[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

本發明公開的一種低溫漂靜電MEMS微鏡及其實現方法，屬于微光機電(MOEMS)領域。本發明包括鏡面、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。本發明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。本發明無需額外增加位置檢測模塊和反饋控制，具有結構簡單、體積小、成本低、易于實現的優點。所述低溫漂包括低頻率溫漂和低角度溫漂。

技術領域

本發明屬于微光機電(MOEMS)領域，具體涉及一種低溫漂靜電MEMS微鏡及其實現方法。

背景技術

靜電梳齒MEMS微鏡有著快速掃描，低功耗，大諧振角度，結構簡單并可以大批量制造的優點，在3D成像，激光雷達(LiDAR)，投影顯示等領域有著廣泛的應用。對于每一種應用，要求MEMS微鏡以一定的頻率和光學掃描角度振蕩。但是MEMS微鏡的諧振頻率和掃描角度的溫度漂移造成微鏡工作不穩定性，這嚴重限制了MEMS微鏡的應用。

通常靜電梳齒驅動MEMS微鏡在絕緣體上硅(SOI)晶圓上制造，器件層用來形成鏡面，扭轉梁和梳齒驅動器，襯底層用來形成用于鏡面活動的空腔。由于器件層和結構層都是硅材料，而硅的楊氏模量會受到溫度影響，因此靜電MEMS微鏡的諧振頻率產生溫度漂移。同時，由于微鏡受到空氣阻尼隨著溫度而變化，導致微鏡的掃描角度也會產生溫度漂移。目前解決MEMS微鏡溫漂的主要方案是增加實時鏡面位置檢測，比如電容檢測、壓阻檢測和光學檢測，但是這會增加芯片體積，生產成本和系統復雜度。

發明內容

本發明主要目的是提供一種低溫漂靜電MEMS微鏡及其實現方法，通過優化微鏡結構利用微鏡阻尼之間的相互補償實現低角度溫漂，并且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，進而提高靜電MEMS微鏡工作穩定性和運動控制的精確性。本發明無需額外增加位置檢測模塊和反饋控制，具有結構簡單、體積小、成本低、易于實現的優點。

所述低溫漂包括低頻率溫漂和低角度溫漂，低頻率溫漂指靜電MEMS微鏡的諧振頻率溫漂低于1ppm/℃，低角度溫漂指靜電MEMS微鏡的最大掃描角度溫漂低于10ppm/℃。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種低溫漂靜電MEMS微鏡，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。

作為優選，優化微鏡結構調節微鏡阻尼包括如下兩種方式：

方式一：固定梳齒驅動器參數，調節靜電MEMS微鏡鏡面尺寸，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。