CN105607249A - 一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜 - Google Patents

一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单侧不等高梳齿驱动微扭转镜，其器件层用于制作微扭转镜的可动镜面结构及其上的反射层、扭转支承梁及其固定锚点、动静梳齿对、静梳齿锚点及焊盘等结构；基底层用于制作背腔；埋氧层用于器件层和基底层的电隔离。为了克服其于SOI制作的等高梳齿驱动微扭转镜起振方向不可控，且通过电容检测无法识别方向的问题，本发明提出了通过改变梳齿的厚度，把扭转支承梁一侧的动梳齿和静梳齿制作成不等高梳齿对，另一侧保持为等高梳齿对，使扭转支承梁两侧梳齿对电容最大值位置偏离扫描镜的结构平衡位置，以实现制作出的微扭转镜起振方向确定，并且给通过电容检测提供方向信息，从而实现闭环控制。

Description

一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜
【技术领域】
本发明属于微光机电(MOEMS)领域，涉及微机电***(MEMS)技术、微加工技术，具体涉及一种基于SOI工艺的单侧不等高梳齿静电驱动的微扭转镜及其制备方法。
【背景技术】
微扭转镜与传统光束偏转元件相比，具有能耗低、微型化、易集成等优点，在消费电子、通信、生物医药、军事国防等领域的应用不断扩展，是光学MEMS领域研究的热点。静电梳齿驱动的微扭转镜，特别是基于单片绝缘体上硅(SOI)制作的垂直无偏移梳齿驱动的微扭转镜，结构简单，能量密度大，可以实现大转角，并大大简化了工艺难度，降低了制作成本。
为了实现静电梳齿驱动微扭转镜稳定可靠的工作，需要对其进行闭环控制，目前主要通过外加光电探测器和电容检测的方式实现。但前者需要外加高速光电探测器和触发二极管来实现，使整个***的设计变得复杂，制作成本高昂；通过电容检测仅通过电器元件即可实现，便于集成，利于降低成本，更适合于商业普及应用。
但由于基于SOI制作的垂直无偏移梳齿驱动的微扭转镜起振方向随机；且梳齿间电容在平衡位置最大，偏离平衡位置的两个方向梳齿电容都减小，因此利用梳齿间电容变化得到的反馈信号也不能反应出起振方向。
【发明内容】
本发明提供了一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜及其制备方法，通过单侧不等高梳齿对的设置使扭转支承梁两侧梳齿对电容最大值的位置偏离可动镜面的结构平衡位置，以实现制作出的各个微扭转镜起振方向一致，并且给电容反馈提供振动方向信息。
本发明采用以下技术方案：
一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，包括位于中间的可动镜面结构和位于可动镜面结构外周的静梳齿锚点，所述可动镜面结构在对称的两侧与静梳齿锚点之间分别设置有第一隔离沟槽和第二隔离沟槽，用以分别容置第一梳齿结构和第二梳齿结构，在梳齿结构中，静梳齿和动梳齿构成一个梳齿对，在第一梳齿结构的梳齿对中，不等高梳齿对的数量为a，在第二梳齿结构的梳齿对中，不等高梳齿对的数量为b，且a≠b，0≤a≤N，0≤b≤N，其中，N为梳齿结构中梳齿对的数量。
由静梳齿和动梳齿组成的不等高梳齿对，所述静梳齿和动梳齿的下端部平齐，上端部存在高度差。
在多个不等高梳齿对中，动梳齿和静梳齿的高度差相同。
所述静梳齿锚点在朝向第一隔离沟槽和第二隔离沟槽的一端分别设置有低于静梳齿锚点所在平面的台阶部，静梳齿自静梳齿锚点的台阶部自由端朝向第一或第二隔离沟槽内延伸而成，所述动梳齿自可动镜面结构的端部朝向第一或第二隔离沟槽内延伸而成。
对于第一和第二梳齿结构而言，其梳齿对的数量相等，但是，不等高结构的数量不等，等高结构的数量不等。
所述可动镜面结构两侧的静梳齿厚度不同，动梳齿厚度相同。
在所述第一梳齿结构和第二梳齿结构的***进一步设置两组相对布置的第三梳齿结构和第四梳齿结构，构成二维微扭转镜。
所述可动镜面结构通过第一扭转支撑梁固定到可动框架上，所述可动框架通过第二扭转支撑梁固定到固定锚点上，实现可动框架结构与可动镜面结构的电容最大值位置偏离其机械平衡位置。
所述可动镜面结构与可动框架和静梳齿锚点，三者之间两两绝缘。
所述第一梳齿结构和第二梳齿结构的梳齿布置在以可动镜面结构的中心为圆心的同心圆的内层圆周上，所述第三梳齿结构和第四梳齿结构布置在以可动镜面结构的中心为圆心的同心圆的外层圆周上，且所述第一扭转支撑梁和第二扭转支撑梁正交。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在本发明微扭转镜结构中，采用单侧不等高梳齿对的结构，即在两侧的梳齿对中，其不等高梳齿对的数量不等，由此，可以微扭转镜梳齿间电容最大值位置与微扭转镜的机械结构平衡位置产生一定偏差，给微扭转镜施加驱动信号后，起振方向不再是随机的；同时微扭转镜往复振动过程中，往不同方向振动，梳齿对间的电容值变化也会有微小偏差，从而也可以给通过实时检测梳齿间电容提供微扭转镜振动方向信息，以实现微扭转镜闭环控制。
【附图说明】
图1：单侧不等高梳齿驱动一维微扭转镜结构图；
图2：不等高梳齿对结构图；
图3：等高梳齿对结构图；
图4：单侧不等高梳齿驱动二维微扭转镜结构图。
【具体实施方式】
实施例1
本发明提出一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，所述微扭转镜由SOI硅片制成，主要由器件层1-a、埋氧层1-b、基底层1-c三层组成，其结构如图1所示。基底层1-c用于制作背腔结构，给可动镜面提供活动空间；埋氧层1-b用于器件层1-a和基底层1-c的电隔离；器件层1-a用于制作微扭转镜的各部分结构，包括可动镜面结构1-7及其上的反射层1-8、第一扭转支承梁1-5a、1-5b及其梁固定锚点1-4a、1-4b、第一梳齿结构1-1和第二梳齿结构1-6、梳齿锚点及焊盘1-3a、1-3b等；其中，第一梳齿结构1-1和第二梳齿结构1-6均由多个静梳齿和动梳齿构成，一个静梳齿和一个动梳齿构成一个梳齿对，也就是说，每一个梳齿结构由多个梳齿对构成，但是，第一梳齿结构1-1和第二梳齿结构1-6中的梳齿对数量相等。另外，请特别参阅图2和图3所示，在第一梳齿结构1-1和第二梳齿结构1-6中均包括含有0～N个不等高的梳齿对，其中，N为梳齿结构中总的梳齿对的数量，但是两侧的梳齿结构中，不等高梳齿对的数量不等。具体地说，两侧的梳齿结构中，可以均具有不等高的梳齿对，但是只要不等高梳齿对的数量不相等就可以，当然，也可以一侧全部是等高梳齿对，而另一侧包含有不等高梳齿对。
作为本发明的一种实施例，位于第一扭转支承梁两侧的梳齿结构中，动梳齿1-6a和静梳齿1-6b不等高，形成不等高梳齿对，位于扭转支承梁1-5另一侧的梳齿结构1-1中，动梳齿1-1a和静梳齿1-1b等高，形成等高梳齿对，使扭转支承梁1-5a、1-5b两侧梳齿结构的电容最大值的位置偏离可动镜面结构的结构平衡位置(平衡位置就是可动镜面结构在没有受力情况时的自然状态)，以实现制作出各个微扭转镜的起振方向一致，并且给电容反馈提供方向信息。
具体地，所述器件层包括位于中心的可动镜面结构1-7和位于外周的静梳齿锚点1-2，所述可动镜面结构1-7和静梳齿锚点1-2通过隔离沟槽1-9a、1-9b隔开，所述可动镜面结构1-7由一对第一扭转支承梁1-5a、1-5b分别固定到一对梁固定锚点1-4上，所述可动镜面结构1-7和第一扭转支撑梁1-5a、1-5b以及梁固定锚点1-4为一体结构，这样，可动镜面结构1-7通过梁固定锚点周围的隔离沟槽1-9a、1-9b与静梳齿锚点1-2实现电隔离。
在所述可动镜面结构与静梳齿锚点1-2之间的隔离沟槽内设置有由静梳齿和动梳齿构成的梳齿结构。所述静梳齿与动梳齿平行交错，其中，一侧隔离沟槽内的第一静梳齿1-1b和第一动梳齿1-1a为不等高结构，另外一侧隔离沟槽内的第二静梳齿1-6b和第二动梳齿1-6a为等高结构。然而，在本发明中，并不严格局限于扭转梁的一侧梳齿必须等高，另一侧梳齿对必须不等高，因为：一侧梳齿结构全部等高，另一侧梳齿结构部分等高，部分不等高，或者两侧的梳齿结构都是不等高，都可以实现机械平衡位置与电容最大值位置不一致，从而实现一样的效果。
试验时，通过给梁固定锚点1-4a、1-4b上的第一焊盘1-3b和静梳齿锚点1-2上的第二焊盘1-3a施加交变的驱动信号，动、静梳齿之间便有一定电压差，从而驱动微扭转镜镜面结构1-7绕扭转支撑梁1-5振动。
所述可动镜面结构1-7可根据具体需要设计成各种形状与厚度，如圆形、椭圆形、方形、多边形等或其组合形状；可动镜面结构的中心设置有反射层1-8，用于实现对入射光线的高效率反射，具体镀层根据反射光线的波长选择。
为了增大梳齿结构的驱动力，可动镜面结构1-7优选为圆形和多边形组合而成；所述反射层1-8呈圆形，反射层1-8材料优选为金膜，反射层1-8与第二和第一焊盘1-3a、1-3b一起制作。
所述第一扭转支承梁1-5a、1-5b用于支撑可动镜面结构1-7，第一扭转支承梁的根数、形状、尺寸根据微扭转镜所需刚度、模态频率与振型设计。在此，第一扭转支承梁1-5优选为矩形直梁，用于支撑镜面结构1-7。
对于每一个梳齿结构而言，所述静梳齿与动梳齿平行交错布置，其中，所述静梳齿自静梳齿锚点向隔离沟槽内延伸而成，所述动梳齿自可动镜面结构向隔离沟槽内延伸而成。另外，为了保证可动镜面结构1-7关于扭转支撑梁的对称性，保持可动镜面结构1-7两侧的动梳齿的梳齿厚度相同，两侧静梳齿1-1b、1-6b厚度不同。如此以来，微扭转镜梳齿间电容最大值位置与微扭转镜的机械结构平衡位置便有一定偏差，给微扭转镜的梁支承锚点1-4和静梳齿锚点1-2上的第二和第一焊盘1-3a、1-3b施加驱动信号后，起振方向不再是随机的；同时微扭转镜往复振动过程中，往不同方向振动，梳齿对间的电容值变化也会有微小偏差，从而也可以给通过实时检测梳齿间电容提供微扭转镜振动方向信息，以实现微扭转镜闭环控制。
实施例2
参阅图4，本实施例提出的一种基于SOI制作的单侧不等高梳齿驱动的二维微扭转镜，由器件层1-a、中间的埋氧层1-b、基底层1-c三层组成。基底层1-c制作背腔结构，给可动镜面结构1-7与可动框架6-4提供活动空间；埋氧层1-b用于器件层1-a和基底层1-c的电隔离。器件层1-a用于制作可动镜面结构1-7及其上的反射层1-8、可动镜面结构1-7的第一扭转支承梁1-5a和1-5b、可动镜面结构的第一梳齿结构、支承可动镜面结构第一扭转支撑梁的可动框架6-4、可动框架的第二扭转支撑梁6-8a和6-8b、驱动可动框架6-4的第二梳齿结构、静梳齿锚点1-2。
其中，位于第一扭转支承梁1-5a、1-5b一侧的第一动梳齿1-1a和第一静梳齿1-1b不等高；另一侧的第二动梳齿1-6a和第二静梳齿1-6b等高；位于第二扭转支承梁6-8a、6-8b一侧的第三动梳齿6-1a和第三静梳齿6-1b不等高；另一侧的第四动梳齿6-11a和第四静梳齿6-11b等高。从而分别实现可动镜面结构1-7与可动框架6-4的驱动梳齿对电容最大值的位置偏离其结构平衡位置，让两者各自的起振方向确定，并可以通过电容检测提供方向信息以实现闭环控制。
可动镜面结构1-7由第一扭转支承梁固定到可动框架结构6-4上，通过第一隔离沟槽1-9a、1-9b实现可动镜面结构1-7与可动框架6-4上的第二和第一动梳齿1-6a、1-1a与其对应第二和第一静梳齿1-6b、1-1b的电隔离；可动框架6-4由第二扭转支撑梁6-8a、6-8b支撑，第二扭转支撑梁6-8a、6-8b分别固定于其对应固定锚点6-6a、6-6b上，通过固定锚点6-6a、6-6b周围的第二隔离沟槽6-14a、6-14b与固定锚点6-6a、6-6b实现电隔离；第一扭转支撑梁与第二扭转支撑梁正交，可动镜面结构、可动框架、静梳齿锚点三者之间两两绝缘，通过给焊盘1-3a、1-3b、1-3c给三者施加交变的驱动信号，即可实现二维扫描。
在此，可动镜面结构1-7优选为圆形，其上的反射层1-8也呈圆形，反射层材料优选为金膜，与焊盘1-3a、1-3b、1-3c一起制作。可动框架6-4优选为椭圆环形，第一扭转支承梁1-5a、1-5b及第二扭转支撑梁6-8a、6-8b优选为矩形直梁，分别用于支撑可动镜面结构1-7和可动框架6-4。

Claims (10)

1.一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：包括位于中间的可动镜面结构(1-7)和位于可动镜面结构(1-7)外周的静梳齿锚点(1-2)，所述可动镜面结构(1-7)在对称的两侧与静梳齿锚点(1-2)之间分别设置有第一隔离沟槽，用以分别容置第一梳齿结构和第二梳齿结构，在梳齿结构中，静梳齿和动梳齿构成一个梳齿对，在第一梳齿结构的梳齿对中，不等高梳齿对的数量为a，在第二梳齿结构的梳齿对中，不等高梳齿对的数量为b，且a≠b，0≤a≤N，0≤b≤N，其中，N为梳齿结构中梳齿对的数量。
2.根据权利要求1所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：由静梳齿和动梳齿组成的不等高梳齿对，所述静梳齿和动梳齿的下端部平齐，上端部存在高度差。
3.根据权利要求2所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：在多个不等高梳齿对中，动梳齿和静梳齿的高度差相同。
4.根据权利要求2所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：所述静梳齿锚点在朝向第一隔离沟槽的一端分别设置有低于静梳齿锚点所在平面的台阶部，静梳齿自静梳齿锚点的台阶部自由端朝向第一隔离沟槽内延伸而成，所述动梳齿自可动镜面结构的端部朝向第一隔离沟槽内延伸而成。
5.根据权利要求2所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：对于第一和第二梳齿结构而言，其梳齿对的数量相等，但是，不等高结构的数量不等，等高结构的数量不等。
6.根据权利要求1或2所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：所述可动镜面结构两侧的静梳齿厚度不同，动梳齿厚度相同。
7.根据权利要求1或2所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：在所述第一梳齿结构和第二梳齿结构的***进一步设置两组相对布置的第三梳齿结构和第四梳齿结构，构成二维微扭转镜。
8.根据权利要求7所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：所述可动镜面结构(1-7)通过第一扭转支撑梁(1-5a、1-5b)固定到可动框架(6-4)上，所述可动框架(6-4)通过第二扭转支撑梁(6-8a、6-8b)固定到固定锚点(1-4a、1-4b)上，实现可动框架结构与可动镜面结构的电容最大值位置偏离其机械平衡位置。
9.根据权利要求8所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：所述可动镜面结构(1-7)与可动框架(6-4)和静梳齿锚点(1-2)，三者之间两两绝缘。
10.根据权利要求8所述的一种单侧不等高梳齿驱动的微扭转镜，其特征在于：所述第一梳齿结构和第二梳齿结构的梳齿布置在以可动镜面结构的中心为圆心的同心圆的内层圆周上，所述第三梳齿结构和第四梳齿结构布置在以可动镜面结构的中心为圆心的同心圆的外层圆周上，且所述第一扭转支撑梁(1-5a、1-5b)和第二扭转支撑梁(6-8a、6-8b)正交。
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