CN112965238B - 一种压电驱动的真空密封微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压电驱动的真空密封微镜，自下而上依次由基板、背腔板、隔离层、结构层以及前腔板连接构成。微镜内部具有真空腔体，结构层中的可动部分位于该真空腔体内；可动部分的振动均发生在真空环境中，不产生结构与空气相互作用的噪声，同时结构内部的微弱振动由于处于真空环境而无法通过空气传导至微镜外。微镜的结构层包括单轴和双轴两种形式，分别对应单轴微镜和双轴微镜。微镜采用压电驱动。本发明微镜采用一体化微纳制造工艺制备，实现了芯片级的真空密封，极大降低乃至消除了噪声，同时芯片体积小，结构紧凑，适用范围大。

Description

一种压电驱动的真空密封微镜
技术领域
本发明涉及三维成像领域，具体涉及一种压电驱动的真空密封微镜。
背景技术
基于MEMS技术的振镜在投影、3D成像、汽车导航等领域广泛使用，是这些领域的核心器件之一。目前的MEMS振镜本身均为开放式结构，即振镜的反射面、可动结构等在流片完成之后均暴露在环境中，使用时通过后续的模组封装，将振镜封装在密封组件中，实现对振镜的保护。当前振镜的封装多为非真空封装，振镜在工作中由于反射镜面等可动部分在气体中的高频振动，产生不可忽视的噪声。这种噪声在部分应用场合影响较小，例如工业3D成像，但在消费电子领域，这样的噪声严重影响设备的使用体验，如不能有效消除噪声，这样的振镜无法在消费电子产品中真正规模化应用。如采用真空封装，则会造成密封难度增大，模组体积增大，成本升高问题；同时，目前对于振镜的真空封装主要采用胶粘剂等方式，难以长期保持真空，在较短期限内封装真空度下降，噪声水平显著上升，振镜模组在低噪声要求场景中无法继续使用。
发明内容
为接近上述问题，本发明提出一种压电驱动的真空密封微镜，该微镜具有真空密封腔体，可动结构均位于真空密封腔体内，微镜工作中可动结构不与空气作用，从而不产生噪声，与此同时，结构内部的微弱振动由于处于真空环境而不会传导至微镜外部，因此显著降低了微镜的噪声。微镜采用微纳制造工艺一体化制备，体积小，成本低，便于规模化应用。
为实现以上目的，采用如下方案：
一种压电驱动的真空密封微镜，所述真空密封微镜由自下而上依次连接的基板、背腔板、隔离层、结构层以及前腔板构成；所述背腔板是环状结构或框架结构；所述隔离层是环状结构或框架结构；所述结构层是环状结构或框架结构，所述前腔板的底部设置有凹型结构；所述基板、背腔板、隔离层、结构层以及前腔板围成的区域形成一个真空腔体。微镜内部具有真空腔体，结构层中的可动部分位于该真空腔体内；可动部分的振动均发生在真空环境中，不产生结构与空气相互作用的噪声，同时结构内部的微弱振动由于处于真空环境而无法传导至微镜外。
所述结构层由单轴微镜和外框构成，该单轴微镜设置在真空腔体内部。
所述单轴微镜由反射镜、第一驱动臂、第二驱动臂构成；所述的反射镜两侧分别通过第一驱动臂和第二驱动臂与外框连接；第一驱动臂和第二驱动臂共同驱动反射镜绕第一转轴振动；该第一转轴与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行。
所述的第一驱动臂、第二驱动臂由衬底和设置在衬底上表面的自下而上依次叠加的绝缘层、下电极、压电层以及上电极构成。
所述结构层由双轴微镜、动框以及外框构成，该双轴微镜和动框设置在真空腔体内部。
所述的双轴微镜由反射镜、第一驱动臂、第二驱动臂、第三驱动臂、第四驱动臂和动框构成；所述反射镜两侧分别通过第一驱动臂和第二驱动臂与动框连接，动框两侧分别通过第三驱动臂和第四驱动臂与外框连接；其中第一驱动臂和第二驱动臂的连线与第三驱动臂和第四驱动臂的连线垂直；第一驱动臂和第二驱动臂共同驱动反射镜绕第一转轴振动；第三驱动臂和第四驱动臂共同驱动动框绕第二转轴振动；其中第一转轴与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行，第二转轴与第三驱动臂和第四驱动臂的连线平行；即反射镜具有绕两个相互垂直的转轴振动的工作方式。
所述的第一驱动臂、第二驱动臂、第三驱动臂、第四驱动臂由衬底和设置在衬底上表面的自下而上依次叠加的绝缘层、下电极、压电层以及上电极构成。
所述的反射镜由镜体和覆盖在镜体上表面的镜面构成。
所述单轴微镜和双轴微镜都采用压电驱动。
一种真空密封的压电驱动微镜，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
(1)备片：准备绝缘层上硅(SOI)，用于单轴微镜或双轴微镜制备；SOI由底硅，氧化埋层以及顶硅构成；
(2)背腔刻蚀：在SOI片底硅层进行刻蚀，形成背腔；
(3)诱导物填充：在第(2)步形成的背腔中填充诱导物，用于后续激光诱导散热；
(4)基板键合：在SOI底硅下表面键合基板，形成内部充满诱导物的密闭空腔；
(5)镜面制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的金属层，作为反射镜的镜面；
(6)绝缘层制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的氧化硅层，作为绝缘层；
(7)下电极制作：在第(6)步完成的绝缘层上表面沉积金属层作为下电极；
(8)驱动层制作：在第(7)步完成的下电极的上表面沉积图形化的压电材料，作为驱动层；
(9)上电极制作：在第(8)步完成的驱动层的上表面沉积图形化的金属层，作为上电极；
(10)顶硅刻蚀：对SOI的顶层硅进行光刻与刻蚀，形成镜体、驱动臂、外框；
(11)氧化埋层刻蚀：对第(9)步完成后的SOI刻蚀后的被刻蚀顶硅下方的氧化埋层进行刻蚀；
(12)释放：去除背腔上方的氧化埋层；
(13)诱导物去除：采用低温低压升华方式去除背腔内的诱导物；
(14)前腔板制作：选用一块晶圆，在其下表面刻蚀出前空腔；
(15)真空键合：在真空环境中实施前腔板与SOI顶硅的键合，前腔板下表面与SOI顶硅上表面重合，形成密封的真空腔室。
微镜工作中，一种优选方式是上电极施加正电压，下电极接地，压电层在所施加的电压作用下产生长度方向的应变，带动衬底产生应变，使得与驱动臂连接的反射镜或者动框转动。
所述的双轴形式的结构层，其镜体两侧分别通过第一驱动臂和第二驱动臂与动框连接，动框两侧分别通过第三驱动臂和第四驱动臂与外框连接；其中第一驱动臂和第二驱动臂的连线与第三驱动臂和第四驱动臂的连线垂直。第一驱动臂和第二驱动臂共同驱动反射镜绕第一转轴振动；第三驱动臂和第四驱动臂共同驱动动框绕第二转轴振动；其中第一转轴与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行，第二转轴与第三驱动臂和第四驱动臂的连线平行。即反射镜具有绕两个相互垂直的转轴振动的工作方式。
在第⑩步的SOI顶层硅刻蚀过程中实施激光诱导强化散热，提高刻蚀质量。该激光诱导强化散热的方法如下：基板与背腔构成的密闭空腔内部填充有诱导物，该诱导物在激光照射前为非晶玻璃态。在刻蚀过程中，采用短波红外激光照射诱导物(短波红外可以穿透背腔四周的单晶硅到达背腔内的诱导物)，该诱导物被激光照射后逐渐发生相变，由非晶玻璃态转变为单晶态，诱导物相变过程吸收热量，使得顶硅刻蚀过程中温度控制在合适范围内，确保刻蚀质量。刻蚀后表面粗糙度小于10nm，侧壁垂直度90°±0.2°。
有益效果：
1、振镜可动部分位于真空环境，相对于非真空密封的振镜，本发明的振镜可动部分振动时不会与空气作用，从而消除了可动部件与空气作用的噪声。
2、可动结构材料内部振动的能量极小，且由于密封在真空中，所产生的少量振动不会传导至外部，进一步消除了噪声。
3、振镜镜体、驱动梳齿等可动结构振动时无空气阻尼，大幅降低空气阻尼造成的能量损失，振镜功耗显著降低
4、振镜镜体、驱动梳齿等可动结构振动时无空气阻尼，相同驱动电压下可获得更大转角；相同转角时所需驱动电压低，进一步扩大了振镜的应用领域，降低了驱动要求。
5、真空密封微镜采用一体化流片，芯片级密封，体积小，制造成本低。
附图说明
图1结构层为单轴形式的微镜整体结构；
图2单轴形式的结构层；
图3结构层为双轴形式的微镜整体结构；
图4双轴形式的结构层；
图5驱动臂结构；
图6压电驱动的真空密封微镜制备流程。
具体实施方式
如图1，结构层为单轴形式的压电驱动的真空密封微镜，自下而上依次由基板100、背腔板200、隔离层300、结构层400以及前腔板500连接构成。微镜内部具有真空腔体800，结构层400中的可动部分位于该真空腔体800内；可动部分的振动均发生在真空环境中，不产生结构与空气相互作用的噪声，同时结构内部的微弱振动由于处于真空环境而无法传导至微镜外。
如图2，单轴形式的结构层400具有反射镜410，该反射镜410由镜体411和其上表面覆盖的镜面412构成。镜体411两侧分别通过第一驱动臂420A和第二驱动臂420B与外框430连接。第一驱动臂420A和第二驱动臂420B共同驱动反射镜410绕第一转轴x振动；该第一转轴x与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行。
如图3，结构层为双轴形式的压电驱动的真空密封微镜，自下而上依次由基板100、背腔板200、隔离层300、结构层400以及前腔板500连接构成。微镜内部具有真空腔体800，结构层400中的可动部分位于该真空腔体800内；可动部分的振动均发生在真空环境中，不产生结构与空气相互作用的噪声，同时结构内部的微弱振动由于处于真空环境而无法传导至微镜外。
如图4，双轴形式的结构层400具有反射镜410，该反射镜410由镜体411和其上表面覆盖的镜面412构成。镜体411两侧分别通过第一驱动臂420A和第二驱动臂420B与动框450连接；该动框450两侧分别通过第三驱动臂420C与第四驱动臂420D与外框430连接。第一驱动臂420A和第二驱动臂420B共同驱动反射镜410绕第一转轴x振动；第三驱动臂420C和第四驱动臂420D共同驱动该动框450绕第二转轴y振动；其中第一转轴x与第一驱动臂420A和第二驱动臂420B的连线平行，第二转轴y与第三驱动臂420C和第四驱动臂420D的连线平行。即反射镜具有绕两个相互垂直的转轴振动的工作方式。
如图5，第一驱动臂420A，第二驱动臂420B，第三驱动臂420C与第四驱动臂420D均由衬底421，以及设置在衬底上表面的自下而上依次叠加的绝缘层422，下电极423，压电层424以及上电极425构成。微镜工作中，下电极423和上电极425分别施加0V和50V电压，压电层424在电压作用下产生平行于其长度方向的应变；第一驱动臂420A和第二驱动臂420B产生应变驱动反射镜410绕x轴的转动；第三驱动臂420C和第四驱动臂420D产生的应变驱动动框450绕y轴转动。
如图5，一种压电驱动的微镜制备工艺，包括如下步骤：
1)备片：准备绝缘层上硅(SOI)，用于微镜制备。SOI由底硅1、氧化埋层2和顶硅3构成，如图6-1。
2)背腔刻蚀：在SOI片底硅层进行刻蚀，形成背腔4，如图6-2。
3)诱导物填充：在第②步形成的背腔中填充诱导物5，用于后续激光诱导散热，如图6-3。
4)基板键合：在SOI底硅下表面键合基板100，形成内部充满诱导物5的密闭空腔，如图6-4。
5)镜面制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的金属层，作为反射镜410的镜面412，如图6-5。
6)绝缘层制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的氧化硅层，作为绝缘层422，如图6-6。
7)下电极制作：在第⑥步完成的绝缘层上表面沉积金属层作为下电极423，如图6-7。
8)驱动层制作：在第⑦步完成的下电极的上表面沉积图形化的压电材料，作为驱动层424，如图6-8。
9)上电极制作：在第⑧步完成的驱动层的上表面沉积图形化的金属层，作为上电极425，如图6-9。
10)顶硅刻蚀：对SOI的顶层硅进行光刻与刻蚀，如图6-10。
11)氧化埋层刻蚀：对第⑨步完成后的SOI刻蚀后的被刻蚀顶硅下方的氧化埋层进行刻蚀，如图6-11。
12)释放：去除背腔上方的氧化埋层，形成反射镜(410)、驱动臂(420A、420B、420C、420D)、外框430，如图6-12。
13)诱导物去除：采用低温低压升华方式去除背腔内的诱导物，如图6-13。
14)前腔板制作：选用一块晶圆，在其下表面刻蚀出前空腔，如图6-14。
15)真空键合：在真空环境中实施前腔板与SOI顶硅的键合，前腔板下表面与SOI顶硅上表面重合，形成密封的真空腔室，如图6-15。
在第(10)步的SOI顶层硅刻蚀过程中实施激光诱导强化散热，提高刻蚀质量。该激光诱导强化散热的方法如下：基板与背腔构成的密闭空腔内部填充有诱导物，该诱导物在激光照射前为非晶玻璃态。在刻蚀过程中，采用短波红外激光照射诱导物(短波红外可以穿透背腔四周的单晶硅到达背腔内的诱导物)，该诱导物被激光照射后逐渐发生相变，由非晶玻璃态转变为单晶态，诱导物相变过程吸收热量，使得顶硅刻蚀过程中温度控制在合适范围内，确保刻蚀质量。刻蚀后表面粗糙度小于10nm，侧壁垂直度90°±0.2°。

Claims (6)

1.一种压电驱动的真空密封微镜，其特征在于：所述真空密封微镜由自下而上依次连接的基板、背腔板、隔离层、结构层以及前腔板构成；所述背腔板是环状结构或框架结构；所述隔离层是环状结构或框架结构；所述结构层是环状结构或框架结构，所述前腔板的底部设置有凹型结构；所述基板、背腔板、隔离层、结构层以及前腔板围成的区域形成一个真空腔体；
所述结构层由单轴微镜和外框构成，该单轴微镜设置在真空腔体内部；所述单轴微镜由反射镜、第一驱动臂、第二驱动臂构成；所述的反射镜两侧分别通过第一驱动臂和第二驱动臂与外框连接；第一驱动臂和第二驱动臂共同驱动反射镜绕第一转轴振动；该第一转轴与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行；
或者：
所述结构层由双轴微镜、动框以及外框构成，该双轴微镜和动框设置在真空腔体内部；所述的双轴微镜由反射镜、第一驱动臂、第二驱动臂、第三驱动臂、第四驱动臂构成；所述反射镜两侧分别通过第一驱动臂和第二驱动臂与动框连接，动框两侧分别通过第三驱动臂和第四驱动臂与外框连接；其中第一驱动臂和第二驱动臂的连线与第三驱动臂和第四驱动臂的连线垂直；第一驱动臂和第二驱动臂共同驱动反射镜绕第一转轴振动；第三驱动臂和第四驱动臂共同驱动动框绕第二转轴振动；其中第一转轴与第一驱动臂和第二驱动臂的连线平行，第二转轴与第三驱动臂和第四驱动臂的连线平行；即反射镜具有绕两个相互垂直的转轴振动的工作方式。
2.根据权利要求1所述的真空密封微镜，其特征在于，所述的第一驱动臂、第二驱动臂由衬底和设置在衬底上表面的自下而上依次叠加的绝缘层、下电极、压电层以及上电极构成。
3.根据权利要求1所述的真空密封微镜，其特征在于，所述的第一驱动臂、第二驱动臂、第三驱动臂、第四驱动臂由衬底和设置在衬底上表面的自下而上依次叠加的绝缘层、下电极、压电层以及上电极构成。
4.根据权利要求1所述的真空密封微镜，其特征在于，所述的反射镜由镜体和覆盖在镜体上表面的镜面构成。
5.根据权利要求2、3或4所述的真空密封微镜，其特征在于，所述单轴微镜和双轴微镜都采用压电驱动。
6.一种真空密封的压电驱动微镜，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
(1)备片：准备绝缘层上硅SOI，用于单轴微镜或双轴微镜制备；SOI由底硅，氧化埋层以及顶硅构成；
(2)背腔刻蚀：在SOI底硅进行刻蚀，形成背腔；
(3)诱导物填充：在第(2)步形成的背腔中填充诱导物，用于后续激光诱导散热；
(4)基板键合：在SOI底硅下表面键合基板，形成内部充满诱导物的密闭空腔；
(5)镜面制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的金属层，作为反射镜的镜面；
(6)绝缘层制作：在SOI顶硅表面沉积图形化的氧化硅层，作为绝缘层；
(7)下电极制作：在第(6)步完成的绝缘层上表面沉积金属层作为下电极；
(8)驱动层制作：在第(7)步完成的下电极的上表面沉积图形化的压电材料，作为驱动层；
(9)上电极制作：在第(8)步完成的驱动层的上表面沉积图形化的金属层，作为上电极；
(10)顶硅刻蚀：对SOI的顶硅进行光刻与刻蚀，形成镜体、驱动臂、外框；
(11)氧化埋层刻蚀：对第(9)步完成后的SOI刻蚀后的被刻蚀顶硅下方的氧化埋层进行刻蚀；
(12)释放：去除背腔上方的氧化埋层；
(13)诱导物去除：采用低温低压升华方式去除背腔内的诱导物；
(14)前腔板制作：选用一块晶圆，在其下表面刻蚀出前空腔；
(15)真空键合：在真空环境中实施前腔板与SOI顶硅的键合，前腔板下表面与SOI顶硅上表面重合，形成密封的真空腔室。
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