CN213987028U - 一种混合驱动的二维mems微镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种混合驱动的二维MEMS微镜，采用全新驱动结构设计，将压电驱动结构和静电驱动结构相结合，实现了混合驱动操作，其中设计基于环形外衬底（1），应用静电驱动结构实现对环形内衬底（2）的驱动，并进一步应用环形内衬底（2）与镜面支撑（3）之间的压电驱动结构，获得对镜面支撑（3）的驱动，驱动电极通过转轴引出，如此实现了混合驱动操作，整个结构能够有效提高驱动效率，并使的驱动角度变大；同时本实用新型还进一步设计了针对此二维MEMS微镜的制作方法，采用制作工艺，仅需要SOI圆片作为基底层，便可以加工获得所设计的二维MEMS微镜，整个制作过程工艺简单，成品率高，同时整体结构尺寸也会降低，成本得到降低。

Description

一种混合驱动的二维MEMS微镜

技术领域

本实用新型涉及一种混合驱动的二维MEMS微镜，属于微机电系统技术领域。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)是一个制造微小器件，可同时集成多种物理场作用的新兴领域。相对于传统的机械，MEMS器件的尺寸更小，一般在微米到毫米量级。它基于半导体集成电路(IC)制作工艺，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。梳齿结构在MEMS器件中广泛应用，比如各种电容式传感器包括加速度计、陀螺仪等以及各种微驱动器。一般的MEMS梳齿结构都是平的，即梳齿的动齿和固齿在同一个平面。这种梳齿在做驱动时只能产生平面内的运动。当需要产生平面外运动时，我们就需要高低梳齿，或叫垂直梳齿，即动齿和固齿一高一低不在一个平面。高低梳齿结构可以用来制作扫描微镜，也是实现三轴加速度计、三轴MEMS电容式陀螺仪必不可少的结构。现有的高低梳齿设计中，传统的MEMES制造工艺利用键合工艺分别刻蚀高低梳齿，或者利用多次光刻分别刻蚀高低梳齿，都需要高精度对准，对工艺要求高且成品率低；SOI技术可以解决梳齿自对准的问题，但是同样存在多次刻蚀，加工复杂的缺陷。

为实现二维扫描，静电驱动结构需要分块布置驱动电极，采用gimbal结构，具有内圈和外圈两层结构。为实现双轴驱动，内部与外部均布置有驱动电极，驱动电极有固定梳齿和活动梳齿，固定梳齿的电引线很难连出，导致工艺复杂，也使得封装变得更为复杂。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种混合驱动的二维MEMS微镜，采用全新驱动结构设计，应用压电驱动和静电驱动实现混合驱动操作，能够有效提高微镜的工作效率。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种混合驱动的二维MEMS微镜，包括环形外衬底、环形内衬底、镜面支撑；其中，环形内衬底的外径小于环形外衬底的内径，环形内衬底位于环形外衬底内，环形内衬底外周上彼此相对两侧的位置分别通过第一转轴对接环形外衬底内侧边，环形内衬底外周侧边两连接第一转轴的位置之间呈对称分布；

环形内衬底外周上彼此相对的两侧边上分别设置梳齿组，该两侧边上分别所设梳齿组相对环形内衬底外周侧边连接两第一转轴的位置连线呈轴对称分布；环形外衬底内侧边上分别对应环形内衬底外周上两梳齿组的位置分别设置梳齿组，环形外衬底内侧边上各梳齿组中各根齿条的投影、分别与环形内衬底外周上对应位置梳齿组中各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；

镜面支撑的边缘对接于环形内衬底的内侧边，镜面支撑的上表面设置镜面反射层；环形外衬底上表面设置各个焊盘；通过向各个焊盘供电，在环形外衬底内侧边梳齿组中各根齿条与环形内衬底外周对应位置梳齿组中各根齿条之间的相互作用力下，实现环形内衬底相对其外周侧边所连第一转轴的转动，进而获得镜面反射层随镜面支撑的转动。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括至少两个压电复合驱动装置，所述镜面支撑的边缘通过各压电复合驱动装置分别对接所述环形内衬底的内侧边，通过向所述各个焊盘供电，在各压电复合驱动装置的通电驱动下，实现镜面支撑与环形内衬底的相对转动，进而获得镜面反射层随镜面支撑的转动。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述压电复合驱动装置的数量为两个，所述镜面支撑上其中一边缘的两端分别通过各压电复合驱动装置对接所述环形内衬底的同一条内侧边，两个压电复合驱动装置彼此平行。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述压电复合驱动装置的数量为四个，所述镜面支撑外周上彼此相对两侧的位置分别通过第二转轴对接所述环形内衬底的内侧边，镜面支撑外周侧边两连接第二转轴的位置之间呈对称分布；各第二转轴分别与两个压电复合驱动装置相对应，各第二转轴上的两侧分别对接对应各压电复合驱动装置上的其中一端，各压电复合驱动装置上的另一端分别对接环形内衬底的内侧边。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述各个压电复合驱动装置的结构彼此相同，各压电复合驱动装置分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种；所述压电复合驱动装置中的电极层为Pt层、Al层或者Mo层。

本实用新型所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型所设计混合驱动的二维MEMS微镜，采用全新驱动结构设计，将压电驱动结构和静电驱动结构相结合，实现了混合驱动操作，其中设计基于环形外衬底，应用静电驱动结构实现对环形内衬底的驱动，并进一步应用环形内衬底与镜面支撑之间的压电驱动结构，获得对镜面支撑的驱动，驱动电极通过转轴引出，如此实现了混合驱动操作，整个结构能够有效提高驱动效率，并使的驱动角度变大；同时本实用新型还进一步设计了针对此二维MEMS微镜的制作方法，采用制作工艺，仅需要SOI圆片作为基底层，便可以加工获得所设计的二维MEMS微镜，整个制作过程工艺简单，成品率高，同时整体结构尺寸也会降低，成本得到降低。

附图说明

图1是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜的结构一示意图；

图2是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜的结构二示意图；

图3是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法中步骤A的结果示意图；

图4是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法步骤B中生长压电复合层示意图；

图5是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法步骤B中刻蚀压电复合驱动装置示意图；

图6是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法中步骤C的结果示意图；

图7是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法中步骤D的结果示意图；

图8是本实用新型设计混合驱动的二维MEMS微镜制造方法中步骤E的结果示意图。

其中，1.环形外衬底，2.环形内衬底，3.镜面支撑，4.第一转轴，5.焊盘，6.压电复合驱动装置，7.第二转轴,8.镜面反射层，9.顶硅层，10.氧化层，11.底硅层。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型设计了一种混合驱动的二维MEMS微镜，实际应用当中，如图1和图2所示，包括环形外衬底1、环形内衬底2、镜面支撑3；其中，环形内衬底2的外径小于环形外衬底1的内径，环形内衬底2位于环形外衬底1内，环形内衬底2外周上彼此相对两侧的位置分别通过第一转轴4对接环形外衬底1内侧边，环形内衬底2外周侧边两连接第一转轴4的位置之间呈对称分布。

环形内衬底2外周上彼此相对的两侧边上分别设置梳齿组，该两侧边上分别所设梳齿组相对环形内衬底2外周侧边连接两第一转轴4的位置连线呈轴对称分布；环形外衬底1 内侧边上分别对应环形内衬底2外周上两梳齿组的位置分别设置梳齿组，环形外衬底1内侧边上各梳齿组中各根齿条的投影、分别与环形内衬底2外周上对应位置梳齿组中各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错。

镜面支撑3的边缘对接于环形内衬底2的内侧边，镜面支撑3的上表面设置镜面反射层8；环形外衬底1上表面设置各个焊盘5；通过向各个焊盘5供电，在环形外衬底1内侧边梳齿组中各根齿条与环形内衬底2外周对应位置梳齿组中各根齿条之间的相互作用力下，实现环形内衬底2相对其外周侧边所连第一转轴4的转动，进而获得镜面反射层8随镜面支撑3的转动。

实际应用当中，对于镜面支撑3与环形内衬底2之间的连接关系，设计包括至少两个压电复合驱动装置6，所述镜面支撑3的边缘通过各压电复合驱动装置6分别对接所述环形内衬底2的内侧边，通过向所述各个焊盘5供电，在各压电复合驱动装置6的通电驱动下，实现镜面支撑3与环形内衬底2的相对转动，进而获得镜面反射层8随镜面支撑3的转动。

进一步针对镜面支撑3与环形内衬底2之间，通过压电复合驱动装置6实现的连接关系中，设计应用当中，具体设计两种实施例，实施例一如图1所示，应用两个压电复合驱动装置6，设计镜面支撑3上其中一边缘的两端分别通过各压电复合驱动装置6对接所述环形内衬底2的同一条内侧边，两个压电复合驱动装置6彼此平行。

实施例一所示的结构设计中，环形外衬底1与环形内衬底2之间的梳齿组结构，实现了环形内衬底2相对第一转轴4的转动，环形内衬底2与镜面支撑3之间的压电驱动结构，实现了镜面支撑3相对环形内衬底2的转动，由于没有采用转轴，可以提高驱动效率。

即实施例一在实际控制应用中，通过向各个焊盘5供电，在环形外衬底1内侧边梳齿组中各根齿条与环形内衬底2外周对应位置梳齿组中各根齿条之间的相互作用力下，实现环形内衬底2相对其外周侧边所连第一转轴4的转动；以及在对各个焊盘5供电，各压电复合驱动装置6在通电驱动下，实现镜面支撑3与环形内衬底2的相对转动，进而获得镜面反射层8随镜面支撑3的转动。

此外，设计实施例二如图2所示，应用四个压电复合驱动装置6，设计镜面支撑3外周上彼此相对两侧的位置分别通过第二转轴7对接所述环形内衬底2的内侧边，镜面支撑 3外周侧边两连接第二转轴7的位置之间呈对称分布；各第二转轴7分别与两个压电复合驱动装置6相对应，各第二转轴7上的两侧分别对接对应各压电复合驱动装置6上的其中一端，各压电复合驱动装置6上的另一端分别对接环形内衬底2的内侧边。

实施例二所示的结构设计中，环形外衬底1与环形内衬底2之间的梳齿组结构，实现了环形内衬底2相对第一转轴4的转动，环形内衬底2与镜面支撑3之间的压电驱动结构，实现了镜面支撑3相对第二转轴7的转动。

即实施例二在实际控制应用中，通过向各个焊盘5供电，在环形外衬底1内侧边梳齿组中各根齿条与环形内衬底2外周对应位置梳齿组中各根齿条之间的相互作用力下，实现环形内衬底2相对其外周侧边所连第一转轴4的转动；以及在对各个焊盘5供电，各压电复合驱动装置6在通电驱动下，实现镜面支撑3相对第二转轴7的转动，进而获得镜面反射层8随镜面支撑3的转动。

在实际应用当中，设计各压电复合驱动装置6的结构彼此相同，各压电复合驱动装置 6分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层；具体产品实施应用中，针对压电驱动材料层，具体选择PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；针对压电复合驱动装置6中的电极层，具体设计选择为指定金属材料，诸如电极层为 Pt层、Al层或者Mo层。

与上述相对应，本实用新型还设计了一种针对混合驱动的二维MEMS微镜的制作方法，针对SOI硅片执行如下步骤A至步骤E。

步骤A.针对SOI硅片中顶硅层9的上表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层10，如图3所示，然后进入步骤B。

步骤B.针对SOI硅片中顶硅层9的氧化层10上表面，由下至上依次生长指定金属层、 PZT层、指定金属层，如图4所示，实际应用当中，这里指定金属层诸如选择Pt层、Al 层或者Mo层；并图形化刻蚀获得各个压电复合驱动装置6，即PZT层构成各压电复合驱动装置6的压电驱动材料层，Pt层、Al层或者Mo层构成各压电复合驱动装置6中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，如图5所示，然后进入步骤C。

步骤C.如图6所示，针对SOI硅片中顶硅层9上表面、非压电复合驱动装置6设置区，淀积预设厚度的Au层，并图形化获得镜面反射层8、以及各个焊盘5，然后进入步骤 D。

步骤D.如图7所示，针对SOI硅片，由底硅层11向上，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中的任意一种方法进行刻蚀处理，至顶硅层9下表面，形成底部空腔，然后进入步骤E。

步骤E.如图8所示，针对SOI硅片中顶硅层9进行刻蚀，获得环形外衬底1与环形内衬底2之间的梳齿组结构。

上述技术方案所设计混合驱动的二维MEMS微镜，采用全新驱动结构设计，将压电驱动结构和静电驱动结构相结合，实现了混合驱动操作，其中设计基于环形外衬底1，应用静电驱动结构实现对环形内衬底2的驱动，并进一步应用环形内衬底2与镜面支撑3之间的压电驱动结构，获得对镜面支撑3的驱动，驱动电极通过转轴引出，如此实现了混合驱动操作，整个结构能够有效提高驱动效率，并使的驱动角度变大；同时本实用新型还进一步设计了针对此二维MEMS微镜的制作方法，采用制作工艺，仅需要SOI圆片作为基底层，便可以加工获得所设计的二维MEMS微镜，整个制作过程工艺简单，成品率高，同时整体结构尺寸也会降低，成本得到降低。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：包括环形外衬底(1)、环形内衬底(2)、镜面支撑(3)；其中，环形内衬底(2)的外径小于环形外衬底(1)的内径，环形内衬底(2)位于环形外衬底(1)内，环形内衬底(2)外周上彼此相对两侧的位置分别通过第一转轴(4)对接环形外衬底(1)内侧边，环形内衬底(2)外周侧边两连接第一转轴(4)的位置之间呈对称分布；

环形内衬底(2)外周上彼此相对的两侧边上分别设置梳齿组，该两侧边上分别所设梳齿组相对环形内衬底(2)外周侧边连接两第一转轴(4)的位置连线呈轴对称分布；环形外衬底(1)内侧边上分别对应环形内衬底(2)外周上两梳齿组的位置分别设置梳齿组，环形外衬底(1)内侧边上各梳齿组中各根齿条的投影、分别与环形内衬底(2)外周上对应位置梳齿组中各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；

镜面支撑(3)的边缘对接于环形内衬底(2)的内侧边，镜面支撑(3)的上表面设置镜面反射层(8)；环形外衬底(1)上表面设置各个焊盘(5)；通过向各个焊盘(5)供电，在环形外衬底(1)内侧边梳齿组中各根齿条与环形内衬底(2)外周对应位置梳齿组中各根齿条之间的相互作用力下，实现环形内衬底(2)相对其外周侧边所连第一转轴(4)的转动，进而获得镜面反射层(8)随镜面支撑(3)的转动。

2.根据权利要求1所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：还包括至少两个压电复合驱动装置(6)，所述镜面支撑(3)的边缘通过各压电复合驱动装置(6)分别对接所述环形内衬底(2)的内侧边，通过向所述各个焊盘(5)供电，在各压电复合驱动装置(6)的通电驱动下，实现镜面支撑(3)与环形内衬底(2)的相对转动，进而获得镜面反射层(8)随镜面支撑(3)的转动。

3.根据权利要求2所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：所述压电复合驱动装置(6)的数量为两个，所述镜面支撑(3)上其中一边缘的两端分别通过各压电复合驱动装置(6)对接所述环形内衬底(2)的同一条内侧边，两个压电复合驱动装置(6)彼此平行。

4.根据权利要求2所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：所述压电复合驱动装置(6)的数量为四个，所述镜面支撑(3)外周上彼此相对两侧的位置分别通过第二转轴(7)对接所述环形内衬底(2)的内侧边，镜面支撑(3)外周侧边两连接第二转轴(7)的位置之间呈对称分布；各第二转轴(7)分别与两个压电复合驱动装置(6)相对应，各第二转轴(7)上的两侧分别对接对应各压电复合驱动装置(6)上的其中一端，各压电复合驱动装置(6)上的另一端分别对接环形内衬底(2)的内侧边。

5.根据权利要求2至4中任何一项所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：所述各个压电复合驱动装置(6)的结构彼此相同，各压电复合驱动装置(6)分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层。

6.根据权利要求5所述一种混合驱动的二维MEMS微镜，其特征在于：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种；所述压电复合驱动装置(6)中的电极层为Pt层、Al层或者Mo层。

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