專利名稱：偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維mems傾斜鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS (Micro-electromechanical Systems)傾斜鏡的制作領(lǐng)域，涉及用于光通訊、投影顯示、光學(xué)成像以及激光共焦顯微等領(lǐng)域的MEMS傾斜鏡的設(shè)計(jì)制作，具體涉及一種偏轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維MEMS傾斜鏡。
背景技術(shù)：
光學(xué)傾斜鏡在光通訊、投影顯示、光學(xué)成像以及激光共焦顯微系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價值。MEMS傾斜鏡除了具備MEMS器件所共有的成本低、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)外，還具有動態(tài)響應(yīng)快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。二維MEMS傾斜鏡可在一個器件上實(shí)現(xiàn)兩維方向的光路轉(zhuǎn)換， 空間占用體積小，工作效率高。傳統(tǒng)的二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸是正交的，當(dāng)轉(zhuǎn)換光路有特殊性要求時，如在一個受限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)非正交方向上的兩光路的相互轉(zhuǎn)換時，不僅需要兩次高精度的鏡面偏轉(zhuǎn)，效率低，而且還可能因空間局限性的限制而無法完成預(yù)定目標(biāo)。若傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸是非正交的，則鏡子在實(shí)現(xiàn)繞其非正交軸方向上的光路轉(zhuǎn)換時，偏轉(zhuǎn)一次既可完成，相對效率高?？梢娫谒D(zhuǎn)換光路呈非正交狀態(tài)排布時，非正交二維MEMS傾斜鏡具有獨(dú)特的優(yōu)勢。根據(jù)文獻(xiàn)1 [莊須葉、汪為民、陶逢剛、姚軍、高福華。非正交二維MEMS傾斜鏡的研制。光學(xué)精密工程，2011 (8)，In I^ress]報(bào)道，作者基于硅表面加工工藝設(shè)計(jì)并制作了非正交的二維MEMS 傾斜鏡，鏡面可以實(shí)現(xiàn)繞兩個非正交偏轉(zhuǎn)軸的傾斜偏轉(zhuǎn)，兩偏轉(zhuǎn)軸的夾角是145. 37°，對實(shí)現(xiàn)繞145. 37°軸的光路轉(zhuǎn)換可以一次完成，效率高。但是鏡子的偏轉(zhuǎn)軸固定不能移動，對于特定的需求，需要設(shè)計(jì)特定的鏡子結(jié)構(gòu)，使鏡子的兩偏轉(zhuǎn)軸交成特定的角度，以使需要轉(zhuǎn)換的光路恰好方便的被繞此軸旋轉(zhuǎn)的鏡面調(diào)制，增加了二維MEMS傾斜鏡的制作成本，且由于設(shè)計(jì)和加工誤差的存在，加工后的二維MEMS傾斜鏡的兩偏轉(zhuǎn)軸夾角與設(shè)計(jì)的要求總存在一定的差別，如文獻(xiàn)1中設(shè)計(jì)的兩偏轉(zhuǎn)軸的夾角角度是145°，但實(shí)際角度是145. 37°，造成傾斜鏡對光路調(diào)制質(zhì)量的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，以克服公知技術(shù)中存在的不足。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，偏轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其上電極單邊非對稱的固定在基底上，通過在傾斜鏡的不同排布方式的下電極塊上加相同的電壓值或在相同排布的下電極塊上加不同的電壓值，或?qū)⒁陨蟽煞N方案綜合使用，完成二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其下電極由多個下電極塊6排列組合而成，下電極塊6的個數(shù)大于2個，且每個下電極塊之間留有間距。所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，下電極塊超出上電極邊界的縱向距離控制在-500 μ m至500 μ m之間，超出上電極邊界的橫向尺寸距離控制在-500 μ m至
3500 μ m之間，負(fù)號表示下電極塊在上電極內(nèi)部。所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，上電極與下電極塊的距離為 0.5-100 μm。所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，傾斜鏡的鏡面縱向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)距離控制在-500 μ m至500 μ m之間，傾斜鏡的鏡面橫向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)尺寸控制在-500 μ m至500 μ m之間，傾斜鏡的鏡面與上電極上表面的距離為0. 5-100 μ m之間，負(fù)號表示傾斜鏡的鏡面在上電極的外部。本發(fā)明通過將傾斜鏡的上電極單邊非對稱的固定在基底上并通過對傾斜鏡的下電極塊進(jìn)行不對稱加電，實(shí)現(xiàn)鏡子偏轉(zhuǎn)軸的自由變換，并使鏡面可以繞所需角度的偏轉(zhuǎn)軸自由的偏轉(zhuǎn)，高效可靠的實(shí)現(xiàn)所要求的光路轉(zhuǎn)換，提高傾斜鏡的光路轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的剖面示意圖。圖3是偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的俯視圖。圖4是偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡上電極5與下電極塊6的排布圖。圖5是偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的鏡面1與上電極5的排布圖。圖6是偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6的排布示意圖。圖7是在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_4上加電時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖8是在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_5上加電時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖9是在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6-1、6_2、6-3、6_4上加相同電壓值時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖10是在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6-5、6_6、6-7、6_8上加相同電壓值時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。 圖11是在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_4、6_5上加相同電壓值時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖12是當(dāng)在轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_5上的電壓值是下電極塊6-4的10倍時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖13是當(dāng)在轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_5上的電壓值是下電極塊6-1的10倍時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。圖14是當(dāng)在偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6_2和6_5上加相同的電壓值時，傾斜鏡的鏡面偏轉(zhuǎn)示意圖。附圖中組件符號說明1傾斜鏡鏡面；2-1膜層沉積基底；2-2硅基底；3固定梁；4絕緣層；
5上電極板；6下電極塊；7鏡面支柱；8上電極與下電極的間距；9上電板與鏡面的間距；10鏡面的多晶硅層；11鏡面金層；12固定梁的寬度尺寸；13下電極塊的長度尺寸；14下電極塊的寬度尺寸；15下電極塊的縱向間距尺寸；16下電極塊超出上電極的縱向尺寸；17下電極塊的縱向間距；18上電極的縱向尺寸；19下電極塊橫向縮進(jìn)尺寸；20上電極的橫向尺寸；21固定梁的長度尺寸；22上電極超出鏡面距離的橫向尺寸；23鏡面的橫向尺寸；M鏡面的縱向尺寸；25上電極超出鏡面距離的縱向尺寸；6-1傾斜鏡下邊左端第一塊下電極塊；6-2傾斜鏡下邊左端第二塊下電極塊；6-3 傾斜鏡下邊左端第三塊下電極塊；6-4傾斜鏡下邊左端第四塊下電極塊；6-5傾斜鏡上邊右端第一塊下電極塊；6-6傾斜鏡上邊右端第二塊下電極塊；6-7傾斜鏡上邊右端第三塊下電極塊；6-8傾斜鏡上邊右端第四塊下電極塊；26傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角。
具體實(shí)施例方式為解決背景技術(shù)中偏轉(zhuǎn)軸固定的二維MEMS傾斜鏡在光路轉(zhuǎn)換時存在的不足，提高二維MEMS傾斜鏡的光路轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量，本發(fā)明提供一種偏轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維 MEMS傾斜鏡。請參閱圖1、2、3、4、5和圖6，分別是本發(fā)明偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的結(jié)構(gòu)示意圖、偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的剖面示意圖、偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的俯視圖、偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡上電極5與下電極塊6 的排布圖、偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的鏡面1與上電極5的排布圖，以及偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡下電極塊6的排布示意圖。本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡由鏡面1、膜層沉積基底2_1、硅基底2-2、固定梁3、絕緣層4、上電極5、下電極塊6以及支撐柱7組成，其中下電極塊6組合成傾斜鏡的下電極。膜層沉積基底2-1與硅基底2-2共同形成偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的基底2，通過將上電極5單邊固定在基底2上，并在下電極非對稱加電即可實(shí)現(xiàn)傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換，實(shí)現(xiàn)鏡面繞所需偏轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)變形。硅基底2-2的材料為單晶硅，在其上沉積2nm-0. 5 μ m厚的氮化硅絕緣層4，用于阻隔下電極塊6與硅基底2-2間的電流短路。在氮化硅絕緣層上沉積厚度0. 5-3 μ m的摻雜多晶硅層用作構(gòu)成下電極塊6。傾斜鏡的下電極不是一個單一的電極，而是由多個下電極塊6排列組合而成，下電極塊6的形狀可以是圓形、三角形、四邊形或其他多邊形狀，本發(fā)明以長方形的下電極塊6進(jìn)行闡述。下電極塊6分布在上電極5的下面，其中下電極塊6的長度尺寸13在 I-IOOOym之間，寬度尺寸14在1-1000 μ m之間，下電極塊6之間的橫向間距15控制在 1-1000 μ m之間，下電極塊6的縱向距離17控制在1-1000 μ m之間。下電極塊6超出上電極5邊界的縱向距離16控制在-500 μ m M 500 μ m之間，負(fù)號表示下電極塊6在上電極5 內(nèi)部。超出上電極5邊界的橫向尺寸距離19控制在-500μπι至500μπι之間，負(fù)號表示下電極塊6在上電極5內(nèi)部。當(dāng)下電極塊的尺寸確定后，通過使下電極塊6超出上電極5的邊界一定的距離，可以在保證獲得大的轉(zhuǎn)動力矩的同時，減小上下電極間的相對面積，避免靜電吸合效應(yīng)產(chǎn)生。 下電極塊6的個數(shù)要求大于2個。上電極5的材料是摻雜的多晶硅，厚度0.5-50 μ m，通過固定梁3單邊非對稱的固定在基底2上，固定梁3的形狀和尺寸可以按照實(shí)際需求設(shè)計(jì)，此處以長方形的固定梁為例進(jìn)行闡述。上電極5的上表面通過支撐柱7支撐鏡面1，上電極5的下表面距離下電極塊6 的間距8為0. 5-100 μ m。鏡面1是兩層膜結(jié)構(gòu)，下層是多晶硅層10，厚度0.5-50 μ m，上層是金層11，厚度 20nm-5 μ m0鏡面的長度尺寸23控制在1-1000 μ m之間，寬度尺寸M控制在1-1000 μ m之間，鏡面縱向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)距離25控制在-500 μ m至500 μ m之間，鏡面橫向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)尺寸22控制在-500μπι至500μπι之間，負(fù)號表示鏡面1在上電極5內(nèi)部。鏡面 1距上電極5的間距9控制在0. 5-100 μ m之間。本發(fā)明的工作原理是通過在傾斜鏡的上電極5和下電極塊6之間加電壓值，在靜電吸引的作用下，上、 下電極之間產(chǎn)生靜電力，利用靜電力產(chǎn)生的力矩驅(qū)動傾斜鏡面1繞偏轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。通過在不同排布方式的下電極塊6上加相同的電壓值，或在相同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值，或綜合使用以上兩種方案實(shí)現(xiàn)傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。1)在不同排布方式的下電極塊6上加相同的電壓值，實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。在圖6所示的結(jié)構(gòu)圖中，在其下電極塊6-4加電，在靜電力的作用下，傾斜鏡子的上電極5產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，帶到鏡面1產(chǎn)生同樣角度的偏轉(zhuǎn)，其鏡面偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為83 度。如在傾斜鏡電極塊6-5上加相同的電壓值，則傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為65度。2)在相同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。利用在傾斜鏡相同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值同樣可以產(chǎn)生傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的變換效果，例如在傾斜鏡下電極塊6-4、6-5上加相同的電壓值時，傾斜鏡的偏CN 102253486 A
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轉(zhuǎn)軸Y'與鏡子Y軸的夾角是90度，但當(dāng)下電極塊6-5上的電壓值是下電極塊6-4的10倍時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為88度。3)在不同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。通過在不同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值也可以實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換，例如在傾斜鏡下電極塊6-5加的電壓值是在下電極塊6-5上所加電壓值的10倍時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與鏡子Y軸的夾角是96度，但當(dāng)下電極塊6-5上的所加電壓值與下電極塊6-2的電壓值相同時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為87度。本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡通過在傾斜鏡的不同排布方式的下電極塊6上加相同的電壓值或在同樣排布方式的下電極塊6加不同的電壓值，或綜合利用以上兩種措施，可以實(shí)現(xiàn)傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換，其重要意義在于1)提高了二維MEMS傾斜鏡的靈活性。轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維MEMS傾斜鏡通過調(diào)制偏轉(zhuǎn)軸的角度，可實(shí)現(xiàn)鏡面沿此軸的自由偏轉(zhuǎn)，提高了傾斜鏡的光路轉(zhuǎn)換效率；2)轉(zhuǎn)軸角度的自由轉(zhuǎn)換可以方便的對鏡子的光路轉(zhuǎn)換效果進(jìn)行調(diào)整，消除固定軸的二維MEMS傾斜鏡因加工誤差的存在而造成的光路偏轉(zhuǎn)誤差，提高傾斜鏡的光路轉(zhuǎn)換質(zhì)量；3)偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡的結(jié)構(gòu)簡單，易加工，在同一片鏡子上可實(shí)現(xiàn)多個方向的光路轉(zhuǎn)換，使用范圍廣，利用效率高，使用和制作成本低。以圖6所示的下電極塊的排布方式進(jìn)行本發(fā)明的偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS 傾斜鏡的具體實(shí)施例的說明。圖6所示的二維MEMS傾斜鏡的上電極5的長度尺寸20為 230 μ m,寬度尺寸18為100 μ m,固定梁3的長度尺寸21為38 μ m,寬度尺寸12為22 μ m， 下電極塊6的長度尺寸13為40 μ m,寬度尺寸14為30 μ m,下電極塊6的橫向間距15為 30 μ m,縱向間距17為40 μ m，下電極塊6縱向超出上電極5的尺寸16為10 μ m，下電極塊 6橫向縮進(jìn)上電極5的尺寸19為35 μ m，上電極5厚度3 μ m，下電極塊6的厚度為0. 5 μ m。1)在不同排布方式上的下電極塊6上加相同電壓值實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。當(dāng)在下電極塊6-4上加電時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為83度，鏡面的變形如圖7所示。當(dāng)在電極塊6-5上加電時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為65度，鏡面的變形如圖8所示。當(dāng)在下電極塊6-1、6-2、6-3、6-4上加相同電壓值時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為98度，鏡面的變形如圖9所示。當(dāng)在下電極塊6-5、6-6、6-7、6-8上加相同電壓值時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y ‘與Y軸的夾角為78度，鏡面的變形如圖10所示。2)在相同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。當(dāng)在下電極塊6-4、6_5同時加相同電壓值時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為 90度，鏡面的變形如圖11所示。當(dāng)在下電極塊6-5上的電壓值是下電極塊6-4的10倍時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸V與Y軸的夾角為94度，鏡面的變形如圖12所示。3)在不同排布方式的下電極塊6上加不同的電壓值實(shí)現(xiàn)二維MEMS傾斜鏡偏轉(zhuǎn)軸的變換。當(dāng)加在傾斜鏡下電極塊6-5上的電壓值是下電極塊6-1的10倍時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸Y'與Y軸的夾角為96度，鏡面的變形如圖13所示。當(dāng)在傾斜鏡下電極塊6-2和6-5加相同的電壓值時，傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸V與Y軸的夾角為87度，鏡面的變形如圖14所示。
權(quán)利要求
1.一種偏轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其上電極單邊非對稱的固定在基底上，通過在傾斜鏡的不同排布方式的下電極塊上加相同的電壓值或在相同排布的下電極塊上加不同的電壓值，或?qū)⒁陨蟽煞N方案綜合使用，完成二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其下電極由多個下電極塊6排列組合而成，下電極塊6的個數(shù)大于2個，且每個下電極塊之間留有間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，下電極塊超出上電極邊界的縱向距離控制在-500 μ m至500 μ m之間，超出上電極邊界的橫向尺寸距離控制在-500 μ m至500 μ m之間，負(fù)號表示下電極塊在上電極內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，上電極與下電極塊的距離為0. 5-100 μ m0
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述偏轉(zhuǎn)軸可自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其中，傾斜鏡的鏡面縱向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)距離控制在-500 μ m至500 μ m之間，傾斜鏡的鏡面橫向在上電極內(nèi)的縮進(jìn)尺寸控制在-500 μ m至500 μ m之間，傾斜鏡的鏡面與上電極上表面的距離為 0. 5-100 μ m之間，負(fù)號表示傾斜鏡的鏡面在上電極的外部。
全文摘要
一種偏轉(zhuǎn)軸可以自由變換的二維MEMS傾斜鏡，其上電極單邊非對稱的固定在基底上，通過在傾斜鏡的不同排布方式的下電極塊上加相同的電壓值或在相同排布方式的下電極塊上加不同的電壓值，或?qū)⒁陨蟽煞N方案綜合使用，完成二維MEMS傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)軸的自由變換。本發(fā)明的傾斜鏡靈活性高，有效提高了傾斜鏡的光路轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量，降低了使用成本，有利于促進(jìn)傾斜鏡在光通訊、投影顯示、光學(xué)成像以及激光共焦顯微等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
文檔編號G02B26/08GK102253486SQ20111022447
公開日2011年11月23日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者姚軍, 莊須葉 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所