專利名稱：雙極型電磁式掃描微鏡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微光機電系統(tǒng)技術領域，特別涉及一種雙極型電磁式掃描微鏡。
背景技術：
掃描微鏡作為微光機電系統(tǒng)(MOEMS) —種重要的器件之一，已被廣泛應用于醫(yī)學成像、投影儀、光譜儀及圖形碼閱讀器等領域。其基本原理為通過精確控制鏡面旋轉的驅動カ，實現(xiàn)精確控制微鏡鏡面的旋轉角度，從而達到精確控制光線的傳播方向。目前掃描微鏡大都采用靜電、電磁、電熱及壓電等驅動原理實現(xiàn)驅動。傳統(tǒng)的電磁式MOEMS掃描微鏡一般只具有單極型驅動，從而造成了器件具有體積大、旋轉角度小、穩(wěn)定性差、功耗大、壽命短等缺點。在已受到廣泛研究的電磁式MOEMS微鏡中大都采用單極型(吸引力或排斥力)驅動，這就造成了在磁場和電流一定的情況下，微鏡的最大偏轉角度位移非常有限，該結構的特點嚴重限制了電磁式微鏡在MOEMS領域的廣泛應用，造成目前極 少數(shù)有采用電磁式驅動的成熟的MOEMS商品化器件的出現(xiàn)。這種單極型驅動結構若要實現(xiàn)大的偏轉位移或偏轉角度，就要增強磁場強度和提高驅動電流，或者降低梁的剛度，這就勢必會在增大系統(tǒng)體積的同時，提高系統(tǒng)的驅動電壓，嚴重限制了它的應用范圍。另ー方面降低了梁的強度就使得微鏡的機械強度顯著降低，從而造成工作中的線性度降低，且易受沖擊損壞。另外，這種單極型驅動的結構，器件本身的響應時間較長，因此工作頻率也只能在較低的頻率環(huán)境中，不適應于頻率較高的應用場合。另外，前期的MOEMS掃描微鏡大都需要額外增加ー套外在的測量系統(tǒng)對其旋轉角度進行測量，整個系統(tǒng)體積龐大，后續(xù)處理電路復雜。這些都限制了掃描微鏡在MOEMS中的應用。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供ー種雙極型電磁式掃描微鏡，具有功耗低、轉動角度大、控制精度高、角度測量準確、穩(wěn)定性高、線性度好等優(yōu)點，能夠大范圍地推廣使用。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
該雙極型電磁式掃描微鏡，包括微反射鏡面、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架，所述反射鏡面、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架均制作在同一片硅結構層上并以硅結構層作為其共同的底層，所述反射鏡面、雙極型電磁微驅動線圈位干支撐框架結構的內部；所述微反射鏡面的上、下兩側的中部位置分別設置有相互対稱的扭轉梁，所述扭轉梁具有與微反射鏡面、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架相同的硅結構層，扭轉梁的一端通過硅結構層與微反射鏡面相連接，另一端通過硅結構層與支撐框架相連接；
所述雙極型電磁微驅動線圈包括微驅動線圈I和微驅動線圈II，兩者沿微反射鏡面的縱向中軸線對稱設置在微反射鏡面的左、右兩側，微驅動線圈I和微驅動線圈II的繞向相反，在通入電流時，可實現(xiàn)吸引力和排斥カ同時作用于扭轉梁上(類似蹺蹺板結構);
所述微驅動線圈I的起繞端設置有連接電極I，終繞端設置有驅動電極I，所述微驅動線圈II的起繞端設置有連接電極I，終繞端設置有驅動電極I，所述連接電極I與連接電極I導電連接，用于驅動微驅動線圈I和微驅動線圈II的電信號通過驅動電極I、驅動電極I輸入；
進ー步，所述連接電極I和連接電極II分別設置于微反射鏡面左、右側部分的中心位置處；
進ー步，所述驅動電極I和驅動電極II設置于微反射鏡面上、下兩側的其中一個扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置。進ー步，所述雙極型電磁式掃描微鏡還包括設置在微反射鏡面上的角度傳感器； 進ー步，所述角度傳感器的主體為ー沿反射鏡面的表面輪廓且沿微反射鏡面的縱向
中軸線對稱設置的未封閉矩形條狀框，正好將雙極型電磁微驅動線圈包圍在內，所述角度傳感器的兩個斷點以微反射鏡面的縱向中軸線為對稱軸分別設置于微反射鏡面的左、右兩偵牝分別向外引出設置為角度傳感器電極I和角度傳感器電極II。進ー步，角度傳感器電極I和角度傳感器電極II設置于微反射鏡面上、下兩側的其中一個扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置；
或者，所述角度傳感器為壓電式角度傳感器；
或者，所述角度傳感器為壓阻式角度傳感器，所述壓阻式角度傳感器包括采用摻雜エ藝掩埋在硅結構層內部的電阻；
壓阻式角度傳感器的電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量。或者，所述角度傳感器為應變式角度傳感器，應變式角度傳感器包括采用MEMSエ藝依次層疊制作在硅結構層上的絕緣層和應變片，應變片為Pt片；
應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進行輸出和測量。進一歩，所述微反射鏡面包括所述硅結構層和采用MEMSエ藝制作在硅結構層上的微鏡面反射層。本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明通過采用対稱的雙極型微驅動器結構實現(xiàn)微鏡鏡面的大角度轉動，増大了微鏡的掃描范圍，同時降低了器件的驅動功耗，提高了器件的工作響應時間；另外本發(fā)明還具有結構簡單，エ藝復雜度低，成品率高，可批量生產等特點，因此，該雙極型掃描微鏡有望成為未來MOEMS領域掃描微鏡發(fā)展的重點方向之一，具有較高的應用價值。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中
圖I為本發(fā)明的雙極型掃描微鏡結構原理 圖2為圖I沿A-A’向首I]面不意 圖3為圖I沿B-B’向示意 圖4為采用壓電式角度傳感器的掃描微鏡結構原理圖；圖5為本發(fā)明的制作エ藝流程圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。I-扭轉梁；2_微反射鏡面；3_角度傳感器；41_微驅動器I ;42_微驅動器II ;6_支撐框架；a_角度傳感器電極I ;a’ -角度傳感器電極II ;b_驅動電極I山’-驅動電機II ；C-連接電極I ;c’ -連接電極II。如圖I至圖3所示，本發(fā)明的雙極型電磁式掃描微鏡包括微反射鏡面2、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架6，反射鏡面2、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架6均制作在同一片娃結構層5上并以娃結構層5作為其共同的底層,所述反射鏡面2、雙極型電磁微驅動線圈位于支撐框架4結構的內部；
微反射鏡面2的上、下兩側的中部位置分別設置有相互対稱的扭轉梁1，所述扭轉梁I具有與微反射鏡面2、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架6相同的硅結構層，扭轉梁I的一端通過硅結構層與微反射鏡面2相連接，另一端通過硅結構層與支撐框架6相連接；
雙極型電磁微驅動線圈包括微驅動線圈I 41和微驅動線圈II 42，兩者沿微反射鏡面2的縱向中軸線對稱設置在微反射鏡面2的左、右兩側，微驅動線圈I 41和微驅動線圈II42的繞向相反，在通入電流時，可實現(xiàn)吸引力和排斥カ同時作用于扭轉梁I上；
微驅動線圈I 41的起繞端設置有連接電極I C，終繞端設置有驅動電極I b，所述微驅動線圈II 42的起繞端設置有連接電極I c’，終繞端設置有驅動電極I b’，所述連接電極I c與連接電極I c’導電連接，用于驅動微驅動線圈I 41和微驅動線圈II 42的電信號通過驅動電極I b、驅動電極I b’輸入。本實施例中，連接電極I c和連接電極II c’分別設置于微反射鏡面左、右側部分的中心位置處。驅動電極I b和驅動電極II b’設置于微反射鏡面上、下兩側的其中ー個扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置。本發(fā)明的雙極型電磁式掃描微鏡還包括設置在微反射鏡面2上的角度傳感器3,本實施例中采用電磁式角度傳感器，其線圈沿扭轉梁I軸心線完全對稱分布，本實施例采用單匝(當然在實踐中可以根據(jù)需要采用多匝結構)，角度傳感器的主體為ー沿反射鏡面2的表面輪廓且沿微反射鏡面2的縱向中軸線對稱設置的未封閉矩形條狀框，正好將雙極型電磁微驅動線圈包圍在內，角度傳感器的兩個端點以微反射鏡面2的縱向中軸線為對稱軸分別設置于微反射鏡面2的左、右兩側，分別向外引出設置為角度傳感器電極I a和角度傳感器電極II a’。本實施例中，角度傳感器電極I a和角度傳感器電極II a’設置于與驅動電極I b和驅動電極II b’相同一側的扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置。需要說明的是，本發(fā)明的角度傳感器3還可以采用壓電式角度傳感器、壓阻式角度傳感器或應變式角度傳感器，如圖4所示，角度傳感器3為壓電式角度傳感器，所述壓電式角度傳感器包括采用MEMSエ藝從下到上依次制作在硅結構層上的下電極、壓電層和上電極，角度傳感器設置在扭轉梁I上，其引出電極可根據(jù)實際需要，分別置于與驅動電極Ib和驅動電極II b’相同一側的扭轉梁上，或者異側的扭轉梁上。如果采用壓阻式角度傳感器，則壓阻式傳感器包括采用摻雜エ藝制作在硅結構層內的掩埋電阻，電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量。如果采用應變式角度傳感器，則應變式角度傳感器包括采用MOEMSエ藝依次層疊制作在硅結構層上的絕緣層和應變片，所述應變片為Pt片；應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進行輸出和測量。本發(fā)明的壓電微鏡的制作エ藝流程如圖5所示，具體實施方式
如下所述
(1)在雙拋硅片上雙面生長SiO2層，背面光刻圖形化厚去除SiO2層并進行磷擴散，雙面生長Si3N4層，形成雙極型電磁微驅動器線圈的連接電極；如果不采用此步的擴散エ藝來制作連接電極，需要増加作為微驅動器線圈連接電極的方塊電阻，如圖(a)所示；
(2)正面光刻圖形化后RIE去除表層Si3N4層，濕法去除SiO2層，濕法腐蝕Si基底至一定深度，如圖(b)所示；
(3)背面光刻圖形化后磁控濺射TiW/Au作為種子層，厚膠エ藝后進行電鍍，形成角度傳感器3，雙極型電磁微驅動器線圈連接極5，角度傳感器電極a、a’，驅動電極b、b’，如圖(c)所示；
(4)背面光刻圖形化，RIE刻蝕去除背面Si3N4層，濕法去除SiO2層，并用濕法進行雙面腐蝕，實現(xiàn)結構釋放，如圖(d)所示；
(5)正面生長金屬層，作為微鏡面反射層，如圖(e)所示。本發(fā)明具有較大的通用性，在一定的工作電壓下，通過改變電磁微驅動器線圈的繞制圈數(shù)(圖I中為6圏)，可以調節(jié)微鏡的轉動角度和工作頻率，以滿足不同光學系統(tǒng)的要求。本發(fā)明采用雙極型驅動方式對微鏡進行驅動，可實現(xiàn)吸引力和排斥カ同時作用于扭轉梁上，在較低的驅動電壓下實現(xiàn)微鏡的大角度掃描；由于采用雙極型電磁式驅動的結構，使得其響應時間大大縮短，極大地提高了微鏡的工作頻率；同時集成了電磁式角度傳感器，實現(xiàn)掃描角度的精確測量，因此該掃描微鏡外圍信號處理電路簡單易行，其成果可廣泛應用于醫(yī)學成像、投影儀、光譜儀及圖形碼閱讀器等領域。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗g和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述微鏡包括微反射鏡面(2)、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架(6)，所述反射鏡面(2)、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架(6)均制作在同一片硅結構層(5)上并以硅結構層(5)作為其共同的底層，所述反射鏡面(2)、雙極型電磁微驅動線圈位于支撐框架(4)結構的內部； 所述微反射鏡面(2)的上、下兩側的中部位置分別設置有相互對稱的扭轉梁(1)，所述扭轉梁(I)具有與微反射鏡面(2)、雙極型電磁微驅動線圈以及支撐框架(6)相同的硅結構層，扭轉梁(I)的一端通過硅結構層與微反射鏡面(2)相連接，另一端通過硅結構層與支撐框架(6)相連接； 所述雙極型電磁微驅動線圈包括微驅動線圈I (41)和微驅動線圈II (42)，兩者沿微反射鏡面(2)的縱向中軸線對稱設置在微反射鏡面(2)的左、右兩側，微驅動線圈I (41)和微驅動線圈II (42)的繞向相反，在通入電流時，可實現(xiàn)吸引力和排斥力同時作用于扭轉梁(I)上； 所述微驅動線圈I (41)的起繞端設置有連接電極I (C)，終繞端設置有驅動電極I (b)，所述微驅動線圈II (42)的起繞端設置有連接電極I (c’)，終繞端設置有驅動電極I (b’)，所述連接電極I (c)與連接電極I (c’)導電連接，用于驅動微驅動線圈I (41)和微驅動線圈II (42)的電信號通過驅動電極I (b)、驅動電極I (b’)輸入。
2.根據(jù)權利要求I所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述連接電極1(c)和連接電極II (c’)分別設置于微反射鏡面左、右側部分的中心位置處。
3.根據(jù)權利要求I所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述驅動電極1(b)和驅動電極II (b’)設置于微反射鏡面上、下兩側的其中一個扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置。
4.根據(jù)權利要求I所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述雙極型電磁式掃描微鏡還包括角度傳感器(3 )，所述角度傳感器設置于微反射鏡面(2 )或扭轉梁上。
5.根據(jù)權利要求4所述的雙極型電磁式掃描微鏡,其特征在于所述角度傳感器為電磁式角度傳感器，傳感器的主體為一沿反射鏡面(2)的表面輪廓且沿微反射鏡面(2)的縱向中軸線對稱設置的未封閉矩形條狀框，正好將雙極型電磁微驅動線圈包圍在內，所述角度傳感器的兩個斷點以微反射鏡面(2)的縱向中軸線為對稱軸分別設置于微反射鏡面(2)的左、右兩側，分別向外引出設置為角度傳感器電極I (a)和角度傳感器電極II (a’)。
6.根據(jù)權利要求5所述的雙極型電磁式掃描微鏡,其特征在于角度傳感器電極1(a)和角度傳感器電極II (a’)設置于微反射鏡面上、下兩側的其中一個扭轉梁上，且以扭轉梁的中軸為對稱軸對稱設置。
7.根據(jù)權利要求3所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述角度傳感器(3)為壓電式角度傳感器，所述壓電式角度傳感器包括采用MOEMS工藝從下到上依次制作在硅結構層上的下電極、壓電層和上電極，所述角度傳感器設置在扭轉梁(I)與支撐框架(6)相連接的端頭處且位于扭轉梁(I)中心軸的同一側。
8.根據(jù)權利要求3所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述角度傳感器(3)為壓阻式角度傳感器，所述壓阻式角度傳感器包括采用摻雜工藝掩埋在硅結構層內部的電阻，所述角度傳感器設置在扭轉梁(I)與支撐框架(6)相連接的端頭處且位于扭轉梁(I)中心軸的同一側；所述壓阻式角度傳感器的電信號通過連接在電阻上的引線進行輸出和測量。
9.根據(jù)權利要求3所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述角度傳感器(3)為應變式角度傳感器，所述應變式角度傳感器包括采用MOEMS工藝依次層疊制作在硅結構層上的絕緣層和應變片，所述應變片為Pt片；所述角度傳感器設置在扭轉梁(I)與支撐框架(6)相連接的端頭處且位于扭轉梁(I)中心軸的同一側； 所述應變式角度傳感器的電信號通過連接在應變片上的引出線進行輸出和測量。
10.根據(jù)權利要求I所述的雙極型電磁式掃描微鏡，其特征在于所述微反射鏡面(2)包括所述硅結構層和采用MEMS工藝制作在硅結構層上的微鏡面反射層(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙極型電磁式掃描微鏡，是以硅基材料為襯底，采用MEMS工藝，加工出含有微反射鏡面2、雙極型電磁微驅動器4、扭轉梁1、角度傳感器3、雙極型電磁微驅動器線圈連接極5以及支撐框架6的雙極型電磁式掃描微鏡。本發(fā)明采用雙極型驅動方式對微鏡進行驅動，可實現(xiàn)吸引力和排斥力同時作用于扭轉梁上，在較低的驅動電壓下實現(xiàn)微鏡的大角度掃描；由于采用雙極型電磁式驅動的結構，使得其響應時間大大縮短，極大地提高了微鏡的工作頻率；同時集成了電磁式角度傳感器，實現(xiàn)掃描角度的精確測量，因此該掃描微鏡外圍信號處理電路簡單易行，其成果可廣泛應用于醫(yī)學成像、投影儀、光譜儀及圖形碼閱讀器等領域。
文檔編號G02B26/08GK102707435SQ20121017026
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月29日 優(yōu)先權日2012年5月29日
發(fā)明者尚正國, 李東玲, 溫中泉, 溫志渝, 陳李 申請人:重慶大學