[发明专利]一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法

说明书

本发明公开了一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法，包括：FPCB、粘贴在FPCB正面的硅层以及设置在FPCB两侧的外部磁铁；FPCB包括中间座、聚酰亚胺扭转梁和外部的聚酰亚胺加强框，中间座的正面和背面设有铜线圈；制备方法包括：将硅晶片的金属镀层侧朝下，附着在承载晶片；将FPCB的正面朝下，粘贴在硅晶片的非金属镀层侧；以FPCB为掩膜、金属镀层为停止层，一步蚀刻硅晶片，得到高谐振频率的大孔径振镜。本发明简单的制造过程和0.1毫米分辨率的FPCB光刻技术导致成本非常低致几美元；嵌入FPCB结构中的铜线圈在大孔径镜板的背面，会产生大的驱动力，考虑到大孔径和高厚度而获得相对较高的谐振频率。

技术领域

本发明涉及振镜技术领域，具体涉及一种高谐振频率的大孔径振镜及制备方法。

背景技术

许多微机电系统(MEMS)设备已成功开发，例如微加速度计、微压力传感器、麦克风和数字微镜设备(DMD)；由于其体积小，性能高且成本低。MEMS制造技术是一种微米分辨率的光刻工艺，包括生成光掩模，掩模对准，沉积和蚀刻等步骤，这既复杂又昂贵。但是可以通过批量生产来实现低单位成本，即通过在同一硅晶片上进行相同系列的处理步骤同时来制造数百或数千个器件。MEMS微镜通常具有10sμm～1mm的孔径，以获得较低的单位成本。当孔径尺寸变得很大时，例如≥10mm，由于单位成本与孔径尺寸的平方成反比，所以低的单位成本优势就消失了。MEMS微镜具有大孔径的另一个限制因素在于镜面厚度薄(1s～10sμm)，这使得大孔径镜的表面平整度变差。可以在释放的MEMS驱动器的上粘合一个外部厚镜片，以获得具有良好平坦度的大孔径微镜。然而将镜片粘合在易损坏的MEMS驱动器上是非常具有挑战性的，这导致了高成本。

近年来大孔径振镜在扫描LiDAR应用中越来越受到关注，这主要针对自动驾驶汽车市场。MEMS振镜可以替代LiDAR中基于传统旋转电机的扫描机制，从而实现更高的扫描频率、更轻巧、更紧凑的结构、更高的可靠性以及明显更低的成本。最近在LiDAR中使用了一些大孔径MEMS振镜(孔径为3～5mm)，显示出了可喜的结果。扫描LiDAR非常需要孔径较大的振镜，例如10mm，因为：1)在同轴LiDAR中，孔径较大的反射镜可承受更高功率的激光并收集更多的扩散反射光功率，从而有更高的功率信噪比(SNR)和更远的测量距离；2)在双轴LiDAR中，需要使用大孔径镜来覆盖发射和接收透镜。迄今为止，在商用LiDAR开发中使用的最大MEMS反射镜孔径距为Blickfeld的10×10mm，其详细设计未被披露。

Mirrorcle Technologies Inc展示了一些大孔径MEMS微镜，通过在释放的微驱动器上粘合单独的镜片，将镜片的尺寸扩展至直径6.4mm甚至7.5mm，这导致高成本。此外机械旋转角分别减小到±2.5°和±1.0°。一种用于自由空间光通信的电热MEMS微镜，达到10mm×10mm孔径尺寸和10°光学扫描角。两个MEMS镜均具有较大的孔径尺寸，但旋转角度有限。Fraunhofer研究所开发了14个反射镜阵列，以实现总334mm²的孔径尺寸和60°的光学扫描范围。但是必须同步所有14个微镜以具有相同的相位和幅度。

柔性印刷电路板(FPCB)微镜技术可以用来制造低成本和大孔径振镜，并已用于低速自动导引车(AGV)的单行扫描LiDAR。但是FPCB振镜无法达到较高的频率，例如200Hz～1kHz，这对于在高速和高振动环境(例如道路车辆)中使用的LiDAR来说是必需的，以使其具有抗振性并获得更多的扫描线在自动驾驶汽车的3D LiDAR中。基于阻燃剂材料(FR4)PCB的电磁振镜使用FR4材料作为低成本的大口径镜的基板。但是它也是一种具有约20Mpa的低杨氏模量的柔软材料，因此不适合用于高谐振频率振镜。