一种双向驱动微镜芯片及制造方法技术

本发明专利技术涉及一种双向驱动微镜芯片及制造方法，克服现有技术中采用两层梳齿结构，只能单向驱动，使得微镜受力不对称、无法完全绕中心轴转动的问题，应用全新设计结构，拥有上中下三层梳齿结构，为微镜提供双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。

A kind of bidirectional driving micro mirror chip and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
一种双向驱动微镜芯片及制造方法
本专利技术涉及一种双向驱动微镜芯片及制造方法，属于微机电系统

技术介绍
相对于传统的机械，MEMS器件的尺寸更小，一般在微米到毫米量级。它基于半导体集成电路(IC)制作工艺，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。常用的微机电系统驱动结构包括静电驱动，被广泛应用，其中静电驱动主要采用梳齿结构。梳齿结构一般分为两类，一类是面内梳齿结构，用作面内结构驱动，一类是上下梳齿结构，用作面外驱动。面外驱动的动齿和固齿一高一低，不在一个平面。上下梳齿结构可以用来制作扫描微镜，三轴加速度计、三轴陀螺仪。但是要制作高低梳齿，现有的高低梳齿设计中，传统的MEMES制造工艺利用键合工艺分别刻蚀高低梳齿，或者利用多次光刻、分别刻蚀高低梳齿，需要高精度对准，或者需要对DRIE刻蚀精确控制，对工艺要求高、且成品率低，存在多次刻蚀，加工复杂等缺陷。专利CN201521059002采用SOI圆片实现下梳齿，然后键合一片硅片实现上梳齿的方式，该工艺复杂，且成品率不能得到保证。专利CN201410599134采用了一种自对准方案，采用抬升结构实现高低梳齿。这里的抬升结构利用了工艺应力，而使梳齿抬升，形成高低梳齿。现有专利，只能形成高低两层梳齿结构，不能形成双向驱动结构。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种双向驱动微镜芯片，拥有上中下三层梳齿结构，进而获得双向驱动力，使得被驱动对象的受力完全对称，获得更加优良的微镜扫描效果。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种双向驱动微镜芯片，包括衬底、镜面支撑、转轴、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底的各部位共面；镜面支撑上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴、活动对接衬底环形结构的内侧边，镜面支撑以转轴所在直线为轴自由转动；两组下驱动装置分别与镜面支撑上位于转轴所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体，各个下驱动本体均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体彼此结构相同，各个下驱动本体分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑上对应侧边的外侧，各下驱动本体中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体相对转轴所在直线呈轴对称；上驱动装置的组数与下驱动本体的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁、压电驱动装置、主轴、以及对接主轴其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁与主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置设置于驱动梁的上表面；各组上驱动装置分别与各下驱动本体一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁分别对接衬底环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错；镜面支撑的上表面设置镜面反射层，衬底上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体一一对应的电极，通过向各个电极供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置施加电压，且对应转轴所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁分别在对应压电驱动装置所接受施加电压下产生纵向位移；基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑以转轴所在直线为轴转动。作为本专利技术的一种优选技术方案：基于各组上驱动装置中驱动梁分别在对应压电驱动装置所接受施加电压下产生的纵向位移；所述对应转轴所在直线的两侧，单侧的下驱动装置与上驱动装置位于同一高度，两侧装置、以及所述镜面支撑三者分别位于不同高度，且镜面支撑位于三者的中间高度，位于最低高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置接收负电压，位于最高高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置接收正电压。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述各压电驱动装置的结构彼此相同，各压电驱动装置分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；所述各压电驱动装置中的电极层为指定金属材料。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述上驱动装置中驱动梁为直线型结构，驱动梁的中点位置通过连接件与对应主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁的两端分别对接所述衬底环形结构的内侧边。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述上驱动装置中驱动梁为U型结构，驱动梁的其中一端连接件与对应主轴上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，驱动梁的另一端对接所述衬底环形结构的内侧边。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述所有上驱动装置平均分布于、所述镜面支撑彼此相对的两侧，且分布于镜面支撑两侧的各上驱动装置、相对所述转轴所在直线为轴呈对称分布。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述各下驱动本体中各根梳齿均与其所连镜面支撑外侧边相垂直；所述各组上驱动装置中的各根梳齿、均与其所对接主轴的侧边相垂直。与上述相对应，本专利技术还要解决的技术问题是提供一种针对双向驱动微镜芯片的制造方法，采用新设计工艺，获得上中下三层梳齿结构，使得被驱动对象在双向驱动力下，获得完全对称的受力，由此获得更加优良的微镜扫描效果。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种针对双向驱动微镜芯片的制造方法，针对SOI硅片执行如下步骤，实现所述微镜芯片的制造；步骤A.针对SOI硅片中顶硅层的上表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层，然后进入步骤B；步骤B.针对SOI硅片中顶硅层的氧化层上表面，右下至上依次生长指定金属层、PZT层、指定金属层，并图形化刻蚀获得各个压电驱动装置，即PZT层构成各压电驱动装置的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，然后进入步骤C；步骤C.针对SOI硅片中顶硅层上表面、非压电驱动装置设置区，淀积预设厚度的Au层，并图形化获得镜面反射层、以及各个电极，然后进入步骤D；步骤D.针对SOI硅片，由底硅层向上，基于图像化刻蚀至顶硅层下表面，形成空腔，然后进入步骤E；步骤E.针对SOI硅片中顶硅层进行刻蚀，获得下驱动装置和上驱动装置之间的梳齿结构。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤D中，针对SOI硅片，由底硅层向上，基于图像化，应用干法刻蚀、湿法刻蚀、或者干法湿法混合刻蚀中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：包括衬底（1）、镜面支撑（2）、转轴（3）、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底（1）为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底（1）的各部位共面；镜面支撑（2）上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴（3）、活动对接衬底（1）环形结构的内侧边，镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴自由转动；/n两组下驱动装置分别与镜面支撑（2）上位于转轴（3）所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体（4），各个下驱动本体（4）均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体（4）彼此结构相同，各个下驱动本体（4）分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体（4）中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑（2）上对应侧边的外侧，各下驱动本体（4）中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体（4）中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑（2）所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体（4）相对转轴（3）所在直线呈轴对称；/n上驱动装置的组数与下驱动本体（4）的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁（5）、压电驱动装置（6）、主轴（7）、以及对接主轴（7）其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁（5）与主轴（7）上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴（7）与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置（6）设置于驱动梁（5）的上表面；/n各组上驱动装置分别与各下驱动本体（4）一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别对接衬底（1）环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体（4）中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底（1）所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错；/n镜面支撑（2）的上表面设置镜面反射层（8），衬底（1）上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体（4）一一对应的电极（9），通过向各个电极（9）供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置（6）施加电压，且对应转轴（3）所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别在对应压电驱动装置（6）所接受施加电压下产生纵向位移；基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴转动。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：包括衬底（1）、镜面支撑（2）、转轴（3）、两组下驱动装置和至少两组上驱动装置，其中，衬底（1）为SOI硅片材料制成的环形结构，且衬底（1）的各部位共面；镜面支撑（2）上彼此相对的两侧边位置分别通过转轴（3）、活动对接衬底（1）环形结构的内侧边，镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴自由转动；
两组下驱动装置分别与镜面支撑（2）上位于转轴（3）所在直线两侧、且彼此相对的两侧边一一对应，两组下驱动装置彼此结构相同，各组下驱动装置分别均包括至少一个下驱动本体（4），各个下驱动本体（4）均为SOI硅片材料制成，各个下驱动本体（4）彼此结构相同，各个下驱动本体（4）分别均包括至少一根梳齿；各组下驱动装置中，各下驱动本体（4）中各根梳齿的其中一端分别对接镜面支撑（2）上对应侧边的外侧，各下驱动本体（4）中各梳齿彼此相平行、以及相邻梳齿之间等间距，且各下驱动本体（4）中各根梳齿彼此共面，以及该共面与镜面支撑（2）所在面相共面；两组下驱动装置中的各下驱动本体（4）相对转轴（3）所在直线呈轴对称；
上驱动装置的组数与下驱动本体（4）的数目相等，各组上驱动装置的结构彼此相同，各组上驱动装置分别均包括驱动梁（5）、压电驱动装置（6）、主轴（7）、以及对接主轴（7）其中一侧的各根梳齿，各组上驱动装置中，驱动梁（5）与主轴（7）上相对所连各根梳齿的另一侧相连接，各梳齿彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距，主轴（7）与其所连各梳齿相共面，压电驱动装置（6）设置于驱动梁（5）的上表面；
各组上驱动装置分别与各下驱动本体（4）一一对应，各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别对接衬底（1）环形结构的内侧边，且各组上驱动装置中各根梳齿的位置与对应下驱动本体（4）中各根梳齿的位置彼此相对应，以及在垂直于衬底（1）所在面的方向上，各组上驱动装置中各根梳齿的投影、分别与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿的投影彼此平行、且彼此相互交错；
镜面支撑（2）的上表面设置镜面反射层（8），衬底（1）上表面设置分别与各组上驱动装置、各个下驱动本体（4）一一对应的电极（9），通过向各个电极（9）供电，分别向各根梳齿进行供电、以及分别向对应各组上驱动装置中压电驱动装置（6）施加电压，且对应转轴（3）所在直线的两侧，同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性相同，以及不同侧针对压电驱动装置（6）施加电压的极性彼此相反；各组上驱动装置中的驱动梁（5）分别在对应压电驱动装置（6）所接受施加电压下产生纵向位移；基于向各根梳齿的供电，各组上驱动装置中各根梳齿与对应位置下驱动本体（4）中各根梳齿之间产生静电力，共同驱动镜面支撑（2）以转轴（3）所在直线为轴转动。


2.根据权利要求1所述一种双向驱动微镜芯片，其特征在于：基于各组上驱动装置中驱动梁（5）分别在对应压电驱动装置（6）所接受施加电压下产生的纵向位移；所述对应转轴（3）所在直线的两侧，单侧的下驱动装置与上驱动装置位于同一高度，两侧装置、以及所述镜面支撑（2）三者分别位于不同高度，且镜面支撑（2）位于三者的中间高度，位于最低高度位置的各上驱动装置中的压电驱动装置（6）接收负电压，位于最高高度位置的各上驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈巧，
申请(专利权)人：苏州知芯传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32