電磁—靜電混合驅(qū)動二維微掃描鏡及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)器件領(lǐng)域，主要涉及光學(xué)反射技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、微加工技術(shù)等。
現(xiàn)有技術(shù)
[0002]光學(xué)掃描鏡是許多光學(xué)系統(tǒng)的核心器件，其基本工作原理是掃描鏡鏡面在驅(qū)動力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)肷涔獾某錾浣嵌?。光學(xué)掃描鏡在投影顯示、條碼識別、數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)學(xué)成像、印刷、形象藝術(shù)、質(zhì)量檢測、儀器儀表等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
[0003]美國TI公司的數(shù)字微鏡器件(Digital Micromirror Devices, DMD)在數(shù)字投影儀等商業(yè)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，曾一度使該公司多年排名全球MEMS企業(yè)的榜首，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。硅基微掃描鏡因其能耗小、微型化、易集成等優(yōu)點，已逐漸成為光學(xué)MEMS產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的一大熱點，在未來的微投影、人機(jī)交互等消費(fèi)電子領(lǐng)域正處于飛速發(fā)展階段。
[0004]目前微掃描鏡的驅(qū)動方式主要有:電磁驅(qū)動、靜電驅(qū)動、電熱驅(qū)動和壓電驅(qū)動等。其中壓電驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡具有相對好的穩(wěn)定性，驅(qū)動接近線性，同時可以獲得較大的掃描角度和較高的頻率，具有低驅(qū)動電壓和大氣隙間隔，表現(xiàn)出快速的響應(yīng)和合理的功耗，不足的是壓電材料的制備方式難以與硅微加工技術(shù)兼容，器件工藝較為復(fù)雜；電熱驅(qū)動是依靠熱膨脹效應(yīng)來驅(qū)動的，電熱驅(qū)動微扭轉(zhuǎn)鏡具有結(jié)構(gòu)形式多樣，驅(qū)動力大的優(yōu)點，但其具有響應(yīng)慢，功耗大的缺點，不適合用于微投影掃描等領(lǐng)域；電磁驅(qū)動雖然大多需要在鏡面上制作金屬線圈，并通過裝配技術(shù)將外磁場與器件集成在一起，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工制造相對復(fù)雜，但由于其驅(qū)動力大，驅(qū)動效率高，對尺寸不敏感，不僅可以實現(xiàn)諧振式掃描，也可以工作在非諧振狀態(tài)，使其在MEMS掃描鏡領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，Microvis1n公司2005年推出了一款雙軸掃描的電磁驅(qū)動式微掃描鏡，驅(qū)動線圈僅分布在框架上，給線圈施加兩種頻率疊加的驅(qū)動信號可同時實現(xiàn)雙軸扭轉(zhuǎn)(Proc.SPIE, 2005, 5721:1.)。靜電驅(qū)動有平板電容式驅(qū)動和梳齒驅(qū)動兩種形式，后者相比前者在相對較小的驅(qū)動電壓下可獲得較大的掃描角度，但仍存在驅(qū)動力小、驅(qū)動電壓高的缺陷，通常需要工作在諧振狀態(tài)，不過靜電驅(qū)動相比其他驅(qū)動方式功耗小、工藝簡單，并且與IC工藝完全兼容，成為應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動方式。
[0005]目前二維掃描成像主要有基于李薩如圖形掃描和行掃描兩種方式，后者相比前者成像直觀，控制算法簡單。由于靜電驅(qū)動大多工作在諧振狀態(tài)，所以只能采用基于李薩如圖形掃描的投影顯示方案。Maradin公司(http://maradin.c0.1l/)于2010年研制了一款電磁一靜電混合驅(qū)動二維微掃描鏡，利用靜電梳齒產(chǎn)生的靜電力驅(qū)動內(nèi)鏡面，由于靜電信號比較弱，所以使之工作在諧振狀態(tài)；用U型通電螺線管驅(qū)動固定在框架梁結(jié)構(gòu)上的永磁鐵，帶動框架扭轉(zhuǎn)，電磁力比較大，框架可以工作在任意頻率，但是此款掃描鏡需要用到微裝配技術(shù)，把磁性材料固定在微鏡框架扭轉(zhuǎn)梁上，與IC工藝不兼容，制作出的微鏡器件的工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性也很難保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的
[0007]為了克服二維諧振式靜電驅(qū)動微掃描鏡在采用李薩如圖形掃描進(jìn)行投影顯示時的控制算法復(fù)雜、像質(zhì)畸變嚴(yán)重等不足，實現(xiàn)行掃描投影成像，本發(fā)明提出了一種采用新型驅(qū)動方式的二維微掃描鏡:電磁一靜電混合驅(qū)動二維微掃描鏡，靜電驅(qū)動采用動靜梳齒對驅(qū)動，給動、靜梳齒別施加不同的電壓，由于靜電力的作用產(chǎn)生力矩作為靜電驅(qū)動模塊的驅(qū)動力矩；電磁驅(qū)動采用洛侖茲力驅(qū)動，通過電鍍、濺射等工藝手段制作的線圈置于外部磁場中，給線圈施加電流，線圈所受的洛侖茲力產(chǎn)生的力矩作為電磁驅(qū)動模塊的驅(qū)動力矩，而電鍍、濺射與IC工藝兼容，精度高，重復(fù)性好，便于產(chǎn)品化。
[0008]由于電磁驅(qū)動力大，可工作在非諧振狀態(tài)，故電磁驅(qū)動部分按低頻設(shè)計；靜電驅(qū)動部分工作在高頻，振動頻率對應(yīng)其模態(tài)為繞著支撐梁的扭轉(zhuǎn)共振頻率。另外，若鏡面用靜電驅(qū)動，可動框架用電磁驅(qū)動，靜電梳齒分布在鏡面和框架上，鏡面和框架之間需要加填充過的電隔離溝道以實現(xiàn)動、靜梳齒之間的電勢差，因此制作工藝較為復(fù)雜。本發(fā)明提出的二維微掃描鏡，鏡面用電磁驅(qū)動，框架用靜電驅(qū)動，此種驅(qū)動方式不需要專門制作完成填充電隔離溝道，通過刻蝕即可實現(xiàn)動靜梳齒的電隔離。
[0009]技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明提出的電磁一靜電混合驅(qū)動二維微掃描鏡的基本工作原理參閱圖1。器件主要由中心鏡面1、支撐鏡面外框架2、靜電驅(qū)動組件3、電磁驅(qū)動組件4組成。
[0011]中心鏡面I包括鏡面結(jié)構(gòu)11、鏡面支撐梁13a、13b和反射鍍層12，其中反射鍍層12的材料根據(jù)工作波長來選擇，以實現(xiàn)對入射光的高效率反射，鏡面形狀(如圓形、方形、橢圓形等等)取決于具體應(yīng)用要求，鏡面支撐梁13a、13b實現(xiàn)鏡面繞y軸扭轉(zhuǎn)。
[0012]支撐鏡面外框架2由框架結(jié)構(gòu)23，框架支撐梁22a、22b，框架支撐梁錨點21a、21b組成。其中，框架結(jié)構(gòu)23與鏡面支撐梁13a、13b剛性連接支撐；框架支撐梁22a、22b與鏡面支撐梁13a、13b正交，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)繞X軸扭轉(zhuǎn)；框架支撐梁錨點21a、21b支撐整個微鏡結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)及其支撐梁的形狀和尺寸根據(jù)具體的應(yīng)用要求來設(shè)計。
[0013]靜電驅(qū)動組件3由動梳齒33a、33b，靜梳齒32a、32b，靜梳齒錨點31a、31b組成，動梳齒與支撐鏡面外框架2是一個整體，且分布在框架23兩側(cè)，靜梳齒與動梳齒相互平行交錯。當(dāng)給動、靜梳齒施加電壓時，兩者之間的靜電力便產(chǎn)生繞X軸扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩。
[0014]其中，中心鏡面1、支撐鏡面外框架2及分布在框架上的動梳齒33a、33b位于同一層基質(zhì)材料上(如硅)，與動梳齒平行交錯分布的靜梳齒32a、32b及其錨點31a、31b根據(jù)不同的工藝方案可以與其他部分分布在同一層基質(zhì)材料上，動、靜梳齒通過刻蝕一次成型(參閱圖3)，也可以不在同一層基質(zhì)材料上，動、靜梳齒通過鍵合工藝集成得到(參閱圖4)。
[0015]電磁驅(qū)動組件4由磁極相對放置的永磁鐵41a、41b，鏡面反射鍍層12四周的金屬線圈42，線圈電流流入、流出的電極44a、44b及線圈和電極之間的過渡引線43組成，相對放置的磁鐵產(chǎn)生與鏡面支撐梁13a、13b垂直的磁場B，線圈上與B垂直的電流受到洛倫茲力，產(chǎn)生繞鏡面支撐梁13a、13b扭轉(zhuǎn)的力矩，提供掃描鏡沿y軸扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。由于框架結(jié)構(gòu)2繞X軸扭轉(zhuǎn)，從而帶動鏡面I繞X軸扭轉(zhuǎn)，結(jié)合電磁驅(qū)動，從而實現(xiàn)二維掃描。
[0016]其中，磁極材料可以為坡莫合金、鐵氧體等磁性材料。鏡面中心反射鍍層四周鍍有至少一圈的閉合金屬線圈，具體圈數(shù)由結(jié)構(gòu)尺寸、永磁鐵產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度、微鏡結(jié)構(gòu)所要求的轉(zhuǎn)角而定。該線圈與鏡面上的反射鍍層都分布在基底材料上。線圈材料為導(dǎo)電性能良好的金屬材料，如金、銅等，當(dāng)線圈大于一圈時，電流從電極b沿一根引線流入，從線圈內(nèi)部流出到對應(yīng)引線要加設(shè)過渡引線d，過渡引線與線圈除接點e以外的交叉處要有絕緣材料C，如氮化硅、聚酰亞胺、派瑞林或空氣等相隔。另外，基底結(jié)構(gòu)a與線圈f或過渡引線d之間也要有絕緣材料g，如氧化硅或氮化硅等相隔，線圈截面放大圖參閱圖2。
[0017]參閱圖5，本發(fā)明提出的第一種用于制作該微鏡的工藝一一基于SOI硅片的制作工藝，包括如下基本的工藝步驟:
[0018]步驟1:參閱圖5 (a)，在SOI硅片器件層上沉積一層絕緣層，并在絕緣層上，制作線圈過渡金屬引線和中心鏡面反射鍍層(引線和中心鏡面反射鍍層可以使用不同金屬)，再在其上沉積一層絕緣層并圖形化；
[0019]步驟2:參閱圖5(b)，在SOI基底層制作圖形化的掩膜，利用圖形化的掩膜刻蝕基底層至SOI中間的埋氧層，得到背腔；
[0020]步驟3:參閱圖5 (C)，制作圖形化的掩膜，把SOI器件層硅刻蝕至中間的埋氧層，得支撐梁、梳齒等微鏡結(jié)構(gòu)；
[0021]步驟4:參閱圖5(d)，在SOI器件層已經(jīng)圖形化的絕緣層上制作金屬線圈；
[0022]步驟5:參閱圖5(e)，去除中間的埋氧層，完成微掃描鏡制作。
[0023]參閱圖6，本發(fā)明提出的第二種用于制作該微鏡的工藝一一基于普通雙拋硅片的制作工藝，包括如下基本的工藝步驟:
[0024]步驟1:參閱圖6(a)，在硅片的一面沉積一層絕緣層，并在絕緣層上，制作線圈過渡金屬引線和中心鏡面反射鍍層(過渡引線和中心鏡面反射鍍層可以使用不同金屬材料)，再在其上沉積一層絕緣層并圖形化；
[0025]步驟2:參閱圖6(b)，在硅片另一面制作圖形化的掩膜，利用圖形化的掩膜刻蝕基底層至一定深度，得到背腔，再沉積一定厚度的金屬膜；
[0026]步驟3:參閱圖6(c)，在硅片絕緣層一面制作圖形化的掩膜，把剩余的硅層刻蝕至沉積的金屬膜，得支撐梁、梳齒等微鏡結(jié)構(gòu)；
[0027]步驟4:參閱圖6(d)，在已經(jīng)圖形化的絕緣層上制作金屬線圈；
[0028]步驟5:參閱圖6(e)，去除金屬膜，完成微掃描鏡制作。
[0029]參閱圖7，本發(fā)明提出的第三種用于制作該微鏡的工藝一一基于硅硅鍵合的制作工藝，包括如下基本的工藝步驟:
[0030]步驟1:參閱圖7(a)，利用熱氧化得一層S1J莫，圖形