CN101226274A - 压电驱动的可变形反射镜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学器件技术领域的压电驱动的可变形反射镜及其制造方法。本发明反射镜中,底座的上面是四个PZT压电驱动器,在四个PZT压电驱动器上面键合了带有四个支撑柱的硅反射镜面,硅反射镜面的边框与底座相连,当施加可调节的电压时,PZT压电驱动器产生的法向压电力使硅反射镜面的中心部分发生板形变最大,形成一个凹凸面。制造方法包括:①带四个支撑柱的硅反射镜面部分的制作工艺;②底座部分的制作工艺;③PZT压电驱动器的制作工艺及Si-Au共晶合金键合。本发明可变形反射镜是由法向压电力来驱动的,只需通过改变施加的外加电压的大小就可快速准确的调节微反射镜焦点,比以往的微反射镜结构更简单,更容易阵列化和变焦控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种微光学器件技术领域的反射镜及其制造方法,具体是一种压电驱动的可变形反射镜及其制造方法。
背景技术
可变形反射镜不仅作为自适应光学***的核心部件,担负波前误差校正的任务,而且在天文望远镜以及详查相机上也得到了应用。近几年来还成功地在光束净化、光束整形、激光腔内像差校正以及医学人眼像差的检测与校正等多方面都得到了应用。结合MEMS技术制作出微型、集成化的可变形反射镜将成为热点。典型的自适应光学***是利用波前传感器检测入射光的波前畸变,然后通过控制器向波前校正设备发出控制信号,控制可变形反射镜镜面的动作,使镜面发生形变。当镜面形状与畸变相位满足相位共轭关系时,畸变就会被抵消掉,使波前得到恢复,成像分辨率得到提高。按照驱动方式的不同,传统的可变形反射镜可以分为:压电驱动式,静电驱动式,电磁驱动式,电致伸缩驱动式,热驱动式,液压驱动式等。其中压电驱动式的可变形反射镜响应速度最快。压电驱动式的可变形反射镜的工作原理是利用压电材料做成电极,当给电极施加一定的电压时,在压电效应的作用下,电极会带动反射镜面发生相应的形变。
经对现有的技术文献的检索发现,三星电机株式会社的专利——“衍射薄膜压电微镜及其制造方法”,中国申请号200410089738,该专利是属于以压电工作方式工作的衍射薄膜压电微镜,该衍射薄膜压电微镜包括其上形成凹部以为其中心提供气隙的硅衬底,以及具有带状的压电镜面层,在其两端沿凹部的两端粘附到硅衬底,同时在其中心部分与凹部的底部隔开,以及包括当电压施加到压电材料层时在其中心部分可垂直移动且因此衍射入射光束的薄膜压电材料层。通过分析可以看出这种可变形反射镜的设计和制作工艺等还有待改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种压电驱动的可变形反射镜及其制造方法。本发明只需简单的通过改变施加在切片机加工的PZT压电陶瓷驱动器的外加电压的大小就可以达到快速,准确的调节反射镜焦点的目的,比以往的可变形反射镜结构更简单,更容易阵列化和变焦控制,而且具有驱动电极多,形变量大的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及的压电驱动的可变形反射镜,包括带四个支撑柱的硅反射镜面、四个PZT(压电陶瓷)压电驱动器、底座。其中,底座由玻璃基板和硅基板键合而成,位于整个反射镜的最下面,底座的上面是四个PZT压电驱动器,在四个PZT压电驱动器上面键合了带有四个支撑柱的硅反射镜面,硅反射镜面的边框与底座相连,整个结构结合紧凑,加工简单。
所述PZT(压电陶瓷)压电驱动器,当施加可以调节的电压时,产生的法向压电力使硅反射镜面的中心部分发生板形变最大,形成一个凹凸面,凹凸面变形的大小与压电力的大小有直接关系。当施加正电压时会形成凹面,凹面变形随着电压的增大而增大;当施加负电压时会形成凸面,凸面变形随着电压的增大而增大。所以微反射镜的焦点可由外加电压的大小来快速准确的调节。本发明的压电驱动的可变形反射镜是由法向压电力来驱动的。
本发明所涉及的压电驱动的可变形反射镜的制造方法,具体包括如下步骤:
①带四个支撑柱的硅反射镜面部分的制作工艺;
②底座部分的制作工艺;
③PZT压电驱动器的制作工艺及Si-Au共晶合金键合。
所述的反射镜部分的制作工艺,具体为:首先,准备好用于光刻处理的掩模板,利用UV光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的硅片表面。其次,用ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)工艺对硅片中的硅进行第一次刻蚀。然后,再准备好用于光刻处理的第二块掩模板,利用UV光刻技术和用ICP-RIE将设计好的掩模板结构图案转移到硅片上,即用ICP-RIE对硅片中的硅进行第二次刻蚀,形成带有四个支撑柱的硅反射镜部分,最后再进行平面镜镜面Al的蒸镀,形成反射镜。
所述的底座部分的制作工艺,具体为:首先,准备好用于光刻处理的掩模板,利用UV光刻与显影技术将设计好的电极转移在用玻璃基板和硅基板键合而成的基片的硅表面。
所述底座部分的制作工艺中的掩模板,其底座是由玻璃层和硅层自上而下通过阳极键合形成的。
步骤①②工艺其实是相同种类的工艺,材料也是相同的,所不同的是分别对厚硅和薄硅进行刻蚀,这样便于阵列化批量加工。
所述硅反射镜与PZT驱动器的Si-Au共晶合金键合,是指:将加工好的硅反射镜背面镀金膜与驱动器的表面也镀金,通过Si-Au共晶合金键合形成驱动联接。
本发明涉及的压电驱动的可变形反射镜,它的原理是利用压电驱动力驱动产生形变来使得微反射镜发生形变。整个加工过程完全可以通过基于半导体硅材料微制造方法来制作,而背景技术中的“衍射薄膜压电微镜及其制造方法”是利用压电材料制作的压电镜面层进行工作的。本发明中基于切片机加工制作压电驱动器;基于硅材料上加工制作出的微反射镜,硅材料上蒸镀铝作为镜面层;工艺实现简便,使得整个器件整体性好,精度更高。
与背景技术相比,本发明微反射镜是压电驱动的焦点可变微反射镜,从材料、结构及工艺上都对现有的可变形反射镜做了改进,整个微反射镜仅由三个部分组成,但同时集成了四个PZT压电驱动器,当驱动电压从0V增加到200V时,微反射镜的可从0线性变为160nm,适合快速精准的调节;而且基于硅工艺的加工方法,非常适合于集成制作不同规模的微反射镜阵列只需简单的通过改变施加的外加电压的大小就可以快速准确的调节微反射镜焦点,比以往的微反射镜结构更简单,更容易阵列化和变焦控制。本发明可以应用在光通信等领域中。
附图说明
图1是本发明压电驱动的可变形反射镜的结构示意图;
图2是本发明带四个支撑柱的硅反射镜部分的制作流程图;
其中:图a为厚硅片,b为硅片经过第一次光刻与刻蚀,c为硅片经过第二次光刻与刻蚀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示,本实施例中的压电驱动的可变形反射镜是由压电驱动器产生法向力来驱动的,具体结构包括:带四个支撑柱的硅反射镜面1、四个的PZT压电驱动器2、底座3。底座3位于整个反射镜的最下面,底座3的上面是四个PZT压电驱动器2,在四个PZT压电驱动器2上面键合了带有四个支撑柱的硅反射镜面1,硅反射镜面1的边框与底座3相连,整个结构结合紧凑,加工简单。
所述反射镜面1与底座3都是用硅材料加工的。
所述底座3是用玻璃基板和硅基板键合而成的。切片机加工的PZT压电驱动器,当施加可以调节的电压时,产生的力使中心部分发生板形变最大,所以形成一个凹凸面,凹凸面变形的大小与压电力的大小有直接关系,当施加正电压时会形成凹面,凹面变形随着电压的增大而增大;当施加负电压时会形成凸面,凸面变形随着电压的增大而增大。所以微反射镜的焦点可由外加电压的大小来快速准确的调节。本实施例的压电驱动的可变形反射镜是由法向压电力来驱动的。
上述压电驱动的可变形反射镜的制造方法分为4个子工艺:带四个支撑柱的硅反射镜部分的制作工艺(如图2所示)、底座部分的制作工艺、PZT压电驱动器的制作工艺、底座部分与驱动器之间及驱动器与反射镜之间的Si-Au共晶合金键合工艺。
如图2所示,带四个支撑柱的硅反射镜部分的制作工艺:镜面结构是在硅片上加工的,这个硅晶片厚度为2mm。具体为:首先,准备好用于光刻处理的掩模板,利用UV光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的硅片表面。其次,用ICP-RIE(感应耦合反应离子刻蚀)工艺对硅片中的硅进行第一次刻蚀,刻蚀深度为1000微米。然后,再准备好用于光刻处理的第二块掩模板,利用UV光刻技术和用ICP-RIE将设计好的掩模板结构图案转移到硅片上,即用ICP-RIE对硅片中的硅进行第二次刻蚀,刻蚀深度为800微米。形成带有四个高度为1.8mm支撑柱,四个高度为0.4mm的与PZT驱动器连接的小柱台硅反射镜(厚度约为200微米)部分,最后再进行反射镜镜面Al的蒸镀,形成厚度为200微米的反射镜。
底座部分的制作工艺为:底座是在一个玻璃和硅片组成的基板上加工的,这个基板由硅片和玻璃片通过阳极键合而成,自上而下分别为200um的Si层和1000um的玻璃衬底。首先,利用蒸镀工艺镀0.1微米厚的金,再利用UV光刻与显影技术在底座中央形成金电极和引线焊点。
PZT压电驱动器的制作工艺:用普通的切硅片的切片机,加工四个的高度为1.4mm,面积为1mm×1mmm的PZT压电驱动器。
底座部分与驱动器之间及驱动器与反射镜之间的Si-Au共晶合金键合工艺:将加工好的底座部分底与驱动器都镀100nm的金,通过阳极键合机,在550℃温度,真空度为760毫巴,键合时间为2小时,实现Si-Au共晶合金键合;同样的键合条件,还实现驱动器与反射镜的Si-Au共晶合金键合。最后形成压电驱动的可变形反射镜器件。
本实施例制作的单个微反射镜结构尺寸为15*15mm2,当驱动电压从0V增加到200V时,微反射镜的可从0线性变为160nm,适合快速精准的调节;而且基于硅工艺的加工方法,非常适合于集成制作不同规模的微反射镜阵列。总之,该微镜只需简单的通过改变施加的外加电压的大小就可以快速准确的调节微反射镜焦点,比以往的可变形反射镜结构更简单,更容易阵列化和变焦控制。
Claims (9)
1.一种压电驱动的可变形反射镜,包括:带四个支撑柱的硅反射镜面、四个PZT压电驱动器、底座,其特征在于,底座由玻璃基板和硅基板键合而成,位于整个反射镜的最下面,底座的上面是四个PZT压电驱动器,在四个PZT压电驱动器上面键合了带有四个支撑柱的硅反射镜面,硅反射镜面的边框与底座相连,当施加可调节的电压时,PZT压电驱动器产生的法向压电力使硅反射镜面的中心部分发生板形变最大,形成一个凹凸面。
2.根据权利要求1所述的压电驱动的可变形反射镜,其特征是,所述凹凸面,当施加正电压时形成凹面;当施加负电压时形成凸面。
3.一种压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,包括如下步骤:
①带四个支撑柱的硅反射镜面部分的制作工艺,
所述的反射镜部分的制作工艺,具体为:首先,准备好用于光刻处理的掩模板,利用UV光刻与显影技术将设计好的掩模板结构图案转移在掩模板的硅片表面,其次,用感应耦合反应离子刻蚀工艺对硅片中的硅进行第一次刻蚀,然后,再准备好用于光刻处理的第二块掩模板,利用UV光刻技术和用感应耦合反应离子刻蚀工艺将设计好的掩模板结构图案转移到硅片上,即用感应耦合反应离子刻蚀工艺对硅片中的硅进行第二次刻蚀,形成带有四个支撑柱的硅反射镜部分,最后再进行平面镜镜面Al的蒸镀,形成反射镜;
②底座部分的制作工艺,
所述的底座部分的制作工艺,具体为:首先,准备好用于光刻处理的掩模板,利用UV光刻与显影技术将设计好的电极转移在用玻璃基板和硅基板键合而成的基片的硅表面;
③PZT压电驱动器的制作工艺及Si-Au共晶合金键合,
所述硅反射镜与PZT驱动器的Si-Au共晶合金键合,是指:将加工好的硅反射镜背面镀金膜与驱动器的表面镀金,通过Si-Au共晶合金键合形成驱动联接。
4.根据权利要求3所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述反射镜部分的制作工艺中,镜面结构是在硅片上加工的,这个硅晶片厚度为2mm。
5.根据权利要求3或5所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述反射镜部分的制作工艺中,第一次刻蚀深度为1000微米,第二次刻蚀深度为800微米。
6.根据权利要求3或5所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述反射镜部分的制作工艺中,四个支撑柱带高度为1.8mm,带有四个支撑柱的硅反射镜高度为0.4mm,厚度为200微米。
7.根据权利要求3所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述底座部分的制作工艺中,底座是在一个玻璃和硅片组成的基板上加工的,这个基板由硅片和玻璃片通过阳极键合而成,自上而下分别为200um的Si层和1000um的玻璃衬底。
8.根据权利要求3所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述PZT压电驱动器的制作工艺中,用普通的切硅片的切片机,加工四个高度为1.4mm、面积为1mm×1mmm的PZT压电驱动器。
9.根据权利要求3所述的压电驱动的可变形反射镜制造方法,其特征是,所述Si-Au共晶合金键合工艺,具体为:将加工好的底座部分底与驱动器都镀100nm的金,通过阳极键合机,在550℃温度,真空度为760毫巴,键合时间为2小时,实现Si-Au共晶合金键合;同样的键合条件,实现驱动器与反射镜的Si-Au共晶合金键合,最后形成压电驱动的可变形反射镜器件。
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