[发明专利]扫描反射镜装置及其制造方法

说明书

本发明涉及扫描反射镜装置及其制造方法，涉及一种由反射镜薄片、盖薄片和玻璃薄片形成的光学装置。反射镜薄片包括导电材料的第一层、导电材料的第二层和位于第一层与第二层之间的电绝缘材料的第三层。反射镜元件由反射镜薄片的第二层形成，并且具有在开放至至少第一层的腔的底部中的反射表面。当反射镜薄片、盖薄片和玻璃薄片彼此接合时，可以利用良好的光学质量的平坦玻璃薄片来包围反射镜元件。

技术领域

本发明涉及光学装置，具体地涉及利用MEMS技术制造的扫描反射镜结构。

背景技术

近来，已基于微机电系统(MEMS)技术开发了用于反射光束的反射镜。在扫描反射镜中，反射的方向可以作为根据时间的函数进行变化。扫描反射镜可以在一个维度或两个维度上沿一定范围的方向引导光束，并且其还可以用来以良好的角度精度和分辨率收集来自一定范围的方向的光。通过将反射镜倾斜一定角度并且作为时间的函数改变该角度来获得在一定角度范围内的扫描操作。通常，这种变化的倾斜是以周期或振荡的方式进行的。对于这种扫描反射镜有几种应用，例如条码扫描仪、扫描显示器和激光测距成像传感器(Lidars)。

通常，MEMS反射镜包括在其顶表面上具有反射涂层的硅板、用于悬挂的硅梁和用于反射硅板的一轴或两轴倾斜运动的致动结构。在已知的应用中已经使用了压电致动和静电致动两者。在这些方法中的任一种方法中，获得的力通常太小而不能通过直接施加致动电压来产生适当的偏转幅度。因此，所期望的高倾斜角度需要在谐振模式下操作。谐振模式操作需要较低的环境压力以使气体阻尼最小化，这意味着反射镜需要以低压进行气密封装。气密盖也很重要，因为其解决了反射镜的反射表面的腐蚀。

在成本、尺寸和可制造性方面，对于MEMS装置目前优选晶片级封装。它广泛用于大量生产谐振MEMS装置，如陀螺仪和定时谐振器。然而，MEMS反射镜对晶片级封装提出了一些特殊要求：保护反射镜的元件必须提供良好的光学性能，并且组合需要为反射镜的倾斜运动的竖直活动提供足够的空间。

图1示出了常规的晶片级封装的MEMS反射镜元件，其描述于文献“Resonantbiaxial 7-mm MEMS mirror for omnidirectional scanning”，Journal of Micro/Nanolitograhy,MEMS and MOEMS，2014年1-3月/第(13(1))卷。如图1所示，可移动反射镜元件100和用于使其致动的元件可以通过蚀刻SOI薄片(wafer)的前侧和背侧由SOI薄片102形成。然后SOI薄片可以是接合至玻璃盖薄片104、106的侧壁的玻璃料。图1所示的玻璃盖薄片104、106是用于气密封闭MEMS反射镜组合的直接解决方案。然而，玻璃盖的平面或平坦部件108也需要间隔件110以提供反射镜元件所需的竖直活动的空间。实际上，所需的间隔距离可以高达数百微米。

间隔件110通常由接合至平坦玻璃薄片的间隔薄片形成，平坦玻璃薄片提供光学窗。然而，这增加了薄片封装的成本和复杂性，因为需要形成多于一个的接合界面，并且潜在地不得不利用多于一种的接合技术。例如，平坦玻璃薄片可以与硅间隔薄片进行阳极接合，但是硅间隔薄片将需要用于与SOI薄片的硅薄片接合的其他技术。

可替选地，可以通过在平坦玻璃盖薄片中蚀刻腔来形成间隔件110。然而，对于许多潜在的应用，这种玻璃盖的光学质量不够。众所周知，非常难以通过蚀刻在腔的底部制造对于光学应用是适当平滑的表面。通常经蚀刻的玻璃表面是粗糙并且不平坦的，这导致由光散射和不期望的光折射引起光学损耗。

图1所示的解决方案通过形成所期望的轮廓来避免光学损耗并且通过在高温下软化玻璃盖薄片来避免腔。从薄片接合点出发这可能是可行的解决方案，但是制造这种成形玻璃是相对复杂的并且昂贵的工艺。其包括将玻璃首先接合至牺牲硅薄片中，以及在热成形之后蚀刻掉牺牲硅薄片。因此，该方法所需的薄片总数与附加的间隔薄片相同，这意味着也不会实现材料成本的节省。还存在对于玻璃软化采用的高温引起玻璃中结晶的风险，从而劣化光学性能。

发明内容