專利名稱：壓電驅(qū)動的可變形反射鏡及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微光學器件技術領域的反射鏡及其制造方法，具體是一種壓 電驅(qū)動的可變形反射鏡及其制造方法。
技術背景可變形反射鏡不僅作為自適應光學系統(tǒng)的核心部件，擔負波前誤差校正的任 務，而且在天文望遠鏡以及詳査相機上也得到了應用。近幾年來還成功地在光束 凈化、光束整形、激光腔內(nèi)像差校正以及醫(yī)學人眼像差的檢測與校正等多方面都 得到了應用。結合MEMS技術制作出微型、集成化的可變形反射鏡將成為熱點。 典型的自適應光學系統(tǒng)是利用波前傳感器檢測入射光的波前畸變，然后通過控制 器向波前校正設備發(fā)出控制信號，控制可變形反射鏡鏡面的動作，使鏡面發(fā)生形 變。當鏡面形狀與畸變相位滿足相位共軛關系時，畸變就會被抵消掉，使波前得 到恢復，成像分辨率得到提高。按照驅(qū)動方式的不同，傳統(tǒng)的可變形反射鏡可以分為壓電驅(qū)動式，靜電驅(qū)動式，電磁驅(qū)動式，電致伸縮驅(qū)動式，熱驅(qū)動式，液壓驅(qū)動式等。其中壓電驅(qū)動式的可變形反射鏡響應速度最快。壓電驅(qū)動式的可變 形反射鏡的工作原理是利用壓電材料做成電極，當給電極施加一定的電壓時，在 壓電效應的作用下，電極會帶動反射鏡面發(fā)生相應的形變。經(jīng)對現(xiàn)有的技術文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，三星電機株式會社的專利——"衍射薄膜壓電微鏡及其制造方法"，中國申請?zhí)?00410089738，該專利是屬于以壓電工作 方式工作的衍射薄膜壓電微鏡，該衍射薄膜壓電微鏡包括其上形成凹部以為其中 心提供氣隙的硅襯底，以及具有帶狀的壓電鏡面層，在其兩端沿凹部的兩端粘附 到硅襯底，同時在其中心部分與凹部的底部隔開，以及包括當電壓施加到壓電材 料層時在其中心部分可垂直移動且因此衍射入射光束的薄膜壓電材料層。通過分 析可以看出這種可變形反射鏡的設計和制作工藝等還有待改進。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種壓電驅(qū)動的可變形反射鏡 及其制造方法。本發(fā)明只需簡單的通過改變施加在切片機加工的PZT壓電陶瓷驅(qū) 動器的外加電壓的大小就可以達到快速，準確的調(diào)節(jié)反射鏡焦點的目的，比以往 的可變形反射鏡結構更簡單，更容易陣列化和變焦控制，而且具有驅(qū)動電極多， 形變量大的特點。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡，包括帶四個支撐柱的硅反射鏡面、 四個PZT (壓電陶瓷)壓電驅(qū)動器、底座。其中，底座由玻璃基板和硅基板鍵合 而成，位于整個反射鏡的最下面，底座的上面是四個PZT壓電驅(qū)動器，在四個PZT 壓電驅(qū)動器上面鍵合了帶有四個支撐柱的硅反射鏡面，硅反射鏡面的邊框與底座 相連，整個結構結合緊湊，加工簡單。所述PZT (壓電陶瓷)壓電驅(qū)動器，當施加可以調(diào)節(jié)的電壓時，產(chǎn)生的法向 壓電力使硅反射鏡面的中心部分發(fā)生板形變最大，形成一個凹凸面，凹凸面變形 的大小與壓電力的大小有直接關系。當施加正電壓時會形成凹面，凹面變形隨著 電壓的增大而增大；當施加負電壓時會形成凸面，凸面變形隨著電壓的增大而增 大。所以微反射鏡的焦點可由外加電壓的大小來快速準確的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的壓電 驅(qū)動的可變形反射鏡是由法向壓電力來驅(qū)動的。本發(fā)明所涉及的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡的制造方法，具體包括如下步驟① 帶四個支撐柱的硅反射鏡面部分的制作工藝；② 底座部分的制作工藝；③ PZT壓電驅(qū)動器的制作工藝及Si-Au共晶合金鍵合。所述的反射鏡部分的制作工藝，具體為首先，準備好用于光刻處理的掩模板，利用UV光刻與顯影技術將設計好的掩模板結構圖案轉移在掩模板的硅片表 面。其次，用ICP-RIE (感應耦合反應離子刻蝕)工藝對硅片中的硅進行第一次 刻蝕。然后，再準備好用于光刻處理的第二塊掩模板，利用UV光刻技術和用 ICP-RIE將設計好的掩模板結構圖案轉移到硅片上，即用ICP-RIE對硅片中的硅進 行第二次刻蝕，形成帶有四個支撐柱的硅反射鏡部分，最后再進行平面鏡鏡面A1 的蒸鍍，形成反射鏡。所述的底座部分的制作工藝，具體為首先，準備好用于光刻處理的掩模板， 利用UV光刻與顯影技術將設計好的電極轉移在用玻璃基板和硅基板鍵合而成的 基片的硅表面。所述底座部分的制作工藝中的掩模板，其底座是由玻璃層和硅層自上而下通 過陽極鍵合形成的。步驟①②工藝其實是相同種類的工藝，材料也是相同的，所不同的是分別對 厚硅和薄硅進行刻蝕，這樣便于陣列化批量加工。所述硅反射鏡與PZT驅(qū)動器的Si-Au共晶合金鍵合，是指將加工好的硅反射 鏡背面鍍金膜與驅(qū)動器的表面也鍍金，通過Si-Au共晶合金鍵合形成驅(qū)動聯(lián)接。本發(fā)明涉及的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡，它的原理是利用壓電驅(qū)動力驅(qū)動產(chǎn) 生形變來使得微反射鏡發(fā)生形變。整個加工過程完全可以通過基于半導體硅材料 微制造方法來制作，而背景技術中的"衍射薄膜壓電微鏡及其制造方法"是利用 壓電材料制作的壓電鏡面層進行工作的。本發(fā)明中基于切片機加工制作壓電驅(qū)動 器；基于硅材料上加工制作出的微反射鏡，硅材料上蒸鍍鋁作為鏡面層；工藝實 現(xiàn)簡便，使得整個器件整體性好，精度更高。與背景技術相比，本發(fā)明微反射鏡是壓電驅(qū)動的焦點可變微反射鏡，從材料、 結構及工藝上都對現(xiàn)有的可變形反射鏡做了改進，整個微反射鏡僅由三個部分組 成，但同時集成了四個PZT壓電驅(qū)動器，當驅(qū)動電壓從0V增加到200V時，微反射 鏡的可從0線性變?yōu)?60nm，適合快速精準的調(diào)節(jié)；而且基于硅工藝的加工方法， 非常適合于集成制作不同規(guī)模的微反射鏡陣列只需簡單的通過改變施加的外加 電壓的大小就可以快速準確的調(diào)節(jié)微反射鏡焦點，比以往的微反射鏡結構更簡 單，更容易陣列化和變焦控制。本發(fā)明可以應用在光通信等領域中。
圖l是本發(fā)明壓電驅(qū)動的可變形反射鏡的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明帶四個支撐柱的硅反射鏡部分的制作流程圖； 其中圖a為厚硅片，b為硅片經(jīng)過第一次光刻與刻蝕，c為硅片經(jīng)過第二次 光刻與刻蝕。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。如圖1所示，本實施例中的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡是由壓電驅(qū)動器產(chǎn)生法 向力來驅(qū)動的，具體結構包括帶四個支撐柱的硅反射鏡面l、四個的PZT壓電驅(qū)動器2、底座3。底座3位于整個反射鏡的最下面，底座3的上面是四個PZT壓電驅(qū) 動器2，在四個PZT壓電驅(qū)動器2上面鍵合了帶有四個支撐柱的硅反射鏡面1，硅反 射鏡面1的邊框與底座3相連，整個結構結合緊湊，加工簡單。 所述反射鏡面1與底座3都是用硅材料加工的。所述底座3是用玻璃基板和硅基板鍵合而成的。切片機加工的PZT壓電驅(qū)動 器，當施加可以調(diào)節(jié)的電壓時，產(chǎn)生的力使中心部分發(fā)生板形變最大，所以形成 一個凹凸面，凹凸面變形的大小與壓電力的大小有直接關系，當施加正電壓時會 形成凹面，凹面變形隨著電壓的增大而增大；當施加負電壓時會形成凸面，凸面 變形隨著電壓的增大而增大。所以微反射鏡的焦點可由外加電壓的大小來快速準 確的調(diào)節(jié)。本實施例的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡是由法向壓電力來驅(qū)動的。上述壓電驅(qū)動的可變形反射鏡的制造方法分為4個子工藝帶四個支撐柱的硅反射鏡部分的制作工藝(如圖2所示)、底座部分的制作工藝、PZT壓電驅(qū)動器 的制作工藝、底座部分與驅(qū)動器之間及驅(qū)動器與反射鏡之間的Si-Au共晶合金鍵 合工藝。如圖2所示，帶四個支撐柱的硅反射鏡部分的制作工藝鏡面結構是在硅片 上加工的，這個硅晶片厚度為2mm。具體為首先，準備好用于光刻處理的掩模 板，利用UV光刻與顯影技術將設計好的掩模板結構圖案轉移在掩模板的硅片表 面。其次，用ICP-RIE (感應耦合反應離子刻蝕)工藝對硅片中的硅進行第一次 刻蝕，刻蝕深度為1000微米。然后，再準備好用于光刻處理的第二塊掩模板，利 用UV光刻技術和用ICP-RIE將設計好的掩模板結構圖案轉移到硅片上，即用 ICP-RIE對硅片中的硅進行第二次刻蝕，刻蝕深度為800微米。形成帶有四個高度 為1.8mm支撐柱，四個高度為0.4mm的與PZT驅(qū)動器連接的小柱臺硅反射鏡(厚度 約為200微米)部分，最后再進行反射鏡鏡面A1的蒸鍍，形成厚度為200微米的反射鏡。底座部分的制作工藝為底座是在一個玻璃和硅片組成的基板上加工的，這 個基板由硅片和玻璃片通過陽極鍵合而成，自上而下分別為200咖的Si層和 1000um的玻璃襯底。首先，利用蒸鍍工藝鍍O. l微米厚的金，再利用UV光刻與顯影技術在底座中央形成金電極和引線焊點。PZT壓電驅(qū)動器的制作工藝用普通的切硅片的切片機，加工四個的高度為1.4mm，面積為lramxlmmm的PZT壓電驅(qū)動器。底座部分與驅(qū)動器之間及驅(qū)動器與反射鏡之間的Si-Au共晶合金鍵合工藝 將加工好的底座部分底與驅(qū)動器都鍍100rai的金，通過陽極鍵合機，在550'C溫度， 真空度為760毫巴，鍵合時間為2小時，實現(xiàn)Si-Au共晶合金鍵合；同樣的鍵合條 件，還實現(xiàn)驅(qū)動器與反射鏡的Si-Au共晶合金鍵合。最后形成壓電驅(qū)動的可變形 反射鏡器件。本實施例制作的單個微反射鏡結構尺寸為15*15mm2，當驅(qū)動電壓從OV增加 到200V時，微反射鏡的可從0線性變?yōu)?60nm，適合快速精準的調(diào)節(jié)；而且基 于硅工藝的加工方法,非常適合于集成制作不同規(guī)模的微反射鏡陣列?？傊?微鏡只需簡單的通過改變施加的外加電壓的大小就可以快速準確的調(diào)節(jié)微反射 鏡焦點，比以往的可變形反射鏡結構更簡單，更容易陣列化和變焦控制。
權利要求
1.一種壓電驅(qū)動的可變形反射鏡，包括帶四個支撐柱的硅反射鏡面、四個PZT壓電驅(qū)動器、底座，其特征在于，底座由玻璃基板和硅基板鍵合而成，位于整個反射鏡的最下面，底座的上面是四個PZT壓電驅(qū)動器，在四個PZT壓電驅(qū)動器上面鍵合了帶有四個支撐柱的硅反射鏡面，硅反射鏡面的邊框與底座相連，當施加可調(diào)節(jié)的電壓時，PZT壓電驅(qū)動器產(chǎn)生的法向壓電力使硅反射鏡面的中心部分發(fā)生板形變最大，形成一個凹凸面。
2. 根據(jù)權利要求l所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡，其特征是，所述凹凸面， 當施加正電壓時形成凹面；當施加負電壓時形成凸面。
3. —種壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是，包括如下步驟-① 帶四個支撐柱的硅反射鏡面部分的制作工藝，所述的反射鏡部分的制作工藝，具體為首先，準備好用于光刻處理的掩模板，利用uv光刻與顯影技術將設計好的掩模板結構圖案轉移在掩模板的硅片表面，其次，用感應耦合反應離子刻蝕工藝對硅片中的硅進行第一次刻蝕，然后，再準備好用于光刻處理的第二塊掩模板，利用UV光刻技術和用感應耦合反應離子 刻蝕工藝將設計好的掩模板結構圖案轉移到硅片上，即用感應耦合反應離子刻蝕 工藝對硅片中的硅進行第二次刻蝕，形成帶有四個支撐柱的硅反射鏡部分，最后再進行平面鏡鏡面A1的蒸鍍，形成反射鏡；② 底座部分的制作工藝，所述的底座部分的制作工藝，具體為首先，準備好用于光刻處理的掩模板，利用uv光刻與顯影技術將設計好的電極轉移在用玻璃基板和硅基板鍵合而成的基片的硅表面；③ PZT壓電驅(qū)動器的制作工藝及Si-Au共晶合金鍵合，所述硅反射鏡與PZT驅(qū)動器的Si-Au共晶合金鍵合，是指將加工好的硅反射 鏡背面鍍金膜與驅(qū)動器的表面鍍金，通過Si-Au共晶合金鍵合形成驅(qū)動聯(lián)接。
4. 根據(jù)權利要求3所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是，所 述反射鏡部分的制作工藝中，鏡面結構是在硅片上加工的，這個硅晶片厚度為2mnu
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是， 所述反射鏡部分的制作工藝中，第一次刻蝕'深度為1000微米，第二次刻蝕深度為 800微米。
6. 根據(jù)權利要求3或4所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是， 所述反射鏡部分的制作工藝中，四個支撐柱帶高度為1.8mm,帶有四個支撐柱的 硅反射鏡高度為O. 4mm,厚度為200微米。
7. 根據(jù)權利要求3所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是，所 述底座部分的制作工藝中，底座是在一個玻璃和硅片組成的基板上加工的，這個 基板由硅片和玻璃片通過陽極鍵合而成，自上而下分別為200mn的Si層和1000um 的玻璃襯底。
8. 根據(jù)權利要求3所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是，所 述PZT壓電驅(qū)動器的制作工藝中，用普通的切硅片的切片機，加工四個高度為 1.4mm、面積為lmmxlrarara的PZT壓電驅(qū)動器。
9. 根據(jù)權利要求3所述的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡制造方法，其特征是，所 述Si-Au共晶合金鍵合工藝，具體為將加工好的底座部分底與驅(qū)動器都鍍100nm 的金，通過陽極鍵合機，在550'C溫度，真空度為760毫巴，鍵合時間為2小時， 實現(xiàn)Si-Au共晶合金鍵合；同樣的鍵合條件，實現(xiàn)驅(qū)動器與反射鏡的Si-Au共晶合 金鍵合，最后形成壓電驅(qū)動的可變形反射鏡器件。
全文摘要
一種光學器件技術領域的壓電驅(qū)動的可變形反射鏡及其制造方法。本發(fā)明反射鏡中，底座的上面是四個PZT壓電驅(qū)動器，在四個PZT壓電驅(qū)動器上面鍵合了帶有四個支撐柱的硅反射鏡面，硅反射鏡面的邊框與底座相連，當施加可調(diào)節(jié)的電壓時，PZT壓電驅(qū)動器產(chǎn)生的法向壓電力使硅反射鏡面的中心部分發(fā)生板形變最大，形成一個凹凸面。制造方法包括①帶四個支撐柱的硅反射鏡面部分的制作工藝；②底座部分的制作工藝；③PZT壓電驅(qū)動器的制作工藝及Si-Au共晶合金鍵合。本發(fā)明可變形反射鏡是由法向壓電力來驅(qū)動的，只需通過改變施加的外加電壓的大小就可快速準確的調(diào)節(jié)微反射鏡焦點，比以往的微反射鏡結構更簡單，更容易陣列化和變焦控制。
文檔編號G02B26/08GK101226274SQ20071017122
公開日2008年7月23日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權日2007年11月29日
發(fā)明者張俊峰, 李以貴 申請人:上海交通大學