一种MEMS扫描镜的制作方法

本发明涉及微光机电装置领域，特别是涉及一种mems扫描镜。

背景技术：

光学扫描镜作为光学扫描核心部件在投影显示、光学成像等系统中具有重要的作用。mems扫描镜与传统光学扫描镜相比，除了具备mems器件所共有的成本低、易于实现批量生产外，还具有更好的光学和机械性能，尤其在动态响应以及功耗方面的优点更为突出。

在mems光学器件和系统中的执行机构必须具备尺寸小、驱动性能好、工作准确、低功耗、可靠性高、易于制造等特性。

目前，mems扫描镜具有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热驱动等多种驱动方式。热驱动的响应过慢，电磁驱动体积较大，都不适用于高速、小型化的发展趋势。市面上的mems扫描镜大多采用静电驱动的方式，但静电驱动的吸合效应限制了扫描镜的偏角。压电薄膜也存在相同的问题，因为压电薄膜的伸长量有限，想要实现大的位移或偏转，就需要增大驱动电压。但大的驱动电压容易将压电薄膜击穿，同时带来许多附加效应，增加电路的复杂性。大的驱动电压也对压电薄膜的质量提出了较高的要求，增加薄膜沉积的难度。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种mems扫描镜。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种mems扫描镜，包括反射镜面，还包括两个压电陶瓷块、两个压电驱动臂、两个横梁以及两个扭转梁，所述两个压电陶瓷块之间具有间隔距离，所述两个压电驱动臂分别设置在所述两个压电陶瓷块上，所述两个横梁并联连接在所述两个压电驱动臂之间，所述两个扭转梁与所述反射镜面串联连接在所述两个横梁之间，且所述反射镜面连接于所述两个扭转梁之间；所述两个压电驱动臂所加电压相反，使得所述两个压电驱动臂产生相反方向的弯曲，从而通过所述两个横梁和所述两个扭转梁带动所述反射镜面发生偏转；所述两个压电陶瓷块所加电压相反，使得所述两个压电陶瓷块在垂直所述反射镜面方向产生相反方向的形变，从而通过所述两个横梁和所述两个扭转梁带动所述反射镜面发生偏转，并与所述压电驱动臂引起的所述反射镜面的偏转角叠加，放大所述反射镜面的偏转角。

进一步地：

所述压电驱动臂包括设置在所述压电陶瓷块上的弹性衬底、设置在所述弹性衬底上的下薄膜电极层、上薄膜电极层及在两薄膜电极层之间的压电薄膜层。

所述压电驱动臂还包括设置在所述下薄膜电极层与所述弹性衬底之间的缓冲材料层。

所述两个压电陶瓷块、所述两个压电驱动臂、所述两个横梁、所述两个扭转梁均以所述反射镜面为中心对称设置。

所述弹性衬底为soi晶片，厚550-600微米。

所述两个压电陶瓷块、所述两个压电驱动臂、所述两个横梁、所述两个扭转梁均为长方体形，所述反射镜面为圆饼形，所述两个压电陶瓷块和所述两个压电驱动臂的长度方向平行于所述两个扭转梁，所述两个横梁垂直于与所述两个扭转梁。

所述压电驱动臂的长度为2.2毫米，宽度为0.8毫米，所述下薄膜电极层与所述上薄膜电极层的厚度为0.2微米，所述压电薄膜层的厚度为2微米。

所述横梁的长度为2毫米，宽度为0.1毫米；所述扭转梁的长度为0.4毫米，宽度为50微米。

所述反射镜面的直径为1.2毫米，厚度为80-100微米。

所述压电陶瓷块的尺寸为2.2mm×1.0mm×1.3mm。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了一种由压电薄膜和压电陶瓷块共同驱动的mems扫描镜，采用本发明的mems扫描镜结构，一方面，对两个压电驱动臂施加相反电压时，所述两个压电驱动臂产生相反方向的弯曲，从而通过所述两个横梁和所述两个扭转梁带动所述反射镜面发生偏转，另一方面，对所述两个压电陶瓷块施加相反电压时，所述两个压电陶瓷块在垂直所述反射镜面方向产生相反方向的形变，从而通过所述两个横梁和所述两个扭转梁带动所述反射镜面发生偏转，并与所述压电驱动臂引起的所述反射镜面的偏转角叠加，从而放大所述反射镜面的偏转角。这种方案在实现反射镜面大偏转角的同时能够缩小整个扫描系统的体积，具有很高的集成度，而且其结构简单，可全部使用mems工艺制造，具有很高的器件可靠性，较低的工艺复杂度，较高的制造成品率，易加工，适合批量生产。同时，本发明的mems扫描镜能够实现较高的工作频率，降低了驱动电压和功耗，具有很好的器件驱动性能。

附图说明

图1为本发明一种实施例的mems扫描镜结构示意图。

图2为本发明一种实施例的mems扫描镜的剖面示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1和图2，在一种实施例中，一种mems扫描镜，包括两个压电陶瓷块10、两个压电驱动臂2、两个横梁3、两个扭转梁4以及反射镜面5，所述两个压电陶瓷块10之间具有间隔距离，所述两个压电驱动臂2分别设置在所述两个压电陶瓷块10上，所述两个横梁3并联连接在所述两个压电驱动臂2之间，所述两个扭转梁4与所述反射镜面5串联连接在所述两个横梁3之间，且所述反射镜面5连接于所述两个扭转梁4之间；所述两个压电驱动臂2所加电压相反，使得所述两个压电驱动臂2产生相反方向的弯曲，从而通过所述两个横梁3和所述两个扭转梁4带动所述反射镜面5发生偏转；所述两个压电陶瓷块10所加电压相反，使得所述两个压电陶瓷块10在垂直所述反射镜面5方向产生相反方向的形变，从而通过所述两个横梁3和所述两个扭转梁4带动所述反射镜面5发生偏转，并与所述压电驱动臂2引起的所述反射镜面5的偏转角叠加，放大所述反射镜面5的偏转角。

本发明实施例的mems扫描镜由两个压电驱动臂2和两个压电陶瓷块10共同驱动，能够以简单而可靠的方式放大扫描镜的偏转角，获得较大的光学视场。该mems扫描镜结构能够实现较高的工作频率和较大的驱动力，并具有很高的器件可靠性，且其结构简单，易于加工。

在优选的实施例中，所述压电驱动臂2包括设置在所述压电陶瓷块10上的弹性衬底1、设置在所述弹性衬底1上的下薄膜电极层7、上薄膜电极层8及在两薄膜电极层之间的压电薄膜层9。

所述压电驱动臂2可以是在弹性衬底1上沉积压电复合膜层而形成，并通过横梁3和扭转梁4与反射镜面5相连接。由于反射镜面5两侧的压电驱动臂2所加电压相反，弹性层的变形方向相反，从而通过横梁3带动反射镜面5偏转。反射镜面5两侧的压电陶瓷块10所加电压相反，在垂直镜面方向产生相反的形变，从而带动反射镜面5的偏转，放大扫描镜的偏转角。

在更优选的实施例中，所述压电驱动臂2还包括设置在所述下薄膜电极层与所述弹性衬底1之间的缓冲材料层6。因此，本实施例的压电驱动臂2是由弹性衬底1、在弹性衬底1上的缓冲材料层6、复合叠加的下薄膜电极层7、上薄膜电极层8及在下薄膜电极层7与上薄膜电极层8之间的压电薄膜层9组成。

在优选的实施例中，所述两个压电陶瓷块10、所述两个压电驱动臂2、所述两个横梁3、所述两个扭转梁4均以所述反射镜面5为中心对称设置。所述反射镜面5摆置在两侧压电驱动臂2的对称轴上，同时也在两侧横梁3的对称轴上。所述扭转梁4经过所述反射镜面5的中心。

在优选的实施例中，所述弹性衬底1可以为soi晶片，较佳的厚度为550-600微米。所述压电驱动臂、横梁、扭转梁均可采用mems工艺制造。所述压电陶瓷块采用具有压电特性的电子陶瓷材料。

在优选的实施例中，所述两个压电陶瓷块10、所述两个压电驱动臂2、所述两个横梁3、所述两个扭转梁4均为长方体形，所述反射镜面5为圆饼形，所述两个压电陶瓷块10和所述两个压电驱动臂2的长度方向平行于所述两个扭转梁4，所述两个横梁3垂直于与所述两个扭转梁4。

在特别优选的实施例中，所述压电驱动臂2的长度为2.2毫米，宽度为0.8毫米。所述下薄膜电极层与所述上薄膜电极层的厚度为0.2微米，所述压电薄膜层的厚度为2微米。

在特别优选的实施例中，所述横梁3的长度为2毫米，宽度为0.1毫米；所述扭转梁4的长度为0.4毫米，宽度为50微米。

在特别优选的实施例中，所述反射镜面5的直径为1.2毫米，厚度为80-100微米。

在特别优选的实施例中，所述压电陶瓷块10的尺寸为2.2mm×1.0mm×1.3mm。

工作时，在压电驱动臂2的上薄膜电极层8、下薄膜电极层7施加相反极性的驱动电压，压电驱动臂2中的压电薄膜层9由于压电效应发生拉伸或压缩，弹性衬底1伴随着压电薄膜层9的拉伸或压缩发生弯曲，从而整个压电驱动臂2向下或向上发生弯曲。左右两个压电驱动臂2所加电压相反，因此两个压电驱动臂2弯曲方向相反，从而通过横梁和扭转梁带动反射镜面发生偏转。另一方面，沿两个压电陶瓷块10的极化方向施加电场。对反射镜面的两侧的压电陶瓷块施加相反的电场，产生相反方向的伸缩，从而两侧的弹性衬底1产生高度差，使横梁形变倾斜，通过扭转梁使反射镜扭转一定角度，与压电薄膜驱动引起的反射镜面偏转角叠加，放大扫描镜的偏转角。当两侧的压电陶瓷块以反射镜面为中心对称放置时，反射镜面就会沿中心发生偏转。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。