专利名称：声表面波驱动的二维微光学平台及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微细加工技术领域的光学平台及其制造方法，具体是一种 声表面波驱动的二维微光学平台及其制造方法。
技术背景微光学技术是现代光学的核心技术之一，它是人类进入信息化社会后认识 自然世界所必不可少的重要手段。随着认识范围的扩展和认识层次不断地深入， 人类不仅自身需要直接使用多种光学器件，而且，各种工具、仪器和设备也需 要依靠各类微小光学器件包括二维微光学平台来提高其智能化和集成化程度。 这种日益增长的社会需求，传统的光学技术已难以满足，采用微细加工技术制 造的集成光学技术将是满足这种要求的有效技术。在美国和日本等技术发达国 家政府和社会的重视和积极资助下，已经开发出具有较高实用价值的集成光学 平台，并成功地应用于各种自动化仪器设备中。声表面波(SAW)是沿基片和低密 度介质之间传播的机械振荡。沉积在压电材料基片之上的电极构成声-电换能 器。射频信号通过电极引起基片表面伸展与收縮，产生表面波。基于声表面波 技术的滤波器已经广泛应用于移动电话和电视中。声表面波技术也能够用于设 计传感器与驱动器。SAW器件特点是体积小、重量轻；设计灵活方便。器件的幅 度和相位可分别设计，这大大提高了其设计的灵活性；SAW器件制造采用半导体 平面工艺，适于批量生产，性价比高；重复性好、可靠性高；工作频率高。已 研制成功的各类新型SAW器件及组件，应用于各种电子、通信系统。经对现有技术文献的检索发现，发表在《声学学报》2003年28巻2期123-126 页上的《声表面波驱动的转动马达研究》是声表面波驱动器的一个应用，这种 声表面波驱动的微型马达的结构是在压电基片表面光刻两对叉指换能器(IDT) 并以相反方向激发两列平行的瑞利波形成定子。将转子放置在压电基片表面两 列表面波的传播路径上，在压电材料表面以相反方向激发两列平行的瑞利波会使得基片与其上部的转子间存在局部地相对运动，在滑动摩擦力偶的作用下转 子经过加速后运动趋于稳定。由于这种声表面波转动马达的转子与转轴之间附 加的摩擦力声表面波转动马达运动起来比声表面波线性马达要困难些，并且不 适合用于微光学平台的驱动。 发明内容本发明针对现有技术的不足，提供一种声表面波驱动的二维微光学平台， 使其利用声表面波驱动，微细加工制造等技术，形成一个可精密控制，精密调 节的微光学系统的平台。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及的声表面波驱动的二维微光学平台，包括基底、叉指换能器 和滑动镜面。其中，基底是128° Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指 电极形成的叉指换能器，由硅材料加工而成的滑动镜面是活动部件，它置于基 底之上。本发明工作原理是叉指换能器将电信号转换成声波信号，在铌酸锂表面 产生的声表面波沿表面传播，既而驱动基底上面的滑动镜面运动。本发明设计了四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器结构，来实 现滑动镜面的二维平面驱动，可以通过调节加在四个叉指换能器电极的射频电 源开关来控制滑动镜面的左右(X向)、上下(Y向)运动，滑动镜面的运动速 率与所加电源的电压大小成正比。并且由于基底表面振幅随着射频频率在数十 纳米范围可调，所以该二维微光学平面镜的运动精度可达纳米级。本发明涉及的声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，包括如下步骤:① 四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器加工；② 滑动镜面的微加工；所述的四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器的加工，具体为首 先，在铌酸锂基底上溅射一层A1。其次，在A1层上涂敷光刻胶，进行光刻形成 光刻胶图形。然后，对A1进行刻蚀。最后去除光刻胶得到叉指换能器结构。所述的滑动镜面的微加工，具体为首先，根据光学平台要求设计硅滑块的 大小，其次，为了实现滑动镜面与基底之间的摩擦力驱动，需要在硅材料与基 底的接触面加工很多圆形突起。最后，在硅滑块上进行铝的蒸镀工艺形成滑动镜面。与现有技术相相比，本发明涉及的声表面波驱动的二维微光学平台是利用在 铌酸锂表面产生的声表面波沿表面传播来驱动基底上面的滑动镜面运动。整个 加工过程完全可以通过基于半导体材料微制造方法来制作，该结构可以通过调 节加在四个叉指换能器电极的射频电源开关来控制滑动镜面的左右(X向)上下 (Y向)运动，滑动镜面的运动速率与所加电源的电压大小成正比。并且由于基 底表面振幅随着射频频率在数十纳米范围可调，所以该二维微光学平面镜的运 动精度可达纳米级。
图l是本发明声表面波驱动的二维微光学平台的结构示意图。 图2是本发明声表面波驱动的二维微光学平台的原理示意图，其中图a、 b分 别是滑动镜面在叉指换能器作用下向左、右运动的示意图。图3是本发明声表面波驱动的二维微光学平台中叉指换能器的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保 护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例涉及的声表面波驱动的二维微光学平台，包括基底l、叉指换能器2和滑动镜面3。其中，基底是12S。 Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相 互交叉的叉指电极形成的叉指换能器2，由硅材料加工而成的滑动镜面3是活动 部件，它置于基底l之上。叉指换能器2将电信号转换成声波信号，在铌酸锂表 面产生的声表面波沿表面传播，既而驱动基底1上面的滑动镜面3运动。本实施例设计了四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器2结构，来 实现滑动镜面3的二维平面驱动，如图2a所示，当左面的射频电源的开关闭合， 右边的射频电源开关打开，叉指换能器产生右向的SAW，滑动镜面在左向摩擦力 的作用下向左运动；反之，如图2b所示，当左面的射频电源的开关打开，右边 的射频电源的开关闭合，叉指换能器产生左向的SAW，滑动镜面在右向摩擦力的 作用下向右运动。同理，可以实现滑动镜面的上下运。这样就可以通过调节加 在四个叉指换能器2电极的射频电源开关来控制滑动镜面3的左右(X向)上下(Y向)运动，滑动镜面3的运动速率与所加电源的电压大小成正比。并且由于基底 l表面振幅随着射频频率在数十纳米范围可调，所以该二维微光学平台的运动精 度可达纳米级。本实施例涉及的声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，包括如下步骤① 四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器加工如图3所示，首先，在铌酸锂基底上以1000rpm(转/分)下转5秒，3500rpm下 转25秒的工艺条件涂敷负的光刻胶；其次，在曝光量为35mJ/cm2的条件下进行光 刻形成光刻胶图形；然后，在所得的具有光刻胶图形上的基底上溅射A1，工艺 条件是在0.6Pa的Ar气条件下溅射40分钟，溅射功率为600W。最后去除光刻胶得 到如图l所示的叉指换能器结构。该结构可以通过调节加在四个叉指换能器电极 的射频电源开关来控制滑动镜面的左右(X向)上下(Y向)运动，滑动镜面的 运动速率与所加电源的电压大小成正比，并且由于基底表面振幅随着射频频率 在数十纳米范围可调，所以该二维微光学平面镜的运动精度可达纳米级。② 滑动镜面的微加工；首先，根据光学平台要求设计硅滑块的大小，其次，在硅材料的与基底的接 触面加工很多圆形突起。最后，在硅滑块上进行铝的蒸镀工艺形成滑动镜面。本实施例涉及的声表面波驱动的二维微光学平台结构尺寸40*40咖2，叉指换 能器叉指换能器的电极线宽为50um，周期长度200um，工作孔径为20mm,对数40 对。当加在叉指换能器上20MHz， 60V的驱动电压时，直径2咖大小的滑动镜面左 右(X向)的最大能达驱动速度达50cm/s，驱动精度在50nra左右。本实施例制作的声表面波驱动的二维微光学平台整个加工过程完全可以通 过基于半导体材料微制造方法来制作，该结构可以通过调节加在四个叉指换能 器电极的射频电源开关来控制滑动镜面的运动，并且由于基底表面振幅随着射 频频率在数十纳米范围可调，所以该二维微光学平面镜的运动精度可达纳米级。
权利要求
1.一种声表面波驱动的二维微光学平台，其特征在于，包括基底、叉指换能器和滑动镜面，其中，基底是128°Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极形成的叉指换能器，滑动镜面是活动部件，它置于基底之上。
2. 根据权利要求1所述的声表面波驱动的二维微光学平台，其特征是，所述 叉指换能器有四个，关于微光学平台中心相互对称，用来实现滑动镜面的二维 平面驱动。
3. 根据权利要求1或2所述的声表面波驱动的二维微光学平台，其特征是，所 述滑动镜面，其左右、上下运动通过调节加在四个叉指换能器电极的射频电源 开关来控制。
4. 根据权利要求3所述的声表面波驱动的二维微光学平台，其特征是，所述 滑动镜面的运动速率与所加电源的电压大小成正比。
5. 根据权利要求1或2所述的声表面波驱动的二维微光学平台，其特征是， 所述滑动镜面，其材料为硅材料。
6. —种声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，其特征在于，包括如下 步骤① 四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器加工；② 滑动镜面的微加工；所述的四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器的加工，具体为 首先，在铌酸锂基底上溅射一层A1，其次，在A1层上涂敷光刻胶，进行光刻 形成光刻胶图形；然后，对A1进行刻蚀，最后去除光刻胶得到叉指换能器结构；所述的滑动镜面的微加工，具体为首先，根据光学平台要求设计硅滑块的大小，其次，在硅材料与基底的接触面加工很多圆形突起，最后，在硅滑块上进行铝的蒸镀工艺形成滑动镜面。
7. 根据权利要求6所述的声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在铌酸锂基底上以1000rpm下转5秒的工艺条件涂 敷负的光刻胶。
8. 根据权利要求6所述的声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，其特 征是，所述的涂敷光刻胶，在铌酸锂基底上以3500rpm下转25秒的工艺条件涂 敷负的光刻胶。
9. 根据权利要求6或者7或者8所述的声表面波驱动的二维微光学平台的制 造方法，其特征是，所述的涂敷光刻胶，在曝光量为35mJ/cm2的条件下进行光 刻形成光刻胶图形。
10. 根据权利要求9所述的声表面波驱动的二维微光学平台的制造方法，其 特征是，所述的涂敷光刻胶，在所得的具有光刻胶图形上的基底上溅射Al，工 艺条件是在0. 6Pa的Ar气条件下溅射40分钟，溅射功率为600W。
全文摘要
一种微细加工技术领域的声表面波驱动的二维微光学平台及其制造方法。本发明二维微光学平台包括基底、叉指换能器和滑动镜面，其中，基底是128°Y-X的铌酸锂单晶体，其上是相互交叉的叉指电极形成的叉指换能器，滑动镜面是活动部件，它置于基底之上。本发明设计了四个关于微光学平台中心相互对称的叉指换能器，来实现滑动镜面的二维平面驱动。可以通过调节加在四个IDT电极的射频电源开关来控制滑动镜面的左右、上下运动。方法步骤①四个关于微光学平台中心相互对称的IDT加工；②滑动镜面的微加工。本发明整个加工过程完全可以通过基于半导体材料微制造方法来制作，平台的运动精度可达纳米级。
文档编号G02B26/08GK101236299SQ200810032749
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月17日 优先权日2008年1月17日
发明者张俊峰, 李以贵 申请人:上海交通大学