一種單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001 ]本發(fā)明屬于微光機(jī)電(M0EMS)領(lǐng)域，涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、微加工技術(shù)，具體涉及一種基于SOI工藝的單側(cè)不等高梳齒靜電驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡及其制備方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]微扭轉(zhuǎn)鏡與傳統(tǒng)光束偏轉(zhuǎn)元件相比，具有能耗低、微型化、易集成等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子、通信、生物醫(yī)藥、軍事國防等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，是光學(xué)MEMS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。靜電梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡，特別是基于單片絕緣體上硅(SOI)制作的垂直無偏移梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡，結(jié)構(gòu)簡單，能量密度大，可以實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角，并大大簡化了工藝難度，降低了制作成本。
[0003]為了實(shí)現(xiàn)靜電梳齒驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡穩(wěn)定可靠的工作，需要對其進(jìn)行閉環(huán)控制，目前主要通過外加光電探測器和電容檢測的方式實(shí)現(xiàn)。但前者需要外加高速光電探測器和觸發(fā)二極管來實(shí)現(xiàn)，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，制作成本高昂；通過電容檢測僅通過電器元件即可實(shí)現(xiàn)，便于集成，利于降低成本，更適合于商業(yè)普及應(yīng)用。
[0004]但由于基于SOI制作的垂直無偏移梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡起振方向隨機(jī);且梳齒間電容在平衡位置最大，偏離平衡位置的兩個(gè)方向梳齒電容都減小，因此利用梳齒間電容變化得到的反饋信號也不能反應(yīng)出起振方向。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明提供了一種單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡及其制備方法，通過單側(cè)不等高梳齒對的設(shè)置使扭轉(zhuǎn)支承梁兩側(cè)梳齒對電容最大值的位置偏離可動鏡面的結(jié)構(gòu)平衡位置，以實(shí)現(xiàn)制作出的各個(gè)微扭轉(zhuǎn)鏡起振方向一致，并且給電容反饋提供振動方向信息。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡，包括位于中間的可動鏡面結(jié)構(gòu)和位于可動鏡面結(jié)構(gòu)外周的靜梳齒錨點(diǎn)，所述可動鏡面結(jié)構(gòu)在對稱的兩側(cè)與靜梳齒錨點(diǎn)之間分別設(shè)置有第一隔離溝槽和第二隔離溝槽，用以分別容置第一梳齒結(jié)構(gòu)和第二梳齒結(jié)構(gòu)，在梳齒結(jié)構(gòu)中，靜梳齒和動梳齒構(gòu)成一個(gè)梳齒對，在第一梳齒結(jié)構(gòu)的梳齒對中，不等高梳齒對的數(shù)量為a，在第二梳齒結(jié)構(gòu)的梳齒對中，不等高梳齒對的數(shù)量為b，且a在b，0<a<N，0<b<N，其中，NS梳齒結(jié)構(gòu)中梳齒對的數(shù)量。
[0008]由靜梳齒和動梳齒組成的不等高梳齒對，所述靜梳齒和動梳齒的下端部平齊，上端部存在高度差。
[0009]在多個(gè)不等高梳齒對中，動梳齒和靜梳齒的高度差相同。
[0010]所述靜梳齒錨點(diǎn)在朝向第一隔離溝槽和第二隔離溝槽的一端分別設(shè)置有低于靜梳齒錨點(diǎn)所在平面的臺階部，靜梳齒自靜梳齒錨點(diǎn)的臺階部自由端朝向第一或第二隔離溝槽內(nèi)延伸而成，所述動梳齒自可動鏡面結(jié)構(gòu)的端部朝向第一或第二隔離溝槽內(nèi)延伸而成。
[0011]對于第一和第二梳齒結(jié)構(gòu)而言，其梳齒對的數(shù)量相等，但是，不等高結(jié)構(gòu)的數(shù)量不等，等高結(jié)構(gòu)的數(shù)量不等。
[0012]所述可動鏡面結(jié)構(gòu)兩側(cè)的靜梳齒厚度不同，動梳齒厚度相同。
[0013]在所述第一梳齒結(jié)構(gòu)和第二梳齒結(jié)構(gòu)的外圍進(jìn)一步設(shè)置兩組相對布置的第三梳齒結(jié)構(gòu)和第四梳齒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成二維微扭轉(zhuǎn)鏡。
[0014]所述可動鏡面結(jié)構(gòu)通過第一扭轉(zhuǎn)支撐梁固定到可動框架上，所述可動框架通過第二扭轉(zhuǎn)支撐梁固定到固定錨點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)可動框架結(jié)構(gòu)與可動鏡面結(jié)構(gòu)的電容最大值位置偏離其機(jī)械平衡位置。
[0015]所述可動鏡面結(jié)構(gòu)與可動框架和靜梳齒錨點(diǎn)，三者之間兩兩絕緣。
[0016]所述第一梳齒結(jié)構(gòu)和第二梳齒結(jié)構(gòu)的梳齒布置在以可動鏡面結(jié)構(gòu)的中心為圓心的同心圓的內(nèi)層圓周上，所述第三梳齒結(jié)構(gòu)和第四梳齒結(jié)構(gòu)布置在以可動鏡面結(jié)構(gòu)的中心為圓心的同心圓的外層圓周上，且所述第一扭轉(zhuǎn)支撐梁和第二扭轉(zhuǎn)支撐梁正交。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:在本發(fā)明微扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)中，采用單側(cè)不等尚梳齒對的結(jié)構(gòu)，即在兩側(cè)的梳齒對中，其不等尚梳齒對的數(shù)量不等，由此，可以微扭轉(zhuǎn)鏡梳齒間電容最大值位置與微扭轉(zhuǎn)鏡的機(jī)械結(jié)構(gòu)平衡位置產(chǎn)生一定偏差，給微扭轉(zhuǎn)鏡施加驅(qū)動信號后，起振方向不再是隨機(jī)的；同時(shí)微扭轉(zhuǎn)鏡往復(fù)振動過程中，往不同方向振動，梳齒對間的電容值變化也會有微小偏差，從而也可以給通過實(shí)時(shí)檢測梳齒間電容提供微扭轉(zhuǎn)鏡振動方向信息，以實(shí)現(xiàn)微扭轉(zhuǎn)鏡閉環(huán)控制。
【【附圖說明】】
[0018]圖1:單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動一維微扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2:不等高梳齒對結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3:等高梳齒對結(jié)構(gòu)圖；
[0021 ]圖4:單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動二維微扭轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖。
【【具體實(shí)施方式】】
[0022]實(shí)施例1
[0023]本發(fā)明提出一種單側(cè)不等高梳齒驅(qū)動的微扭轉(zhuǎn)鏡，所述微扭轉(zhuǎn)鏡由SOI硅片制成，主要由器件層卜a、埋氧層Ι-b、基底層Ι-c三層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。基底層Ι-c用于制作背腔結(jié)構(gòu)，給可動鏡面提供活動空間；埋氧層Ι-b用于器件層Ι-a和基底層Ι-c的電隔離;器件層Ι-a用于制作微扭轉(zhuǎn)鏡的各部分結(jié)構(gòu)，包括可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7及其上的反射層1-8、第一扭轉(zhuǎn)支承梁l-5a、l-5b及其梁固定錨點(diǎn)l-4a、l-4b、第一梳齒結(jié)構(gòu)1-1和第二梳齒結(jié)構(gòu)1-6、梳齒錨點(diǎn)及焊盤l-3a、l-3b等;其中，第一梳齒結(jié)構(gòu)1-1和第二梳齒結(jié)構(gòu)1-6均由多個(gè)靜梳齒和動梳齒構(gòu)成，一個(gè)靜梳齒和一個(gè)動梳齒構(gòu)成一個(gè)梳齒對，也就是說，每一個(gè)梳齒結(jié)構(gòu)由多個(gè)梳齒對構(gòu)成，但是，第一梳齒結(jié)構(gòu)1-1和第二梳齒結(jié)構(gòu)1-6中的梳齒對數(shù)量相等。另外，請?zhí)貏e參閱圖2和圖3所示，在第一梳齒結(jié)構(gòu)1-1和第二梳齒結(jié)構(gòu)1-6中均包括含有O?N個(gè)不等尚的梳齒對，其中，N為梳齒結(jié)構(gòu)中總的梳齒對的數(shù)量，但是兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)中，不等尚梳齒對的數(shù)量不等。具體地說，兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)中，可以均具有不等高的梳齒對，但是只要不等高梳齒對的數(shù)量不相等就可以，當(dāng)然，也可以一側(cè)全部是等高梳齒對，而另一側(cè)包含有不等尚梳齒對。
[0024]作為本發(fā)明的一種實(shí)施例，位于第一扭轉(zhuǎn)支承梁兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)中，動梳齒l-6a和靜梳齒l_6b不等高，形成不等高梳齒對，位于扭轉(zhuǎn)支承梁1-5另一側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)1-1中，動梳齒1-1a和靜梳齒1-1b等高，形成等高梳齒對，使扭轉(zhuǎn)支承梁l-5a、l-5b兩側(cè)梳齒結(jié)構(gòu)的電容最大值的位置偏離可動鏡面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平衡位置(平衡位置就是可動鏡面結(jié)構(gòu)在沒有受力情況時(shí)的自然狀態(tài))，以實(shí)現(xiàn)制作出各個(gè)微扭轉(zhuǎn)鏡的起振方向一致，并且給電容反饋提供方向信息。
[0025]具體地，所述器件層包括位于中心的可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7和位于外周的靜梳齒錨點(diǎn)1-2，所述可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7和靜梳齒錨點(diǎn)1-2通過隔離溝槽l-9a、l-9b隔開，所述可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7由一對第一扭轉(zhuǎn)支承梁l-5a、l-5b分別固定到一對梁固定錨點(diǎn)1-4上，所述可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7和第一扭轉(zhuǎn)支撐梁l-5a、l-5b以及梁固定錨點(diǎn)1-4為一體結(jié)構(gòu)，這樣，可動鏡面結(jié)構(gòu)1-7通過梁固定錨點(diǎn)周圍的隔離溝槽l-9a、l-9b與靜梳齒錨點(diǎn)1-2實(shí)現(xiàn)電隔離。
[0026]在所述可動鏡面結(jié)構(gòu)與靜梳齒錨點(diǎn)1-2之間的隔離溝槽內(nèi)設(shè)置有由靜梳齒和動梳齒構(gòu)成的梳齒結(jié)構(gòu)。所述靜梳齒與動梳齒平行交錯(cuò)，其中，一側(cè)隔離溝槽內(nèi)的第一靜梳齒Ι-Α 和第一動梳齒 1-1a 為不等高結(jié)構(gòu) ，另外一側(cè)隔離溝槽內(nèi)的第二靜梳齒 l_6b 和第二動梳齒l_6a為等高結(jié)構(gòu)。然而，在本發(fā)明中，并不嚴(yán)格局限于扭轉(zhuǎn)梁的一側(cè)梳齒必須等高，另一側(cè)梳齒對必須不等尚，因?yàn)?一側(cè)梳齒結(jié)構(gòu)全部等尚，另一側(cè)梳齒結(jié)構(gòu)部分等尚，部分不等尚，或者兩側(cè)的梳齒結(jié)構(gòu)都是不等高，都可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械平衡位置與電容最大值位置不一致，從而實(shí)現(xiàn)一樣的效果。
[0027]試驗(yàn)時(shí)，通過給梁固定錨點(diǎn)l-4a、l_4b上的第一焊盤l_3b和靜梳齒錨點(diǎn)1-2上的第二焊盤l-3a施加交變的驅(qū)動信號，動、靜梳齒之間便有一定電壓差，從而驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡鏡面結(jié)構(gòu)1-