CN208872943U - 一种新型二维扫描微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型二维扫描微镜，包括镜面和多组支撑装置，所述支撑装置通过弹性部件与所述镜面相连；单组所述支撑装置包括导向梁和第一梳齿对，所述导向梁为T形结构，所述导向梁由第一导向梁和第二导向梁组成，所述第一导向梁的一端由所述第二导向梁中部延伸出，另一端通过所述弹性部件与所述镜面相连。本实用新型的二维扫描微镜，通过设置多组支撑装置，且在支撑装置中设置了T形导向梁用于连接镜面和动梳齿，从而实现镜面的二维运动，不需要驱动额外的可动框架，不需要采用填充式电隔离槽，减少了制作工序，降低了制作成本。

Description

一种新型二维扫描微镜

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域，尤其涉及一种新型二维扫描微镜。

背景技术

自1980年第一款扫描式硅镜发布以来，微机电系统，micro electromechanicalsystems，以下简称MEMS，被广泛应用于光学扫描领域，并发展出大量的技术及产品。光学扫描领域已经成为了MEMS研究的重要方向。而随着技术的发展，在过去的十年间，微型投影技术和众多的医学成像技术的应用，成为了当前MEMS光学扫描装置，尤其是激光扫描装置发展的主要方向。微型投影技术的发展，促使了一系列新型产品的出现，比如手机大小的微型激光投影仪或者带有激光投影功能的智能手机、驾驶车辆时车内放置的可用于显示导航信息的抬头显示器HUD，虚拟现实技术VR、增强现实技术AR等在内的各种可穿戴设备等。

静电驱动是MEMS微镜的主要驱动方式之一。工作时，通过周期性的电信号驱动微镜，产生静电力，使微镜的镜面作周期性运动。

现有的静电驱动式二维微镜，通过在一维可动镜面的外部再增加一个可动的框架来实现。可动框架和镜面均位于微镜装置的空腔上方，悬空设置。可动框架与固定框架一样，均设置有电隔离槽以划分出若干电势相互独立的区域。但是，可动框架上排布的电隔离槽必须为填充式电隔离槽，在制作时需经过沟槽刻蚀、绝缘层淀积/氧化、多晶硅填充等多道工序，这大大增大了生产工艺的复杂度，增加了生产成本。同时，为了驱动新增的可动框架，需要提供更大的驱动力，消耗更多的能量。

因此，有必要对现有的二维扫描微镜进行改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型二维扫描微镜。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种新型二维扫描微镜，包括镜面和多组支撑装置，多组所述支撑装置围绕所述镜面的中心等间距分布，所述支撑装置通过弹性部件与所述镜面相连；

单组所述支撑装置包括导向梁和第一梳齿对，所述导向梁为T形结构，所述导向梁由第一导向梁和第二导向梁组成，所述第一导向梁的一端由所述第二导向梁中部延伸出，另一端通过所述弹性部件与所述镜面相连；所述第一梳齿对包括第一动梳齿和第一静梳齿，所述第一动梳齿设置于所述第二导向梁两侧。

进一步地，单组所述支撑装置还包括第二梳齿对，所述第二梳齿对包括第二动梳齿和第二静梳齿，所述第二动梳齿设置于所述第一导向梁两侧。

可选地，所述第二静梳齿与所述第一静梳齿之间保持电隔离。

可选地，所述第二静梳齿与所述第一静梳齿电连接。

进一步地，还包括固定框架，所述固定框架设置于所述镜面四周，所述第一静梳齿与所述第二静梳齿均固定设置于所述固定框架上。

进一步地，所述第一动梳齿与所述第一静梳齿相互交错排布，所述第二动梳齿与所述第二静梳齿相互交错排布。

进一步地，所述固定框架靠近所述镜面一侧设置有锚点，所述锚点四周设置有电隔离槽，所述锚点与所述固定框架电隔离。

进一步地，所述电隔离槽将所述固定框架分隔成多个电势独立的区域，每个所述电势独立的区域中均设置有一组所述支撑装置。

进一步地，所述电隔离槽为分隔式电隔离槽。

进一步地，所述支撑装置还包括扭转轴，所述第二导向梁两端均通过所述扭转轴与所述锚点相连。

进一步地，沿X轴方向的所述第二导向梁的宽度为D1，沿Y轴方向的所述第二导向梁的宽度为D2，且D1＜D2。

进一步地，沿X轴方向的所述扭转轴的长度为L1，宽度为W1；沿Y轴方向的所述扭转轴的长度为L2，宽度为W2，且L1≥L2，W1≤W2。

进一步地，所述锚点与所述固定框架上均设置有焊盘，所述焊盘为金属焊盘。

进一步地，所述微镜采用SOI晶圆制成，所述SOI晶圆由一层或多层单晶硅器件层、一层或多层二氧化硅掩埋层和单晶硅衬底层依次堆叠而成；所述SOI晶圆中设置有空腔，所述镜面、所述弹性部件与所述支撑装置均设置于所述空腔上方。

进一步地，所述支撑装置有四组。

进一步地，所述弹性部件包括第一弹性部件、第二弹性部件和第三弹性部件。

可选地，所述第一弹性部件为直线形，所述第二弹性部件为折线形，所述第三弹性部件为Y形。

可选地，所述第一弹性部件与所述第三弹性部件均为直线形，所述第二弹性部件为框形。

可选地，所述弹性部件为弹簧。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型提供了一种新型二维扫描微镜，通过设置多组支撑装置，且在支撑装置中设置了T形导向梁用于连接镜面和动梳齿，从而实现镜面的二维运动，不需要驱动额外的可动框架，降低了微镜的能耗。

(2)本实用新型提供了一种新型二维扫描微镜，在导向梁上设置了两组梳齿对，增加的梳齿对可接入独立电信号，避免其他信号的干扰，从而实现对微镜进行检测和并反馈检测结果。

(3)本实用新型的新型二维扫描微镜，在导向梁上设置了两组梳齿对，增加了驱动力，从而提高了镜面的振幅。

(4)本实用新型的新型二维扫描微镜，不存在可动框架，不需要设置填充式电隔离槽，从而使微镜的生产成本和工艺复杂度大大降低。

(5)本实用新型的新型二维扫描微镜，仅需要通过传统的深刻蚀工艺便可完成加工，制作工艺简单、可靠性高、重复性好，可进行大批量制作。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本实用新型的一种新型二维扫描微镜的俯视图。

图2是本实用新型的一种新型二维扫描微镜的剖视图。

图3是本实用新型的一种新型二维扫描微镜的弹性部件的一种结构示意图。

图4是本实用新型的一种新型二维扫描微镜的弹性部件的另一种结构示意图。

图5是本实用新型的一种新型二维扫描微镜的弹性部件的第三种结构示意图。

图6是本实用新型的另一种结构的新型二维扫描微镜的局部结构俯视图。

图7是本实用新型的第三种结构的新型二维扫描微镜的局部结构俯视图。

其中，图中附图标记对应为：101-镜面，102-弹性部件，102a-第一弹性部件，102b-第二弹性部件，102c-第三弹性部件，103-导向梁，103a-第一导向梁，103b-第二导向梁，104-第一梳齿对，104a-第一静梳齿，104b-第一动梳齿，204-第二梳齿对，204a-第二静梳齿，204b-第二动梳齿，105-扭转轴，106-锚点，107-固定框架，107a-第一固定框架，107b-第二固定框架，107c-第三固定框架，107d-第四固定框架，108-电隔离槽，109-焊盘，110-空腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1-3。如图所示，本实用新型公开了一种新型二维扫描微镜，包括镜面101和四组支撑装置，四组所述支撑装置围绕所述镜面101的中心等间距分布，所述支撑装置通过弹性部件102与所述镜面101相连；所述镜面101的上表面蒸镀有金属反射层，材料为金，厚度在50～500nm之间。

单组所述支撑装置包括导向梁103和第一梳齿对104，四组所述导向梁103之间电连接；所述导向梁103为T形结构，所述导向梁103由第一导向梁103a和第二导向梁103b组成，所述第一导向梁103a的一端由所述第二导向梁103b中部延伸出，另一端通过所述弹性部件102与所述镜面101相连；所述第一梳齿对104包括第一动梳齿104b和第一静梳齿104a，所述第一动梳齿104b与所述第一静梳齿104a相互交错排布，所述第一动梳齿104b设置于所述第二导向梁103b两侧。

本实施例中第一梳齿对可以是采用单层器件层SOI结构的平面梳齿或垂直梳齿，也可以是采用双层SOI结构的垂直梳齿，还可以是经过减薄的梳齿结构等。梳齿的种类、形状、尺寸、数目等，均可根据实际需要进行设计。

沿X轴方向的所述第二导向梁103b的宽度为D1，沿Y轴方向的所述第二导向梁103b的宽度为D2，且D1＜D2。

还包括固定框架107，所述固定框架107设置于所述镜面101四周，所述第一静梳齿104a与所述第二静梳齿204a均固定设置于所述固定框架107上。

所述固定框架107靠近所述镜面101一侧设置有锚点106，所述锚点106四周设置有电隔离槽108，所述锚点106与所述固定框架107电隔离。所述电隔离槽108将所述固定框架107分隔成四个电势独立的区域，分别为第一固定框架107a，第二固定框架107b，第三固定框架107c和第四固定框架107d，四组所述支撑装置分别对应设置在四个固定框架中。所述电隔离槽108为分隔式电隔离槽。

所述支撑装置还包括扭转轴105，所述第二导向梁103b两端均通过扭转轴105与所述锚点106相连。

所述扭转轴105有两组，沿X轴方向的扭转轴105长度为L1，宽度为W1；沿Y轴方向的扭转轴105的长度为L2，宽度为W2；且L1≥L2，W1≤W2。

通过设计导向梁103和扭转轴105的尺寸，使镜面101沿X轴方向转动的模态位于较低的频率，沿Y轴方向转动的模态位于较高的频率，从而得到振动频率高低搭配的二维微镜。不同于传统的二维扫描微镜，本实施例的二维微镜不需要设置额外的可动框架，不需要形成填充式电隔离槽，仅需进行一次深刻蚀即可形成所有的器件层结构。因此，相较于传统的二维扫描微镜，本实施例的二维扫描微镜具有制作工艺简单、可靠性高、重复性好的特点，特别适用于大规模量产。

所述锚点106的上表面与所述固定框架107的上表面均设置有金属焊盘109。所述金属焊盘109通过金属蒸镀工艺形成，材料为金，厚度在50～500nm之间。通过引线连接所述金属焊盘109，可将外部电路提供的电信号接入微镜中。

所述金属焊盘109的数目、尺寸和具体的排布位置可根据实际需要进行设计。

所述微镜采用SOI晶圆制成，所述SOI晶圆由一层或多层单晶硅器件层、一层或多层二氧化硅掩埋层和单晶硅衬底层依次堆叠而成；单层所述单晶硅器件层厚度在10～100μm之间，单层所述二氧化硅掩埋层厚度在0.1～3μm之间，单层所述单晶硅衬底层厚度在100～800μm之间。

所述微镜的器件结构均在所述单晶硅器件层上刻蚀而成。

所述SOI晶圆中设置有空腔110，通过刻蚀单晶硅衬底层和二氧化硅掩埋层形成，深度在100μm～600μm之间。

扫描微镜中的可动结构包括：镜面101，弹性部件102，导向梁103，第一动梳齿104b和扭转轴105。

上述可动结构和静梳齿104a均设置于所述空腔110的正上方。

如图3所示，所述弹性部件102包括第一弹性部件102a、第二弹性部件102b和第三弹性部件102c。本实施例中的弹性部件102为弹簧。

所述第一弹性部件102a为直线形，所述第二弹性部件102b为折线形，所述第三弹性部件102c为Y形，所述第三弹性部件102c与所述镜面101之间具有两个接触点。

需要说明的是，弹性部件102并不局限于弹簧，也可以是其他弹性结构；且本实施例中弹簧的形状、尺寸等基本特征均可根据实际需要进行设计，以满足相应的机械性能的要求。

实施例2

请参阅图4、6。如图所示，本实用新型公开了一种新型二维扫描微镜，本实施例在实施例1的基础上，增加了第二梳齿对204，所述第二梳齿对204包括第二动梳齿204b和第二静梳齿204a，所述第二动梳齿204b设置于所述第一导向梁103a两侧，所述第二静梳齿204a设置于所述固定框架107上，所述第二静梳齿204a与所述第一静梳齿104a电连接。

所述第二梳齿对204成对增加，以保持结构的平衡，包括以下三种情况：X轴方向上的两根第一导向梁103a同时增加所述第二梳齿对204；或者Y轴方向上的两根第一导向梁103a同时增加所述第二梳齿对204；或者X轴和Y轴方向上的四根第一导向梁103a同时增加所述第二梳齿对204。本实施例增加的第二梳齿对204增加了驱动力，从而提高了镜面的振幅。

本实施例中第二梳齿对可以是采用单层器件层SOI结构的平面梳齿或垂直梳齿，也可以是采用双层SOI结构的垂直梳齿，还可以是经过减薄的梳齿结构等。梳齿的种类、形状、尺寸、数目等，均可根据实际需要进行设计。

此外，本实施例中的弹性部件102不同于实施例1，如图4所示，该弹性部件102包括第一弹性部件102a、第二弹性部件102b和第三弹性部件102c，所述第一弹性部件102a与所述第三弹性部件102c均为直线形，其中所述第三弹性部件102c与所述镜面101连接，且其宽度、刚性均大于所述第一弹性部件102a，所述第二弹性部件102b为框形。

需要说明的是，弹性部件102并不局限于弹簧，也可以是其他弹性结构；且本实施例中弹簧的形状、尺寸等基本特征均可根据实际需要进行设计，以满足相应的机械性能的要求。

实施例3

请参阅图5、7。如图所示，本实用新型公开了一种新型二维扫描微镜，本实施例在实施例2的基础上进行了进一步改进。

所述第一静梳齿104a所在的固定框架107区域与所述第二静梳齿204a所在的固定框架107区域之间设置有电隔离槽108，所述第二静梳齿204a所在的固定框架区域还设置有焊盘109，通过引线和所述焊盘109可将独立的电信号接入所述第二静梳齿204a中，从而避免其他信号的干扰，从而实现对微镜进行检测和并反馈检测结果。

此外，本实施例中的弹性部件102不同于实施例1、2，如图5所示，该弹性部件102包括第一弹性部件102a、第二弹性部件102b和第三弹性部件102c，所述第一弹性部件102a与所述第三弹性部件102c均为直线形，其中所述第三弹性部件102c与所述镜面101连接，且其宽度、刚性均大于所述第一弹性部件102a，所述第二弹性部件102b为两个相连的框形。

需要说明的是，弹性部件102并不局限于弹簧，也可以是其他弹性结构；且本实施例中弹簧的形状、尺寸等基本特征均可根据实际需要进行设计，以满足相应的机械性能的要求。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，对本实用新型的技术方案进行了进一步详细说明，并不用于限定本实用新型的保护范围，应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型二维扫描微镜，其特征在于，包括镜面(101)和多组支撑装置，多组所述支撑装置围绕所述镜面(101)的中心等间距分布，所述支撑装置通过弹性部件(102)与所述镜面(101)相连；

单组所述支撑装置包括导向梁(103)和第一梳齿对(104)，所述导向梁(103)为T形结构，所述导向梁(103)由第一导向梁(103a)和第二导向梁(103b)组成，所述第一导向梁(103a)的一端由所述第二导向梁(103b)中部延伸出，另一端通过所述弹性部件(102)与所述镜面(101)相连；所述第一梳齿对(104)包括第一动梳齿(104b)和第一静梳齿(104a)，所述第一动梳齿(104b)设置于所述第二导向梁(103b)两侧。

2.根据权利要求1所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，单组所述支撑装置还包括第二梳齿对(204)，所述第二梳齿对(204)包括第二动梳齿(204b)和第二静梳齿(204a)，所述第二动梳齿(204b)设置于所述第一导向梁(103a)两侧。

3.根据权利要求2所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述第二静梳齿(204a)与所述第一静梳齿(104a)之间保持电隔离。

4.根据权利要求2所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述第二静梳齿(204a)与所述第一静梳齿(104a)电连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，还包括固定框架(107)，所述固定框架(107)设置于所述镜面(101)四周，所述第一静梳齿(104a)与所述第二静梳齿(204a)均固定设置于所述固定框架(107)上。

6.根据权利要求5所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述固定框架(107)靠近所述镜面(101)一侧设置有锚点(106)，所述锚点(106)四周设置有电隔离槽(108)，所述锚点(106)与所述固定框架(107)电隔离；所述电隔离槽(108)将所述固定框架(107)分隔成多个电势独立的区域，每个所述电势独立的区域中均设置有一组所述支撑装置。

7.根据权利要求6所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述支撑装置还包括扭转轴(105)，所述第二导向梁(103b)两端均通过所述扭转轴(105)与所述锚点(106)相连。

8.根据权利要求7所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，沿X轴方向的所述第二导向梁(103b)的宽度为D1，沿Y轴方向的所述第二导向梁(103b)的宽度为D2，且D1＜D2，沿X轴方向的所述扭转轴(105)的长度为L1，宽度为W1；沿Y轴方向的所述扭转轴(105)的长度为L2，宽度为W2，且L1≥L2，W1≤W2。

9.根据权利要求8所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述锚点(106)与所述固定框架(107)上均设置有焊盘(109)，所述微镜采用SOI晶圆制成，所述SOI晶圆由一层或多层单晶硅器件层、一层或多层二氧化硅掩埋层和单晶硅衬底层依次堆叠而成；所述SOI晶圆中设置有空腔(110)，所述镜面(101)、所述弹性部件(102)与所述支撑装置均设置于所述空腔(110)上方。

10.根据权利要求1或8所述的一种新型二维扫描微镜，其特征在于，所述支撑装置有四组。