静电驱动微机电系统二维扫描微镜

摘要

本发明公开一种静电驱动微机电系统二维扫描微镜，其主要由位于最底层的低阻硅基底，位于中间层的固定梳齿和梳齿引线，位于最上层的可动梳齿、二维扫描微镜片组和支撑梁组，以及同时处于中间层和最高层的锚位所组成；通过在X轴方向引入4根L形支撑梁来作为X轴方向的镜面旋转轴，使得内部固定梳齿的引线恰好从相邻两根L形支撑梁空隙中央通过，这样的设计既能够简化了器件结构和加工工艺、降低了成本，还使得微镜片的引线更为方便，以便于组成大规模微镜片阵列，对拓展静电驱动微机电系统二维扫描微镜的应用领域具有十分重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及微光机电系统领域，具体涉及一种静电驱动微机电系统二维扫描微镜。

背景技术

在微光机电系统领域，静电驱动的二维扫描微机电系统微镜片，是现代光通信系统中的重要器件，可作为光开关、光衰减器和光学多路复用器等。然而，现有的静电驱动微机电系统二维扫描微镜及其阵列主要存在以下缺点：(1)残余应力产生的镜面弯曲会因温度变化而加剧，从而导致插入损耗的变大；(2)器件结构和加工工艺复杂，加工成本高；(3)组成阵列时引线不方便等。这些缺点大大限制了静电驱动微机电系统二维扫描微镜及其阵列的推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有静电驱动微机电系统二维扫描微镜插入损耗大、工艺复杂和组成大规模微镜片阵列时引线困难等问题，提供一种静电驱动微机电系统二维扫描微镜及其制作工艺。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种静电驱动微机电系统二维扫描微镜，主要由位于最底层的低阻硅基底，位于中间层的固定梳齿和梳齿引线，位于最上层的可动梳齿、二维扫描微镜片组和支撑梁组，以及同时处于中间层和最高层的锚位所组成；

低阻硅基底的上表面覆有绝缘层；

固定梳齿固定在低阻硅基底的上表面，并由2个外部固定梳齿和2个内部固定梳齿构成；其中2个外部固定梳齿对称设置在低阻硅基底的Y轴向即前后两侧的边缘处，2个内部固定梳齿对称设置在低阻硅基底的X轴向即左右两侧的中部；

锚位直立在低阻硅基底的上表面，并由4根从中间层贯穿到最高层的锚杆构成；上述4根锚杆均分为2组，并分别固定在2个内部固定梳齿的相对外侧，且这4根锚杆在低阻硅基底的上表面呈两两对称设置，即位于内部固定梳齿左侧的2根锚杆相对称，位于内部固定梳齿右侧的2根锚杆相对称，且位于内部固定梳齿左侧的2根锚杆与位于内部固定梳齿右侧的2根锚杆相对称；

可动梳齿悬设在固定梳齿的上方，并由2个外部可动梳齿和2个内部可动梳齿构成；2个外部可动梳齿分别位于2个外部固定梳齿的正上方，且外部可动梳齿的投影与外部固定梳齿相啮合；2个内部可动梳齿分别位于2个内部固定梳齿的正上方，且内部可动梳齿的投影与内部固定梳齿相啮合；

二维扫描微镜片组由二维扫描平台以及平贴在二维扫描平台的上表面的微镜片构成；二维扫描平台的X轴向即左右侧壁各直接与1个内部可动梳齿相固连，二维扫描平台的Y轴向即前后侧壁各通过一镜面旋转轴与1个外部可动梳齿固连；

支撑梁组包括4根L形支撑梁，这4根L形支撑梁均分为2组，并分别悬设在2个内部可动梳齿的相对外侧，且这4根锚杆在低阻硅基底的上表面呈两两对称设置，即位于内部可动梳齿左侧的2根L形支撑梁相对称，位于内部可动梳齿右侧的2根L形支撑梁相对称，且位于内部可动梳齿左侧的2根L形支撑梁与位于内部可动梳齿右侧的2根L形支撑梁相对称；每根L形支撑梁的一端与1根锚杆相连，另一端与外部可动梳齿相连；

2根梳齿引线分别固定在2个内部固定梳齿的相对外侧，其中位于左侧的梳齿引线从位于内部可动梳齿左侧的2根L形支撑梁的间隙的正下方的中央通过，位于右侧的梳齿引线从位于内部可动梳齿右侧的2根L形支撑梁的间隙的正下方的中央通过。

上述方案中，每根锚杆内部均设有一个内置绝缘层，该内置绝缘层横置于锚杆内，并将锚杆分为上下两个独立并绝缘的部分，其中下部分锚杆的高度与固定梳齿的高度相当，上部分锚杆的高度与可动梳齿的高度相当。

上述方案中，微镜片的上和/或下表面镀有金属膜。

上述方案中，2个外部固定梳齿均为单向梳齿，2个外部固定梳齿的齿槽的开口均向内朝向即朝向低阻硅基底的中部，且2个外部固定梳齿的齿槽朝向正对；与之对应，2个外部可动梳齿均为单向梳齿，2个外部可动梳齿的齿槽的开口均向外朝向即朝向低阻硅基底的边缘，且2个外部可动梳齿的齿槽朝向背对。

上述方案中，每个内部固定梳齿均由2个在Y轴向并排的双向梳齿组成，即每个内部固定梳齿的齿槽的开口向外朝向即朝向2个外部固定梳齿；与之对应，每个内部可动均由位于中部的1个双向梳齿和位于两侧的2个单向梳齿组成，其中双向梳齿的开口向外朝向即朝向2个外部固定梳齿，单向梳齿的开口向内朝向即即朝向双向梳齿。

上述方案中，所述固定梳齿和可动梳齿由单晶硅或多晶硅制成。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明通过在X轴方向引入4根L形支撑梁来作为X轴方向的镜面旋转轴，使得内部固定梳齿的引线恰好从相邻两根L形支撑梁空隙中央通过，这样的设计既能够简化了器件结构和加工工艺、降低了成本，还使得微镜片的引线更为方便，以便于组成大规模微镜片阵列，对拓展静电驱动微机电系统二维扫描微镜的应用领域具有十分重要的意义。此外，本发明还通过在镜面上下表面镀金属膜，消除了残余应力造成的镜面弯曲，减小了因温度变化导致的镜面曲率半径变化及其由此带来的插入损耗的变化。

附图说明

图1为单个静电驱动微机电系统二维扫描微镜的立体示意图。

图2为单个静电驱动微机电系统二维扫描微镜的俯视图。

图3为单个静电驱动微机电系统二维扫描微镜的最底层和中间层的立体示意图。

图4为单个静电驱动微机电系统二维扫描微镜的最上层的立体示意图。

图5为2×2个静电驱动微机电系统二维扫描微镜阵列的俯视图。

图中标号：1、低阻硅基底，2-1、外部固定梳齿，2-2、内部固定梳齿，3、梳齿引线，4-1、外部可动梳齿，4-2、内部可动梳齿，5-1、二维扫描平台，5-2、微镜片，5-3、镜面旋转轴，6、支撑梁组，7、锚位；7-1、内置绝缘层，8、绝缘层。

具体实施方式

一种静电驱动微机电系统二维扫描微镜，如图1-4所示，主要由位于最底层的低阻硅基底1，位于中间层的固定梳齿和梳齿引线3，位于最上层的可动梳齿、二维扫描微镜片5-2组和支撑梁组6，以及同时处于中间层和最高层的锚位7所组成。

低阻硅基底1的上表面覆有绝缘层8。该绝缘层8是厚度为0.1～10微米的聚合物、二氧化硅或者氮化硅。

固定梳齿固定在低阻硅基底1的上表面，并由2个外部固定梳齿2-1和2个内部固定梳齿2-2构成。其中2个外部固定梳齿2-1对称设置在低阻硅基底1的Y轴向即前后两侧的边缘处，2个内部固定梳齿2-2对称设置在低阻硅基底1的X轴向即左右两侧的中部。

锚位7直立在低阻硅基底1的上表面，并由4根从中间层贯穿到最高层的锚杆构成。每根锚杆内部均设有一个内置绝缘层7-1，该内置绝缘层7-1是厚度为0.1～10微米的聚合物、二氧化硅或者氮化硅。内置绝缘层7-1横置于锚杆内，并将锚杆分为上下两个独立并绝缘的部分，其中下部分锚杆的高度与固定梳齿的高度相当，上部分锚杆的高度与可动梳齿的高度相当。上述4根锚杆均分为2组，并分别固定在2个内部固定梳齿2-2的相对外侧，且这4根锚杆在低阻硅基底1的上表面呈两两对称设置，即位于内部固定梳齿2-2左侧的2根锚杆相对称，位于内部固定梳齿2-2右侧的2根锚杆相对称，且位于内部固定梳齿2-2左侧的2根锚杆与位于内部固定梳齿2-2右侧的2根锚杆相对称。

可动梳齿悬设在固定梳齿的上方，并由2个外部可动梳齿4-1和2个内部可动梳齿4-2构成。2个外部可动梳齿4-1分别位于2个外部固定梳齿2-1的正上方，且外部可动梳齿4-1的投影与外部固定梳齿2-1相啮合。2个内部可动梳齿4-2分别位于2个内部固定梳齿2-2的正上方，且内部可动梳齿4-2的投影与内部固定梳齿2-2相啮合。

二维扫描微镜片5-2组由二维扫描平台5-1以及平贴在二维扫描平台5-1的上表面的微镜片5-2构成。微镜片5-2的上下表面均镀有金属膜，该金属膜可以是金、铜或者铝，其厚度为50～500纳米。二维扫描平台5-1的X轴向即左右侧壁各直接与1个内部可动梳齿4-2相固连，二维扫描平台5-1的Y轴向即前后侧壁各通过一镜面旋转轴5-3与1个外部可动梳齿4-1固连。上述镜面旋转轴5-3的宽度为2～10微米。

支撑梁组6包括4根L形支撑梁，这4根L形支撑梁均分为2组，并分别悬设在2个内部可动梳齿4-2的相对外侧，且这4根锚杆在低阻硅基底1的上表面呈两两对称设置，即位于内部可动梳齿4-2左侧的2根L形支撑梁相对称，位于内部可动梳齿4-2右侧的2根L形支撑梁相对称，且位于内部可动梳齿4-2左侧的2根L形支撑梁与位于内部可动梳齿4-2右侧的2根L形支撑梁相对称。每根L形支撑梁的一端与1根锚杆相连，另一端与外部可动梳齿4-1相连。位于同一侧的且相邻的两根L形支撑梁的间距为4～20微米。

2根梳齿引线3分别固定在2个内部固定梳齿2-2的相对外侧，其中位于左侧的梳齿引线3从位于内部可动梳齿4-2左侧的2根L形支撑梁的间隙的正下方的中央通过，位于右侧的梳齿引线3从位于内部可动梳齿4-2右侧的2根L形支撑梁的间隙的正下方的中央通过。L形支撑梁的宽度为2～12微米。

所述固定梳齿和可动梳齿由单晶硅或多晶硅制成。可动梳齿与固定梳齿的高度为20～120微米。为了能够实现外部固定梳齿2-1与外部可动梳齿4-1的投影啮合，2个外部固定梳齿2-1均为单向梳齿，2个外部固定梳齿2-1的齿槽的开口均向内朝向即朝向低阻硅基底1的中部，且2个外部固定梳齿2-1的齿槽朝向正对；与之对应，2个外部可动梳齿4-1均为单向梳齿，2个外部可动梳齿4-1的齿槽的开口均向外朝向即朝向低阻硅基底1的边缘，且2个外部可动梳齿4-1的齿槽朝向背对。为了能够实现内部固定梳齿2-2与内部可动梳齿4-2的投影啮合，每个内部固定梳齿2-2均由2个在Y轴向并排的双向梳齿组成，即每个内部固定梳齿2-2的齿槽的开口向外朝向即朝向2个外部固定梳齿2-1；与之对应，每个内部可动均由位于中部的1个双向梳齿和位于两侧的2个单向梳齿组成，其中双向梳齿的开口向外朝向即朝向2个外部固定梳齿2-1，单向梳齿的开口向内朝向即即朝向双向梳齿。

静电驱动微机电系统二维扫描微镜的具体制作工艺流程如下：

①准备SOI层厚度为45微米、中间二氧化硅厚度为1微米、基底厚度为300微米的硅片A和SOI层厚度为80微米、中间氧化硅厚度为1微米、基底厚度为300微米的硅片B各一片。

②在硅片A的SOI层上沉积200纳米厚的金，深刻蚀硅片B，形成最小线宽3微米的固定梳齿及其引线。

③将硅片A与B进行键合，并在两层中间形成一层200纳米厚的二氧化硅绝缘层8。

④去除硅片A的基底层。

⑤刻蚀硅片A，形成镜面结构；最后，采用Lift off工艺在表面沉积200纳米厚的金。

实际使用时，本静电驱动微机电系统二维扫描微镜若要实现绕X轴扫描，只要将在外部固定梳齿2-1和L形支撑梁外端点分别接到直流电源的正、负极，就可在外部固定梳齿2-1和外部可动梳齿4-1之间形成一个电势差，从而驱动镜面绕X轴旋转。若要实现绕Y轴扫描，只要将梳齿引线3和其中任何一个锚位7的上表面分别接到直流电源的正、负极，就可在内部固定梳齿2-2与内部可动梳齿4-2之间形成电势差，从而驱动镜面绕X轴转动。

以上是单个静电驱动微机电系统二维扫描微镜的情况，2×2个静电驱动微机电系统二维扫描微镜阵列结构示意图，如图5所示，实际使用时，只要将相应的梳齿通过引线与电源正负极相连即可实现二维扫描。考虑到引线方便，相邻单元之间要留有足够的距离。