CN101718910B

CN101718910B - 静电振镜及其制作方法

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Publication number: CN101718910B
Application number: CN2009102372991A
Authority: CN
Inventors: 陈庆华; 吴文刚; 杜博超; 贾鲲鹏; 张海霞; 夏雨; 郝一龙
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: CN101718910A

Abstract

本发明涉及一种静电振镜及其制作方法，该静电振镜由下至上包括衬底、驱动层、振镜层，衬底至少表面绝缘；驱动层包括：驱动电极、着陆电极、键合点、导线，驱动电极用于提供驱动电压以及外部管脚的连接，以振镜中心线为对称线设置于中心线两侧，用于控制振镜一个维度的振动；着陆电极两两以中心线为对称线设置于中心线两侧，并通过键合与振镜层相连，使得着陆电极与振镜层悬臂梁电位相同；振镜层包括：振镜、支架、悬臂梁，振镜两端与悬臂梁连接，支架固定于衬底，悬臂梁与支架连接，为鱼骨形结构，具有末端可接触到着陆电极的多根不同长度的齿状子梁，允许振镜产生扭动。本发明的静电振镜制造工艺简单、成本低，可靠性高。

Description

静电振镜及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，尤其涉及一种静电振镜及其制作方法。

背景技术

激光极强的方向性使其不借助透镜就能在相当一段距离内保持光点的质量。结合将激光进行扫描的扫描设备，可以开发出一系列激光器件，如激光投影机、条码扫描、舞台激光等。以往的激光扫描设备一般都使用扫描棱镜或电磁振镜***，因其结构特点，当要实现多维扫描时，需有两个以上的旋转棱镜，或是与另一个振镜共同作用才能完成扫描，导致整个***体积笨重，结构复杂，功效低，且难以实现高速扫描，从而限制该类激光器件的发展。

采用微电子机械***(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)技术实现的静电振镜因具有体积小、结构简单、能耗低、高扫描速度和性能稳定等优点，现正逐渐取代传统激光扫描器件成为小功率快速激光扫描器件领域的发展方向。目前，基于该器件技术已成功开发出一系列高性能设备，如条码扫描和激光投影机等，年产值达到数十亿美元。绝大多数MEMS静电振镜主要由可动镜面、悬臂梁和电极构成。振镜在工作过程中，当驱动电极的电压过高，或受到某种极大的扰动时，振镜将有可能越过静电力与悬臂梁回弹力的临界点，而被迅速吸向驱动电极造成粘连或放电烧毁振镜，从而导致器件失效。为此，需配套防电压过冲的稳压模块并在振镜之下增加防粘层，因此将提高整体成本和制造工艺的复杂度。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电振镜及其制作方法，静电振镜制造工艺简单、成本低，可靠性高，可克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供的一种静电振镜，由下至上包括衬底、驱动层、振镜层，所述衬底至少表面绝缘；所述驱动层包括：驱动电极、着陆电极、键合点以及导线，所述驱动电极用于提供驱动电压以及外部管脚的连接，以振镜的中心线为对称线设置于所述中心线两侧，用于控制振镜一个维度的振动；所述着陆电极两两以所述中心线为对称线设置于所述中心线两侧，并通过键合与所述振镜层相连，使得所述着陆电极与所述振镜层的悬臂梁电位相同；所述振镜层包括：振镜、支架以及悬臂梁，所述振镜两端与所述悬臂梁连接，所述支架固定于所述衬底上，所述悬臂梁与所述支架连接，为鱼骨形结构，具有末端可接触到所述着陆电极的多根不同长度的齿状子梁，可允许连接的所述振镜产生扭动。

其中，所述振镜层至少包括相对于所述振镜对称设置的两个悬臂梁。

其中，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁垂直。

其中，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁垂直，且所述子梁末端为Y形结构。

其中，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁保持一定倾斜角度。

其中，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁为与所述主梁垂直或倾斜一定角度的折叠结构。

本发明还提供了一种静电振镜的制作方法，该方法包括步骤：

S1.制作至少表面绝缘的衬底：

S2.在所述衬底上沿所述衬底厚度方向制作掩膜，并使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成驱动层；

S3.去除掩膜，并在制好所述驱动层的衬底上制作振镜层牺牲层；

S4.使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成振镜层，并使用掩膜，对所述振镜层进行结构成型刻蚀，使其形成设定形状；

S5.去除所述牺牲层以及掩膜。

其中，步骤S1中二氧化硅作为所述衬底，或使用导电或半导体材料进行绝缘化处理作为所述衬底。

其中，步骤S1中使用P型或N型硅材料作为所述衬底。

其中，步骤S2中，在所述P型硅衬底上制作掩膜，向所述P型硅衬底中掺入N型杂质，形成所述驱动层。

其中，步骤S3中所述振镜层牺牲层可先置于所述制好驱动层的衬底表面，然后平坦化处理，再由掩膜刻蚀制作形成。

其中，步骤S4中还包括：通过表面薄膜工艺在所述导电材料上生成一层金属，以增加振镜的反射率。

本发明提出的静电振镜，当振镜越过静电力与悬臂梁回弹力的临界点时，悬臂梁的刚度可根据振镜越过临界点的程度自动调整，调整后的悬臂梁的回弹力的临界点大于静电力，振镜将自动地移回至安全位置，从而避免器件失效；无需稳压模块和防粘层，有效地降低了静电振镜的制作成本，减小了振镜***的体积；同时，本发明的静电振镜结构简单，利于实现扫描***的集成化，由于采用静电驱动并使用悬臂梁支撑结构，使应用本发明的扫描***具有高速扫描，低功耗，基本无机械摩擦和磨损小等优良性能。

附图说明

图1(a)-图1(c)为依照本发明一种实施方式的静电振镜结构示意图；

图2(a)-图2(d)为依照本发明一种实施方式的静电振镜悬臂梁的结构示意图；

图3(a)-图3(f)为依照本发明一种实施方式的静电振镜制作方法中驱动层的制作示意图；

图4(a)-图4(e)为依照本发明一种实施方式的静电振镜制作方法中振镜层的制作示意图；

图5(a)-图5(c)为依照本发明一种实施方式的静电振镜制作方法中振镜层采用化学-机械抛光简化工艺的制作示意图。

具体实施方式

本发明提出的静电振镜及其制作方法，结合附图和实施例详细说明如下。

如图1(a)-图1(c)所示，其中，图1(a)为依照本发明一种实施方式的静电振镜立体分立图，图1(b)为依照本发明一种实施方式的静电振镜结构立体图，图1(c)为依照本发明一种实施方式的静电振镜结构剖面图，本发明的静电振镜包括：

衬底10：图中斜条纹所示，衬底10至少表面绝缘，是整个振镜的载体和制造平台，所有的其他结构都制作于衬底10上。优选地，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10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。作为选择，如果将驱动电极直接通过杂质掺入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅作为衬底10。

驱动层20：图中黑色所示，驱动层由驱动电极200、着陆电极201、键合点202和连接导线组成。

驱动层20是整个振镜的制动结构，可以通过在两个驱动电极200上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。两驱动电极200以振镜的中心线(如图1(a)和图1(b)中振镜中心的虚线)为对称线设置于中心线的两侧用于控制振镜的一个维度(自由度)的振动。

着陆电极201是振镜的保护结构。本实施方式的静电振镜共有四个着陆电极201，两两以振镜的中心线为对称线对称设置在中心线的两侧，驱动电极200的左右两边。当驱动电极200的电压过高，或受到某种极大的扰动时，振镜300将有可能越过静电力与悬臂梁回弹力的临界点，而被迅速吸向驱动电极200造成粘连或放电烧毁振镜。这时，通过着陆电极201和可变扭转刚度悬臂梁的共同作用，可避免振镜300与驱动电极200的接触，也就避免了振镜300的损坏。

驱动层20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银、铝，也可以是别的材料，如氧化铟锡(ITO)等。作为选择，驱动层20也可以由P型硅衬底材料上通过图形掩模掺入适量N型杂质如P和As等，直接在衬底10上制得。

振镜层30：图中格纹所示，振镜层30由可反射激光的振镜300、支架301及悬臂梁构成。

振镜层30是最重要的结构，由可以反光的导电材料制成，用于反射照射在其上的激光，当振镜300镜面受静电力作用偏转时，反射激光随之偏转。振镜300要求尽可能的平整光洁，其两端与悬臂梁连接。

支架301固定于衬底10上，同时固定部分还可以用作键合点202，由引线和外部管脚连接。

悬臂梁与支架301相连，具有一定弹性，允许振镜300产生扭动，为一种鱼骨形结构，具有多根不同长度的齿状子梁。当受到外力作用时，可以扭转变形，以提供必要的扭转量以及回弹力。当驱动电极200的电压过高，或受到某种极大的扰动时，振镜300将有可能越过静电力与悬臂梁回弹力的临界点，而被迅速吸向驱动电极200。这时，悬臂梁的一齿状子梁末端可以接触到着陆电极201而支撑住振镜300。因此，悬臂梁的有效长度发生改变，从而悬臂梁的扭转刚度发生改变，悬臂梁回弹力将超过静电力而发生回弹，从而避免了振镜300与驱动电极200的接触，也就避免了振镜***的损坏。同时，由于支架301与着陆电极201相接触，保证了着陆电极201与悬臂梁电位相同，避免其相互粘连。悬臂梁上的多种不同长度的齿状子梁，使得悬臂梁具有抗多种程度Pull-in效应的能力。

为了保持镜体偏转时的稳定以及减小振镜300的谐振，一个振镜300应至少有2个悬臂梁支撑，但不限于2个。本发明悬臂梁的形状可以是但不限于图2a所示的形状，图中黑色部分为振镜300结构，格纹部分为悬臂梁结构，两悬臂梁对称的设置于振镜300两侧，主梁连线与振镜300中心线重合，主梁上设置有与主梁垂直的齿状子梁。如图2b所示，齿状子梁末端为Y形结构，该结构当与着陆电极201发生接触时，悬臂梁更稳定。如图2c所示，悬臂梁的齿状子梁还可为与主梁保持一定的倾斜角度。如图2d所示，悬臂的子梁还可以是与主梁垂直或倾斜一定角度的折叠结构。

图3-5为依照本发明一种实施方式的静电振镜的加工方法。这是一种基于微机电***(MEMS)工艺的制造方法。制作步骤只给出了剖面示意图，以便更好地说明如何在衬底上制作驱动层以及振镜层。

本发明方法包括步骤：

S1.制作至少表面绝缘的衬底：

衬底10可以是绝缘性好、易于制备和切割绝缘体，如玻璃(二氧化硅)等；也可以由其他导电材料经过绝缘处理制成，如氧化或淀积绝缘层等。作为选择，如果将驱动层20直接通过参杂入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅材料作为衬底10。

S2.在衬底10上沿衬底10厚度方向制作掩膜，并使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成驱动层20：

如图3a所示，首先，在衬底10上制作图形掩模；这层掩模可以是光刻胶，或者其他的牺牲材料，如氧化物。接着，如图3b所示，使用表面加工工艺，制作驱动层，这种工艺可以是蒸镀、溅射、电镀或其他方法，然后除去掩模，即可将掩模不需要的驱动层其他部分一起去除，形成所需的驱动层20，驱动层20不宜过厚，完成后，即可得到如图3c的驱动层20。作为选择，也可以使用P型硅衬底，在此衬底10上制作图形掩模，然后使用掺杂工艺向P型硅衬底10中掺入适当浓度的N型杂质如P和As等，使参杂区域周围形成反向的PN结，使其形成驱动层20电路。

S3.去除掩膜，并在制好驱动层20的衬底10上制作振镜层牺牲层；

S4.使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成振镜层，并使用掩膜，对振镜层30进行结构成型刻蚀，使其形成设定形状；

图4a-图4e表示了振镜层的一种制作方法。如图4a所示，首先在制好驱动层20的衬底10上制作振镜层牺牲层401。此振镜层牺牲层401可以直接使用光刻胶制成，也可以先在制好驱动层20的衬底10上生长出牺牲层，然后平坦化处理，再由掩模刻蚀制成，然后在振镜层牺牲层401上使用表面加工工艺，制成振镜层30。振镜层牺牲层401可以使用PSG磷硅玻璃等。

如图4d，在制好的振镜层30上面再制作一层图形掩模，并用该图形掩模对振镜层30进行刻蚀。完成后即可得到图4e所示的结构，为了达到更好的反射效果，可对振镜层30进行化学-机械(CMP)抛光。

S5.除去所有的振镜层牺牲层401以及掩模，即可得到本发明的静电振镜的最终成品，如图1所示。

作为选择，如果振镜层30需要做化学-机械抛光，那么振镜层30的制作则可以使用图5a-图5c所示的制作方法，以减去刻蚀振镜层即步骤S5的工序。首先，如图4b所示，步骤S3中直接在制好驱动层20的衬底10上制作振镜层牺牲层401。然后如图5a所示，紧接着振镜层牺牲层401上面再制作另一层掩模501。此掩模501的图形与图4e的图形正好相反(即互补)，厚度比所需振镜层30略厚，其材料可以是光刻胶等，也可以是与振镜层牺牲层401一样的材料。接着，如图5b所示，在此振镜层牺牲层401上制作振镜层30，此工艺与驱动层20的制作工艺完全一样，而其厚度应略大于所需厚度。随后将其整个进行化学-机械抛光(CMP)。当振镜层30抛光至所需厚度时，由于掩模501的厚度比所需振镜层30略厚，而其上的不需要的振镜层30与略厚出振镜层30的掩模均已被研磨掉，则只剩下需要的振镜层部分，如图5c所示。最后除去所有的振镜层牺牲层401及掩模501，即可得到该静电振镜的最终成品。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种静电振镜，由下至上包括衬底、驱动层、振镜层，其特征在于，

所述衬底至少表面绝缘；

所述驱动层包括：驱动电极、着陆电极、键合点以及导线，所述驱动电极用于提供驱动电压以及外部管脚的连接，以振镜的中心线为对称线设置于所述中心线两侧，用于控制振镜一个维度的振动；所述着陆电极两两以所述中心线为对称线设置于所述中心线两侧，并通过键合与所述振镜层相连，使得所述着陆电极与所述振镜层的悬臂梁电位相同；

所述振镜层包括：振镜、支架以及悬臂梁，所述振镜两端与所述悬臂梁连接，所述支架固定于所述衬底上，所述悬臂梁与所述支架连接，所述悬臂梁为鱼骨形结构，具有末端可接触到所述着陆电极的多根不同长度的齿状子梁，可允许连接的所述振镜产生扭动。

2.如权利要求1所述的静电振镜，其特征在于，所述振镜层至少包括相对于所述振镜对称设置的两个悬臂梁。

3.如权利要求2所述的静电振镜，其特征在于，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁垂直。

4.如权利要求2所述的静电振镜，其特征在于，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁垂直，且所述子梁末端为Y形结构。

5.如权利要求2所述的静电振镜，其特征在于，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁与所述主梁保持一定倾斜角度。

6.如权利要求2所述的静电振镜，其特征在于，所述两个悬臂梁的主梁连线与所述振镜的中心线重合，子梁为与所述主梁垂直或倾斜一定角度的折叠结构。

7.一种静电振镜的制作方法，该方法包括步骤：

S1.制作至少表面绝缘的衬底：

S2.在所述衬底上沿所述衬底厚度方向制作掩膜，并使用表面薄膜工艺将导电材料制成驱动层；

S4.使用表面薄膜工艺将导电材料制成振镜层，并使用掩膜，对所述振镜层进行结构成型刻蚀，使其形成设定形状；

S5.去除所述牺牲层以及掩膜；

其中，步骤S2中的驱动层包括：驱动电极、着陆电极、键合点以及导线，所述驱动电极用于提供驱动电压以及外部管脚的连接，以振镜的中心线为对称线设置于所述中心线两侧，用于控制振镜一个维度的振动；所述着陆电极两两以所述中心线为对称线设置于所述中心线两侧，并通过键合与所述振镜层相连，使得所述着陆电极与所述振镜层的悬臂梁电位相同；

步骤S4中的所述设定形状为：形成的振镜层包括：振镜、支架以及悬臂梁，所述振镜两端与所述悬臂梁连接，所述支架固定于所述衬底上，所述悬臂梁与所述支架连接，所述悬臂梁为鱼骨形结构，具有末端可接触到所述着陆电极的多根不同长度的齿状子梁，可允许连接的所述振镜产生扭动。

8.如权利要求7所述的静电振镜的制作方法，其特征在于，步骤S1中二氧化硅作为所述衬底，或使用导电或半导体材料进行绝缘化处理作为所述衬底。

9.如权利要求7所述的静电振镜的制作方法，其特征在于，步骤S1中使用P型或N型硅材料作为所述衬底。

10.如权利要求9所述的静电振镜的制作方法，其特征在于，步骤S2中，在所述P型硅衬底上制作掩膜，向所述P型硅衬底中掺入N型杂质，形成所述驱动层。

11.如权利要求7所述的静电振镜的制作方法，其特征在于，步骤S3中所述振镜层牺牲层先置于所述制好驱动层的衬底表面，然后平坦化处理，再由掩膜刻蚀制作形成。

12.如权利要求7所述的静电振镜的制作方法，其特征在于，步骤S4中还包括：通过表面薄膜工艺在所述导电材料上生成一层金属，以增加振镜的反射率。