專利名稱：聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微細加工技術(shù)領(lǐng)域的光學(xué)平臺及其制造方法，具體是一種 聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺及其制造方法。
技術(shù)背景微光學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代光學(xué)的核心技術(shù)之一，它是人類進入信息化社會后認(rèn)識 自然世界所必不可少的重要手段。隨著認(rèn)識范圍的擴展和認(rèn)識層次不斷地深入， 人類不僅自身需要直接使用多種光學(xué)器件，而且，各種工具、儀器和設(shè)備也需 要依靠各類微小光學(xué)器件包括二維微光學(xué)平臺來提高其智能化和集成化程度。 這種日益增長的社會需求，傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)已難以滿足，采用微細加工技術(shù)制 造的集成光學(xué)技術(shù)將是滿足這種要求的有效技術(shù)。在美國和日本等技術(shù)發(fā)達國 家政府和社會的重視和積極資助下，已經(jīng)開發(fā)出具有較高實用價值的集成光學(xué) 平臺，并成功地應(yīng)用于各種自動化儀器設(shè)備中。聲表面波(SAW)是沿基片和低密 度介質(zhì)之間傳播的機械振蕩。沉積在壓電材料基片之上的電極構(gòu)成聲-電換能 器。射頻信號通過電極引起基片表面伸展與收縮，產(chǎn)生表面波。基于聲表面波 技術(shù)的濾波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于移動電話和電視中。聲表面波技術(shù)也能夠用于設(shè) 計傳感器與驅(qū)動器。SAW器件特點是體積小、重量輕；設(shè)計靈活方便。器件的幅 度和相位可分別設(shè)計，這大大提高了其設(shè)計的靈活性；SAW器件制造采用半導(dǎo)體 平面工藝，適于批量生產(chǎn)，性價比高；重復(fù)性好、可靠性高；工作頻率高。已 研制成功的各類新型SAW器件及組件，應(yīng)用于各種電子、通信系統(tǒng)。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在《聲學(xué)學(xué)報》2003年28巻2期123-126 頁上的《聲表面波驅(qū)動的轉(zhuǎn)動馬達研究》是聲表面波驅(qū)動器的一個應(yīng)用，這種 聲表面波驅(qū)動的微型馬達的結(jié)構(gòu)是在壓電基片表面光刻兩對叉指換能器(IDT) 并以相反方向激發(fā)兩列平行的瑞利波形成定子。將轉(zhuǎn)子放置在壓電基片表面兩 列表面波的傳播路徑上，在壓電材料表面以相反方向激發(fā)兩列平行的瑞利波會使得基片與其上部的轉(zhuǎn)子間存在局部地相對運動，在滑動摩擦力偶的作用下轉(zhuǎn) 子經(jīng)過加速后運動趨于穩(wěn)定。由于這種聲表面波轉(zhuǎn)動馬達的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)軸之間附 加的摩擦力聲表面波轉(zhuǎn)動馬達運動起來比聲表面波線性馬達要困難些，并且不 適合用于微光學(xué)平臺的驅(qū)動。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺， 使其利用聲表面波驅(qū)動，微細加工制造等技術(shù)，形成一個可精密控制，精密調(diào) 節(jié)的微光學(xué)系統(tǒng)的平臺。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，包括基底、叉指換能器 和滑動鏡面。其中，基底是128° Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相互交叉的叉指 電極形成的叉指換能器，由硅材料加工而成的滑動鏡面是活動部件，它置于基 底之上。本發(fā)明工作原理是叉指換能器將電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，在鈮酸鋰表面 產(chǎn)生的聲表面波沿表面?zhèn)鞑?，既而?qū)動基底上面的滑動鏡面運動。本發(fā)明設(shè)計了四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器結(jié)構(gòu)，來實 現(xiàn)滑動鏡面的二維平面驅(qū)動，可以通過調(diào)節(jié)加在四個叉指換能器電極的射頻電 源開關(guān)來控制滑動鏡面的左右(X向)、上下(Y向)運動，滑動鏡面的運動速 率與所加電源的電壓大小成正比。并且由于基底表面振幅隨著射頻頻率在數(shù)十 納米范圍可調(diào)，所以該二維微光學(xué)平面鏡的運動精度可達納米級。本發(fā)明涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，包括如下步驟:① 四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器加工；② 滑動鏡面的微加工；所述的四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器的加工，具體為首 先，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1。其次，在A1層上涂敷光刻膠，進行光刻形成 光刻膠圖形。然后，對A1進行刻蝕。最后去除光刻膠得到叉指換能器結(jié)構(gòu)。所述的滑動鏡面的微加工，具體為首先，根據(jù)光學(xué)平臺要求設(shè)計硅滑塊的 大小，其次，為了實現(xiàn)滑動鏡面與基底之間的摩擦力驅(qū)動，需要在硅材料與基 底的接觸面加工很多圓形突起。最后，在硅滑塊上進行鋁的蒸鍍工藝形成滑動鏡面。與現(xiàn)有技術(shù)相相比，本發(fā)明涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺是利用在 鈮酸鋰表面產(chǎn)生的聲表面波沿表面?zhèn)鞑眚?qū)動基底上面的滑動鏡面運動。整個 加工過程完全可以通過基于半導(dǎo)體材料微制造方法來制作，該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào) 節(jié)加在四個叉指換能器電極的射頻電源開關(guān)來控制滑動鏡面的左右(X向)上下 (Y向)運動，滑動鏡面的運動速率與所加電源的電壓大小成正比。并且由于基 底表面振幅隨著射頻頻率在數(shù)十納米范圍可調(diào)，所以該二維微光學(xué)平面鏡的運 動精度可達納米級。


圖l是本發(fā)明聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的原理示意圖，其中圖a、 b分 別是滑動鏡面在叉指換能器作用下向左、右運動的示意圖。圖3是本發(fā)明聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺中叉指換能器的工藝流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保 護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，包括基底l、叉指換能器2和滑動鏡面3。其中，基底是12S。 Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相 互交叉的叉指電極形成的叉指換能器2，由硅材料加工而成的滑動鏡面3是活動 部件，它置于基底l之上。叉指換能器2將電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，在鈮酸鋰表 面產(chǎn)生的聲表面波沿表面?zhèn)鞑?，既而?qū)動基底1上面的滑動鏡面3運動。本實施例設(shè)計了四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器2結(jié)構(gòu)，來 實現(xiàn)滑動鏡面3的二維平面驅(qū)動，如圖2a所示，當(dāng)左面的射頻電源的開關(guān)閉合， 右邊的射頻電源開關(guān)打開，叉指換能器產(chǎn)生右向的SAW，滑動鏡面在左向摩擦力 的作用下向左運動；反之，如圖2b所示，當(dāng)左面的射頻電源的開關(guān)打開，右邊 的射頻電源的開關(guān)閉合，叉指換能器產(chǎn)生左向的SAW，滑動鏡面在右向摩擦力的 作用下向右運動。同理，可以實現(xiàn)滑動鏡面的上下運。這樣就可以通過調(diào)節(jié)加 在四個叉指換能器2電極的射頻電源開關(guān)來控制滑動鏡面3的左右(X向)上下(Y向)運動，滑動鏡面3的運動速率與所加電源的電壓大小成正比。并且由于基底 l表面振幅隨著射頻頻率在數(shù)十納米范圍可調(diào)，所以該二維微光學(xué)平臺的運動精 度可達納米級。本實施例涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，包括如下步驟① 四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器加工如圖3所示，首先，在鈮酸鋰基底上以1000rpm(轉(zhuǎn)/分)下轉(zhuǎn)5秒，3500rpm下 轉(zhuǎn)25秒的工藝條件涂敷負的光刻膠；其次，在曝光量為35mJ/cm2的條件下進行光 刻形成光刻膠圖形；然后，在所得的具有光刻膠圖形上的基底上濺射A1，工藝 條件是在0.6Pa的Ar氣條件下濺射40分鐘，濺射功率為600W。最后去除光刻膠得 到如圖l所示的叉指換能器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)加在四個叉指換能器電極 的射頻電源開關(guān)來控制滑動鏡面的左右(X向)上下(Y向)運動，滑動鏡面的 運動速率與所加電源的電壓大小成正比，并且由于基底表面振幅隨著射頻頻率 在數(shù)十納米范圍可調(diào)，所以該二維微光學(xué)平面鏡的運動精度可達納米級。② 滑動鏡面的微加工；首先，根據(jù)光學(xué)平臺要求設(shè)計硅滑塊的大小，其次，在硅材料的與基底的接 觸面加工很多圓形突起。最后，在硅滑塊上進行鋁的蒸鍍工藝形成滑動鏡面。本實施例涉及的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺結(jié)構(gòu)尺寸40*40咖2，叉指換 能器叉指換能器的電極線寬為50um，周期長度200um，工作孔徑為20mm,對數(shù)40 對。當(dāng)加在叉指換能器上20MHz， 60V的驅(qū)動電壓時，直徑2咖大小的滑動鏡面左 右(X向)的最大能達驅(qū)動速度達50cm/s，驅(qū)動精度在50nra左右。本實施例制作的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺整個加工過程完全可以通 過基于半導(dǎo)體材料微制造方法來制作，該結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)加在四個叉指換能 器電極的射頻電源開關(guān)來控制滑動鏡面的運動，并且由于基底表面振幅隨著射 頻頻率在數(shù)十納米范圍可調(diào)，所以該二維微光學(xué)平面鏡的運動精度可達納米級。
權(quán)利要求
1.一種聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，其特征在于，包括基底、叉指換能器和滑動鏡面，其中，基底是128°Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相互交叉的叉指電極形成的叉指換能器，滑動鏡面是活動部件，它置于基底之上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，其特征是，所述 叉指換能器有四個，關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱，用來實現(xiàn)滑動鏡面的二維 平面驅(qū)動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，其特征是，所 述滑動鏡面，其左右、上下運動通過調(diào)節(jié)加在四個叉指換能器電極的射頻電源 開關(guān)來控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，其特征是，所述 滑動鏡面的運動速率與所加電源的電壓大小成正比。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺，其特征是， 所述滑動鏡面，其材料為硅材料。
6. —種聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，其特征在于，包括如下 步驟① 四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器加工；② 滑動鏡面的微加工；所述的四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器的加工，具體為 首先，在鈮酸鋰基底上濺射一層A1，其次，在A1層上涂敷光刻膠，進行光刻 形成光刻膠圖形；然后，對A1進行刻蝕，最后去除光刻膠得到叉指換能器結(jié)構(gòu)；所述的滑動鏡面的微加工，具體為首先，根據(jù)光學(xué)平臺要求設(shè)計硅滑塊的大小，其次，在硅材料與基底的接觸面加工很多圓形突起，最后，在硅滑塊上進行鋁的蒸鍍工藝形成滑動鏡面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在鈮酸鋰基底上以1000rpm下轉(zhuǎn)5秒的工藝條件涂 敷負的光刻膠。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，其特 征是，所述的涂敷光刻膠，在鈮酸鋰基底上以3500rpm下轉(zhuǎn)25秒的工藝條件涂 敷負的光刻膠。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6或者7或者8所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制 造方法，其特征是，所述的涂敷光刻膠，在曝光量為35mJ/cm2的條件下進行光 刻形成光刻膠圖形。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺的制造方法，其 特征是，所述的涂敷光刻膠，在所得的具有光刻膠圖形上的基底上濺射Al，工 藝條件是在0. 6Pa的Ar氣條件下濺射40分鐘，濺射功率為600W。
全文摘要
一種微細加工技術(shù)領(lǐng)域的聲表面波驅(qū)動的二維微光學(xué)平臺及其制造方法。本發(fā)明二維微光學(xué)平臺包括基底、叉指換能器和滑動鏡面，其中，基底是128°Y-X的鈮酸鋰單晶體，其上是相互交叉的叉指電極形成的叉指換能器，滑動鏡面是活動部件，它置于基底之上。本發(fā)明設(shè)計了四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的叉指換能器，來實現(xiàn)滑動鏡面的二維平面驅(qū)動?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)加在四個IDT電極的射頻電源開關(guān)來控制滑動鏡面的左右、上下運動。方法步驟①四個關(guān)于微光學(xué)平臺中心相互對稱的IDT加工；②滑動鏡面的微加工。本發(fā)明整個加工過程完全可以通過基于半導(dǎo)體材料微制造方法來制作，平臺的運動精度可達納米級。
文檔編號G02B26/08GK101236299SQ200810032749
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者張俊峰, 李以貴 申請人:上海交通大學(xué)