CN114815222A - 一种基于压电薄膜的双轴微反射镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于压电薄膜的双轴微反射镜。本发明利用类似铌酸锂/钽酸锂的压电薄膜特定切向的e16压电应力常数，在这类压电薄膜的特定的切向上，在两个面内方向上拥有较高的e16，可被用于直接驱动两个垂直方向的振荡轴的偏转，从而实现在两个扭转轴上较大的偏转角。与常规的压电微镜通过信号相位的改变间接通过结构实现双轴偏转的设计不同，本发明可在振荡轴上直接产生应力作用于振荡轴使其偏转。并且由于所利用的两个本征模式是相互解耦的，因此可同时实现两个扭转轴方向上各自独立的高角度的偏转。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于压电薄膜(例如单晶铌酸锂、钽酸锂)的双轴微反射镜。
背景技术
基于微机电系统(Microelectromechanical systems，MEMS)的扫描微反射镜(简称“微镜”)，广泛应用于光学扫描领域，例如投影显示、激光测距系统(light detectionand ranging systems，LIDAR)、生物医学成像(如内窥镜成像)等领域。
现有的驱动方式大多基于静电力、电磁力、热电效应。静电驱动微镜需要的电压通常大于100V，且工艺复杂。基于电磁力的微镜通常需要块体磁铁或难以集成的磁性材料，封装后体积大。热电效应驱动微镜，因其驱动原理限制，响应时间长，频率通常低于1kHz，因此不适于快速扫描的领域。
压电驱动微镜具有能量密度高、驱动电压低、功耗低、产生的力矩大、工艺相对简单等优势。现有的基于压电薄膜的微镜通常使用诸如钛锆酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)等材料，并且利用其压电应力常数e31。PZT拥有较高的压电应力常数e31，但PZT材料含有对人体有害的铅元素，不易与常规的互补型氧化物半导体(CMOS)工艺进行集成。AlN和ZnO薄膜则受限于其较低的压电应力常数e31与较低的机电耦合系数，因此基于这些薄膜的微镜光学偏转角通常较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的基于PZT压电薄膜的微镜含有对人体有害的铅元素，不易与常规的互补型氧化物半导体工艺进行集成；现有的基于AlN和ZnO薄膜的微镜偏转角较低。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，为由金属层、压电薄膜层以及应变层组成的三层结构，包括第一扭转振荡器以及第二扭转振荡器，第一扭转振荡器包含一对扭转振荡轴和振荡体，分别定义为第一振荡轴和第一振荡体，第二扭转振荡器包含一对扭转振荡轴和一个框架，分别定义为第二振荡轴和转动框架；第一振荡体通过第一振荡轴以双轴可运动的方式连接到转动框架上，转动框架则通过第二振荡轴以双轴可运动的方式连接至支承装置；由金属层形成的反射镜面位于第一振荡体的表面；由金属层形成的驱动装置覆盖在第一振荡轴、第二振荡轴和转动框架的上，为用于驱动双轴微反射镜产生谐振的电极；在驱动装置上施加电压，当电压频率达到或者接近振荡体的某一本征模式时，振荡体绕着第一振荡轴和/或第二振荡轴旋转做简谐运动，其特征在于：压电薄膜层采用三方晶系材料压电薄膜层，三方晶系材料压电薄膜层在两个面内方向上拥有较高的压电应力常数e16，应力直接作用于第一振荡轴及第二振荡轴上，直接驱动两个垂直方向的第一振荡轴和第二振荡轴的偏转，实现在两个方向上的偏转角。
优选地，振荡体绕着第一振荡轴和/或第二振荡轴旋转做简谐运动时，独立实现所述第一振荡轴或所述第二振荡轴上的振荡振幅，或者同时实现所述第一振荡轴及所述第二振荡轴上的振荡振幅。
优选地，基于所述第一振荡轴及所述第二振荡轴实现两种正交且互相解耦的本征模式，两种本征模式由两个不同频率的信号所驱动，这有利于实现不同微镜扫描方式，例如圆形扫描、逐行扫描、李萨如轨迹等。
优选地，所述第一振荡轴和所述第二振荡轴之间的夹角设置为60～120°。
优选地，所述第一振荡轴和所述第二振荡轴之间的夹角设置为90°，以实现两个轴向上较大范围的反射角度和扫描面积。
优选地，所述压电应力常数e16在三方晶系材料中是各项异性的。
本发明利用与铌酸锂/钽酸锂具有类似性质的三方晶系材料压电薄膜特定切向的压电应力常数e16。在特定的切向上，与铌酸锂/钽酸锂具有类似性质的三方晶系材料压电薄膜在两个面内方向上拥有较高的压电应力常数e16，可直接驱动两个垂直方向的振荡轴的偏转，实现在两个方向上的偏转角。与PZT、AlN、ZnO等压电薄膜微镜的区别在于，这些薄膜所利用的压电应力常数为e31，使用上下电极进行驱动，不具备面内方向的各项异性，因此其驱动结构往往在谐振结构的外围间接驱动两个振荡轴，而本发明可在振荡轴上直接产生应力实现振荡轴的偏转。因此，本发明的驱动原理与以往通过压电应力常数e31的压电微镜有本质不同，由压电应力常数e31驱动的微镜需要在外部产生应力，间接地带动扭转粱的旋转。而本发明利用压电应力常数e16驱动，应力直接作用于扭转粱上，利用周期性变化电压使机械结构产生振荡。
取决于应用，本发明中第一振荡体的尺寸可以从数十微米到数千微米，由于振荡体质量的变化，其谐振频率可从数十赫兹至数兆赫兹变化。本发明的双轴微反射镜，可以独立或者同时实现两个垂直轴上的振荡振幅，取决于材料和结构的设计，振荡振幅是直流振幅的100-10000倍。
本发明提供的一种基于与单晶铌酸锂、钽酸锂具有相似性质的三方晶系材料压电薄膜的双轴微反射镜装置允许在彼此垂直的两个振荡轴上实现较高的光学偏转角(例如大于30°)，其机电耦合系数K2、光学偏转角θ、反射镜面直径D、频率f以及综合性能(θ·D·f)，在众多扫描微镜的应用场景中尽可能地大。
附图说明
图1a至图1b为本发明的一个实施例的示意图；
图2为根据图1的示意性截面图；
图3a和3b分别是图1实施例所利用的两个本征模式；
图4为铌酸锂材料的机电耦合系数K16，在两个欧拉角变化的条件下的等高线图；
图5为常见切向的铌酸锂的机电耦合系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
为了便于显示驱动装置，图1a和1b分别展示了本发明提供的双轴微反射镜实施例在不包含、包含驱动装置时的示意图。第一振荡体1以双轴可动的形式经由第一振荡轴2悬挂在转动框架3上。转动框架3自身经由第二振荡轴4以双轴可动的形式悬挂在支承结构5上。第一振荡体1和转动框架3在本实施例中为方形，但它们也可以具有不同的形状，例如椭圆形、环形、多边形等。
图2展示了某一振荡轴的截面图，显示了本发明所使用的多层结构，本发明至少包含一层金属薄膜21，用于形成驱动装置6和反射镜面7；一层与铌酸锂/钽酸锂具有类似性质的三方晶系材料压电薄膜22，利用其两个面内方向的压电应力常数e61，可以实现第一振荡轴2以及第二振荡轴4扭转；一层非压电材料层23，可以是常见的半导体非压电薄膜，例如硅、氧化硅、氮化硅等。其中金属薄膜21、压电材料层22和非压电材料层23的上下层次可以互换。
图3a及图3b展示了图1a和1b所展示的优选的实施例所利用的本征模式。这两个本征模式的频率被设计的间隔较远，便于驱动信号的解耦。一般而言，图3b所展示的本征模式的频率比图3a所展示的本征模式要高。在第一振荡轴2和/或第二振荡轴4上施加电压，利用压电应力常数e16，两个电极之间的电场产生了面内的应力，使得三方晶系材料压电薄膜22在平行电极的方向产生一对相反的应力。由于三方晶系材料压电薄膜22和非压电材料层23的应力的不同，第一振荡轴2和/或第二振荡轴4产生了形变，当电压频率接近机械结构的本征模时，机械结构产生振荡，振荡幅值是静态幅值的100-10000倍。
本发明的双轴微镜的实现所依赖的压电常数e16在单晶材料中是各项异性的。铌酸锂和钽酸锂材料，除了材料中铌和钽变化，晶格结构几乎是相同的，因此材料性质非常接近。在图1a及图1b所示的实施例中，三方晶系材料压电薄膜22使用了铌酸锂材料，但可以同理地应用于其他具有类似性质的三方晶系材料。
图4展示了铌酸锂材料在欧拉角α和β变化时的机电耦合系数
的等高线图。机电耦合系数
与e16正相关，且表示了电能到机械能的转换效率。欧拉角α表示在某一晶体切向下，面内传播角的变化；欧拉角β在第三个欧拉角γ＝0时，表示Y切晶体旋转的角度。可以从图4中可以看到，在欧拉角β为60°(对应Y30切)时，铌酸锂材料具有最高的
高达0.92，然而这一切向下，
仅有一个峰值，因此只能驱动单轴微镜。而当欧拉角β在153°(对应Y117)附近时，铌酸锂材料的
在面内方向具有两个较高的峰，根据峰值的位置对应放置振荡轴，即可实现高偏转角的双轴微镜。在不同欧拉角β时，双峰的位置之间的夹角有所不同。
图5给出了常见的铌酸锂切向在欧拉角α变化时
可以看到在常见的Y128和Z切时，铌酸锂的
具有双峰的特性。当第一振荡轴2和第二振荡轴4夹角为90°时，优选的，对128Y切而言，振荡轴应当设置在欧拉角α为43°和133°的对应位置。振荡轴放置角度与具体的压电材料、晶体切向和设计目标相关。
Claims (6)
1.一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，为由金属层、压电薄膜层以及应变层组成的三层结构，包括第一扭转振荡器以及第二扭转振荡器，第一扭转振荡器包含一对扭转振荡轴和振荡体，分别定义为第一振荡轴和第一振荡体，第二扭转振荡器包含一对扭转振荡轴和一个框架，分别定义为第二振荡轴和转动框架；第一振荡体通过第一振荡轴以双轴可运动的方式连接到转动框架上，转动框架则通过第二振荡轴以双轴可运动的方式连接至支承装置；由金属层形成的反射镜面位于第一振荡体的表面；由金属层形成的驱动装置覆盖在第一振荡轴、第二振荡轴和转动框架的上，为用于驱动双轴微反射镜产生谐振的电极；在驱动装置上施加电压，当电压频率达到或者接近振荡体的某一本征模式时，振荡体绕着第一振荡轴和/或第二振荡轴旋转做简谐运动，其特征在于：压电薄膜层采用三方晶系材料压电薄膜层，三方晶系材料压电薄膜层在两个面内方向上拥有较高的压电应力常数e16，应力直接作用于第一振荡轴及第二振荡轴上，直接驱动两个垂直方向的第一振荡轴和第二振荡轴的偏转，实现在两个方向上的偏转角。
2.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，其特征在于，振荡体绕着第一振荡轴和/或第二振荡轴旋转做简谐运动时，独立实现所述第一振荡轴或所述第二振荡轴上的振荡振幅，或者同时实现所述第一振荡轴及所述第二振荡轴上的振荡振幅。
3.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，其特征在于，基于所述第一振荡轴及所述第二振荡轴实现两种正交且互相解耦的本征模式，两种本征模式由两个不同频率的信号所驱动。
4.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，其特征在于，所述第一振荡轴和所述第二振荡轴之间的夹角设置为60～120°。
5.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，其特征在于，所述第一振荡轴和所述第二振荡轴之间的夹角设置为90°。
6.如权利要求1所述的一种基于压电薄膜的双轴微反射镜，其特征在于，所述压电应力常数e16在三方晶系材料中是各项异性的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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