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一种具有大镜面的MEMS转镜结构发明专利

更新时间:2024-07-01
一种具有大镜面的MEMS转镜结构发明专利 专利申请类型:发明专利;
地区:安徽-蚌埠;
源自:蚌埠高价值专利检索信息库;

专利名称:一种具有大镜面的MEMS转镜结构

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202010402584.0

专利申请(专利权)人:安徽中科米微电子技术有限公司
权利人地址:安徽省蚌埠市禹会区冠宜大厦2号楼三层

专利发明(设计)人:徐静,李伟

专利摘要:本发明提供一种具有大镜面的MEMS转镜结构,包括:扭转台面;转轴,对称设于所述扭转台面的相对两侧;反射镜面,通过镜面支撑体设于所述扭转台面的上方;平衡质量块,设于所述扭转台面的下方。通过本发明解决了现有伞状转镜结构存在抗振可靠性的问题。

主权利要求:
1.一种具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,包括:
扭转台面;
转轴,对称设于所述扭转台面的相对两侧;
反射镜面,通过镜面支撑体设于所述扭转台面的上方;
平衡质量块,设于所述扭转台面的下方;
还包括:具有转动空间的框架及转动限位槽,其中,所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体部分容置于所述转动空间中,所述转动限位槽设于所述框架的底部且与所述转动空间连通,并容置部分所述平衡质量块;
其中,所述MEMS转镜结构包括静电驱动型的单轴转镜结构或静电驱动型的双轴转镜结构;
在所述MEMS转镜结构为单轴转镜结构时,所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体通过所述转轴安装于所述框架上;所述MEMS转镜结构还包括:下梳齿,设于所述框架与所述转轴平行的两个内边缘;上梳齿,设于所述扭转台面边缘且与所述下梳齿对应设置;若干引线焊盘,设于所述框架上且与所述下梳齿和所述上梳齿对应电连接;
在所述MEMS转镜结构为双轴转镜结构时,所述框架包括外框架及通过外转轴安装于所述外框架上的内框架,所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体通过所述转轴安装于所述内框架上,所述转轴与所述外转轴垂直设置;所述MEMS转镜结构还包括:位于内侧的下梳齿,设于所述内框架与所述转轴平行的两个内边缘;位于内侧的上梳齿,设于所述扭转台面边缘且与位于内侧的下梳齿对应设置;位于外侧的下梳齿,设于所述外框架与所述外转轴平行的两个内边缘;位于外侧的上梳齿,设于所述内框架的外边缘且与位于外侧的下梳齿对应设置;若干引线焊盘,设于所述外框架上且与位于内侧的下梳齿、位于内侧的上梳齿、位于外侧的下梳齿及位于外侧的上梳齿对应电连接。
2.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述反射镜面和所述镜面支撑体所组结构的质量与所述反射镜面和所述镜面支撑体所组结构的质心到转轴所在平面的距离的乘积等于所述平衡质量块的质量与所述平衡质量块的质心到转轴所在平面的距离的乘积。
3.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述扭转台面、所述转轴及所述上梳齿的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度。
4.根据权利要求3所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。
5.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述扭转台面、所述转轴及所述下梳齿的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。
6.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述扭转台面的厚度、所述转轴的厚度、所述上梳齿和所述下梳齿的总厚度相同,所述上梳齿和所述下梳齿所在层与所述扭转台面及所述转轴位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。
7.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述扭转台面的厚度、所述转轴的厚度、所述上梳齿和所述下梳齿的总厚度相同,所述上梳齿和所述下梳齿所在层与所述扭转台面及所述转轴位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间存在交叠厚度。
8.根据权利要求1所述的具有大镜面的MEMS转镜结构,其特征在于,所述镜面支撑体的形状包括:实心圆柱状、空心圆柱状、实心方柱状或空心方柱状。 说明书 : 一种具有大镜面的MEMS转镜结构技术领域[0001] 本发明涉及MEMS转镜,特别是涉及一种具有大镜面的MEMS转镜结构。背景技术[0002] MEMS转镜的主要应用有三个方面:数字显示、光通信和激光扫描,数字显示采用的是镜面尺寸为几十微米的微镜组成的阵列,光通信采用的是镜面尺寸为几百微米至1.5mm的微镜或阵列,而激光扫描因为分辨率的要求,通常需要的镜面尺寸更大,为1~10mm,机械转角范围要求也更大,为±1~±50度,并且要求兼容准静态和谐振两种方式工作。[0003] 在目前MEMS微镜驱动器技术中,静电驱动比较成熟,其中垂直梳齿驱动由于具有较大的力密度,在MEMS微镜结构中得到了广泛应用。成熟的垂直梳齿驱动MEMS转镜结构中,镜面101’、转轴102’和垂直梳齿驱动器中的上梳齿104’、下梳齿103’或上下梳齿位于同一硅层,上、下梳齿分布于镜面101’的外围区域(如图1所示)。[0004] 然而,随着镜面尺寸和转角要求的增加,上述结构必定导致芯片面积大幅增加。MirrorcleTech公司采用了一种基于杠杆放大原理的无框架结构,将大镜面像雨伞一样通过杠杆105’键合固定在驱动器中心上方,部分驱动器可以分布于镜面101’下方,节约了整个芯片空间(如图2所示)。这种伞状转镜结构为大镜面转镜的发展启发了思路,但这种结构存在着明显的抗振可靠性问题。发明内容[0005] 鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种具有大镜面的MEMS转镜结构,用于解决现有伞状转镜结构存在抗振可靠性的问题。[0006] 为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种具有大镜面的MEMS转镜结构,包括:[0007] 扭转台面;[0008] 转轴,对称设于所述扭转台面的相对两侧;[0009] 反射镜面,通过镜面支撑体设于所述扭转台面的上方;[0010] 平衡质量块,设于所述扭转台面的下方。[0011] 可选地,所述反射镜面和所述镜面支撑体所组结构的质量与所述反射镜面和所述镜面支撑体所组结构的质心到转轴所在平面的距离的乘积等于所述平衡质量块的质量与所述平衡质量块的质心到转轴所在平面的距离的乘积。[0012] 可选地,所述MEMS转镜结构包括单轴转镜结构或双轴转镜结构。[0013] 可选地,在所述MEMS转镜结构为单轴转镜结构时,还包括:[0014] 具有转动空间的框架,其中,所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体通过所述转轴安装于所述框架上且部分容置于所述转动空间中;[0015] 下梳齿,设于所述框架与所述转轴平行的两个内边缘;[0016] 上梳齿,设于所述扭转台面边缘且与所述下梳齿对应设置;[0017] 若干引线焊盘,设于所述框架上且与所述下梳齿和所述上梳齿对应电连接。[0018] 可选地,在所述MEMS转镜结构为双轴转镜结构时,还包括:[0019] 具有转动空间的框架,所述框架包括外框架及通过外转轴安装于所述外框架上的内框架;其中,所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体通过所述转轴安装于所述内框架上且部分容置于所述转动空间中,所述转轴与所述外转轴垂直设置;[0020] 位于内侧的下梳齿,设于所述内框架与所述转轴平行的两个内边缘;[0021] 位于内侧的上梳齿,设于所述扭转台面边缘且与位于内侧的下梳齿对应设置;[0022] 位于外侧的下梳齿,设于所述外框架与所述外转轴平行的两个内边缘;[0023] 位于外侧的上梳齿,设于所述内框架的外边缘且与位于外侧的下梳齿对应设置;[0024] 若干引线焊盘,设于所述外框架上且与位于内侧的下梳齿、位于内侧的上梳齿、位于外侧的下梳齿及位于外侧的上梳齿对应电连接。[0025] 可选地,所述MEMS转镜结构还包括:容置部分所述平衡质量块的转动限位槽,设于所述框架的底部且与所述转动空间连通。[0026] 可选地,所述扭转台面、所述转轴及所述上梳齿的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度。[0027] 可选地,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。[0028] 可选地,所述扭转台面、所述转轴及所述下梳齿的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。[0029] 可选地,所述扭转台面的厚度、所述转轴的厚度、所述上梳齿和所述下梳齿的总厚度相同,所述上梳齿和所述下梳齿所在层与所述扭转台面及所述转轴位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间无交叠厚度,位于所述上梳齿和所述下梳齿之间的所述框架中设有绝缘隔离层。[0030] 可选地,所述扭转台面的厚度、所述转轴的厚度、所述上梳齿和所述下梳齿的总厚度相同,所述上梳齿和所述下梳齿所在层与所述扭转台面及所述转轴位于同一层,所述上梳齿和所述下梳齿之间存在交叠厚度。[0031] 可选地,所述镜面支撑体的形状包括:实心圆柱状、空心圆柱状、实心方柱状或空心方柱状。[0032] 如上所述,本发明的一种具有大镜面的MEMS转镜结构,通过在所述扭转台面相对于所述反射镜面所在表面的另一表面设置所述平衡质量块,以利用质量平衡原理将所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体的质心拉近转轴所在平面,甚至使该转动体的质心位于转轴所在平面上,来避免所述反射镜面在受到平行于镜面方向的加速度作用时,因来自镜面惯性力产生的扭矩而导致的转角变化,从而提高所述MEMS转镜结构的抗振性能。本发明所述MEMS转镜结构通过在背面形成转动限位槽,来对所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体进行转动角度限位,使所述转动体的转动角度在预设范围内,避免转动体的转动角度因外力或惯性力而大大超出预设范围,从而提高所述MEMS转镜结构的可靠性。附图说明[0033] 图1显示为现有垂直梳齿驱动的MEMS转镜结构的结构示意图。[0034] 图2显示为现有伞状转镜结构的结构示意图。[0035] 图3显示为本发明实施例一中所述单轴转镜结构的俯视图,其中未包括镜面支撑体及反射镜面。[0036] 图4显示为本发明实施例一中所述双轴转镜结构的俯视图,其中未包括镜面支撑体及反射镜面。[0037] 图5显示图4所述双轴转镜结构沿AA’方向的截面图,其中,包括镜面支撑体及反射镜面。[0038] 图6显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成上部平衡质量块、下梳齿及背面开口的结构示意图。[0039] 图7显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中两结构键合后的结构示意图。[0040] 图8显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中去除下氧化硅层及第二衬底层后的结构示意图。[0041] 图9显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成下部平衡质量块及转动空间的结构示意图。[0042] 图10显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成扭转台面、转轴、上梳齿及引线孔的结构示意图。[0043] 图11显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成平衡质量块及框架的结构示意图。[0044] 图12显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成引线焊盘的结构示意图,其中图12为图3所述单轴转镜结构沿AA’方向的截面图。[0045] 图13显示为本发明所述单轴转镜结构制作过程中形成镜面支撑体及反射镜面的结构示意图。[0046] 图14显示为图13所述单轴转镜结构中镜面支撑体的俯视图。[0047] 图15显示为所述单轴转镜结构中镜面支撑体的第二种俯视图。[0048] 图16显示为所述单轴转镜结构中镜面支撑体的第三种俯视图。[0049] 图17显示为所述单轴转镜结构中镜面支撑体的第四种俯视图。[0050] 图18显示为所述单轴转镜结构中镜面支撑体的第五种俯视图。[0051] 图19显示为所述单轴转镜结构中镜面支撑体的第六种俯视图。[0052] 图20显示为区别于图13所述单轴转镜结构的扭转台面、转轴、上梳齿及下梳齿的一种结构分布示意图。[0053] 图21显示为区别于图13所述单轴转镜结构的扭转台面、转轴、上梳齿及下梳齿的另一种结构分布示意图。[0054] 图22显示为区别于图13所述单轴转镜结构中扭转台面、转轴、上梳齿及下梳齿的另一种结构分布示意图。[0055] 图23显示为区别于图13所述单轴转镜结构中扭转台面、转轴、上梳齿及下梳齿的另一种结构分布示意图。[0056] 图24显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成上部平衡质量块和下梳齿的结构示意图。[0057] 图25显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成下部平衡质量块轮廓、预转动空间、预转动限位槽、上氧化硅层及下氧化硅层的结构示意图。[0058] 图26显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中两结构键合后的结构示意图。[0059] 图27显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中去除氧化硅保护层及衬底层的结构示意图。[0060] 图28显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成下部平衡质量块及转动限位槽的结构示意图。[0061] 图29显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成扭转台面、转轴、上梳齿及引线孔的结构示意图。[0062] 图30显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成平衡质量块及框架的结构示意图。[0063] 图31显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成引线焊盘的结构示意图。[0064] 图32显示为本发明实施例二所述具有转动限位槽的单轴转镜结构制作过程中形成镜面支撑体及反射镜面的结构示意图。[0065] 元件标号说明[0066] 101’ 镜面102’ 转轴[0067] 103’ 下梳齿104’ 上梳齿[0068] 105’ 杠杆[0069] 100单轴转镜结构[0070] 101第一SOI衬底101a第一衬底层[0071] 101b第一埋氧层101c第一器件层[0072] 102上部平衡质量块103下梳齿[0073] 104氧化硅蚀刻层105背面开口[0074] 106第二SOI衬底106a第二衬底层[0075] 106b第二埋氧层106c第二器件层[0076] 107上氧化硅层108下氧化硅层[0077] 109下部平衡质量块110转动空间[0078] 111扭转台面112转轴[0079] 113上梳齿114平衡质量块[0080] 115框架116引线焊盘[0081] 117镜面支撑体118反射镜面[0082] 118a原始镜面118b反射膜[0083] 200双轴转镜结构[0084] 201扭转台面202转轴[0085] 203反射镜面204镜面支撑体[0086] 205平衡质量块206转动空间[0087] 207框架207a外框架[0088] 207b内框架208外转轴[0089] 209位于内侧的下梳齿210位于内侧的上梳齿[0090] 211位于外侧的下梳齿212位于外侧的上梳齿[0091] 213引线焊盘[0092] 301双层SOI结构301a衬底层[0093] 301b第一埋氧层301c第一器件层[0094] 301d第二埋氧层301e第二器件层[0095] 302氧化硅保护层303上部平衡质量块[0096] 304下梳齿305双抛硅片[0097] 306下部平衡质量块轮廓307预转动空间[0098] 308预转动限位槽309上氧化硅层[0099] 310下氧化硅层311下部平衡质量块[0100] 312转动限位槽313扭转台面[0101] 314转轴315上梳齿[0102] 316平衡质量块317转动空间[0103] 318框架319引线焊盘[0104] 320镜面支撑体321反射镜面具体实施方式[0105] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。[0106] 请参阅图1至图32。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局形态也可能更为复杂。[0107] 实施例一[0108] 如图3、4、5和13所示,本实施例提供一种具有大镜面的MEMS转镜结构,包括:[0109] 扭转台面111(201);[0110] 转轴112(202),对称设于所述扭转台面111(201)的相对两侧;[0111] 反射镜面118(203),通过镜面支撑体117(204)设于所述扭转台面111(201)的上方;[0112] 平衡质量块114(205),设于所述扭转台面111(201)的下方。[0113] 本示例中,所述扭转台面111(201)、所述镜面支撑体117(204)、所述反射镜面118(203)及所述平衡质量块114(205)构成的转动体以垂直转轴112(202)所在平面的中轴线对称设置,同时所述扭转台面111(201)的中心与所述转轴112(202)的中心重合;本示例通过平衡质量块114(205)的设置,利用质量平衡原理将所述扭转台面111(201)、所述镜面支撑体117(204)、所述反射镜面118(203)及所述平衡质量块114(205)构成的转动体的质心拉近转轴112(202)所在平面,以此来避免所述反射镜面118(203)在受到平行于镜面方向的加速度作用时,因来自镜面惯性力产生的扭矩而导致的转角变化,从而提高所述MEMS转镜结构的抗振性能。[0114] 作为示例,所述反射镜面118(203)和所述镜面支撑体117(204)所组结构的质量与所述反射镜面118(203)和所述镜面支撑体117(204)所组结构的质心到转轴112(202)所在平面的距离的乘积等于所述平衡质量块114(205)的质量与所述平衡质量块114(205)的质心到转轴112(202)所在平面的距离的乘积,以使所述扭转台面111(201)、所述镜面支撑体117(204)、所述反射镜面118(203)及所述平衡质量块114(205)构成的转动体的质心位于转轴112(202)所在平面,从而进一步提高所述MEMS转镜结构的抗振性能,使其抗振性能最优化。[0115] 作为一示例,如图3所示,所述MEMS转镜结构包括单轴转镜结构100。具体的,在所述MEMS转镜结构为单轴转镜结构100时,还包括:[0116] 具有转动空间110的框架115,其中,所述扭转台面111、所述镜面支撑体117、所述反射镜面118及所述平衡质量块114构成的转动体通过所述转轴112安装于所述框架115上且部分容置于所述转动空间110中;[0117] 下梳齿103,设于所述框架115与所述转轴112平行的两个内边缘;[0118] 上梳齿113,设于所述扭转台面111边缘且与所述下梳齿103对应设置;[0119] 若干引线焊盘116,设于所述框架115上且与所述下梳齿103和所述上梳齿113对应电连接。[0120] 本示例中,在所述单轴转镜结构100沿Y轴转动时,以转轴112为分界线,将位于所述转轴112左侧的下梳齿103设为第一固齿,将位于所述转轴112右侧的下梳齿103设为第二固齿,将位于所述转轴112左侧的上梳齿113设为第一动齿,将位于所述转轴112右侧的上梳齿113设为第二动齿,此时所述引线焊盘包括:Y+焊盘、Y‑焊盘及GND焊盘;为了实现所述单轴转镜结构100沿Y轴转动,可将第一动齿和第二动齿电连接GND焊盘、第一固齿电连接Y+焊盘、第二固齿电连接Y‑焊盘,通过分别对Y+焊盘、Y‑焊盘对地施加电压,以利用第一固齿和第一动齿或第二固齿和第二动齿之间的电压差产生静电吸引力,从而使所述转动体在静电扭矩的作用下绕转轴沿Y轴的某一方向转动。当然,所述单轴转镜结构100也可沿X轴转动,具体设置与Y轴转动时的设置相似,此为本领域技术人员所熟知的,故在此不再赘述。需要注意的是,此处所述Y+焊盘和Y‑焊盘是针对Y轴的两个不同转动方向而言,实际应用中,本领域技术人员可根据需要设定沿Y轴的一个转动方向为Y+,与该转动方向相反的另一转动方向为Y‑,本示例对Y+和Y‑所指代的具体转动方向不进行限定。[0121] 作为另一示例,如图4和5所示,所述MEMS转镜结构包括双轴转镜结构200。具体的,在所述MEMS转镜结构为双轴转镜结构200时,还包括:[0122] 具有转动空间206的框架207,所述框架207包括外框架207a及通过外转轴208安装于所述外框架207a上的内框架207b;其中,所述扭转台面201、所述镜面支撑体204、所述反射镜面203及所述平衡质量块205构成的转动体通过所述转轴202安装于所述内框架207a上且部分容置于所述转动空间206中,所述转轴202与所述外转轴208垂直设置,以使所述双轴转镜结构200沿X轴、Y轴转动;[0123] 位于内侧的下梳齿209,设于所述内框架207b与所述转轴202平行的两个内边缘;[0124] 位于内侧的上梳齿210,设于所述扭转台面201边缘且与位于内侧的下梳齿209对应设置;[0125] 位于外侧的下梳齿211,设于所述外框架207a与所述外转轴208平行的两个内边缘;[0126] 位于外侧的上梳齿212,设于所述内框架207b的外边缘且与位于外侧的下梳齿211对应设置;[0127] 若干引线焊盘213,设于所述外框架207a上且与位于内侧的下梳齿209、位于内侧的上梳齿210、位于外侧的下梳齿211及位于外侧的上梳齿212对应电连接。[0128] 本示例中,以转轴202和外转轴208为分界线,将位于所述转轴202左侧的下梳齿209设为内侧第一固齿,将位于所述转轴202右侧的下梳齿209设为内侧第二固齿,将位于所述转轴202左侧的上梳齿210设为内侧第一动齿,将位于所述转轴202右侧的上梳齿210设为内侧第二动齿,将位于所述外转轴208上侧的下梳齿211设为外侧第一固齿,将位于所述外转轴208下侧的下梳齿211设为外侧第二固齿,将位于所述外转轴208上侧的上梳齿212设为外侧第一动齿,将位于所述外转轴208下侧的上梳齿212设为外侧第二动齿,此时所述引线焊盘213包括:X+焊盘、X‑焊盘、Y+焊盘、Y‑焊盘及GND焊盘;为了实现所述双轴转镜结构200沿X轴、Y轴转动,可将内侧第一动齿、内侧第二动齿、外侧第一动齿及外侧第二动齿电连接GND焊盘,内侧第一固齿电连接Y+焊盘,内侧第二固齿电连接Y‑焊盘,外侧第一固齿电连接X+焊盘,外侧第二固齿电连接X‑焊盘,通过分别对X+焊盘、X‑焊盘、Y+焊盘、Y‑焊盘对地施加电压,以利用内侧第一固齿和内侧第一动齿、内侧第二固齿和内侧第二动齿、外侧第一固齿和外侧第一动齿或外侧第二固齿和外侧第二动齿之间的电压差产生静电吸引力,从而使所述转动体在静电扭矩的作用下绕转轴202沿Y轴的某一方向转动或绕外转轴208沿X轴的某一方向转动。需要注意的是,此处所述X+焊盘和X‑焊盘是针对X轴的两个不同转动方向而言的,所述Y+焊盘和Y‑焊盘是针对Y轴的两个不同转动方向而言,实际应用中,本领域技术人员可根据需要设定沿X轴的一个转动方向为X+,与该转动方向相反的另一转动方向为X‑,同时Y轴的一个转动方向为Y+,与该转动方向相反的另一转动方向为Y‑,本示例对X+、X‑、Y+和Y‑所指代的具体转动方向不进行限定。[0129] 下面请结合图3,参阅图6至图13,以单轴转镜结构为例,对本实施例所述MEMS转镜结构的制作方法进行说明。[0130] 步骤1)提供第一SOI衬底101,其中,所述第一SOI衬底101依次包括第一衬底层101a、第一埋氧层101b及第一器件层101c,如图6所示。[0131] 步骤2)于所述第一器件层101c表面形成第一图形掩膜,并基于所述第一图形掩膜对所述第一器件层101c进行刻蚀直至暴露出所述第一埋氧层101b,以形成上部平衡质量块102和下梳齿103,如图6所示。[0132] 步骤3)于所述第一衬底层101a表面形成氧化硅蚀刻层104及第二图形掩膜,并基于所述第二图形掩膜对所述氧化硅蚀刻层104进行刻蚀直至暴露出所述第一衬底层101a,以形成背面开口105,如图6所示。[0133] 步骤4)提供第二SOI衬底106,所述第二SOI衬底106依次包括第二衬底层106a、第二埋氧层106b及第二器件层106c,于所述第二器件层106c的表面形成上氧化硅层107,于所述第二衬底层106a表面形成下氧化硅层108,如图7所示;本示例中,通过形成上氧化硅层107及下氧化硅层108,来减小后续键合时的应力,以对键合结构进行保护。[0134] 步骤5)将步骤3)所得结构和步骤4)所得结构以两器件层相向进行键合,如图7所示。[0135] 步骤6)去除所述下氧化硅层108及所述第二衬底层106a,如图8所示。[0136] 步骤7)基于所述背面开口105对所述第一衬底层101a进行刻蚀直至暴露出所述第一埋氧层101b,以形成下部平衡质量块109及转动空间110,如图9所示。[0137] 步骤8)于所述第二埋氧层106b表面形成第三图形掩膜,并基于所述第三图形掩膜对所述第二埋氧层106b及所述第二器件层106c进行刻蚀直至暴露出所述上氧化硅层107,以形成扭转台面111、转轴112、上梳齿113及引线孔,如图10所示。本示例中,所述扭转台面111为圆形台面;所述转轴112为直梁,当然,在其它示例中,所述转轴112还可以为弯曲梁、蛇形梁或折叠梁。[0138] 步骤9)对步骤8)所得结构进行干法腐蚀或湿法腐蚀去除氧化硅,以释放下梳齿103和上梳齿113,同时得到平衡质量块114及具有转动空间110的框架115,如图11所示。本示例中,所述平衡质量块114除包括上部平衡质量块102及下部平衡质量块109外,还包括位于扭转台面111和上部平衡质量块102之间的上氧化硅层107及位于上部平衡质量块102和下部平衡质量块109之间的第一埋氧层101b。需要注意的是,本示例对所述平衡质量块114的形状和高度并不进行限定,只要其满足所述转动体的质量平衡即可。[0139] 步骤10)于所述引线孔中形成引线焊盘116,如图12所示。[0140] 步骤11)提供形成于镜面支撑体117上的反射镜面118,并将该结构黏贴或键合至所述扭转台面111上以得到所述单轴转镜结构100,如图13所示。[0141] 在步骤11)中,于镜面支撑体117上形成反射镜面118的具体方法包括:提供一硅晶圆,对所述硅晶圆的一表面进行深硅刻蚀以形成镜面支撑体117及原始镜面118a;于所述原始镜面118a表面形成反射膜118b,以最终得到形成于镜面支撑体117上的反射镜面118。或者于镜面支撑体117上形成反射镜面118的具体方法包括:提供一硅晶圆,对该硅晶圆进行深硅刻蚀以形成镜面支撑体117;提供另一硅晶圆,对该硅晶圆进行深硅刻蚀以形成原始镜面,并于所述原始镜面118a表面形成反射膜118b以得到反射镜面118;将所述反射镜面118黏贴或键合至所述镜面支撑体117上,以最终得到形成于镜面支撑体117上的反射镜面118。需要注意的是,实际应用中,可通过设定所述镜面支撑体117的高度来调整所述反射镜面118到所述扭转台面111的距离,而在设定所述镜面支撑体117的高度时,则需综合考虑所述MEMS转镜结构的转角大小及所述反射镜面118的尺寸大小。具体的,所述镜面支撑体117的形状包括:实心圆柱状、空心圆柱状、实心方柱状或空心方柱状;本示例中,所述镜面支撑体117的形状为空心圆柱状,如图14所示;当然,在其它示例中,所述镜面支撑体117的形状还可以为实心圆柱状,如图15所示;或所述镜面支撑体117的形状为空心方柱状,如图16所示;或所述镜面支撑体117的形状为实心方柱状,如图17所示;而在所述镜面支撑体117的形状为实心方柱状时,实心方柱的个数可以为1个,2个或4个,其中2个或4个实心方柱呈阵列排布,如图18和19所示。具体的,采用蒸镀工艺或溅射工艺形成所述反射膜118b,所述反射膜118b包括金属膜或介质膜;其中,所述金属膜的材质为金、银或铝,所述介质膜的材质为氧化硅或氧化钛;当然,所述金属膜或所述介质膜的材质不仅局限于上述列举材料,其它合适材料同样适用于本示例。具体的,本示例中,所述反射镜面118为圆形镜面。[0142] 通过本示例上述所述制作方法制作的所述单轴转镜结构100中,所述扭转台面111、所述转轴112及所述上梳齿113的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿113和所述下梳齿103之间无交叠厚度,同时位于所述上梳齿113和所述下梳齿103之间的所述框架115中设有上氧化硅层107作为绝缘隔离层,如图13所示。当然,在其它示例中,也可通过其它制作方法制作所述单轴转镜结构100,以使所述扭转台面111、所述转轴112及所述上梳齿113的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿113和所述下梳齿103之间无交叠厚度,此时所述上梳齿113和所述下梳齿103之间通过硅硅键合连接且通过刻蚀槽绝缘隔离,如图20所示。或者使所述扭转台面111、所述转轴112及所述下梳齿103的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿113和所述下梳齿103之间无交叠厚度,同时位于所述上梳齿113和所述下梳齿103之间的所述框架115中设有氧化硅作为绝缘隔离层,如图21所示。或者使所述扭转台面111的厚度、所述转轴112的厚度、所述上梳齿113和所述下梳齿103的总厚度相同,所述上梳齿113和所述下梳齿103所在层与所述扭转台面111及所述转轴112位于同一层,所述上梳齿113和所述下梳齿103之间无交叠厚度,同时位于所述上梳齿113和所述下梳齿103之间的所述框架115中设有氧化硅作为绝缘隔离层,此时所述扭转台面111和所述转轴112由三层材料叠加而成,如图22所示。或者使所述扭转台面111的厚度、所述转轴112的厚度、所述上梳齿113和所述下梳齿103的总厚度相同,所述上梳齿113和所述下梳齿103所在层与所述扭转台面111及所述转轴112位于同一层,同时所述上梳齿113和所述下梳齿103之间存在交叠厚度,此时所述上梳齿113和所述下梳齿103之间通过刻蚀槽绝缘隔离,如图23所示。当然,此处所述单轴转镜结构涉及的扭转台面、转轴、上梳齿及下梳齿的结构分布同样适用于所述双轴转镜结构。[0143] 实施例二[0144] 如图24所示,本实施例所述MEMS转镜结构与实施例一的区别在于:所述MEMS转镜结构还包括:容置部分所述平衡质量块114(205)的转动限位槽,设于所述框架115(207)的底部且与所述转动空间110(206)连通。[0145] 本示例所述MEMS转镜结构通过在背面形成转动限位槽,来对所述扭转台面111(201)、所述镜面支撑体117(204)、所述反射镜面118(203)及所述平衡质量块114(205)构成的转动体进行转动角度限位,使所述转动体的转动角度在预设范围内,避免转动体的转动角度因外力或惯性力而大大超出预设范围,从而提高所述MEMS转镜结构的可靠性。[0146] 下面请参阅图24至31,以单轴转镜结构为例,对本实施例所述具有转动限位槽的MEMS转镜结构的制作方法进行详细说明。[0147] 步骤1)提供一双层SOI结构301,并于所述双层SOI结构301的下表面形成氧化硅保护层302;其中,所述双层SOI结构301由下至上依次包括衬底层301a、第一埋氧层301b、第一器件层301c、第二埋氧层301d及第二器件层301e,如图24所示。本示例中,通过形成所述氧化硅保护层302,来减小后续键合时的应力,从而对键合结构进行保护。[0148] 步骤2)于所述第二器件层301e的表面形成第一图形掩膜,并基于所述第一图形掩膜对所述第二器件层301e进行刻蚀直至暴露出所述第二埋氧层301d,以形成上部平衡质量块303和下梳齿304,如图24所示。[0149] 步骤3)提供一双抛硅片305,于所述双抛硅片305的上表面形成第二图形掩膜,并基于所述第二图形掩膜对所述双抛硅片305的上表面进行刻蚀,以形成下部平衡质量块轮廓306及预转动空间307;于所述双抛硅片305的下表面形成第三图形掩膜,并基于所述第三图形掩膜对所述双抛硅片305的下表面进行刻蚀,以形成预转动限位槽308,如图25所示。[0150] 步骤4)于步骤3)所得结构的上表面形成上氧化硅层309,并于步骤3)所得结构的下表面形成下氧化硅层310,如图25所示。本示例中,通过形成所述上氧化硅层309和所述下氧化硅层310,来减小后续键合时的应力,从而对键合结构进行保护。[0151] 步骤5)将步骤2)所得结构和步骤4)所得结构进行键合,其中所述第二器件层301e和所述预转动空间307相向设置,如图26所示。[0152] 步骤6)去除所述氧化硅保护层302及所述衬底层301a,如图27所示。[0153] 步骤7)基于所述预转动限位槽308对所述下氧化硅层310及所述双抛硅片305进行刻蚀直至暴露出所述上氧化硅层309,以形成下部平衡质量块311及转动限位槽312,如图28所示。[0154] 步骤8)于所述第一埋氧层301b的表面形成第四图形掩膜,并基于所述第四图形掩膜对所述第一埋氧层301b及所述第一器件层301c进行刻蚀直至暴露出所述第二埋氧层301d,以形成扭转台面313、转轴314、上梳齿315及引线孔,如图29所示;本示例中,所述扭转台面313为圆形台面;所述转轴314为直梁,当然,在其它示例中,所述转轴314还可以为弯曲梁、蛇形梁或折叠梁。[0155] 步骤9)对步骤8)所得结构进行干法腐蚀或湿法腐蚀去除氧化硅,以释放下梳齿304和上梳齿315,同时得到平衡质量块316及具有转动空间317的框架318,如图30所示。本示例中,所述平衡质量块316除包括上部平衡质量块303及下部平衡质量块311外,还包括位于扭转台面313和上部平衡质量块303之间的第二埋氧层301d及位于上部平衡质量块303和下部平衡质量块313之间的上氧化硅层309。需要注意的是,本示例对所述平衡质量块316的形状和高度并不进行限定,只要其满足所述转动体的质量平衡即可。[0156] 步骤10)于所述引线孔中形成引线焊盘319,如图31所示。[0157] 步骤11)提供形成于镜面支撑体320上的反射镜面321,并将该结构黏贴或键合至所述扭转台面313上以得到具有转动限位槽312的单轴转镜结构,如图32所示。[0158] 需要注意的是,本示例仅以扭转台面313、转轴314、上梳齿315及下梳齿304的一种结构分布为例进行的说明(即所述扭转台面313、所述转轴314及所述上梳齿315的厚度相同且位于同一层,所述上梳齿315和所述下梳齿304之间无交叠厚度,同时位于所述上梳齿315和所述下梳齿304之间的所述框架318中设有第二埋氧层301d作为绝缘隔离层),其它结构分布同样可制作转动限位槽,在此就不再一一赘述。[0159] 综上所述,本发明的一种具有大镜面的MEMS转镜结构,通过在所述扭转台面相对于所述反射镜面所在表面的另一表面设置所述平衡质量块,以利用质量平衡原理将所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体的质心拉近转轴所在平面,甚至使该转动体的质心位于转轴所在平面上,来避免所述反射镜面在受到平行于镜面方向的加速度作用时,因来自镜面惯性力产生的扭矩而导致的转角变化,从而提高所述MEMS转镜结构的抗振性能。本发明所述MEMS转镜结构通过在背面形成转动限位槽,来对所述扭转台面、所述镜面支撑体、所述反射镜面及所述平衡质量块构成的转动体进行转动角度限位,使所述转动体的转动角度在预设范围内,避免转动体的转动角度因外力或惯性力而大大超出预设范围,从而提高所述MEMS转镜结构的可靠性。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。[0160] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

专利地区:安徽

专利申请日期:2020-05-13

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN113671689B

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