專利名稱：一種大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動mems變形鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微光機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的靜電吸引型MEMS變形鏡。
背景技術(shù)：
在變形鏡領(lǐng)域，靜電驅(qū)動的MEMS變形鏡具有響應(yīng)速度快、能耗低、體積小、單元密度高以及與集成電路兼容性好的優(yōu)點，而成為一種最具有發(fā)展?jié)摿Φ奈⒆冃午R。然而，現(xiàn)有的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，因受到靜電吸引(pull-1n)現(xiàn)象的限制，其有效行程只有上、下電極初始間隙的三分之一。且由于表面硅工藝的限制，一般采用二氧化硅做犧牲層，厚度較小
(< 3μπι)，造成變形鏡的有效行程小，實用化性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有大厚度犧牲層難加工的不足，本發(fā)明提供一種大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，它可以有效的克服現(xiàn)有加工工藝的限制，增大上、下電極之間的初始間距，使變形鏡獲得大的有效行程，提高MEMS變形鏡的實用化性能。本發(fā)明大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該變形鏡由支撐柱、鏡面、上電極、梁、錨點、絕緣層、硅基底、通孔、下電極和行程腔組成，其中鏡面，為一矩形的平板鏡面；上電極，為一矩形的平板上電極；梁，是含有四根矩形的柱體梁；兩個錨點，分別固接于每根梁的兩個端部，且分別兩個錨點位于每根梁相互垂直的平面上；硅基底，在其內(nèi)部是一凹形體，在凹形體的底部有一通孔；絕緣層，固接于硅基底的凹形體的表面上形成一行程腔；在行程腔的凹底部設(shè)置有下電極，下電極的導(dǎo)線貫穿設(shè)于硅基底上的通孔中；梁平行放置于上電極板和絕緣層的上部之間，上電極板通過梁和錨點固定在行程腔的上面，上電極板與鏡面平行，支撐柱位于上電極板和鏡面之間，上電極板通過支撐柱支撐變形鏡的鏡面。優(yōu)選實施例，所述的行程腔，是采用微細(xì)加工技術(shù)在硅基底上去除一部分材料實現(xiàn)平底的V形槽的腔體，或U形槽的腔體，其深度控制在O.1 μ m-100 μ m之間。優(yōu)選實施例，所述的下電極鋪滿整個行程腔的底部、或僅僅鋪滿行程腔底部的一部分、或鋪滿整個行程腔表面，或鋪滿整個行程腔表面和梁下方的硅基底上。優(yōu)選實施例，所述的行程腔底部加工有通孔，其內(nèi)部填充導(dǎo)電介質(zhì)，做為下電極的導(dǎo)線。優(yōu)選實施例，所述的下電極是一個下電極塊組成，或是由多個下電極塊組成。本發(fā)明的有益效果針對現(xiàn)有大厚度犧牲層難加工的不足，本發(fā)明的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，可以有效的克服現(xiàn)有加工工藝的限制，增大上、下電極之間的初始間距，使變形鏡獲得大的有效行程，提高MEMS變形鏡的實用化性能。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)下電極的面積又進一步增大，因而在相同驅(qū)動電壓下上下電極驅(qū)動力也會更大，達到同樣行程所需的驅(qū)動電壓會更低，因而可進一步降低系統(tǒng)功耗以及驅(qū)動電路復(fù)雜度。


圖1是本發(fā)明大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中下電極鋪滿行程腔底部表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖。圖3是本發(fā)明中下電極鋪滿整個行程腔表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖。圖4是本發(fā)明中下電極鋪滿整個行程腔表面和上電極下方硅基底表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖。
圖5是本發(fā)明中多下電極塊組成下電極的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖。圖6是本發(fā)明中大行程結(jié)構(gòu)的變形鏡的一種實現(xiàn)方式的結(jié)構(gòu)爆炸圖。圖7是圖6所示的大行程結(jié)構(gòu)的變形鏡的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖6所示的大行程結(jié)構(gòu)的變形鏡的三維結(jié)構(gòu)剖視圖。圖9是圖6所示的大行程結(jié)構(gòu)的變形鏡在施加驅(qū)動電壓后的變形的三維示意圖。圖中標(biāo)記號說明I是支撐柱， 2是鏡面， 3是上電極，4是梁，5是鋪點， 6是絕緣層，7是娃基底，8是通孔，9是下電極，10是行程腔。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。圖1是本發(fā)明大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，包括支撐柱I、鏡面2、上電極3、梁4、錨點5、絕緣層6、基底7、通孔8、下電極9。由上電極3、梁4、錨點5、絕緣層6、基底7、下電極9組成行程腔10。鏡面2，為一矩形的平板鏡面；上電極3，為一矩形的平板上電極；梁4，是四根矩形的柱體梁；兩個錨點5，分別固接于每根梁4的兩個端部，且兩個錨點(5)分別位于每根梁相互垂直的平面上；硅基底7，在其內(nèi)部是一凹形體，在凹形體的底部有一通孔8 ;絕緣層6，固接于硅基底7的凹形體的表面上形成一行程腔10 ；在行程腔10的凹底部設(shè)置有下電極9，下電極9貫穿設(shè)于硅基底7的底部的通孔8中；梁4平行放置于上電極板3和絕緣層6的上部之間，上電極板3通過梁4和錨點5固定在行程腔10的上面，上電極板3與鏡面2平行，支撐柱I位于上電極板3和鏡面2之間，上電極板3通過支撐柱I支撐變形鏡的鏡面2。
所述的行程腔10，是采用微細(xì)加工技術(shù)在硅基底7上去除一部分材料實現(xiàn)平底的V形槽的腔體，或U形槽的腔體，其深度控制在O.1 μ m-100 μ m之間。所述的下電極9鋪滿整個行程腔10的底部、或僅僅鋪滿行程腔10底部的一部分、或鋪滿整個行程腔10表面，或鋪滿整個行程腔表面和梁4下方的硅基底7上。所述的行程腔底部加工有通孔8，其內(nèi)部填充導(dǎo)電介質(zhì)。所述的下電極9是一個下電極塊陣列組成，或是由多個下電極塊陣列組成。所述的通孔8的內(nèi)壁上有絕緣層6，與硅基底7形成電絕緣，通孔8內(nèi)填充導(dǎo)電材料。梁3距硅基底7的絕緣層6上表面，即錨點5的高度在I μ m_5 μ m之間，當(dāng)工藝加工的犧牲層只有2 μ m時，上電極3與下電極9的間距可以達到2.1 μ m-102 μ m,在不增加加工工藝難度的情況下，有效提高了變形鏡的行程。所述的上電極3的厚度為1μπι-15μπι，材料為多晶硅或金屬；支撐柱I是高度為
Iμ m-12 μ m，材料為多晶硅或金屬。鏡面2是單層金屬或者多晶硅與金屬的結(jié)合體，總厚度O. 5 μ m-15 μ m。下面以下電極9鋪在行程腔10的底部，下電極9為尺寸為3 μ mX 5 μ m的長方形，梁4為L型梁的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡為例，結(jié)合附圖1對本發(fā)明作具體描述。在靜電驅(qū)動MEMS變形鏡的最下層為基底7，基底7為中空凹形體部，具有中空凹形側(cè)壁71、底部72、上部73和通孔8，在中空凹形側(cè)壁71、底部72和上部73的內(nèi)表面設(shè)有絕緣層6，中空凹形側(cè)壁71的底端與底部72連接，中空凹形側(cè)壁71的上端與上部73連接，通孔8貫穿絕緣層6和底部72，并設(shè)于底部72的中間位置，下電極9位于底部72上部的絕緣層6上；支撐柱I的上端部與鏡面2的底部的中間位置連接，上電極3的上部的中間位置與支撐柱I的下端部連接，上電極3的兩端部分別與梁4和錨點5連接。在靜電驅(qū)動MEMS變形鏡的最下層為基底7，基底7為硅基底，其厚度2 μ m_63 μ m ；通孔8直徑5 μ m，貫穿基底7 ;基底7上面是絕緣層6 ;絕緣層6是氮化硅絕緣層，絕緣層6的厚度422nm。行程腔深10 μ m，梁4的截面是2 μ mX6 μ m的長方形，L型梁，長邊長79 μ m，短邊長12 μ m，材料為多晶硅。錨點5的截面是5μπι Χ6 μ m的長方形，高45 μ m，材料為鋁。變形鏡上電極3材料為鋁，厚8 μ m，尺寸89 μ mX 89 μ m，其上用支撐柱I，支撐鏡面2，支撐柱I高8μπι，截面是7μπιΧ7μπι的正方形。鏡面2厚度3 μ m，材料金屬鋁。變形鏡上電極3接地，下電極9加電壓45V，其變形如圖8所示，在靜電力的吸引下，變形鏡最大位移45梁，在不增加犧牲層厚度的情況下獲得了大的行程。圖2是本發(fā)明中下電極鋪滿行程腔底部表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖，也為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個具體實現(xiàn)方式，與圖1相對比可知唯一區(qū)別在于下電極9的面積更大，因而在相同驅(qū)動電壓下驅(qū)動力也會更大，達到同樣行程所需的驅(qū)動電壓會更低，因而可降低系統(tǒng)功耗以及驅(qū)動電路復(fù)雜度。圖3是本發(fā)明中下電極鋪滿整個行程腔表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖，也為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個具體實現(xiàn)方式，與圖2相對比可知唯一區(qū)別在于下電極9的面積又進一步增大，因而在相同驅(qū)動電壓下驅(qū)動力也會更大，達到同樣行程所需的驅(qū)動電壓會更低，因而可進一步降低系統(tǒng)功耗以及驅(qū)動電路復(fù)雜度。圖4是本發(fā)明中下電極鋪滿整個行程腔表面和上電極下方硅基底表面的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖，也為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個具體實現(xiàn)方式，與圖3相對比可知唯一區(qū)別在于下電極9的面積又進一步增大至絕緣層6上部，因而在相同驅(qū)動電壓下下電極9驅(qū)動力也會更大，達到同樣行程所需的驅(qū)動電壓會更低，因而可進一步降低系統(tǒng)功耗以及驅(qū)動電路復(fù)雜度。圖5是本發(fā)明中多下電極塊組成下電極的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡示意圖，也為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的一個具體實現(xiàn)方式，與圖1相對比可知唯一區(qū)別在于下電極9分為了兩塊，為了與之配套通孔8也有兩個，下電極9分為兩塊后從中間斷開，中間沒有電極存在，當(dāng)上電極被吸引下來時不會與之發(fā)生短路，因而避免損壞器件，提高了系統(tǒng)魯棒性。圖6是本發(fā)明中新結(jié)構(gòu)的變形鏡的一種三維結(jié)構(gòu)分解圖，本圖將圖1以三維形式表現(xiàn)了出來，可更清楚說明所發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)；需要注意的是，本發(fā)明的梁為圖1中的梁4，有多種實現(xiàn)形式，圖6中具體以L型懸臂梁4的形式展現(xiàn)，但本領(lǐng)域人員應(yīng)理解這只是一種支撐梁方式，還可有其它常見支撐梁方式，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。圖7是圖6所示的新結(jié)構(gòu)的變形鏡的三維具體結(jié)構(gòu)示意圖，也采用L型懸臂梁的方式支撐上電極。圖8是圖6所示的新結(jié)構(gòu)的變形鏡的三維結(jié)構(gòu)剖視圖，也采用L型懸臂梁的方式支撐上電極。圖9是圖6所示的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡在施加驅(qū)動電壓后的變形圖，即上電極3接地，下電極9施加電壓45V后結(jié)構(gòu)變形的形狀，由圖可見，L型懸臂梁4向下彎曲，整個鏡面向下運動，因而可完成對入射到鏡面2的入射光的相位調(diào)制功能。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其特征在于該變形鏡由支撐柱(I)、鏡面(2)、上電極(3)、梁(4)、錨點(5)、絕緣層(6)、硅基底(7)、通孔(8)、下電極(9)和行程腔(10)組成，其中鏡面(2)，為一矩形的平板鏡面；上電極(3)，為一矩形的平板上電極；梁(4)，是含有四根矩形的柱體梁；兩個錨點(5)，分別固接于每根梁(4)的兩個端部，且兩個錨點(5)分別位于每根梁相互垂直的平面上；硅基底(7)，在其內(nèi)部是一凹形體，在凹形體的底部有一通孔(8)；絕緣層出)，固接于硅基底(7)的凹形體的表面上形成一行程腔(10)；在行程腔(10)的凹底部設(shè)置有下電極(9)，下電極(9)的導(dǎo)線貫穿于硅基底(7)的通孔⑶中 ’梁⑷平行放置于上電極板⑶和絕緣層(6)的上部之間，上電極板(3)通過梁(4)和錨點(5)固定在行程腔(10)的上面，上電極板(3)與鏡面⑵平行，支撐柱⑴位于上電極板⑶和鏡面⑵之間，上電極板⑶通過支撐柱⑴支撐變形鏡的鏡面(2)。
2.如權(quán)利要求I所述的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其特征在于所述的行程腔(10)，是采用微細(xì)加工技術(shù)在硅基底(7)上去除一部分材料實現(xiàn)平底的V形槽的腔體，或 U形槽的腔體，其深度控制在O. I μ m-100 μ m之間。
3.如權(quán)利要求I所述的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其特征在于所述的下電極(9)鋪滿整個行程腔(10)的底部、或僅僅鋪滿行程腔(10)底部的一部分、或鋪滿整個行程腔(10)表面，或鋪滿整個行程腔表面和梁(4)下方的硅基底(7)上。
4.如權(quán)利要求I所述的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其特征在于所述的行程腔底部加工有通孔(8)，其內(nèi)部填充導(dǎo)電介質(zhì)，做為下電極(9)的導(dǎo)線。
5.如權(quán)利要求I所述的大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其特征在于所述的下電極(9)是一個下電極塊組成，或是由多個下電極塊組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大行程結(jié)構(gòu)的靜電驅(qū)動MEMS變形鏡，其中包括鏡面，為一矩形的平板鏡面；上電極，為一矩形的平板上電極；梁，是含有四根矩形的柱體梁；兩個錨點，分別固接于每根梁的兩個端部，且兩個錨點分別位于每根梁相互垂直的平面上；硅基底，在其內(nèi)部是一凹形體，在凹形體的底部有一通孔；絕緣層，固接于硅基底的凹形體的表面上形成一行程腔；在行程腔的凹底部設(shè)置有下電極，下電極的導(dǎo)線貫穿于硅基底的通孔中；梁平行放置于上電極板和絕緣層的上部之間，上電極板通過梁和錨點固定在行程腔的上面，上電極板與鏡面平行，支撐柱位于上電極板和鏡面之間，上電極板通過支撐柱支撐變形鏡的鏡面。
文檔編號G02B26/08GK102981272SQ201210523639
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者邱傳凱, 莊須葉, 王強, 汪為民, 張鐵軍, 熊偉, 羅吉, 張建飛, 姚軍 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所