图5所示，为了实现螺线管40的驱动信号输入，PCB板50贴合并固定于基座20底部，例如，PCB板50通过螺纹紧固件或粘贴等方式固定在基座20底部，螺线管40底部的两个引脚401、402分别连接PCB板50上的两个焊盘501、502，两个引脚401、402分别通过电焊接的方式与底部的PCB板50相连，实现信号的输入和输出，通过PCB板50对螺线管40输入驱动信号，即可实现对MEMS振镜的运动状态的控制。PCB板50底部还可设置有下基板60，下基板60固定于PCB板50的底面，将PCB板50贴合于基座20底部，基座20的一侧边缘可以开设通道，从PCB板50引出FPC(Flexible Printed Circuit，柔性线路板)信号连接端口600，以外接输入信号。优选地，采用导热硅脂填充下基板60与PCB板50之间的间隙，既可以促进螺线管产生热量的散发，同时也可以起到保护焊盘电连接、增强底部的PCB板的可靠性的作用。
通过将上盖10采用玻璃等材料制作，基座20采用金属、陶瓷等材料制作，可以在对空腔抽真空后，将上盖10与基座20采用焊料键合技术进行封装，封装工艺温度低、可靠性高。
另外，如图6所示，本发明相应地还提供了一种电磁驱动式MEMS微镜的制作方法，可以实现电磁驱动式MEMS微镜的真空封装，既能保证封装气密性，也消除了传统真空封装方式对器件正常工作带来的发热缺陷。该制作方法主要包括：
S01、提供一微镜30，微镜30包括框架31、反射镜32以及磁铁33，需要将磁铁33固定在反射镜32的背面。
S02、提供一导热的基座20，将螺线管40固定并密封在基座20中。
具体是，基座20上开设有贯穿其厚度方向的螺线管固定孔200，螺线管40固定在螺线管固定孔200内，导热胶填充在螺线管固定孔200内并包裹螺线管40，从而使得基座20与螺线管40结合的部位和螺线管固定孔200被密封，从而，螺线管固定孔200不影响上盖10与基座20之间的空腔的形成和密封性。基座20的上表面开设有一圈凹陷形成环形的第二凹槽300，以对应微镜30的轮廓线，增大微镜30的扭转空间。
S03、将微镜30固定到基座20上表面，使框架31固定在基座20上，反射镜32背面朝向基座20。
如图3所示，为微镜30固定到基座20后的部分截面状态的示意图。
具体是，利用紧固件将微镜30的框架31的四周固定在下方的基座20上，并在框架31与基座20之间设置垫片，使微镜30与基座20之间保持一定的间距而悬空。
S04、在基座20上贴合透明的上盖10，将微镜30封闭在上盖10与基座20围成的空腔内。
图4所示，为上盖10盖合到基座20后的透视状态示意图。
具体是，上盖10的内表面凹陷形成第一凹槽100，利用紧固件将上盖10固定在下方的基座20上。用于固定上盖10的紧固件位于上盖10的边缘、第一凹槽100四周，而用于固定微镜30的紧固件被上盖10的第一凹槽100罩设于其中。
S05、将上盖10、基座20、微镜30、螺线管40放入具有一定真空度和保护气氛的空腔环境内，将上盖10与基座20进行键合。
具体是，将组装好的微镜放入具有一定真空度和保护气氛的空腔环境内后，微镜30所在的空腔内部形成真空环境，上盖10与基座20的键合可以采用焊料键合技术进行封装，以保持内部的空腔的真空度。
需要说明的是，上述步骤S01、S02不分先后，可以分别进行后作为步骤S03的组装对象。
电磁驱动式MEMS微镜的PCB板50、下基板60的组装也可以在步骤S04中完成，具体是：在基座20上贴合透明的上盖10的同时，在基座20下方依次固定PCB板50和下基板60，并使螺线管40的两个引脚401、402分别连接PCB板50的对应的焊盘501、502，并使下基板60固定地贴合于PCB板50的底面，将PCB板50夹设于下基板60与基座20之间，下基板60与PCB板50之间的间隙采用导热硅脂填充。
综上所述，本发明的电磁驱动式MEMS微镜，由于微镜芯片上集成的驱动器为磁铁，并不产生热量，MEMS微镜仍然可以采用真空式的封装结构，既能快速散热，又能有效避免真空封装方式影响器件的正常工作带来的发热问题，而且不需要在真空腔室内进行电连接，因此不会影响封装置的气密性，有利于电磁驱动式MEMS微镜性能的提升，而且可以实现更大的反射镜转角。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，包括透明的上盖(10)、导热的基座(20)、微镜(30)以及螺线管(40)，所述上盖(10)盖设于所述基座(20)上表面，并与所述基座(20)围成真空的空腔，所述微镜(30)固定并容纳于所述空腔内，包括框架(31)、反射镜(32)以及磁铁(33)，所述反射镜(32)固定在所述框架(31)内，所述螺线管(40)固定在所述基座(20)内且顶端与所述反射镜(32)间隔设置，所述磁铁(33)固定在所述反射镜(32)背面，用于在通电的所述螺线管(40)的作用下，带动所述反射镜(32)相对于所述框架(31)发生扭转。
2.根据权利要求1所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，所述上盖(10)内表面凹陷形成第一凹槽(100)，所述微镜(30)容纳于所述第一凹槽(100)内。
3.根据权利要求2所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，所述基座(20)包括贯穿其厚度方向的螺线管固定孔(200)，所述螺线管(40)固定在所述螺线管固定孔(200)内。
4.根据权利要求3所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，还包括导热胶，所述导热胶填充在所述螺线管固定孔(200)内并包裹所述螺线管(40)。
5.根据权利要求3所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，所述基座(20)上表面凹陷形成一圈环形的第二凹槽(300)，所述第二凹槽(300)与所述反射镜(32)的轮廓边缘正对设置。
6.根据权利要求1所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，所述螺线管(40)、所述磁铁(33)均为多个，所述微镜(30)的扭转轴向的两侧各设有至少一个所述磁铁(33)。
7.根据权利要求1～6任一所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，还包括PCB板(50)和下基板(60)，所述PCB板(50)贴合于所述基座(20)底部，且所述螺线管(40)的两个引脚分别连接所述PCB板(50)，所述下基板(60)贴合于所述PCB板(50)的底面。
8.根据权利要求7所述的电磁驱动式MEMS微镜，其特征在于，所述上盖(10)与所述基座(20)键合。
9.一种电磁驱动式MEMS微镜的制作方法，其特征在于，包括：
提供一微镜(30)，所述微镜(30)包括框架(31)、反射镜(32)以及固定在所述反射镜(32)背面的磁铁(33)；
提供一导热的基座(20)，将螺线管(40)固定并密封在所述基座(20)中；
将所述微镜(30)固定到所述基座(20)上表面，使所述框架(31)固定在所述基座(20)上，所述反射镜(32)背面朝向所述基座(20)；
在所述基座(20)上贴合透明的上盖(10)，将所述所述微镜(30)封闭在所述上盖(10)与所述基座(20)围成的空腔内；
将所述上盖(10)、所述基座(20)、所述微镜(30)、所述螺线管(40)放入具有一定真空度和保护气氛的空腔环境内，将所述上盖(10)与所述基座(20)进行密封键合。
10.根据权利要求9所述的电磁驱动式MEMS微镜的制作方法，其特征在于，还包括：在所述基座(20)下方依次固定PCB板(50)和下基板(60)，使所述螺线管(40)的两个引脚分别连接所述PCB板(50)，并使所述下基板(60)固定地贴合于所述PCB板(50)的底面。
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