本发明专利技术提供一种MEMS微镜单元，所述MEMS微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层。本发明专利技术还提供了一种MEMS微镜阵列，所述MEMS微镜阵列包含以密堆方式排列的多个所述的MEMS微镜单元。本发明专利技术提供的MEMS微镜单元可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活；包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，具有高占空比，以及高一致性的镜面性能。
【技术实现步骤摘要】
MEMS微镜单元及MEMS微镜阵列
本专利技术涉及一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的MEMS微镜阵列；特别是，涉及一种用于快速激光扫描的压电驱动MEMS微镜阵列。
技术介绍
MEMS微镜是基于微机械加工工艺制备的芯片级光学器件，其作为快速激光扫描及相位调制的关键元件之一，广泛应用于激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影、激光加工、MEMS光开关、空间光调制器等多种领域。MEMS微镜阵列根据阵列的维度可以分为二维阵列、一维阵列和零维单元，其中，将多元微镜阵列平铺在二维平面所构成的微镜称为二维阵列，将微镜阵列平铺成一维直线所构成的微镜称为一维阵列，零维单元为仅包含单个微镜单元的微镜。根据驱动器的工作原理，MEMS微镜阵列一般可以分为静电驱动、电磁驱动、电热驱动及压电驱动等四种类型。其中，静电驱动模式一般采用在平行版电极或梳齿电极之间施加电压来产生静电驱动力，电磁驱动模式一般利用电流线圈在磁场中所受的洛伦兹力作为驱动力，电热驱动模式一般采用局部加热的方式引起材料的膨胀或收缩带动微镜运动，而压电驱动模式利用了具有逆压电效应的压电材料，通过在压电材料的两侧施加驱动电压来引发材料应变，由此产生驱动力。微镜根据其控制模式，可以分为数字微镜、模拟微镜和谐振微镜三类。其中，数字微镜一般仅有开与关两种状态，模拟微镜可以进行连续的、准静态的运动控制，而谐振微镜工作在力学结构的谐振点附近，其频率取决于微镜本身的结构，并且谐振微镜具有较高的谐振因子。常规地，MEMS微镜可以通过微尺度的镜面扭转来控制反射光束的偏转，微镜镜面的运动自由度，一般包括横向倾斜、纵向倾斜、上下平移三类自由度，或者其中的一至两类。此外，镜面还可以包含其他自由度，例如扭转自由度，此类自由度一般在MEMS领域不予涉及，也不在本专利讨论的范围内。用于快速激光扫描的MEMS微镜，具有扫描速度快、结构紧凑和适用于大批量制造等优点，在激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影等应用中对大孔径激光光束控制的迫切需求。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，用于解决现有技术中由于单镜面MEMS微镜本身质量和转动惯量过大，存在工作频率低和偏转角度小的问题；和现有微镜阵列中存在的占空比低、一致性差、控制复杂等问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种MEMS微镜单元，所述微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。优选地，所述镜面层的背部包括三个柔性力学结构，三个所述柔性力学结构分别通过耦合柱耦合在三个交叉分布的致动器上。优选地，所述镜面层可绕X轴或Y轴进行轴向转动。优选地，所述镜面层可沿Z轴进行上下平移，产生的位移可以对特定区域的光束进行相位调制。优选地，所述致动器层中的相邻致动器之间具有120°相位差，所述致动器层提供切向驱动力以引起镜面绕其中心轴的圆周运动。优选地，每一致动器包含可动部分与固定部分。优选地，所述可动部分通过至少一个耦合柱与所述镜面层的柔性力学结构相连接，所述固定部分与所述引线层相连接。优选地，所述致动器的表面上设置有压电薄膜材料，所述压电薄膜材料在施加电压时产生形变以提供驱动力。优选地，所述压电薄膜材料包括PZT、AlN和AlScN中的一种，所述压电薄膜材料的厚度为0.5微米至5微米。优选地，所述致动器的固定部分与所述引线层通过键合层进行键合。优选地，所述引线层包含硅通孔(TSV)结构，用于对所述致动器层提供电气连接。优选地，所述引线层进一步包含布线层，用于对电极引出部分进行再布线。优选地，所述柔性力学结构包括一固定部，所述固定部的两侧分别通过弹性件与所述镜面层连接。优选地，所述镜面层的背部具有一凹槽部，所述柔性力学结构设置于所述凹槽部内。优选地，所述弹性件与凹槽部的侧壁固定连接；其中，所述凹槽部的侧壁具有一朝外凸出的连接部，所述弹性件与所述连接部固定连接。另一方面，本专利技术提供一种MEMS微镜阵列，所述MEMS微镜阵列包含以密堆方式排列的多个前述的MEMS微镜单元。优选地，所述MEMS微镜阵列包括以沿XY平面密堆方式扩展的多个六边形镜面层。如上所述，本专利技术的MEMS微镜单元，具有以下有益效果：本专利技术通过控制致动器的电学信号可实现镜面两个方向的转动，也可以实现镜面上下的平移，因而可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活。本专利技术的MEMS微镜阵列，包含以密堆方式排列的多个所述MEMS微镜单元，其中多个六边形镜面层以密堆方式沿XY平面进行扩展，使得该MEMS微镜阵列具有结构紧凑以及高占空比的特点；通过MEMS微纳加工工艺可以制备出高一致性的器件，可以获得高一致性的镜面性能，使得可以在不影响振动频率与偏转角度等参数的情况下实现光学孔径的扩展，因而对大孔径激光光束的快速控制。附图说明图1显示为根据本专利技术实施方式的单个MEMS微镜单元的整体结构的示意图。图2显示为根据本专利技术实施方式的单个MEMS微镜单元的镜面层背部的示意图。图3显示为根据本专利技术实施方式的单个MEMS微镜单元的部分结构的示意图。图4显示为根据本专利技术实施方式的MEMS微镜阵列的平面示意图。元件标号说明100镜面层101镜面加固结构102活动空间103A第一柔性力学结构103B第二柔性力学结构103C第三柔性力学结构200致动器层201A第一耦合柱201B第二耦合柱201C第三耦合柱202A第一致动器202B第二致动器202C第三致动器300引线层301致动空腔302键合层303硅通孔结构304布线层具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。同时，本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种MEMS微镜单元，其特征在于：所述微镜单元包括：/n镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；/n致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及/n引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。/n
【技术特征摘要】
1.一种MEMS微镜单元，其特征在于：所述微镜单元包括：
镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；
致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及
引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。
2.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述镜面层的背部包括三个柔性力学结构，三个所述柔性力学结构分别通过耦合柱耦合在三个交叉分布的致动器上。
3.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述镜面层可绕X轴或Y轴进行轴向转动。
4.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述镜面层可沿Z轴进行上下平移，产生的位移可以对特定区域的光束进行相位调制。
5.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述致动器层中的相邻致动器之间具有120°相位差，所述致动器层提供切向驱动力以引起镜面绕其中心轴的圆周运动。
6.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：每一致动器包含可动部分与固定部分。
7.根据权利要求6所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述可动部分通过至少一个耦合柱与所述镜面层的柔性力学结构相连接，所述固定部分与所述引线层相连接。
8.根据权利要求1所述的MEMS微镜单元，其特征在于：所述致动器的表面上设置有压电薄膜材料，所述压电薄膜材料在施加...
【专利技术属性】
技术研发人员：武震宇，汪洋，张浩，王栎皓，姜新泉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31
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