[发明专利]一种三压电悬臂梁驱动的MEMS微镜及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三压电悬臂梁驱动的MEMS(微电子机械系统)微镜及制作方法，属于智能材料与结构技术领域。 

背景技术

MEMS微镜是一种微型光学调制器件，它的基本原理是通过静电(或磁力或电热或压电)的作用使可以活动的微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向或相位。MEMS微镜及其阵列以其尺寸微小、镜面定向精度高、单片集成化等优点，可广泛用于光通讯中的光交换和光信号调制、光存储和光投影成像、光谱分析和生物医学仪器、天文学和视觉科学中的波前相差矫正等领域。 

按驱动方式分类，MEMS微镜可主要分为静电式、磁力式、电热式和压电式四种。其中压电驱动式MEMS微镜则以结构简单、驱动力大，响应速度快等优点成为最有应用潜力的发展方向之一。 

目前，压电驱动式MEMS微镜主要采用二个或四个压电悬臂梁的驱动结构。日本Maeda等人(Maeda等人，Application of sol-gel deposited thin PZT film for actuation of 1D and 2D scanners，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.73，No.1-2，144-152)采用溶胶-凝胶法制备的1.5μm厚锆钛酸铅(PZT)膜作为压电驱动材料，制作了四压电悬臂梁驱动的扫描微镜，微反射镜面能够分别沿X轴和Y轴方向转动。韩国Yee等人(Yee等人，PZT actuated micromirror for fine-tracking mechanism of high-density optical data storage，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.89，No.1-2，166-173)也运用溶胶-凝胶法制备了360nm厚PZT薄膜驱动的四压电悬臂梁微镜，可产生垂直方向的运动，能够用于高密度光存储的精确跟踪装置。韩国Kim等人(Kim等人，Piezoelectrically pushed rotational micromirrors using detached PZT actuators for wide-angle optical switch applications，Joumal of Micromechanics and Microengineering，Vol.18，No.12， 125022)也制作了四压电悬臂驱动驱动微镜，悬臂梁采用溶胶-凝胶法制备的380nm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，微反射镜面能够分别沿X轴和Y轴方向转动。法国Filhol等人(Filhol等人，Resonant micro-mirror excited by a thin-film piezoelectric actuator for fast optical beam scanning，Sensors and Actuators A-Physical，Vol.123-124，483-489)则制作了双压电悬臂梁驱动的扭转微镜，悬臂梁采用射频溅射法制备的500nm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，可实现沿一个单轴的转动和垂直运动。美国Smits等人(Smits等人，Microelectromechanical flexure PZT actuated optical scanner：static and resonance behavior，Journal of Micromechanics and Microengineering，Vol.15，No.6，1285-1293)也制作了双压电悬臂梁驱动的扭转微镜，臂梁采用溶胶-凝胶法制备的0.8μm厚PZT压电薄膜作为驱动材料，可实现沿一个单轴的转动。 

由上可以看出，压电驱动式MEMS微镜主要通过在压电悬臂梁上施加不同的组合电压，从而实现微反射镜面沿某个单轴或两个正交轴方向的转动，可转动的方向较少，难以满足微镜在光开光、光扫描和光成像等方面对多轴偏转方向的要求。在驱动材料方面，主要使用压电系数较高的PZT薄膜(＜2μm)作为微镜的驱动材料，但PZT薄膜的压电性能弱、驱动力小，限制了它在压电MEMS器件中的应用。此外，压电MEMS微镜的压电悬臂梁与微反射镜面均采用直线型窄弹性梁连接，这会使压电悬臂梁产生的扭曲应力影响微反射镜面的平整度，进而增加了光损耗。 

综上所述，为了满足压电MEMS微镜在光开光、光扫描和光成像等方面对多轴偏转方向的要求，并达到尽可能大的偏转角度，需要设计并制作新型结构的压电MEMS微镜以解决上述问题。 

发明内容