CN114660800B - 一种补偿侧向位移式微镜及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜及调控方法，属于微纳光学领域。本发明通过优化补偿驱动器以补偿微镜侧向位移，避免表面光斑偏离微镜镜面，避免微镜失去操控光束的能力；因此，消除侧向位移能够避免或减小微镜的光功率损失。驱动器采用对称式阵列式结构，在增强驱动能力的同时，能够产生对称式的作用力分布，提高微镜的稳定性，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。采用V‑型驱动器，是补偿微镜侧向位移的另一种方式，本发明通过优化V‑型驱动器和微镜框架之间的连接，以平衡微镜两侧因作用力不稳定带来的抖动，同时阵列式的V‑型臂能够增强器件的刚度，避免微镜受到干扰，同时能够增强微镜对光束的操控能力。

Description

一种补偿侧向位移式微镜及调控方法

技术领域

本发明涉及一种补偿侧向位移式微镜及其调控方法，尤其涉及一种基于微纳制造的光学器件，属于微纳光学领域。

背景技术

近几十年来，微机电系统(MEMS)技术是由IC工艺发展而来，其诞生以来，已经在汽车工业、通信、航空航天等领域获得广泛的应用。微光学器件是MEMS技术的成果之一，其中的MEMS微镜更是在光通信、自动驾驶、医学成像、光学投影等领域具有重要应用。MEMS微镜按照驱动类型可以分为四类，即静电式微镜、电热式微镜、电磁式微镜和压电式微镜。

按照轴向扫描能力又可以将上述微镜分为1D和2D微镜。基于Bimorph驱动的电热式微镜具有较强的可塑能力，发展出了1D和2D电热式微镜，其中2D电热式微镜不仅可以实现沿x和y轴方向的偏转，而且可以实现在z轴方向上的平动，尽管如此，1D电热式微镜仍然具备2D微镜不可替代的性能，比如1D电热式微镜具有较大的偏转能力，其偏转角度甚至高达90°。然而，1D微镜在偏转的过程中，会伴随较大的侧向位移，甚至导致光斑偏离微镜镜面，进而导致微镜失去操控光束的能力。此外，即使很微小的侧向位移就能够导致较大的光功率损失。因此，在实际应用中，需要对微镜的偏移进行一定的补偿。

发明内容

针对即使很微小的侧向位移即能够导致微镜较大光功率损失的问题。本发明的主要目的之一是提供一种补偿侧向位移式微镜，通过优化补偿驱动器以补偿微镜侧向位移，避免光斑偏离微镜镜面，进而避免微镜失去操控光束的能力；此外，消除侧向位移能够避免或减小微镜的光功率损失。

本发明主要目的之二是提供一种用于补偿微镜侧向位移的制作及调控方法，用于所述一种补偿侧向位移式微镜的侧向位移式补偿。微镜偏转时，同时伴随侧向位移的产生，此时利用补偿驱动器将微镜拉回初始位置，从而达到补偿侧向位移的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜，通过优化补偿驱动器以补偿微镜侧向位移，避免表面光斑偏离微镜镜面，进而避免微镜失去操控光束的能力；因此，消除侧向位移能够避免或减小微镜的光功率损失。驱动器采用对称式阵列式结构，在增强驱动能力的同时，同样能够产生对称式的作用力分布，提高微镜的稳定性，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。

作为优选，采用V-型驱动器，是补偿微镜侧向位移的另一种方式，通过优化V-型驱动器和微镜框架之间的连接，达到对称分布的目的，以平衡微镜两侧因作用力不稳定带来的抖动，同时阵列式的V-型臂能够增强器件的刚度，避免微镜受到干扰，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。

作为优选，本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜，外框架结构用于支撑驱动器以及内部框架。框架的内部与bimorph相连，其中bimorph用于支撑微镜镜片，bimorph包括材料和材料。加热层用于对bimorph进行加热，如果材料具有电阻加热、导电的双重功能，则不需要加热层以简化结构，同时不同材料之间有绝缘层。

对于U型驱动器，其结构包括电极、柔性梁、冷臂和热臂。对于基于V型驱动器的微镜，其结构包括连接V型驱动器的电极和电极。电极用于连接微镜驱动器。微镜镜片，连接V型驱动器和微镜之间的梁。V型驱动器的包括梭子和V型梁。

作为优选，bimorph包括选用单晶硅的材料，因为单晶硅直接通过掺杂能够形成加热器，实现电阻加热、导电的双重功能。

为了解决微镜因为侧向偏移导致光学损失的问题，本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜，采用额外的驱动器对微镜的侧向位移进行补偿，微镜通过bimorph阵列连接在内框架上，内框架由与外框架相连的U型驱动器支撑，当微镜在工作状态下，产生的侧向位移将被U型驱动器产生的反向位移所抵消，从而实现侧向位移补偿的作用，由电极、柔性梁、热臂和冷臂组成，U型梁的自由端和内框架相连。

对于基于V型梁补偿侧向位移的微镜，其基本原理和U型驱动器补偿微镜侧向位移相似，不再赘述。

作为优选，在微镜驱动器的设计中，采用热膨胀系数差别较大的材料，即使在较低的温度下也能够产生较大的偏转。

本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜的制作及调控方法为：

步骤一：在器件层采用刻蚀方法，刻蚀出微镜和U型驱动器的轮廓，直至刻蚀至埋氧层，此时bimorph处的硅同样被去除，同时刻蚀出U型驱动器的隔离槽；

步骤二：利用薄膜工艺填对刻蚀槽进行填充，填充材料具有绝缘性比如氮化硅(同时不排除具有类似性质的绝缘材料)，覆盖住刻蚀槽，此时硅片上边面覆盖同样厚度的绝缘材料，然后刻蚀掉多余的绝缘材料；

步骤三：生长一层二氧化硅材料，再利用刻蚀方法去除多余的二氧化硅，此时bimorph形状形成，同时利用氮化硅和氧化硅作为内框架和U型驱动器的连接材料；

步骤四：采用磁控溅射和剥离技术生长一层加热电阻；

步骤五：生长一层绝缘材料作为加热电阻和金属之间的隔离层，然后制备导线、微镜镜片和bimorph的金属层；

步骤六：背腔刻蚀，直至埋氧层；

步骤七：刻蚀埋氧层，然后刻蚀掉最初生长的多余的绝缘材料，释放器件。

步骤八：根据步骤一至步骤七实现补偿侧向位移式微镜的制作及调控。

步骤九：微镜偏转时，同时伴随侧向位移的产生，此时利用补偿驱动器将微镜拉回初始位置，从而达到补偿侧向位移的目的。

对于基于V型梁补偿侧向位移的微镜，其制备及调控方法和U型驱动器补偿微镜相似，不再赘述。

有益效果：

1、本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜及调控方法，通过优化补偿驱动器以补偿微镜侧向位移，避免表面光斑偏离微镜镜面，进而避免微镜失去操控光束的能力；因此，消除侧向位移能够避免或减小微镜的光功率损失。驱动器采用对称式阵列式结构，在增强驱动能力的同时，同样能够产生对称式的作用力分布，提高微镜的稳定性，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。

2、本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜及调控方法，为了弥补单个U-型驱动力因动力不足带来的无法驱动微镜的情况，采用阵列式结构，所述对称式结构，能够在增强驱动能力的同时，同样能够产生对称式的作用力分布，提高微镜的稳定性，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。

3、本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜及调控方法，基于V-型驱动器的侧向位移补偿式微镜，采用V-型驱动器，是补偿微镜侧向位移的另一种方式，通过优化V-型驱动器和微镜框架之间的连接，达到对称分布的目的，以平衡微镜两侧因作用力不稳定带来的抖动，同时阵列式的V-型臂能够增强器件的刚度，避免微镜受到干扰，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效。

4、本发明公开的一种补偿侧向位移式微镜及调控方法，bimorph的包括选用单晶硅的材料，因为单晶硅直接通过掺杂能够形成加热器，实现电阻加热、导电的双重功能。

附图说明

图1本发明的一种基于U型驱动器的位置可调式微镜结构原理图；

图2 U型驱动器的结构放大图；

图3本发明的一种基于V型驱动器的位置可调式微镜结构原理图；

图4位置可调式微镜结构的俯视图；

图5 V型驱动器的结构原理；

图6带有bimorph结构的微镜示意图；

图7为bimorph结构及其工作原理示意图，其中，图7(a)为bimorph机构，图7(b)为bimorph的弯曲原理

图8微镜的侧向偏移与补偿示意图，其中，图8(a)为bimorph结构，图8(b)为bimorph的弯曲原理

图9微镜侧向位移与驱动电压之间的关系

图10驱动器的偏移与输入电压之间的关系

图11位移补偿式微镜制备工艺流程，其中，图11(a)为初始结构，图11(b)刻蚀、图11(c)淀积绝缘薄膜，图11(d)再次淀积绝缘薄膜、图11(e)淀积金属、图11(f)淀积绝缘层和金属，图11(g)刻蚀背腔、图11(h)释放器件。

其中：1—外框架结构、2—U型驱动器、3—内部框架、4—bimorph、5—微镜镜片、6—U型驱动器的电极、7—柔性梁、8—冷臂、9—热臂、10—V型驱动器、11—V型驱动器的电极、11.1—梭子、11.2—V型梁、12—bimorph的电极、13—梁、14—加热电阻、15—材料B、16—材料A，其中材料A的热膨胀系数小于材料B的热膨胀系数、17—入射光、18—器件层、19—埋氧层、20—基底层、21—绝缘材料、22—金属层。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：对于U-型驱动的补偿侧向位移的微镜的说明

本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜，采用的电热式微镜的驱动器为bimorph，该结构由两层热膨胀系数不同的材料堆叠而成，在微镜驱动器的设计中，通常采用热膨胀系数差别较大的材料，即使在较低的温度下也能够产生较大的偏转。固定bimorph的一端，当bimorph的温度升高时，其自由端会产生面外运动，基底层20为简化了的bimorph结构，如图7所示，值得注意的是，产生面外运动的同时，也会伴随侧向偏移。在微镜系统中，侧向偏移通常是不期望的，微小的偏移将会导致较大的光学损失，如图8所示，入射光17的初始入射位置在微镜镜片5的A点，当等效bimorph4带动微镜镜片5发生偏转，入射光17将无法照射到微镜镜片5上，如果能够对微镜镜片5采取位置补偿，则入射光在不产生位置移动的情况下，将重新照射到微镜镜片5上。

材料B15可为Al，材料A16可为氧化硅。

如图9所示，本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜的制作及调控方法为：

图11(a)为初始SOI(不排除能够由外延或者镀膜等工艺制备的类似晶片)片，其中器件层18，埋氧层19(第二层)，基底层20。第1步，对器件层18采用刻蚀方法，刻蚀出微镜和U型驱动器的轮廓，直至刻蚀至埋氧层19，此时bimorph处的硅同样被去除，同时刻蚀出U型驱动器的隔离槽，如图11(b)所示；第2步，利用薄膜工艺填对刻蚀槽进行填充，填充绝缘材料21，作为优选绝缘材料21具有绝缘性比如氮化硅(同时不排除具有类似性质的绝缘材料)，覆盖住刻蚀槽，此时硅片上边面覆盖同样厚度的绝缘材料，然后刻蚀掉多余的绝缘材料，如图11(c)所示；第3步，生长一层另一层绝缘材料，作为优选此层绝缘材料可为二氧化硅材料(同时不排除具有类似性质的绝缘材料)，再利用刻蚀方法去除多余的二氧化硅，此时bimorph形状形成，同时利用氮化硅和氧化硅作为内框架3和U型驱动器的连接材料，如图11(d)所示；第4步，采用磁控溅射和剥离技术生长一层加热电阻14，如图11(e)所示；第5步，生长一层绝缘材料作为加热电阻和金属之间的隔离层，然后制备导线、微镜镜片5和bimorph的金属层22，三种结构可以为同种材料，也可以为不同种材料，如图11(f)所示；第6步，背腔刻蚀，直至埋氧层，如图11(g)所示；第7步，刻蚀埋氧层，然后刻蚀掉最初生长的多余的绝缘材料，释放器件，U型梁作为框架的支撑结构并未在图中画出，如图11(h)所示。需要说明的是，U型驱动器不限于硅材料，若为硅材料时，能够通过掺杂改变其电阻值，从而实现即作为驱动器由可以作为驱动器本身的加热电阻。

实施例2：对于V-型驱动的补偿侧向位移的微镜的说明

本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜，采用的电热式微镜的驱动器为bimorph，该结构由两层热膨胀系数不同的材料堆叠而成，在微镜驱动器的设计中，通常采用热膨胀系数差别较大的材料，这样即使在较低的温度下也能够产生较大的偏转。固定bimorph的一端，当bimorph的温度升高时，其自由端会产生面外运动，如图7所示，值得注意的是，产生面外运动的同时，也会伴随侧向偏移。在微镜系统中，侧向偏移通常是不期望的，微小的偏移将会导致较大的光学损失，如图8所示，入射光17的初始入社位置在微镜镜片5的A点，当bimorph4带动微镜镜片5发生偏转，入射光21将无法照射到微镜镜片5上，如果能够对微镜镜片5采取位置补偿，那么入射光在不产生位置移动的情况下，将重新照射到微镜镜片5上。

作为优选，材料B15可为Al，材料A16可为氧化硅。

如图9所示，本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜的制作及调控方法，与实施例1制备及调控U型驱动器补偿微镜相似，不再赘述。

实施例3：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，其中图1为基于U型驱动器补偿的微镜示意图，图3是基于V型驱动器补偿的示意图。本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜，1表示外框架结构，用于支撑U型驱动器2以及内部框架3，框架3的内部与bimorph 4相连，其中bimorph 4用于支撑微镜镜片5，bimorph包括材料B15和材料A16，其中加热电阻14用于对bimorph进行加热，如果材料A16具有可行的电阻，则加热电阻14不需要有，同时材料B15和材料A16之间应有绝缘层(图中没有示意出)，对于U型驱动器2，其结构包括U型驱动器的电极6、柔性梁7、冷臂8和热臂9。对于基于V型驱动器的微镜，其结构包括连接V型驱动器10的电极11，bimorph的电极12用于连接微镜驱bimoprh4，5为微镜镜片，13为连接V型驱动器和微镜之间的梁。图5为V型驱动器11的特写图，结构包括梭子11.1和V型梁11.2。

为了解决微镜因为侧向偏移导致光学损失的问题，本实施例公开的一种补偿侧向位移式微镜，采用额外的驱动器对微镜的侧向位移进行补偿，如图1和图3所示。在图1中，微镜通过bimorph阵列连接在内框架上，内框架由与外框架相连的U型驱动器支撑，当微镜在工作状态下，产生的侧向位移将被U型驱动器产生的反向位移所抵消，从而实现侧向位移补偿的作用，图2为U型驱动器的放大示意图，由电极6、柔性梁7、热臂8和冷臂9组成，U型梁的自由端和内框架3相连。微镜的初始位置在XY平面，微镜镜片5产生的侧向偏移以指向X轴的负方向，记为负值，如图7所示。U型驱动器对朝着X轴的正方向偏移，记为正值，如图9所示。图7表明，在本设计中，微镜在0-5V的驱动电压下，产生0-45μm的侧向偏移，而且偏移并不是线性化的，这是由于微镜受热不均匀所致。正如图10所示，U型驱动器在0-10V的驱动电压下，产生的偏移和微镜的侧向偏移大小一致，而方向相反。

材料B可为Al，材料A可为单晶硅。

材料A选用单晶硅，因为单晶硅直接通过掺杂能够形成加热器，实现电阻加热、导电的双重功能。

图3为基于V型梁补偿侧向位移的微镜示意图，其基本原理和U型驱动器补偿微镜侧向位移相似，这里不再赘述。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：通过优化补偿驱动器以补偿微镜侧向位移，避免表面光斑偏离微镜镜面，进而避免微镜失去操控光束的能力；因此，消除侧向位移能够避免或减小微镜的光功率损失；驱动器采用对称式阵列式结构，在增强驱动能力的同时，同样能够产生对称式的作用力分布，提高微镜的稳定性，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效；

采用V-型驱动器，是补偿微镜侧向位移的另一种方式，通过优化V-型驱动器和微镜框架之间的连接，达到对称分布的目的，以平衡微镜两侧因作用力不稳定带来的抖动，同时阵列式的V-型臂能够增强器件的刚度，避免微镜受到干扰，同时能够增强微镜对光束的操控能力，避免微镜工作失效；

外框架结构用于支撑驱动器以及内部框架；框架的内部与bimorph相连，其中bimorph用于支撑微镜镜片，bimorph包括材料B和材料A；加热层用于对bimorph进行加热。

2.如权利要求1所述的一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：对于U型驱动器，其结构包括电极、柔性梁、冷臂和热臂；对于基于V型驱动器的微镜，其结构包括连接V型驱动器的电极和电极；电极用于连接微镜驱动器；微镜镜片，连接V型驱动器和微镜之间的梁；V型驱动器的包括梭子和V型梁。

3.如权利要求1所述的一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：采用额外的驱动器对微镜的侧向位移进行补偿，微镜通过bimorph阵列连接在内框架上，内框架由与外框架相连的U型驱动器支撑，当微镜在工作状态下，产生的侧向位移将被U型驱动器产生的反向位移所抵消，从而实现侧向位移补偿的作用，由电极、柔性梁、热臂和冷臂组成，U型梁的自由端和内框架相连。

4.如权利要求3所述的一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：在微镜驱动器的设计中，采用热膨胀系数差别较大的材料，即使在较低的温度下也能够产生较大的偏转。

5.如权利要求4所述的一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：制作及调控方法包括如下步骤，

步骤一：在器件层采用刻蚀方法，刻蚀出微镜和U型驱动器的轮廓，直至刻蚀至埋氧层，此时bimorph处的硅同样被去除，同时刻蚀出U型驱动器的隔离槽；

步骤二：利用薄膜工艺填对刻蚀槽进行填充，填充材料具有绝缘性，覆盖住刻蚀槽，此时硅片上边面覆盖同样厚度的绝缘材料，然后刻蚀掉多余的绝缘材料；

步骤三：生长一层二氧化硅材料，再利用刻蚀方法去除多余的二氧化硅，此时bimorph形状形成，同时利用氮化硅和氧化硅作为内框架和U型驱动器的连接材料；

步骤四：采用磁控溅射和剥离技术生长一层加热电阻；

步骤五：生长一层绝缘材料作为加热电阻和金属之间的隔离层，然后制备导线、镜面和bimorph的金属层；

步骤六：背腔刻蚀，直至埋氧层；

步骤七：刻蚀埋氧层，然后刻蚀掉最初生长的多余的绝缘材料，释放器件；

步骤八：根据步骤一至步骤七实现补偿侧向位移式微镜的制作及调控。

6.如权利要求5所述的一种补偿侧向位移式微镜，其特征在于：制作及调控方法还包括步骤九：微镜偏转时，同时伴随侧向位移的产生，此时利用补偿驱动器将微镜拉回初始位置，从而达到补偿侧向位移的目的；所述填充材料为氮化硅。

Images