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CN113281898B - Mems微镜单元及mems微镜阵列 - Google Patents

Mems微镜单元及mems微镜阵列 Download PDF

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CN113281898B CN202110571642.7A CN202110571642A CN113281898B CN 113281898 B CN113281898 B CN 113281898B CN 202110571642 A CN202110571642 A CN 202110571642A CN 113281898 B CN113281898 B CN 113281898B
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Abstract

本发明提供一种MEMS微镜单元，所述MEMS微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层。本发明还提供了一种MEMS微镜阵列，所述MEMS微镜阵列包含以密堆方式排列的多个所述的MEMS微镜单元。本发明提供的MEMS微镜单元可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活；包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，具有高占空比，以及高一致性的镜面性能。

Description

MEMS微镜单元及MEMS微镜阵列
技术领域
本发明涉及一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的MEMS微镜阵列；特别是，涉及一种用于快速激光扫描的压电驱动MEMS微镜阵列。
背景技术
MEMS微镜是基于微机械加工工艺制备的芯片级光学器件，其作为快速激光扫描及相位调制的关键元件之一，广泛应用于激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影、激光加工、MEMS光开关、空间光调制器等多种领域。
MEMS微镜阵列根据阵列的维度可以分为二维阵列、一维阵列和零维单元，其中，将多元微镜阵列平铺在二维平面所构成的微镜称为二维阵列，将微镜阵列平铺成一维直线所构成的微镜称为一维阵列，零维单元为仅包含单个微镜单元的微镜。根据驱动器的工作原理，MEMS微镜阵列一般可以分为静电驱动、电磁驱动、电热驱动及压电驱动等四种类型。其中，静电驱动模式一般采用在平行版电极或梳齿电极之间施加电压来产生静电驱动力，电磁驱动模式一般利用电流线圈在磁场中所受的洛伦兹力作为驱动力，电热驱动模式一般采用局部加热的方式引起材料的膨胀或收缩带动微镜运动，而压电驱动模式利用了具有逆压电效应的压电材料，通过在压电材料的两侧施加驱动电压来引发材料应变，由此产生驱动力。
微镜根据其控制模式，可以分为数字微镜、模拟微镜和谐振微镜三类。其中，数字微镜一般仅有开与关两种状态，模拟微镜可以进行连续的、准静态的运动控制，而谐振微镜工作在力学结构的谐振点附近，其频率取决于微镜本身的结构，并且谐振微镜具有较高的谐振因子。
常规地，MEMS微镜可以通过微尺度的镜面扭转来控制反射光束的偏转，微镜镜面的运动自由度，一般包括横向倾斜、纵向倾斜、上下平移三类自由度，或者其中的一至两类。此外，镜面还可以包含其他自由度，例如扭转自由度，此类自由度一般在MEMS领域不予涉及，也不在本专利讨论的范围内。
用于快速激光扫描的MEMS微镜，具有扫描速度快、结构紧凑和适用于大批量制造等优点，在激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影等应用中对大孔径激光光束控制的迫切需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，用于解决现有技术中由于单镜面MEMS微镜本身质量和转动惯量过大，存在工作频率低和偏转角度小的问题；和现有微镜阵列中存在的占空比低、一致性差、控制复杂等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS微镜单元，所述微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。
优选地，所述镜面层的背部包括三个柔性力学结构，三个所述柔性力学结构分别通过耦合柱耦合在三个交叉分布的致动器上。
优选地，所述镜面层可绕X轴或Y轴进行轴向转动。
优选地，所述镜面层可沿Z轴进行上下平移，产生的位移可以对特定区域的光束进行相位调制。
优选地，所述致动器层中的相邻致动器之间具有120°相位差，所述致动器层提供切向驱动力以引起镜面绕其中心轴的圆周运动。
优选地，每一致动器包含可动部分与固定部分。
优选地，所述可动部分通过至少一个耦合柱与所述镜面层的柔性力学结构相连接，所述固定部分与所述引线层相连接。
优选地，所述致动器的表面上设置有压电薄膜材料，所述压电薄膜材料在施加电压时产生形变以提供驱动力。
优选地，所述压电薄膜材料包括PZT、AlN和AlScN中的一种，所述压电薄膜材料的厚度为0.5微米至5微米。
优选地，所述致动器的固定部分与所述引线层通过键合层进行键合。
优选地，所述引线层包含硅通孔(TSV)结构，用于对所述致动器层提供电气连接。
优选地，所述引线层进一步包含布线层，用于对电极引出部分进行再布线。
优选地，所述柔性力学结构包括一固定部，所述固定部的两侧分别通过弹性件与所述镜面层连接。
优选地，所述镜面层的背部具有一凹槽部，所述柔性力学结构设置于所述凹槽部内。
优选地，所述弹性件与凹槽部的侧壁固定连接；其中，所述凹槽部的侧壁具有一朝外凸出的连接部，所述弹性件与所述连接部固定连接。
另一方面，本发明提供一种MEMS微镜阵列，所述MEMS微镜阵列包含以密堆方式排列的多个前述的MEMS微镜单元。
优选地，所述MEMS微镜阵列包括以沿XY平面密堆方式扩展的多个六边形镜面层。
如上所述，本发明的MEMS微镜单元，具有以下有益效果：
本发明通过控制致动器的电学信号可实现镜面两个方向的转动，也可以实现镜面上下的平移，因而可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活。
本发明的MEMS微镜阵列，包含以密堆方式排列的多个所述MEMS微镜单元，其中多个六边形镜面层以密堆方式沿XY平面进行扩展，使得该MEMS微镜阵列具有结构紧凑以及高占空比的特点；通过MEMS微纳加工工艺可以制备出高一致性的器件，可以获得高一致性的镜面性能，使得可以在不影响振动频率与偏转角度等参数的情况下实现光学孔径的扩展，因而对大孔径激光光束的快速控制。
附图说明
图1显示为根据本发明实施方式的单个MEMS微镜单元的整体结构的示意图。
图2显示为根据本发明实施方式的单个MEMS微镜单元的镜面层背部的示意图。
图3显示为根据本发明实施方式的单个MEMS微镜单元的部分结构的示意图。
图4显示为根据本发明实施方式的MEMS微镜阵列的平面示意图。
元件标号说明
100 镜面层
101 镜面加固结构
102 活动空间
103A 第一柔性力学结构
103B 第二柔性力学结构
103C 第三柔性力学结构
200 致动器层
201A 第一耦合柱
201B 第二耦合柱
201C 第三耦合柱
202A 第一致动器
202B 第二致动器
202C 第三致动器
300 引线层
301 致动空腔
302 键合层
303 硅通孔结构
304 布线层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
为了减小光束反射过程中的衍射效应或者提高光学孔径，MEMS微镜需要大镜面尺寸，但是大镜面尺寸限制了微镜的工作频率和偏转角度，超大镜面的微镜也难以通过MEMS工艺进行批量加工。一般而言，单个镜面尺寸在毫米级性能较好，对于超过厘米级以上的镜面，由于其本身质量和转动惯量过大，存在工作频率低和偏转角度小的问题。针对此问题，采用单镜面MEMS微镜来替代微镜阵列是一种理想的方式，然而采用二维或一维MEMS微镜阵列，随之而来的占空比低、一致性差、控制复杂之类的问题是现有微镜阵列面临的挑战。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高占空比压电驱动微镜阵列，该压电驱动微镜阵列可在模拟模式或谐振模式工作，具有一系列的技术优势。
具体而言，本发明所采用的技术方案是：采用MEMS微镜阵列实现对光束的高速偏转的控制，MEMS微镜阵列包含至少一个微镜单元，微镜单元在平面方向采用六边形镜面结构，将这种六边形镜面结构在二维空间内密堆扩展，可获得具有高占空比的MEMS微镜阵列。本发明中，高频高占空比MEMS微镜阵列沿垂直于镜面方向从上到下依次包括镜面层、致动器层和引线层，采用柔性力学结构使致动器层与镜面层耦合，柔性力学结构可以在镜面发生较大的扭转位移的同时降低应力；每一个镜面由三个独立的隐藏式致动器控制，致动器通过带TSV结构的引线层实现电极引出，同时引线层还对致动器层起到力学支撑的作用。通过以上方式可以解决MEMS微镜镜面尺寸小和扫描频率慢的问题，获得光学系统中高频、高占空比的MEMS微镜阵列，同时实现对大孔径激光光束的快速控制。
以下参照图1至图3，本发明提出了一种MEMS微镜单元，其特别适用于激光共聚焦扫描显微镜的快速三维扫描成像。
请参阅图1，示出根据本发明实施方式的单个MEMS微镜单元的整体结构。本发明提供一种MEMS微镜单元，微镜单元沿镜面的垂直方向从上到下依次包括镜面层100、致动器层200和引线层300。在一实施例中，镜面层100的正面镀覆有反射涂层，以通过镜面反射实现对激光光束的偏转。镜面层100的背部可具有柔性力学结构，在本实施例中，所述柔性力学结构包括第一柔性力学结构103A、第二柔性力学结构103B及第三柔性力学结构103C，采用所述柔性力学结构将镜面层100与驱动器层200耦合，可以使镜面层100在被驱动而发生较大角度的扭转时所承受的应力降低。镜面层100的背部还包括一凹槽部，第一柔性力学结构103A、第二柔性力学结构103B及第三柔性力学结构103C设置在所述凹槽部中，如图2所示。所述凹槽部界定一活动空间102，其为第一柔性力学结构103A、第二柔性力学结构103B及第三柔性力学结构103C的运动提供空间。
在一实施例中，第一柔性力学结构103A、第二柔性力学结构103B及第三柔性力学结构103C中的每一个包括弹性件，在一个实施例中，所述弹性件可以直接连接至凹槽部的侧壁固定；在另一实施例中，所述弹性件也可以通过朝外突出的连接部与凹槽部的侧壁固定连接，可以通过调整所述连接部的形状和尺寸，灵活的调整所述柔性力学结构的位置，以适应不同的应用需求。第一柔性力学结构103A、第二柔性力学结构103B及第三柔性力学结构103C中的每一个还可以包括一固定部。镜面层100进一步包括在背部设置的镜面加固结构101。
在本实施方式中，致动器层200的表面上沉积有压电薄膜材料，优选地，压电薄膜材料可以是本领域技术人员已知的常用的压电材料，其包括但不限于：PZT、AlN或AlScN。在一些实施例中，所述压电薄膜材料的厚度为0.5微米至5微米。所述压电薄膜材料可以由薄膜两侧的电极施加电压所产生的形变提供驱动力。此外，致动器层200包括第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C，三个致动器呈周期性排列，例如，三者呈交叉排列。致动器层200包括第一耦合柱201A、第二耦合柱201B及第三耦合柱201C，将第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C分别经由第一耦合柱201A、第二耦合柱201B及第三耦合柱201C连接至镜面层100的柔性力学结构，例如，可以将第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C分别经由第一耦合柱201A、第二耦合柱201B及第三耦合柱201C连接至柔性力学结构的固定部，所述第一耦合柱201A、第二耦合柱201B及第三耦合柱201C与所述固定部的连接方式例如可以为卡嵌，使得由驱动器所提供的动力通过耦合柱与柔性力学结构传递至镜面层100，引起镜面层100的转动。其中，在镜面层100的下方，第一致动器202A与第一柔性力学结构103A成对设置，第二致动器202B与第二柔性力学结构103B成对设置，以及第三致动器202C与第三柔性力学结构103C成对设置。图3为根据本发明实施方式的单个MEMS微镜单元在移除镜面层之后的部分结构的示意图，第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C可以是三个菱形致动器，每一个菱形致动器可隐藏在镜面层100的下面，并且包括可动部分和固定部分。所述可动部分可以通过柔性力学结构的固定部而与镜面层100耦合。由于对致动器层200的压电薄膜材料施加电压所产生的机械力，可以为第一致动器202A的可动部分提供致动力矩，从而使致动器202A绕R方向转动；而对第二致动器202B及第三致动器202C不施加电学激励，使得镜面层100绕R1偏转。
在一实施例中，可以分别对第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C施加电压，由于每一个单元由三个独立的致动器控制，可以实现三个自由度的精确可调，即，沿x轴翻转、沿y轴翻转、沿z轴平移运动的精确可调，使得光束可以对特定的区域进行行扫描和列扫描。在一些实施例中，镜面层采用正六边形镜面结构，致动器层200中的相邻致动器之间具有120°相位差，可以提供切向驱动力以引起镜面绕其中心轴的圆周运动。
在一实施例中，引线层300与致动器层200的固定部分耦合。具体而言，引线层300与第一致动器202A通过键合层302进行键合，用以为致动器层200提供机械固定并起到力学支撑的作用。引线层300进一步包含硅通孔(TSV)结构303，采用TSV结构303形成电气连接，以用于提供连接至致动器层的电气接口。
在一实施例中，引线层300可以进一步包含布线层304，此举实现了上表面电学结构转移至布线层304。引线层300的上表面可设置有致动空腔301，用于为第一致动器202A、第二致动器202B及第三致动器202C提供致动空间。
在另一实施方式中，本发明提出了一种高频高占空比MEMS微镜阵列，其特别适用于激光共聚焦扫描显微镜的快速三维扫描成像。
参见图4，显示为根据本发明实施方式的MEMS微镜阵列的平面示意图，镜面层100是由两个或更多个六边形的镜面拼接而成，图中显示出7个微镜单元，但微镜单元的数量不限于此。图4所示，MEMS微镜阵列的镜面49-55形成为单个周期的镜面结构，具有在二维平面按六边形排列的镜面结构，可构成高占空比的微镜阵列。微镜单元中的各个镜面49-55的具体结构可参照图2描述的镜面层100的结构。
在本实施方式中，致动器层包括3N个菱形致动器，其中三个菱形致动器交叉排列为一组，N为对应的微镜单元的数量。每一个菱形结构的可动部分可经由耦合柱与镜面背部的柔性力学结构连接。通过对多个微镜单元中的各致动器组同步地施加电信号，可以实现对镜面的两个方向的转动的一致化控制(如图所示，绕R1、R2偏转)，也可以实现镜面上下的平移控制。由此，本发明中，基于半导体微机械工艺的MEMS微镜阵列，可以实现高占空比的压电驱动微镜阵列，以及保证各镜面性能的一致性。
综上所述，本发明采用MEMS微纳加工工艺制备了镜面性能一致性高的MEMS微镜阵列，所述微镜阵列中包含的单元数量具有在二维空间的可延展性，因而所述微镜阵列具有高占空比；通过将两个或更多个六边形的镜面拼接而形成镜面结构，可以在不影响振动频率与偏转角度等参数的情况下对光学孔径进行扩展，从而可以实现对大孔径激光光束的控制。同时，由于每一个微镜单元由三个独立的致动器控制，因此可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活，特别适合激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影、激光加工、MEMS光开关、空间光调制器等多种应用场景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种MEMS微镜单元，其特征在于：所述微镜单元包括：
镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的三个柔性力学结构，所述镜面层的背部具有一凹槽部，所述柔性力学结构设置于所述凹槽部内，所述柔性力学结构包括一固定部，所述固定部的两侧分别通过弹性件与凹槽部的侧壁固定连接；
致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器的表面上设置有压电薄膜材料，在施加电压时所述压电薄膜材料产生形变，通过所述耦合柱与所述柔性力学结构将动力提供至所述镜面层；以及
引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。
2.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述镜面层可绕X轴或Y轴进行轴向转动。
3.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述镜面层可沿Z轴进行上下平移，产生的位移可以对特定区域的光束进行相位调制。
4.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述致动器层中的相邻致动器之间具有120°相位差，所述致动器层提供切向驱动力以引起镜面绕其中心轴的圆周运动。
5.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：每一致动器包含可动部分与固定部分。
6.根据权利要求5所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述可动部分通过至少一个耦合柱与所述镜面层的柔性力学结构相连接，所述固定部分与所述引线层相连接。
7.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述压电薄膜材料包括PZT、AlN和AlScN中的一种，所述压电薄膜材料的厚度为0.5微米至5微米。
8.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述致动器的固定部分与所述引线层通过键合层进行键合。
9.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述引线层包含硅通孔结构，用于对所述致动器层提供电气连接。
10.根据权利要求9所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述引线层进一步包含布线层，用于对电极引出部分进行再布线。
11.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述凹槽部的侧壁具有一朝外凸出的连接部，所述弹性件与所述连接部固定连接。
12.一种MEMS微镜阵列，其特征在于，所述MEMS微镜阵列，包含以密堆方式排列的多个如权利要求1～11任意一项所述的MEMS微镜单元。
13.根据权利要求12所述的MEMS微镜阵列，其特征在于：所述MEMS微镜阵列包括以沿XY平面密堆方式扩展的多个六边形镜面层。
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