一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜制造技术

本发明专利技术涉及微纳光学器件领域，具体涉及一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，包括基座，基座上表面设置有第一绝缘层，第一绝缘层的上表面设置有第一固定层，第一固定层的上表面设置有第二绝缘层，第二绝缘层的上表面设置有反射元件层，反射元件层的上表面设置有第三绝缘层，第三绝缘层的上表面设置有第二固定层，第二固定层的上表面设置有第四绝缘层，第四绝缘层上设置有焊盘。本方案微镜中集成了角度传感器，结构紧凑、功耗低、工艺兼容性高；结构同时具备竖直和平面对称性，驱动可靠易行，检测信噪比高，显著降低了检测信号处理电路的复杂度；可适用于从低频到高频的应用需求。

A micromirror with fully symmetrical differential capacitance angle feedback

【技术实现步骤摘要】
一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜
本专利技术涉及微纳光学器件领域，具体涉及一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜。
技术介绍
微镜是一类可以有效实现光路调控的微纳芯片，广泛应用于投影、成像、激光导航等领域。目前应用最多的微镜包括静电式、电磁式、压电式以及电热式等几种。目前应用的微镜中一大部分采用无角度反馈的开环控制方式，该种微镜存在的一个严重不足是缺乏有效的角度反馈，造成微镜控制不精确的问题，从而导致投影和成像漂移、导航偏差等问题。现有部分微镜采用了一定的角度反馈，但仍然存在较多问题。目前应用的微镜，一种角度反馈的方式是在微镜之外设置角度检测装置，用来测量微镜的转角，可以在一定程度上实现微镜的角度反馈。例如专利号为ZL200410085274.1的专利公开了一种采用光学组件进行角度测量的微镜方案。但这种方法检测装置需要将激光光源、光路、位置传感器等部件加入微镜模组，极大增加了微镜模组的体积、功耗以及系统复杂程度。更重要的是，这种检测方式由于安装误差等因素，难以实现精准的角度反馈，并且各个微镜模组一致性差。也有采用集成在微镜中的角度传感器进行角度检测的方案，例如申请公布号为CN109814251A的公开专利设计了一种电热驱动，采用平板电容检测的微镜。该方案在基底上设置电容片，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈。该方案减少了微镜模组中的光路和位置传感器的部件，一定程度上降低了微镜模组的复杂度。然而该方案采用平板电极元件作为角度反馈电容，该反馈电容输出与微镜转角之间是非线性关系，对应关系复杂，输出转换速度慢，非线性关系求解舍去误差大，平板电极电容小，输出信号微弱，对处理电路要求高，信噪比低。该方案采用电热驱动方式，微镜工作频率低，难以适用于高频扫描。论文“APiezoelectricallyActuatedScaningMicromirrorIntegratedwithAngleSensors”(KeyEngineeringMaterials2011，483:437-442)中揭示了一种集成了压电角度传感器的压电驱动式微镜。然而压电驱动以及压电传感器采用PZT材料，工艺兼容性差，加工难度大，易对芯片生产线产生污染。同时，压电传感器对处理电路输入阻抗要求极高，电路复杂，成本高。压电式传感器在低频下性能差，难以适用于微镜的低频扫描。对比文件4-CN107976871A-一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构及其加工方法，公开了一种微镜梳齿加工方法和相应的梳齿结构静电驱动微镜，可以实现集成的微镜角度检测，但该方案中驱动结构不具备对称性，因此静电驱动控制难度大，容易造成控制精度低；更为重要的是检测结构不具备对称性，无法实现完全差分的检测输出，检测信号信噪比低，灵敏度低，对处理电路要求高，不利于控制精度的提高。同时，该文件提出的微镜梳齿结构加工方法需要在刻蚀深槽结构之后进行光刻，即需要在深槽结构表面进行高质量匀胶，并且保证胶层完整等厚覆盖，这在工艺上极难实现。综上所述，无反馈的微镜控制精度差，而现有带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频、无法实现静态扫描以及工艺兼容性差等问题。
技术实现思路
针对现有无反馈的微镜控制精度差，带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题，本专利技术提供一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜。本专利技术的实现过程如下：一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，包括基座，所述基座上表面设置有第一绝缘层，所述第一绝缘层的上表面设置有第一固定层，所述第一固定层的上表面设置有第二绝缘层，所述第二绝缘层的上表面设置有反射元件层，所述反射元件层的上表面设置有第三绝缘层，所述第三绝缘层的上表面设置有第二固定层，所述第二固定层的上表面设置有第四绝缘层，所述第四绝缘层上设置有焊盘。进一步，所述基座是四周边框围成的中空框状结构，所述第一绝缘层、第一固定层、第二绝缘层、反射元件层、第三绝缘层、第二固定层、第四绝缘层均按次序在基座的中空框状结构上叠加固定。进一步，所述第一绝缘层、第二绝缘层、反射元件层、第三绝缘层、第四绝缘层均为平面结构；第一固定层和第二固定层为阶梯状结构。进一步，所述第一绝缘层由设置在基座的中空框状结构四周上表面的多块绝缘薄层构成；所述第一固定层包括第一外围固定结构、第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一固定驱动元件和第二固定驱动元件；所述第一外围固定结构的轴向两端内侧设置有第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容；所述第一外围固定结构的径向两端内侧设置有第一固定驱动元件和第二固定驱动元件；所述第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一固定驱动元件和第二固定驱动元件均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第一外围固定结构连接；所述梳齿部位下表面与所述第一外围固定结构下表面平齐，所述梳齿部位上表面超出所述第一外围固定结构上表面形成阶梯状结构；第一外围固定结构与第一绝缘层连接。进一步，所述第二绝缘层由设置在第一外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成；所述反射元件层包括反射镜外围固定结构、镜体、第一转动电容、第二转动电容、第三转动电容、第四转动电容、第一转动驱动元件和第二转动驱动元件；所述第一转动电容、第二转动电容、第三转动电容、第四转动电容、第一转动驱动元件和第二转动驱动元件均为悬空的梳齿结构；所述镜体的轴向两侧边通过第一转轴、第二转轴与反射镜外围固定结构轴向两侧边内侧连接，所述镜体的径向两侧边分别与第一转动驱动元件、第二转动驱动元件的梳齿根部连接，所述第一转轴两侧边分别与第一转动电容、第二转动电容的梳齿根部连接，所述第二转轴两侧边分别与第三转动电容、第四转动电容的梳齿根部连接，所述反射镜外围固定结构与第二绝缘层连接。进一步，所述第三绝缘层由设置在反射镜外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成；所述第二固定层包括第二外围固定结构、第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容、第三固定驱动元件和第四固定驱动元件；第二外围固定结构的轴向两端内侧设置有第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容；第二外围固定结构的径向两端内侧设置有第三固定驱动元件和第四固定驱动元件；所述第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容、第三固定驱动元件和第四固定驱动元件均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第二外围固定结构连接；所述梳齿部位上表面与所述第二外围固定结构上表面平齐，所述梳齿部位下表面超出所述第二外围固定结构下表面形成阶梯状结构；第二外围固定结构与第三绝缘层连接；所述第四绝缘层由设置在第二外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成。进一步，所述第一固定驱动元件、第一转动驱动元件以及第三固定驱动元件构成一组梳齿驱动电容；第二固定驱动元件、第二转动驱动元件以及第四固定驱动元件构成一组梳齿驱动电容；所述第一固定电容与第一转动电容构成一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：包括基座(1)，所述基座(1)上表面设置有第一绝缘层(2)，所述第一绝缘层(2)的上表面设置有第一固定层(3)，所述第一固定层(3)的上表面设置有第二绝缘层(4)，所述第二绝缘层(4)的上表面设置有反射元件层(5)，所述反射元件层(5)的上表面设置有第三绝缘层(6)，所述第三绝缘层(6)的上表面设置有第二固定层(7)，所述第二固定层(7)的上表面设置有第四绝缘层(8)，所述第四绝缘层(8)上设置有焊盘(9)。/n

【技术特征摘要】
1.一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：包括基座(1)，所述基座(1)上表面设置有第一绝缘层(2)，所述第一绝缘层(2)的上表面设置有第一固定层(3)，所述第一固定层(3)的上表面设置有第二绝缘层(4)，所述第二绝缘层(4)的上表面设置有反射元件层(5)，所述反射元件层(5)的上表面设置有第三绝缘层(6)，所述第三绝缘层(6)的上表面设置有第二固定层(7)，所述第二固定层(7)的上表面设置有第四绝缘层(8)，所述第四绝缘层(8)上设置有焊盘(9)。


2.根据权利要求1所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述基座(1)是四周边框围成的中空框状结构，所述第一绝缘层(2)、第一固定层(3)、第二绝缘层(4)、反射元件层(5)、第三绝缘层(6)、第二固定层(7)、第四绝缘层(8)均按次序在基座(1)的中空框状结构上叠加固定。


3.根据权利要求1所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述第一绝缘层(2)、第二绝缘层(4)、反射元件层(5)、第三绝缘层(6)、第四绝缘层(8)均为平面结构；第一固定层(3)和第二固定层(7)为阶梯状结构。


4.根据权利要求3所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述第一绝缘层(2)由设置在基座(1)的中空框状结构四周上表面的多块绝缘薄层构成；所述第一固定层(3)包括第一外围固定结构(31)、第一固定电容(301)、第二固定电容(302)、第三固定电容(303)、第四固定电容(304)、第一固定驱动元件(311)和第二固定驱动元件(312)；所述第一外围固定结构(31)的轴向两端内侧设置有第一固定电容(301)、第二固定电容(302)、第三固定电容(303)、第四固定电容(304)；所述第一外围固定结构(31)的径向两端内侧设置有第一固定驱动元件(311)和第二固定驱动元件(312)；所述第一固定电容(301)、第二固定电容(302)、第三固定电容(303)、第四固定电容(304)、第一固定驱动元件(311)和第二固定驱动元件(312)均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第一外围固定结构(31)连接；所述梳齿部位下表面与所述第一外围固定结构(31)下表面平齐，所述梳齿部位上表面超出所述第一外围固定结构(31)上表面形成阶梯状结构；第一外围固定结构(31)与第一绝缘层(2)连接。


5.根据权利要求4所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述第二绝缘层(4)由设置在第一外围固定结构(31)上表面的多块绝缘薄层构成；所述反射元件层(5)包括反射镜外围固定结构(51)、镜体(530)、第一转动电容(501)、第二转动电容(502)、第三转动电容(503)、第四转动电容(504)、第一转动驱动元件(511)和第二转动驱动元件(512)；所述第一转动电容(501)、第二转动电容(502)、第三转动电容(503)、第四转动电容(504)、第一转动驱动元件(511)和第二转动驱动元件(512)均为悬空的梳齿结构；所述镜体(530)的轴向两侧边通过第一转轴(521)、第二转轴(522)与反射镜外围固定结构(51)轴向两侧边内侧连接，所述镜体(530)的径向两侧边分别与第一转动驱动元件(511)、第二转动驱动元件(512)的梳齿根部连接，所述第一转轴(521)两侧边分别与第一转动电容(501)、第二转动电容(502)的梳齿根部连接，所述第二转轴(522)两侧边分别与第三转动电容(503)、第四转动电容(504)的梳齿根部连接，所述反射镜外围固定结构(51)与第二绝缘层(4)连接。


6.根据权利要求5所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述第三绝缘层(6)由设置在反射镜外围固定结构(51)上表面的多块绝缘薄层构成；所述第二固定层(7)包括第二外围固定结构(71)、第五固定电容(705)、第六固定电容(706)、第七固定电容(707)、第八固定电容(708)、第三固定驱动元件(713)和第四固定驱动元件(714)；第二外围固定结构(71)的轴向两端内侧设置有第五固定电容(705)、第六固定电容(706)、第七固定电容(707)、第八固定电容(708)；第二外围固定结构(71)的径向两端内侧设置有第三固定驱动元件(713)和第四固定驱动元件(714)；所述第五固定电容(705)、第六固定电容(706)、第七固定电容(707)、第八固定电容(708)、第三固定驱动元件(713)和第四固定驱动元件(714)均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第二外围固定结构(71)连接；所述梳齿部位上表面与所述第二外围固定结构(71)上表面平齐，所述梳齿部位下表面超出所述第二外围固定结构(71)下表面形成阶梯状结构；第二外围固定结构(71)与第三绝缘层(6)连接；所述第四绝缘层(8)由设置在第二外围固定结构(71)上表面的多块绝缘薄层构成。


7.根据权利要求6所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述第一固定驱动元件(311)、第一转动驱动元件(511)以及第三固定驱动元件(713)构成一组梳齿驱动电容；第二固定驱动元件(312)、第二转动驱动元件(512)以及第四固定驱动元件(714)构成一组梳齿驱动电容；所述第一固定电容(301)与第一转动电容(501)构成一组梳齿检测电容，第五固定电容(705)与第一转动电容(501)构成一组梳齿检测电容；第二固定电容(302)与第二转动电容(502)构成一组梳齿检测电容，第六固定电容(706)与第二转动电容(502)构成一组梳齿检测电容；第三固定电容(303)与第三转动电容(503)构成一组梳齿检测电容，第七固定电容(707)与第三转动电容(503)构成一组梳齿检测电容；第四固定电容(304)与第四转动电容(504)构成一组梳齿检测电容，第八固定电容(708)与第四转动电容(504)构成一组梳齿检测电容；梳齿驱动电容组为对称结构设置；梳齿检测电容组为对称结构设置。


8.根据权利要求2至6任意之一所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述基座(1)与第一绝缘层(2)之间、第一绝缘层(2)与第一固定层(3)之间、第一固定层(3)与第二绝缘层(4)之间、第二绝缘层(4)与反射元件层(5)之间、反射元件层(5)与第三绝缘层(6)之间、第三绝缘层(6)与第二固定层(7)之间、第二固定层(7)与第四绝缘层(8)之间均为键合方式连接；所述基座(1)可以为圆形、椭圆形、菱形、长方形或正方形的中空框状结构。


9.根据权利要求1所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，其特征在于：所述基座(1)、第一固定层(3)、第二固定层(7)的材质选自单晶硅、多晶硅或非晶硅中任意一种；所述反射元件层(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欢欢，白民宇，郭迪，李晓晓，马力，彭磊，
申请(专利权)人：西安知象光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61