数字微镜阵列芯片制备方法及数字微镜阵列芯片与流程

1.本文件涉及微纳加工、光电器件技术领域，尤其涉及一种数字微镜阵列芯片制备方法及数字微镜阵列芯片。
2.

背景技术：

3.数字微镜阵列芯片是一种阵列排布，可独立寻址控制的，可产生调制参量为数字化状态位的微纳结构器件。
4.微纳结构通常是指具有亚波长尺寸的形貌特征构成。该尺度下，表面结构形貌可产生独特的物理特性。通过改变微纳结构的形状、尺寸以及材料可以实现对入射光的振幅、位相、偏振态的调制，实现光场的调控并产生特殊的光学效应。
5.随着光电产业的小型化、微型化发展，如各类可穿戴设备，需要更小的光控阵列器件，以实现光“开关”或能量调节等功能。数字微镜芯片作为一种可动态调制的微纳结构形式，在此方面具有效果。
6.由于数字微镜芯片是一种微纳尺度的高精密集成器件，其像素密度、调制角度、“开关”速度、稳定性、制备工艺、材料等方面，有一定局限和性能平衡难度。
7.在已有的一些针对数字微镜芯片的公开报道中。有采取静电力驱动的扭杆式微结构，该结构在制备上具有一定优势，但扭转力具有较明显的非线性特征，扭动特性限制了调制角度，同时也增加了调控难度。还有一种基于铰链连接，悬臂梁支撑的微型反射镜结构，该方法单像素尺寸通常在数个甚至十个微米量级，该尺度的像素尺度限制了“开关”速度的进一步提升。同时，此类结构为多层三维结构，制备工艺复杂，成品率低。
8.

技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种数字微镜阵列芯片制备方法及数字微镜阵列芯片，旨在解决现有技术中的上述问题。
10.本发明提供一种数字微镜阵列芯片制备方法，包括：根据所需要的入射光调制目标设计所需的微镜结构和阵列排布，并根据设计的所述微镜结构和阵列排布在纳米薄膜上加工数字微镜阵列；根据所述微镜结构、所述阵列排布以及所需的入射光调制目标在微镜结构处制备对单个微镜结构独立控制的外部驱动电路；将所述数字微镜阵列和所述外部驱动电路进行封装，形成数字微镜阵列芯片。
11.本发明提供一种数字微镜阵列芯片，包括：纳米薄膜，用于承载微镜阵列；微镜阵列，包括多个微镜结构，设置于所述纳米薄膜上，用于在外部驱动电路的控制下产生三维形变；
外部驱动电路，包括多个透明电极，分别通过绝缘层设置于微镜结构下侧，用于根据施加的外部电压，通过多个透明电极对单个微镜结构进行独立控制。
12.采用本发明实施例，纳米形变结构可以高效实现的三维结构制备。借助外部驱动，例如静电力、磁场力等可实现三维结构的动态控制。通过像素阵列化，独立像素控制方法，进而实现微镜芯片对光在阵列维度上的“开关”及能量调制。
13.附图说明
14.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明实施例的数字微镜阵列芯片制备方法的流程图；图2是本发明实施例的数字微镜阵列芯片制备方法的详细处理的流程图；图3a是本发明实施例的基于纳米形变制造工艺的微镜单元结构顶视图；图3b是本发明实施例的基于纳米形变制造工艺的微镜单元结构等轴侧视图；图3c是本发明实施例的基于纳米形变制造工艺的微镜单元结构前视图；图3d是本发明实施例的基于纳米形变制造工艺的微镜单元结构等轴侧视图；图4a是本发明实施例的为单像素微镜施加外部电压的电极前视图；图4b是本发明实施例的为阵列提供可独立控制的外部电压的电极顶视图；图5a是本发明实施例的是未对微镜结构施加外部电压信号时表面结构对入射光的调制示意图；图5b是本发明实施例的对单像素结构施加了外部电压信号后，表面结构对入射光的调制示意。
16.具体实施方式
17.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
18.方法实施例根据本发明实施例，提供了一种数字微镜阵列芯片制备方法，图1是本发明实施例的数字微镜阵列芯片制备方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的数字微镜阵列芯片制备方法具体包括：步骤101，根据所需要的入射光调制目标设计所需的微镜结构和阵列排布，并根据设计的所述微镜结构和阵列排布在纳米薄膜上加工数字微镜阵列；步骤101具体包括：采用微加工技术在纳米薄膜上加工剪裁出一个预定的图案，确定微镜结构，并进
一步确定阵列排布，并根据设计的所述微镜结构和阵列排布在纳米薄膜上加工数字微镜阵列，其中，所述微镜结构包括一个中心镜面区域，并连接回转（蛇形或多个弓字型）剪切结构。
19.步骤102，根据所述微镜结构、所述阵列排布以及所需的入射光调制目标在微镜结构处制备对单个微镜结构独立控制的外部驱动电路；步骤102具体包括：在微镜结构下侧制备透明电极，并通过绝缘材料与加工面连接，基于所述阵列排布，加工多个透明电极组成阵列电极，形成对单个微镜结构独立控制的外部驱动电路。
20.步骤103，将所述数字微镜阵列和所述外部驱动电路进行封装，形成数字微镜阵列芯片。步骤103具体包括：通过为所述数字微镜阵列芯片施加外部电压，使所述微镜结构受到静电力的作用使蛇形结构形成形变拉伸，最终使得中心镜面区域整体发生角度偏转，从而产生三维形变，其中，所述微镜结构的工作镜面随着电压的增加逐渐远离所述纳米薄膜的平面，实现对纳米剪纸结构的形变调制。
21.此外，本发明实施例中，为所述数字微镜阵列芯片施加外部电压，通过所述外部驱动电路控制所述数字微镜阵列中的微镜结构的形变。
22.以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
23.根据本发明实施例的基于纳米形变制造技术的数字微镜芯片包含一块由纳米技术制备的微镜表面，并附加外部电压驱动设备作为电信号输入模块，最后对整体进行芯片封装。其中所设计的微镜单元作为调制单元呈部分悬空式地排列在上表面，单个结构单元的尺寸为3微米。当施加电信号后外部电场对悬空的微镜结构施加库仑力进而引发微镜结构的弹性形变，改变微镜结构对入射光的响应特性，实现对光强度的动态、可寻址调控。封装后芯片通过电极可引入外部驱动电压，完成工程化应用。
24.如图2所示，根据本发明实施例的基于纳米形变制造技术的数字微镜芯片制备方法具体体包括：第一步，依据所需要的入射光调制目标设计并加工所需的微镜结构和阵列排布。如图3a和图3b所示，首先采用聚焦离子束或电子束曝光等微加工技术在纳米导电薄膜（金、铝等材料）上加工剪裁出一个预定的图案（并不局限于本实施的纳米形变结构）。本实施例所选取的微镜结构由一个中心镜面区域连接蛇形剪切结构组成，且施加垂直加工平面的外界应力后。其中结构单元尺寸为3
×
3微米，中心镜面尺寸为2.6
×
2.1微米。如图3c所示的微镜结构单元，包括金属结构层、绝缘层以及衬底，其中，v表示施加给微镜结构单元的电压，蛇形结构（即上述回转剪切结构）形成形变拉伸，最终使得中心工作镜面整体发生角度偏转，本实例为15
°
。如图3d所示，依据排布设计，进行阵列制备。
25.第二步，依据所设计的二维微镜图案结构以及所需的光学调制目标在微镜结构单元处制备外部驱动电路。如图4a所示，在微镜结构下侧制备透明电极，并通过绝缘材料与加工面连接。如图4b所示，示出了上层纳米形变结构和下层电极结构，本示例中，绝缘层厚685纳米。基于像素阵列排布，加工多个阵列电极，为单像素结构提供独立可控的外部电压信号。
26.第三步，进行阵列结构的封装，形成通过外部电压信号可独立驱动各像素结构的数字微镜芯片。
27.第四步，通过施加外部电信号，本实例所采取的微镜结构受到静电力的作用进而产生三维形变，其中工作镜面随着电压信号的增加逐渐远离初始纳米薄膜平面，实现对纳米剪纸结构的形变调制。如图5a和图5b所示，图5a和图5b中的方框代表探测器，用于探测反射光，0和1反射光的两个位置，v表示施加给微镜结构单元的电压，v1表示电压v的具体赋值，v1不为零，入射光角度不变，随着镜面表面角度的偏转，反射光角度发生改变并获得所设计的调制。本实例中，微镜结构偏转15
°
，可调制出射光角度偏转30
°
。最终通过施加外部信号实现对入射光角度的像素级动态调制。本发明实施例方法所涉及调制效果包括但不限于出射光的振幅、位相，所需调制效果可以由不同几何形状的微镜结构所实现。
28.本实施例所采用的基于纳米形变结构的数字微镜芯片，能够通过改变外部输入信号实现对微镜结构的空间形变控制，进而实现对出射光特性的动态调制，可用于数字光学处理、波前整形、信息加密、动态全息显示等领域。
29.从上述描述可以看出，本发明实施例给出了一种微镜单元结构。该结构可通过聚焦离子束、电子束曝光等技术将结构阵列加工至纳米薄膜上，再通过外界电压信号的输入实现纳米结构的三维形变，进而改变其光学响应，实现出射光特性的调控。外界电信号的引入可以实现微镜单元的连续弹性形变，借此实现对入射光的动态调制。
30.作为新型三维微纳加工技术，纳米形变结构可以高效实现的三维结构制备。借助外部驱动，例如静电力、磁场力等可实现三维结构的动态控制。通过像素阵列化，独立像素控制方法，进而实现微镜芯片对光在阵列维度上的“开关”及能量调制。同时，该方法易于集成化。
31.综上所述，在本发明实施例中：1、为获得微米/百纳米级像素结构，涉及一种纳米结构形变技术，可实现三维可形变纳米结构的制备。不同的光学调制效果，可通过对结构设计参数的优化实现。可调制像素阵列，通过聚焦离子束、电子束曝光、纳米压印等微加工技术，加工至纳米薄膜表面。
32.2、为使像素结构独立的动态控制，实现出射光调制效果，需要在纳米薄膜外添加外部电压驱动单元。基于纳米形变技术制备的二维结构在外部电压的静电力作用下发生弹性形变，形成三维结构，实现对出射光特性的调制。
33.3、为提升数字微镜芯片性能，在纳米形变加工技术工艺下，可以实现百纳米精度的加工制备，可以实现更小的微镜单元，获得更快的调制速率与更高的像素密度。
34.装置实施例根据本发明实施例，提供了一种数字微镜阵列芯片，如图3a、图3b、图3c、图3d、图4a、图4b、图5a、图5b所示，根据本发明实施例的数字微镜阵列芯片具体包括：纳米薄膜，用于承载微镜阵列；微镜阵列，包括多个微镜结构，设置于所述纳米薄膜上，用于在外部驱动电路的控制下产生三维形变；所述微镜结构包括一个中心镜面区域，并连接蛇形剪切结构，其中，所述微镜结构的尺寸为3
×
3微米，所述中心镜面区域的尺寸为2.6
×
2.1微米。
35.外部驱动电路，包括多个透明电极，分别通过绝缘层设置于微镜结构下侧，用于根据施加的外部电压，通过多个透明电极对单个微镜结构进行独立控制。所述绝缘层厚为685纳米。所述微镜结构的偏转角度为15
°
。所述微镜结构的出射光的偏转角度为30
°
。
36.具体地，根据本发明实施例的基于纳米形变制造技术的数字微镜芯片包含一块由
纳米技术制备的微镜表面，并附加外部电压驱动设备作为电信号输入模块，最后对整体进行芯片封装。其中所设计的微镜单元作为调制单元呈部分悬空式地排列在上表面，单个结构单元的尺寸为3微米。当施加电信号后外部电场对悬空的微镜结构施加库仑力进而引发微镜结构的弹性形变，改变微镜结构对入射光的响应特性，实现对光强度的动态、可寻址调控。封装后芯片通过电极可引入外部驱动电压，完成工程化应用。
37.如图3a和图3b所示，首先采用聚焦离子束或电子束曝光等微加工技术在纳米导电薄膜（金、铝等材料）上加工剪裁出一个预定的图案（并不局限于本实施的纳米形变结构）。本实施例所选取的微镜结构由一个中心镜面区域连接蛇形剪切结构组成，且施加垂直加工平面的外界应力后。其中结构单元尺寸为3
×
3微米，中心镜面尺寸为2.6
×
2.1微米。如图3c所示，的微镜结构单元，包括金属结构层、绝缘层以及衬底，其中，v表示施加给微镜结构单元的电压，蛇形剪切结构（即上述回转剪切结构）形成形变拉伸，最终使得中心工作镜面整体发生角度偏转，本实例为15
°
。如图3d所示，依据排布设计，进行阵列制备。
38.依据所设计的二维微镜图案结构以及所需的光学调制目标在微镜结构单元处制备外部驱动电路。如图4a所示，在微镜结构下侧制备透明电极，并通过绝缘材料与加工面连接。如图4b所示，示出了上层纳米形变结构和下层电极结构，本示例中，绝缘层厚685纳米。基于像素阵列排布，加工多个阵列电极，为单像素结构提供独立可控的外部电压信号。
39.通过施加外部电信号，本实例所采取的微镜结构受到静电力的作用进而产生三维形变，其中工作镜面随着电压信号的增加逐渐远离初始纳米薄膜平面，实现对纳米剪纸结构的形变调制。如图5a和图5b所示，入射光角度不变，随着镜面表面角度的偏转，反射光角度发生改变并获得所设计的调制。其中，图5a和图5b中的方框代表探测器，用于探测反射光，0和1反射光的两个位置。v表示施加给微镜结构单元的电压，v1表示电压v的具体赋值，v1不为零，本实例中，微镜结构偏转15
°
，可调制出射光角度偏转30
°
。最终通过施加外部信号实现对入射光角度的像素级动态调制。本发明实施例方法所涉及调制效果包括但不限于出射光的振幅、位相，所需调制效果可以由不同几何形状的微镜结构所实现。
40.本实施例所采用的基于纳米形变结构的数字微镜芯片，能够通过改变外部输入信号实现对微镜结构的空间形变控制，进而实现对出射光特性的动态调制，可用于数字光学处理、波前整形、信息加密、动态全息显示等领域。
41.从上述描述可以看出，本发明实施例给出了一种微镜单元结构。该结构可通过聚焦离子束、电子束曝光等技术将结构阵列加工至纳米薄膜上，再通过外界电压信号的输入实现纳米结构的三维形变，进而改变其光学响应，实现出射光特性的调控。外界电信号的引入可以实现微镜单元的连续弹性形变，借此实现对入射光的动态调制。
42.作为新型三维微纳加工技术，纳米形变结构可以高效实现的三维结构制备。借助外部驱动，例如静电力、磁场力等可实现三维结构的动态控制。通过像素阵列化，独立像素控制方法，进而实现微镜芯片对光在阵列维度上的“开关”及能量调制。同时，该方法易于集成化。
43.本发明实施例是与上述方法实施例对应的系统实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。