垂直梳齿驱动的大尺寸MOEMS扫描镜

扫描 微镜是微光 机 电系统 (Micro-optoelec-tro-mechanical System，MOEMS)中-种重要 的光学器件，已经在光开关、投影显示、光纤传感系统等得到了广泛的应用[1。]。而且随着 MEMS加工技术的进-步完善，在-些新兴的应用领域，如新型激光共焦显微系统4]、高性能光通信 等系统中也逐渐采用 MEMS光学扫描微镜作为核心扫描器件。

相对于其它技术手段制作的扫描器件，MO-EMS扫描微镜具有体积孝功耗低、成本低、可批量生产等优势6]。为了进-步适应新兴光学系统对大扭转角度、高光学分辨率和低能量损耗的要求，MOEMS扫描微镜逐渐向着大镜面尺寸(镜面尺寸达到毫米甚至厘米量级)、高扭转频率和大扭转角度的方向发展l7]，因此需要 MEOMS的加工技术能够提供大尺寸的器件加工技术。MO-EMS的加工技术主要有表面加工工艺和体硅加工工艺。表面加工工艺沉积出来的薄膜厚度过小，无法制作大尺寸的微镜8]，而体硅微加工工艺可以制作出厚度很大的镜面，以此可提高镜面的刚度、稳定性和光学性能。

MEMS器件的驱动方式很多，如电磁驱动、热驱动、压 电驱动、静 电驱动等9]。但是对于MEMS光学器件，从工艺的复杂程度、兼容性以及成本方面考虑的话 ，静电驱 动是首选 的驱动方式。因为相对于其它驱动方式，静 电驱动的MOEMS器件结构简单、体积孝功耗低且易于集成 。静电驱动方式又分为平板电容驱动方式和梳齿电容驱动方式。平板 电容驱动方式 由-个可动的微镜面和-个位于微镜面下部的固定下电极构成立体结构，因此，其阵列结构 比较简单。但是平板电容驱动器存在吸合效应(pul-ineffect)口 。镜面的移动距离要小于镜面到平板电极距离的三分之-，否则镜面和下电极之间会产生吸合造成器件失效。为了避免吸合效应，镜面和下电极之间的距离就要设计的很大，这导致了平板电容驱动器所需要的驱动电压很高。目前采用平板电容驱动的扫描微镜在低电压下可控角度很小(小于 l O)，而且镜面尺寸也不够大(只有几百微米)。如果采用平板电容驱动器驱动大尺寸大扭转角度(面积大于 lmm×lmm，扭转角度大于 l O)的扫描微镜，驱动电压要大于 200 V，如此高的驱动电压已经超出了很多诚的应用要求口 。虽然采用台阶电极等方法可以降低驱动电压，但是又显著增加了工艺的复杂性，而且驱动电压依然很高 。相对于平板电容驱动，梳齿电容驱动没有吸合效应的影响，具有驱动电压低、扭转角度大等优势l1 。如半径为几百微米的扫描微镜，驱动电压只有几十伏，扭转角度可以大于15。。

为了得到大尺寸、大扭转角度的 MOEMS扫描微镜，文中设计并制作了-种基于垂直梳齿驱动的大尺寸 MOEMS扫描微镜。该微镜采用体硅微加工工艺和硅片键合制作工艺，镜面的尺寸达到了3 mm×2 mm。在 1.32 kHz的工作频率下实现了±2.4。的扭转角度。与此同时还确保了镜面的光学质量。

2 大尺寸 MOEMS扫描微镜的设计设计的大尺寸 MOEMS扫描微镜的结构示意图如图 1，微镜 的镜面通过 2个扭转梁 固支在外框上，镜面上面溅射-层金作为高反射率镜面。

在扭转梁的两侧从镜面上各伸出2个单端悬臂梁，The upper electrode图 1 垂直梳齿驱动微镜的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of scanning mirror actuated by vertical comb402 光学 精密工程 第21卷在悬臂梁上布满可动梳齿。而固定梳齿则固定在外框上∩动梳齿和固定梳齿在垂直方向有-个高度差，水平方向有-个几微米大的间隙。当在可动梳齿和固定梳齿之间施加电压时，可动梳齿和固定梳齿之间产生静电力，使得可动梳齿向下运动，由此带动扭转梁和微镜镜面扭转。因此通过控制微镜的扭转角度就可以实现对光束的扫描功能。

垂直梳齿的工作原理如图 2所示，其中 a为梳齿长度，w为梳齿宽度，h为梳齿的厚度，d为可动梳齿和固定梳齿在水平方向的间距，z为梳齿之间的交叠长度，L为梳齿的力臂臂长。图 2(a)为垂直梳齿的平面图，图 2(b)为梳齿的剖面图，图 2(c)为梳齿在施加电压时的示意图。微镜的扭转角度和梳齿的尺寸、扭转梁的尺寸以及驱动电压有关，当固定梳齿和可动梳齿施加电压后，静电力力矩可以表示为口 ：T( - ㈤ - N (1)其中，N为镜面-侧梳齿的对数，C( )为电容值，V是驱动电压，d是固定梳齿和可动梳齿在水平方向的间距，S( )是固定梳齿和可动梳齿之间的交叠面积。从公式来看，力矩的大型电压的平方成正比。同时减小梳齿之间的间隙，增加梳齿对数都可以提高静电矩的大小，而交叠面积和角度的关系可以用曲线拟合的方法获得。静电力使可动梳齿向下运动时，扭转梁产生扭转，产生的扭转矩可以表示为：- K。0， (2)其中，K。为扭转刚度系数，用以下公式表示：K - ， (3)其中，G为硅的剪切弹性模量，训，h和 z分别为扭转梁的宽度、厚度和长度。卢是扭转梁的宽度和厚度的比例系数。因此扭转角度和电压的关系可以表示为：K - --N-eV丁(t)2-3S ( 0). (4)可见最终扭转角度和驱动电压、动齿和定齿之间的间隙、梳齿数量、梳齿的交叠面积对角度的偏微分有关。

因为微镜的扭转角度与梳齿尺寸、梁的尺寸有关，因此通过优化设计梳齿参数以及梁的参数可以得到扭转角度和驱动电压的最佳关系。同时(a)梳齿驱动器平面图(a)Plane graph of comb driver(b)梳齿的剖面图(b)Section graph of comb driver(c)施加 电压后 的梳齿驱动器(c)Comb driver after applying voltage图 2 垂直梳齿驱动器的工作原理Fig.2 Operating principle of vertical comb driver在设计微镜的参数时还要考虑工艺上能否实现。

如根据上面的分析，减小水平方向梳齿之间的间隙可以增大静电力，但是过小的间隙在工艺上实现起来比较困难，而且也会降低器件的可靠性。

因此，这里梳齿之间的间隙设计为 4 m。另外，为了提供足够大的力矩，同时又要保证梳齿的刚度，因此梳齿 的宽度设计为 7 m，长度设计为300 m。另外，扭转梁也是影响驱动电压和谐振频率的重要因素。图3为在扭转梁厚度和长度不同时，计算得到的微镜的最大位移量以及谐振频重g分矗图3 在不同的扭转梁宽度和厚度时计算得到的微镜的最大位移和谐振频率Fig.3 Maximum displacement and frequency in dif-ferent thicknesses and lengths of torsion bars互 董 g 2-ds弓 ～第2期 刘英明，等：垂直梳齿驱动的大尺寸 MEMS扫描镜 403图 4 微镜在 9O V驱动电压下的有限元仿真结果Fig.4 FEM simulation of scanning mirror under 90V driving voltage率的曲线∩见增大梁的长度、减小梁的厚度可以增大最大位移，但是谐振频率相应的也变校因此综合考虑上述因素，梁的长度、宽度和厚度分别设计为 150 gm、10 m和 25 m。在此参数下扫描微镜的-阶谐振频率，也就是扭转谐振频率为 1.32 kHz。根据设计的参数，借助有限元分析软件，得到了微镜在施加驱动电压时的位移情况，如图 4所示。得到的最大位移为 63 tzm，此时驱动电压为 9O V，对应的扭转角度为 2.4。。

3 M0EMS扫描微镜的工艺设计和制作MOEMS扫描微镜的工艺设计除了要考虑微镜的结构之外还要考虑到微镜的可靠性和光学表面的质量。尤其是微镜工作在高速状态时，要求镜面不能产生大的形变，同时要求镜面的粗糙度很低，以减少光能量的损耗 。因此，为了增加镜面的刚度，同时提供好的光学表面，采用体硅工艺在 SOI(Silicon on Insulator)硅片上制作微镜。

制作垂直梳齿驱动的 MOEMS扫描微镜的难点在于垂直梳齿的制作工艺。垂直梳齿的数量多，尺寸小，而且要制作上下两层梳齿，因此需要多次光刻和刻蚀才能完成。采用标准的体硅加工工艺时，因为需要刻蚀出光滑并且垂直的梳齿侧壁，故无法采用 KOH溶液等各向异性的腐蚀方式。同时梳齿的长度长、间距小，在进人溶液时很容易发生粘附，而且这种粘附是不可逆的，因此刻蚀梳齿时以及之后的工艺都不能再进入溶液中。

梳齿的制作工艺基本上都是在 SOI硅片上做深反应离子刻蚀(DRIE)得到 的。 目前文献 中记载的工艺主要有键合工艺、自对准工艺和多重掩模工艺。键合工艺是在两块衬底上分别制作出上梳齿和下梳齿，然后通过键合形成垂直梳齿结构。这种工艺虽然工艺过程简单，但是因为梳齿的间距小，键合时形成的对准误差非常突出，很容易引起器件的失效l 。而 自对准工艺开始和键合工艺类似，不过上梳齿的宽度更宽，键合之后，采用宽的上梳齿作为下梳齿的掩模，从而刻蚀出垂直梳齿口引。自对准工艺不存在对准误差的问题，不过在最后的刻蚀时，需要在带有深槽的硅片上做涂胶和光刻，这是较为困难的，而且因为槽比较深，台阶覆盖也不好。而采用多层掩模的垂直梳齿制作工艺不但解决了对准问题，同时通过掩模的层层释放，减少了光刻的次数，也避免了深槽涂胶和光刻1 。本文采用双层掩模工艺在 SOI硅片上制作了垂直梳齿驱动的 MOEMS扫描微镜，完整的 MOEMS扫描微镜的制作工艺流程如图 5所示 ：(a)准备 2片顶层硅厚度为25 m的 SOI硅片；(b)其中-片的表面氧化 400 nm的二氧化硅，两片 SOI硅片的顶层硅键合到-起；(c)采用 KOH溶液把其中-侧的衬底硅全部去掉，露出埋层氧化硅；(d)在露出的埋氧上光刻，采用 HF溶液把镜面和可动梳齿上面的氧化硅去掉-部分，同时保留-部分；(e)采用另外-张掩模版光刻后把梳齿间隙和镜面间隙中间的氧化硅全部去掉；(f)采用深反应离子刻蚀 (DRIE)向下刻蚀25 tzm，直到中间的那层 400 nm的氧化硅露出；(g)采用反应离子刻蚀 (RIE)把露出的400nm氧化硅去掉，同时可动梳齿上的氧化硅也被去掉，而固定梳齿上保留-定厚度的氧化硅；(h)接着做 DRIE，刻蚀 25 m，此时镜面被刻蚀到下层，可动梳齿也被刻蚀到底层；(i)用反应离子刻蚀(RIE)把剩余的氧化硅全部去掉；(j)把-片普通硅片腐蚀出 3O m的凹坑，作为镜面的活动空间，然后和刻蚀好梳齿结构的第2期 刘英明，等：垂直梳齿驱动的大尺寸 MEMS扫描镜 405微镜边缘的位移量最大也就是几十微米，而且不能采用接触式的测试方法，因此采用 3D光学干涉仪记录微镜边缘的位移量。测量结果如图 8所示 。微镜在驱动电压为 95 V时对应 的扭转角度为 2.4。。通过对 比发现，在相同电压下，微镜实际的扭转角度要小于理论值，这是因为在制作过程中，实际得到的垂直梳齿之间的间隙比设计值要大，因此会造成静电力变校Fig.8 扫描微镜的电压角度测试曲线和理论曲线对比图Fig.8 Rotation angle curves of M0EM S scanning mirror为了测试微镜的响应速度 ，采用 -束光垂直人射到微镜的表面，然后施加 95 V的静电压，此时微镜转到最大角度，采用光电检测器接收反射的光束，光信号转换成电信号之后显示在示波器上。测试结果如图 9所示。这里把微镜从初始状态施加电压转到最大角度时的时间作为微镜的开启响应时间(turn-on responding time)，测试结果如图9(a)为 1.887 ms。电压撤掉后，微镜从最大角度返回到初始状态时的时问作为关断响应时间(turn-of responding time)，关断时的响应时间如图 9(b)为 4.418 ms∩见微镜 的响应时间在几个 ms量级 ，完全符合 光束 扫描的要求 。关 断时间大于开启时间是梳齿电容的放电时间大于充电时间所导致的。