[發明專利]一種低溫漂靜電MEMS微鏡及其實現方法

有效

• 申請號: 202210493453.7
• 申請日: 2022-04-26
• 公開（公告）號: CN114911051B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 曹英超;謝會開;鄭棟
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;重慶虹勢科技有限公司;北京理工大學重慶微電子研究院
• 主分類號: G02B26/08
• 分類號: G02B26/08
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

1.一種低溫漂靜電MEMS微鏡，其特征在于：包括鏡面、扭轉梁、梳齒驅動器、梳齒支撐結構，電隔離溝道，焊盤和空腔；

微鏡結構從上到下依次為結構層、絕緣層和襯底層；其中鏡面、扭轉梁、梳齒驅動器、梳齒支撐結構和電隔離溝道位于結構層上，通過刻蝕結構層形成；鏡面兩側通過梳齒支撐結構和扭轉梁與微鏡的框架連接，繞扭轉梁的軸線旋轉；梳齒驅動器位于梳齒支撐結構的兩側，通過電隔離溝道實現動梳齒和靜梳齒的電隔離；焊盤在結構層薄膜淀積形成，用于動梳齒和靜梳齒的電連接；其中動梳齒電極通過扭轉梁與焊盤連接形成正極，定梳齒通過外部框架與焊盤連接形成負極；空腔通過刻蝕襯底層形成，位于鏡面下方，為鏡面的旋轉提供空間；

通過優化微鏡結構調節微鏡阻尼，實現對靜電MEMS微鏡低角度溫漂補償；

利用結構層和襯底層之間的熱應力補償結構層材料硅楊氏模量引入的頻率溫漂，實現低頻率溫漂補償；

在對靜電MEMS微鏡進行低角度溫漂補償、低頻率溫漂補償基礎上，提高靜電MEMS微鏡工作穩定性和運動控制的精確性；

優化微鏡結構調節微鏡阻尼包括如下兩種方式：

方式一：固定鏡面形狀和尺寸參數，調節靜電MEMS微鏡的梳齒參數，實現靜電MEMS微鏡阻尼調節，實現對靜電MEMS微鏡低角度溫漂補償；

方式二：固定梳齒驅動器參數，調節靜電MEMS微鏡鏡面形狀或尺寸，實現靜電MEMS微鏡阻尼調節，實現對靜電MEMS微鏡低角度溫漂補償；

調節阻尼控制掃描角度溫漂，

靜電MEMS微鏡工作在諧振狀態時，在給定驅動電壓V的情況下，其掃描角度θ能夠被微鏡的質量因子Q值所放大，其掃描角度θ正比于Q值；

θ＝SQV² (1)

其中S為形狀因子，只跟鏡面的形狀有關；

而微鏡的Q值與微鏡受到的空氣阻尼b成反比；

其中I為鏡面的轉動慣量，ω為微鏡的諧振角頻率；

因此，微鏡的掃描角度主要受到空氣阻尼的影響，并且與空氣阻尼系數b呈反比，空氣阻尼系數b隨溫度改變進而造成掃描角度的溫度漂移；

掃描角度的溫度系數α_θ與空氣阻尼系數的溫度系數α_b符號相反，因此控制微鏡的空氣阻尼的溫度系數α_b控制微鏡掃描角度的溫漂α_θ；

α_θ＝-α_b (4)

而靜電梳齒驅動的微鏡受到兩種空氣阻尼：鏡面處的阻力阻尼和動靜梳齒之間的粘性阻尼，所述兩種阻尼跟微鏡的結構參數有關；總阻尼系數b_total為阻力阻尼和粘性阻尼之和：

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動靜梳齒之間的滑膜阻尼系數b_vis主要跟空氣的有效粘度μ_eff有關，通過控制梳齒結構參考調節其大小：

其中N為梳齒個數，d為梳齒寬度，lc為梳齒的長度，lo為梳齒支撐的寬度，g為梳齒間隙；

鏡面處的阻力阻尼系數b_drag主要與空氣密度ρ有關，通過控制鏡板的尺寸調節其大小：

其中c_drag為阻力系數與鏡面的形狀有關，為峰值角速度，L為鏡面的長度，W為鏡面的寬度；

同時，由于有效粘度與溫度呈正比，空氣密度與溫度呈反比，有效粘度的溫度系數和空氣密度的溫度系數為常數且符號相反α_ρ0；

其中μ₀是溫度在273K時的空氣粘度，ρ₀是溫度在273K時的空氣密度；

同時，總阻尼的溫度系數α_b為：

α_b＝α_ρβ_drag+α_μeffβ_vis (10)

其中β_drag為阻力阻尼在總阻尼中的占比，跟鏡面形狀和尺寸有關，β_vis為粘性阻尼在總阻尼中的占比，跟梳齒參數有關；

掃描角度的溫度系數為：

α_θ＝-α_b＝-(α_ρβ_drag+α_μeffβ_vis) (13)

因此，通過控制微鏡的結構調節β_drag和β_vis使得阻力阻尼和粘性阻尼相互補償，從而讓掃描角度的溫度系數α_θ接近于0，達到降低MEMS微鏡角度漂移的目的，進而實現低角度溫漂。