偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜

摘要

一种偏转轴可以自由变换的二维MEMS倾斜镜，其上电极单边非对称的固定在基底上，通过在倾斜镜的不同排布方式的下电极块上加相同的电压值或在相同排布方式的下电极块上加不同的电压值，或将以上两种方案综合使用，完成二维MEMS倾斜镜的偏转轴的自由变换。本发明的倾斜镜灵活性高，有效提高了倾斜镜的光路转换效率和质量，降低了使用成本，有利于促进倾斜镜在光通讯、投影显示、光学成像以及激光共焦显微等领域的进一步应用。

说明书

技术领域

本发明属于MEMS(Micro-electromechanical Systems)倾斜镜的制作 领域，涉及用于光通讯、投影显示、光学成像以及激光共焦显微等领域的 MEMS倾斜镜的设计制作，具体涉及一种偏转轴可以自由变换的二维 MEMS倾斜镜。

背景技术

光学倾斜镜在光通讯、投影显示、光学成像以及激光共焦显微系统中 具有重要的应用价值。MEMS倾斜镜除了具备MEMS器件所共有的成本 低、易于实现批量生产外，还具有动态响应快，功耗低等优点。二维MEMS 倾斜镜可在一个器件上实现两维方向的光路转换，空间占用体积小，工作 效率高。

传统的二维MEMS倾斜镜的偏转轴是正交的，当转换光路有特殊性要 求时，如在一个受限空间内实现非正交方向上的两光路的相互转换时，不 仅需要两次高精度的镜面偏转，效率低，而且还可能因空间局限性的限制 而无法完成预定目标。若倾斜镜的偏转轴是非正交的，则镜子在实现绕其 非正交轴方向上的光路转换时，偏转一次既可完成，相对效率高。可见在 所转换光路呈非正交状态排布时，非正交二维MEMS倾斜镜具有独特的 优势。根据文献1[庄须叶、汪为民、陶逢刚、姚军、高福华。非正交二维 MEMS倾斜镜的研制。光学精密工程，2011(8)，In Press]报道，作者基 于硅表面加工工艺设计并制作了非正交的二维MEMS倾斜镜，镜面可以 实现绕两个非正交偏转轴的倾斜偏转，两偏转轴的夹角是145.37°，对实 现绕145.37°轴的光路转换可以一次完成，效率高。但是镜子的偏转轴固 定不能移动，对于特定的需求，需要设计特定的镜子结构，使镜子的两偏 转轴交成特定的角度，以使需要转换的光路恰好方便的被绕此轴旋转的镜 面调制，增加了二维MEMS倾斜镜的制作成本，且由于设计和加工误差 的存在，加工后的二维MEMS倾斜镜的两偏转轴夹角与设计的要求总存 在一定的差别，如文献1中设计的两偏转轴的夹角角度是145°，但实际角 度是145.37°，造成倾斜镜对光路调制质量的下降。

发明内容：

本发明的目的在于一种偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜，以 克服公知技术中存在的不足。

为实现上述目的，本发明提供的偏转轴可自由变换的二维MEMS倾 斜镜，偏转轴可以自由变换的二维MEMS倾斜镜，其上电极单边非对称 的固定在基底上，通过在倾斜镜的不同排布方式的下电极块上加相同的电 压值或在相同排布的下电极块上加不同的电压值，或将以上两种方案综合 使用，完成二维MEMS倾斜镜的偏转轴的自由变换。

所述偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜，其下电极由多个下电极 块6排列组合而成，下电极块6的个数大于2个，且每个下电极块之间留 有间距。

所述偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜，其中，下电极块超出上 电极边界的纵向距离控制在-500μm至500μm之间，超出上电极边界的横 向尺寸距离控制在-500μm至500μm之间，负号表示下电极块在上电极内 部。

所述偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜，其中，上电极与下电极 块的距离为0.5-100μm。

所述偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜，其中，倾斜镜的镜面 纵向在上电极内的缩进距离控制在-500μm至500μm之间，倾斜镜的镜面 横向在上电极内的缩进尺寸控制在-500μm至500μm之间，倾斜镜的镜面 与上电极上表面的距离为0.5-100μm之间，负号表示倾斜镜的镜面在上电 极的外部。

本发明通过将倾斜镜的上电极单边非对称的固定在基底上并通过对 倾斜镜的下电极块进行不对称加电，实现镜子偏转轴的自由变换，并使镜 面可以绕所需角度的偏转轴自由的偏转，高效可靠的实现所要求的光路转 换，提高倾斜镜的光路转换效率和质量。

附图说明

图1是本发明偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的结构示意图。

图2是偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的剖面示意图。

图3是偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的俯视图。

图4是偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜上电极5与下电极块6 的排布图。

图5是偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的镜面1与上电极5 的排布图。

图6是偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6的排布示 意图。

图7是在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-4上加电 时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图8是在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-5上加电 时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图9是在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-1、6-2、 6-3、6-4上加相同电压值时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图10是在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-5、6-6、 6-7、6-8上加相同电压值时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图11是在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-4、6-5 上加相同电压值时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图12是当在转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-5上的 电压值是下电极块6-4的10倍时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图13是当在转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-5上的 电压值是下电极块6-1的10倍时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

图14是当在偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6-2和 6-5上加相同的电压值时，倾斜镜的镜面偏转示意图。

附图中组件符号说明：

1倾斜镜镜面；

2-1膜层沉积基底；2-2硅基底；

3固定梁；

4绝缘层；

5上电极板；

6下电极块；

7镜面支柱；

8上电极与下电极的间距；

9上电板与镜面的间距；

10镜面的多晶硅层；

11镜面金层；

12固定梁的宽度尺寸；

13下电极块的长度尺寸；

14下电极块的宽度尺寸；

15下电极块的纵向间距尺寸；

16下电极块超出上电极的纵向尺寸；

17下电极块的纵向间距；

18上电极的纵向尺寸；

19下电极块横向缩进尺寸；

20上电极的横向尺寸；

21固定梁的长度尺寸；

22上电极超出镜面距离的横向尺寸；

23镜面的横向尺寸；

24镜面的纵向尺寸；

25上电极超出镜面距离的纵向尺寸；

6-1倾斜镜下边左端第一块下电极块；6-2倾斜镜下边左端第二块下电 极块；6-3倾斜镜下边左端第三块下电极块；6-4倾斜镜下边左端第四块下 电极块；6-5倾斜镜上边右端第一块下电极块；6-6倾斜镜上边右端第二块 下电极块；6-7倾斜镜上边右端第三块下电极块；6-8倾斜镜上边右端第四 块下电极块；

26倾斜镜偏转轴Y′与Y轴的夹角。

具体实施方式

为解决背景技术中偏转轴固定的二维MEMS倾斜镜在光路转换时存 在的不足，提高二维MEMS倾斜镜的光路转换效率和质量，本发明提供 一种偏转轴可以自由变换的二维MEMS倾斜镜。

请参阅图1、2、3、4、5和图6，分别是本发明偏转轴可自由变换的 二维MEMS倾斜镜的结构示意图、偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜 镜的剖面示意图、偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的俯视图、偏 转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜上电极5与下电极块6的排布图、 偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的镜面1与上电极5的排布图， 以及偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜下电极块6的排布示意图。

本发明的偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜由镜面1、膜层沉积 基底2-1、硅基底2-2、固定梁3、绝缘层4、上电极5、下电极块6以及 支撑柱7组成，其中下电极块6组合成倾斜镜的下电极。膜层沉积基底2-1 与硅基底2-2共同形成偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的基底2， 通过将上电极5单边固定在基底2上，并在下电极非对称加电即可实现倾 斜镜偏转轴的自由变换，实现镜面绕所需偏转轴的偏转变形。

硅基底2-2的材料为单晶硅，在其上沉积2nm-0.5μm厚的氮化硅绝缘 层4，用于阻隔下电极块6与硅基底2-2间的电流短路。在氮化硅绝缘层 上沉积厚度0.5-3μm的掺杂多晶硅层用作构成下电极块6。

倾斜镜的下电极不是一个单一的电极，而是由多个下电极块6排列组 合而成，下电极块6的形状可以是圆形、三角形、四边形或其他多边形状， 本发明以长方形的下电极块6进行阐述。下电极块6分布在上电极5的下 面，其中下电极块6的长度尺寸13在1-1000μm之间，宽度尺寸14在 1-1000μm之间，下电极块6之间的横向间距15控制在1-1000μm之间， 下电极块6的纵向距离17控制在1-1000μm之间。下电极块6超出上电极 5边界的纵向距离16控制在-500μm至500μm之间，负号表示下电极块6 在上电极5内部。超出上电极5边界的横向尺寸距离19控制在-500μm至 500μm之间，负号表示下电极块6在上电极5内部。

当下电极块的尺寸确定后，通过使下电极块6超出上电极5的边界一 定的距离，可以在保证获得大的转动力矩的同时，减小上下电极间的相对 面积，避免静电吸合效应产生。下电极块6的个数要求大于2个。

上电极5的材料是掺杂的多晶硅，厚度0.5-50μm，通过固定梁3单边 非对称的固定在基底2上，固定梁3的形状和尺寸可以按照实际需求设计， 此处以长方形的固定梁为例进行阐述。上电极5的上表面通过支撑柱7支 撑镜面1，上电极5的下表面距离下电极块6的间距8为0.5-100μm。

镜面1是两层膜结构，下层是多晶硅层10，厚度0.5-50μm，上层是金 层11，厚度20nm-5μm。镜面的长度尺寸23控制在1-1000μm之间，宽度 尺寸24控制在1-1000μm之间，镜面纵向在上电极内的缩进距离25控制 在-500μm至500μm之间，镜面横向在上电极内的缩进尺寸22控制在 -500μm至500μm之间，负号表示镜面1在上电极5内部。镜面1距上电 极5的间距9控制在0.5-100μm之间。

本发明的工作原理是：

通过在倾斜镜的上电极5和下电极块6之间加电压值，在静电吸引的 作用下，上、下电极之间产生静电力，利用静电力产生的力矩驱动倾斜镜 面1绕偏转轴产生偏转。通过在不同排布方式的下电极块6上加相同的电 压值，或在相同排布方式的下电极块6上加不同的电压值，或综合使用以 上两种方案实现倾斜镜偏转轴的自由变换。

1)在不同排布方式的下电极块6上加相同的电压值，实现二维MEMS 倾斜镜偏转轴的自由变换。

在图6所示的结构图中，在其下电极块6-4加电，在静电力的作用下， 倾斜镜子的上电极5产生偏转，带到镜面1产生同样角度的偏转，其镜面 偏转轴Y′与Y轴的夹角为83度。如在倾斜镜电极块6-5上加相同的电压 值，则倾斜镜偏转轴Y′与Y轴的夹角为65度。

2)在相同排布方式的下电极块6上加不同的电压值实现二维MEMS 倾斜镜的偏转轴的自由变换。

利用在倾斜镜相同排布方式的下电极块6上加不同的电压值同样可以 产生倾斜镜偏转轴的变换效果，例如在倾斜镜下电极块6-4、6-5上加相同 的电压值时，倾斜镜的偏转轴Y′与镜子Y轴的夹角是90度，但当下电极 块6-5上的电压值是下电极块6-4的10倍时，倾斜镜的偏转轴Y′与Y轴 的夹角为88度。

3)在不同排布方式的下电极块6上加不同的电压值实现二维MEMS 倾斜镜的偏转轴的自由变换。

通过在不同排布方式的下电极块6上加不同的电压值也可以实现二维 MEMS倾斜镜偏转轴的自由变换，例如在倾斜镜下电极块6-5加的电压值 是在下电极块6-5上所加电压值的10倍时，倾斜镜的偏转轴Y′与镜子Y 轴的夹角是96度，但当下电极块6-5上的所加电压值与下电极块6-2的电 压值相同时，倾斜镜的偏转轴Y′与Y轴的夹角为87度。

本发明的偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜通过在倾斜镜的不 同排布方式的下电极块6上加相同的电压值或在同样排布方式的下电极块 6加不同的电压值，或综合利用以上两种措施，可以实现倾斜镜偏转轴的 自由变换，其重要意义在于：

1)提高了二维MEMS倾斜镜的灵活性。转轴可以自由变换的二维 MEMS倾斜镜通过调制偏转轴的角度，可实现镜面沿此轴的自由偏转，提 高了倾斜镜的光路转换效率；

2)转轴角度的自由转换可以方便的对镜子的光路转换效果进行调整， 消除固定轴的二维MEMS倾斜镜因加工误差的存在而造成的光路偏转误 差，提高倾斜镜的光路转换质量；

3)偏转轴可自由变换的二维MEMS倾斜镜的结构简单，易加工，在 同一片镜子上可实现多个方向的光路转换，使用范围广，利用效率高，使 用和制作成本低。

以图6所示的下电极块的排布方式进行本发明的偏转轴可自由变换的 二维MEMS倾斜镜的具体实施例的说明。图6所示的二维MEMS倾斜镜 的上电极5的长度尺寸20为230μm，宽度尺寸18为100μm，固定梁3的 长度尺寸21为38μm，宽度尺寸12为22μm，下电极块6的长度尺寸13 为40μm，宽度尺寸14为30μm，下电极块6的横向间距15为30μm，纵 向间距17为40μm，下电极块6纵向超出上电极5的尺寸16为10μm，下 电极块6横向缩进上电极5的尺寸19为35μm，上电极5厚度3μm，下电 极块6的厚度为0.5μm。

1)在不同排布方式上的下电极块6上加相同电压值实现二维MEMS 倾斜镜偏转轴的自由变换。

当在下电极块6-4上加电时，倾斜镜的偏转轴Y′与Y轴的夹角为83 度，镜面的变形如图7所示。

当在电极块6-5上加电时，倾斜镜的偏转轴Y′与Y轴的夹角为65度， 镜面的变形如图8所示。

当在下电极块6-1、6-2、6-3、6-4上加相同电压值时，倾斜镜的偏转 轴Y′与Y轴的夹角为98度，镜面的变形如图9所示。

当在下电极块6-5、6-6、6-7、6-8上加相同电压值时，倾斜镜的偏转 轴Y′与Y轴的夹角为78度，镜面的变形如图10所示。

2)在相同排布方式的下电极块6上加不同的电压值实现二维MEMS 倾斜镜偏转轴的自由变换。

当在下电极块6-4、6-5同时加相同电压值时，倾斜镜的偏转轴Y′与Y 轴的夹角为90度，镜面的变形如图11所示。

当在下电极块6-5上的电压值是下电极块6-4的10倍时，倾斜镜的偏 转轴Y′与Y轴的夹角为94度，镜面的变形如图12所示。

3)在不同排布方式的下电极块6上加不同的电压值实现二维MEMS 倾斜镜偏转轴的变换。

当加在倾斜镜下电极块6-5上的电压值是下电极块6-1的10倍时，倾 斜镜的偏转轴Y′与Y轴的夹角为96度，镜面的变形如图13所示。

当在倾斜镜下电极块6-2和6-5加相同的电压值时，倾斜镜的偏转轴 Y′与Y轴的夹角为87度，镜面的变形如图14所示。