一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及微角锥反射镜，具体是一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制造方法。本发明解决了现有微角锥反射镜的制造方法因组装工艺限制而无法确保微角锥反射镜的成品率和工作性能的问题。一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构，包括正方形硅基片、正方形二氧化硅层、铂钛下电极层、正方形铂钛底镜、PZT压电驱动悬臂梁、PZT平衡梁、铂钛上电极层、十字形侧镜、金层；正方形硅基片的正面与背面之间贯通开设有正方形通孔；正方形二氧化硅层层叠于正方形硅基片的正面；正方形二氧化硅层的正面与背面之间贯通开设有四组通孔。本发明适用于无线激光通信。
【专利说明】一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微角锥反射镜，具体是一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制 造方法。
【背景技术】
[0002] 无线激光通信具备发射角极小、定位精度高、抗干扰能力强、信号传递通道窄、保 密性好、信道容量大、码率高的特点，在日常生活、军事应用以及航天中均扮演着十分重要 的角色。目前，无线激光通信可分为以下两种：一种是主动式无线激光通信，另一种是被动 式无线激光通信。其中，主动式无线激光通信又可分为两种方式：第一种方式是在发射端发 射激光信息中隐含自身的地理位置信息。此种方式比较简单实用，但是其涉及信息处理和 信息安全等问题。第二种方式是接收端多个几何分布的光电探测器感知入射激光束的照射 情况，由此判别入射方向，再采用高灵敏度位置传感器和相应的电子伺服控制系统，跟踪瞄 准入射方向。此种方式较复杂，不利于无线激光通信系统的小型化。相较于主动式无线激 光通信，被动式无线激光通信采用被动跟踪入射激光的方式，其无需跟踪和发射激光部件， 可以大为减小系统的体积和复杂度。
[0003] 微角锥反射镜是实现被动跟踪入射激光的关键部件。微角锥反射镜的特点是有互 相正交的三个镜面，任意方向的光信号经过三个镜面反射后，均会沿着与入射方向相反的 方向反射回发射端。如果微角锥反射镜的某一个镜面可以发生偏转，则可以对入射激光进 行调制。目前，微角锥反射镜的制造方法可分为以下两种：一种是基于体硅工艺的制造方 法，另一种是基于表面硅工艺的制造方法。基于体硅工艺的制造方法是指：在一个基片上制 造出可偏转的底镜，在另一个基片上制造出十字形侧镜，再通过组装工艺将十字形侧镜安 装到底镜基片上，由此形成微角锥反射镜(例如Berkeley大学Pister教授提出采用两块侧 镜分别加工再组装方式制造的微角锥反射镜，制造工艺较简单；美国University of South Florida大学研究小组提出采用深刻蚀和氢氧化钾腐蚀的方法制造硅基十字形侧镜，能得 到正交度89. 7°，表面粗糙度39nm的硅镜面；韩国Kwangwoon大学研究小组提出了一种基 于氢氧化钾选择性腐蚀（110)硅面的体硅工艺来制造十字形侧镜，能使得微角锥反射镜侧 面垂直)。基于体硅工艺的制造方法的优点是集成工艺较为可靠，但其存在如下问题：由于 组装工艺的精度所限，无法确保镜面的垂直度（即无法确保十字形侧镜与底镜完全垂直)， 由此制约微角锥反射镜的成品率和工作性能。基于表面硅工艺的制造方法是指：在基片上 利用牺牲层工艺制造出微角锥反射镜的三个镜面，然后在应力、表面张力或外部力驱动下， 使三个镜面组装成微角锥反射镜(例如Berkeley大学Pister教授提出的利用光刻胶表面 张力实现反射镜自对准组装；台湾Jui-che Tsai教授采用的探针组装反射镜)。基于表面 硅工艺的制造方法的优点是整体工艺较简单，镜面粗糙度低，但其存在如下问题：组装工艺 不成熟，随机性太大，不适合批量集成加工，无法确保镜面的垂直度（即无法确保三个镜面 完全垂直)，由此制约微角锥反射镜的成品率和工作性能。综上所述，无论是基于体硅工艺 的制造方法还是基于表面硅工艺的制造方法，均因组装工艺的限制而无法确保微角锥反射 镜的成品率和工作性能。基于此，有必要发明一种全新的微角锥反射镜的制造方法，以解决 现有微角锥反射镜的制造方法存在的上述问题。
【发明内容】
[0004] 本发明为了解决现有微角锥反射镜的制造方法因组装工艺限制而无法确保微角 锥反射镜的成品率和工作性能的问题，提供了一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其 制造方法。
[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构，包 括正方形硅基片、正方形二氧化硅层、钼钛下电极层、正方形钼钛底镜、PZT压电驱动悬臂 梁、PZT平衡梁、钼钛上电极层、十字形侧镜、金层； 正方形硅基片的正面与背面之间贯通开设有正方形通孔； 正方形二氧化硅层层叠于正方形硅基片的正面；正方形二氧化硅层的正面与背面之 间贯通开设有四组通孔；四组通孔围绕正方形通孔的轴线对称分布，且正方形通孔完全覆 盖四组通孔；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两个直角梯形通孔 的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰壁相互平行且位 置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有一个正方形岛状 部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯形通孔的直腰壁 与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔的外侧壁之间形 成有一个十字形梁状部； 钼钛下电极层包括四个斜向梁状下电极层和正方形框状下电极层；四个斜向梁状下电 极层的外端与正方形框状下电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状下电极 层一一对应层叠于四个斜向梁状部的正面；正方形框状下电极层层叠于正方形二氧化硅层 的正面外周； 正方形钼钛底镜的数目为四个；第一个正方形钼钛底镜的左上角、第二个正方形钼钛 底镜的右上角、第三个正方形钼钛底镜的左下角、第四个正方形钼钛底镜的右下角与四个 斜向梁状下电极层的内端一一对应连接为一体；四个正方形钼钛底镜一一对应层叠于四个 正方形岛状部的正面； PZT压电驱动悬臂梁的数目为四个；四个PZT压电驱动悬臂梁一一对应层叠于四个斜 向梁状部的正面； PZT平衡梁的数目为八个；八个PZT平衡梁一一对应层叠于八个正向梁状部的正面； 钼钛上电极层包括四个斜向梁状上电极层和正方形框状上电极层；四个斜向梁状上电 极层的外端与正方形框状上电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状上电极 层一一对应层叠于四个PZT压电驱动悬臂梁的正面；正方形框状上电极层层叠于正方形二 氧化硅层的正面内周； 十字形侧镜层叠于十字形梁状部的正面； 金层的数目为八个；八个金层一一对应层叠于十字形侧镜的八个侧面。
[0006] 具体工作过程如下：首先，将钼钛下电极层和钼钛上电极层分别与外部电源的正、 负极连接，外部电源由此向四个PZT压电驱动悬臂梁加载驱动电压。然后，来自发射端的激 光入射到其中一个镜面(正方形钼钛底镜或十字形侧镜)，并依次经过另外两个镜面进行反 射，最后沿着与入射方向相反的方向返回发射端。在此过程中，通过调节其中一个PZT压电 驱动悬臂梁的驱动电压，便可控制该正方形钼钛底镜进行偏转，由此改变反射激光相对于 入射激光的偏离角度。八个平衡梁的作用是提高四个正方形钼钛底镜的水平度。
[0007] -种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法(该方法用于制造本发明所述 的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构)，该方法是采用如下步骤实现的： a. 选取正方形硅基片，并在正方形硅基片的正面热氧生长正方形二氧化硅层，然后采 用氢氧化钾在正方形硅基片的背面腐蚀形成正方形凹腔； b. 在正方形二氧化硅层的正面与背面之间刻蚀形成四组通孔；四组通孔围绕正方形 凹腔的轴线对称分布；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两个直角 梯形通孔的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰壁相互 平行且位置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有一个正 方形岛状部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯形通孔 的直腰壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔的外侧 壁之间形成有一个十字形梁状部； c. 在正方形二氧化硅层的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形成钼 钛下电极层和四个正方形钼钛底镜； d. 采用溶胶-凝胶法在正方形二氧化硅层的正面生长PZT薄膜，并在PZT薄膜的正面 与背面之间刻蚀形成四个PZT压电驱动悬臂梁和八个PZT平衡梁； e. 在正方形二氧化硅层的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形成钼 钛上电极层； f. 在正方形二氧化硅层的正面旋涂SU-8光刻胶层，并在SU-8光刻胶层的正面与背面 之间刻蚀形成十字形侧镜； g. 采用背面干法在正方形凹腔的底面进行刻蚀，使得正方形凹腔变形成为正方形通 孔；正方形通孔完全覆盖步骤b中的四组通孔； h. 从正方形硅基片的背面溅射金，并在十字形侧镜的八个侧面各形成一个金层。
[0008] 与现有微角锥反射镜的制造方法相比，本发明所述的一种角度可调的微角锥反射 镜阵列结构及其制造方法无需采用组装工艺，即可一体化集成制造出十字形侧镜和底镜， 由此彻底避免了组装工艺对镜面垂直度的影响，从而有效保证了微角锥反射镜的成品率和 工作性能。此外，本发明所述的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制造方法通过 采用在SU-8光刻完之后从背面溅射金覆盖SU-8侧壁的工艺，一方面避免了压电薄膜上下 电极的连通，另一方面避免了由于SU-8高台阶的缘故使得后续光刻无法进行的问题，因此 本发明所述的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构及其制造方法不仅减少了一次光刻， 而且有效解决了高台阶金属图形化的难题。
[0009] 本发明有效解决了现有微角锥反射镜的制造方法因组装工艺限制而无法确保微 角锥反射镜的成品率和工作性能的问题，适用于无线激光通信。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的结构示意图。
[0011] 图2是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤a的示 意图。
[0012] 图3是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤b的示 意图。
[0013] 图4是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤c的示 意图。
[0014] 图5是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤d的示 意图。
[0015] 图6是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤e的示 意图。
[0016] 图7是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤f的示 意图。
[0017] 图8是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤g的示 意图。
[0018] 图9是本发明的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法的步骤h的示 意图。
[0019] 图中：1-正方形硅基片，2-正方形二氧化硅层，3-钼钛下电极层，4-正方形钼钛底 镜，5-PZT压电驱动悬臂梁，6-PZT平衡梁，7-钼钛上电极层，8-十字形侧镜，9-金层，10-正 方形凹腔。
【具体实施方式】
[0020] 一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构，包括正方形硅基片1、正方形二氧化硅层 2、钼钛下电极层3、正方形钼钛底镜4、PZT压电驱动悬臂梁5、PZT平衡梁6、钼钛上电极层 7、十字形侧镜8、金层9 ; 正方形硅基片1的正面与背面之间贯通开设有正方形通孔； 正方形二氧化娃层2层叠于正方形娃基片1的正面；正方形二氧化娃层2的正面与背 面之间贯通开设有四组通孔；四组通孔围绕正方形通孔的轴线对称分布，且正方形通孔完 全覆盖四组通孔；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两个直角梯形 通孔的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰壁相互平行 且位置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有一个正方形 岛状部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯形通孔的直 腰壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔的外侧壁之 间形成有一个十字形梁状部； 钼钛下电极层3包括四个斜向梁状下电极层和正方形框状下电极层；四个斜向梁状下 电极层的外端与正方形框状下电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状下电 极层一一对应层叠于四个斜向梁状部的正面；正方形框状下电极层层叠于正方形二氧化硅 层2的正面外周； 正方形钼钛底镜4的数目为四个；第一个正方形钼钛底镜4的左上角、第二个正方形钼 钛底镜4的右上角、第三个正方形钼钛底镜4的左下角、第四个正方形钼钛底镜4的右下角 与四个斜向梁状下电极层的内端一一对应连接为一体；四个正方形钼钛底镜4 一一对应层 叠于四个正方形岛状部的正面； PZT压电驱动悬臂梁5的数目为四个；四个PZT压电驱动悬臂梁5 -一对应层叠于四 个斜向梁状部的正面； PZT平衡梁6的数目为八个；八个PZT平衡梁6 -一对应层叠于八个正向梁状部的正 面； 钼钛上电极层7包括四个斜向梁状上电极层和正方形框状上电极层；四个斜向梁状上 电极层的外端与正方形框状上电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状上电 极层一一对应层叠于四个PZT压电驱动悬臂梁5的正面；正方形框状上电极层层叠于正方 形二氧化硅层2的正面内周； 十字形侧镜8层叠于十字形梁状部的正面； 金层9的数目为八个；八个金层9 一一对应层叠于十字形侧镜8的八个侧面。
[0021] 一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法(该方法用于制造本发明所述 的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构)，该方法是采用如下步骤实现的： a. 选取正方形硅基片1，并在正方形硅基片1的正面热氧生长正方形二氧化硅层2,然 后采用氢氧化钾在正方形硅基片1的背面腐蚀形成正方形凹腔10 ; b. 在正方形二氧化硅层2的正面与背面之间刻蚀形成四组通孔；四组通孔围绕正方形 凹腔10的轴线对称分布；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两个直 角梯形通孔的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰壁相 互平行且位置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有一个 正方形岛状部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯形通 孔的直腰壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔的外 侧壁之间形成有一个十字形梁状部； c. 在正方形二氧化硅层2的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形成 钼钛下电极层3和四个正方形钼钛底镜4 ; d. 采用溶胶-凝胶法在正方形二氧化硅层2的正面生长PZT薄膜，并在PZT薄膜的正 面与背面之间刻蚀形成四个PZT压电驱动悬臂梁5和八个PZT平衡梁6 ; e. 在正方形二氧化硅层2的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形成 钼钛上电极层7 ; f. 在正方形二氧化硅层2的正面旋涂SU-8光刻胶层，并在SU-8光刻胶层的正面与背 面之间刻蚀形成十字形侧镜8 ; g. 采用背面干法在正方形凹腔10的底面进行刻蚀，使得正方形凹腔10变形成为正方 形通孔；正方形通孔完全覆盖步骤b中的四组通孔； h. 从正方形硅基片1的背面溅射金，并在十字形侧镜8的八个侧面各形成一个金层9。
[0022] 具体实施时，正方形二氧化硅层2的厚度为1 μ m。正方形硅基片1的正面与正方 形凹腔10的底面之间的厚度为100 μ m。PZT压电驱动悬臂梁5的厚度、PZT平衡梁6的厚 度均为2 μ m。
【权利要求】
1. 一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构，其特征在于：包括正方形硅基片（1)、正方 形二氧化硅层（2)、钼钛下电极层（3)、正方形钼钛底镜（4)、PZT压电驱动悬臂梁（5)、PZT 平衡梁（6)、钼钛上电极层（7)、十字形侧镜（8)、金层（9); 正方形硅基片（1)的正面与背面之间贯通开设有正方形通孔； 正方形二氧化硅层（2)层叠于正方形硅基片（1)的正面；正方形二氧化硅层（2)的正面 与背面之间贯通开设有四组通孔；四组通孔围绕正方形通孔的轴线对称分布，且正方形通 孔完全覆盖四组通孔；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两个直角 梯形通孔的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰壁相互 平行且位置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有一个正 方形岛状部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯形通孔 的直腰壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔的外侧 壁之间形成有一个十字形梁状部； 钼钛下电极层（3)包括四个斜向梁状下电极层和正方形框状下电极层；四个斜向梁状 下电极层的外端与正方形框状下电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状下 电极层一一对应层叠于四个斜向梁状部的正面；正方形框状下电极层层叠于正方形二氧化 娃层（2)的正面外周； 正方形钼钛底镜（4)的数目为四个；第一个正方形钼钛底镜（4)的左上角、第二个正 方形钼钛底镜（4)的右上角、第三个正方形钼钛底镜（4)的左下角、第四个正方形钼钛底镜 (4)的右下角与四个斜向梁状下电极层的内端一一对应连接为一体；四个正方形钼钛底镜 (4) 一一对应层叠于四个正方形岛状部的正面； PZT压电驱动悬臂梁（5)的数目为四个；四个PZT压电驱动悬臂梁（5)-一对应层叠于 四个斜向梁状部的正面； PZT平衡梁（6)的数目为八个；八个PZT平衡梁（6)-一对应层叠于八个正向梁状部的 正面； 钼钛上电极层（7)包括四个斜向梁状上电极层和正方形框状上电极层；四个斜向梁状 上电极层的外端与正方形框状上电极层的四个内角一一对应连接为一体；四个斜向梁状上 电极层一一对应层叠于四个PZT压电驱动悬臂梁（5)的正面；正方形框状上电极层层叠于 正方形二氧化硅层（2)的正面内周； 十字形侧镜（8)层叠于十字形梁状部的正面； 金层（9)的数目为八个；八个金层（9) 一一对应层叠于十字形侧镜（8)的八个侧面。
2. -种角度可调的微角锥反射镜阵列结构的制造方法，该方法用于制造如权利要求1 所述的一种角度可调的微角锥反射镜阵列结构，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现 的： a. 选取正方形硅基片（1)，并在正方形硅基片（1)的正面热氧生长正方形二氧化硅层 (2)，然后采用氢氧化钾在正方形硅基片（1)的背面腐蚀形成正方形凹腔（10); b. 在正方形二氧化硅层（2)的正面与背面之间刻蚀形成四组通孔；四组通孔围绕正方 形凹腔（10)的轴线对称分布；每组通孔均包括一个直角V形通孔和两个直角梯形通孔；两 个直角梯形通孔的下底壁分别与直角V形通孔的两个端壁齐平；两个直角梯形通孔的斜腰 壁相互平行且位置正对；两个直角梯形通孔的上底壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有 一个正方形岛状部；两个直角梯形通孔的斜腰壁之间形成有一个斜向梁状部；两个直角梯 形通孔的直腰壁与直角V形通孔的内侧壁之间形成有两个正向梁状部；四个直角V形通孔 的外侧壁之间形成有一个十字形梁状部； c. 在正方形二氧化硅层（2)的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形 成钼钛下电极层（3)和四个正方形钼钛底镜（4); d. 采用溶胶-凝胶法在正方形二氧化硅层（2)的正面生长PZT薄膜，并在PZT薄膜的 正面与背面之间刻蚀形成四个PZT压电驱动悬臂梁（5)和八个PZT平衡梁（6); e. 在正方形二氧化硅层（2)的正面溅射钼钛层，并在钼钛层的正面与背面之间刻蚀形 成钼钛上电极层（7); f. 在正方形二氧化硅层（2)的正面旋涂SU-8光刻胶层，并在SU-8光刻胶层的正面与 背面之间刻蚀形成十字形侧镜（8); g. 采用背面干法在正方形凹腔（10)的底面进行刻蚀，使得正方形凹腔（10)变形成为 正方形通孔；正方形通孔完全覆盖步骤b中的四组通孔； h. 从正方形硅基片（1)的背面溅射金，并在十字形侧镜（8)的八个侧面各形成一个金 层（9 )。
【文档编号】G02B26/08GK104216111SQ201410532691
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】王任鑫, 丑修建, 薛晨阳, 张文栋, 刘俊, 熊继军, 简泽明, 刘梦然, 郭靖, 刘源, 曾瑞 申请人:中北大学