CN115453746A - 一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件，无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜包括：衬底；绕着外轴扭转的外框架，及将其固定在衬底上的外轴扭转梁和锚点；布置在外轴两侧的外轴驱动单元，每个外轴驱动单元包括两个高低插指分布的梳齿集；绕着内轴扭转的反射镜体、及将其与外框架连接的内轴扭转梁；布置在反射镜体上表面的反射膜；布置在内轴两侧的内轴驱动单元，每个内轴驱动单元包括两个高低插指交错分布的梳齿集；导线及绝缘介质。本发明将反射镜体、内轴扭转梁和内轴驱动单元均作为外框架的随动结构，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰。

Description

一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件

技术领域

本发明涉及微机电系统和光学领域，特别是涉及一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件。

背景技术

自20世纪50年代微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)被提出以来，基于MEMS技术的微反射镜一直是研究重点并得到了快速的发展，已广泛应用在光通信、光交换、图像显示和扫描探测等光学领域，是现代信息化社会的重要基石之一。其中，比较著名的应用包括投影仪中的DMD芯片(Digital Micromirror Device)和自动驾驶系统中的激光雷达(将单束探测激光反射到不同方向)等。微反射镜的功能在于驱动反射镜绕着其扭转轴运动至理想的角度，因此静电驱动凭借其控制精确、驱动重复性好、易实现和功耗低等优点，成为了微反射镜的最为主要的驱动方式。静电驱动的原理为：通过在一对位置相对的静电驱动电极上施加不同电压，从而使两个电极之间产生静电吸引力，进而驱动两个电极产生相对运动。

目前，根据已报道的基于静电驱动的微反射镜(不论是单轴驱动还是多轴驱动)，静电驱动电极的设计均为：一个电极布置于衬底上作为固定电极，另一个电极布置在可动结构上(例如反射镜体)作为可动电极。但是对于多轴驱动而言，若将不同驱动轴的固定电极均布置在衬底上，则在驱动过程中必然会引入轴间耦合干扰。例如：当双轴静电驱动微反射镜的反射镜体在绕着扭转轴A扭转运动时，扭转轴B的可动电极也会跟随着一起运动，从而改变扭转轴B的可动电极与固定电极的相对位置，进而影响扭转轴B的静电驱动电极之间的静电力大小，最终在相互影响下产生两个扭转轴之间的耦合干扰。轴间耦合干扰的存在直接导致了双轴静电驱动微反射镜的不同扭转轴无法独立地工作，在实际使用过程中产生的问题可以总结为：①在双轴静电驱动微反射镜的动态运动过程中引入很复杂的变量，使最终结果变得不可预测，进而降低双轴静电驱动微反射镜的控制精度和稳定性；②增加了双轴静电驱动微反射镜的标定的工作量，即从对各个扭转轴独立地做标定，变成对不同扭转轴的驱动电压组合做遍历。

因此，如何解决双轴静电驱动微反射镜的轴间耦合已经成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

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无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件，用于解决现有技术中双轴静电驱动微反射镜的轴间耦合的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，

包括：衬底、绕着外轴扭转的外框架、外轴扭转梁、锚点、外轴驱动单元、绕着内轴扭转的反射镜体、反射膜、内轴扭转梁、内轴驱动单元、导线及绝缘介质；

所述外框架连接着所述外轴扭转梁的一端，并通过所述外轴扭转梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；所述外轴的两侧分别布置有一个所述外轴驱动单元，用于驱动所述外框架绕着所述外轴扭转；每个所述外轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述外框架上的外轴可动梳齿集和布置在所述衬底上的外轴固定梳齿集，两者采用高低插指分布；

所述反射膜布置在所述反射镜体的上表面；所述反射镜体通过所述内轴扭转梁与所述外框架连接，悬挂固定在所述外框架上；所述内轴的两侧分别布置有一个所述内轴驱动单元，用于驱动所述反射镜体绕着所述内轴扭转；每个所述内轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述反射镜体上的镜体梳齿集和布置在所述外框架上的内轴随动梳齿集，两者采用高低插指分布；所述反射镜体、所述内轴扭转梁及所述内轴驱动单元均为所述外框架的随动结构，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰；

除所述反射膜外，所述无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和至少两层薄膜层堆叠而成；

所述三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底设置于所述底部体结构层；所述反射镜体、所述外框架、所述内轴扭转梁、所述外轴扭转梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；

所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有两层薄膜层，分别为导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。

可选地，所述中间绝缘薄膜层位于所述导电薄膜层与所述主体连续结构所在的体结构层之间。

可选地，初始情况下，每个所述内轴驱动单元的所述镜体梳齿集与所述内轴随动梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布；每个所述内轴驱动单元的所述镜体梳齿集与所述内轴随动梳齿集分别设置于中间体结构层与顶部体结构层，或分别设置于顶部体结构层与中间体结构层。

可选地，初始情况下，每个所述外轴驱动单元的所述外轴可动梳齿集与所述外轴固定梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布；每个所述外轴驱动单元的所述外轴可动梳齿集与所述外轴固定梳齿集分别设置于中间体结构层与顶部体结构层，或分别设置于顶部体结构层与中间体结构层。

更可选地，当所述外轴固定梳齿集设置于所述顶部体结构层时，所述外轴固定梳齿集的下方布置有梳齿支撑座，用于支撑并固定所述外轴固定梳齿集；所述梳齿支撑座由部分设置于所述中间体结构层、所述导电薄膜层及所述中间绝缘薄膜层的结构堆叠而成。

可选地，当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，所述锚点的下方布置有锚点支撑座，用于支撑并固定所述锚点；所述锚点支撑座设置于所述中间体结构层。

可选地，当所述主体连续结构设置于所述中间体结构层时，除所述外轴固定梳齿集外，设置于所述顶部体结构层的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面；当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，除所述外轴固定梳齿集外，设置于所述中间体结构层的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面。

可选地，两个所述内轴驱动单元和两个所述外轴驱动单元的驱动电压均相互独立。

可选地，所述衬底上加工有盲孔或通孔；所述反射镜体、所述外框架、所述内轴扭转梁、所述外轴扭转梁、所述内轴随动梳齿集、所述镜体梳齿集及所述外轴可动梳齿集在所述衬底上的垂直投影位于所述盲孔或所述通孔的区域内。

可选地，所述底部体结构层的材料为玻璃、硅或金属；所述中间体结构层的材料为硅或金属；所述顶部体结构层的材料为硅或金属；所述导电薄膜层的材料为金属；所述中间绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。

可选地，所述反射膜为金属膜或介质膜。

可选地，所述底部体结构层与所述中间体结构层直接接触；或所述底部体结构层与所述中间体结构层之间布置有一层薄膜层，为底部绝缘薄膜层，用于提供所述绝缘介质。

更可选地，所述底部绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种阵列式器件，所述阵列式器件的阵列元素由所述无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜构成。

如上所述，本发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件，具有以下有益效果：

1，本发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜将反射镜体、内轴扭转梁和内轴驱动单元作为随动结构，均布置在了绕着外轴扭转的外框架上，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合的干扰。

2，本发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜通过在结构表面布置导线，解决了内轴驱动单元的引线困难的问题。

3，本发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜由三层体结构层及至少两层薄膜层堆叠而成，其结构设计和加工工艺相对简单，有利于采用MEMS工艺批量化生产。

4，本发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜采用高低插指分布的静电梳齿驱动结构，相比于静电平板驱动降低了驱动电压大小，并且避开了吸合(pull-in)效应。

附图说明

图1显示为本发明无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实施例一的立体结构示意图。

图2显示为图1中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的爆炸结构示意图。

图3显示为图1中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的俯视示意图。

图4显示为图1中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜沿外轴横切的结构示意图。

图5显示为本发明无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实施例二的立体结构示意图。

图6显示为图5中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的爆炸结构示意图。

图7显示为图5中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜沿外轴横切的结构示意图。

图8显示为图5中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的俯视示意图。

图9显示为本发明无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实施例三的立体结构示意图。

图10显示为图9中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的爆炸结构示意图。

图11显示为图9中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的俯视示意图。

图12显示为图9中的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜沿外轴横切的结构示意图。

元件标号说明

10 衬底

11 反射镜体

12 外框架

13 内轴扭转梁

14 外轴扭转梁

15 镜体梳齿集

16 内轴随动梳齿集

17 外轴可动梳齿集

18 外轴固定梳齿集

19 锚点

20 梳齿支撑座

21 锚点支撑座

101 内轴

102 外轴

103 导线

104 绝缘介质

105 反射膜

201 底部体结构层

202 中间体结构层

203 顶部体结构层

204 导电薄膜层

205 中间绝缘薄膜层

206 底部绝缘薄膜层

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～图12。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、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，包括：衬底10、反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个锚点19、反射膜105、导线103、绝缘介质104、两个内轴驱动单元(每个内轴驱动单元由一个镜体梳齿集15和一个内轴随动梳齿集16组成)及两个外轴驱动单元(每个外轴驱动单元由一个外轴可动梳齿集17、一个外轴固定梳齿集18和一个梳齿支撑座20组成)。

如图2所示，除反射膜105外，无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和两层薄膜层堆叠而成。三层体结构层分别为底部体结构层201、中间体结构层202及顶部体结构层203。两层薄膜层布置在中间体结构层202和顶部体结构层203之间，分别为导电薄膜层204和中间绝缘薄膜层205。其中，中间绝缘薄膜层205布置在导电薄膜层204和中间体结构层202之间。此外，中间体结构层202与底部体结构层201直接接触。其中，底部体结构层201的材料为玻璃，中间体结构层202和顶部体结构层203的材料均为硅，导电薄膜层204的材料为金，中间绝缘薄膜层205的材料为二氧化硅，反射膜105为金属膜。

如图2所示，衬底10设置于底部体结构层201。反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14及两个锚点19均设置于中间体结构层202，构成了主体连续结构。两个镜体梳齿集15和两个外轴可动梳齿集17均处设置于中间体结构层202，并与主体连续结构组成了一体化的结构。两个内轴随动梳齿集16和两个外轴固定梳齿集18均设置于顶部体结构层203。由于外轴固定梳齿集18设置于顶部体结构层203，因此其下方布置了一个梳齿支撑座20，用于支撑和固定外轴固定梳齿集18；梳齿支撑座20由设置于中间体结构层202、导电薄膜层204及中间绝缘薄膜层205的部分结构堆叠组合而成。导线103设置于导电薄膜层204，绝缘介质104设置于中间绝缘薄膜层205。

如图1和图2所示，外框架12的两侧分别连接着一个外轴扭转梁14，并通过外轴扭转梁14另一端的锚点19，悬挂固定在衬底10上。两个外轴扭转梁14用于为外框架12提供绕着外轴102的扭转自由度。外轴102的两侧分别设置有一个外轴驱动单元，用于驱动外框架12绕着外轴102扭转。其中，两个外轴固定梳齿集18均固定于衬底10上。

如图1和图2所示，反射膜105布置在反射镜体11的上表面。反射镜体11的两侧分别连接着一个内轴扭转梁13，并通过内轴扭转梁13的另一端连接在外框架12上，从而悬挂固定在外框架12上。两个内轴扭转梁13用于为反射镜体11提供绕着内轴101的扭转自由度。内轴101的两侧分别设置有一个内轴驱动单元，用于驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。其中，两个内轴随动梳齿集16均固定于外框架12上。由于反射镜体11、内轴扭转梁13和内轴驱动单元等均为随动结构均布置在外框架12上，使得反射镜体11既能够绕着内轴101独立地扭转，又能够跟随外框架12绕着外轴102扭转，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰。此外，内轴101和外轴102相交。

如图1、图2和图3所示，导线103隔着绝缘介质104布置在外框架12、两个外轴扭转梁14及两个锚点19的上表面，将两个内轴随动梳齿集16的驱动电压引到锚点19的上表面，从而避免了在可动结构上引飞线。

如图1和图2所示，由于两个内轴随动梳齿集16和两个外轴固定梳齿集18均结构独立，且均与绝缘介质104接触，因此四者之间相互绝缘，从而保证了两个内轴驱动单元和两个外轴驱动单元的驱动电压均相互独立。

如图3所示，初始情况下，每个内轴驱动单元的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16在衬底10上的垂直投影呈插指分布。因此，当给处于不同体结构层的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。

如图3所示，初始情况下，每个外轴驱动单元的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18在衬底10上的垂直投影呈插指交错分布。因此，当给处于不同体结构层的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动外框架12绕着外轴102扭转。

如图4所示，衬底10上加工有盲孔，用于为可动结构提供扭转活动空间。如图1、图3和图4所示，反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个镜体梳齿集15、两个内轴随动梳齿集16及两个外轴可动梳齿集18在衬底10上的垂直投影区域在盲孔区域内。

本实施例的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除轴间耦合的干扰，而且解决了内轴驱动单元的引线困难的问题，降低了驱动电压大小，更利于采用MEMS工艺批量化生产。

实施例二

如图5所示，本实施例提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，包括：衬底10、反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个锚点19、两个锚点支撑座21、反射膜105、导线103、绝缘介质104、两个内轴驱动单元(每个内轴驱动单元由一个镜体梳齿集15和一个内轴随动梳齿集16组成)及两个外轴驱动单元(每个外轴驱动单元由一个外轴可动梳齿集17和一个外轴固定梳齿集18组成)。

如图6所示，除反射膜105外，无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和三层薄膜层堆叠而成。三层体结构层分别为底部体结构层201、中间体结构层202及顶部体结构层203。两层薄膜层布置在中间体结构层202和顶部体结构层203之间，分别为导电薄膜层204和中间绝缘薄膜层205。其中，中间绝缘薄膜层205布置在导电薄膜层204和顶部体结构层203之间。中间体结构层202与底部体结构层201之间布置有一层薄膜层，为底部绝缘薄膜层206。其中，底部体结构层201、中间体结构层202和顶部体结构层203的材料均为硅，导电薄膜层204的材料为金，中间绝缘薄膜层205和底部绝缘薄膜层206的材料为均二氧化硅，反射膜105为介质膜。

如图6所示，衬底10设置于底部体结构层201。反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14及两个锚点19均设置于顶部体结构层203，构成了主体连续结构。由于锚点19设置于顶部体结构层203，因此其下方布置了一个锚点支撑座21，用于支撑和固定锚点19；锚点支撑座21设置于中间体结构层202。两个镜体梳齿集15和两个外轴可动梳齿集17均处设置于顶部体结构层203，并与主体连续结构组成了一体化的结构。两个内轴随动梳齿集16和两个外轴固定梳齿集18均设置于中间体结构层202。导线103设置于导电薄膜层204，绝缘介质104设置于中间绝缘薄膜层205和底部绝缘薄膜层206。

如图5和图6所示，外框架12的两侧分别连接着一个外轴扭转梁14，并通过外轴扭转梁14另一端的锚点19，悬挂固定在衬底10上。两个外轴扭转梁14用于为外框架12提供绕着外轴102的扭转自由度。外轴102的两侧分别设置有一个外轴驱动单元，用于驱动外框架12绕着外轴102扭转。其中，两个外轴固定梳齿集18均固定于衬底10上。

如图5和图6所示，反射膜105布置在反射镜体11的上表面。反射镜体11的两侧分别连接着一个内轴扭转梁13，并通过内轴扭转梁13另一端连接在外框架12上，从而悬挂固定在外框架12上。两个内轴扭转梁13用于为反射镜体11提供绕着内轴101的扭转自由度。内轴101的两侧分别设置有一个内轴驱动单元，用于驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。其中，两个内轴随动梳齿集16均固定于外框架12上。由于反射镜体11、内轴扭转梁13和内轴驱动单元等均为随动结构均布置在外框架12上，使得反射镜体11既能够绕着内轴101独立地扭转，又能够跟随外框架12绕着外轴102扭转，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰。此外，内轴101和外轴102相交。

如图5、图6和图7所示，导线103隔着绝缘介质104布置在外框架12、两个外轴扭转梁14及两个锚点19的下表面，将两个内轴随动梳齿集16的驱动电压引到锚点19的下表面，从而避免了在可动结构上引飞线。

如图5和图6所示，由于两个内轴随动梳齿集16和两个外轴固定梳齿集18均结构独立，且均与绝缘介质104接触，因此四者之间相互绝缘，从而保证了两个内轴驱动单元和两个外轴驱动单元的驱动电压均相互独立。

如图8所示，初始情况下，每个内轴驱动单元的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16在衬底10上的垂直投影呈插指分布。因此，当给处于不同体结构层的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。

如图8所示，初始情况下，每个外轴驱动单元的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18在衬底10上的垂直投影呈插指交错分布。因此，当给处于不同体结构层的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动外框架12绕着外轴102扭转。

如图7所示，衬底10上加工有盲孔，用于为可动结构提供扭转活动空间。如图7和图8所示，反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个镜体梳齿集15、两个内轴随动梳齿集16及两个外轴可动梳齿集18在衬底10上的垂直投影位于盲孔区域内。

本实施例的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除轴间耦合的干扰，而且解决了内轴驱动单元的引线困难的问题，降低了驱动电压大小，更利于采用MEMS工艺批量化生产。

实施例三

如图9所示，本实施例提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，包括：衬底10、反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个锚点19、反射膜105、导线103、绝缘介质104、两个内轴驱动单元(每个内轴驱动单元由一个镜体梳齿集15和一个内轴随动梳齿集16组成)及两个外轴驱动单元(每个外轴驱动单元由一个外轴可动梳齿集17、一个外轴固定梳齿集18和一个梳齿支撑座20组成)。

如图10所示，除反射膜105外，无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和两层薄膜层堆叠而成。三层体结构层分别为底部体结构层201、中间体结构层202及顶部体结构层203。两层薄膜层布置在中间体结构层202和顶部体结构层203之间，分别为导电薄膜层204和中间绝缘薄膜层205。其中，中间绝缘薄膜层205布置在导电薄膜层204和中间体结构层202之间。此外，中间体结构层202与底部体结构层201直接接触。其中，底部体结构层201的材料为玻璃，中间体结构层202和顶部体结构层203的材料均为硅，导电薄膜层204的材料为金，中间绝缘薄膜层205的材料为二氧化硅，反射膜105为金属膜。

如图10所示，衬底10设置于底部体结构层201。反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14及两个锚点19均设置于中间体结构层202，构成了主体连续结构。两个内轴随动梳齿集16和两个外轴可动梳齿集17均处设置于中间体结构层202，并与主体连续结构组成了一体化的结构。两个镜体梳齿集15和两个外轴固定梳齿集18均设置于顶部体结构层203。由于外轴固定梳齿集18设置于顶部体结构层203，因此其下方布置了一个梳齿支撑座20，用于支撑和固定外轴固定梳齿集18；梳齿支撑座20由设置于中间体结构层202、导电薄膜层204及中间绝缘薄膜层205的部分结构堆叠组合而成。导线103设置于导电薄膜层204，绝缘介质104设置于中间绝缘薄膜层205。

如图9和图10所示，外框架12的两侧分别连接着一个外轴扭转梁14，并通过外轴扭转梁14连接锚点19，悬挂固定在衬底10上。两个外轴扭转梁14用于为外框架12提供绕着外轴102的扭转自由度。外轴102的两侧分别设置有一个外轴驱动单元，用于驱动外框架12绕着外轴102扭转。其中，两个外轴固定梳齿集18均固定于衬底10上。

如图9和图10所示，反射膜105布置在反射镜体11的上表面。反射镜体11的两侧分别连接着一个内轴扭转梁13，并通过内轴扭转梁13的另一端连接在外框架12上，从而悬挂固定在外框架12上。两个内轴扭转梁13用于为反射镜体11提供绕着内轴101的扭转自由度。内轴101的两侧分别设置有一个内轴驱动单元，用于驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。其中，两个镜体梳齿集15均固定于反射镜体11上。由于反射镜体11、内轴扭转梁13和内轴驱动单元等均为随动结构均布置在外框架12上，使得反射镜体11既能够绕着内轴101独立地扭转，又能够跟随外框架12绕着外轴102扭转，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰。此外，内轴101和外轴102相交。

如图9、图10和图11所示，导线103隔着绝缘介质104布置在反射镜体11、两个内轴扭转梁13、外框架12、两个外轴扭转梁14及两个锚点19的上表面，将两个镜体梳齿集15的驱动电压引到锚点19的上表面，从而避免了在可动结构上引飞线。

如图9和图10所示，由于两个镜体梳齿集15和两个外轴固定梳齿集18均结构独立，且均与绝缘介质104接触，因此四者之间相互绝缘，从而保证了两个内轴驱动单元和两个外轴驱动单元的驱动电压均相互独立。

如图11所示，初始情况下，每个内轴驱动单元的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16在衬底10上的垂直投影呈插指分布。因此，当给处于不同体结构层的镜体梳齿集15和内轴随动梳齿集16施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动反射镜体11绕着内轴101扭转。

如图11所示，初始情况下，每个外轴驱动单元的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18在衬底10上的垂直投影呈插指交错分布。因此，当给处于不同体结构层的外轴可动梳齿集17和外轴固定梳齿集18施加电压时，两者之间会产生垂直与衬底10上表面的静电力，从而驱动外框架12绕着外轴102扭转。

如图12所示，衬底10上加工有通孔，用于为可动结构提供扭转活动空间。如图11和图12所示，反射镜体11、外框架12、两个内轴扭转梁13、两个外轴扭转梁14、两个镜体梳齿集15、两个内轴随动梳齿集16及两个外轴可动梳齿集18在衬底10上的垂直投影位于通孔区域内。

本实施例的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除轴间耦合的干扰，而且解决了内轴驱动单元的引线困难的问题，降低了驱动电压大小，更利于采用MEMS工艺批量化生产。

实施例四

本实施例提供一种阵列式器件，所述阵列式器件的阵列元素由实施例一、实施例二或实施例三中所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜构成。

综上所述，本发明提供一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件，所述无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜包括衬底、绕着外轴扭转的外框架、外轴扭转梁、锚点、外轴驱动单元、绕着内轴扭转的反射镜体、反射膜、内轴扭转梁、内轴驱动单元、导线及绝缘介质；所述外框架连接着所述外轴扭转梁的一端，并通过所述外轴扭转梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；所述外轴的两侧分别布置有一个所述外轴驱动单元，用于驱动所述外框架绕着所述外轴扭转；每个所述外轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述外框架上的外轴可动梳齿集和布置在所述衬底上的外轴固定梳齿集，两者采用高低插指分布；所述反射膜布置在所述反射镜体的上表面；所述反射镜体通过所述内轴扭转梁与所述外框架连接，悬挂固定在所述外框架上；所述内轴的两侧分别布置有一个所述内轴驱动单元，用于驱动所述反射镜体绕着所述内轴扭转；每个所述内轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述反射镜体上的镜体梳齿集和布置在所述外框架上的内轴随动梳齿集，两者采用高低插指分布；所述反射镜体、所述内轴扭转梁及所述内轴驱动单元均为所述外框架的随动结构，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰；除所述反射膜外，所述无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和至少两层薄膜层堆叠而成；三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底设置于所述底部体结构层；所述反射镜体、所述外框架、所述内轴扭转梁、所述外轴扭转梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有两层薄膜层，分别为导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。发明的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜将反射镜体、内轴扭转梁和内轴驱动单元作为随动结构，均布置在了绕着外轴扭转的外框架上，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合的干扰。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 (14)

1.一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于，

包括：衬底、绕着外轴扭转的外框架、外轴扭转梁、锚点、外轴驱动单元、绕着内轴扭转的反射镜体、反射膜、内轴扭转梁、内轴驱动单元、导线及绝缘介质；

所述外框架连接着所述外轴扭转梁的一端，并通过所述外轴扭转梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；所述外轴的两侧分别布置有一个所述外轴驱动单元，用于驱动所述外框架绕着所述外轴扭转；每个所述外轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述外框架上的外轴可动梳齿集和布置在所述衬底上的外轴固定梳齿集，两者采用高低插指分布；

所述反射膜布置在所述反射镜体的上表面；所述反射镜体通过所述内轴扭转梁与所述外框架连接，悬挂固定在所述外框架上；所述内轴的两侧分别布置有一个所述内轴驱动单元，用于驱动所述反射镜体绕着所述内轴扭转；每个所述内轴驱动单元包括两个梳齿集，分别为布置在所述反射镜体上的镜体梳齿集和布置在所述外框架上的内轴随动梳齿集，两者采用高低插指分布；所述反射镜体、所述内轴扭转梁及所述内轴驱动单元均为所述外框架的随动结构，实现了内轴驱动和外轴驱动的物理隔离，消除了轴间耦合干扰；

除所述反射膜外，所述无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜的其余结构由三层体结构层和至少两层薄膜层堆叠而成；

三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底设置于所述底部体结构层；所述反射镜体、所述外框架、所述内轴扭转梁、所述外轴扭转梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；

所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有两层薄膜层，分别为导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。

2.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：所述中间绝缘薄膜层位于所述导电薄膜层与所述主体连续结构所在的体结构层之间。

3.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

初始情况下，每个所述内轴驱动单元的所述镜体梳齿集与所述内轴随动梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布；

每个所述内轴驱动单元的所述镜体梳齿集与所述内轴随动梳齿集分别设置于中间体结构层与顶部体结构层，或分别设置于顶部体结构层与中间体结构层。

4.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

初始情况下，每个所述外轴驱动单元的所述外轴可动梳齿集与所述外轴固定梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布；

每个所述外轴驱动单元的所述外轴可动梳齿集与所述外轴固定梳齿集分别设置于中间体结构层与顶部体结构层，或分别设置于顶部体结构层与中间体结构层。

5.根据权利要求4所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

当所述外轴固定梳齿集设置于所述顶部体结构层时，所述外轴固定梳齿集的下方布置有梳齿支撑座，用于支撑并固定所述外轴固定梳齿集；

所述梳齿支撑座由部分设置于所述中间体结构层、所述导电薄膜层及所述中间绝缘薄膜层的结构堆叠而成。

6.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，所述锚点的下方布置有锚点支撑座，用于支撑并固定所述锚点；

所述锚点支撑座设置于所述中间体结构层。

7.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

当所述主体连续结构设置于所述中间体结构层时，除所述外轴固定梳齿集外，设置于所述顶部体结构层的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面；

当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，除所述外轴固定梳齿集外，设置于所述中间体结构层的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面。

8.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：两个所述内轴驱动单元和两个所述外轴驱动单元的驱动电压均相互独立。

9.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

所述衬底上加工有盲孔或通孔；

所述反射镜体、所述外框架、所述内轴扭转梁、所述外轴扭转梁、所述内轴随动梳齿集、所述镜体梳齿集及所述外轴可动梳齿集在所述衬底上的垂直投影位于所述盲孔或所述通孔的区域内。

10.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

所述底部体结构层的材料为玻璃、硅或金属；所述中间体结构层的材料为硅或金属；所述顶部体结构层的材料为硅或金属；所述导电薄膜层的材料为金属；所述中间绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。

11.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：所述反射膜为金属膜或介质膜。

12.根据权利要求1所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：

所述底部体结构层与所述中间体结构层直接接触；或所述底部体结构层与所述中间体结构层之间布置有一层薄膜层，为底部绝缘薄膜层，用于提供所述绝缘介质。

13.根据权利要求12所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜，其特征在于：所述底部绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。

14.一种阵列式器件，其特征在于：所述阵列式器件的阵列元素由权利要求1～13任意一项所述的无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜构成。

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