[發明專利]一種高諧振頻率的大孔徑振鏡及制備方法

在審

• 申請號: 202010466898.7
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111573614A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 左輝;賀思源
• 申請（專利權）人: 賀思源;左輝
• 主分類號: B81B5/00
• 分類號: B81B5/00;B81B7/02;B81C1/00;G02B26/08
• 代理公司: 北京匯信合知識產權代理有限公司 11335
• 代理人: 林聰源

本發明公開了一種高諧振頻率的大孔徑振鏡及制備方法，包括：FPCB、粘貼在FPCB正面的硅層以及設置在FPCB兩側的外部磁鐵；FPCB包括中間座、聚酰亞胺扭轉梁和外部的聚酰亞胺加強框，中間座的正面和背面設有銅線圈；制備方法包括：將硅晶片的金屬鍍層側朝下，附著在承載晶片；將FPCB的正面朝下，粘貼在硅晶片的非金屬鍍層側；以FPCB為掩膜、金屬鍍層為停止層，一步蝕刻硅晶片，得到高諧振頻率的大孔徑振鏡。本發明簡單的制造過程和0.1毫米分辨率的FPCB光刻技術導致成本非常低致幾美元；嵌入FPCB結構中的銅線圈在大孔徑鏡板的背面，會產生大的驅動力，考慮到大孔徑和高厚度而獲得相對較高的諧振頻率。

技術領域

本發明涉及振鏡技術領域，具體涉及一種高諧振頻率的大孔徑振鏡及制備方法。

背景技術

許多微機電系統(MEMS)設備已成功開發，例如微加速度計、微壓力傳感器、麥克風和數字微鏡設備(DMD)；由于其體積小，性能高且成本低。MEMS制造技術是一種微米分辨率的光刻工藝，包括生成光掩模，掩模對準，沉積和蝕刻等步驟，這既復雜又昂貴。但是可以通過批量生產來實現低單位成本，即通過在同一硅晶片上進行相同系列的處理步驟同時來制造數百或數千個器件。MEMS微鏡通常具有10sμm～1mm的孔徑，以獲得較低的單位成本。當孔徑尺寸變得很大時，例如≥10mm，由于單位成本與孔徑尺寸的平方成反比，所以低的單位成本優勢就消失了。MEMS微鏡具有大孔徑的另一個限制因素在于鏡面厚度薄(1s～10sμm)，這使得大孔徑鏡的表面平整度變差。可以在釋放的MEMS驅動器的上粘合一個外部厚鏡片，以獲得具有良好平坦度的大孔徑微鏡。然而將鏡片粘合在易損壞的MEMS驅動器上是非常具有挑戰性的，這導致了高成本。

近年來大孔徑振鏡在掃描LiDAR應用中越來越受到關注，這主要針對自動駕駛汽車市場。MEMS振鏡可以替代LiDAR中基于傳統旋轉電機的掃描機制，從而實現更高的掃描頻率、更輕巧、更緊湊的結構、更高的可靠性以及明顯更低的成本。最近在LiDAR中使用了一些大孔徑MEMS振鏡(孔徑為3～5mm)，顯示出了可喜的結果。掃描LiDAR非常需要孔徑較大的振鏡，例如10mm，因為：1)在同軸LiDAR中，孔徑較大的反射鏡可承受更高功率的激光并收集更多的擴散反射光功率，從而有更高的功率信噪比(SNR)和更遠的測量距離；2)在雙軸LiDAR中，需要使用大孔徑鏡來覆蓋發射和接收透鏡。迄今為止，在商用LiDAR開發中使用的最大MEMS反射鏡孔徑距為Blickfeld的10×10mm，其詳細設計未被披露。

Mirrorcle Technologies Inc展示了一些大孔徑MEMS微鏡，通過在釋放的微驅動器上粘合單獨的鏡片，將鏡片的尺寸擴展至直徑6.4mm甚至7.5mm，這導致高成本。此外機械旋轉角分別減小到±2.5°和±1.0°。一種用于自由空間光通信的電熱MEMS微鏡，達到10mm×10mm孔徑尺寸和10°光學掃描角。兩個MEMS鏡均具有較大的孔徑尺寸，但旋轉角度有限。Fraunhofer研究所開發了14個反射鏡陣列，以實現總334mm²的孔徑尺寸和60°的光學掃描范圍。但是必須同步所有14個微鏡以具有相同的相位和幅度。

柔性印刷電路板(FPCB)微鏡技術可以用來制造低成本和大孔徑振鏡，并已用于低速自動導引車(AGV)的單行掃描LiDAR。但是FPCB振鏡無法達到較高的頻率，例如200Hz～1kHz，這對于在高速和高振動環境(例如道路車輛)中使用的LiDAR來說是必需的，以使其具有抗振性并獲得更多的掃描線在自動駕駛汽車的3D LiDAR中。基于阻燃劑材料(FR4)PCB的電磁振鏡使用FR4材料作為低成本的大口徑鏡的基板。但是它也是一種具有約20Mpa的低楊氏模量的柔軟材料，因此不適合用于高諧振頻率振鏡。