CN212276106U - 一种紧凑型二维微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种紧凑型二维微镜，包括镜面、可动框架和第一扭转轴，通过在所述镜面Y轴方向设置凹槽，所述第一扭转轴设于所述凹槽内，所述第一扭转轴的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架相连，所述第一扭转轴的大部分位于所述镜面内，缩小了Y轴方向的空间，使得整体结构更紧凑；另外通过将所述第一动梳齿设于所述镜面的边缘，所述第一静梳齿设于所述可动框架上，与所述第一动梳齿交错排布，Y轴方向不需要设置驱动杆来排布梳齿，进一步缩小了二维微镜的Y轴方向尺寸，降低了成本。

Description

一种紧凑型二维微镜

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种紧凑型二维微镜。

背景技术

自1980年第一款扫描式硅镜发布以来，微机电系统，microelectromechanicalsystem，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，其Y轴扭转轴排布在镜面之外，占用空间大；另外为了排布Y轴方向的梳齿，需在镜面外延伸出一定长度的驱动杆，均造成了微镜的尺寸过大，尤其是针对大镜面微镜而言，其整体尺寸达到厘米量级，成本高不利于批量生产。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是现有二维微镜Y轴方向占用空间大，造成整体尺寸大、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种紧凑型二维微镜，包括镜面、可动框架和第一扭转轴，所述可动框架环绕所述镜面设置；

所述镜面设有凹槽，所述第一扭转轴设于所述凹槽内，所述第一扭转轴的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架相连；

所述镜面的边缘设有第一动梳齿，所述第一动梳齿沿Y轴方向排布，所述可动框架上靠近所述镜面的一侧设有第一静梳齿，所述第一静梳齿和所述第一动梳齿同一平面内交错排布。

进一步的，所述二维微镜装置由SOI晶圆制成，所述SOI晶圆包括第一器件层；

所述镜面、所述可动框架和所述第一扭转轴均位于所述第一器件层；

所述第一器件层还包括驱动杆，所述驱动杆沿X轴方向设置，所述驱动杆的一端和所述可动框架刚性连接，所述驱动杆上设有第二动梳齿。

进一步的，所述SOI晶圆还包括第二器件层；

所述第二器件层设有第二静梳齿，所述第二静梳齿和所述第二动梳齿垂直方向上交错排布。

进一步的，所述第一器件层还包括第二扭转轴和第一固定框架，所述第一固定框架设于所述可动框架外围，所述第二扭转轴的一端和所述可动框架连，所述第二扭转轴的另一端和所述第一固定框架相连。

进一步的，所述第二动梳齿包括第二外梳齿和第二内梳齿；

所述第二外梳齿排布在所述驱动杆靠近所述第一固定框架的一侧，所述第二内梳齿排布在所述驱动杆远离所述第一固定框架的一侧。

进一步的，所述第一固定框架靠近所述可动框架的一侧设有锚点，所述锚点向所述镜面方向延伸有连接杆，所述连接杆的一端和所述锚点相连，所述连接杆的另一端和所述第二扭转轴相连。

进一步的，所述驱动杆的数量为4个，其中两个所述驱动杆分布于所述可动框架的一侧，另两个所述驱动杆对称分布于所述可动框架的另一侧；

所述连接杆的数量为2个，其中一个所述连接杆位于其中两个所述驱动杆之间，另一个所述连接杆位于另两个所述驱动杆之间。

进一步的，所述可动框架上设有第一电隔离槽，所述第一电隔离槽为分隔式电隔离槽，所述第一电隔离槽将所述镜面和所述可动框架电隔离；

所述第二器件层包括加固框架，所述加固框架和所述可动框架的位置相配合；所述加固框架的宽度为T1，所述可动框架的宽度为T2，其中0.5≤T1/T2≤1.5。

进一步的，所述第一电隔离槽朝所述镜面延伸的一端的宽度逐渐增大。

进一步的，所述可动框架上还设有若干个减重孔，所述减重孔分布在所述第一电隔离槽关于X轴和Y轴对称的位置。

采用上述技术方案，本实用新型所述的二维微镜具有如下有益效果：

本实用新型所述二维微镜，通过在所述镜面Y轴方向设置凹槽，所述第一扭转轴设于所述凹槽内，所述第一扭转轴的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架相连，所述第一扭转轴的大部分位于所述镜面内，缩小了Y轴方向的空间，使得整体结构更紧凑；另外通过将所述第一动梳齿设于所述镜面的边缘，所述第一静梳齿设于所述可动框架上，与所述第一动梳齿交错排布，Y轴方向不需要设置驱动杆来排布梳齿，进一步缩小了二维微镜的Y轴方向尺寸，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种二维微镜；

图2为本实用新型实施例的一种二维微镜的侧视图；

图3为本实用新型实施例的一种第一器件层；

图4为本实用新型实施例的一种第二器件层；

图5为图1中A-A方向的断面图；

图6为图3中a框的细节图；

图7为图3中b框的细节图；

图8为本实用新型实施例的一种衬底层；

以下对附图作补充说明：

110-第一器件层；111-镜面；112-可动框架；113a-第一扭转轴；113b-第二扭转轴；114a-第一动梳齿；114b-第一静梳齿；115-驱动杆；116-第二动梳齿；116m-第二外梳齿；116n-第二内梳齿；117-第一固定框架；118-锚点；119-连接杆；120-第一电隔离槽；121-孤岛结构；122-导电块；123-减重孔；

210-第一绝缘层；

310-第二器件层；311-凹槽；312-加固框架；313-第二电隔离槽；316-第二静梳齿；

410-第二绝缘层；

510-衬底层；511-空腔；512-支撑杆。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例1：

如图1和图3所示，一种紧凑型二维微镜，包括镜面111、可动框架112和第一扭转轴113a，所述可动框架112环绕所述镜面111设置；

所述镜面111设有凹槽，所述第一扭转轴113a设于所述凹槽内，所述第一扭转轴113a的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴113a的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架112相连；

所述镜面111的边缘设有第一动梳齿114a，所述第一动梳齿114a沿Y轴方向排布，所述可动框架112上靠近所述镜面111的一侧设有第一静梳齿114b，所述第一静梳齿114b和所述第一动梳齿114a同一平面内交错排布。

通过上述技术方案的实施，本实用新型所述二维微镜，通过在所述镜面111的Y轴方向设置凹槽，所述第一扭转轴113a设于所述凹槽内，所述第一扭转轴113a的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴113a的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架112相连，所述第一扭转轴113a的大部分位于所述镜面111内，缩小了Y轴方向的空间，使得整体结构更紧凑；另外通过将所述第一动梳齿114a设于所述镜面111的边缘，所述第一静梳齿114b设于所述可动框架112上，与所述第一动梳齿114a交错排布，Y轴方向不需要设置驱动杆来排布梳齿，进一步缩小了二维微镜的Y轴方向尺寸，降低了成本。

所述镜面111的上表面蒸镀有金属反射层，材料为金或铝，厚度在50～500nm之间，所述镜面111的直径为1～20mm。

如图2和图3所示，所述二维微镜由SOI晶圆制成，所述SOI晶圆包括第一器件层110、第一绝缘层210和第二器件层310；

所述镜面111、所述可动框架112和所述第一扭转轴113a均位于所述第一器件层110，所述第一扭转轴113a为所述二维微镜提供Y轴方向的偏转；

所述第一器件层110还包括驱动杆115，所述驱动杆115沿X轴方向设置，所述驱动杆115的一端和所述可动框架112刚性连接，所述驱动杆115上设有第二动梳齿116。

该实施例中，所述驱动杆115的数量为四个，其中两个所述驱动杆115分布于所述可动框架112的一侧，另两个所述驱动杆115对称分布于所述可动框架112的另一侧；需要说明的是，所述驱动杆115的形状和尺寸根据实际需求进行调整的均在本实用新型的保护范围内。

如图4和图5所示，所述第二器件层310设有第二静梳齿316，所述第二静梳齿316和所述第二动梳齿116垂直方向上交错排布，共同组成X轴驱动梳齿结构，所述X驱动梳齿结构为动静梳齿垂直排布；

需要说明的是，本实用新型其他实施例中所述X轴驱动梳齿结构也可采用平面排布，其中所述第二静梳齿316设置在第一器件层110上，与所述第二动梳齿116交错排布。

如图3所示，所述第一器件层110还包括第二扭转轴113b和第一固定框架117，所述第一固定框架117设于所述可动框架112外围，所述第二扭转轴113b的一端和所述可动框架112相连，所述第二扭转轴113b的另一端和所述第一固定框架117相连，所述第二扭转轴113b为所述二维微镜提供X轴方向的偏转。

该实施例中，如图3所示，所述第二动梳齿116包括第二外梳齿116m和第二内梳齿116n，所述X轴驱动梳齿结构为双排梳齿驱动结构，所述第二外梳齿116m排布在所述驱动杆115靠近所述第一固定框架117的一侧，所述第二内梳齿116n排布在所述驱动杆115远离所述第一固定框架117的一侧。

需要说明的是，本实用新型其他实施例中，根据实际需求也可设计成单排梳齿结构或者多排梳齿结构，均属于本实用新型的保护范围；另外，本实用新型实施例中未对所述梳齿结构的数目、尺寸、间距等特征作说明，所述梳齿结构的数目、尺寸、间距等具体特征均需根据实际的需求进行设计，因此其他实施例中对所述梳齿结构进行调整和修改的，均在本实用新型的保护范围内。

所述可动框架112上设有第一电隔离槽120，所述第一电隔离槽120为分隔式电隔离槽，所述第一电隔离槽120将所述镜面111和所述可动框架112电隔离；

如图4所示，所述第二器件层310包括加固框架312，所述加固框架312和所述可动框架112的位置相配合。

如图6所示，所述第一电隔离槽120还设于所述可动框架112上部靠近所述第一扭转轴113a的位置，所述第一电隔离槽120包围出一孤岛结构121，所述孤岛结构121经由所述第一绝缘层210和所述加固框架312与所述可动框架112连接在一起，所述加固框架312设有一凹槽311，所述凹槽311的开口方向朝向所述第一扭转轴113a；所述可动框架112、所述第一电隔离槽120、所述孤岛结构121和所述凹槽311构成了应力缓解结构，缓解了由所述第一扭转轴113a带来的应力集中。

其中，所述第一电隔离槽120朝所述镜面111延伸的一端的宽度逐渐增大，所述第一电隔离槽120呈楔形状，所述可动框架112上形成一切角β，所述孤岛结构121靠近所述第一扭转轴113a的部分具有切角α，该实施例中，切角α和β为直切角，角度在20度～80度之间；其他实施例中，切角α和β也可以是具有弧度的圆切角，角度根据实际需求进行设计，仅改变切角的类型和角度的均属于本实用新型的保护范围。

所述凹槽311的形状可以是矩形，也可以是半圆形，或者是其它形状，且所述凹槽311的大小是根据实际需求进行设计的，因此仅改变所述凹槽311的形状和大小的均属于本实用新型的保护范围。

如图3和图8所示，所述第一固定框架117靠近所述可动框架112的一侧设有锚点118，所述锚点118向所述镜面111方向延伸有连接杆119，所述连接杆119的一端和所述锚点118相连，所述连接杆119的另一端和所述第二扭转轴113b相连，所述连接杆119的一部分悬空，另一部分由所述衬底层510上的支撑杆512所支撑，而且其宽度小于所述支撑杆512。

该实施例中，所述连接杆119的数量为两个，其中一个所述连接杆119位于其中两个所述驱动杆115之间，另一个所述连接杆119位于另两个所述驱动杆115之间。

所述连接杆119还设有X轴应力缓解槽，所述X轴应力缓解槽可缓解由所述第二扭转轴113b传导的应力。

所述锚点118的表面上设置有金属焊盘，所述金属焊盘通过金属蒸镀工艺形成；该实施例中，所述金属焊盘材料为金，厚度在50～500nm之间。

具体的，如图7所示，通过引线连接所述金属焊盘，外部电路提供的电信号由锚点118引入，经过所述连接杆119和导电块122传递到所述第一动梳齿114a，其中所述导电块122由两条所述第一电隔离槽120隔离出的区域；另外，被所述第一电隔离槽120分隔开的区域将由所述加固框架312固定，所述加固框架312位于所述第二器件层310，其与所述可动框架112之间夹有所述第一绝缘层210，达到两层之间绝缘的效果；需要说明的是，本实用新型所述锚点118和所述金属焊盘的数目、尺寸和具体的排布位置需要根据实际情况进行设计。

所述加固框架312的宽度为T1，所述可动框架112的宽度为T2，其中0.5≤T1/T2≤1.5，所述加固框架312的厚度范围可在10～100μm之间变化。

需要说明的是，仅对所述加固框架312尺寸或厚度的变化均在本实用新型的保护范围内；另外，所述第一电隔离槽120和所述加固框架312的排布位置根据实际情况有不同的组合设计方式的均属于本实用新型的保护范围。

如图4所示，所述第二器件层310设有第二电隔离槽313，靠近所述第二静梳齿316的位置设有金属焊盘，同时所述第一器件层110上设有窗口，所述窗口开口至所述第二器件层310的金属焊盘，通过引线将外部电路信号从所述金属焊盘引入到所述第二静梳齿316。

如图3和图7所示，所述可动框架112上还设有若干个减重孔123，所述减重孔123分布在所述第一电隔离槽120关于X轴和Y轴对称的位置。

如图2所示，所述SOI晶圆还包括第二绝缘层410和衬底层510，所述SOI晶圆由所述第一器件层110、所述第一绝缘层210、所述第二器件层310、所述第二绝缘层410和所述衬底层510从上至下依次堆叠形成；

其中，所述第一绝缘层210和所述第二绝缘层410均为二氧化硅掩埋层，所述衬底层为单晶硅衬底层，所述第一器件层110和所述第二器件层310的厚度在10～100μm之间，所述二氧化硅掩埋层的厚度在0.1～3μm之间，所述单晶硅衬底层的厚度在100～800μm之间。

如图8所示，所述SOI晶圆设有空腔511，定义了所述二维微镜的可动范围，所述空腔511通过刻蚀所述衬底层510和所述第二绝缘层410形成。所述镜面111、所述第一扭转轴113a、所述驱动杆115、所述X轴梳齿结构和所述Y轴梳齿结构均位于所述空腔511的正上方。

本实用新型的伸入式扭转轴以及直接在镜面边缘排布梳齿的设计，很大程度上缩小了MEMS微镜的纵向尺寸，使得MEMS微镜的结构更加的紧凑；另外，通过将所述第一电隔离槽120与所述加固框架312组合在一起，不仅将两轴之间的电信号有效地隔离，而且能将可动框架112上被分隔区域固定在一起，同时又能加固驱动杆115的刚性，提高微镜的可靠性。更重要的是，这种分隔式电隔离槽与背部加固结构相组合的设计，使得工艺更加简单，大大地降低了生产成本。另外，通过所述应力缓解结构，有效地解决了应力集中问题，更进一步地提高了二维微镜的可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑型二维微镜，其特征在于：包括镜面(111)、可动框架(112)和第一扭转轴(113a)，所述可动框架(112)环绕所述镜面(111)设置；

所述镜面(111)设有凹槽，所述第一扭转轴(113a)设于所述凹槽内，所述第一扭转轴(113a)的一端和所述凹槽底部相连，所述第一扭转轴(113a)的另一端超出所述凹槽顶部与所述可动框架(112)相连；

所述镜面(111)的边缘设有第一动梳齿(114a)，所述第一动梳齿(114a)沿Y轴方向排布，所述可动框架(112)上靠近所述镜面(111)的一侧设有第一静梳齿(114b)，所述第一静梳齿(114b)和所述第一动梳齿(114a)同一平面内交错排布。

2.根据权利要求1所述的二维微镜，其特征在于：所述二维微镜由SOI晶圆制成，所述SOI晶圆包括第一器件层(110)；

所述镜面(111)、所述可动框架(112)和所述第一扭转轴(113a)均位于所述第一器件层(110)；

所述第一器件层(110)还包括驱动杆(115)，所述驱动杆(115)沿X轴方向设置，所述驱动杆(115)的一端和所述可动框架(112)刚性连接，所述驱动杆(115)上设有第二动梳齿(116)。

3.根据权利要求2所述的二维微镜，其特征在于：所述SOI晶圆还包括第二器件层(310)；

所述第二器件层(310)设有第二静梳齿(316)，所述第二静梳齿(316)和所述第二动梳齿(116)垂直方向上交错排布。

4.根据权利要求2所述的二维微镜，其特征在于：

所述第一器件层(110)还包括第二扭转轴(113b)和第一固定框架(117)，所述第一固定框架(117)设于所述可动框架(112)外围，所述第二扭转轴(113b)的一端和所述可动框架(112)相连，所述第二扭转轴(113b) 的另一端和所述第一固定框架(117)相连。

5.根据权利要求4所述的二维微镜，其特征在于：所述第二动梳齿(116)包括第二外梳齿(116m)和第二内梳齿(116n)；

所述第二外梳齿(116m)排布在所述驱动杆(115)靠近所述第一固定框架(117)的一侧，所述第二内梳齿(116n)排布在所述驱动杆(115)远离所述第一固定框架(117)的一侧。

6.根据权利要求5所述的二维微镜，其特征在于：

所述第一固定框架(117)靠近所述可动框架(112)的一侧设有锚点(118)，所述锚点(118)向所述镜面(111)方向延伸有连接杆(119)，所述连接杆(119)的一端和所述锚点(118)相连，所述连接杆(119)的另一端和所述第二扭转轴(113b)相连。

7.根据权利要求6所述的二维微镜，其特征在于：所述驱动杆(115)的数量为4个，其中两个所述驱动杆(115)分布于所述可动框架(112)的一侧，另两个所述驱动杆(115)对称分布于所述可动框架(112)的另一侧；

所述连接杆(119)的数量为2个，其中一个所述连接杆(119)位于其中两个所述驱动杆(115)之间，另一个所述连接杆(119)位于另两个所述驱动杆(115)之间。

8.根据权利要求3所述的二维微镜，其特征在于：所述可动框架(112)上设有第一电隔离槽(120)，所述第一电隔离槽(120)为分隔式电隔离槽，所述第一电隔离槽(120)将所述镜面(111)和所述可动框架(112)电隔离；

所述第二器件层(310)包括加固框架(312)，所述加固框架(312)和所述可动框架(112)的位置相配合；

所述加固框架(312)的宽度为T1，所述可动框架(112)的宽度为T2，其中0.5≤T1/T2≤1.5。

9.根据权利要求8所述的二维微镜，其特征在于：所述第一电隔离槽(120)朝所述镜面(111)延伸的一端的宽度逐渐增大。

10.根据权利要求8所述的二维微镜，其特征在于：

所述可动框架(112)上还设有若干个减重孔(123)，所述减重孔(123)分布在所述第一电隔离槽(120)关于X轴和Y轴对称的位置。

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