靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其主要由位于最底層的低阻硅基底，位于中間層的固定梳齒和梳齒引線，位于最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片組和支撐梁組，以及同時處于中間層和最高層的錨位所組成；通過在X軸方向引入4根L形支撐梁來作為X軸方向的鏡面旋轉(zhuǎn)軸，使得內(nèi)部固定梳齒的引線恰好從相鄰兩根L形支撐梁空隙中央通過，這樣的設(shè)計既能夠簡化了器件結(jié)構(gòu)和加工工藝、降低了成本，還使得微鏡片的引線更為方便，以便于組成大規(guī)模微鏡片陣列，對拓展靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義。
【專利說明】靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微光機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域,具體涉及一種靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡。

【背景技術(shù)】
[0002]在微光機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，靜電驅(qū)動的二維掃描微機(jī)電系統(tǒng)微鏡片，是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中的重要器件，可作為光開關(guān)、光衰減器和光學(xué)多路復(fù)用器等。然而，現(xiàn)有的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡及其陣列主要存在以下缺點(diǎn):(I)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的鏡面彎曲會因溫度變化而加劇，從而導(dǎo)致插入損耗的變大；(2)器件結(jié)構(gòu)和加工工藝復(fù)雜，加工成本高；(3)組成陣列時引線不方便等。這些缺點(diǎn)大大限制了靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡及其陣列的推廣應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡插入損耗大、工藝復(fù)雜和組成大規(guī)模微鏡片陣列時引線困難等問題，提供一種靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡及其制作工藝。
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]—種靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，主要由位于最底層的低阻娃基底，位于中間層的固定梳齒和梳齒引線，位于最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片組和支撐梁組，以及同時處于中間層和最高層的錨位所組成；
[0006]低阻硅基底的上表面覆有絕緣層；
[0007]固定梳齒固定在低阻硅基底的上表面，并由2個外部固定梳齒和2個內(nèi)部固定梳齒構(gòu)成；其中2個外部固定梳齒對稱設(shè)置在低阻硅基底的Y軸向即前后兩側(cè)的邊緣處，2個內(nèi)部固定梳齒對稱設(shè)置在低阻娃基底的X軸向即左右兩側(cè)的中部；
[0008]錨位直立在低阻硅基底的上表面，并由4根從中間層貫穿到最高層的錨桿構(gòu)成；上述4根錨桿均分為2組，并分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部固定梳齒左側(cè)的2根錨桿相對稱，位于內(nèi)部固定梳齒右側(cè)的2根錨桿相對稱，且位于內(nèi)部固定梳齒左側(cè)的2根錨桿與位于內(nèi)部固定梳齒右側(cè)的2根錨桿相對稱；
[0009]可動梳齒懸設(shè)在固定梳齒的上方，并由2個外部可動梳齒和2個內(nèi)部可動梳齒構(gòu)成；2個外部可動梳齒分別位于2個外部固定梳齒的正上方，且外部可動梳齒的投影與外部固定梳齒相嚙合；2個內(nèi)部可動梳齒分別位于2個內(nèi)部固定梳齒的正上方，且內(nèi)部可動梳齒的投影與內(nèi)部固定梳齒相嚙合；
[0010]二維掃描微鏡片組由二維掃描平臺以及平貼在二維掃描平臺的上表面的微鏡片構(gòu)成；二維掃描平臺的X軸向即左右側(cè)壁各直接與I個內(nèi)部可動梳齒相固連，二維掃描平臺的Y軸向即前后側(cè)壁各通過一鏡面旋轉(zhuǎn)軸與I個外部可動梳齒固連；
[0011]支撐梁組包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，并分別懸設(shè)在2個內(nèi)部可動梳齒的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部可動梳齒左側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，位于內(nèi)部可動梳齒右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，且位于內(nèi)部可動梳齒左側(cè)的2根L形支撐梁與位于內(nèi)部可動梳齒右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱；每根L形支撐梁的一端與I根錨桿相連，另一端與外部可動梳齒相連；
[0012]2根梳齒引線分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒的相對外側(cè)，其中位于左側(cè)的梳齒引線從位于內(nèi)部可動梳齒左側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位于右側(cè)的梳齒引線從位于內(nèi)部可動梳齒右側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。
[0013]上述方案中，每根錨桿內(nèi)部均設(shè)有一個內(nèi)置絕緣層，該內(nèi)置絕緣層橫置于錨桿內(nèi)，并將錨桿分為上下兩個獨(dú)立并絕緣的部分，其中下部分錨桿的高度與固定梳齒的高度相當(dāng)，上部分錨桿的高度與可動梳齒的高度相當(dāng)。
[0014]上述方案中，微鏡片的上和/或下表面鍍有金屬膜。
[0015]上述方案中，2個外部固定梳齒均為單向梳齒，2個外部固定梳齒的齒槽的開口均向內(nèi)朝向即朝向低阻硅基底的中部，且2個外部固定梳齒的齒槽朝向正對；與之對應(yīng)，2個外部可動梳齒均為單向梳齒，2個外部可動梳齒的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻硅基底的邊緣，且2個外部可動梳齒的齒槽朝向背對。
[0016]上述方案中，每個內(nèi)部固定梳齒均由2個在Y軸向并排的雙向梳齒組成，即每個內(nèi)部固定梳齒的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒；與之對應(yīng)，每個內(nèi)部可動均由位于中部的I個雙向梳齒和位于兩側(cè)的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒，單向梳齒的開口向內(nèi)朝向即即朝向雙向梳齒。
[0017]上述方案中，所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃制成。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明通過在X軸方向引入4根L形支撐梁來作為X軸方向的鏡面旋轉(zhuǎn)軸，使得內(nèi)部固定梳齒的引線恰好從相鄰兩根L形支撐梁空隙中央通過，這樣的設(shè)計既能夠簡化了器件結(jié)構(gòu)和加工工藝、降低了成本，還使得微鏡片的引線更為方便，以便于組成大規(guī)模微鏡片陣列，對拓展靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義。此外，本發(fā)明還通過在鏡面上下表面鍍金屬膜，消除了殘余應(yīng)力造成的鏡面彎曲，減小了因溫度變化導(dǎo)致的鏡面曲率半徑變化及其由此帶來的插入損耗的變化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為單個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的立體示意圖。
[0020]圖2為單個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的俯視圖。
[0021]圖3為單個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的最底層和中間層的立體示意圖。
[0022]圖4為單個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的最上層的立體示意圖。
[0023]圖5為2X2個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡陣列的俯視圖。
[0024]圖中標(biāo)號:1、低阻硅基底，2-1、外部固定梳齒，2-2、內(nèi)部固定梳齒，3、梳齒引線，4-1、外部可動梳齒，4-2、內(nèi)部可動梳齒，5-1、二維掃描平臺，5-2、微鏡片，5-3、鏡面旋轉(zhuǎn)軸，
6、支撐梁組，7、錨位；7-1、內(nèi)置絕緣層，8、絕緣層。

【具體實(shí)施方式】
[0025]—種靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，如圖1-4所不,主要由位于最底層的低阻硅基底1，位于中間層的固定梳齒和梳齒引線3，位于最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片5-2組和支撐梁組6，以及同時處于中間層和最高層的錨位7所組成。
[0026]低阻硅基底I的上表面覆有絕緣層8。該絕緣層8是厚度為0.1?10微米的聚合物、二氧化硅或者氮化硅。
[0027]固定梳齒固定在低阻硅基底I的上表面，并由2個外部固定梳齒2-1和2個內(nèi)部固定梳齒2-2構(gòu)成。其中2個外部固定梳齒2-1對稱設(shè)置在低阻硅基底I的Y軸向即前后兩側(cè)的邊緣處，2個內(nèi)部固定梳齒2-2對稱設(shè)置在低阻硅基底I的X軸向即左右兩側(cè)的中部。
[0028]錨位7直立在低阻硅基底I的上表面，并由4根從中間層貫穿到最高層的錨桿構(gòu)成。每根錨桿內(nèi)部均設(shè)有一個內(nèi)置絕緣層7-1，該內(nèi)置絕緣層7-1是厚度為0.1?10微米的聚合物、二氧化硅或者氮化硅。內(nèi)置絕緣層7-1橫置于錨桿內(nèi)，并將錨桿分為上下兩個獨(dú)立并絕緣的部分，其中下部分錨桿的高度與固定梳齒的高度相當(dāng)，上部分錨桿的高度與可動梳齒的高度相當(dāng)。上述4根錨桿均分為2組，并分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒2-2的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底I的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部固定梳齒2-2左側(cè)的2根錨桿相對稱，位于內(nèi)部固定梳齒2-2右側(cè)的2根錨桿相對稱，且位于內(nèi)部固定梳齒2-2左側(cè)的2根錨桿與位于內(nèi)部固定梳齒2-2右側(cè)的2根錨桿相對稱。
[0029]可動梳齒懸設(shè)在固定梳齒的上方，并由2個外部可動梳齒4-1和2個內(nèi)部可動梳齒4-2構(gòu)成。2個外部可動梳齒4-1分別位于2個外部固定梳齒2-1的正上方，且外部可動梳齒4-1的投影與外部固定梳齒2-1相嚙合。2個內(nèi)部可動梳齒4-2分別位于2個內(nèi)部固定梳齒2-2的正上方，且內(nèi)部可動梳齒4-2的投影與內(nèi)部固定梳齒2-2相嚙合。
[0030]二維掃描微鏡片5-2組由二維掃描平臺5-1以及平貼在二維掃描平臺5-1的上表面的微鏡片5-2構(gòu)成。微鏡片5-2的上下表面均鍍有金屬膜，該金屬膜可以是金、銅或者鋁，其厚度為50?500納米。二維掃描平臺5-1的X軸向即左右側(cè)壁各直接與I個內(nèi)部可動梳齒4-2相固連，二維掃描平臺5-1的Y軸向即前后側(cè)壁各通過一鏡面旋轉(zhuǎn)軸5-3與I個外部可動梳齒4-1固連。上述鏡面旋轉(zhuǎn)軸5-3的寬度為2?10微米。
[0031]支撐梁組6包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，并分別懸設(shè)在2個內(nèi)部可動梳齒4-2的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底I的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部可動梳齒4-2左側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，位于內(nèi)部可動梳齒4-2右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，且位于內(nèi)部可動梳齒4-2左側(cè)的2根L形支撐梁與位于內(nèi)部可動梳齒4-2右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱。每根L形支撐梁的一端與I根錨桿相連，另一端與外部可動梳齒4-1相連。位于同一側(cè)的且相鄰的兩根L形支撐梁的間距為4?20微米。
[0032]2根梳齒引線3分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒2-2的相對外側(cè)，其中位于左側(cè)的梳齒引線3從位于內(nèi)部可動梳齒4-2左側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位于右側(cè)的梳齒引線3從位于內(nèi)部可動梳齒4-2右側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。L形支撐梁的寬度為2?12微米。
[0033]所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃制成。可動梳齒與固定梳齒的聞度為20?120微米。為了能夠?qū)崿F(xiàn)外部固定梳齒2-1與外部可動梳齒4-1的投影嚙合，2個外部固定梳齒2-1均為單向梳齒，2個外部固定梳齒2-1的齒槽的開口均向內(nèi)朝向即朝向低阻硅基底I的中部，且2個外部固定梳齒2-1的齒槽朝向正對；與之對應(yīng)，2個外部可動梳齒
4-1均為單向梳齒，2個外部可動梳齒4-1的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻硅基底I的邊緣，且2個外部可動梳齒4-1的齒槽朝向背對。為了能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部固定梳齒2-2與內(nèi)部可動梳齒4-2的投影嚙合，每個內(nèi)部固定梳齒2-2均由2個在Y軸向并排的雙向梳齒組成，即每個內(nèi)部固定梳齒2-2的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒2-1 ;與之對應(yīng)，每個內(nèi)部可動均由位于中部的I個雙向梳齒和位于兩側(cè)的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒2-1，單向梳齒的開口向內(nèi)朝向即即朝向雙向梳齒。
[0034]靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的具體制作工藝流程如下:
[0035]①準(zhǔn)備SOI層厚度為45微米、中間二氧化硅厚度為I微米、基底厚度為300微米的硅片A和SOI層厚度為80微米、中間氧化硅厚度為I微米、基底厚度為300微米的硅片B各一片。
[0036]②在硅片A的SOI層上沉積200納米厚的金，深刻蝕硅片B，形成最小線寬3微米的固定梳齒及其引線。
[0037]③將硅片A與B進(jìn)行鍵合，并在兩層中間形成一層200納米厚的二氧化硅絕緣層8。
[0038]④去除硅片A的基底層。
[0039]⑤刻蝕硅片A，形成鏡面結(jié)構(gòu)；最后，采用Lift off工藝在表面沉積200納米厚的金。
[0040]實(shí)際使用時，本靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡若要實(shí)現(xiàn)繞X軸掃描，只要將在外部固定梳齒2-1和L形支撐梁外端點(diǎn)分別接到直流電源的正、負(fù)極，就可在外部固定梳齒2-1和外部可動梳齒4-1之間形成一個電勢差，從而驅(qū)動鏡面繞X軸旋轉(zhuǎn)。若要實(shí)現(xiàn)繞Y軸掃描，只要將梳齒引線3和其中任何一個錨位7的上表面分別接到直流電源的正、負(fù)極，就可在內(nèi)部固定梳齒2-2與內(nèi)部可動梳齒4-2之間形成電勢差，從而驅(qū)動鏡面繞X軸轉(zhuǎn)動。
[0041]以上是單個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡的情況，2X2個靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡陣列結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，實(shí)際使用時，只要將相應(yīng)的梳齒通過引線與電源正負(fù)極相連即可實(shí)現(xiàn)二維掃描。考慮到引線方便，相鄰單元之間要留有足夠的距離。
【權(quán)利要求】
1.靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其特征在于:主要由位于最底層的低阻娃基底(1)，位于中間層的固定梳齒和梳齒引線(3)，位于最上層的可動梳齒、二維掃描微鏡片(5-2)組和支撐梁組￠)，以及同時處于中間層和最高層的錨位(7)所組成； 低阻硅基底(I)的上表面覆有絕緣層(8)； 固定梳齒固定在低阻硅基底(I)的上表面，并由2個外部固定梳齒(2-1)和2個內(nèi)部固定梳齒(2-2)構(gòu)成；其中2個外部固定梳齒(2-1)對稱設(shè)置在低阻硅基底(I)的Y軸向即前后兩側(cè)的邊緣處，2個內(nèi)部固定梳齒(2-2)對稱設(shè)置在低阻硅基底(I)的X軸向即左右兩側(cè)的中部； 錨位(7)直立在低阻硅基底(I)的上表面，并由4根從中間層貫穿到最高層的錨桿構(gòu)成；上述4根錨桿均分為2組，并分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒(2-2)的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底(I)的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部固定梳齒(2-2)左側(cè)的2根錨桿相對稱，位于內(nèi)部固定梳齒(2-2)右側(cè)的2根錨桿相對稱，且位于內(nèi)部固定梳齒(2-2)左側(cè)的2根錨桿與位于內(nèi)部固定梳齒(2-2)右側(cè)的2根錨桿相對稱； 可動梳齒懸設(shè)在固定梳齒的上方，并由2個外部可動梳齒(4-1)和2個內(nèi)部可動梳齒(4-2)構(gòu)成；2個外部可動梳齒(4-1)分別位于2個外部固定梳齒(2-1)的正上方，且外部可動梳齒(4-1)的投影與外部固定梳齒(2-1)相嚙合；2個內(nèi)部可動梳齒(4-2)分別位于2個內(nèi)部固定梳齒(2-2)的正上方，且內(nèi)部可動梳齒(4-2)的投影與內(nèi)部固定梳齒(2-2)相嚙合； 二維掃描微鏡片(5-2)組由二維掃描平臺(5-1)以及平貼在二維掃描平臺(5-1)的上表面的微鏡片(5-2)構(gòu)成；二維掃描平臺(5-1)的X軸向即左右側(cè)壁各直接與I個內(nèi)部可動梳齒(4-2)相固連，二維掃描平臺(5-1)的Y軸向即前后側(cè)壁各通過一鏡面旋轉(zhuǎn)軸(5-3)與I個外部可動梳齒(4-1)固連； 支撐梁組(6)包括4根L形支撐梁，這4根L形支撐梁均分為2組，并分別懸設(shè)在2個內(nèi)部可動梳齒(4-2)的相對外側(cè)，且這4根錨桿在低阻硅基底(I)的上表面呈兩兩對稱設(shè)置，即位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)左側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱，且位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)左側(cè)的2根L形支撐梁與位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)右側(cè)的2根L形支撐梁相對稱；每根L形支撐梁的一端與I根錨桿相連，另一端與外部可動梳齒(4-1)相連； 2根梳齒引線(3)分別固定在2個內(nèi)部固定梳齒(2-2)的相對外側(cè)，其中位于左側(cè)的梳齒引線(3)從位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)左側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過，位于右側(cè)的梳齒引線(3)從位于內(nèi)部可動梳齒(4-2)右側(cè)的2根L形支撐梁的間隙的正下方的中央通過。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其特征在于:每根錨桿內(nèi)部均設(shè)有一個內(nèi)置絕緣層(7-1)，該內(nèi)置絕緣層(7-1)橫置于錨桿內(nèi)，并將錨桿分為上下兩個獨(dú)立并絕緣的部分，其中下部分錨桿的高度與固定梳齒的高度相當(dāng)，上部分錨桿的高度與可動梳齒的高度相當(dāng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其特征在于:微鏡片(5-2)的上和/或下表面鍍有金屬膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其特征在于:2個外部固定梳齒(2-1)均為單向梳齒，2個外部固定梳齒(2-1)的齒槽的開口均向內(nèi)朝向即朝向低阻硅基底(I)的中部，且2個外部固定梳齒(2-1)的齒槽朝向正對；與之對應(yīng)，2個外部可動梳齒(4-1)均為單向梳齒，2個外部可動梳齒(4-1)的齒槽的開口均向外朝向即朝向低阻硅基底(I)的邊緣，且2個外部可動梳齒(4-1)的齒槽朝向背對。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡，其特征在于:每個內(nèi)部固定梳齒(2-2)均由2個在Y軸向并排的雙向梳齒組成，即每個內(nèi)部固定梳齒(2-2)的齒槽的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒(2-1);與之對應(yīng)，每個內(nèi)部可動均由位于中部的I個雙向梳齒和位于兩側(cè)的2個單向梳齒組成，其中雙向梳齒的開口向外朝向即朝向2個外部固定梳齒(2-1)，單向梳齒的開口向內(nèi)朝向即即朝向雙向梳齒。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)二維掃描微鏡,其特征在于:所述固定梳齒和可動梳齒由單晶娃或多晶娃制成。
【文檔編號】G02B26/10GK104297922SQ201410599361
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月30日
【發(fā)明者】陳春明, 胡放榮, 張隆輝, 彭暉 申請人:桂林市光隆光電科技有限公司