CN1710459A

CN1710459A - 一种微机电系统(mems)二维振镜及其制作方法

Info

Publication number: CN1710459A
Application number: CN 200510083955
Authority: CN
Inventors: 李凌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2005-12-21

Abstract

本发明提供一种微机电系统(MEMS)二维振镜及其制作方法，可用于小功率快速激光扫描，如条码扫描、打印机、舞台激光、激光投影机等。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

一种微机电系统(MEMS)二维振镜及其制作方法

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，同时成本低廉。

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，在条码扫描、打印机、舞台激光、投影机中都有着相当丰富的应用。特别是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、打印机、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，也减小了功耗。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微机电系统(MEMS)二维振镜。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，提供一种微机电系统(MEMS)二维振镜。该系统包括：1、驱动层(10)，2、振镜层(20)。其特征为：

1、本系统由驱动层及振镜层组成；

2、上述系统由驱动层和振镜层键合或粘合后形成一个整体；

3、本系统的核心部件是可以反光并导电的振镜层(20)。其由振镜(200)、框架(201)、悬臂(202)、加强梁(203)以及绝缘层(204)组成。该层的振镜可以反射激光，并由多个折叠形悬臂与框架连接。框架固定于驱动层上，中间通过绝缘层使框架与驱动层保持绝缘。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、为使振镜在保证不会变形的前提下尽可能的减小其自身的质量，从而得到更高的振动频率，可以在振镜的下面制作振镜的加强梁(204)，从而使振镜在保证强度的前提下可以做得更薄；

5、振镜层中的绝缘层(203)将框架(201)与其下面的驱动层(10)及导线(103)隔开并保持绝缘，使其不会发生断路现象；

6、驱动层由驱动电极(100)、驱动层衬底(101)、键合点(102)以及导线(103)组成，两两相对，用于提供驱动电压以及外部管脚的连接；

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.准备一种硅衬底，用于制作振镜层。

2.在该衬底上沿衬底厚度方向制作掩模(210)，并刻蚀加强梁(203)的凹槽。

3.去除掩模(210)。

4.使用表面生长或沉积工艺在该衬底两面制作轻质、绝缘、有弹性的薄膜。

5.使用掩模(211)对下层薄膜进行刻蚀，使其图形化。

6.以下层图形化的薄膜为掩模，使用各向异性的刻蚀工艺对该衬底进行刻蚀，直至刻穿整个衬底，释放上层薄膜。

7.使用掩模(212)刻蚀上层薄膜，使其形成所需的悬臂结构。

优选地，掩模(212)还可以在第5步与掩模(211)一起制作，并同时对上下两层薄膜进行刻蚀，然后除去掩模(211、212)，并以上下两层薄膜为掩模刻蚀衬底。从而减少对上层薄膜的影响以及加快衬底的刻蚀速度。

8.去除掩模(212)。

9.在上层薄膜上蒸镀或溅射一层导电反光膜，例如金属，振镜层制作完成。

10.准备一种绝缘性能良好的衬底，如二氧化硅衬底，用于制作驱动层。

优选地，用于驱动层的衬底也可以使用导体或半导体材料进行绝缘化处理，如氧化等。

优选地，如果将驱动电极直接通过杂质渗入衬底方法制作，则驱动层衬底可以直接使用P型硅材料。

优选地，驱动层也可以使用普通印刷电路板的制作方法制成，此时无需准备该衬底。

11.在驱动层衬底上沿衬底厚度方向制作掩模(110)，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。

12.去除掩模(110)，驱动层制作完成。

优选地，如果使用印刷电路板作为驱动层，则驱动电极可以直接由电路板经过常规工艺制成。

13.将驱动层和振镜层对准后键合，系统整体制作完成。

优选地，如果驱动层使用普通印刷电路板的制作方法制成，则将驱动层和振镜层对准后粘合，系统整体制作完成。

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，制作容易，运动部件的尺寸和转动惯量都远远小于其他系统，从而使得扫描频率大幅度提高，而且其能耗和发热量明显减小，以实现更高的扫描要求。同时，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，其中包括由驱动层衬底(101)，驱动电极(100)、键合点(102)、导线(103)组成的驱动层(10)，以及由振镜(200)、框架(201)、悬臂(202)、加强梁(203)、绝缘层(204)组成的振镜层(20)。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，这里将悬臂的一部分也进行剖切。

图3为该系统的各部件按次序分解的示意图。

图4A-4F为该振镜系统悬臂(202)可以使用的结构形状示意图。

图5A-5D为该系统中，振镜层衬底及薄膜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，振镜层的一种制作步骤及完成结果的剖面示意图。

图7A-7D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8A-8D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9A-9B为该系统中，振镜层与驱动层键合完成后的剖面示意图，以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，该振镜系统主要包括驱动层(10)和振镜层(20)。其具体实施方式如下：

1、驱动层(10)：如图3和图8D所示，驱动层由驱动电极(100)、衬底(101)、键合点(102)和导线(103)组成。

驱动电极(100)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。驱动电极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，驱动电极也可以由P型硅衬底材料上通过图形掩模渗入适量N型杂质，直接在衬底上制得。驱动电极由导线与相对应的键合点连接，由键合点与外部实现电气连接，以便从外部得到驱动能量。

驱动层衬底(101)是整个驱动系统的载体。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、振镜层(20)：如图3和图7D所示，振镜层由振镜(200)、框架(201)、悬臂(202)、加强梁(203)、绝缘层(204)构成。

振镜(200)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。

框架(201)由振镜层衬底刻蚀制成，通过绝缘层固定于驱动层衬底上，其上方与振镜悬臂相连，用于固定振镜。

悬臂(202)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。

加强梁(203)为一种纵向折叠的梁结构，可以在保证振镜硬度的前提下，使振镜更薄，从而减轻振镜的质量，使其达到更快的振动速度。

绝缘层(204)在起到绝缘作用的同时，还是刻蚀硅衬底时的掩模。

图5至图9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9中的制作步骤只给出了一个剖面示意图，并将悬臂的一部分也进行剖切，以便更好地说明如何制作和装配各个部件。

接下来将参照附图描述本发明的制作方法。

1、振镜层的制作方法：

图5A-5D表示了该层衬底及薄膜的制作。在振镜层的制作中，首先，应准备好衬底。该衬底可直接使用硅，是否掺杂均可。然后如图5A所示，在该衬底上制作图形掩模(210)并图形化。这层掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料。然后对该衬底进行各向异性刻蚀，使其形成图5B的凹槽，以便后面制作加强梁。最后，去除掩模(210)，并在该衬底的两面生长或沉积一层薄膜，该薄膜应轻质、绝缘、有弹性，且屈服强度大，不会发生塑性变形，如二氧化硅、氮化硅等。如图5D所示。图5E表示该步骤制作完成后的结构透视图。

图6A-6E是该层的一种制作方法。如图6A所示，在该衬底下面制作图形掩模(211)并图形化，该掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料。用此掩模对底面的薄膜进行刻蚀，使其生成绝缘层(204)，即图6B所示的状态。然后，以绝缘层为掩模，对衬底进行各向异性刻蚀，使其整体刻穿，释放上层的薄膜，如图6C所示。此过程应注意上层薄膜的保护。接下来，如图6D所示，制作图形掩模(212)并图形化，该掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料。以此掩模对上层薄膜进行刻蚀，使其形成最终的振镜(200)、悬臂(202)、及加强梁(203)。如图6E所示。

作为选择，图7A-7C介绍了该层的另一种制作方法。如图7A所示，上、下两层的掩模(211、212)可以同时制作并图形化。然后将上下两层薄膜一起刻蚀，并去除掩模(211、212)，形成所需的振镜(200)、悬臂(202)、加强梁(203)以及绝缘层(204)，如图7B。接下来再使用各向异性的刻蚀工艺，对衬底刻蚀，并将其刻穿，形成完整的振镜层，如图7C所示。图7D表示该步骤制作完成后的结构透视图，该图已被部分剖切。

最后，使用表面工艺将其振镜层从上面整个制作一层金属膜，该工艺可以是蒸镀、溅射或其他方法。该金属膜不宜过厚，可以完全反光而不透射即可。至此，振镜层已全部制作完毕。

2、驱动层的制作方法：

图8A-8C表示了驱动层的制作方法。首先准备一种衬底，该衬底可以是绝缘性好易于制各和切割的绝缘体，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，如果将驱动电极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。

接着，在准备好的衬底上制作驱动电极(100)、键合点(102)以及连接导线(103)。如图8A所示，首先在衬底上制作图形掩模(110)。这层掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料。然后，如图8B所示，使用表面加工工艺，制作驱动电极(100)。这种工艺可以是蒸镀、溅射或其他方法。最后除去掩模(110)，即可将掩模上不需要的金属膜一起去除，形成所需的驱动电极(100)、键合点(102)以及连接导线(103)。驱动电极不宜过厚。完成后，即可得到如图8C的驱动层。图8D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(110)，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，使驱动电极周围形成反向的PN结，使其形成驱动层电路。

作为选择，驱动层可以使用印刷电路板来制作。将驱动电极(100)、导线(103)直接制作在印刷电路板上，此时不需要键合点，电气连接可以直接由连接导线完成。此电路板可以是单层，也可以是双层。具体工艺与标准工艺相同，这里不再介绍。

3、振镜层与驱动层的键合：

振镜层和驱动层做好后，将其对准后键合，使之成为一个整体。如果驱动层使用的是印刷电路板，那么将其对准后粘合即可。至此完成该系统的全部制作，如图9所示。

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

1、一种微机电系统(MEMS)二维振镜，该装置包括一个驱动层和一个振镜层，其特征在于：所述驱动层包括衬底、驱动电极、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；所述振镜层由振镜、框架、悬臂、加强梁以及绝缘层组成，其框架固定于驱动层上，中间通过绝缘层使框架与驱动层保持绝缘。

2、根据权利要求1所述，其振镜层的振镜由悬臂结构支撑，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。

3、根据权利要求1所述，其振镜层的加强梁可以保证振镜不会变形。

4、根据权利要求1所述，其振镜层的框架键合于驱动层上，中间通过绝缘层使框架与驱动层保持绝缘。

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：

准备一种振镜层衬底；

使用掩模(210)在该衬底上刻蚀加强梁(203)的凹槽；

去除掩模(210)；

使用表面生长或沉积工艺在该衬底两面制作薄膜；

使用掩模(211)对下层薄膜进行刻蚀；

以下层薄膜为掩模，对该衬底进行刻蚀；

使用掩模(212)刻蚀上层薄膜，制作出所需振镜形状；

去除掩模(212)；

在上层薄膜上蒸镀或溅射一层导电反光膜；

准备一种驱动层绝缘衬底；

使用掩模(110)在该衬底表面制作导电电极；

去除掩模(110)；

将驱动层与振镜层对准后键合。

6、根据权利要求5所述的方法，其振镜层还可以使用掩模(211、212)同时对上下层薄膜进行刻蚀，然后再以上下层薄膜为掩模，对衬底进行刻蚀。

7、根据权利要求5所述的方法，其驱动层衬底还可以使用导体或半导体，并对其进行表面绝缘处理。

8、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。

9、根据权利要求5或8所述的方法，其驱动电极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。

10、根据权利要求5所述的方法，其驱动层还可以使用印刷电路板制作，此方法不需要准备驱动层衬底，以及其后续工作，将做好的振镜层与印刷电路板对齐后粘合即可。