[实用新型]一种压电薄膜驱动的MEMS扫描振镜

说明书

本实用新型提供一种压电薄膜驱动的MEMS扫描振镜，包括衬底、硅微反射镜、压电薄膜驱动器，硅微反射镜及压电薄膜驱动器位于衬底上，还设有硅折叠弹簧及硅扭转梁，硅折叠弹簧连接压电薄膜驱动器和硅扭转梁，压电薄膜驱动器通过硅折叠弹簧及硅扭转梁驱动硅微反射镜实现角度扭转。本方案实现了单轴扫描和双轴扫描，以及三自由度的扫描运动。相比传统的机械扫描镜，本方案弥补了需要多个单轴扫描镜来合成多轴扫描镜的不足。

技术领域

本实用新型属于光学MEMS技术、3D传感器及MEMS扫描镜领域，具体涉及一种压电驱动的MEMS扫描振镜。

背景技术

激光扫描器将准直激光束通过快速扫描运动，能够扫描实现特定的激光图案，因此可以实现3D动态结构光的生成、激光投影成像、激光三维测量、激光光幕、激光3D打印、激光加工等应用。基于MEMS技术制造的激光扫描芯片可以实现kHz至百kHz的高速扫描、单微镜多轴扫描，同时还有芯片尺寸小、成本低、可靠性高等许多优势，成为激光功率毫瓦至数十瓦范围激光扫描的主要技术，是激光应用的关键的器件，具有广阔的市场前景。

MEMS扫描振镜已得到深入、广泛的研究，根据其扫描运动方式可以分为谐振式扫描微镜和准静态式扫描微镜，其区别是谐振式扫描微镜仅工作在MEMS扫描振镜的谐振频率点上，在十几伏或数十伏驱动电压下，可以实现大角度如正负几度至数十度的扫描。准静态式扫描微镜可以工作在任意的频率下，而且在扫描范围内还可以停留在任意的角度位置，但其扫描角度范围通常较小、驱动电压较高。

目前市场上多家公司可以提供MEMS扫描振镜芯片。这些公司的MEMS扫描振镜芯片目前均采用静电平面梳齿驱动方式，芯片工作在谐振状态，可以在数十伏电压驱动下，实现±20-40°的扫描，其制作技术采用硅-硅键合技术和硅深刻蚀技术。静电驱动是最成熟的MEMS驱动方式，应用最为广泛，但静电驱动MEMS扫描振镜存在以下不足：静电驱动的驱动力微小，一般只能实现基于静电吸引力的单向驱动，在谐振工作模式下，其驱动电压高达50-60V，高压驱动增加了驱动成本和驱动功耗；为了获得设计的±20-40°光学扫描角度，即使工作在谐振工作模式下，静电驱动器面积也较大，增加MEMS扫描振镜芯片面积，也就是增加了芯片的成本；在静电驱动面积一定的情况下，为了获得更大的驱动力，驱动梳齿的间隙设计减小可以增加驱动梳齿的对数，但梳齿间隙的减小又会增加空气的运动阻尼，降低谐振运动的Q值，对扫描角产生重要影响；采用梳齿驱动的梳齿宽度和间隙为微米量级，因此芯片的晶圆制造、划片和封装等过程中，对微米级的尘埃、硅渣非常敏感，导致芯片不良率上升，特别是在芯片划片环节，硅片崩片产生的硅渣，会让芯片完全失效。在芯片使用中，必须采用气密封装，来避免尘埃、水汽的影响，增加了封装的成本；静电平面梳齿驱动采用谐振工作方式，其驱动电信号对驱动相位有特殊要求，而且有效驱动时间最多仅占50％，同时在这50％的驱动时间内，绝大多数的驱动时间的驱动效率很低；静电平面梳齿驱动启动时间长，需要从高于f0(谐振频率)约40％的驱动信号频率逐渐缩小至f0，启动时间长达数秒钟，而启动控制非常复杂，对快速启动的扫描应用很不利；静电平面梳齿驱动容易产生由于环境温度变化导致的谐振频率漂移导致的扫描突然停止，给使用带了很多的不便。因此，发展新型驱动技术的MEMS扫描振镜，克服静电驱动MEMS扫描振镜的不足，具有重要意义和经济价值。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种压电薄膜驱动的MEMS扫描振镜，包括衬底、硅微反射镜、压电薄膜驱动器，硅微反射镜及压电薄膜驱动器位于硅衬底上，还设有硅折叠弹簧及硅扭转梁，硅折叠弹簧连接压电薄膜驱动器和硅扭转梁，压电薄膜驱动器通过硅折叠弹簧及硅扭转梁驱动硅微反射镜实现角度扭转。

优选的，压电薄膜驱动器，是在SOI材料的顶层硅上生长压电薄膜，再在压电薄膜上沉积金属电极后，进行硅深刻蚀形成。

优选的，压电薄膜上层设有金属膜，且硅衬底与硅微反射镜之间设有二氧化硅层。

优选的，压电薄膜驱动器为基于掺钪氮化铝薄膜或铌酸锂薄膜或钛酸钡薄膜的MEMS压电双材料驱动器。