CN114415365A

CN114415365A - Mems光学偏转器件

Info

Publication number: CN114415365A
Application number: CN202210112102.7A
Authority: CN
Inventors: 武震宇; 王栎皓; 刘艺晨; 汪洋; 余子昊
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2022-01-29
Filing date: 2022-01-29
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2042-01-29
Also published as: CN114415365B

Abstract

本发明提供一种MEMS光学偏转器件，包括：基座、2N个悬臂梁致动器、2N个耦合结构及反射微镜，其中N≥1；每个悬臂梁致动器包括：致动器衬底、致动结构、第一柔性结构；基座与致动器衬底固定连接；致动结构与致动器衬底连接；第一柔性结构与致动器衬底固定连接；第一柔性结构与一个耦合结构固定连接；2N个耦合结构固定连接于反射微镜的下方；2N个悬臂梁致动器沿周向分布于反射微镜的下方周围，且每两个悬臂梁致动器沿直线分布。通过在每一个第一柔性结构的一端均设置一个耦合结构，当沿直线分布的两个悬臂梁致动器同时产生致动力使反射微镜旋转时，两个悬臂梁致动器的旋转轴与反射微镜共轴，光的入射点在偏转过程中不会发生偏移。

Description

MEMS光学偏转器件

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种MEMS光学偏转器件。

背景技术

在光学传输领域，通过调整光路的传播方向，可以实现诸如光开关、光交叉互连和光束扫描等一系列功能。通常，将反射镜片设置在驱动装置上，以通过驱动装置驱动反射镜片运动，从而改变经过反射镜片反射后的出射光的传输方向，实现光路的传播方向的改变。

为了实现驱动装置和反射镜片构成器件的微型化，从而使得器件能够应用在对器件的体积有严格要求的应用场景中，引入了微电子机械系统技术(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)，以利用成熟的半导体制备工艺将驱动装置和反射镜片集成在一起，实现器件的微型化。目前，MEMS光学偏转器件已作为快速激光扫描机相位调制的关键元件之一，广泛应用于激光共聚扫描显微镜、激光雷达、激光投影、激光加工、MEMS光开关及空间光调制器等多种领域。

传统的MEMS光学偏转器件，驱动装置与发射镜片位于同一平面内，制作微反射镜时既要考虑反射镜面的有效面积又要考虑驱动装置的长度，因此就会造成制作的MEMS光学偏转器件占空比低，空间利用率低等的问题。因此引入了将反射镜与驱动装置垂直的三维设置的结构以提高器件的占空比，增加空间利用率，然而现有的相关技术和产品存在对光的反射效率降低、光的反射性能变差及光的扫描范围降低等问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS光学偏转器件，用于解决现有技术中将反射镜与驱动装置垂直三维设置的MEMS光学偏转器件对光的反射效率降低、光的反射性能变差及光的扫描范围降低等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS光学偏转器件，所述MEMS光学偏转器件包括：基座、2N个悬臂梁致动器、2N个耦合结构及反射微镜，其中N≥1；

针对每个所述悬臂梁致动器包括：致动器衬底、致动结构、第一柔性结构；所述基座与所述致动器衬底的一端固定连接，用于固定所述悬臂梁致动器；所述致动结构与所述致动器衬底连接，用于向所述致动器衬底提供致动力；所述第一柔性结构的一端与所述致动器衬底的另一端固定连接；所述第一柔性结构的另一端与一个所述耦合结构固定连接；

2N个所述耦合结构固定连接于所述反射微镜的下方；

2N个所述悬臂梁致动器沿周向分布于所述反射微镜的下方周围，且每两个所述悬臂梁致动器沿直线分布。

可选地，每个所述耦合结构包括第一耦合结构及第二耦合结构；所述第一耦合结构与所述第一柔性结构的另一端固定连接；所述第二耦合结构与所述反射微镜固定连接；所述第一耦合结构与所述第二耦合结构键合在一起。

可选地，每个所述耦合结构均通过一第二柔性结构固定连接于所述反射微镜的下方。

进一步地，所述反射微镜的下表面设置有凹槽，每个所述第二柔性结构设置于所述凹槽中并与所述反射微镜固定连接。

可选地，所述致动结构的致动方式包括热电驱动、电磁驱动、静电驱动及压电驱动中的一种。

进一步地，所述致动结构的致动方式为压电驱动，所述致动结构的材料为掺钪氮化铝、锆钛酸铅、铌酸锂或钽酸锂。

可选地，沿直线分布的两个所述悬臂梁致动器设置为相同。

可选地，所述基座的形状为长方形或圆形。

可选地，所述悬臂梁致动器的数量为四个，所述耦合结构的数量为四个。

进一步地，四个所述悬臂梁致动器沿周向均匀分布于所述反射微镜的下方周围。

如上所述，本发明的MEMS光学偏转器件，通过在每一个第一柔性结构的一端均设置一个耦合结构，如此每一个悬臂梁致动器产生的致动力均通过各自的耦合结构传递至反射微镜，所以当沿直线分布的两个悬臂梁致动器同时产生致动力使反射微镜旋转时，相当于这两个悬臂梁致动器产生的致动力分别同时作用在反射微镜上，所以两个悬臂梁致动器的旋转轴与反射微镜的旋转轴是共轴的，光的入射点在偏转过程中不会发生偏移；另外，本发明的器件可以明显提高扫描范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

附图说明

图1显示为现有技术中的MEMS光学偏转器件反射微镜偏转过程中的光路图。

图2显示为本发明的MEMS光学偏转器件的立体示意图。

图3显示为沿图2中AA方向剖切后一示例的MEMS光学偏转器件的截面结构示意图。

图4显示为沿图2中AA方向剖切后另一示例的MEMS光学偏转器件的截面结构示意图。

图5显示为本发明的MEMS光学偏转器件反射微镜偏转过程中的光路图。

元件标号说明

10 基座

100 悬臂梁致动器

101 致动器衬底

102 致动结构

103 第一柔性结构

104 耦合结构

105 反射微镜

106 第一耦合结构

107 第二耦合结构

108 第二柔性结构

109 凹槽

110 隔离槽

200 悬臂梁

201 耦合结构

202 初始反射面

203 偏转反射面

204 入射光

205 初始反射光

206 偏转反射光

207 初始入射点

208 偏转入射点

209 入射点

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如背景技术中所述，现有的MEMS光学偏转器件为了提高器件的占空比，增加空间利用率，将反射微镜与驱动装置进行垂直的三维设置，但这种结构存在光的反射效率降低、光的反射性能变差及光的扫描范围降低等的问题。发明人针对现有的MEMS光学偏转器件进行仔细研究发现，如图1所示，现有的MEMS光学偏转器件，当反射微镜的反射面从初始反射面202发生偏转后，变为偏转反射面203，反射面和悬臂梁200之间的距离会导致入射点偏移，即从初始入射点207偏移至偏转入射点208，当光的入射点发生偏移后，会导致部分入射光落在反射微镜之外，造成光的丢失，影响光的反射效率，当为相位调制的入射光时，由于入射点产生偏移，导致光程变化，影响光的相位以及光的相干性；另外，光的入射点偏移还会造成扫描范围的降低，而造成入射点偏移的原因是，反射微镜通过一个耦合结构与悬臂梁200耦合连接，即单耦合结构，导致悬臂梁的旋转轴与反射微镜的旋转轴不共轴。

发明人基于以上研究分析，提出了一种MEMS光学偏转器件，如图2至图4所示，所述MEMS光学偏转器件包括：基座10、2N个悬臂梁致动器100、2N个耦合结构104及反射微镜105，其中N≥1；

针对每个所述悬臂梁致动器100包括：致动器衬底101、致动结构102、第一柔性结构103；所述基座10与所述致动器衬底101的一端固定连接，用于固定所述悬臂梁致动器100；所述致动结构102与所述致动器衬底101连接，用于向所述致动器衬底101提供致动力；所述第一柔性结构103的一端与所述致动器衬底101的另一端固定连接；所述第一柔性结构103的另一端与一个所述耦合结构104固定连接；

2N个所述耦合结构104固定连接于所述反射微镜105的下方；

2N个所述悬臂梁致动器100沿周向分布于所述反射微镜105的下方周围，且每两个所述悬臂梁致动器100沿直线分布。

本实施例提出的MEMS光学偏转器件的偏转原理为：所述致动结构102提供致动驱动力带动与其连接的致动器衬底101运动，致动器衬底101将该驱动运动传递至第一柔性结构103，第一柔性结构103在该驱动运动力的作用下上下弹性运动，并将该上下弹性运动的力通过耦合结构104直接传递至反射微镜105，实现反射微镜105的转动和/或沿着垂直于反射微镜105所在的平面的方向上下平动，这里反射微镜105所在的平面指的是所有悬臂梁致动器100均没有提供致动力时，反射微镜105所在的平面。

如图5所示，本实施例提出的MEMS光学偏转器件通过在每一个第一柔性结构103的一端均设置一个耦合结构104，如此每一个悬臂梁致动器100产生的致动力均通过各自的耦合结构104传递至反射微镜105，所以当沿直线分布的两个悬臂梁致动器100同时产生致动力使反射微镜105旋转时，相当于这两个悬臂梁致动器100产生的致动力分别同时作用在反射微镜105上，所以两个悬臂梁致动器100的旋转轴与反射微镜105的旋转轴是共轴的，光的入射点209在偏转过程中不会发生偏移；另外，对比图1及图5，当两者的入射光204的角度相同时，初始反射光205与偏转反射光206之间形成的扫描范围相比，本实施例的扫描范围明显较大。

所述基座10的作用是固定所述悬臂梁致动器100，所以对其具体结构不做过分限制，只要能起到固定作用即可。在实际应用中，为便于固定，如图2所示，所述基座10一般设置于悬臂梁致动器100的外围，呈外框形状，悬臂梁致动器100连接在该外框上，相邻两悬臂梁致动器100之间形成有隔离槽110，对相邻的悬臂梁致动器100进行隔离，避免工作状态的相互干扰。基于制备工艺的便捷性，一般所述基座10采用与所述致动器衬底101同一材料层制备，通过对该材料层进行刻蚀工艺，分别形成所述基座10以及所述致动器衬底101。所述基座10的材料不做严格限制，只要能起到固定作用即可，例如可以为半导体材料，硅或碳化硅等等。

所述基座10的形状也可以根据实际需要进行设置，如图2所示为矩形或六边形，以便于密排，减小体积；也可以为圆形，以便于悬臂梁结构设计。

当所述基座10与所述致动器衬底101为同一材料制备形成时，两者的材料相同，所以材料的选择方向为具有固定作用，同时对致动结构102的驱动力能产生形变的材料。

所述致动结构的作用是向所述致动器衬底101提供致动力，所以两者之间的连接关系不做过分限制，例如，如图2所示，所述致动结构102设置于所述致动器衬底101的上表面；还可以设置于所述致动器衬底101的下表面；也可以嵌入所述致动器衬底101中等等。

作为示例，所述致动结构102的致动方式可以为现有常规的致动方式，例如：热电驱动、电磁驱动、静电驱动以及压电驱动等等。当致动方式为热电驱动、电磁驱动或静电驱动时，所述致动结构102的材料不做过多限制。当致动方式为压电驱动时，致动结构102的材料选择为具有压电效应的材料，例如，掺钪氮化铝ScAlN、锆钛酸铅PZT、铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡BT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT、铌镁酸铅PMN、氮化铝等等，本实施例中对此不做过分限制。

对于所述悬臂梁致动器100的形状本实施例中也不做过分限制，可以根据实际需要或者根据基座10的形状进行设置，例如三角形、矩形、菱形、多边形等等。如图2所示，本实施例中所述基座10的形状为正方形，所述悬臂梁致动器100的形状为三角形，以提高与基座10的连接稳定性，增加致动面积，同时可使致动器衬底101易于振动。

作为一较佳示例，沿直线分布的两个所述悬臂梁致动器100设置为相同，即材料、尺寸、结构等均相同，以便使所述反射微镜105绕轴旋转时，两者的形变参数一致，降低悬臂梁致动器100的控制难度。更佳地，可将所有的所述悬臂梁致动器100均设置为相同，以进一步降低对其的控制难度。但也不限制，在某些特殊使用情况下或不考虑控制难度的问题时，所述悬臂梁致动器100可设置为不同。

所述第一柔性结构103的材料及形状也不做具体限制，其作用为降低耦合处刚度，减小镜面与致动器间应力。例如图2中所述第一柔性结构103的形状为S形，也可设置为O形、W形、C形等。所述第一柔性结构103的材料可以与所述致动器衬底101及所述基座10相同，通过对同一材料层进行刻蚀分别形成所述基座10、所述致动器衬底101及所述第一柔性结构103。

所述反射微镜105的形状可以为例如长方形、正方形、圆形、椭圆形等等，本实施例对此不做限制。所述反射微镜105的材料可以由硅、碳化硅等半导体材料，或金属材料制备形成，本实施例中也不做过分限制。所述反射微镜105的大小可以根据实际需要进行设置。

如图3所示，作为一较佳示例，每个所述耦合结构104包括第一耦合结构106及第二耦合结构107；所述第一耦合结构106与所述第一柔性结构103的另一端固定连接；所述第二耦合结构107与所述反射微镜105固定连接；所述第一耦合结构106与所述第二耦合结构107键合在一起。该设置方式是考虑到在实际工艺制备过程中制备一整个耦合结构104，再与所述第一柔性结构103及所述反射微镜105固定连接的难度较大，而通过分别在两端分别先形成各自的耦合结构，然后再将两者键合，可有效降低工艺难度。

如图3及图4所示，作为一较佳示例，每个所述耦合结构104均通过一个第二柔性结构108固定连接于所述反射微镜105的下方。该第二柔性结构108可有效降低耦合结构104与所述反射微镜105连接处的应力，提高器件的使用寿命。所述第二柔性结构108的具体形状以及材料本实施例中不做具体限制，根据实际需要进行设置。更佳地，如图4所示，可在所述反射微镜105的下表面设置凹槽109，并将所有所述第二柔性结构108设置于所述凹槽109中并与所述反射微镜105固定连接。该方式可以降低第二柔性结构108与反射微镜105连接的工艺复杂度，同时提高集成度。

如图2所示，作为一较佳示例，所述悬臂梁致动器100的数量为四个，所述耦合结构104的数量为四个，四个悬臂梁致动器100即可实现反射微镜105在两个不同旋转轴的方向旋转，从而实现对光的二维平面扫描。更佳地，四个所述悬臂梁致动器100沿周向均匀分布于所述反射微镜105的下方周围，均匀分布，意味着，反射微镜105的两个旋转自由度正交，降低控制难度，且可以扫出规则的矩形图形，适于当下扫描需求。

综上所述，本发明的MEMS光学偏转器件，通过在每一个第一柔性结构的一端均设置一个耦合结构，如此每一个悬臂梁致动器产生的致动力均通过各自的耦合结构传递至反射微镜，所以当沿直线分布的两个悬臂梁致动器同时产生致动力使反射微镜旋转时，相当于这两个悬臂梁致动器产生的致动力分别同时作用在反射微镜上，所以两个悬臂梁致动器的旋转轴与反射微镜的旋转轴是共轴的，光的入射点在偏转过程中不会发生偏移；另外，本发明的器件可以明显提高扫描范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种MEMS光学偏转器件，其特征在于，所述MEMS光学偏转器件包括：基座、2N个悬臂梁致动器、2N个耦合结构及反射微镜，其中N≥1；

2N个所述耦合结构固定连接于所述反射微镜的下方；

2.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：每个所述耦合结构包括第一耦合结构及第二耦合结构；所述第一耦合结构与所述第一柔性结构的另一端固定连接；所述第二耦合结构与所述反射微镜固定连接；所述第一耦合结构与所述第二耦合结构键合在一起。

3.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：每个所述耦合结构均通过一第二柔性结构固定连接于所述反射微镜的下方。

4.根据权利要求3所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：所述反射微镜的下表面设置有凹槽，每个所述第二柔性结构设置于所述凹槽中并与所述反射微镜固定连接。

5.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：所述致动结构的致动方式包括热电驱动、电磁驱动、静电驱动及压电驱动中的一种。

6.根据权利要求5所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：所述致动结构的致动方式为压电驱动，所述致动结构的材料为掺钪氮化铝、锆钛酸铅、铌酸锂或钽酸锂。

7.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：沿直线分布的两个所述悬臂梁致动器设置为相同。

8.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：所述基座的形状为长方形或圆形。

9.根据权利要求1所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：所述悬臂梁致动器的数量为四个，所述耦合结构的数量为四个。

10.根据权利要求9所述的MEMS光学偏转器件，其特征在于：四个所述悬臂梁致动器沿周向均匀分布于所述反射微镜的下方周围。