CN1693937A - 基于微机电系统(mems)的二维静电振镜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微机电系统(MEMS)工艺制作的二维静电振镜及其制作方法，可用于小功率快速激光扫描，如激光投影机、条码扫描，舞台激光等。该系统使用简洁的微机电系统(MEMS)工艺制作，以静电作为驱动力，可在一个有特殊结构的振镜上同时实现两个维度(自由度)的振动。由于该系统的所有振动部分只有用于反射激光的导电镜面，从而有效的减小了振镜系统的转动惯量、体积以及能耗，也进一步增加了扫描的速度和扫描的灵活性。

Description

基于微机电系统(MEMS)的二维静电振镜及其制作方法

一、技术领域：

本发明提供一种基于微机电系统(MEMS)工艺制作的二维静电振镜及其制作方法，可用于小功率快速激光扫描，如条码扫描、舞台激光、激光投影机等等。该系统使用简洁的微机电系统(MEMS)工艺制作，以静电作为驱动力，可在一个有特殊结构的振镜上同时实现两个维度(自由度)的振动。由于该系统的所有振动部件只是用于反射激光的振镜体，从而有效的减小了振镜系统的转动惯量、体积以及能耗，也进一步增加了扫描的速度和扫描的灵活性。

二、背景技术：

激光具有独特的光学特性，如单色性高，方向性强等特点，使得激光器件的发展速度越来越快，应用越来越广泛。特别是由于激光极强的方向性，使它不借助透镜就能在相当一段距离内保持光点的质量，使其成为了条码扫描的首选光源。同时，激光的方向性也使得舞台激光的效果更加优美，加以水幕、烟雾的使用，甚至使其带有迷幻的色彩，逐渐成为舞台灯光中不可缺少的一部分。随着激光技术的不断发展，红色(波长650nm)、绿色(波长532nm)、蓝色(波长473nm)的半导体激光器已经渐进成熟。由于激光的单色性极强，使用激光产生的三原色调配出的色彩更加鲜艳，色域更宽，再加上激光极强的方向性，使得以激光为光源的投影机将具有色彩逼真，色彩范围广，像素精细等优点，且可以在任意距离都能投射出相当完美的画面，而无需反复调整焦距，这是其他形式的投影设备均无法实现的。正因如此，激光投影设备越来越受到关注。但不管是条码扫描、舞台激光还是激光投影机，除了激光光源以外，还需要将激光进行扫描的扫描设备。以往的激光扫描设备，一般都使用扫描棱镜或电磁振镜系统。扫描棱镜系统的核心部件是一个有多个反射镜面的可旋转棱镜，激光照射到棱镜上，使激光以一定角度反射回来，当棱镜旋转时，反射角也随之变化，即达到了扫描的目的。但因为它的结构特点，此时的扫描为一条直线。要实现二维扫描，就需要两个旋转棱镜，或是用另一个振镜才能完成。所以其体积笨重，结构复杂，功效低，难以实现高速扫描，机械磨损严重，而且扫描的角度为一恒定值，即画面在固定距离上的投影大小是一个定值，要想改变画面的大小，只能使用镜头等其他辅助方法来实现。而电磁振镜系统，使用电磁力作为动力，使电磁振镜电机的轴发生旋转振动，从而使与其相连的小反射镜随之振动，达到往复扫描的效果。但要实现二维扫描，仍然需要两个振镜才能完成。而且由于使用线圈产生电磁力，而且线圈需要绕在一个质量较大的铁心上，使它的大部分能量都消耗在振镜电机的转动惯量及其摩擦力上，只有极小部分用于反射镜的振动，从而导致其工作电流大，易发热，体积难以缩小，效率极低。而且由于其振动部件较大的转动惯量，造成振动速度难以提高，难以实现基本无闪烁的扫描效果。而其他的声光、电光等扫描方法，由于其成本等其他问题，也未能很好的普及。

三、发明内容：

根据上文所述，设计了本发明及其制作方法。其使用静电力的相互作用使振镜偏转，并使用特殊的悬臂支撑结构，使其能够同时在两个方向上产生振动。本发明结构简单，实现了扫描系统的集成化。由于所有的振动部件只是用于反射激光的振镜，所以动作部分质量极小，极大的减小了不必要的转动惯量，提高了扫描速度的同时，使得功耗减小。而且该扫描系统基本无机械摩擦，磨损小，同时还具有无噪音，发热低，成本低，易于大规模量产等诸多优点。

本发明的一个目的提供一种基于微机电系统(MEMS)工艺制造的二维静电振镜。本发明的另一个目的是提供这种振镜的制作方法。

根据本发明的第一个目的，提供一种基于微机电系统(MEMS)工艺制造的二维静电振镜。该系统包括：1、衬底(10)，2、驱动层(20)，3、着陆层(30)(根据实施的具体情况可以不用，下同)，4、带有支架、悬臂并且导电的振镜层(40)。其特征为：

1、本系统由衬底，驱动层，着陆层以及振镜层组成；

2、上述整个系统全部制作在一个不导电的绝缘衬底上；

3、本系统的核心部件是由可以反光的导电材料制的振镜层(40)，其由振镜(400)、振镜支架(401)以及悬臂(402)组成。该层的振镜可以反射激光，并由多个折叠形悬臂与支架连接，支架直接固定于衬底上。悬臂具有一定弹性，可以允许振镜产生两个自由度(二维)的振动；

4、振镜层的下面可以有着陆层(30)，其有4个悬空的着陆电极(300)，由其支架(301)直接固定于衬底上，并与振镜层连接，以确保振镜与着陆电极的电位相等，使着陆发生时，振镜与着陆电极不会粘连；

5、衬底上面镀有驱动层(20)，由驱动电极(200)、键合点(201)以及导线(202)组成，两两相对，用于提供驱动电压以及外部管脚的连接；

6、着陆层(30)不能与其下面的驱动层(20)的任何部分接触，并保持相对于其工作电压的安全距离，以保证着着陆层与驱动层的绝缘；

7、为减少振镜振动时的空气阻力，提高振动速度和减小能耗，整个上述振镜系统可以封装于一个真空的环境中，同时，真空环境还可以隔离振镜振动时产生的微弱噪音。

根据本发明的第二个目的，提供上述振镜系统的制作方法。该方法包括以下几个步骤：

1.准备一种绝缘性能良好的衬底，如二氧化硅衬底。

优选地，该衬底也可以使用导电或半导体材料进行绝缘化处理，如氧化等。

优选地，如果将驱动电极(后面介绍)直接通过杂质渗入衬底方法制作，则可以直接使用P型硅材料作为衬底。

2.在该衬底上沿衬底厚度方向制作掩模(210)，并使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成驱动电极。

优选地，驱动电极也可以在P型硅衬底上，用掩模渗入N型杂质制得。

3.去除掩模(210)。

4.制作着陆层牺牲层(310)，着陆层牺牲层可以直接使用光刻胶(也称抗蚀剂，下同)制得。

优选地，牺牲层也可以先置于整个器件表面，再由掩模刻蚀出所需的牺牲层。

5.使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成着陆层。

6.使用掩模(311)，对着陆电极进行成型刻蚀，使其形成所需形状。

7.去除掩模(311)。

优选地，着陆层的制作还可以在第4步后直接再制作一层用于着陆层结构成型的掩模，此掩模形状与掩模(311)互补，厚度比着陆层略厚。然后使用第5步的方法制作着陆层，其厚度应比实际所需略厚。最后将其整体研磨至着陆层所需厚度即可。

优选地，由于着陆电极为可选件，根据实施的具体情况可以不用制作，所以如果具体实施中没有使用着陆电极，则上述4～7步可以不做。

8.制作振镜层牺牲层(410)。振镜层牺牲层可以直接使用光刻胶制得。

优选地，牺牲层也可以先置于整个器件表面，再由掩模刻蚀出所需的牺牲层。

9.使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成振镜层。

10.使用掩模(411)，对反光振镜层进行结构成型刻蚀，使其形成所需形状。

11.去除掩模(411)，如有需要，对反光振镜层进行抛光，然后去除所有牺牲层。

优选地，如果需要对反光振镜层进行抛光，则可以在第8步之后直接制作用于反光振镜层结构成型的掩模(412)，但此时的掩模应该与第10步中所述的掩模(411)正好相反(即互补)，且掩模厚度应比振镜层略厚。接着进行上述第9步，制出振镜层，其厚度应略大于实际所需厚度。然后直接进行抛光，打磨至振镜层所需厚度，最后去除所有牺牲层即可。

根据本发明第二个目的的制作方法，可以制作出本发明第一目的的振镜系统。该系统与其他扫描振镜相比，结构简单，制造容易，而且运动部件的尺寸和转动惯量远远小于其他系统，这也使得他的能耗和发热量有了明显减小，也使得扫描频率可以大幅度的提高，以实现更高的扫描要求。更重要的是，它可以在同一个振镜上同时完成两个方向上的扫描，从而进一步缩小了系统的体积。同时也可通过改变输入的驱动信号随意改变扫描方式，且扫描幅度也可以根据输入电压调节，这些特性也使其的应用范围相当广泛。比如超市中由多个反射镜和一个较大的旋转扫描多面棱镜组成的万向条码扫描设备，仅使用一个本发明的振镜器件即可实现。当应用于投影视频输出时，也易于通过改变驱动信号进行无像素损失的梯形校正等图像纠正。

四、附图说明：

下面结合附图，对本发明进行说明：

图1为该系统的整体结构透视图，其中包括衬底(10)，由驱动电极(200)、键合点(201)、导线(202)组成的驱动层(20)，着陆电极(300)及其支架(301)组成的着陆层(30)，以及振镜(400)及其支架(401)、悬臂(402)一体化的振镜层(40)。其中振镜层已被部分剖切。

图2为该振镜系统的剖面示意图。为更好地说明以及简化作图，这里以及后面制作步骤的剖面示意图，全部选用本图右下方小图所示的剖切面进行剖切。

图3为该系统的各部件按次序分解的示意图。

图4A-4F为该系统振镜悬臂(402)可以使用的结构形状示意图。

图5A-5D为该系统中，驱动层的制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图。

图6A-6E为该系统中，着陆层的制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图。

图7A-7E为该系统中，振镜层的一种制作步骤及完成结果的剖面示意图。

图8A-8D为该系统中，振镜层的另一种制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图(振镜层已剖切)。

图9A-9E为该系统不使用着陆层时，振镜层的一种制作步骤及完成结果的剖面示意图。

图10A-10D为该系统不使用着陆层时，振镜层的另一种制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图(振镜层已剖切)。

五、具体实施方式：

下面将参照附图描述本发明的优选实施方式。

图1为本发明的整体结构示意图。图2为该系统沿右下方小图所示方向剖切的剖面示意图。图3为该系统的各部件按次序分解的示意图。如图1、图2、图3所示，该振镜系统包括衬底(10)，驱动层(20)，着陆层(30)以及振镜层(40)。

其具体实施方式如下：

1、衬底(10)：衬底是整个振镜系统的载体，所有的其他结构都制作于衬底上。衬底优选由绝缘性好，易于制备和切割的材料制成，适用的材料可以是但不局限于玻璃(二氧化硅)。衬底还可以由其他导电材料经过绝缘处理制成，如将硅衬底进行表面氧化，制成表面有二氧化硅绝缘层的硅衬底，也可以是其他方法。当然，作为选择，如果将驱动电极(后面介绍)直接通过杂质渗入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅作为衬底。

2、驱动层(20)：如图3和图5D所示，驱动层由驱动电极(200)、键合点(201)和连接导线(202)组成。驱动层是整个振镜的制动装置，可以通过在每个电极施加不同电压的方法，对振镜产生不同的静电力，从而使振镜产生不同角度和方向的偏转。所有电极以中心为原点，两两相对。其中相对的两个电极为一组，用于控制振镜的一个维度(自由度)的振动，而其相邻的另一组电极则负责另一个维度(自由度)的振动。驱动层应选用导电性能良好，工艺简单的材料制作，这种材料可以是但不局限于金属铝、银，也可以是别的材料，如氧化铟锡(ITO)等。当然，作为选择，驱动层也可以由P型硅衬底材料上通过图形掩模渗入适量N型杂质如P和As等，直接在衬底上制得。

3、着陆层(30)：着陆层由着陆电极(300)和着陆电极支架(301)组成。着陆层是振镜的保护装置。当驱动电极的电压过高，或受到某种极大的扰动时，振镜将有可能越过静电力与悬臂回弹力的临界点，而被迅速吸向驱动电极造成粘连或放电烧毁振镜。这时，着陆层的着陆电极可以支撑住振镜，从而避免了振镜与驱动电极的接触，也就避免了振镜系统的损坏。同时，由于着陆电极支架(301)与振镜支架(401)相接触，保证了着陆电极与振镜电位相同，避免其相互粘连。着陆层应选用导电性能良好，工艺简单的材料制作，这种材料可以是但不局限于金属。当然，作为选择，如果在具体实施过程中，振镜的振动范围离上述临界点甚远，并能保证此时振镜永远不会越过临界点时，可以省去着陆电极及其制作，以节省成本。

4、振镜层(40)：振镜层由振镜(400)、支架(401)及悬臂(402)构成。振镜层是最重要的器件，用于反射照射在其上的激光，当其镜体受静电力作用偏转时，反射激光随之偏转。其振镜要求尽可能的平整光洁。支架固定于衬底上，同时固定部分还可以用作键合点，由引线和外部管脚连接。悬臂为一种折叠形结构，当受到外力作用时，可以弯曲变形，以提供必要的伸缩量以及回弹力。为了保持镜体偏转时的稳定以及减小振镜的谐振，一个振镜应至少有4个悬臂支撑，但不限于4个。该系统悬臂的形状可以是但不限于图4A-4F所示形状，图中黑色部分为刻蚀掉的部分，白色为保留的部分。如图4A-4B所示，悬臂可以为双向折叠的“中”字形，其与振镜及支架的连接点可以是振镜的对角，也可以在振镜的边上。图4C-4D所示，悬臂还可以是单折叠(图4C)或环绕形(图4D)。图4E-4F则表示由8个悬臂组成的悬臂系统。

图5至图10表示了制作本振镜系统的方法。这是一种基于微机电系统(MEMS)工艺的制作方法。为更好地说明以及简化作图，图5至图10中的制作步骤只给出了一个剖面示意图，并全部使用图2右下方小图所示的剖切面进行剖切，以便更好地说明如何在衬底上制作驱动层、着陆层、以及振镜层。

接下来将参照附图描述本发明的制作方法。

1、衬底(10)：在该振镜系统的制作中，首先，应准备好衬底。衬底可以是绝缘性好易于制备和切割绝缘体，如玻璃等，也可以由其他导电材料经过绝缘处理制成。作为选择，如果将驱动层直接通过杂质渗入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅材料作为衬底。

2、驱动层(20)：接着，在准备好的衬底上制作驱动层。如图5A所示，首先在衬底上制作图形掩模(210)。这层掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料，如氧化物。接着，如图5B所示，使用表面加工工艺，制作驱动层(20)。这种工艺可以是蒸镀、溅射或其他方法。然后除去掩模，即可将掩模不需要的驱动层一起去除，形成所需的驱动层。驱动层不宜过厚。完成后，即可得到如图5C的驱动层。图5D表示了完成驱动层后的整体结构透视图。作为选择，也可以使用P型硅衬底，在此衬底上制作如前面所说的图形掩模(210)，然后使用掺杂工艺向P型硅衬底中掺入适当浓度的N型杂质如P和As等，使驱动电极周围形成反向的PN结，使其形成驱动层电路。

3、着陆层(30)：如图6A-6D所示，在完成好的驱动层上制作着陆层。首先，如图6A所示，在制好驱动层的衬底上制作牺牲层(310)。此牺牲层可以直接使用光刻胶制成，也可以先在带有驱动层的衬底上生长出牺牲层，再由掩模刻蚀制成。然后在牺牲层上使用表面加工工艺，制作着陆层(30)，如图6B。这种工艺可以是蒸镀、溅射或其他方法。接着，如图6C，在着陆层上面在制作一层图形掩模(311)，并用该图形掩模(311)对着陆层进行刻蚀，除去多余的着陆层。最后，去除掩模(311)，即可完成着陆层的制作。此时，为了便于后面振镜层的制作，牺牲层(310)可以不用去除，如图6D。当然，作为选择，如果掩模(311)的厚度不大，不会影响后面振镜层的制作，则掩模(311)也可保留，那么此时的掩模(311)就可以和牺牲层(310)使用同一种材料，如光刻胶等。图6E表示了完成着陆层后的整体结构透视图。

作为选择，也可以在制作好牺牲层(310)后，直接在其上继续制作一层图形掩模，其图形应与掩模(311)的图形正好相反(即互补)，厚度比所需着陆层略厚。然后再制作着陆层，其厚度应略大于实际所需厚度。接着使用研磨的方法，将着陆层磨至所需厚度即可，此时上层的掩模以及不需要的着陆层均已被磨掉，同时还保证了上表面的光洁度，便于后续工作的进行。这种方法与后面的一种振镜层的制作方法相似，所以附图可以参考图8A-8C中，振镜层的这种制作方法。

4、振镜层(40)：图7A-7D表示了振镜层的一种制作方法。如图7A所示，首先在制好着陆层的衬底上制作牺牲层(410)。此牺牲层可以直接使用光刻胶制成，也可以先在制好着陆层的衬底上生长出牺牲层，再由掩模刻蚀制成。然后在牺牲层上使用表面加工工艺，制作振镜层(40)，如图7B。此工艺与着陆层的制作工艺完全一样。接着，如图7C，在制好的振镜层上面再制作一层图形掩模(411)，并用该图形掩模(411)对振镜层进行刻蚀。完成后即可得到图7D。为了达到更好的反射效果，可对振镜层进行化学-机械抛光。最后除去所有的牺牲层以及掩模，即可得到该振镜系统的最终成品。如图7E所示。

作为选择，如果振镜层需要做化学-机械抛光，那么振镜层的制作则可以使用图8A-8C所示的制作方法，以减去刻蚀振镜层的工序。首先，如图7A所示，在制好着陆层的衬底上制作牺牲层(410)。然后如图8A所示，紧接着牺牲层(410)上面再制作另一层掩模(412)。此掩模(412)的图形与图7C中掩模(411)的图形正好相反(即互补)，厚度比所需振镜层略厚，其材料可以是光刻胶等，也可以是与牺牲层(410)一样的材料。接着，如图8B所示，在此牺牲层上制作振镜层(40)，此工艺与着陆层的制作工艺完全一样，而其厚度应略大于所需厚度。随后将其整个进行化学-机械抛光。当振镜层抛光至所需厚度时，由于掩模(412)的厚度比所需振镜层略厚，而其上的不需要的振镜层与略厚出振镜层的掩模均已被研磨掉，则只剩下需要的振镜层部分，如图8C所示。最后除去所有的牺牲层及掩模，即可得到该振镜系统的最终成品。前面所述的着陆层的另一种制作方法即这种制作方法。

含有着陆层的静电振镜成品的结构透视图如图8D所示，其中振镜层已被部分剖切。

作为选择，在制作过程中，如果不需要制作着陆层，则工艺要简单许多。图9A-9D表示不制作着陆层的该系统的一种制作方法。只需要在带有驱动层的衬底上直接制作用于振镜层的牺牲层(413)，而后续工序与图7B-7D所示的振镜层制作工序完全一样，这里不再详细描述。作为选择，不制作着陆层的该系统的另一种制作方法如图10A-10C所示。同样，只需要在带有驱动层的衬底上直接制作用于振镜层的牺牲层(413)，而其后续工序与图8A-8C所示的振镜层制作工序完全一样，这里也不再详细描述。但由于这时的牺牲层(413)厚度较大(约300～500um)，所以应该尽可能选用生长速度快，刻蚀时间短的材料制作牺牲层，如果工艺条件允许，亦可使用光刻胶制作牺牲层。同时，为了保证振镜的平整不变形，在最后去除掩模以及牺牲层时，应选用干刻蚀工艺，以避免结构间残留刻蚀液体蒸发时，其表面张力造成的应力。

这样描述的本发明，显然可以作出多种变更，且这些变更没有背离本发明的主旨和范围。同时，所附的权力请求书的范围内也包括了本领域所显而易见的所有这些修改。

Claims (10)

1、一种基于微机电系统(MEMS)工艺制作的二维静电振镜，该装置包括一个衬底、一个驱动层、一个着陆层和一个振镜层，其特征在于：所述衬底至少表面绝缘；所述驱动层包括电极、导线及键合点，所有电极以中心为原点，两两相对，并由相应的导线连接到键合点；所述着陆层由着陆电极及其支架构成，由支架固定在衬底上，并与驱动层绝缘；所述振镜层由振镜、支架及悬臂构成，由支架固定在衬底上，并与着陆层接触，与驱动层绝缘。

2、根据权利要求1所述，其着陆层位于驱动层与振镜层之间，使振镜层不会与驱动层接触。

3、根据权利要求1所述，其振镜层的振镜由折叠形悬臂支撑，并可在驱动电极产生的静电力的作用下，产生两个方向的偏转。

4、根据权利要求1所述，其振镜层的支架固定在衬底上的部分同时也是振镜层的键合点。

5、一种基于微机电系统(MEMS)的二维静电振镜的制作方法，此方法包括以下步骤：

对衬底进行绝缘处理；

使用掩模(210)在衬底上制作出驱动层(20)；

除去掩模(210)，并制作用于着陆层的牺牲层(310)；

制作着陆层(30)，并使用掩模(311)对着陆层刻蚀，制出所需着陆层；

除去掩模(311)，并制作用于振镜层的牺牲层(410)；

制作振镜层(40)，并使用掩模(411)对振镜层刻蚀，制作出所需振镜层；

对振镜层进行化学-机械抛光；

除去所有牺牲层。

6、根据权利要求5所述的方法，其衬底还可以直接使用绝缘材料。

7、根据权利要求5所述的方法，其衬底还可以由一种P型硅材料制成。

8、根据权利要求5或7所述的方法，其驱动层还可以使用通过掩模在P型硅衬底上渗入适量N型杂质的方法，直接在衬底上制得。

9、根据权利要求5所述的方法，其着陆层还可以使用先在牺牲层上制作结构掩模，然后制作着陆层，最后整体研磨成型的方法制作。

10、根据权利要求5所述的方法，其振镜层还可以使用先在牺牲层上制作结构掩模，然后制作振镜层，最后整体研磨抛光的方法制作。

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