一种具备压阻反馈的静电MEMS微镜及制造方法与流程

一种具备压阻反馈的静电mems微镜及制造方法
技术领域
1.本发明涉及一种具备压阻反馈的静电mems微镜及制造方法，属于微机电系统技术领域。


背景技术：

2.mems微镜在投影、成像、激光雷达等领域得到了广泛的应用，mems微镜存在高频率的周期性谐振应用模式。在该应用模式下，实时监测mems微镜的偏转角度，可以对微镜系统投影和成像的漂移等问题进行有效的抑制和改善。但是由于微镜处于高速的运动状态，实时监测角度存在较大难度。
3.现有技术中，为了获得微镜镜面的运动状态，会使用外置光电模块来检测若干个点。如专利申请cn207963768u与cn205679203u，胆识如此设计不但增加了封装结构的难度，而且只能检测少量的点来推算微镜镜面的运动状态，不能实时地掌控整个微镜镜面的运动状态。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种具备压阻反馈的静电mems微镜，通过对压阻模块的集成，实现对扭转梁端部应力变化情况的检测，最终实时地获得mems静电微镜的镜面偏转角度。
5.本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种具备压阻反馈的静电mems微镜，包括衬底、镜面、定梳齿装置、两组动梳齿装置和两个压阻模块；其中，衬底为硅片材料制成的环形结构，且衬底的各部位共面；镜面和两组动梳齿装置均为硅片材料制成，两组动梳齿装置的结构彼此相同，镜面上彼此相对的两侧边位置分别通过一组动梳齿装置对接衬底环形结构的内侧边，且镜面侧边上该两连接位置之间呈对称分布；各组动梳齿装置分别均包括扭转梁、固定座、以及分别对接扭转梁两侧的动齿条组，各组动梳齿装置中，扭转梁与其两侧所连的动齿条组相共面，各动齿条组分别均包括至少一根齿条，且各动齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；各组动梳齿装置中扭转梁的其中一端分别与镜面侧边上对应位置相连接，各组动梳齿装置中扭转梁的另一端分别对接对应固定座，且各固定座分别设置于衬底环形结构上内侧边上对应动梳齿装置相对接的位置；两个压阻模块分别经绝缘层设置于各固定座上表面，各压阻模块上表面分别均设置至少两个适用于惠斯通电桥的金属电极，且各金属电极分别通过惠斯通电桥对接其所设压阻模块下方固定座所连的扭转梁；定梳齿装置为硅片材料制成，定梳齿装置包括环形结构、以及分别对接该环形结构内侧边的各定齿条组，定义该环形结构为上部环形结构，上部环形结构的内径、外径分别与衬底环形结构的内径、外径相适应，上部环形结构经绝缘层设置于衬底环形结构上表面，且上部环形结构上对应两组动梳齿装置中固定座与两压阻模块的位置分别设置缺口，用于
实现上部环形结构与各固定座、各压阻模块之间的隔离；上部环形结构与其内侧边所连各定齿条组共面，各定齿条组分别均包括至少一根齿条，各定齿条组中的各根齿条分别对接上部环形结构内侧边，且各定齿条组中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；上部环形结构内侧边所连定齿条组的数量与两组动梳齿装置中各扭转梁上所连动齿条组的数量相等，且上部环形结构内侧边所连各定齿条组的位置分别与两组动梳齿装置中各扭转梁上所连各动齿条组的位置一一对应，以及在垂直于衬底所在面的方向上，各组动梳齿装置中各动齿条组的各根齿条的投影、分别与对应位置下定齿条组的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错；其中一个压阻模块的上表面与上部环形结构上表面分别设置供电电极；通过向各供电电极供电，在定梳齿装置中各定齿条组的各齿条与对应位置下动齿条组的各齿条之间的相互作用力下，实现各组动梳齿装置相对其扭转梁的转动，完成镜面角度的驱动调整，并通过各惠斯通电桥经各金属电极的输出，计算相应扭转梁的应力状态，实现对镜面运动的参数确定。
6.作为本发明的一种优选技术方案：所述各组动梳齿装置中扭转梁上与对应固定座相连端部位置的两侧分别沿对应扭转梁方向、设置贯穿其上下面的小于对应扭转梁长度的开槽。
7.作为本发明的一种优选技术方案：所述两组动梳齿装置相对镜面位置呈对称分布。
8.作为本发明的一种优选技术方案：所述各组动梳齿装置中各动齿条组的各根齿条均与其所连扭转梁相垂直，所述定梳齿装置中各定齿条组的各根齿条均与其所连上部环形结构内侧边相垂直。
9.作为本发明的一种优选技术方案：所述镜面、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置均采用电阻率低于103ω
·
cm的低阻硅，所述压阻模块通过对电阻率高于104ω
·
cm的高阻硅进行离子注入工艺制作获得。
10.作为本发明的一种优选技术方案：所述两个压阻模块分别经氧化硅层设置于各固定座上表面，所述上部环形结构经氧化硅层设置于衬底环形结构上表面。
11.与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法，通过简洁制造工艺的设计与应用，即可实现所设计mems微镜的制造，基于对扭转梁端部应力变化情况的检测，最终实时地获得mems静电微镜的镜面偏转角度。
12.本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法，基于由下至上依次堆叠的衬底硅层、氧化硅层、中间硅层、氧化硅层、顶部硅层的结构，执行如下步骤：步骤a. 针对顶部硅层上表面对应所述压阻模块的位置，应用离子注入工艺制作所述两个压阻模块；步骤b. 针对顶部硅层、以及顶部硅层与中间硅层之间的氧化硅层进行刻蚀，突出两个压阻模块的位置、以及裸露中间硅层上表面中间对应两压阻模块之间区域；步骤c. 针对中间硅层上表面裸露区域中对应供电电极的位置、以及压阻模块上表面对应供电电极与各金属电极的位置，分别生长金属导电薄膜，实现各供电电极与各金属电极的制作；
步骤d. 针对中间硅层上表面裸露区域中对应镜面、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置的位置，执行刻蚀操作，分别实现镜面、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置的制作；步骤e. 针对镜面活动区域下方的衬底硅层、以及衬底硅层与中间硅层之间的氧化硅层进行刻蚀掏空，即完成具备压阻反馈的静电mems微镜的制造。
13.作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，针对顶部硅层上表面对应所述压阻模块的位置，应用离子注入工艺，先注入10
10
~10
17 ions/cm2剂量的硼或磷，形成压电感应区，再向压电感应区注入10
12
~10
20 ions/cm2剂量的硼或磷，进而实现压阻模块的制作。
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述顶部硅层为电阻率高于104ω
·
cm的高阻硅，所述中间硅层为电阻率低于103ω
·
cm的低阻硅。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述衬底硅层与中间硅层之间的氧化硅层、以及中间硅层与顶部硅层之间的氧化硅层，均为0.5um~5um厚度。
16.本发明所述一种具备压阻反馈的静电mems微镜及制造方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所设计具备压阻反馈的静电mems微镜，包括衬底、镜面、定梳齿装置、两组动梳齿装置和两个压阻模块，通过压阻模块上所设各金属电极与对应扭转梁之间惠斯通电桥的建立与应用，应用惠斯通电桥所具备检测应力变化的能力，以及镜面的扭转角度与扭转梁端部应力间的正比关系，实现对扭转梁端部应力变化情况的检测，最终获得mems静电微镜的镜面偏转角度，拥有直接检测高速旋转镜面角度的优点，整个设计方案具有实时、连续检测微镜镜面运动状态的优点，同时整个结构封装尺寸小、结构紧凑，更加节省成本。
附图说明
17.图1是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的结构示意图；图2是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中soi圆片的结构示意图；图3至图4是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中步骤a应用的依次示意图；图5是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中步骤b应用的依次示意图；图6是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中步骤c应用的依次示意图；图7是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中步骤d应用的依次示意图；图8至图9是本发明设计具备压阻反馈的静电mems微镜的制造方法中步骤e应用的依次示意图。
18.其中，1. 衬底，2. 镜面，3. 压阻模块，4. 扭转梁，5. 动齿条组，6. 金属电极，7. 上部环形结构，8. 定齿条组， 9. 供电电极。
具体实施方式
19.下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
20.本发明设计了一种具备压阻反馈的静电mems微镜，实际应用当中，如图1所示，具体包括衬底1、镜面2、定梳齿装置、两组动梳齿装置和两个压阻模块3。
21.其中，衬底1为硅片材料制成的环形结构，且衬底1的各部位共面；镜面2和两组动梳齿装置均为硅片材料制成，两组动梳齿装置的结构彼此相同，镜面2上彼此相对的两侧边位置分别通过一组动梳齿装置对接衬底1环形结构的内侧边，且镜面2侧边上该两连接位置之间呈对称分布，并且在实际的具体应用当中，具体可以设计两组动梳齿装置相对镜面2位置呈对称分布。
22.各组动梳齿装置分别均包括扭转梁4、固定座、以及分别对接扭转梁4两侧的动齿条组5，各组动梳齿装置中，扭转梁4与其两侧所连的动齿条组5相共面，各动齿条组5分别均包括至少一根齿条，且各动齿条组5中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；各组动梳齿装置中扭转梁4的其中一端分别与镜面2侧边上对应位置相连接，各组动梳齿装置中扭转梁4的另一端分别对接对应固定座，且各固定座分别设置于衬底1环形结构上内侧边上对应动梳齿装置相对接的位置；两个压阻模块3分别经诸如氧化硅层的绝缘层设置于各固定座上表面，各压阻模块3上表面分别均设置至少两个适用于惠斯通电桥的金属电极6，且各金属电极6分别通过惠斯通电桥对接其所设压阻模块3下方固定座所连的扭转梁4。
23.具体实际应用中，进一步针对各组动梳齿装置中扭转梁4上与对应固定座相连端部位置的两侧，分别设计沿对应扭转梁4方向、设置贯穿其上下面的小于对应扭转梁4长度的开槽。
24.定梳齿装置为硅片材料制成，定梳齿装置包括环形结构、以及分别对接该环形结构内侧边的各定齿条组8，定义该环形结构为上部环形结构7，上部环形结构7的内径、外径分别与衬底1环形结构的内径、外径相适应，上部环形结构7经诸如氧化硅层的绝缘层设置于衬底1环形结构上表面，且上部环形结构7上对应两组动梳齿装置中固定座与两压阻模块3的位置分别设置缺口，用于实现上部环形结构7与各固定座、各压阻模块3之间的隔离；上部环形结构7与其内侧边所连各定齿条组8共面，各定齿条组8分别均包括至少一根齿条，各定齿条组8中的各根齿条分别对接上部环形结构7内侧边，且各定齿条组8中各根齿条彼此相平行、以及相邻齿条之间等间距；上部环形结构7内侧边所连定齿条组8的数量与两组动梳齿装置中各扭转梁4上所连动齿条组5的数量相等，且上部环形结构7内侧边所连各定齿条组8的位置分别与两组动梳齿装置中各扭转梁4上所连各动齿条组5的位置一一对应，以及在垂直于衬底1所在面的方向上，各组动梳齿装置中各动齿条组5的各根齿条的投影、分别与对应位置下定齿条组8的各根齿条的投影彼此平行、且彼此相互交错。
25.并且在关于动齿条组5与定齿条组8的彼此设计应用中，具体设计各组动梳齿装置中各动齿条组5的各根齿条均与其所连扭转梁4相垂直，所述定梳齿装置中各定齿条组8的各根齿条均与其所连上部环形结构7内侧边相垂直。
26.其中一个压阻模块3的上表面与上部环形结构7上表面分别设置供电电极9；通过向各供电电极9供电，在定梳齿装置中各定齿条组8的各齿条与对应位置下动齿条组5的各齿条之间的相互作用力下，实现各组动梳齿装置相对其扭转梁4的转动，完成镜面2角度的驱动调整，并通过各惠斯通电桥经各金属电极6的输出，计算相应扭转梁4的应力状态，实现对镜面2运动的参数确定。
27.并且上述所设计具备压阻反馈的静电mems微镜，在具体的实际应用当中，针对镜
面2、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置，均设计采用电阻率低于103ω
·
cm的低阻硅，以及针对压阻模块3，具体设计通过对电阻率高于104ω
·
cm的高阻硅进行离子注入工艺制作获得。
28.本专利所设计具备压阻反馈的静电mems微镜在实际的生产获得中，具体基于如图2所示由下至上依次堆叠的衬底硅层、氧化硅层、中间硅层、氧化硅层、顶部硅层的结构，执行如下步骤a至步骤e。
29.在具体的实际实施中，顶部硅层为电阻率高于104ω
·
cm的高阻硅，并选择厚度在1~10um之间的高阻硅；所述中间硅层为电阻率低于103ω
·
cm的低阻硅，并选择厚度在30~100um之间的低阻硅；衬底硅层的电阻率不做要求，并选择厚度在300~700um之间的衬底硅层；同时衬底硅层与中间硅层之间的氧化硅层、以及中间硅层与顶部硅层之间的氧化硅层，均为0.5um~5um厚度。
30.步骤a. 针对顶部硅层上表面对应所述压阻模块3的位置，应用离子注入工艺制作所述两个压阻模块3。
31.上述步骤a在具体执行中，针对顶部硅层上表面对应所述压阻模块3的位置，应用离子注入工艺，先注入10
10
~10
17 ions/cm2剂量的硼或磷，形成压电感应区，如图3所示，再向压电感应区注入10
12
~10
20 ions/cm2剂量的硼或磷，进而实现压阻模块3的制作，如图4所示。
32.步骤b. 针对顶部硅层、以及顶部硅层与中间硅层之间的氧化硅层进行刻蚀，突出两个压阻模块3的位置、以及裸露中间硅层上表面中间对应两压阻模块3之间区域，如图5所示。
33.步骤c. 针对中间硅层上表面裸露区域中对应供电电极9的位置、以及压阻模块3上表面对应供电电极9与各金属电极6的位置，分别生长金属导电薄膜，实现各供电电极9与各金属电极6的制作，如图6所示。
34.步骤d. 针对中间硅层上表面裸露区域中对应镜面2、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置的位置，执行刻蚀操作，分别实现镜面2、定梳齿装置、以及两组动梳齿装置的制作，如图7所示。
35.步骤e. 依次如图8至图9所示，针对镜面2活动区域下方的衬底硅层、以及衬底硅层与中间硅层之间的氧化硅层进行刻蚀掏空，即完成具备压阻反馈的静电mems微镜的制造。
36.上述技术方案所设计具备压阻反馈的静电mems微镜在具体的实际应用当中，即当镜面2在工作时，通过检测多个惠斯通电桥的输出，来计算扭转梁4的应力状态，最终实时地判定镜面2偏转的角度、运动的周期等参数。
37.整个方案设计，通过压阻模块3上所设各金属电极6与对应扭转梁4之间惠斯通电桥的建立与应用，应用惠斯通电桥所具备检测应力变化的能力，以及镜面2的扭转角度与扭转梁4端部应力间的正比关系，实现对扭转梁4端部应力变化情况的检测，最终获得mems静电微镜的镜面2偏转角度，拥有直接检测高速旋转镜面2角度的优点，整个设计方案具有实时、连续检测微镜镜面2运动状态的优点，同时整个结构封装尺寸小、结构紧凑，更加节省成本。
38.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下
做出各种变化。