一种集成压阻反馈的电热式微镜制造技术

本发明专利技术公开的一种集成压阻反馈的电热式微镜，属于微纳光学系统技术领域。本发明专利技术所述驱动器包括常规驱动器和岛状结构驱动器。通过在微镜上集成具有角度传感作用的压阻传感器，以实时检测微镜的偏转姿态，并将该姿态信息反馈到控制中枢，通过压阻反馈提高微镜控制精度。此外，通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出，实现较大压阻电压输出的同时，通过对压阻热绝缘隔离有效降低压阻区域的温度，进而抑制压阻的热噪声，进一步提高压阻对电热式微镜反馈控制精度。本发明专利技术的微镜驱动器采用并联对称式的驱动器，能够产生较大的驱动能力，增大微镜的垂直位移范围和角度扫描范围。对称分布式的桥式电阻，能够最大程度抑制温度差异导致的温度漂移。温度漂移。温度漂移。

【技术实现步骤摘要】
一种集成压阻反馈的电热式微镜


[0001]本专利技术涉及一种集成压阻反馈的电热式微镜，尤其涉及一种可承受高温的可反馈控的电热式微镜，属于微纳光学系统


技术介绍

[0002]微机电系统(MEMS)微镜已被用于多种应用，如生物医学成像、光开关、智能窗户和激光雷达(LiDAR)。在MEMS微镜的各种驱动机制中，压电驱动和静电驱动具有速度快、功耗低的优点，但电热bimorph驱动在低驱动电压和高填充因子方面表现得更好。此外，电热bimorph可以很容易地实现具有大扫描角度范围和大活塞位移的MEMS微镜。然而，由于大驱动范围所需的高温以及韧性金属作为bimorph层的使用，电热微镜由于金属的疲劳和蠕变，很容易随着时间发生显著的漂移，这就需要一个位置传感机制来修正，从而能够在需要高精度控制的应用中使用。电热微镜的位置传感已经结合光学反射、光学干涉和感应耦合等技术进行了研究。然而，这些方法都需要额外的元件、精确的对准和专用的封装，这大大增加了尺寸和成本，使得制造具有位置传感能力的电热微镜大阵列几乎成为不可能。因此，必须研制具有集成位置传感功能的电热微镜。

技术实现思路

[0003]本专利技术的主要目的是提供一种集成压阻反馈的电热式微镜，通过在微镜上集成具有角度传感作用的压阻传感器，以实时检测微镜的偏转姿态，并将该姿态信息反馈到控制中枢，通过压阻反馈提高微镜控制精度。此外，通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出，实现较大压阻电压输出的同时，通过对压阻热绝缘隔离有效降低压阻区域的温度，进而抑制压阻的热噪声，进一步提高压阻对电热式微镜反馈控制精度。本专利技术的微镜驱动器采用并联对称式的驱动器，能够产生较大的驱动能力，增大微镜的垂直位移范围和角度扫描范围。对称分布式的桥式电阻，能够最大程度抑制温度差异导致的温度漂移。
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005]本专利技术公开的一种集成压阻反馈的电热式微镜，包括框架、微镜片、驱动器、压阻、金属引线和金属电极。所述驱动器包括常规驱动器和岛状结构驱动器。
[0006]所述框架为中部镂空的边框，边框的内侧面向水平延伸出岛状结构，岛状结构的表面上通过扩散或掺杂形成具有角度传感作用的压阻，通过所述压阻检测岛状结构受驱动器带动产生运动状态变化，实时检测微镜的偏转姿态，并将该姿态信息反馈到控制中枢，通过高灵敏度的压阻反馈提高微镜偏转精度。岛状结构的另一端端与驱动器相连，驱动器用于驱动并支撑微镜片。微镜片通过臂状驱动器上的连接结构连接在框架的中心，有利于臂状驱动器的对称布局和向长度方向上的延展。所述金属引线和金属电极设置在框架的表面用于对驱动器以及压阻施加加载电压，驱动器受热变形带动岛状结构状结构产生形变，通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出，实现较大压阻电压输出的同时，通过对压阻热绝缘隔离有效降低压阻区域的温度，进而抑制压阻的热噪声，进一步提高压阻对电热式微镜反
馈控制精度。
[0007]通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出。所述优化后驱动器按照驱动器和岛状结构连接方式包括弹簧连接式、直接连接式两种方式。
[0008]对于驱动器采用弹簧连接式，所述电热式微镜采用弹簧式连接结构，驱动器的左右两端分别连接一个绝缘的缓冲区，绝缘缓冲区与蛇形弹簧的一端相连，弹簧的另一端与独立的岛状结构组成弹性系统，岛状结构的表面上经过扩散或掺杂形成用于检测微镜受热后运动状态的桥式压阻。
[0009]对于驱动器采用直接连接式，所述电热式微镜采用直连式连接结构，所述框架上在中间偏左偏右端分别延伸出两个悬臂梁与驱动器通过连接结构直接连接，也即两个悬臂梁对称位于岛状结构状结构的左右两侧，有利于温度的对称分布，最大限度的降低温度漂移对压阻输出带来的影响，悬臂梁的表面上经过扩散或掺杂形成用于检测悬臂梁受热后运动状态的桥式压阻，其中压阻和压阻排列方向垂直，用于增大压阻的输出。
[0010]为了进一步便于岛状结构与驱动器连接，作为优选，所述框架为中部镂空的矩形边框，矩形边框的内侧面向中心水平延伸出岛状结构状结构，为便于电流回流，岛状结构对称分布，一部分用于电流流入，一部分用于电流流出。岛状结构的自由端侧向与驱动器连接，起到支撑驱动器的作用。
[0011]进一步地，所述驱动器由六个Bimorph结构和若干段硅臂组成；所述Bimorph结构和硅臂均基于一单晶硅层制备。所示bimorph 3.1.1、bimorph 3.1.2、bimorph 3.1.4根据文献【Wu L,Xie H.A lateral
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shift
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free and large
‑
vertical
‑
displacement electrothermal actuator for scanning micromirror/lens[C]//TRANSDUCERS 2007
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2007 International Solid
‑
State Sensors,Actuators and Microsystems Conference.IEEE,2007:1075
‑
1078.】的分析，为了消除侧向位移，其中bimorph3.1.1的长度是bimorph 3.1.2和bimorph 3.1.4长度的2倍。六段bimorph除长度以外，材料组成相同，bimorph结构的材料从下往上依次为Si、下层绝缘材料、加热电阻、上层绝缘材料、金属，受热时产生变形。所述硅臂的材料从下往上为Si、绝缘材料、加热电阻、绝缘材料，其中加热电阻为驱动器加热电阻。通过Bimorph结构、硅臂分层布局实现硅和金属之间的绝缘，避免Bimorph结构中的金属由于电荷累积效应而向某一端累积金属离子导致Bimorph的结构失效。通过优化驱动器bimorph材料之间厚度之比，在提高驱动器挠度的基础上能够有效增大微镜的扫描范围。
[0012]此外，也可不需要金属电阻，因为单晶硅直接通过掺杂能够形成加热器，实现电阻加热、导电的双重功能。
[0013]作为进一步优选，所述金属电极和引线为Al、Ag、Au、Cu，所述金属电阻为Pt、W。
[0014]所述绝缘材料为SiO2、PI、Si3N4。
[0015]所述蛇形弹簧的材料为Si，绝缘缓冲区的材料为氧化硅，缓冲区通过蛇形弹簧结构和悬臂梁结构相连。
[0016]所述压阻为高温压阻传感器，为了抑制因温度导致的压阻漏电电流，在制备压阻时，在压阻周围刻蚀出绝缘槽，然后填充绝缘材料，以最大限度的隔热和抑制漏电电流，提高压阻传感器的温度范围。进一步的，悬臂梁的结构为硅膜，压阻与硅膜之间绝缘材料，用以隔离压阻与硅膜，通过对压阻热绝缘隔离有效降低压阻区域的温度，进而抑制压阻的热
噪声，进一步提高压阻对电热式微镜反馈控制精度。
[0017]本专利技术公开的一种集成压阻反馈的电热式微镜制作方法，对于采用弹簧连接方式，包括以下步骤：
[0018]步骤一：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成压阻反馈的电热式微镜，其特征在于：包括框架、微镜片、驱动器、压阻、金属引线和金属电极；所述驱动器包括常规驱动器和岛状结构驱动器；所述框架为中部镂空的边框，边框的内侧面向水平延伸出岛状结构，岛状结构的表面上通过扩散或掺杂形成具有角度传感作用的压阻，通过所述压阻检测岛状结构受驱动器带动产生运动状态变化，实时检测微镜的偏转姿态，并将该姿态信息反馈到控制中枢，通过高灵敏度的压阻反馈提高微镜偏转精度；岛状结构的另一端端与驱动器相连，驱动器用于驱动并支撑微镜片；微镜片通过臂状驱动器上的连接结构连接在框架的中心，有利于臂状驱动器的对称布局和向长度方向上的延展；所述金属引线和金属电极设置在框架的表面用于对驱动器以及压阻施加加载电压，驱动器受热变形带动岛状结构状结构产生形变，通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出，实现较大压阻电压输出的同时，通过对压阻热绝缘隔离有效降低压阻区域的温度，进而抑制压阻的热噪声，进一步提高压阻对电热式微镜反馈控制精度。2.如权利要求1所述的一种集成压阻反馈的电热式微镜，其特征在于：通过优化驱动器应力分布，优化压阻输出；所述优化后驱动器按照驱动器和岛状结构连接方式包括弹簧连接式、直接连接式两种方式；对于驱动器采用弹簧连接式，所述电热式微镜采用弹簧式连接结构，驱动器的左右两端分别连接一个绝缘的缓冲区，绝缘缓冲区与蛇形弹簧的一端相连，弹簧的另一端与独立的岛状结构组成弹性系统，岛状结构的表面上经过扩散或掺杂形成用于检测微镜受热后运动状态的桥式压阻；对于驱动器采用直接连接式，所述电热式微镜采用直连式连接结构，所述框架上在中间偏左偏右端分别延伸出两个悬臂梁与驱动器通过连接结构直接连接，也即两个悬臂梁对称位于岛状结构状结构的左右两侧，这样有利于温度的对称分布，最大限度的降低温度漂移对压阻输出带来的影响，悬臂梁的表面上经过扩散或掺杂形成用于检测悬臂梁受热后运动状态的桥式压阻，其中压阻和压阻排列方向垂直，用于增大压阻的输出。3.如权利要求2所述的一种集成压阻反馈的电热式微镜，其特征在于：为了进一步便于岛状结构与驱动器连接，所述框架为中部镂空的矩形边框，矩形边框的内侧面向中心水平延伸出岛状结构状结构，为便于电流回流，岛状结构对称分布，一部分用于电流流入，一部分用于电流流出；岛状结构的自由端侧向与驱动器连接，起到支撑驱动器的作用。4.如权利要求2所述的一种集成压阻反馈的电热式微镜，其特征在于：所述驱动器由六个Bimorph结构和若干段硅臂组成；所述Bimorph结构和硅臂均基于一单晶硅层制备；六段bimorph除长度以外，材料组成相同，bimorph结构的材料从下往上依次为Si、下层绝缘材料、加热电阻、上层绝缘材料、金属，受热时产生变形；所述硅臂的材料从下往上为Si、绝缘材料、加热电阻、绝缘材料，其中加热电阻为驱动器加热电阻；通过Bimorph结构、硅臂分层布局实现硅和金属之间的绝缘，避免Bimorph结构中的金属由于电荷累积效应而向某一端累积金属离子导致Bimorph的结构失效；通过优化驱动器bimorph材料之间厚度之比，在提高驱动器挠度的基础上可有效增大微镜的扫描范围。5.如权利要求4所述的一种集成压阻反馈的电热式微镜，其特征在于：因为单晶硅直接通过掺杂能够形成加热器，实现电阻加热、导电的双重功能，也能够不需要金属电阻，进而简化集成压阻反馈的电热式微镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢会开，汤跃，徐立新，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆微电子中心，
类型：发明
国别省市：