CN203643683U - 一种可双轴旋转的mems微镜芯片 - Google Patents

一种可双轴旋转的mems微镜芯片 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，位于衬底层上方的接地层的中部开设有十字形空腔，活动支架嵌设在十字形空腔内，中部固定有微镜的活动平台嵌设在活动支架内；活动支架通过Y轴柔性铰链与接地层连接；活动支架通过X轴柔性铰链与活动平台连接；X轴梳齿状静电制动器设置在活动支架外侧的X轴方向上；Y轴梳齿状静电制动器设置在活动支架内侧的Y轴方向上；X轴梳齿状静电制动器和Y轴梳齿状静电制动器的底面均固贴于衬底层的上表面；X轴移动梳齿与X轴梳齿状静电制动器上带有的X轴固定梳齿相嵌套；Y轴移动梳齿与Y轴梳齿状静电制动器上带有的Y轴固定梳齿相嵌套；本实用具有结构简单、控制方便、稳定性和集成度高的特点。

Description

一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片
技术领域
本实用新型属于微机电技术领域，具体涉及一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片。
背景技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systerms）是由半导体材料和其他适用于微加工的材料，构成可控的微机电系统结构，通常情况下可将电、机械、光（热或压电等）的传感器，执行器和信号取样与IC集成为一块芯片系统。与传统机械系统相比，MEMS系统具备以下优势：（1）微型化和集成化：几何尺寸小，易于集成，最终器件尺寸一般为毫米级。（2）低能耗和低成本：采用一体化技术，能耗大大降低；并由于采用硅微加工技术和半导体集成电路工艺，易于实现规模化生产，成本低。（3）高精度和长寿命：由于采用集成化形式，传感器性能均匀，各元件间配置协调，匹配良好，不需校正调整，提高了可靠性。（4）动态性好：微型化、质量小、响应速度快、固有频率高，具有优异动态特性。
MEMS微镜主要依靠微驱动器来推动可活动微镜镜面产生转动或平动，从而改变入射光的传播方向，可广泛用于光通讯中的光交换、光谱分析仪器、光投影成像、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。MEMS光开关是微机械技术在光学领域的一个新应用领域。MEMS技术制作的光开关是将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展成大规模光交叉连接开关矩阵。MEMS光开关被认为是下一代光通信网络的重要产品，而如何能够让MEMS光开关的结构更紧凑、重量更轻、光路切换效果更好，则需要依赖结构更为简单、集成度更高、以及性能更为稳定的MEMS微镜来实现。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其具有结构简单、控制方便、稳定性和集成度高的特点。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其主要由衬底层、接地层、十字形空腔、活动支架、活动平台、Y轴柔性铰链、X轴柔性铰链、微镜、Y轴梳齿状静电制动器、Y轴固定梳齿、X轴梳齿状静电制动器、X轴固定梳齿、Y轴移动梳齿、X轴移动梳齿、X+轴焊盘、X-轴焊盘、Y+轴焊盘、Y-轴焊盘和GND焊盘组成；
接地层叠置于衬底层的上方；接地层的中部开设有上下贯通的十字形空腔，类椭圆形的活动支架嵌设在十字形空腔内，活动平台嵌设在活动支架内；微镜固定在活动平台的中部，且微镜的中心与活动支架的中心重叠；
活动支架长轴两端各向外延伸地接有Y轴柔性铰链，Y轴柔性铰链的另一端与接地层连接；活动支架通过这2个Y轴柔性铰链活动地悬置于十字形空腔内；活动支架短轴两端各向内延伸地接有X轴柔性铰链，X轴柔性铰链的另一端与活动平台连接；活动平台通过这2个X轴柔性铰链活动地悬置于活动支架内；
X轴梳齿状静电制动器设置在活动支架外侧的X轴正负方向上，X轴梳齿状静电制动器上带有X轴固定梳齿；Y轴梳齿状静电制动器设置在活动支架内侧的Y轴正负方向上，Y轴梳齿状静电制动器上带有Y轴固定梳齿；X轴梳齿状静电制动器和Y轴梳齿状静电制动器的底面均固贴于衬底层的上表面；
X轴移动梳齿设置在活动支架外侧的X轴正负方向上，且该X轴移动梳齿与X轴梳齿状静电制动器上带有的X轴固定梳齿相互配合并活动嵌套；Y轴移动梳齿开设在活动平台两端的Y轴正负方向上，且该Y轴移动梳齿与Y轴梳齿状静电制动器上带有的Y轴固定梳齿相互配合并活动嵌套；
X+轴焊盘固定在位于X轴正方向上的X轴梳齿状静电制动器上，X-轴焊盘固定在位于X轴负方向上的X轴梳齿状静电制动器上，Y+轴焊盘固定在位于Y轴正方向上的Y轴梳齿状静电制动器上，Y-轴焊盘固定在位于Y轴负方向上的Y轴梳齿状静电制动器上，GND焊盘固定在接地层上。
上述方案中，2个X轴移动梳齿的中轴线均与活动支架的长轴重叠，2个Y轴移动梳齿的中轴线均与活动支架的短轴延长线重叠。
上述方案中，X轴移动梳齿的上表面及其与之配合的X轴固定梳齿的上表面处于同一水平高度上；Y轴移动梳齿的上表面及其与之配合的Y轴固定梳齿的上表面处于同一水平高度上。
上述方案中，2个X轴移动梳齿均为外梳齿结构，与之相相配合的2个X轴固定梳齿为内梳齿结构；2个Y轴移动梳齿为内梳齿结构，与之相相配合的2个Y轴固定梳齿为外梳齿结构。
上述方案中，X轴固定梳的梳齿厚度大于X轴移动梳齿的梳齿厚度；Y轴固定梳的梳齿厚度大于Y轴移动梳齿的梳齿厚度。
上述方案中，2个X轴柔性铰链和2个Y轴柔性铰链均呈双锥型，即呈两端厚度逐渐往中间缩减的结构。
上述方案中，所述接地层均呈正方形片状，此时活动支架长轴和短轴分别与接地层的2条对角线重叠。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
1）静电驱动的梳齿状致动结构保证器件的稳定驱动。
2）双旋转轴位于芯片对角线上，减少芯片面积，集成度更高。
3）Y轴固定梳齿结构位于微镜可动部分投影范围之内，可减少芯片的层次，降低加工难度和减少工艺流程的步骤。
4）双轴的柔性铰链呈双锥形结构，有两边向中间逐渐递减厚度，可强化固定部分和微镜的活动部分之间的连接，又不影响转动的角度。
5）采用MEMS加工工艺，保证加工的成品率，能实现批量生产。
附图说明
图1为一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片的结构示意图。
图2为去掉固定梳齿结构后的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片的结构示意图。
图3为去掉GND面和可旋转微镜后的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片的结构示意图。
图4为一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片加电旋转一定角度的剖视图。
其中标号：1、衬底层；2、接地层；3、十字形空腔；4、活动支架；5、活动平台；6、Y轴柔性铰链；7、X轴柔性铰链；8、微镜；9、Y轴梳齿状静电制动器；10、Y轴固定梳齿；11、X轴梳齿状静电制动器；12、X轴固定梳齿；13、Y轴移动梳齿；14、X轴移动梳齿；15、X+轴焊盘；16、X-轴焊盘；17、Y+轴焊盘；18、Y-轴焊盘；19、GND焊盘。
具体实施方式
一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，如图1-3所示，主要由衬底层1、接地层2、十字形空腔3、活动支架4、活动平台5、Y轴柔性铰链6、X轴柔性铰链7、微镜8、Y轴梳齿状静电制动器9、Y轴固定梳齿10、X轴梳齿状静电制动器11、X轴固定梳齿12、Y轴移动梳齿13、X轴移动梳齿14、X+轴焊盘15、X-轴焊盘16、Y+轴焊盘17、Y-轴焊盘18和GND焊盘19组成。
接地层2叠置于衬底层1的上方。接地层2的中部开设有上下贯通的十字形空腔3。类椭圆形的活动支架4嵌设在十字形空腔3内，活动平台5嵌设在活动支架4内。微镜8固定在活动平台5的中部，且微镜8的中心与活动支架4的中心重叠。上述十字形空腔3可以为非正十字形，此时十字形空腔3的横向腔和纵向腔之间的夹角不为90°。但为了考虑到后续部件的放安装和简化加工工艺，在本实用新型优选实施例中，上述十字形空腔3可以为正十字形，此时十字形空腔3的横向腔和纵向腔之间的夹角为90°。此外，十字形空腔3的和横向腔的形状可以根据所需安放部件的需要进行开设，在本实用新型中，十字形空腔3的和横向腔呈矩形，十字形空腔3的纵向腔呈类椭圆形。特别在本实用新型优选实施例中，所述十字形空腔3纵向腔由矩形腔体和位于矩形腔体两端的三角形腔体组成。上述活动支架4的形状根据十字形空腔3的纵向腔或横向腔的结构相同或相近似，其活动支架4的外部边缘尽可能与纵向腔或横向腔相靠近但不相贴。在本实用新型优选实施例中，所述活动支架4安装在十字形空腔3的纵向腔内部，且活动支架4的形状与十字形空腔3的纵向腔的形状完全相同，即所述活动空腔也由矩形腔体和位于矩形腔体两端的三角形腔体组成。上述接地层2可以呈圆形、正方形、长方形、菱形、甚至是其他不规则形状，但为了能够提高芯片的集成度，在本实用新型中，上述接地层2均呈正方形片状，此时十字形空腔3的纵向腔和横向腔的走向分别与接地层2的2条对角线方向一致，特别的，活动支架4长轴和短轴分别与接地层2的2条对角线重叠。
活动支架4长轴两端各向外延伸地接有Y轴柔性铰链6，Y轴柔性铰链6的另一端与接地层2连接。活动支架4通过这2个Y轴柔性铰链6活动地悬置于十字形空腔3内。活动支架4短轴两端各向内延伸地接有X轴柔性铰链7，X轴柔性铰链7的另一端与活动平台5连接。活动平台5通过这2个X轴柔性铰链7活动地悬置于活动支架4内。所述X轴柔性铰链7和Y轴柔性铰链6为微镜8发生传动时的转轴，因此X轴柔性铰链7和Y轴柔性铰链6的位置决定了微镜8运行的平稳性，在本实用新型中，2个X轴柔性铰链7位于同一直线上，2个Y轴柔性铰链6位于同一直线上，且上述2条直线相垂直。在本实用新型优选实施例中，2个X轴柔性铰链7与活动支架4的短轴重叠，即与接地层2的一对角线重叠；2个Y轴柔性铰链6与活动支架4的长轴重叠，即与接地层2的另一对角线重叠。此外，2个X轴柔性铰链7和2个Y轴柔性铰链6可以均呈两端和中间厚度相一致的短条状，但为了保证连接强度和活动的灵活性，在本实用新型优选实施例中，2个X轴柔性铰链7和2个Y轴柔性铰链6均呈双锥型，即呈两端厚度逐渐往中间缩减的结构。
X轴梳齿状静电制动器11设置在活动支架4外侧的X轴正负方向上，X轴梳齿状静电制动器11上带有X轴固定梳齿12。Y轴梳齿状静电制动器9设置在活动支架4内侧的Y轴正负方向上，Y轴梳齿状静电制动器9上带有Y轴固定梳齿10。X轴梳齿状静电制动器11和Y轴梳齿状静电制动器9的底面均固贴于衬底层1的上表面。X轴移动梳齿14设置在活动支架4外侧的X轴正负方向上，且该X轴移动梳齿14与X轴梳齿状静电制动器11上带有的X轴固定梳齿12相互配合并活动嵌套。Y轴移动梳齿13开设在活动平台5两端的Y轴正负方向上，且该Y轴移动梳齿13与Y轴梳齿状静电制动器9上带有的Y轴固定梳齿10相互配合并活动嵌套。移动梳齿上的梳齿厚度和固定梳齿上的梳齿厚度可以相一致，但为了保证静电力的强度，在本实用新型中，移动梳齿上的梳齿厚度比固定梳齿上的梳齿厚度薄，即X轴固定梳的梳齿厚度大于X轴移动梳齿14的梳齿厚度，Y轴固定梳的梳齿厚度大于Y轴移动梳齿13的梳齿厚度。所述移动梳齿与相配合的固定梳齿结构相配合，在本实用新型中，2个X轴移动梳齿14均为外梳齿结构，与之相相配合的2个X轴固定梳齿12为内梳齿结构。2个Y轴移动梳齿13为内梳齿结构，与之相相配合的2个Y轴固定梳齿10为外梳齿结构。为了保证微镜8倾斜角度严格可控，2个X轴移动梳齿14的中轴线均与活动支架4的长轴重叠，2个Y轴移动梳齿13的中轴线均与活动支架4的短轴延长线重叠。非通电状态下，X轴移动梳齿14的上表面及其与之配合的X轴固定梳齿12的上表面处于同一水平高度上。Y轴移动梳齿13的上表面及其与之配合的Y轴固定梳齿10的上表面处于同一水平高度上。也就是说，在
X+轴焊盘15固定在位于X轴正方向上的X轴梳齿状静电制动器11上，X-轴焊盘16固定在位于X轴负方向上的X轴梳齿状静电制动器11上，Y+轴焊盘17固定在位于Y轴正方向上的Y轴梳齿状静电制动器9上，Y-轴焊盘18固定在位于Y轴负方向上的Y轴梳齿状静电制动器9上，GND焊盘19固定在接地层2上。通过给X+轴焊盘15、X-轴焊盘16、Y+轴焊盘17、Y-轴焊盘18和GND焊盘19加电，使得相应的梳齿状静电制动器产生静电力。当X轴梳齿状静电制动器11通电时，与之相配合的X轴固定梳齿12在静电力的作用下上抬或下沉，活动支架4及其活动平台5以Y轴柔性铰链6为轴发生倾斜，进而带动活动平台5及其微镜8产生X轴方向的倾斜。当Y轴梳齿状静电制动器9通电时，与之相配合的Y轴固定梳齿10在静电力的作用下上抬或下沉，活动平台5以X轴柔性铰链7为轴发生倾斜，进而带动活动平台5及其微镜8产生Y轴方向的倾斜。参见图4。
上述一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片通过以下步骤加工而成：
1）对玻璃片以及SOI硅片进行标准清洗。
2）在SI硅片用氧化工艺在表面热生长一层均匀的介质薄膜。
3）腐蚀：SOI硅片刻蚀后的底面SI层的腐蚀。
4）键合:将SI硅片与腐蚀后的SOI硅片键合在一起，确保结构的稳定性。
5）光刻：将掩膜图形曝光转移到衬底表面的光刻胶图形上。通过多层光刻和刻蚀达到设计结构要求。
6）刻蚀：部分硅蚀刻步骤采用DRIE硅深度刻蚀工艺，刻蚀梳齿及柔性铰链等精细结构。
7）金属化：微镜面的电极焊盘的金属化工艺，保证镜面的反射率和焊盘的焊接强度。
8）划片:将整片晶圆切割成设计大小的尺寸的芯片。

Claims (7)

1.一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：主要由衬底层（1）、接地层（2）、十字形空腔（3）、活动支架（4）、活动平台（5）、Y轴柔性铰链（6）、X轴柔性铰链（7）、微镜（8）、Y轴梳齿状静电制动器（9）、Y轴固定梳齿（10）、X轴梳齿状静电制动器（11）、X轴固定梳齿（12）、Y轴移动梳齿（13）、X轴移动梳齿（14）、X+轴焊盘（15）、X-轴焊盘（16）、Y+轴焊盘（17）、Y-轴焊盘（18）和GND焊盘（19）组成；
接地层（2）叠置于衬底层（1）的上方；接地层（2）的中部开设有上下贯通的十字形空腔（3），类椭圆形的活动支架（4）嵌设在十字形空腔（3）内，活动平台（5）嵌设在活动支架（4）内；微镜（8）固定在活动平台（5）的中部，且微镜（8）的中心与活动支架（4）的中心重叠；
活动支架（4）长轴两端各向外延伸地接有Y轴柔性铰链（6），Y轴柔性铰链（6）的另一端与接地层（2）连接；活动支架（4）通过这2个Y轴柔性铰链（6）活动地悬置于十字形空腔（3）内；活动支架（4）短轴两端各向内延伸地接有X轴柔性铰链（7），X轴柔性铰链（7）的另一端与活动平台（5）连接；活动平台（5）通过这2个X轴柔性铰链（7）活动地悬置于活动支架（4）内；
X轴梳齿状静电制动器（11）设置在活动支架（4）外侧的X轴正负方向上，X轴梳齿状静电制动器（11）上带有X轴固定梳齿（12）；Y轴梳齿状静电制动器（9）设置在活动支架（4）内侧的Y轴正负方向上，Y轴梳齿状静电制动器（9）上带有Y轴固定梳齿（10）；X轴梳齿状静电制动器（11）和Y轴梳齿状静电制动器（9）的底面均固贴于衬底层（1）的上表面；
X轴移动梳齿（14）设置在活动支架（4）外侧的X轴正负方向上，且该X轴移动梳齿（14）与X轴梳齿状静电制动器（11）上带有的X轴固定梳齿（12）相互配合并活动嵌套；Y轴移动梳齿（13）开设在活动平台（5）两端的Y轴正负方向上，且该Y轴移动梳齿（13）与Y轴梳齿状静电制动器（9）上带有的Y轴固定梳齿（10）相互配合并活动嵌套；
X+轴焊盘（15）固定在位于X轴正方向上的X轴梳齿状静电制动器（11）上，X-轴焊盘（16）固定在位于X轴负方向上的X轴梳齿状静电制动器（11）上，Y+轴焊盘（17）固定在位于Y轴正方向上的Y轴梳齿状静电制动器（9）上，Y-轴焊盘（18）固定在位于Y轴负方向上的Y轴梳齿状静电制动器（9）上，GND焊盘（19）固定在接地层（2）上。
2.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：2个X轴移动梳齿（14）的中轴线均与活动支架（4）的长轴重叠，2个Y轴移动梳齿（13）的中轴线均与活动支架（4）的短轴延长线重叠。
3.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：X轴移动梳齿（14）的上表面及其与之配合的X轴固定梳齿（12）的上表面处于同一水平高度上；Y轴移动梳齿（13）的上表面及其与之配合的Y轴固定梳齿（10）的上表面处于同一水平高度上。
4.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：2个X轴移动梳齿（14）均为外梳齿结构，与之相相配合的2个X轴固定梳齿（12）为内梳齿结构；2个Y轴移动梳齿（13）为内梳齿结构，与之相相配合的2个Y轴固定梳齿（10）为外梳齿结构。
5.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：X轴固定梳的梳齿厚度大于X轴移动梳齿（14）的梳齿厚度；Y轴固定梳的梳齿厚度大于Y轴移动梳齿（13）的梳齿厚度。
6.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：2个X轴柔性铰链（7）和2个Y轴柔性铰链（6）均呈双锥型，即呈两端厚度逐渐往中间缩减的结构。
7.根据权利要求1所述的一种可双轴旋转的MEMS微镜芯片，其特征在于：所述接地层（2）均呈正方形片状，此时活动支架（4）长轴和短轴分别与接地层（2）的2条对角线重叠。
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