本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)器件制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

MEMS：MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文縮寫。它是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。MEMS主要包括微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高科技前沿學(xué)科。

MEMS微鏡屬于微光機(jī)電器件，是一種光反射型器件，現(xiàn)已應(yīng)用到微型投影、光通信以及激光雷達(dá)等多眾領(lǐng)域。目前MEMS微鏡的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，一般工作在準(zhǔn)靜態(tài)或諧振狀態(tài)，如在諧振狀態(tài)下振動(dòng)，速度極快，振動(dòng)頻率可達(dá)20kHz~30kHz。在這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下微鏡會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變形使得表面平整度變差，從而嚴(yán)重影響入射到鏡面上的光束的偏轉(zhuǎn)，最終影響微鏡的工作效果。而目前MEMS微鏡的使用場(chǎng)合中多對(duì)其表面平整度有較高要求，如將微鏡應(yīng)用于激光掃描系統(tǒng)中時(shí)，微鏡表面平整度就會(huì)影響反射激光的發(fā)散角從而影響投影成像的分辨率。

目前，關(guān)于MEMS微鏡表面的變形的緩解改善方式，主要有：（1）通過(guò)相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償由于鏡面不平整所引起的像差；該技術(shù)成本高，需要增加輔助的光學(xué)元件來(lái)搭建光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了在對(duì)準(zhǔn)、調(diào)試等方面的難度。（2）直接增加微鏡表面厚度；該方法在一定程度上提高微鏡表面的穩(wěn)定性，使得微鏡在高速振動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)形變有所緩解。但是，隨著扭轉(zhuǎn)鏡面厚度的增加，MEMS微鏡的重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也必然會(huì)隨之增加，在保證一定轉(zhuǎn)動(dòng)頻率情況下，必然要增加掃描微鏡扭轉(zhuǎn)梁的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，這樣勢(shì)必增加微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度所需要的驅(qū)動(dòng)力矩以及扭轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)力分布，增大了驅(qū)動(dòng)難度，降低了微鏡的抗沖擊能力。同時(shí)，直接增加微鏡表面厚度的方法，在加工過(guò)程中，會(huì)多一步光刻和刻蝕，從而增加了成本和操作的復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)微鏡振動(dòng)時(shí)的變形，本發(fā)明的目的是提供一種增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法減緩微鏡在高速振動(dòng)時(shí)其表面的形變，從而獲得相對(duì)較高的微鏡表面平整度，優(yōu)化MEMS在掃描、投影等方面的工作性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：

（1）理論分析

微鏡受到驅(qū)動(dòng)力矩作用繞扭轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)形變。根據(jù)S.Timoshenko的平板理論，由硅材料微鏡的位移公式（公式1）：

（1）

推導(dǎo)出其最大動(dòng)態(tài)變形公式（公式2）：

（2）

所推導(dǎo)的最大動(dòng)態(tài)變形公式，材料為硅，微鏡工作在諧振狀態(tài)，動(dòng)態(tài)變形δ 的值與扭轉(zhuǎn)軸的尺寸（長(zhǎng)度L_f，寬度2a，厚度2b）、微鏡的尺寸（厚度t和半徑L）以及扭轉(zhuǎn)角度θ₀有關(guān)，公式（2）表明增加鏡面厚度t可極大地降低動(dòng)態(tài)形變，本發(fā)明將通過(guò)增加微鏡的背部結(jié)構(gòu)來(lái)減小微鏡的動(dòng)態(tài)變形。

在微鏡的實(shí)際加工中，由于SOI（Silicon On Insulator，絕緣襯底上的硅）襯底的底層硅厚度比頂層硅厚度大得多（≥5倍），一般用頂層硅制作鏡面和扭轉(zhuǎn)軸，即鏡面厚度與扭轉(zhuǎn)軸的厚度是一樣的（也可稱之為無(wú)背部結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)一），而通過(guò)增加鏡面的厚度來(lái)降低動(dòng)態(tài)變形，從工藝的便捷性來(lái)說(shuō)，只能保留鏡面下的底層硅，要是完全保留鏡面下的底層硅（即目前存在的直接增加微鏡表面厚度的方法，稱為結(jié)構(gòu)二），這可以極大地降低微鏡的動(dòng)態(tài)變形，但是這部分底層硅的質(zhì)量太大，會(huì)超過(guò)扭轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度，使得扭轉(zhuǎn)軸易斷，并且會(huì)極大地降低微鏡的諧振頻率，因此不能單純、機(jī)械的增加微鏡厚度。因此，為了在保證扭轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度的前提下，本發(fā)明提出把微鏡下部的底層硅做成圓環(huán)形的背部結(jié)構(gòu)（本發(fā)明的結(jié)構(gòu)三），這既降低了微鏡的質(zhì)量，保證了扭轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度，又可以減緩微鏡表面的動(dòng)態(tài)變形。

（2）軟件模擬

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，利用COMSOL軟件對(duì)三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真對(duì)比。在保持轉(zhuǎn)角θ 相同的情況下，微鏡的最大動(dòng)態(tài)變形分別為486nm、243.3nm、245.2nm，可明顯看到圓環(huán)背部結(jié)構(gòu)的增加可以降低動(dòng)態(tài)變形量；并且結(jié)構(gòu)三與結(jié)構(gòu)二的動(dòng)態(tài)變形是相近的，但是結(jié)構(gòu)二會(huì)增加加工的難度，出于加工便捷性的考慮，本發(fā)明采用結(jié)構(gòu)三的圓環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)降低MEMS微鏡的動(dòng)態(tài)變形。

根據(jù)以上發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法：在MEMS微鏡背部增加圓環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)改善和緩解MEMS微鏡在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)形變。

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，微鏡的形狀為圓形；

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，背部結(jié)構(gòu)的形狀為圓環(huán)；

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，圓環(huán)的外徑不超過(guò)微鏡的直徑，內(nèi)徑大于零。

本發(fā)明的方法和目前的通過(guò)相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償鏡面不平整所引起的像差的方法相比，具有以下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步：a. 本發(fā)明的應(yīng)用范圍更加廣泛，它不僅適用于微鏡靜態(tài)形變的情況，也是用于任何微鏡動(dòng)態(tài)形變的情況；b. 由于本發(fā)明只需要在MEMS微鏡制作過(guò)程中增加一步簡(jiǎn)單的刻蝕即可實(shí)現(xiàn)，而不需要增加輔助的相應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)償，所以它成本更低、系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單、體積更加精巧、可操作性更強(qiáng)。

本發(fā)明可以在保證MEMS微鏡其他性能穩(wěn)定良好的情況下，可以同時(shí)提高微鏡表面平整度。和目前現(xiàn)有的直接增加微鏡本身厚度的方法相比它最大的優(yōu)勢(shì)就是可以保證微鏡一定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率、偏轉(zhuǎn)角度、驅(qū)動(dòng)力矩和扭轉(zhuǎn)軸應(yīng)力等性能穩(wěn)定良好。因?yàn)楸景l(fā)明的設(shè)計(jì)，不僅通過(guò)增加微鏡背部結(jié)構(gòu)從而增加小部分質(zhì)量，來(lái)提高微鏡表面的穩(wěn)定性、增大微鏡偏轉(zhuǎn)角度；同時(shí)通過(guò)仿真設(shè)計(jì)出不同形狀和尺寸的背部結(jié)構(gòu)，從而提升微鏡表面平整度、減小微鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的阻尼。

附圖說(shuō)明

圖1為微鏡振動(dòng)時(shí)的變形示意圖。

圖2為無(wú)背部結(jié)構(gòu)的微鏡三維圖（結(jié)構(gòu)一）。

圖3為有背部圓柱結(jié)構(gòu)的微鏡三維圖（結(jié)構(gòu)二）。

圖4為本發(fā)明的有背部圓環(huán)結(jié)構(gòu)的微鏡三維圖（結(jié)構(gòu)三）。

圖5為結(jié)構(gòu)一的動(dòng)態(tài)變形模擬圖。

圖6為結(jié)構(gòu)二的動(dòng)態(tài)變形模擬圖。

圖7為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)三的動(dòng)態(tài)變形模擬圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下：

實(shí)施例一

參見圖4，本增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，其特征在于：在MEMS微鏡背部增加圓環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)改善和緩解MEMS微鏡在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)形變。

實(shí)施例二

本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下：

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，微鏡的形狀為圓形；

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，背部結(jié)構(gòu)的形狀為圓環(huán)；

所述增強(qiáng)MEMS微鏡抗變能力的方法，圓環(huán)的外徑不超過(guò)微鏡的直徑，內(nèi)徑大于零。

實(shí)施例三

本實(shí)施例與實(shí)施例二基本相同，特別之處如下：

設(shè)置微鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)，L =0.5mm，L_f=0.5mm，a =30um，b =15um，保持微鏡的轉(zhuǎn)角相同，通過(guò)對(duì)比圖2所示結(jié)構(gòu)一（t =30um）與圖3所示結(jié)構(gòu)二（t =23um）的動(dòng)態(tài)變形，最大動(dòng)態(tài)變形的值分別為486nm、243.3nm，說(shuō)明背部圓柱能顯著降低微鏡的動(dòng)態(tài)變形。通過(guò)設(shè)置微鏡背部圓環(huán)的內(nèi)徑和外徑分別為0.72mm、0.9mm，厚度t =100um，即本實(shí)施例的圖4所示結(jié)構(gòu)三，此時(shí)微鏡的最大動(dòng)態(tài)變形為245.2nm，結(jié)構(gòu)二與結(jié)構(gòu)三的動(dòng)態(tài)形變相近，但是本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)三易于加工，可以省去一步光刻和刻蝕，節(jié)省成本，結(jié)構(gòu)三是減小動(dòng)態(tài)形變的極佳方案。圖5、圖6、圖7分別示出結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二和本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)三的動(dòng)態(tài)變形模擬圖。