一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法，包括：FPCB、粘贴在FPCB正面的硅层以及设置在FPCB两侧的外部磁铁；FPCB包括中间座、聚酰亚胺扭转梁和外部的聚酰亚胺加强框，中间座的正面和背面设有铜线圈；制备方法包括：将硅晶片的金属镀层侧朝下，附着在承载晶片；将FPCB的正面朝下，粘贴在硅晶片的非金属镀层侧；以FPCB为掩膜、金属镀层为停止层，一步蚀刻硅晶片，得到高谐振频率的大孔径振镜。本发明专利技术简单的制造过程和0.1毫米分辨率的FPCB光刻技术导致成本非常低致几美元；嵌入FPCB结构中的铜线圈在大孔径镜板的背面，会产生大的驱动力，考虑到大孔径和高厚度而获得相对较高的谐振频率。

【技术实现步骤摘要】
一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法
本专利技术涉及振镜
，具体涉及一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法。
技术介绍
许多微机电系统(MEMS)设备已成功开发，例如微加速度计、微压力传感器、麦克风和数字微镜设备(DMD)；由于其体积小，性能高且成本低。MEMS制造技术是一种微米分辨率的光刻工艺，包括生成光掩模，掩模对准，沉积和蚀刻等步骤，这既复杂又昂贵。但是可以通过批量生产来实现低单位成本，即通过在同一硅晶片上进行相同系列的处理步骤同时来制造数百或数千个器件。MEMS微镜通常具有10sμm～1mm的孔径，以获得较低的单位成本。当孔径尺寸变得很大时，例如≥10mm，由于单位成本与孔径尺寸的平方成反比，所以低的单位成本优势就消失了。MEMS微镜具有大孔径的另一个限制因素在于镜面厚度薄(1s～10sμm)，这使得大孔径镜的表面平整度变差。可以在释放的MEMS驱动器的上粘合一个外部厚镜片，以获得具有良好平坦度的大孔径微镜。然而将镜片粘合在易损坏的MEMS驱动器上是非常具有挑战性的，这导致了高成本。近年来大孔径振镜在扫描LiDAR应用中越来越受到关注，这主要针对自动驾驶汽车市场。MEMS振镜可以替代LiDAR中基于传统旋转电机的扫描机制，从而实现更高的扫描频率、更轻巧、更紧凑的结构、更高的可靠性以及明显更低的成本。最近在LiDAR中使用了一些大孔径MEMS振镜(孔径为3～5mm)，显示出了可喜的结果。扫描LiDAR非常需要孔径较大的振镜，例如>10mm，因为：1)在同轴LiDAR中，孔径较大的反射镜可承受更高功率的激光并收集更多的扩散反射光功率，从而有更高的功率信噪比(SNR)和更远的测量距离；2)在双轴LiDAR中，需要使用大孔径镜来覆盖发射和接收透镜。迄今为止，在商用LiDAR开发中使用的最大MEMS反射镜孔径距为Blickfeld的10×10mm，其详细设计未被披露。MirrorcleTechnologiesInc展示了一些大孔径MEMS微镜，通过在释放的微驱动器上粘合单独的镜片，将镜片的尺寸扩展至直径6.4mm甚至7.5mm，这导致高成本。此外机械旋转角分别减小到±2.5°和±1.0°。一种用于自由空间光通信的电热MEMS微镜，达到10mm×10mm孔径尺寸和10°光学扫描角。两个MEMS镜均具有较大的孔径尺寸，但旋转角度有限。Fraunhofer研究所开发了14个反射镜阵列，以实现总334mm2的孔径尺寸和60°的光学扫描范围。但是必须同步所有14个微镜以具有相同的相位和幅度。柔性印刷电路板(FPCB)微镜技术可以用来制造低成本和大孔径振镜，并已用于低速自动导引车(AGV)的单行扫描LiDAR。但是FPCB振镜无法达到较高的频率，例如200Hz～1kHz，这对于在高速和高振动环境(例如道路车辆)中使用的LiDAR来说是必需的，以使其具有抗振性并获得更多的扫描线在自动驾驶汽车的3DLiDAR中。基于阻燃剂材料(FR4)PCB的电磁振镜使用FR4材料作为低成本的大口径镜的基板。但是它也是一种具有约20Mpa的低杨氏模量的柔软材料，因此不适合用于高谐振频率振镜。文献“L.Ye,G.Zhang,andZ.You,“Large-aperturekHzoperatingfrequencyti-alloybasedopticalmicroscanningmirrorforlidarApplication,”Micromachines,vol.8,no.4,2017,doi:10.3390/mi8040120”中提出了一个大孔径振镜，该振镜使用钛合金作为衬底，并使用额外粘合线圈和SiO2镜片。由于Ti合金材料的密度是硅的两倍，而杨氏模量则要低30％，需要3至4倍的电流才能产生大的洛伦兹力达到与硅基镜相同频率和旋转角度。此外，中的设计更加昂贵，因为必须使用电火花制造方法来一一制造。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述不足，本专利技术提供一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法。本专利技术公开了一种高谐振频率的大孔径振镜，包括：FPCB、粘贴在FPCB正面的硅层以及设置在FPCB两侧的外部磁铁；所述FPCB包括中间座和外部的聚酰亚胺加强框，所述中间座与聚酰亚胺加强框通过聚酰亚胺扭转梁相连，所述中间座的正面和背面设有顶层铜线圈和底层铜线圈。作为本专利技术的进一步改进，所述中间座、聚酰亚胺加强框、聚酰亚胺扭转梁为一体式柔性结构，所述柔性结构由上下相粘贴的聚酰亚胺加强层和聚酰亚胺基层组成。作为本专利技术的进一步改进，所述顶层铜线圈或底层铜线圈外设有聚酰亚胺覆盖层。作为本专利技术的进一步改进，所述硅层的厚度为50～200μm，所述硅层的一侧与所述FPCB相粘贴、另一侧设有金属镀层。作为本专利技术的进一步改进，所述FPCB的铜线圈中通入电流，在所述外部磁铁磁场的作用下，产生驱动振镜振动的洛伦兹力。本专利技术还公开了一种高谐振频率的大孔径振镜的制备方法，包括：在硅晶片的正面设有金属镀层；将硅晶片的金属镀层侧朝下，附着在承载晶片；将FPCB的正面朝下，粘贴在硅晶片的非金属镀层侧；以FPCB为掩膜、金属镀层为停止层，一步蚀刻硅晶片，得到高谐振频率的大孔径振镜。作为本专利技术的进一步改进，所述承载晶片的厚度为500μm，所述硅晶片与承载晶片之间设有附着油。作为本专利技术的进一步改进，所述蚀刻方法为DRIE蚀刻。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术将FPCB结构贴合在有金属镀膜的薄硅晶片上，并使用FPCB结构作为掩模，以金属镀膜为停止层，通过一步蚀刻硅晶片。简单的制造过程和0.1毫米(而不是微加工所需的<1μm)分辨率的FPCB光刻技术导致成本非常低致几美元。嵌入FPCB结构中的铜线圈在大孔径镜板的背面，而不是像MEMS磁振镜中那样安装在镜板旁边，会产生大的驱动力，考虑到大孔径和高厚度而获得相对较高的谐振频率。附图说明图1为本专利技术一种实施例公开的高谐振频率的大孔径振镜的结构示意图；图2为本专利技术一种实施例公开的高谐振频率的大孔径振镜的分解图示意图；图3为本专利技术一种实施例公开的高谐振频率的大孔径振镜的正面结构示意图；图4为本专利技术一种实施例公开的高谐振频率的大孔径振镜的反面结构示意图；图5为本专利技术一种实施例公开的高谐振频率的大孔径振镜的制备方法的流程图；图6为本专利技术一种实施例公开的Mirror_A和Mirror_B的谐振模式仿真结果图；图中：10、FPCB；11、聚酰亚胺加强层；12、顶层铜线圈；13、聚酰亚胺基层；14、底层铜线圈；15、双面胶层；16、中间座；17、聚酰亚胺扭转梁；20、硅层；21、硅镜面；30、硅晶片；40、承载晶片；50、外部磁铁。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高谐振频率的大孔径振镜，其特征在于，包括：FPCB、粘贴在FPCB正面的硅层以及设置在FPCB两侧的外部磁铁；/n所述FPCB包括中间座和外部的聚酰亚胺加强框，所述中间座与聚酰亚胺加强框通过聚酰亚胺扭转梁相连，所述中间座的正面和背面设有顶层铜线圈和底层铜线圈。/n

【技术特征摘要】
1.一种高谐振频率的大孔径振镜，其特征在于，包括：FPCB、粘贴在FPCB正面的硅层以及设置在FPCB两侧的外部磁铁；
所述FPCB包括中间座和外部的聚酰亚胺加强框，所述中间座与聚酰亚胺加强框通过聚酰亚胺扭转梁相连，所述中间座的正面和背面设有顶层铜线圈和底层铜线圈。


2.如权利要求1所述的大孔径振镜，其特征在于，所述中间座、聚酰亚胺加强框、聚酰亚胺扭转梁为一体式柔性结构，所述柔性结构由上下相粘贴的聚酰亚胺加强层和聚酰亚胺基层组成。


3.如权利要求2所述的大孔径振镜，其特征在于，所述顶层铜线圈或底层铜线圈外设有聚酰亚胺覆盖层。


4.如权利要求1所述的大孔径振镜，其特征在于，所述硅层的厚度为50～200μm，所述硅层的一侧与所述FPCB相粘贴、另一侧设有金属镀层...

【专利技术属性】
技术研发人员：左辉，贺思源，
申请(专利权)人：贺思源，左辉，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA