增强MEMS微镜抗变能力的方法与流程

本发明涉及一种增强MEMS微镜抗变能力的方法，属于微机电系统器件制造领域。

背景技术：

MEMS：MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。它是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

MEMS微镜属于微光机电器件，是一种光反射型器件，现已应用到微型投影、光通信以及激光雷达等多众领域。目前MEMS微镜的应用范围越来越广，一般工作在准静态或谐振状态，如在谐振状态下振动，速度极快，振动频率可达20kHz~30kHz。在这样的运动状态下微镜会发生动态变形使得表面平整度变差，从而严重影响入射到镜面上的光束的偏转，最终影响微镜的工作效果。而目前MEMS微镜的使用场合中多对其表面平整度有较高要求，如将微镜应用于激光扫描系统中时，微镜表面平整度就会影响反射激光的发散角从而影响投影成像的分辨率。

目前，关于MEMS微镜表面的变形的缓解改善方式，主要有：（1）通过相应的光学系统来补偿由于镜面不平整所引起的像差；该技术成本高，需要增加辅助的光学元件来搭建光学补偿系统来实现；增加了系统的复杂性，提高了在对准、调试等方面的难度。（2）直接增加微镜表面厚度；该方法在一定程度上提高微镜表面的稳定性，使得微镜在高速振动情况下的动态形变有所缓解。但是，随着扭转镜面厚度的增加，MEMS微镜的重量和转动惯量也必然会随之增加，在保证一定转动频率情况下，必然要增加扫描微镜扭转梁的扭转刚度系数，这样势必增加微镜转动相同角度所需要的驱动力矩以及扭转轴上的应力分布，增大了驱动难度，降低了微镜的抗冲击能力。同时，直接增加微镜表面厚度的方法，在加工过程中，会多一步光刻和刻蚀，从而增加了成本和操作的复杂性。

技术实现要素：

针对微镜振动时的变形，本发明的目的是提供一种增强MEMS微镜抗变能力的方法减缓微镜在高速振动时其表面的形变，从而获得相对较高的微镜表面平整度，优化MEMS在扫描、投影等方面的工作性能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

（1）理论分析

微镜受到驱动力矩作用绕扭转轴高速转动时，其表面会发生动态形变。根据S.Timoshenko的平板理论，由硅材料微镜的位移公式（公式1）：

（1）

推导出其最大动态变形公式（公式2）：

（2）

所推导的最大动态变形公式，材料为硅，微镜工作在谐振状态，动态变形δ 的值与扭转轴的尺寸（长度L_f，宽度2a，厚度2b）、微镜的尺寸（厚度t和半径L）以及扭转角度θ₀有关，公式（2）表明增加镜面厚度t可极大地降低动态形变，本发明将通过增加微镜的背部结构来减小微镜的动态变形。

在微镜的实际加工中，由于SOI（Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅）衬底的底层硅厚度比顶层硅厚度大得多（≥5倍），一般用顶层硅制作镜面和扭转轴，即镜面厚度与扭转轴的厚度是一样的（也可称之为无背部结构，称为结构一），而通过增加镜面的厚度来降低动态变形，从工艺的便捷性来说，只能保留镜面下的底层硅，要是完全保留镜面下的底层硅（即目前存在的直接增加微镜表面厚度的方法，称为结构二），这可以极大地降低微镜的动态变形，但是这部分底层硅的质量太大，会超过扭转轴的强度，使得扭转轴易断，并且会极大地降低微镜的谐振频率，因此不能单纯、机械的增加微镜厚度。因此，为了在保证扭转轴强度的前提下，本发明提出把微镜下部的底层硅做成圆环形的背部结构（本发明的结构三），这既降低了微镜的质量，保证了扭转轴的强度，又可以减缓微镜表面的动态变形。

（2）软件模拟

根据以上设计，利用COMSOL软件对三种结构进行模拟仿真对比。在保持转角θ 相同的情况下，微镜的最大动态变形分别为486nm、243.3nm、245.2nm，可明显看到圆环背部结构的增加可以降低动态变形量；并且结构三与结构二的动态变形是相近的，但是结构二会增加加工的难度，出于加工便捷性的考虑，本发明采用结构三的圆环结构来降低MEMS微镜的动态变形。

根据以上发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种增强MEMS微镜抗变能力的方法：在MEMS微镜背部增加圆环结构来改善和缓解MEMS微镜在高速转动下的动态形变。

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，微镜的形状为圆形；

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，背部结构的形状为圆环；

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，圆环的外径不超过微镜的直径，内径大于零。

本发明的方法和目前的通过相应光学系统来补偿镜面不平整所引起的像差的方法相比，具有以下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：a. 本发明的应用范围更加广泛，它不仅适用于微镜静态形变的情况，也是用于任何微镜动态形变的情况；b. 由于本发明只需要在MEMS微镜制作过程中增加一步简单的刻蚀即可实现，而不需要增加辅助的相应光学系统来补偿，所以它成本更低、系统更加简单、体积更加精巧、可操作性更强。

本发明可以在保证MEMS微镜其他性能稳定良好的情况下，可以同时提高微镜表面平整度。和目前现有的直接增加微镜本身厚度的方法相比它最大的优势就是可以保证微镜一定的转动频率、偏转角度、驱动力矩和扭转轴应力等性能稳定良好。因为本发明的设计，不仅通过增加微镜背部结构从而增加小部分质量，来提高微镜表面的稳定性、增大微镜偏转角度；同时通过仿真设计出不同形状和尺寸的背部结构，从而提升微镜表面平整度、减小微镜转动过程中的阻尼。

附图说明

图1为微镜振动时的变形示意图。

图2为无背部结构的微镜三维图（结构一）。

图3为有背部圆柱结构的微镜三维图（结构二）。

图4为本发明的有背部圆环结构的微镜三维图（结构三）。

图5为结构一的动态变形模拟图。

图6为结构二的动态变形模拟图。

图7为本发明的结构三的动态变形模拟图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一

参见图4，本增强MEMS微镜抗变能力的方法，其特征在于：在MEMS微镜背部增加圆环结构来改善和缓解MEMS微镜在高速转动下的动态形变。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，微镜的形状为圆形；

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，背部结构的形状为圆环；

所述增强MEMS微镜抗变能力的方法，圆环的外径不超过微镜的直径，内径大于零。

实施例三

本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：

设置微镜结构参数，L =0.5mm，L_f=0.5mm，a =30um，b =15um，保持微镜的转角相同，通过对比图2所示结构一（t =30um）与图3所示结构二（t =23um）的动态变形，最大动态变形的值分别为486nm、243.3nm，说明背部圆柱能显著降低微镜的动态变形。通过设置微镜背部圆环的内径和外径分别为0.72mm、0.9mm，厚度t =100um，即本实施例的图4所示结构三，此时微镜的最大动态变形为245.2nm，结构二与结构三的动态形变相近，但是本实施例的结构三易于加工，可以省去一步光刻和刻蚀，节省成本，结构三是减小动态形变的极佳方案。图5、图6、图7分别示出结构一、结构二和本实施例的结构三的动态变形模拟图。