专利名称：基于soi(绝缘硅)的mems二维振镜及其制作方法
技术领域：
本发明提供一种基于SOI(绝缘硅)的微机电系统(MEMS)工艺制作的二维振镜及其制作方法，可用于小功率快速激光扫描，如条码扫描、舞台激光、激光投影机等等。该系统使用简洁的微机电系统(MEMS)工艺制作，以静电作为驱动力，可在一个有特殊悬臂结构的振镜上同时实现两个维度(自由度)的振动。由于该系统的所有振动部件只是用于反射激光的振镜体，从而有效的减小了振镜系统的转动惯量、体积以及能耗，也进一步增加了扫描的速度和扫描的灵活性，同时成本低廉。
背景技术：
激光具有独特的光学特性，如单色性高，方向性强等特点，使得激光器件的发展速度越来越快，应用越来越广泛，在条码扫描、打印机、舞台激光、投影机中都有着相当丰富的应用。特别是随着激光技术的不断发展，红色(波长650nm)、绿色(波长532nm)、蓝色(波长473nm)的半导体激光器已经渐进成熟。由于激光的单色性极强，使用激光产生的三原色调配出的色彩更加鲜艳，色域更宽，再加上激光极强的方向性，使得以激光为光源的投影机将具有色彩逼真，色彩范围广，像素精细等优点，且可以在任意距离都能投射出相当完美的画面，而无需反复调整焦距，这是其他形式的投影设备均无法实现的。正因如此，激光投影设备越来越受到关注。但不管是条码扫描、打印机、舞台激光还是激光投影机，除了激光光源以外，还需要将激光进行扫描的扫描设备。以往的激光扫描设备，一般都使用扫描棱镜或电磁振镜系统。扫描棱镜系统的核心部件是一个有多个反射镜面的可旋转棱镜，激光照射到棱镜上，使激光以一定角度反射回来，当棱镜旋转时，反射角也随之变化，即达到了扫描的目的。但因为它的结构特点，此时的扫描为一条直线。要实现二维扫描，就需要两个旋转棱镜，或使用另一个振镜才能完成。所以其体积笨重，结构复杂，功效低，难以实现高速扫描，机械磨损严重，而且扫描的角度为一恒定值，即画面在固定距离上的投影大小是一个定值，要想改变画面的大小，只能使用镜头等其他辅助方法来实现。而电磁振镜系统，使用电磁力作为动力，使电磁振镜电机的轴发生旋转振动，从而使与其相连的小反射镜随之振动，达到往复扫描的效果。但要实现二维扫描，仍然需要两个振镜才能完成。而且由于使用线圈产生电磁力，而且线圈需要绕在一个质量较大的铁心上，使它的大部分能量都消耗在振镜电机的转动惯量及其摩擦力上，只有极小部分用于反射镜的振动，从而导致其工作电流大，易发热，体积难以缩小，效率极低。而且由于其振动部件较大的转动惯量，造成振动速度难以提高，难以实现基本无闪烁的扫描效果。而其他的声光、电光等扫描方法，由于其成本等其他问题，也未能很好的普及。
发明内容
根据上文所述，设计了本发明及其制作方法。其使用静电力的相互作用使振镜偏转，并使用特殊的悬臂支撑结构，使其能够同时在两个方向上产生振动。本发明结构简单，实现了扫描系统的集成化。由于所有的振动部件只是用于反射激光的振镜，所以动作部分质量极小，极大的减小了不必要的转动惯量，提高了扫描速度的同时，也减小了功耗。而且该扫描系统基本无机械摩擦，磨损小，同时还具有无噪音，发热低，成本低，易于大规模量产等诸多优点。
本发明的一个目的提供一种基于SOI(绝缘硅)微机电系统(MEMS)的二维振镜。本发明的另一个目的是提供这种振镜的制作方法。
根据本发明的第一个目的，提供一种基于SOI(绝缘硅)微机电系统(MEMS)的二维振镜。该系统包括1、驱动层，2、振镜层。其特征为1、本系统由驱动层及振镜层组成；2、上述系统由驱动层和振镜层键合或粘合后形成一个整体；3、本系统的核心部件是可以反光并导电的振镜层。其由振镜(200)、框架(201)、悬臂(202)、着陆支架(203)以及反射层(204)组成。该层的振镜镀有反射层，可以反射激光，并由多个折叠形悬臂与框架连接。其框架固定于驱动层上，中间可以使用绝缘层使框架与驱动层保持绝缘。悬臂具有一定弹性，可以允许振镜产生两个自由度(二维)的振动；4、驱动层由驱动电极(100)、驱动层衬底(101)、导线(102)焊接点(103)以及着陆电极(104)组成，其两两相对，用于提供驱动电压以及外部管脚的连接。
根据本发明的第二个目的，提供上述振镜系统的制作方法。该方法包括以下几个步骤1.准备一种SOI(绝缘硅)衬底，用于制作振镜层。其上层硅可用于振镜以及悬臂等的制作，下层硅用于框架的制作。
优选的，如果用于对精度和速度不很敏感的场合，则可以直接使用单晶硅衬底，以降低成本。
2.在该SOI(绝缘硅)的两面制作硅的刻蚀掩模(210、211)，并将下层硅掩模(211)图形化。
3.使用下层硅掩模(211)对下层硅进行各向异性刻蚀，直至刻穿整个下层硅，并自停止在SOI(绝缘硅)的埋里绝缘层上。
优选的，如果使用单晶硅为衬底，那么只需控制刻蚀时间，就可以得到所需的上层硅的近似厚度。
4.去除掩模(210)，掩模(211)可以去除，也可保留，并作为振镜层的绝缘层。
5.去除SOI(绝缘硅)的埋里绝缘层。
6.在上层硅上整体制作反光层(204)。
7.在反光层上制作掩模(212)，并使用该掩模将反光层以及上层硅刻蚀至穿透整个上层硅，使其形成所需的振镜、悬臂等结构。
8.去除掩模(212)。
优选的，掩模(212)也可在刻蚀完反光层后直接去除，然后再以该反光层为掩模，对上层硅进行刻蚀，使其形成所需的振镜、悬臂等结构。
9.准备一种绝缘性能良好的衬底，如二氧化硅衬底，用于制作驱动层。
优选的，用于驱动层的衬底也可以使用导体或半导体材料进行绝缘化处理，如氧化等。
优选的，如果将驱动电极直接通过杂质渗入衬底方法制作，则驱动层衬底可以直接使用P型硅材料。
优选的，驱动层也可以使用普通印刷电路板的制作方法制成，此时无需准备该衬底。
10.在该绝缘衬底沿厚度方向制作通孔，使其穿透整个衬底。
优选的，如果该衬底由导体或半导体材料进行绝缘化处理制成，则应在制作通孔后进行绝缘处理，使其能够完全绝缘。
11.在驱动层衬底上沿衬底厚度方向制作掩模(110)，并使用表面薄膜工艺将金属或导电材料制成驱动电极，并使通孔内壁覆盖金属或导电材料。
12.去除掩模(110)。
13.在该衬底背面的通孔处制作低温钎焊触点，以便必要的电气连接，驱动层制作完成。
优选的，驱动电极也可以在P型硅衬底上，用掩模渗入N型杂质制得。
优选的，如果使用印刷电路板作为驱动层，则驱动电极可以直接由电路板经过常规工艺制成。
14.将驱动层和振镜层对准后键合或粘合，系统整体制作完成。
优选的，如果驱动层使用普通印刷电路板的制作方法制成，则将驱动层和振镜层对准后粘合，系统整体制作完成。
根据本发明第二个目的的制作方法，可以制作出本发明第一目的的振镜系统。该系统与其他扫描振镜相比，结构简单，制作容易，运动部件的尺寸和转动惯量都远远小于其他系统，从而使得扫描频率大幅度提高，而且其能耗和发热量明显减小，可以实现更高的扫描要求。同时，它可以在同一个振镜上同时完成两个方向上的扫描，从而进一步缩小了系统的体积。同时也可通过改变输入的驱动信号随意改变扫描方式，且扫描幅度也可以根据输入电压调节，这些特性也使其的应用范围相当广泛。比如超市中由多个反射镜和一个较大的旋转扫描多面棱镜组成的万向条码扫描设备，仅使用一个本发明的振镜器件即可实现。当应用于投影视频输出时，也易于通过改变驱动信号进行无像素损失的梯形校正等图像纠正。
四
下面结合附图，对本发明进行说明图1为该系统的整体结构透视图，其中包括由驱动层衬底(101)，驱动电极(100)、导线(102)、焊接点(103)和着陆电极(104)组成的驱动层，以及由振镜(200)、振镜框架(201)、悬臂(202)、着陆支点(203)、反光层(204)组成的振镜层。其中振镜层已被部分剖切。由于透视图的特点，着陆电极(104)与反光层(204)没能表现，可分别参阅图7与图2。
图2为该振镜系统的剖面示意图。
图3A-3C为该振镜系统悬臂(202)可以使用的结构形状示意图，其中黑色为去除部分。
图4A-4E为该系统振镜层中，释放上层硅并形成框架的制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图(部分已剖切)。
图5A-5E为该系统振镜层中，振镜、悬臂以及着陆支点释放成型的一种制作步骤及完成结果的剖面示意图。
图6A-6D为该系统振镜层中，振镜、悬臂以及着陆支点释放成型的另一种制作步骤及完成结果的剖面示意图以及完成结果的整体透视图(振镜层已剖切)。
图7A-7E为该系统中，驱动层的制作步骤的剖面示意图及完成结果的整体透视图(驱动层部分剖切)。
图8A-8B为该系统中，振镜层与驱动层键合或粘合完成后的剖面示意图，以及完成结果的整体透视图(振镜层已剖切)。
五具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的优选实施方式。
图1为本发明的整体结构示意图，图2为该系统的剖面示意图。如图1、图2、所示，该振镜系统主要包括驱动层和振镜层。其具体实施方式
如下1、驱动层如图1和图7E所示，驱动层由驱动层衬底(101)，驱动电极(100)、导线(102)、焊接点(103)和着陆电极(104)组成。
驱动电极(100)是整个振镜的动力装置，可以通过在每个电极施加不同电压或控制电压占空比的方法，对振镜产生不同的静电力，从而使振镜产生不同角度和方向的偏转。所有电极以中心为原点，两两相对。其中相对的两个电极为一组，用于控制振镜的一个维度(自由度)的振动，而其相邻的另一组电极则负责另一个维度(自由度)的振动。驱动电极应选用导电性能良好，工艺简单的材料制作，这种材料可以是但不局限于金属铝、银，也可以是别的材料，如氧化铟锡(ITO)等。当然，作为选择，驱动电极也可以由P型硅衬底材料上通过图形掩模渗入适量N型杂质，直接在衬底上制得。与驱动电极相对应的位置的衬底开有通孔，使导线可以通过通孔将驱动电极和衬底底部相对应的焊接点(103)连接起来。使驱动电极与外部实现电气连接，以便从外部得到驱动能量。
驱动层衬底(101)是整个驱动系统的载体。衬底优选由绝缘性好，易于制备和切割的材料制成，适用的材料可以是但不局限于玻璃(二氧化硅)。衬底还可以由其他导电材料经过绝缘处理制成，如将硅衬底进行表面氧化，制成表面有二氧化硅绝缘层的硅衬底，也可以是其他方法。当然，作为选择，如果将驱动电极直接通过杂质渗入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅作为衬底。
焊接点(103)用于实现方便的外部电气连接，由一种低熔点合金制成。
着陆电极(104)与其上方振镜层的着陆支点一一对应，并与振镜层连接，以提供着陆支点的着陆平台以及得到与振镜层具有相同的电压。
2、振镜层如图1、图2和图6D所示，振镜层由振镜(200)、振镜框架(201)、悬臂(202)、着陆支点(203)、反光层(204)构成。
振镜(200)是最重要的器件，用于反射照射在其上的激光，当其镜体受静电力作用偏转时，反射激光随之偏转。其振镜要求尽可能的平整光洁。
振镜框架(201)由振镜层衬底的下层硅刻蚀制成，直接或通过绝缘层固定于驱动层衬底上，其上方通过埋里层与上层硅的振镜悬臂相连，用于固定振镜。
悬臂(202)为一种折叠形结构，当受到外力作用时，可以弯曲变形，以提供必要的伸缩量以及回弹力。为了保持镜体偏转时的稳定以及减小振镜的谐振，一个振镜应至少有4个悬臂支撑，但不限于4个。该系统悬臂的形状可以是但不限于图3A-3C所示形状，图中黑色部分为刻蚀掉的部分，白色为保留的部分。如图3A-3C所示，悬臂可以为双向折叠的“中”字形，其与振镜及支架的连接点可以是振镜的对角，也可以在振镜的边上。悬臂还可以是单折叠(图3B)或组合折叠形(图3C)。
着陆支点(203)位于振镜的四个角，并向外延伸，如图3、图6D所示。它可以保证振镜在过度偏转或短时间的错误使用时，着陆支点首先接触位于其下驱动层上相对应的着陆电极，而避免与高电压差的驱动电极相接触。从而避免了振镜与驱动层粘连或烧毁。
反光层(204)在上层硅上，用于提高振镜的反光度，它可以使用导电的金属材料，也可以使其他的反光材料。
图4至图8表示了制作本振镜系统的方法。这是一种基于微机电系统(MEMS)工艺的制作方法。为更好地说明以及简化作图，图4至图8中的制作步骤只给出了一个剖面示意图，并将悬臂的一部分也进行剖切，以便更好地说明如何制作和装配各个部件。
接下来将参照附图描述本发明的制作方法。
1、振镜层的制作方法图4A-4D表示了该层释放上层硅并形成框架的制作方法。在振镜层的制作中，首先，应准备好一种SOI(绝缘硅)衬底。该衬底由两片单晶硅中间夹有一绝缘埋里层组成。其上下两层的单晶硅是否掺杂均可。然后如图4A、B所示，在该衬底上制作图形掩模(210)以及掩模(211)，并将下层硅表而的掩模(211)图形化，这层掩模可以是氧化硅或氮化硅。然后对该衬底的下层硅进行各向异性刻蚀，使其形成图4C的凹槽，并停止在两层硅之间的埋里层上，以便得到精确的振镜厚度。最后，如图4D所示，去除掩模(210)以及中间的埋里层，释放整个上层硅薄膜。掩模(211)可以去除，也可保留，作为振镜层与驱动层之间的绝缘层。图4E表示该步骤制作完成后的结构透视图。作为选择，如果该振镜用于低精度场合，则可以直接使用单晶硅作为衬底，通过控制刻蚀时间得到近似的硅膜厚度。
图5A-5E是该层振镜、悬臂以及着陆支点释放成型的一种制作方法。如图5A所示，首先在上层硅上整体镀上反射层(204)，该层不宜过厚。然后在该反射层上制作图形掩模(212)并图形化，该掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料，如图5B所示。接着用此掩模对其下面的反射层(204)进行刻蚀，并将其刻穿至上层硅，即图5C所示的状态。然后，使用各向异性刻蚀，使其将整个上层硅薄膜刻穿，释放振镜、悬臂以及着陆支点，如图5D。最后如图5E所示，去除掩模(212)，得到振镜层。
作为选择，图6A-6C介绍了该层的另一种制作方法。如图6A所示，即图5C中所示的过程，将掩模(212)图形化并将反射层(204)刻蚀完成后，去除掩模(212)，形成图6B的状态。接下来再以反射层(204)为掩模，使用各向异性的刻蚀工艺，对上层硅刻蚀，并将其刻穿，释放振镜、悬臂以及着陆支点，如图6C所示。
至此，振镜层已全部制作完毕。图6D表示该步骤制作完成后的结构透视图，该图已被部分剖切。
2、驱动层的制作方法图7A-7E表示了驱动层的制作方法。首先准备一种衬底，该衬底可以是绝缘性好易于制备和切割的绝缘体，如玻璃等，也可以由其他导电材料经过绝缘处理制成。作为选择，如果将驱动电极直接通过杂质渗入衬底形成反向PN结的方法制作，则可以直接使用P型硅材料作为衬底。
接下来，在准备好的衬底上制作通孔，此通孔可以使用钻孔、激光打孔、掩模刻蚀等方法制成。如果衬底使用导电材料经过绝缘处理制成，那么绝缘处理应在通孔制作完成后进行，并使通孔能保证在绝缘处理完成后不会堵塞。接着，如图7A所示，先在衬底上制作图形掩模(110)。这层掩模可以是光刻胶(抗蚀剂)，或者其他的牺牲材料。然后，如图7B所示，使用高台阶覆盖能力的表面加工工艺，制作驱动电极(100)及导线(102)。这种工艺可以是溅射或其他方法。随后除去掩模(110)，即可将掩模上不需要的金属膜一起去除，形成所需的驱动电极(100)以及连接导线(102)。驱动电极不宜过厚。完成后，即可得到如图7C的驱动层。最后，使用焊接或其他工艺在衬底下而的通孔处制作焊接点(103)，用于实现方便的电气连接，如图7D所示。图7E表示了完成驱动层后的整体结构透视图。作为选择，也可以使用P型硅衬底，在此衬底上制作如前面所说的图形掩模(110)，然后使用掺杂工艺向P型硅衬底中掺入适当浓度的N型杂质，使驱动电极与导线周围形成反向的PN结，使其形成驱动层电路。
作为选择，驱动层可以使用印刷电路板来制作。将驱动电极(100)、导线(102)直接制作在印刷电路板上，此时不需要焊接点，电气连接可以直接由连接导线完成。此电路板可以是单层，也可以是双层，具体工艺与标准工艺相同。
3、振镜层与驱动层的键合振镜层和驱动层做好后，将其对准后键合，使之成为一个整体。如果驱动层使用的是印刷电路板，那么将其对准后粘合即可。至此完成该系统的全部制作，如图8所示。
这样描述的本发明，显然可以作出多种变更，且这些变更没有背离本发明的主旨和范围。同时，所附的权力请求书的范围内也包括了本领域所显而易见的所有这些修改。
权利要求
1.一种微机电系统(MEMS)二维振镜，该装置包括一个驱动层和一个振镜层，其特征在于所述驱动层包括衬底、驱动电极、导线焊接点及着陆电极，所有电极以中心为原点，两两相对，并由相应的导线连接到焊接点；所述振镜层由振镜、框架、悬臂、着陆支点以及反射层组成，其框架固定于驱动层上，中间可以通过绝缘层使框架与驱动层保持绝缘。
2.根据权利要求1所述，其振镜层的振镜由悬臂结构支撑，并可在驱动电极产生的静电力的作用下，产生两个方向的偏转。
3.根据权利要求1所述，其着陆支点位于振镜周围，用于保护振镜不与驱动层接触。
4.一种基于微机电系统(MEMS)的二维静电振镜的制作方法，此方法包括以下步骤准备一种SOI(绝缘硅)衬底，用于制作振镜层；在该SOI(绝缘硅)的两面制作硅的刻蚀掩模(210、211)，并将下层硅掩模(211)图形化；使用掩模(211)对下层硅进行各向异性刻蚀，直至刻穿整个下层硅，并自停止在SOI(绝缘硅)的埋里绝缘层上；去除掩模(210)以及SOI(绝缘硅)的埋里绝缘层；在上层硅表面整体制作反光层(204)；在反光层上制作掩模(212)，并使用该掩模将反光层以及上层硅刻蚀至穿透整个上层硅，使其形成所需的振镜、悬臂及着陆支点结构；去除掩模(212)；准备一种驱动层绝缘衬底；在该绝缘衬底沿厚度方向制作通孔；使用掩模(110)，在该衬底表面及通孔内制作驱动电极和导线；去除掩模(110)；在该衬底背面的通孔处制作焊接点；将驱动层与振镜层对准后键合或粘合。
5.根据权利要求4所述的方法，其振镜层还可以使用单晶硅作为衬底，通过控制刻蚀时间得到相应的硅膜厚度。
6.根据权利要求4所述的方法，其振镜层还可以使用掩模(212)对反光层进行刻蚀，去除掩模(212)后再以反光层为掩模，对上层硅进行刻蚀。
7.根据权利要求4所述的方法，其驱动层衬底还可以使用导体或半导体，并对其进行表面绝缘处理。
8.根据权利要求4所述的方法，其衬底还可以由一种P型硅材料制成。
9.根据权利要求4或8所述的方法，其驱动电极和导线还可以使用通过掩模在P型硅衬底上渗入适量N型杂质的方法，直接在衬底上制得。
10.根据权利要求4所述的方法，其驱动层还可以使用印刷电路板制作，此方法不需要准备驱动层衬底，以及其后续工作，将做好的振镜层与印刷电路板对齐后粘合即可。
全文摘要
本发明提供一种基于SOI(绝缘硅)的微机电系统(MEMS)工艺制作的二维振镜及其制作方法，可用于小功率快速激光扫描，如条码扫描、舞台激光、激光投影机等等。该系统使用简洁的微机电系统(MEMS)工艺制作，以静电作为驱动力，可在一个有特殊悬臂结构的振镜上同时实现两个维度(自由度)的振动。由于该系统的所有振动部件只是用于反射激光的振镜体，从而有效的减小了振镜系统的转动惯量、体积以及能耗，也进一步增加了扫描的速度和扫描的灵活件。
文档编号B81C1/00GK1763582SQ20051010930
公开日2006年4月26日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者李凌 申请人:李凌