專利名稱：一種三壓電懸臂梁驅動的mems微鏡及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS(微電子機械系統(tǒng))微鏡及制作方法， 屬于智能材料與結構技術領域。
背景技術：
MEMS微鏡是一種微型光學調制器件，它的基本原理是通過靜電(或磁力或電熱或 壓電)的作用使可以活動的微鏡面發(fā)生轉動或平動，從而改變輸入光的傳播方向或相位。 MEMS微鏡及其陣列以其尺寸微小、鏡面定向精度高、單片集成化等優(yōu)點，可廣泛用于光通訊 中的光交換和光信號調制、光存儲和光投影成像、光譜分析和生物醫(yī)學儀器、天文學和視覺 科學中的波前相差矯正等領域。按驅動方式分類，MEMS微鏡可主要分為靜電式、磁力式、電熱式和壓電式四種。其 中壓電驅動式MEMS微鏡則以結構簡單、驅動力大，響應速度快等優(yōu)點成為最有應用潛力的 發(fā)展方向之一。目前，壓電驅動式MEMS微鏡主要采用二個或四個壓電懸臂梁的驅動結構。日 本 Maeda 等人(Maeda 等人，Application of sol-gel deposited thin PZT film for actuation of ID and 2D scanners, Sensors and Actuators A—Physical, Vol. 73, No. 1-2，144-152)采用溶膠-凝膠法制備的1.5μπι厚鋯鈦酸鉛(PZT)膜作為壓電驅動材 料，制作了四壓電懸臂梁驅動的掃描微鏡，微反射鏡面能夠分別沿X軸和Y軸方向轉動。韓 國 Yee 等人(Yee 等人，PZT actuated micromirror for fine-tracking mechanism of high-density optical data storage，Sensors and Actuators A—Physical，Vol. 89， No. 1-2,166-173)也運用溶膠-凝膠法制備了 360nm厚PZT薄膜驅動的四壓電懸臂梁 微鏡，可產(chǎn)生垂直方向的運動，能夠用于高密度光存儲的精確跟蹤裝置。韓國Kim等人 (Kim 等人，Piezoelectrically pushed rotational micromirrors using detached PZT actuators for wide-angle optical switch applications, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 18，No. 12，125022)也制作了四壓電懸臂驅動驅動微鏡， 懸臂梁采用溶膠_凝膠法制備的380nm厚PZT壓電薄膜作為驅動材料，微反射鏡面能夠 分別沿X軸和Y軸方向轉動。法國Filhol等人(Filhol等人，Resonant micro-mirror excited by a thin-film piezoelectric actuator for fast optical beam scanning, Sensors and Actuators A-Physical，Vol. 123-124，483-489)則制作了雙壓電懸臂梁驅動 的扭轉微鏡，懸臂梁采用射頻濺射法制備的500nm厚PZT壓電薄膜作為驅動材料，可實現(xiàn) 沿一個單軸的轉動和垂直運動。美國Smits等人(Smits等人，Microelectromechanical flexure PZT actuated optical scanner :static and resonance behavior, Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 15，No. 6，1285—1293)也制作了雙壓電懸臂 梁驅動的扭轉微鏡，臂梁采用溶膠_凝膠法制備的0. 8 μ m厚PZT壓電薄膜作為驅動材料， 可實現(xiàn)沿一個單軸的轉動。由上可以看出，壓電驅動式MEMS微鏡主要通過在壓電懸臂梁上施加不同的組合電壓，從而實現(xiàn)微反射鏡面沿某個單軸或兩個正交軸方向的轉動，可轉動的方向較少，難以 滿足微鏡在光開光、光掃描和光成像等方面對多軸偏轉方向的要求。在驅動材料方面，主要 使用壓電系數(shù)較高的PZT薄膜(<2μπι)作為微鏡的驅動材料，但PZT薄膜的壓電性能弱、 驅動力小，限制了它在壓電MEMS器件中的應用。此外，壓電MEMS微鏡的壓電懸臂梁與微反 射鏡面均采用直線型窄彈性梁連接，這會使壓電懸臂梁產(chǎn)生的扭曲應力影響微反射鏡面的 平整度，進而增加了光損耗。綜上所述，為了滿足壓電MEMS微鏡在光開光、光掃描和光成像等方面對多軸偏轉 方向的要求，并達到盡可能大的偏轉角度，需要設計并制作新型結構的壓電MEMS微鏡以解 決上述問題。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)MEMS微鏡結構難以滿足微鏡在光開光、光掃描和 光成像等方面對多軸偏轉方向的要求，以及選取厚度小于2 μ m的PZT薄膜作為驅動材料， 造成壓電性能弱、驅動力小等缺點，而提供一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡及其制作方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明的一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡，包括一個微反射鏡面、三個壓電懸 臂梁和三個弓形彎曲彈性窄梁，壓電懸臂梁由硅懸臂梁表面固定厚度大于2 μ m的PZT驅動 膜組成；三個壓電懸臂梁分別通過三個弓形彎曲彈性窄梁與微反射鏡面連接，三個壓電懸 臂梁與微反射鏡面均在同一平面內，且壓電懸臂梁兩兩之間呈120°夾角分布。本發(fā)明的一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡的制作方法，具體步驟如下1)運用溶膠-凝膠法在具有圖形化電極的Pt/Cr/Si02/Si基片上制備厚度大于 2 μ m的PZT壓電厚膜，并經(jīng)過濕法刻蝕技術完成PZT厚膜的圖形化工藝，形成三個壓電懸臂 梁圖形；2)利用濺射和剝離工藝在PZT壓電厚膜表面制作Au/Cr雙層金屬上電極和微反射 鏡面圖形；3)利用干法刻蝕技術分別在正面和背面刻蝕Si基片，形成三壓電懸臂梁驅動的 MEMS微鏡。本發(fā)明的三壓電懸臂MEMS微鏡的工作原理主要是基于逆壓電效應，通過對三個 壓電懸臂施加不同組合的電壓實現(xiàn)微反射鏡面不同方向的轉動，總計可實現(xiàn)沿六個軸的偏 轉運動。在壓電材料方面，本發(fā)明采用溶膠_凝膠法制備了厚度大于2 μ m的PZT厚膜作為 驅動材料，它不僅具有體型PZT壓電陶瓷材料的壓電性能高、輸出信號高和使用頻率范圍 寬的特點，而且還兼顧PZT薄膜工作電壓低、尺寸小、質量輕和易于MEMS技術兼容的優(yōu)點。 采用弓形彎曲彈性窄梁連接壓電懸臂梁和微反射鏡面，可以有效緩解微反射鏡面所受應力 產(chǎn)生的形變，降低光損耗。本發(fā)明的有益效果是與現(xiàn)有的二壓電懸臂梁或四壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡相比，本發(fā)明具有如下 優(yōu)點①偏轉方向多，能夠實現(xiàn)沿六軸方向的偏轉運動；②PZT厚膜驅動力大，有利于提升 壓電MEMS微鏡的性能；③弓形彎曲彈性窄梁可以有效緩解微反射鏡面所受應力產(chǎn)生的形變，降低光損耗。④三壓電懸臂梁MEMS微鏡的所有制作工藝與MEMS工藝兼容，具有批量生 產(chǎn)的潛力，可廣泛用于光通訊中的光交換和光信號調制、光存儲和光投影成像、光譜分析和 生物醫(yī)學儀器、天文學和視覺科學中的波前相差矯正等領域。
圖1為三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡的結構示意圖；圖2為實施例中步驟(1)的制作流程示意圖；圖3為實施例中步驟(2)的制作流程示意圖；圖4為實施例中步驟(3)的制作流程示意圖；圖5為實施例中步驟(4)的制作流程示意圖；圖6為實施例中步驟(5)的制作流程示意圖；圖7為實施例中步驟(6)的制作流程示意圖；圖8為三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡、弓形彎曲彈性窄梁及其拐角處放大的實物 電子顯微鏡照片；圖9為實施例中3 μ m厚PZT厚膜驅動的壓電懸臂梁電子顯微鏡照片；其中，1-硅懸臂梁，2-PZT驅動膜，3-弓形彎曲彈性窄梁，4_微反射鏡面，5_雙 拋Si片襯底，6-Si02膜，7-Pt/Cr雙層金屬下電極，8-PZT厚膜，9_Au/Cr雙層金屬上電極， 10-光刻膠。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做詳細說明。實施例如圖1所示，本發(fā)明的一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡，包括一個微反射鏡 面4、三個壓電懸臂梁和三個弓形彎曲彈性窄梁3，壓電懸臂梁由硅懸臂梁1表面固定厚度 3μπι的PZT驅動膜2組成；三個壓電懸臂梁分別通過三個弓形彎曲彈性窄梁3與微反射 鏡面4連接，三個壓電懸臂梁與微反射鏡面4均在同一平面內，且壓電懸臂梁兩兩之間呈 120°夾角分布。具體制作步驟如下(1)如圖2所示，首先在雙拋Si片襯底5上物理增強化學氣相沉積(PECVD)工藝 單面沉積2μπι的5102膜6，再利用濺射和剝離(lift-off)工藝在SiO2膜6上制作出具有 圖案化的Pt/Cr雙層金屬下電極7，Pt和Cr金屬薄膜的厚度分別為160nm和20nm。(2)如圖3所示，根據(jù)溶膠-凝膠法制備出PZT溶膠，在硅基襯底上以3000rpm/min 的轉速旋涂PZT溶膠lmin，450°C下熱解30min，多次重復上述工藝，在700°C下退火5min制 得PZT厚膜8。PZT厚膜8的厚度為3 μ m。經(jīng)過光刻工藝在PZT厚膜8表面形成圖案化的 光刻膠掩蔽膜，將基片放入鹽酸和氫氟酸為主的混合酸溶液中攪拌腐蝕8min，完成PZT厚 膜8的圖形化工藝。(3)如圖4所示，運用濺射和剝離工藝在PZT厚膜表面制作Au/Cr雙層金屬上電極 9和微反射鏡面4圖形，其中Au/Cr的厚度分別為300nm和50nm。(4)如圖5所示，經(jīng)過光刻工藝，在正面形成光刻膠掩蔽圖形，再利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕SiO2膜6露出Si窗口，再刻蝕雙拋Si片襯底5形成20 μ m深的凹槽。(5)如圖6所示，利用PECVD工藝在雙拋Si片襯底5背面生長1 μ m厚的SiO2膜 6，然后旋涂4 μ m厚光刻膠，經(jīng)過光刻工藝和ICP干法刻蝕SiO2露出窗口。(6)如圖7所示，利用光刻膠和背面SiO2膜6作為掩蔽膜，ICP干法刻穿雙拋Si 片襯底5，釋放三個壓電懸臂梁和微反射鏡面4，最終形成三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡結 構。本發(fā)明的三壓電懸臂MEMS微鏡的工作原理主要是基于逆壓電效應，通過對三個 壓電懸臂施加不同組合的電壓實現(xiàn)微反射鏡面不同方向的轉動。如圖1所示，上方、左邊和 右邊的三個壓電懸臂梁分別標記為a、b和c，并以上方懸臂梁a為參考，當懸臂梁a所受偏 壓與懸臂梁b和c所受偏壓相反時，微反射鏡面將會繞X軸轉動；當懸臂梁a所受偏壓為定 值，懸臂梁b和c所受偏壓互為相反時，微反射鏡面將會繞Y軸轉動。同理，以懸臂梁b和 c為參考，同樣會實現(xiàn)各兩對正交軸的轉動。三壓電懸臂梁MEMS微鏡總計可實現(xiàn)沿六個軸 的偏轉運動，兩兩軸之間夾角為30°。在壓電材料方面，本發(fā)明采用溶膠-凝膠法制備了厚 度大于2 μ m的PZT厚膜作為驅動材料，它不僅具有體型PZT壓電陶瓷材料的壓電性能高、 輸出信號高和使用頻率范圍寬的特點，而且還兼顧PZT薄膜工作電壓低、尺寸小、質量輕 和易于MEMS技術兼容的優(yōu)點。采用弓形彎曲彈性窄梁連接壓電懸臂梁和微反射鏡面，可以 有效緩解微反射鏡面所受應力產(chǎn)生的形變，降低光損耗。
權利要求
一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡，其特征在于包括一個微反射鏡面(4)、三個壓電懸臂梁、三個弓形彎曲彈性窄梁(3)，壓電懸臂梁由硅懸臂梁(1)表面固定厚度大于2μm的PZT驅動膜(2)組成，三個壓電懸臂梁分別通過三個弓形彎曲彈性窄梁(3)與微反射鏡面(4)連接，三個壓電懸臂梁與微反射鏡面(4)均在同一平面內，且壓電懸臂梁兩兩之間呈120°夾角分布。
2.—種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡的制作方法，其特征在于具體步驟如下1)運用溶膠_凝膠法在具有圖形化電極的Pt/Cr/Si02/Si基片上制備厚度大于2μ m 的PZT壓電厚膜，并經(jīng)過濕法刻蝕技術完成PZT厚膜的圖形化工藝，形成三個壓電懸臂梁圖 形；2)利用濺射和剝離工藝在PZT基壓電厚膜表面制作Au/Cr雙層金屬上電極和微反射鏡 面圖形；3)利用干法刻蝕技術分別在正面和背面刻蝕Si基片，形成三壓電懸臂梁驅動的MEMS 微鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡設計及制作方法，屬于壓電MEMS器件設計和集成制作技術領域。本發(fā)明包括微反射鏡面、壓電懸臂梁和弓形彎曲彈性窄梁，壓電懸臂梁由硅懸臂梁表面固定厚度大于2μm的PZT驅動膜組成；三個壓電懸臂梁分別通過三個弓形彎曲彈性窄梁與微反射鏡面連接，壓電懸臂梁兩兩之間呈120°夾角分布。本發(fā)明的制作方法首先在基片上制備壓電厚膜，然后在壓電厚膜上刻蝕壓電懸臂梁圖形；其次在PZT壓電厚膜表面制作Au/Cr雙層金屬上電極和微反射鏡面圖形；最后在正面和背面刻蝕Si基片，形成三壓電懸臂梁驅動的MEMS微鏡。本發(fā)明偏轉方向多，PZT厚膜驅動力大，光損耗?。磺抑谱鞴に嚺cMEMS工藝兼容，具有批量生產(chǎn)的潛力，可廣泛用于光通訊領域。
文檔編號B81C1/00GK101937128SQ20101022983
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權日2010年7月19日
發(fā)明者曹茂盛, 袁杰, 趙全亮 申請人:北京理工大學