CN113985600A - 一种大尺寸mems微镜结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸MEMS微镜结构。该大尺寸MEMS微镜结构包括MEMS微镜，MEMS微镜包括偏转机构，所述偏转机构的底部开设有若干个空腔，偏转机构的两端设置有连接部，连接部的端部通过转轴连接有驱动机构，驱动机构的底部设置有底座，底座开设有供偏转机构翻转的第一真空腔，驱动机构的两侧设置有驱动电极，底座设置有与驱动电极连通的TSV结构，所述偏转机构的顶部设置有镜面，镜面的上方设置有光学体，光学体包括与驱动机构固接的基座，基座的底部开设有供偏转机构翻转的第二真空腔，基座的顶部设置有半球体，半球体的投影覆盖偏转机构。本发明解决了现有技术驱动力较小，不能克服大镜面微镜自身具有较大的惯性量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别涉及一种大尺寸MEMS微镜结构及制作方法。
背景技术
现有的MEMS微镜在激光雷达领域有着广泛的应用。对于远距离处目标物的探测一般采用同轴或非同轴光路的方式去实现，而在同轴扫描中都需要MEMS微镜对发射光和接收光进行处理，这使得MEMS微镜需要具有较大的镜面，但较大的镜面会带来较大的惯性量，较大的惯性量限制了MEMS微镜的扫描视角。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可以减小镜面在运动过程中带来的惯性量，从而能够扩大微镜扫描视角的大尺寸MEMS微镜结构。
为实现上述目的，本发明的大尺寸MEMS微镜结构及制作方法采用的技术方案是：
一种大尺寸MEMS微镜结构及制作方法，包括MEMS微镜，MEMS微镜包括偏转机构，所述偏转机构的底部开设有若干个空腔，偏转机构的两端设置有连接部，连接部的端部通过转轴连接有驱动机构，驱动机构的底部设置有底座，底座开设有供偏转机构翻转的第一真空腔，驱动机构的两侧设置有驱动电极，底座设置有与驱动电极连通的TSV结构，所述偏转机构的顶部设置有镜面，镜面的上方设置有光学体，光学体包括与驱动机构固接的基座，基座的底部开设有供偏转机构翻转的第二真空腔，基座的顶部设置有半球体，半球体的投影覆盖偏转机构。
优先的，所述第一真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合，所述第二真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合。
优选的，所述底座的顶部至少设置有两个第一定位柱，驱动机构开设有第一定位柱插入的第一定位孔，所述基座的底部至少设置有两个第二定位柱，驱动机构开设有第二定位柱插入的第二定位孔。
优选的，所述底座采用硅片、硅晶圆或玻璃制作。
优选的，所述MEMS微镜的驱动方式可采用静电式或电磁式等。
为实现上述目的，本发明的大尺寸MEMS微镜结构的制作方法采用的技术方案是：
包括如下步骤：
a、制备MEMS微镜；
b、制备底座；
c、制备光学体；
d、整体装配：利用键合/胶粘等物理化学的方式将底座安装于MEMS微镜的底部，利用键合/胶粘等物理化学的方式将光学体安装于MEMS微镜的顶部。
优选的，所述步骤a中MEMS微镜的衬底采用硅晶圆，驱动方式采用静电式，具体步骤包括:
S1：将硅晶圆清洗后减薄到合适的厚度；
S2：在硅晶圆底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位孔，在硅晶圆顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位孔；
S3：在硅晶圆上蒸发或溅射金属材料，刻蚀出镜面；
S4：在镜面的相对一侧刻蚀出若干个空腔；
S5：在硅晶圆上刻蚀转子梳齿、定子梳齿以及第一通孔；
S6：在第一通孔内填入金属引线作为驱动电极。
优选的，所述步骤b中底座采用硅晶圆、硅片或玻璃制作，具体步骤包括:
S7：将硅晶圆、硅片或玻璃清洗后减薄到合适的厚度；
S8：在底座顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位柱；
S9：在底座顶部的中心位置刻蚀出第一真空腔，第一真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合；
S10：在底座的两侧刻蚀出第二通孔；
S11：在第二通孔制作TSV结构。
优选的，所述步骤c中光学体的基材采用硅材料，也可以采用玻璃等具有优异光学功能的材料，具体步骤包括:
S12：采用珪衬底热回流光刻胶方式在基座上刻蚀出半球体；
S13：在基座底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位柱；
S14：在基座底部的中心位置刻蚀出第二真空腔，第二真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.空腔弥补了因镜面尺寸增加而导致偏转机构质量增加的缺陷，避免大尺寸镜面在运动过程中带来的较大惯性量，大尺寸的镜面在第一真空腔、第二真空腔内翻转，不受环境因素影响，不仅使微镜能够承受一定振动冲击和随机冲击，可在各种液体环境中作业，而且减小了微镜在运动过程产生的阻尼值，进一步减小惯性量，扩大了微镜的扫描视角，同时在半球体的作用下，增加了镜面的反射角度，进一步扩大微镜的扫描视角。
2.第一定位柱插入第一定位孔，方便MEMS微镜与底座的快速装配，保证偏转机构能在第一真空腔内偏摆不受干涉；第二定位柱插入第二定位孔，方便MEMS微镜与光学体的快速装配，保证偏转机构能在第二真空腔内偏摆不受干涉。
3.制造工艺简单，可实现大批量小型化的制造。
附图说明
图1是本发明的大尺寸MEMS微镜结构的剖面示意图；
图2是本发明的大尺寸MEMS微镜结构的爆炸示意图；
图3是图2的A处放大图；
图4是MEMS微镜衬底备片减薄示意图；
图5是衬底定位孔的刻蚀示意图；
图6是镜面刻蚀示意图；
图7是空腔刻蚀示意图；
图8是第一通孔和梳齿部分刻蚀示意图；
图9是驱动电极制作示意图；
图10是底座减薄示意图；
图11是第一定位柱刻蚀示意图；
图12是第一真空腔刻蚀示意图；
图13是第二通孔刻蚀示意图；
图14是第TSV制作示意图；
图15是光学体光刻胶回流制作示意图；
图16是第二定位柱刻蚀示意图；
图17是第二真空腔刻蚀示意图；
图18是MEMS微镜与底座装配的示意图；
图19是MEMS微镜与光学体装配的示意图。
其中，1-MEMS微镜，11-偏转机构，111-空腔，112-连接部，113-转子梳齿，114-镜面，12-转轴，13-驱动机构，131-定子梳齿，132-第一定位孔，133-驱动电极，134-第二定位孔，135-第一通孔，2-底座，21-第一真空腔，22-第一定位柱，23-TSV结构，24-第二通孔，3-光学体，31-基座，311-第二真空腔，312-第二定位柱，32-半球体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1-3所示，一种大尺寸MEMS微镜结构，包括MEMS微镜1，MEMS微镜的驱动方式采用静电式，MEMS微镜包括偏转机构11，偏转机构的底部开设若干个空腔111，偏转机构的两端布置连接部112，连接部的端部通过转轴12连接驱动机构13，连接部的两侧布置转子梳齿113，驱动机构布置与转子梳齿配合的定子梳齿131，驱动机构的底部布置底座2，底座采用硅片制作，底座的中心位置开设供偏转机构翻转的第一真空腔21，第一真空腔的竖截面为矩形，底座的顶部布置四个第一定位柱22，四个第一定位柱分布于底座的四个拐角，驱动机构开设第一定位柱插入的第一定位孔132，驱动机构的两侧布置驱动电极133，底座布置与驱动电极连通的TSV结构23，偏转机构的顶部布置镜面114，镜面的上方布置光学体3，光学体采用玻璃制作，光学体包括与驱动机构固接的基座31，基座的底部开设供偏转机构翻转的第二真空腔311，第二真空腔的竖截面为矩形，基座的底部布置四个第二定位柱312，四个第二定位柱分布于底座的四个拐角，驱动机构开设第二定位柱插入的第二定位孔134，基座的顶部一体成型半球体32，半球体的投影覆盖偏转机构。
如图4-19所示，一种大尺寸MEMS微镜结构的制作方法，包括如下步骤：
a、制备MEMS微镜，MEMS微镜的衬底采用硅晶圆，驱动方式采用静电式，具体步骤包括:
S1：将硅晶圆清洗后减薄到合适的厚度；
S2：在硅晶圆底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位孔，在硅晶圆顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位孔；
S3：在硅晶圆上溅射金属材料，刻蚀出镜面；
S4：在镜面的相对一侧刻蚀出若干个空腔；
S5：在硅晶圆上刻蚀转子梳齿、定子梳齿以及第一通孔135；
S6：在第一通孔内填入金属引线作为驱动电极；
b、制备底座，底座采用硅片制作，具体步骤包括:
S7：将硅片清洗后减薄到合适的厚度；
S8：在硅片顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位柱；
S9：在硅片顶部的中心位置刻蚀出第一真空腔，第一真空腔的竖截面为矩形；
S10：在底座的两侧刻蚀出第二通孔24；
S11：在第二通孔制作TSV结构；
c、制备光学体，光学体的基材采用玻璃，具体步骤包括:
S12：采用珪衬底热回流光刻胶方式在基座上刻蚀出半球体；
S13：在基座底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位柱；
S14：在基座底部的中心位置刻蚀出第二真空腔，第二真空腔的竖截面为梯形。
d、整体装配：
S15：第一定位柱对应插入第一定位孔，利用键合的方式将底座安装于MEMS微镜的底部；
S16：第二定位柱对应插入第二定位孔，利用键合的方式将光学体安装于MEMS微镜的顶部。
本发明的具体工作过程与原理：本发明通过减轻偏转机构的重量及真空封装的方式去减小微镜运动过程产生的阻尼，以此来实现增大镜面直径的目的，大直径的镜面可以扩大微镜的扫描视角，并在半球体的作用下进一步扩大微镜的扫描视角。本发明的真空封装结构能保护MEMS微镜免受环境因素影响，能够承受一定振动冲击和随机冲击，密封的微镜可在各种液体环境中作业。本发明的制造工艺简单，可实现大批量小型化的制造。
Claims (9)
1.一种大尺寸MEMS微镜结构，其特征在于：包括MEMS微镜，MEMS微镜包括偏转机构，所述偏转机构的底部开设有若干个空腔，偏转机构的两端设置有连接部，连接部的端部通过转轴连接有驱动机构，驱动机构的底部设置有底座，底座开设有供偏转机构翻转的第一真空腔，驱动机构的两侧设置有驱动电极，底座设置有与驱动电极连通的TSV结构，所述偏转机构的顶部设置有镜面，镜面的上方设置有光学体，光学体包括与驱动机构固接的基座，基座的底部开设有供偏转机构翻转的第二真空腔，基座的顶部设置有半球体，半球体的投影覆盖偏转机构。
2.根据权利要求1所述的大尺寸MEMS微镜结构，其特征在于：所述第一真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合，所述第二真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的大尺寸MEMS微镜结构，其特征在于：所述底座的顶部至少设置有两个第一定位柱，驱动机构开设有第一定位柱插入的第一定位孔，所述基座的底部至少设置有两个第二定位柱，驱动机构开设有第二定位柱插入的第二定位孔。
4.根据权利要求3所述的大尺寸MEMS微镜结构，其特征在于：所述底座采用硅片、硅晶圆或玻璃制作。
5.根据权利要求1所述的大尺寸MEMS微镜结构，其特征在于：所述MEMS微镜的驱动方式可采用静电式或电磁式等。
6.一种如1-5任一所述的大尺寸MEMS微镜结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、制备MEMS微镜；
b、制备底座；
c、制备光学体；
d、整体装配：利用键合/胶粘等物理化学的方式将底座安装于MEMS微镜的底部，利用键合/胶粘等物理化学的方式将光学体安装于MEMS微镜的顶部。
7.根据权利要求6所述的大尺寸MEMS微镜结构的制作方法，其特征在于,所述步骤a中MEMS微镜的衬底采用硅晶圆，驱动方式采用静电式，具体步骤包括:
S1：将硅晶圆清洗后减薄到合适的厚度；
S2：在硅晶圆底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位孔，在硅晶圆顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位孔；
S3：在硅晶圆上蒸发或溅射金属材料，刻蚀出镜面；
S4：在镜面的相对一侧刻蚀出若干个空腔；
S5：在硅晶圆上刻蚀转子梳齿、定子梳齿以及第一通孔；
S6：在第一通孔内填入金属引线作为驱动电极。
8.根据权利要求6所述的大尺寸MEMS微镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤b中底座采用硅晶圆、硅片或玻璃制作，具体步骤包括:
S7：将硅晶圆、硅片或玻璃清洗后减薄到合适的厚度；
S8：在底座顶部的四个拐角处分别刻蚀出一个第一定位柱；
S9：在底座顶部的中心位置刻蚀出第一真空腔，第一真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合；
S10：在底座的两侧刻蚀出第二通孔；
S11：在第二通孔制作TSV结构。
9.根据权利要求6所述的大尺寸MEMS微镜结构的制作方法，其特征在于，所述步骤c中光学体的基材采用硅材料，也可以采用玻璃等具有优异光学功能的材料，具体步骤包括:
S12：采用珪衬底热回流光刻胶方式在基座上刻蚀出半球体；
S13：在基座底部的四个拐角处分别刻蚀出一个第二定位柱；
S14：在基座底部的中心位置刻蚀出第二真空腔，第二真空腔的竖截面为矩形、梯形、三角形、半圆形中的一种或多种组合。
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