CN114911051A - 一种低温漂静电mems微镜及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法，属于微光机电(MOEMS)领域。本发明包括镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构，电隔离沟道，焊盘和空腔，微镜结构从上到下依次为结构层、绝缘层和衬底层。本发明通过优化微镜结构调节微镜阻尼，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。本发明无需额外增加位置检测模块和反馈控制，具有结构简单、体积小、成本低、易于实现的优点。所述低温漂包括低频率温漂和低角度温漂。

Description

一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法

技术领域

本发明属于微光机电(MOEMS)领域，具体涉及一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法。

背景技术

静电梳齿MEMS微镜有着快速扫描，低功耗，大谐振角度，结构简单并可以大批量制造的优点，在3D成像，激光雷达(LiDAR)，投影显示等领域有着广泛的应用。对于每一种应用，要求MEMS微镜以一定的频率和光学扫描角度振荡。但是MEMS微镜的谐振频率和扫描角度的温度漂移造成微镜工作不稳定性，这严重限制了MEMS微镜的应用。

通常静电梳齿驱动MEMS微镜在绝缘体上硅(SOI)晶圆上制造，器件层用来形成镜面，扭转梁和梳齿驱动器，衬底层用来形成用于镜面活动的空腔。由于器件层和结构层都是硅材料，而硅的杨氏模量会受到温度影响，因此静电MEMS微镜的谐振频率产生温度漂移。同时，由于微镜受到空气阻尼随着温度而变化，导致微镜的扫描角度也会产生温度漂移。目前解决MEMS微镜温漂的主要方案是增加实时镜面位置检测，比如电容检测、压阻检测和光学检测，但是这会增加芯片体积，生产成本和***复杂度。

发明内容

本发明主要目的是提供一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法，通过优化微镜结构利用微镜阻尼之间的相互补偿实现低角度温漂，并且利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿，进而提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。本发明无需额外增加位置检测模块和反馈控制，具有结构简单、体积小、成本低、易于实现的优点。

所述低温漂包括低频率温漂和低角度温漂，低频率温漂指静电MEMS微镜的谐振频率温漂低于1ppm/℃，低角度温漂指静电MEMS微镜的最大扫描角度温漂低于10ppm/℃。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种低温漂静电MEMS微镜，包括镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构，电隔离沟道，焊盘和空腔。

微镜结构从上到下依次为结构层、绝缘层和衬底层。其中镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构和电隔离沟道位于结构层上，通过刻蚀结构层形成。镜面两侧通过梳齿支撑结构和扭转梁与微镜的框架连接，绕扭转梁的轴线旋转。梳齿驱动器位于梳齿支撑结构的两侧，通过电隔离沟道实现动梳齿和静梳齿的电隔离。焊盘在结构层薄膜淀积形成，用于动梳齿和静梳齿的电连接。其中动梳齿电极通过扭转梁与焊盘连接形成正极，定梳齿通过外部框架与焊盘连接形成负极。空腔通过刻蚀衬底层形成，位于镜面下方，为镜面的旋转提供空间。

通过优化微镜结构调节微镜阻尼，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。

利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿。

在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。

作为优选，优化微镜结构调节微镜阻尼包括如下两种方式：

方式一：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。

方式二：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面形状或尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。

调节阻尼控制扫描角度温漂的原理如下：

静电MEMS微镜工作在谐振状态时，在给定驱动电压V的情况下，其扫描角度θ能够被微镜的质量因子Q值所放大，其扫描角度θ正比于Q值。

θ＝SQV² (1)

其中S为形状因子，只跟镜面的形状有关。

而微镜的Q值与微镜受到的空气阻尼b成反比。

其中I为镜面的转动惯量，ω为微镜的谐振角频率。

因此，微镜的扫描角度主要受到空气阻尼的影响，并且与空气阻尼系数b成反比，空气阻尼系数b随温度改变进而造成扫描角度的温度漂移。

扫描角度的温度系数α_θ与空气阻尼系数的温度系数α_b符号相反，因此控制微镜的空气阻尼的温度系数α_b可以控制微镜扫描角度的温漂α_θ。

α_θ＝-α_b (4)

而静电梳齿驱动的微镜受到两种空气阻尼：镜面处的阻力阻尼和动静梳齿之间的粘性阻尼，所述两种阻尼跟微镜的结构参数有关。总阻尼系数b_total为阻力阻尼和粘性阻尼之和：

b_total＝b_drag+b_vis (5)

动静梳齿之间的滑膜阻尼系数b_vis主要跟空气的有效粘度μ_eff有关，通过控制梳齿结构参考调节其大小：

其中N为梳齿个数，d为梳齿宽度，lc为梳齿的长度，lo为梳齿支撑的宽度，g为梳齿间隙。

镜面处的阻力阻尼系数b_drag主要与空气密度ρ有关，通过控制镜板的尺寸调节其大小：

其中c_drag为阻力系数与镜面的形状有关，

为峰值角速度，L为镜面的长度，W为镜面的宽度。

同时，由于有效粘度与温度成正比，空气密度与温度成反比，有效粘度的温度系数和空气密度的温度系数为常数且符号相反

α_ρ<0。

其中μ₀是温度在273K时的空气粘度，ρ₀是温度在273K时的空气密度。

同时，总阻尼的温度系数α_b为：

其中β_vis为粘性阻尼在总阻尼中的占比，跟梳齿参数有关；β_drag为阻力阻尼在总阻尼中的占比，跟镜面形状和尺寸有关。

扫描角度的温度系数为：

因此，通过控制微镜的结构调节β_drag和β_vis使得阻力阻尼和粘性阻尼相互补偿，从而让扫描角度的温度系数α_θ接近于0，达到降低MEMS微镜角度漂移的目的，进而实现低角度温漂。

方式一：固定镜面形状和尺寸参数，调节静电MEMS微镜的梳齿参数，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。具体实现方法包括如下步骤：

固定镜面低角度温漂补偿步骤一：

固定镜面形状和尺寸参数。所述镜面形状包括圆形、矩形、椭圆形、菱形。

固定镜面低角度温漂补偿步骤二：

根据公式(11)知，粘性阻尼在总阻尼中的占比β_vis跟梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g有关。固定静电MEMS微镜镜面尺寸，调节梳齿驱动器梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿间隙g和梳齿支撑的宽度lo，实现静电MEMS微镜阻尼调节，使得粘性阻尼与阻力阻尼相互补偿，实现静电MEMS微镜的低角度温漂。

优选地，为了进一步减小芯片尺寸，避免梳齿支撑长度太长，梳齿排布在镜面上，并且通过电隔离槽实现镜面梳齿的电隔离，避免由于振动导致梳齿吸合而失效，镜面梳齿只提供增加阻尼的作用，并不提供驱动力。

方式二：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面形状或尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。具体实现方法包括如下步骤：

固定梳齿低角度温漂补偿步骤一：

固定梳齿驱动器参数。所述梳齿驱动器参数包括，梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g。

固定梳齿低角度温漂补偿步骤二：

根据公式(12)知，阻力阻尼在总阻尼中的占比β_drag与镜面的形状因子c_drag、镜面长度L、与镜面宽度W有关。通过改变MEMS微镜的镜面形状或镜面尺寸，调节阻力阻尼在总阻尼中的占比β_drag，实现静电MEMS微镜阻尼调节，使得阻力阻尼与粘性阻尼相互补偿，实现静电MEMS微镜的低角度温漂。

利用结构层和衬底层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿，优选地，有以下两种方式实现低频率温漂：

方法一：通过改变衬底材料实现结构层和衬底层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿。

衬底层频率温漂补偿步骤一：器件层材料采用硅材料，扭转梁位于结构层上，其材料为硅。

静电梳齿驱动MEMS微镜是典型的硅谐振器，由于硅杨氏模量的温度依赖性导致其谐振频率随温度的升高而降低，其谐振频率的温度系数在-30ppm/℃。

在不考虑热应力的情况下，静电MEMS微镜的谐振频率f为：

其中k是扭转梁的弹簧常数，w是扭转梁宽度，l是扭转梁长度，t是扭转梁厚度，I是镜面的转动惯量，ν是硅的泊松比。

衬底层频率温漂补偿步骤二：改变衬底材料，利用衬底材料和器件层的硅材料之间的热应力，补偿静电MEMS微镜的频率温漂，实现微镜的低频率温漂。

衬底层改为热膨胀系数大于硅并且绝缘的材料，所述热膨胀系数大于硅并且绝缘的材料包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、碳化硅，氮化镓。由于衬底材料是绝缘的，静电MEMS微镜不需要额外的绝缘层。利用应力刚化效应，通过衬底层和结构层之间的热应力对扭转梁施加拉伸应力，从而增加微镜的谐振频率，用来补偿硅杨氏模量引入的频率温漂。器件层硅和衬底材料之间的拉伸热应力F为：

F＝F₂-F₁＝(E₂α₂t₂-E₁α₁t₁)LΔT (15)

其中为E₂为衬底材料的杨氏模量，E₁为硅的杨氏模量，α₂为衬底材料的热膨胀系数，α₁为硅的热膨胀系数，L为硅与衬底材料之间的接触长度，t₂为衬底材料的厚度，t₁为硅的厚度。

由于衬底材料的热膨胀系数大于硅的热膨胀系数，当温度升高时，器件层硅沿轴向的应变量小于衬底材料衬底的应变量，所以器件层受到来自衬底的拉伸的力，并且拉伸应力作用在扭转梁上，从而导致谐振频率的增大。

在热应力的情况下，静电MEMS微镜的谐振频率f_F为：

其中k_F为拉伸应力F的等效弹簧常数，跟拉伸应力F的大小成正比，而F跟衬底材料的热膨胀系数α₂，衬底层的厚度t₂和器件层与衬底层之间的接触长度L成正比。

通过调节结构层的热膨胀系数α₂，衬底层的厚度t₂和器件层与衬底层之间的接触长度L控制k_F的温度系数，用来补偿硅杨氏模量的温度系数，从而降低谐振频率的温漂。

方法二：通过在衬底层下方增加应力调控层，通过衬底层和应力调控层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿。

应力调控层频率温漂补偿步骤一：器件层和衬底层采用硅材料，扭转梁位于结构层上，其材料为硅。

应力调控层频率温漂补偿步骤二：通过在衬底层增加应力调控层，应力调控层材料的热膨胀系数显著大于材料硅，包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、碳化硅，氮化镓等。通过应力调控层和衬底层之间的热应力，衬底层受到的热应力作用在结构层中的扭转梁，对其施加拉伸应力，从而增加微镜的谐振频率，用来补偿硅杨氏模量引入的频率温漂。

根据公式(15)(16)知，通过调节应力调控层的热膨胀系数，应力调控层的厚度和应力调控层与衬底层之间的接触面积，改变衬底层和应力调控层之间的热应力，进而调节扭转梁受到的拉伸应力，用来补偿硅杨氏模量的温度系数，从而降低谐振频率的温漂。

本发明还公开一种基于不同衬底材料的低温漂静电MEMS微镜实现方法，用于制作低温漂静电MEMS微镜，此方法不需要额外的绝缘层，实现方法如下：

步骤(a)：将SOI晶圆的正面与衬底晶圆进行阳极键合，衬底晶圆采用热膨胀系数大于硅的绝缘材料。衬底晶圆用于形成衬底层。

步骤(b)：通过化学机械抛光将SOI晶圆的背面减薄。各项同性刻蚀残余的硅，并暴露出SOI晶圆的埋氧层，再通过气相氢氟酸刻蚀去除绝缘体上硅晶圆的埋氧层，形成器件层。

步骤(c)：衬底晶圆背面刻蚀形成空腔结构。

步骤(d)：在器件层正面沉积一层金属膜并图形化形成金属焊盘和镜面上的金属层。

步骤(e)：正面刻蚀器件层形成镜面、扭转梁、梳齿支撑结构，梳齿驱动器和电隔离沟道，即基于不同衬底材料实现低温漂静电MEMS微镜。

同时本发明提出一种基于应力调控层的低温漂MEMS微镜的实现方法，用于制作低温漂静电MEMS微镜，实现方法如下：

步骤(a)：SOI晶圆上层硅为器件层，下层硅为衬底层。

步骤(b)：刻蚀SOI晶圆背面到埋氧层，形成空腔结构，并通过湿法腐蚀将埋氧层去除。

步骤(c)：通过键合将SOI背面与用于应力调控的晶圆键合在一起，用于应力调控的晶圆晶圆采用热膨胀系数大于硅的材料。

步骤(d)：在器件层正面沉积一层金属膜并图形化形成金属焊盘和镜面上的金属层。

步骤(e)：正面刻蚀器件层形成镜面、扭转梁、梳齿支撑结构、梳齿驱动器和电隔离沟道，即基于不同衬底材料实现低温漂静电MEMS微镜。

有益效果：

1、本发明公开的一种基于阻尼的静电梳齿驱动MEMS微镜的角度温漂控制方法，通过控制微镜的结构尺寸降低角度温漂，不需要额外的角度位置检测模块，降低芯片体积和成本，具有结构简单、体积小、成本低、易于实现的优点。

2、本发明公开的一种基于热应力控制的静电梳齿驱动MEMS微镜的频率温漂控制方法，通过控制衬底层的热膨胀系数和尺寸从而降低谐振频率温漂，无需相位检测和反馈控制，可以降低芯片的成本和***复杂度。

3、本发明公开的一种基于不同材料衬底的低温漂微镜的实现方法，能够制造出一种低温漂的静电梳齿驱动MEMS微镜，此微镜不需要额外绝缘层，在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。

4、本发明公开的一种基于应力调控层的低温漂微镜的实现方法，能够制造出一种低温漂的静电梳齿驱动MEMS微镜，此微镜工艺简单，易于制造，满足大批量生产的要求。

附图说明

图1静电MEMS微镜3D结构示意图；

图2静电MEMS微镜的结构参数示意图；

图3静电MEMS微镜微镜结构优化示意图。(a)矩形镜面结构示意图；(b)圆形镜面结构示意图；(c)矩形镜面镜齿结构示意图；(d)圆形镜面镜齿结构示意图；

图4静电MEMS微镜的热应力分析。(a)扭转梁的受力图；(b)A-A截面的玻璃衬底和结构层之间的受力图；(c)A-A截面的应力调控层和微镜结构层之间的受力图；

图5基于玻璃衬底的低温漂静电MEMS微镜工艺流程；

图6基于应力调控层的低温漂静电MEMS微镜工艺流程。

其中：1-静电MEMS微镜整体结构、2-结构层、3-绝缘层、4-衬底层、5-扭转梁、6-镜面、7-梳齿驱动器、7.1-镜面阻尼调控梳齿、8-电隔离槽、8.1-镜齿电隔离槽、9-焊盘、10-空腔、11-应力调控层、12-SOI晶圆、13-SOI晶圆衬底硅、14-SOI晶圆器件层、15-频率补偿衬底晶圆、16-SOI晶圆衬底残余硅、17-SOI晶圆埋氧层、18-镜面金属膜、19-频率补偿应力调控晶圆

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

本实施例公开一种低温漂静电梳齿驱动MEMS微镜的设计方法及制造工艺。静电MEMS微镜3D结构，如图1所示。MEMS微镜主体结构位于结构层2上，包括扭转梁5、镜面6、梳齿驱动器7和电隔离槽8，绝缘层3和电隔离槽8保证梳齿驱动器的电绝缘。空腔10在衬底层4中形成，便于镜面6的偏转。

低角度温漂能够通过优化微镜结构控制使得阻力阻尼和粘性阻尼相互补偿来实现。阻力阻尼跟镜面6的形状和尺寸有关，如图2中的镜面长度和镜面宽度。粘性阻尼跟梳齿驱动器的参数有关，如图2中的梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g。根据阻尼调节原理，有两种方式可以调节微镜的阻尼进而降低静电MEMS微镜的角度温漂，实现低角度温漂。

在一个实施例中，固定梳齿驱动器的结构参数，调节镜面的形状和尺寸，进而调节阻力阻尼，使阻力阻尼与粘性阻尼相互补偿，实现低角度温漂，如图3(a)和图3(b)所示。梳齿驱动器的参数，梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g保持不变，微镜的形状在矩形和圆形之间切换，同时改变镜面的尺寸，如镜面长度L，镜面宽度W或镜面直径D，以达到调节微镜阻力阻尼补偿粘性阻尼带来的角度漂移，实现低角度温漂。

在另一个实施例中，固定镜面的形状和尺寸，调节梳齿的结构参数，进而调节粘性阻尼，使粘性阻尼与阻力阻尼相互补偿，实现低角度温漂，如图3(c)和图3(d)所示。镜面的形状为矩形或圆形，并且尺寸保持不变。调节梳齿驱动器的参数，梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g，以达到调节微镜粘性阻尼补偿阻力阻尼带来的角度漂移，实现低角度温漂。特别地，为了增加粘性阻尼可调范围并进一步降低芯片的尺寸，阻尼调控梳齿7.1布置在镜面上，并且通过电隔离槽8.1实现与梳齿支撑结构上的梳齿驱动器7实现电绝缘，镜面上的阻尼调控梳齿7.1只提供粘性阻尼的补偿，不提供驱动力。

频率温漂补偿原理如图4所示，热应力产生的拉伸合力F作用在扭转梁5，如图4(a)所示，会补偿器件层2中硅杨氏模量引入的频率温漂，进而实现静电MEMS微镜的低频率温漂。

在一个实施例中，可以采用热膨胀系数大于硅并且绝缘的衬底材料代替硅衬底，其受力图如图4(b)所示。当温度升高时，器件层硅材料沿轴向的应变量小于衬底材料衬底的应变量，所以器件层受到来自衬底的拉伸的力F₂，并且器件层会在扭转梁上产生压应力F₁，通过调节衬底材料的热膨胀系数，厚度t₂和长度L使得F₂>F₁，其合力为拉伸应力F作用在扭转梁5上，从而补偿器件层2中硅杨氏模量引入的频率温漂，进而实现静电MEMS微镜的低频率温漂。

在另一个实施例中，在硅衬底下方键合一层热膨胀系数大于硅的应力调控材料，其受力图如图4(c)所示。当温度升高时，器件层和衬底层沿轴向的应变量小于应力调控层的应变量，所以器件层受到来自应力调控层的拉伸的力F₂，并且器件层会在扭转梁上产生压应力F₁，通过调节应力调控材料的热膨胀系数，厚度t₂和长度L使得F₂>F₁，其合力为拉伸应力F作用在扭转梁5上，从而补偿器件层2中硅杨氏模量引入的频率温漂，进而实现静电MEMS微镜的低频率温漂。

为实现低温漂MEMS微镜的制造，在一个实施例中，本发明提出一种玻璃衬底的低温漂MEMS微镜的制造工艺，如图5所示。

(a)准备一张SOI晶圆12；

(b)SOI晶圆12的器件层14与衬底晶圆15键合在一起；

(c)CMP将SOI晶圆12的衬底层13减薄至10μm以下，形成残余硅层16；

(d)各项同性刻蚀残余硅层16至SOI晶圆的埋氧层17；

(e)Vapor HF刻蚀SOI晶圆的埋氧层17并在正面刻蚀对准标记；

(f)湿法腐蚀或喷砂刻蚀衬底晶圆15形成静电MEMS微镜的空腔10；

(g)蒸镀金属膜，形成镜面金属18和焊盘9；

(h)正面刻蚀SOI器件层14，释放微镜结构，形成镜面6，梳齿驱动器7，扭转梁和电隔离沟道。

在另一个实施例中，本发明提出一种基于应力调控层的低温漂MEMS微镜的制造工艺，如图6所示。

(a)准备一张SOI晶圆12；

(b)SOI晶圆12的衬底层13刻蚀形成静电MEMS微镜的空腔10；

(c)BOE湿法腐蚀，去除SOI晶圆的埋氧层17；

(d)阳极键合将应力晶圆19与SOI衬底层13键合在一起；

(e)Vapor HF刻蚀SOI晶圆的埋氧层17并在正面刻蚀对准标记；

(f)湿法腐蚀或喷砂刻蚀衬底晶圆15形成静电MEMS微镜的空腔10；

(g)蒸镀金属膜，形成镜面金属18和焊盘9；

(h)正面刻蚀SOI器件层14，释放微镜结构，形成镜面6，梳齿驱动器7，扭转梁和电隔离沟道。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：包括镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构，电隔离沟道，焊盘和空腔；

微镜结构从上到下依次为结构层、绝缘层和衬底层；其中镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构和电隔离沟道位于结构层上，通过刻蚀结构层形成；镜面两侧通过梳齿支撑结构和扭转梁与微镜的框架连接，绕扭转梁的轴线旋转；梳齿驱动器位于梳齿支撑结构的两侧，通过电隔离沟道实现动梳齿和静梳齿的电隔离；焊盘在结构层薄膜淀积形成，用于动梳齿和静梳齿的电连接；其中动梳齿电极通过扭转梁与焊盘连接形成正极，定梳齿通过外部框架与焊盘连接形成负极；空腔通过刻蚀衬底层形成，位于镜面下方，为镜面的旋转提供空间；

通过优化微镜结构调节微镜阻尼，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；

利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；

在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。

2.如权利要求1所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：优化微镜结构调节微镜阻尼包括如下两种方式：

方式一：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；

方式二：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面形状或尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。

3.如权利要求2所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：调节阻尼控制扫描角度温漂，

静电MEMS微镜工作在谐振状态时，在给定驱动电压V的情况下，其扫描角度θ能够被微镜的质量因子Q值所放大，其扫描角度θ正比于Q值；

θ＝SQV² (1)

其中S为形状因子，只跟镜面的形状有关；

而微镜的Q值与微镜受到的空气阻尼b成反比；

其中I为镜面的转动惯量，ω为微镜的谐振角频率；

因此，微镜的扫描角度主要受到空气阻尼的影响，并且与空气阻尼系数b呈反比，空气阻尼系数b随温度改变进而造成扫描角度的温度漂移；

扫描角度的温度系数α_θ与空气阻尼系数的温度系数α_b符号相反，因此控制微镜的空气阻尼的温度系数α_b控制微镜扫描角度的温漂α_θ；

α_θ＝-α_b (4)

而静电梳齿驱动的微镜受到两种空气阻尼：镜面处的阻力阻尼和动静梳齿之间的粘性阻尼，所述两种阻尼跟微镜的结构参数有关；总阻尼系数b_total为阻力阻尼和粘性阻尼之和：

b_total＝b_drag+b_vis (5)

动静梳齿之间的滑膜阻尼系数b_vis主要跟空气的有效粘度μ_eff有关，通过控制梳齿结构参考调节其大小：

其中N为梳齿个数，d为梳齿宽度，lc为梳齿的长度，lo为梳齿支撑的宽度，g为梳齿间隙；

镜面处的阻力阻尼系数b_drag主要与空气密度ρ有关，通过控制镜板的尺寸调节其大小：

其中c_drag为阻力系数与镜面的形状有关，

为峰值角速度，L为镜面的长度，W为镜面的宽度；

同时，由于有效粘度与温度呈正比，空气密度与温度呈反比，有效粘度的温度系数和空气密度的温度系数为常数且符号相反

α_ρ<0；

其中μ₀是温度在273K时的空气粘度，ρ₀是温度在273K时的空气密度；

同时，总阻尼的温度系数α_b为：

其中β_drag为阻力阻尼在总阻尼中的占比，跟镜面形状和尺寸有关，β_vis为粘性阻尼在总阻尼中的占比，跟梳齿参数有关；

扫描角度的温度系数为：

α_θ＝-α_b＝-(α_ρβ_drag+α_μeffβ_vis) (13)

因此，通过控制微镜的结构调节β_drag和β_vis使得阻力阻尼和粘性阻尼相互补偿，从而让扫描角度的温度系数α_θ接近于0，达到降低MEMS微镜角度漂移的目的，进而实现低角度温漂。

4.如权利要求3所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：方式一：固定镜面形状和尺寸参数，调节静电MEMS微镜的梳齿参数，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；具体实现方法包括如下步骤，

固定镜面低角度温漂补偿步骤一：

固定镜面形状和尺寸参数；所述镜面形状包括圆形、矩形、椭圆形、菱形；

固定镜面低角度温漂补偿步骤二：

根据公式(11)知，粘性阻尼在总阻尼中的占比β_vis跟梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g有关；固定静电MEMS微镜镜面尺寸，调节梳齿驱动器梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿间隙g和梳齿支撑的宽度lo，实现静电MEMS微镜阻尼调节，使得粘性阻尼与阻力阻尼相互补偿，实现静电MEMS微镜的低角度温漂；

方式二：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面形状或尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；具体实现方法包括如下步骤：

固定梳齿低角度温漂补偿步骤一：

固定梳齿驱动器参数；所述梳齿驱动器参数包括，梳齿个数N，梳齿宽度d，梳齿的长度lc，梳齿支撑的宽度lo，梳齿间隙g；

固定梳齿低角度温漂补偿步骤二：

根据公式(12)知，阻力阻尼在总阻尼中的占比β_drag与镜面的形状因子c_drag、镜面长度L、与镜面宽度W有关。通过改变MEMS微镜的镜面形状或镜面尺寸，调节阻力阻尼在总阻尼中的占比β_drag，实现静电MEMS微镜阻尼调节，使得阻力阻尼与粘性阻尼相互补偿，实现静电MEMS微镜的低角度温漂。

5.如权利要求4所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：利用结构层和衬底层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿，优选地，有以下两种方式实现低频率温漂：

方法一：通过改变衬底材料实现结构层和衬底层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；

衬底层频率温漂补偿步骤一：器件层材料采用硅材料，扭转梁位于结构层上，其材料为硅；

静电梳齿驱动MEMS微镜是典型的硅谐振器，由于硅杨氏模量的温度依赖性导致其谐振频率随温度的升高而降低；

在不考虑热应力的情况下，静电MEMS微镜的谐振频率f为：

其中k是扭转梁的弹簧常数，w是扭转梁宽度，l是扭转梁长度，t是扭转梁厚度，I是镜面的转动惯量，ν是硅的泊松比；

衬底层频率温漂补偿步骤二：改变衬底材料，利用衬底材料和器件层的硅材料之间的热应力，补偿静电MEMS微镜的频率温漂，实现微镜的低频率温漂；

衬底层改为热膨胀系数大于硅并且绝缘的材料，所述热膨胀系数大于硅并且绝缘的材料包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、碳化硅，氮化镓；由于衬底材料是绝缘的，静电MEMS微镜不需要额外的绝缘层；利用应力刚化效应，通过衬底层和结构层之间的热应力对扭转梁施加拉伸应力，从而增加微镜的谐振频率，用来补偿硅杨氏模量引入的频率温漂；器件层硅和衬底材料之间的拉伸热应力F

F＝F₂-F₁＝(E₂α₂t₂-E₁α₁t₁)LΔT (15)

其中为E₂为衬底材料的杨氏模量，E₁为硅的杨氏模量，α₂为衬底材料的热膨胀系数，α₁为硅的热膨胀系数，L为硅与衬底材料之间的接触长度，t₂为衬底材料的厚度，t₁为硅的厚度；

由于衬底材料的热膨胀系数大于硅的热膨胀系数，当温度升高时，器件层硅沿轴向的应变量小于衬底材料衬底的应变量，所以器件层受到来自衬底的拉伸的力，并且拉伸应力作用在扭转梁上，从而导致谐振频率的增大；

在热应力的情况下，静电MEMS微镜的谐振频率f_F为：

其中k_F为拉伸应力F的等效弹簧常数，跟拉伸应力F的大小成正比，而F跟衬底材料的热膨胀系数α₂，衬底层的厚度t₂和器件层与衬底层之间的接触长度L呈正比；

通过调节结构层的热膨胀系数α₂，衬底层的厚度t₂和器件层与衬底层之间的接触长度L控制k_F的温度系数，用来补偿硅杨氏模量的温度系数，从而降低谐振频率的温漂；

方法二：通过在衬底层下方增加应力调控层，通过衬底层和应力调控层之间的热应力，补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；

应力调控层频率温漂补偿步骤一：器件层和衬底层采用硅材料，扭转梁位于结构层上，其材料为硅；

应力调控层频率温漂补偿步骤二：通过在衬底层增加应力调控层，应力调控层材料的热膨胀系数显著大于材料硅，包括玻璃、蓝宝石、陶瓷、碳化硅，氮化镓；通过应力调控层和衬底层之间的热应力，衬底层受到的热应力作用在结构层中的扭转梁，对其施加拉伸应力，从而增加微镜的谐振频率，用来补偿硅杨氏模量引入的频率温漂；

根据公式(15)(16)知，通过调节应力调控层的热膨胀系数，应力调控层的厚度和应力调控层与衬底层之间的接触面积，改变衬底层和应力调控层之间的热应力，进而调节扭转梁受到的拉伸应力，用来补偿硅杨氏模量的温度系数，从而降低谐振频率的温漂。

6.如权利要求5所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：为了进一步减小芯片尺寸，避免梳齿支撑长度太长，梳齿排布在镜面上，并且通过电隔离槽实现镜面梳齿的电隔离，避免由于振动导致梳齿吸合而失效，镜面梳齿只提供增加阻尼的作用，并不提供驱动力。

7.一种基于不同衬底材料的低温漂静电MEMS微镜实现方法，用于制作如权利要求1、2、3、4、5或6所述的低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：不需要额外的绝缘层，包括如下步骤，

步骤(a)：将SOI晶圆的正面与衬底晶圆进行阳极键合，衬底晶圆采用热膨胀系数大于硅的绝缘材料；衬底晶圆用于形成衬底层；

步骤(b)：通过化学机械抛光将SOI晶圆的背面减薄；各项同性刻蚀残余的硅，并暴露出SOI晶圆的埋氧层，再通过气相氢氟酸刻蚀去除绝缘体上硅晶圆的埋氧层，形成器件层；

步骤(c)：衬底晶圆背面刻蚀形成空腔结构；

步骤(d)：在器件层正面沉积一层金属膜并图形化形成金属焊盘和镜面上的金属层；

步骤(e)：正面刻蚀器件层形成镜面、扭转梁、梳齿支撑结构，梳齿驱动器和电隔离沟道，即基于不同衬底材料实现低温漂静电MEMS微镜。

8.一种基于应力调控层的低温漂MEMS微镜的实现方法，用于制作如权利要求1、2、3、4、5或6所述的低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：衬底下方键合一层应力调控层，包括如下步骤，

步骤(a)：SOI晶圆上层硅为器件层，下层硅为衬底层；

步骤(b)：刻蚀SOI晶圆背面到埋氧层，形成空腔结构，并通过湿法腐蚀将埋氧层去除；

步骤(c)：通过键合将SOI背面与用于应力调控的晶圆键合在一起，用于应力调控的晶圆晶圆采用热膨胀系数大于硅的材料；

步骤(d)：在器件层正面沉积一层金属膜并图形化形成金属焊盘和镜面上的金属层；

步骤(e)：正面刻蚀器件层形成镜面、扭转梁、梳齿支撑结构、梳齿驱动器和电隔离沟道，即基于不同材料的应力调控层实现低温漂静电MEMS微镜。

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