CN113640983B - 一种防吸合平板式mems振镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防吸合平板式MEMS振镜，包括上极板和下极板，所述上极板的上表面设有镜面，所述上极板的一侧连接有悬臂，所述悬臂与所述下极板之间设有阳极键合用微晶玻璃，所述上极板和所述下极板之间设有至少一个防吸合支撑构件。本发明通过在上极板和下极板之间设置防吸合支撑构件，当镜面向下极板方向移动时，镜面最多与防吸合支撑构件接触，而不会与下极板接触，从而有效防止吸合现象发生。

Description

一种防吸合平板式MEMS振镜

技术领域

本发明属于微机电系统器件技术领域，具体是一种防吸合平板式MEMS振镜。

背景技术

MEMS反射镜是基于MEMS技术将微光反射镜与MEMS驱动器集成的光学器件。MEMS反射镜可以在MEMS驱动器的作用下实现微光反射镜的在一维或二维方向上的平移运动或枢轴转动。MEMS反射镜的驱动方式包括静电、压电、电磁和电热。小型化、低功耗的MEMS反射镜在头戴式显示设备(HUD)、激光雷达、增强现实(AR)等方面有广泛的应用。静电驱动方式依赖于MEMS器件上极性相反电荷的相互吸引，从而带动机械元件作机械运动。相对于其他几种驱动方式，这种方式具有能效高，功耗低，响应速度快，结构相对简单，便于大规模集成及在微结构器件中可实现大作用力等诸多优势和特点，因此在MEMS器件设计及其它微系统中，静电驱动方式是应用最广泛的驱动方式。

静电驱动方式又分为平板电容驱动方式和梳齿电容驱动方式。平板电容驱动方式由一个可动的微镜面和一个位于微镜面下部的固定下电极构成立体结构，因此，其阵列结构比较简单。但是平板电容驱动器存在吸合效应(pull—in effect)。镜面的移动距离要小于镜面到平板电极距离的三分之一，否则镜面和下电极之间会产生吸合造成器件失效。为了避免吸合效应，镜面和下电极之间的距离就要设计的很大，这导致了平板电容驱动器所需要的驱动电压很高。目前采用平板电容驱动的扫描微镜在低电压下可控角度很小(小于l度)，而且镜面尺寸也不够大(只有几百微米)。相对于平板电容驱动，梳齿电容驱动没有吸合效应的影响，但梳齿电容的驱动方式导致器件要采用深硅刻蚀工艺，良率很低，成本高昂，而且梳齿电容的驱动方式受限于静梳齿和动梳齿的厚度及相对位置，导致反射镜的扭转角度不会太大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种防吸合平板式MEMS振镜，通过在上极板和下极板之间设置防吸合支撑构件，当镜面向下极板方向移动时，镜面最多与防吸合支撑构件接触，而不会与下极板接触，从而有效防止吸合现象发生。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种防吸合平板式MEMS振镜，包括上极板和下极板，所述上极板的上表面设有镜面，所述上极板的一侧连接有悬臂，所述悬臂与所述下极板之间设有阳极键合用微晶玻璃，所述上极板和所述下极板之间设有至少一个防吸合支撑构件。

在一优选实施方式中，所述防吸合支撑构件为悬梁结构，所述防吸合支撑构件与所述阳极键合用微晶玻璃一体成型。

进一步的，所述阳极键合用微晶玻璃为LAS系统微晶玻璃或聚二甲基硅氧烷微晶玻璃。

进一步的，所述阳极键合用微晶玻璃为本征绝缘硅。

进一步的，所述本征绝缘硅表面氧化一层致密的SiO2层。

在一优选实施方式中，所述防吸合支撑构件为立柱，所述防吸合支撑构件设置在所述下极板的上表面。

进一步的，所述防吸合支撑构件为SiO2、SiN、HfO2、YO2中的一种材料加工而成。

进一步的，还包括支撑柱，在阳极键合时，所述支撑柱的两端分别抵在所述上极板和所述下极板上。

进一步的，所述上极板与所述悬臂之间设有波形连接筋。

进一步的，所述镜面为矩形、圆形、椭圆形、多边形中的一种。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明通过在上极板和下极板之间设置防吸合支撑构件，当振镜和下极板加异种电荷时，镜面将向下极板方向移动，因为有防吸合支撑构件的存在，使镜面最多与防吸合支撑构件接触，而不能和下极板接触，从而有效防止了吸合现象的发生。而当取消振镜和下极板上的异种电荷后，镜面会因为悬臂的弹性回复力恢复平衡状态，或者配合振镜和下极板加同种电荷产生静电斥力恢复平衡状态。

2、本发明不需要SOI wafer，降低成本。

3、本发明制备工艺简单，不需要高精度的刻蚀对位设备，良率高。

4、本发明使振镜的扫描角度更广，振镜面积更大。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的另一结构示意图；

图3是上极板的结构示意图；

图4是无loop结构位移量的仿真示意图；

图5是单一loop结构位移量的仿真示意图；

图6是两个loop结构位移量的仿真示意图；

图7是镜面重力导致位移量的仿真示意图。

附图标记：1、上极板；2、下极板；3、镜面；4、悬臂；5、阳极键合用微晶玻璃；6、防吸合支撑构件；7、支撑柱；8、波形连接筋。

具体实施方式

以下结合附图1－3，进一步说明本发明的一种防吸合平板式MEMS振镜的具体实施方式。本发明的一种防吸合平板式MEMS振镜不限于以下实施例的描述。

实施例一：

参见图1，一种防吸合平板式MEMS振镜，包括上极板1和下极板2，上极板1的上表面设有镜面3，上极板1的一侧连接有悬臂4，悬臂4与下极板2之间设有阳极键合用微晶玻璃5，上极板1和下极板2之间设有至少一个防吸合支撑构件6。

上极板1和下极板2采用本征硅晶片，通过离子注入或热扩散等方式使其表层成为导电层，导电层深度为几微米至几十微米。也可直接通过两块已经掺杂的硅晶片实现。

参见图1，本实施例的一种结构中，防吸合支撑构件6为悬梁结构，防吸合支撑构件6与阳极键合用微晶玻璃5一体成型。阳极键合用微晶玻璃5为LAS系统微晶玻璃或聚二甲基硅氧烷微晶玻璃。阳极键合用微晶玻璃5要求为绝缘体，也可以是陶瓷等其他满足可与硅阳极键合并绝缘性良好的材料。

参见图1，首先将支撑柱7置于上极板1和下极板2之间，然后采用阳极键合方式实现悬臂及阳极键合用微晶玻璃的键合，再阳极键合下极板。也可以先键合下极板后键合悬臂。在阳极键合时，支撑柱7的两端分别抵在上极板1和下极板2上。支撑柱起到支撑作用，在阳极键合过程中使悬臂加镜面结构和/或下极板结构不变形，要求在阳极键合过程中，支撑柱不和下极板和/或悬臂加镜面结构发生物理化学反应，不发生粘合，在阳极键合工艺完成后，可直接将键合结构垂直放置(顺时针旋转90度)，通过重力作用，使支撑柱自然脱落。

防吸合支撑构件6介于镜面和下极板之间，可与阳极键合用微晶玻璃5一体制备，其作用是防止镜面与下极板之间吸合.当振镜和下极板加异种电荷时，镜面将向下极板方向移动，因为有防吸合支撑构件的存在，使镜面最多与防吸合支撑构件接触，而不能和下极板接触，从而有效防止了吸合现象的发生。而当取消振镜和下极板上的异种电荷后，镜面会因为悬臂的弹性回复力恢复平衡状态，或者配合振镜和下极板加同种电荷产生静电斥力恢复平衡状态。

在本实施例中，阳极键合用微晶玻璃5还可以是本征绝缘硅。本征绝缘硅优选先进行表面氧化，使其表面形成一层致密的SiO2层，之后再进行键合。当然，不对本征绝缘硅进行表面氧化亦可。

参见图2，在一优选实施方式中，防吸合支撑构件6为立柱，防吸合支撑构件6设置在所述下极板2的上表面。防吸合支撑构件6为SiO2、SiN、HfO2、YO2中的一种材料加工而成。具体的，在下极板2上先制作出SiO2、SiN、HfO2、YO2等材料的防吸合支撑构件，实现防止吸合的作用。

参见图3，上极板1与悬臂4之间设有波形连接筋8。波形连接筋8可以降低悬臂4的强度，使相同电压条件下的振镜扫描角度更大。实际中可以根据悬臂的长度、振镜的尺寸，对波形连接筋的形状进行优化，在保证悬臂能有效支撑振镜的同时使振镜的扫描角度最大。仿真结果显示，在一定的电压条件和振镜尺寸下，悬臂上增加波形连接筋可有效提高振镜的扫描角度(位移)，波形连接筋越长，扫描角度提高的越明显。如图4至图6所示。

参见图3、图5、图6，波形连接筋包含一个loop结构，即一个波峰一个波谷，仿真结果显示，当悬臂上增加至两个loop时，振镜的位移量可提高至494um，对应的角度大约为9.5度，根据静电驱动原理是极性相反电荷的相互吸引排斥，可知，当下电极和镜面连接相同的电压时，则振镜也可以向上移动约494um，因此，该结构振镜的机械扫描角度可达到约20度。参见图7，对于镜面重力的影响，仿真结果显示，两个loop时的镜面因重力导致的位移量为19.8um，和振镜工作时的位移量494um相比，可以忽略不计。而且，因振镜工作在扫描状态时，其上下极板施加的电压分别为V0+Vt，V0－Vt。其中V0是基准电压，为恒定值，Vt为随时间变化的电压，为瞬时值，V0决定了振镜上下极板的初始位置，Vt决定了振镜的扫描范围，因此，可以通过调节V0的值使上极板处于包括与下极板完全平行位置的任意位置。

本发明中上极板两侧可以各连接一个悬臂，下面制作两个电极分别施加异种电荷实现镜面的扭转。当然，也可以做成四悬臂、四电极结构，从而实现振镜的二维扭转，镜面可制作成矩形、圆形、椭圆形、多边形等。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种防吸合平板式MEMS振镜，包括上极板(1)和下极板(2)，所述上极板(1)的上表面设有镜面(3)，所述上极板(1)的一侧连接有悬臂(4)，其特征在于：所述悬臂(4)与所述下极板(2)之间设有阳极键合用微晶玻璃(5)，所述上极板(1)和所述下极板(2)之间设有至少一个防吸合支撑构件(6) ；还包括支撑柱(7)，在阳极键合时，所述支撑柱(7)的两端分别抵在所述上极板(1)和所述下极板(2)上，所述支撑柱不和所述下极板以及悬臂加镜面结构发生物理化学反应，不发生粘合，在阳极键合工艺完成后，可直接将键合结构垂直放置，通过重力作用，使所述支撑柱自然脱落。

2.如权利要求1所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述防吸合支撑构件(6)为悬梁结构，所述防吸合支撑构件(6)与所述阳极键合用微晶玻璃(5)一体成型。

3.如权利要求2所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述阳极键合用微晶玻璃(5)为LAS系统微晶玻璃或聚二甲基硅氧烷微晶玻璃。

4.如权利要求2所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述阳极键合用微晶玻璃(5)为本征绝缘硅。

5.如权利要求4所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述本征绝缘硅表面氧化一层致密的SiO2层。

6.如权利要求1所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述防吸合支撑构件(6)为立柱，所述防吸合支撑构件(6)设置在所述下极板(2)的上表面。

7.如权利要求6所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述防吸合支撑构件(6)为SiO2、SiN、HfO2、YO2中的一种材料加工而成。

8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述上极板(1)与所述悬臂(4)之间设有波形连接筋(8)。

9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的一种防吸合平板式MEMS振镜，其特征在于：所述镜面(3)为矩形、圆形、椭圆形、多边形中的一种。

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