專利名稱：集成角度傳感器的大面積壓電驅(qū)動(dòng)微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于MOEMS的集成角度傳感器的壓 電驅(qū)動(dòng)掃描微鏡。
背景技術(shù)：
微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS，Micro-Optical-Electro-Mechanical System)主要包括微型機(jī)
構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細(xì)加工技 術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。伴隨掃描顯 示成像、微鏡可調(diào)衰減器、光學(xué)插分多路復(fù)用器、增益平衡器、色散補(bǔ)償器、投影顯示、 衍射MOEMS器件、諧振器、光子晶體等相關(guān)領(lǐng)域?qū)ξ⑿凸庑盘?hào)控制器件需求的不斷增 長(zhǎng)，并且這些應(yīng)用的共同特點(diǎn)是利用MOEMS微鏡等器件對(duì)光傳輸進(jìn)行控制，因此使得 MOEMS微鏡成為眾多新型儀器的核心，也使高性能，低成本的MOEMS微鏡成為世界 各國爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。
一般而言，從微鏡的驅(qū)動(dòng)方式分類， 一般可分為靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)、熱 驅(qū)動(dòng)等方式。
靜電驅(qū)動(dòng)微鏡主要是利用帶電導(dǎo)體之間的靜電引力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)微鏡偏轉(zhuǎn)，包括平板電 容結(jié)構(gòu)、梳狀叉指結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)靜電式等結(jié)構(gòu)，分別利用垂直和平行方向的靜電力。靜電 驅(qū)動(dòng)微鏡的優(yōu)點(diǎn)在于其對(duì)小尺寸鏡面(l 10li m)時(shí)具有控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于大微 鏡鏡面，則需要很高的驅(qū)動(dòng)電壓(數(shù)十 數(shù)百伏)，其工藝與IC電路兼容性差，不利于 結(jié)構(gòu)與電路的一體化集成。為了實(shí)現(xiàn)大的驅(qū)動(dòng)位移，還需要設(shè)計(jì)特殊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如撓 動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。采用該驅(qū)動(dòng)方式的大面微鏡主要代表有德國開慕尼茲大學(xué)研發(fā)的靜電微 鏡，其驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)數(shù)百伏，采用非集成的光學(xué)角度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，微鏡系統(tǒng)的體積較大。
壓電驅(qū)動(dòng)微鏡是利用逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)鏡面運(yùn)動(dòng)，壓電微鏡的驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)一般采用基 片材料(如硅，二氧化硅等)和壓電薄膜組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電薄膜的上下表面各有一
個(gè)金屬電極，組成三明治結(jié)構(gòu)。小型化，集成化的制造方法是該類微鏡的主要發(fā)展方向。 中國清華大學(xué)精密儀器系研制的帶有壓阻角度傳感器的壓電微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)和
角度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，但該微鏡系統(tǒng)采用驅(qū)動(dòng)器和微鏡鏡面二次集成的方法制造，微鏡 系統(tǒng)的體積較大。
磁驅(qū)動(dòng)微鏡利用電磁或者永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)力對(duì)微鏡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。磁驅(qū)動(dòng)微鏡執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)分為懸臂梁結(jié)構(gòu)(輸出彎曲)和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)(輸出扭轉(zhuǎn))，輸出位移的方向可以為 面內(nèi)或面外，磁體可分為永磁體和電磁體。磁驅(qū)動(dòng)式微鏡為電流控制器件，通常驅(qū)動(dòng)電 流為幾毫安以上，驅(qū)動(dòng)電壓可以低于1V。由韓國LG電子株式會(huì)社發(fā)明的電磁掃描微鏡 可執(zhí)行旋轉(zhuǎn)操作，以實(shí)現(xiàn)反射光束路徑的調(diào)制。但此發(fā)明未提及使用角度傳感器。磁驅(qū) 動(dòng)式微鏡的缺點(diǎn)在于磁場(chǎng)力和磁體的體積有關(guān)，隨著磁體尺度的縮小，電流密度隨之縮 小，驅(qū)動(dòng)力急劇下降。并且驅(qū)動(dòng)器加工工藝與IC工藝兼容性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有MOEMS微鏡的局限性，提出一種可應(yīng)用于光譜儀、掃描 顯示、條形碼掃描器等微型化光學(xué)分析、顯示儀器以及光交換裝置的高集成度MOEMS 壓電驅(qū)動(dòng)微鏡系統(tǒng)，它采用全新的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)集成角度檢測(cè)傳感器，具有體積小， 功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高以其為核心的產(chǎn)品便攜性。
本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來加以實(shí)現(xiàn)
一種基于MOEMS制造工藝的集成角度傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)掃描微鏡，它包括集成在 同一基片材料上的MOEMS微鏡反射鏡面、MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器、MOEMS微鏡角度 傳感器三部分，基片材料作為它們共同的底層。其中，
MOEMS微鏡反射鏡面部分包括基底的基片材料和采用MOEMS工藝制作在所述 基片材料上的鍍膜層?？梢愿鶕?jù)不同的光學(xué)分辨率及其工作波長(zhǎng)確定MOEMS微鏡的基 片材料厚度和鍍膜層材料。
MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器由多根壓電梁并聯(lián)構(gòu)成，單根壓電梁由底層的基片材料和采用 MOEMS工藝從下向上依次淀積在所述基片材料上的電絕緣層、下電極層、壓電層和上 電極層組成(如Ti/Pt/PZT/Pt)，相鄰壓電梁的端頭之間由橫向的基片材料連接；所述 MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱分布在MOEMS微鏡反射鏡面的兩邊，通過基片材料形成的梁 結(jié)構(gòu)與MOEMS微鏡反射鏡面連成一體，對(duì)MOEMS微鏡鏡面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支撐。通過 改變單根壓電梁的長(zhǎng)，寬，高以及相鄰壓電梁之間的距離，可以改變系統(tǒng)微鏡固有頻率， 以滿足不同系統(tǒng)中對(duì)工作頻率的要求。同時(shí)，當(dāng)MOEMS微鏡反射鏡面有一定偏轉(zhuǎn)角度 且沒有外加力矩時(shí)，MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器也會(huì)產(chǎn)生回復(fù)力矩。
MOEMS微鏡角度傳感器是通過將電絕緣層、下電極層、壓電層和上電極層依次制 作在MOEMS微鏡反射鏡面和MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器連接位置處的基片材料的梁結(jié)構(gòu)之 上而形成，通過對(duì)該處應(yīng)力變化的檢測(cè)，間接檢測(cè)微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。最終通過檢測(cè)壓電 片的電壓輸出以確定MOEMS微鏡的偏轉(zhuǎn)角度。其中，要求MOEMS微鏡角度傳感器的電極與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器的電極實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以防止MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器電極 對(duì)MOEMS微鏡角度傳感器檢測(cè)的不利影響。因此在MOEMS微鏡角度傳感器的電極 層與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器的電極層之間留有電氣隔離槽。
MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器和MOEMS微鏡角度傳感器的電信號(hào)通過上下電極層進(jìn)行引 入和引出。
本發(fā)明采用壓電驅(qū)動(dòng)方式對(duì)微鏡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于其他大面積微鏡可以在較低的驅(qū) 動(dòng)電壓條件下實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)；采用集成化的角度傳感器設(shè)計(jì)，無需外加角度檢測(cè)裝置， 因此簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積，并具有較高的角度檢測(cè)精度，可用于在線檢測(cè)的 便攜式儀器，特別適用于MOEMS微鏡式光譜儀、醫(yī)學(xué)影像、條形碼閱讀等儀器。


圖l為本發(fā)明的MOEMS微鏡結(jié)構(gòu)原理圖(正視圖)。
圖1中1表示MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器，2為MOEMS微鏡反射鏡面，3為MOEMS 微鏡角度傳感器，ll表示隔離槽。 圖2為圖1中的A-A剖面圖。
圖2中4為上電極，5為壓電層，6為下電極，7為助壓電層薄膜的成核與生長(zhǎng)的 相關(guān)材料層，8為電絕緣層，9為基片材料，10為鏡面鍍膜層。
圖3為圖1中的B-B剖面圖(圖中的點(diǎn)畫線不是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)線，是為了幫助理解， 對(duì)圖的分部分說明)。
圖4的a、 b、 c分別為MOEMS微鏡鏡面的三種可供選擇的固定方式示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1,本微鏡是由MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1、 MOEMS微鏡反射鏡面2、 MOEMS 微鏡角度傳感器3組成，它們集成在同一基片材料上，即具有共同的底層。MOEMS微 鏡反射鏡面2的兩個(gè)邊上分別對(duì)稱分布MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1， MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1 通過MOEMS微鏡角度傳感器3與MOEMS微鏡鏡面實(shí)現(xiàn)連接，對(duì)其起到驅(qū)動(dòng)和支撐 的作用。MOEMS微鏡角度傳感器3的電極和壓電層結(jié)構(gòu)位于MOEMS微鏡反射鏡面2 和MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1連接位置處基片材料的梁結(jié)構(gòu)之上，通過檢測(cè)MOEMS微鏡 反射鏡面2偏轉(zhuǎn)時(shí)與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1之間的應(yīng)力來測(cè)量角度。MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng) 器1和MOEMS微鏡角度傳感器3的電信號(hào)通過上下電極進(jìn)行引入和引出。
參見圖2，在此主要介紹MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1的結(jié)構(gòu)。該MOEMS微鏡的驅(qū)動(dòng) 器采用多根壓電梁并聯(lián)使用，以增大輸出力矩。壓電梁的具體結(jié)構(gòu)是由底層的基片材料9和采用MOEMS工藝從下向上依次淀積在所述基片材料上的電絕緣層8、助壓電層薄 膜的成核與生長(zhǎng)的相關(guān)材料層7 (該層在某些壓電結(jié)構(gòu)中可選擇性使用)、下電極層6、 壓電層5和上電極層4組成(如Ti/Pt/PZT/Pt)。相鄰壓電梁的端頭之間由橫向的基片材 料9連接。MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1對(duì)稱分布在MOEMS微鏡反射鏡面2的兩邊，通過基 片材料形成的梁結(jié)構(gòu)(該兩結(jié)構(gòu)又為MOEMS微鏡角度傳感器3的底層)與MOEMS 微鏡反射鏡面2連成一體，對(duì)MOEMS微鏡鏡面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支撐。
MOEMS微鏡反射鏡面2的具體結(jié)構(gòu)為以與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1 一體的基片 材料9為基底，采用MOEMS工藝在所述基片材料9上的制作鍍膜層10，在基片材料9 和鍍膜層10之間可選擇性使用電絕緣層8。
圖3顯示的是MOEMS微鏡的驅(qū)動(dòng)器單根壓電梁和MOEMS微鏡角度傳感器3的 剖面圖，MOEMS微鏡的驅(qū)動(dòng)器單根壓電梁的結(jié)構(gòu)與前述圖2相同，MOEMS微鏡角度 傳感器3是通過將電絕緣層8、下電極層6、壓電層5和上電極層4依次制作在MOEMS 微鏡反射鏡面2和MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1連接位置處的基片材料的梁結(jié)構(gòu)之上而形成。 在MOEMS微鏡角度傳感器3的電極層與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器1的電極層之間留有電 氣隔離槽ll實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以防止產(chǎn)生干擾和串?dāng)_。當(dāng)對(duì)壓電層施加在厚度方向上的電 場(chǎng)時(shí)，因壓電層5受到基底材料9的約束，壓電梁發(fā)生彎曲變形，對(duì)外輸出力矩。上下 呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器通過MOEMS微鏡角度傳感器中基片材料的梁結(jié)構(gòu) 對(duì)MOEMS微鏡鏡面施加力偶，使得MOEMS微鏡反射鏡面2發(fā)生偏轉(zhuǎn)；同時(shí)由于 MOEMS微鏡角度傳感器中基片材料的梁結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，使得壓電層5在橫向上產(chǎn)生應(yīng) 力，壓電層上下表面產(chǎn)生電勢(shì)差，通過對(duì)此電勢(shì)差的檢測(cè)，得到同時(shí)MOEMS微鏡角度 傳感器中基片材料的梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，從而間接測(cè)量到MOEMS微鏡反射鏡面2的偏轉(zhuǎn)角 度。
參見圖3，此圖取圖1中左下角的MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器，以a、 b、 c三圖分別表明 三種微鏡固定的方式，陰影部分表示MOEMS微鏡壓電驅(qū)動(dòng)器的固定部位。
工作方式MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器在外加電壓的作用下，輸出力矩；MOEMS微鏡反 射鏡面2在MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器輸出力矩的作用下實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)；同時(shí)，MOEMS微鏡角度 傳感器對(duì)MOEMS微鏡反射鏡面2的偏轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1、一種集成角度傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)掃描微鏡，其特征在于，它包括集成在同一基片材料上的MOEMS微鏡反射鏡面、MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器、MOEMS微鏡角度傳感器三部分，基片材料作為它們共同的底層；所述MOEMS微鏡反射鏡面部分包括所述基片材料和采用MOEMS工藝制作在所述基片材料上的鍍膜層；所述MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器由多根壓電梁并聯(lián)構(gòu)成，單根壓電梁由所述基片材料和采用MOEMS工藝從下向上依次制作在所述基片材料上的電絕緣層、下電極層、壓電層和上電極層組成，相鄰壓電梁的端頭之間由橫向的基片材料連接；所述MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱分布在MOEMS微鏡反射鏡面的兩邊，通過基片材料形成的梁結(jié)構(gòu)與MOEMS微鏡反射鏡面連成一體，對(duì)MOEMS微鏡鏡面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支撐；所述MOEMS微鏡角度傳感器是通過將電絕緣層、下電極層、壓電層和上電極層依次制作在MOEMS微鏡反射鏡面和MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器連接位置處的基片材料的梁結(jié)構(gòu)之上而形成，并且在MOEMS微鏡角度傳感器的電極層與MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器的電極層之間留有電氣隔離間隙；所述MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器和MOEMS微鏡角度傳感器的電信號(hào)通過上下電極層進(jìn)行引入和引出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成角度傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)掃描微鏡，其特征在于，在 電絕緣層和下電極層還設(shè)有助壓電層薄膜的成核與生長(zhǎng)的材料層。
全文摘要
本發(fā)明提出一種集成角度傳感器的壓電驅(qū)動(dòng)掃描微鏡，它包括集成在同一基片材料上的MOEMS微鏡反射鏡面、MOEMS微鏡驅(qū)動(dòng)器、MOEMS微鏡角度傳感器三部分。微鏡驅(qū)動(dòng)器由多根壓電梁并聯(lián)構(gòu)成，微鏡驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱分布在MOEMS微鏡反射鏡面的兩邊，通過基片材料形成的梁結(jié)構(gòu)與MOEMS微鏡反射鏡面連成一體，微鏡鏡面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和支撐；微鏡角度傳感器在微鏡反射鏡面和微鏡驅(qū)動(dòng)器連接位置處，并與微鏡驅(qū)動(dòng)器的電極層之間留有電氣隔離間隙。本發(fā)明采用壓電驅(qū)動(dòng)方式，在較低的驅(qū)動(dòng)電壓條件下實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)；采用集成化的角度傳感器設(shè)計(jì)，系統(tǒng)體積小，并具較高的角度檢測(cè)精度，可用于在線檢測(cè)的便攜式儀器。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101614871SQ20091010440
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者溫中泉, 溫志渝, 彪 羅, 賀學(xué)鋒 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)