一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114911051A(43)申请公布日2022.08.16(21)申请号202210493453.7(22)申请日2022.04.26(66)本国优先权数据202210432004.12022.04.22CN(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号申请人重庆虹势科技有限公司北京理工大学重庆微电子研究院(72)发明人曹英超谢会开郑栋(74)专利代理机构北京正阳理工知识产权代理事务所(普通合伙)11639专利代理师张利萍(51)Int.Cl.G02B26/08(2006.01)权利要求书5页说明书8页附图4页(54)发明名称一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法(57)摘要本发明公开的一种低温漂静电MEMS微镜及其实现方法，属于微光机电(MOEMS)领域。本发明包括镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构，电隔离沟道，焊盘和空腔，微镜结构从上到下依次为结构层、绝缘层和衬底层。本发明通过优化微镜结构调节微镜阻尼，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。本发明无需额外增加位置检测模块和反馈控制，具有结构简单、体积小、成本低、易于实现的优点。所述低温漂包括低频率温漂和低角度温漂。CN114911051ACN114911051A权利要求书1/5页1.一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：包括镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构，电隔离沟道，焊盘和空腔；微镜结构从上到下依次为结构层、绝缘层和衬底层；其中镜面、扭转梁、梳齿驱动器、梳齿支撑结构和电隔离沟道位于结构层上，通过刻蚀结构层形成；镜面两侧通过梳齿支撑结构和扭转梁与微镜的框架连接，绕扭转梁的轴线旋转；梳齿驱动器位于梳齿支撑结构的两侧，通过电隔离沟道实现动梳齿和静梳齿的电隔离；焊盘在结构层薄膜淀积形成，用于动梳齿和静梳齿的电连接；其中动梳齿电极通过扭转梁与焊盘连接形成正极，定梳齿通过外部框架与焊盘连接形成负极；空腔通过刻蚀衬底层形成，位于镜面下方，为镜面的旋转提供空间；通过优化微镜结构调节微镜阻尼，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；利用结构层和衬底层之间的热应力补偿结构层材料硅杨氏模量引入的频率温漂，实现低频率温漂补偿；在对静电MEMS微镜进行低角度温漂补偿、低频率温漂补偿基础上，提高静电MEMS微镜工作稳定性和运动控制的精确性。2.如权利要求1所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：优化微镜结构调节微镜阻尼包括如下两种方式：方式一：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿；方式二：固定梳齿驱动器参数，调节静电MEMS微镜镜面形状或尺寸，实现静电MEMS微镜阻尼调节，实现对静电MEMS微镜低角度温漂补偿。3.如权利要求2所述的一种低温漂静电MEMS微镜，其特征在于：调节阻尼控制扫描角度温漂，静电MEMS微镜工作在谐振状态时，在给定驱动电压V的情况下，其扫描角度θ能够被微镜的质量因子Q值所放大，其扫描角度θ正比于Q值；θ＝SQV2(1)其中S为形状因子，只跟镜面的形状有关；而微镜的Q值与微镜受到的空气阻尼b成反比；其中I为镜面的转动惯量，ω为微镜的谐振角频率；因此，微镜的扫描角度主要受到空气阻尼的影响，并且与空气阻尼系数b呈反比，空气阻尼系数b随温度改变进而造成扫描角度的温度漂移；扫描角度的温度系数αθ与空气阻尼系数的温度系数αb符号相反，因此控制微镜的空气阻尼的温度系数αb控制微镜扫描角度的温漂αθ；αθ＝‑αb(4)而静电梳齿驱动的微镜受到两种空气阻尼：镜面处的阻力阻尼和动静梳齿之间的粘性阻尼，所述两种阻尼跟微镜的结构参数有关；总阻尼系数btotal为阻力阻尼和粘性阻尼之和：2CN114911051A权利要求书2/5页btotal＝bdrag+bvis(5)动静梳齿之间的滑膜阻尼系数bvis主要跟空气的有效粘度μeff有关，通过控制梳齿结构参考调节其大小：其中N为梳齿个数，d为梳齿宽度，lc为梳齿的长度，lo为梳齿支撑的宽度，g为梳齿间隙；镜面处的阻力阻尼系数bdrag主要与空气密度ρ有关，通过控制镜板的尺寸调节其大小：其中cdrag为阻力系数与镜面的形状有关，为峰值角速度，L为镜面的长度，W为镜面的宽度；同时，由于有效粘度与温度呈正比，空气密度与温度呈反比，有效粘度的温度系数和空气密度的温度系数为常数且符号相反αρ<0；其中μ0是温度在273K时的空气粘度，ρ0是温度在273K时的空气密度；同时，总阻尼的温度系