一种压电式扫描微镜芯片

本申请涉及微型光学器件，具体而言，涉及一种压电式扫描微镜芯片。

背景技术：

1、近年来，光学成像、控制、通信等技术产生颠覆性革新，使得自动驾驶、元宇宙、生物医学成像等新兴前沿概念逐渐成为科技领域发展的新风口。mems(microelectromechanical systems，微机电系统)扫描微镜凭借其体积小、重量轻、低成本、低功耗、结构简单、便于大规模集成等特点，可在上述领域提供高精度的测量、控制和定位功能。

2、但是，传统悬臂梁结构往往是单悬臂梁驱动，存在驱动稳定性欠佳、应力大等问题；目前成熟的微镜工作机械偏转角度通常限制在10°以内，很难实现较大角度的扫描范围，限制了视场角和应用。另外，由于传统的单悬臂梁需要另渡压电薄膜于悬臂梁外连接环，这极大增加了微镜芯片模组的体积尺寸。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种压电式扫描微镜芯片，设置蛇形的快轴和梯形的慢轴进行配合，并将压电薄膜设置在快轴和慢轴上直接驱动，具备驱动稳定性好、可控性高、应力更低等优势，有利于增大芯片工作机械偏转角度；另外，有利于减小压电薄膜的体积、提高芯片的集成度。

2、本申请的实施例是这样实现的：

3、本申请实施例提供一种压电式扫描微镜芯片，包括：压电薄膜，以及从内到外依次设置并连接的微镜镜面、快轴、内框、慢轴和外框；其中，压电薄膜设置于快轴的表面和慢轴的表面；在压电式扫描微镜芯片的第一方向上，微镜镜面的两侧外壁分别连接有一组快轴；每组快轴包括至少一个蛇形梁；在压电式扫描微镜芯片的第二方向上，内框的两侧外壁分别连接有一组慢轴，第一方向与第二方向垂直；每组慢轴包括至少一个梯形梁，梯形梁的上底与内框的外壁连接，梯形梁的下底与外框的内壁连接。

4、在一些实施方案中，两组快轴对称分布，两组快轴的对称轴经过微镜镜面的中心并沿第二方向延伸；和/或，两组慢轴对称分布，两组慢轴的对称轴经过微镜镜面的中心并沿第一方向延伸。

5、在一些实施方案中，每组快轴包括两个蛇形梁，两个蛇形梁对称间隔分布，两个蛇形梁的对称轴经过微镜镜面的中心并沿第一方向延伸；

6、可选的，满足以下条件(3a)和(3b)中的一项或多项；

7、(3a)在第二方向上，单个蛇形梁的宽度为0.1mm～0.2mm；

8、(3b)在第一方向上，蛇形梁的长度为0.5mm～0.8mm。

9、在一些实施方案中，每组慢轴包括两个梯形梁，两个梯形梁对称间隔分布，两个梯形梁的对称轴经过微镜镜面的中心并沿第二方向延伸；

10、可选的，满足以下条件(4a)～(4d)中的一项或多项；

11、(4a)在第一方向上，梯形梁的上底长度为0.25mm～0.55mm；

12、(4b)在第一方向上，梯形梁的下底长度为0.5mm～1mm；可选的，在第一方向上，梯形梁的下底长度为0.5mm～0.9mm；

13、(4c)在第一方向上，每组慢轴中的两个梯形梁的间距为0.1mm～0.15mm；

14、(4d)在第二方向上，梯形梁的高为0.65mm～0.95mm。

15、在一些实施方案中，梯形梁为直角梯形，每组慢轴中，梯形梁的直角边位于靠近相邻的梯形梁的一侧。

16、在一些实施方案中，微镜镜面的镜面形状为正六边形；

17、可选的，满足以下条件(6a)和(6b)中的一项或多项；

18、(6a)微镜镜面的镜面边长为0.5mm～1.0mm；

19、(6b)微镜镜面的镜面边长为0.65mm～1.0mm。

20、在一些实施方案中，内框的形状为圆环形；

21、可选的，满足以下条件(7a)和(7b)中的一项或多项；

22、(7a)内框的内径为1.2mm～1.5mm；

23、(7b)内框的外径为1.3mm～1.7mm；可选的，内框的外径为1.35mm～1.65mm。

24、在一些实施方案中，外框为中空矩形框，外框的短边沿第一方向延伸，外框的长边沿第二方向延伸；

25、可选的，满足以下条件(8a)～(8c)中的一项或多项；

26、(8a)外框的内侧长边的尺寸为4mm～4.5mm，外框的内侧短边的尺寸为3.5mm～4mm；

27、(8b)外框的外侧长边的尺寸为4.5mm～5mm，外框的外侧短边的尺寸为4mm～4.5mm；

28、(8c)在外框的内侧长边和外框的内侧短边之间通过圆角连接，圆角的半径为0.4mm～0.8mm。

29、在一些实施方案中，压电式扫描微镜芯片的厚度为10μm～20μm，压电式扫描微镜芯片的厚度方向分别垂直于第一方向和第二方向。

30、在一些实施方案中，压电薄膜为磁控溅射薄膜；可选的，满足以下条件(10a)和(10b)中的一项或多项；(10a)压电薄膜的厚度为2μm±100nm；(10b)压电薄膜为氮化铝钪压电薄膜。

31、本申请实施例提供的压电式扫描微镜芯片，至少具备以下有益效果：

32、1、将压电薄膜直接设置在快轴和慢轴上，和设置在悬梁连接环上相比，薄膜的面积减小、体积减小、工艺难度降低，有利于提高芯片的集成度、降低工艺成本。

33、2、将压电薄膜直接设置在快轴和慢轴上，通过直接驱动快轴和慢轴来驱动芯片，有利于提高驱动的稳定性、可控性。

34、3、设置蛇形的快轴和梯形的慢轴进行配合，有利于提高驱动的稳定性；蛇形梁在保持了较好的传力能力的情况下，还能很好地消除剪切应力，可以有效地将芯片高频振动时产生的振动效应进行释放，有利于降低快轴在大扫描角下行驶时的最大应力。

35、4、设置蛇形的快轴和梯形的慢轴进行配合，并将压电薄膜设置在快轴和慢轴上直接驱动，具备驱动稳定性好、可控性高、应力更低等优势，有利于增大芯片工作机械偏转角度，从而实现更大的镜面动态变形。

36、5、在每组快轴中设置两个对称间隔分布的蛇形梁的实施方案中，以及在每组快轴中设置两个对称间隔分布的梯形梁的实施方案中，能够提高悬臂梁扭转时应力分布的均匀性，可有效改善悬臂梁扭转时应力集中的问题，有利于提高芯片的可靠性。

技术特征：

1.一种压电式扫描微镜芯片，其特征在于，包括：压电薄膜，以及从内到外依次设置并连接的微镜镜面、快轴、内框、慢轴和外框；

2.根据权利要求1所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，两组所述快轴对称分布，两组所述快轴的对称轴经过所述微镜镜面的中心并沿所述第二方向延伸；和/或，两组所述慢轴对称分布，两组所述慢轴的对称轴经过所述微镜镜面的中心并沿所述第一方向延伸。

3.根据权利要求2所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，每组所述快轴包括两个所述蛇形梁，两个所述蛇形梁对称间隔分布，两个所述蛇形梁的对称轴经过所述微镜镜面的中心并沿所述第一方向延伸；

4.根据权利要求2所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，每组所述慢轴包括两个所述梯形梁，两个所述梯形梁对称间隔分布，两个所述梯形梁的对称轴经过所述微镜镜面的中心并沿所述第二方向延伸；

5.根据权利要求4所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述梯形梁为直角梯形，每组所述慢轴中，所述梯形梁的直角边位于靠近相邻的所述梯形梁的一侧。

6.根据权利要求1所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述微镜镜面的镜面形状为正六边形；

7.根据权利要求1所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述内框的形状为圆环形；

8.根据权利要求1所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述外框为中空矩形框，所述外框的短边沿所述第一方向延伸，所述外框的长边沿所述第二方向延伸；

9.根据权利要求1所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述压电式扫描微镜芯片的厚度为10μm～20μm，所述压电式扫描微镜芯片的厚度方向分别垂直于所述第一方向和所述第二方向。

10.根据权利要求1～9中任一项所述的压电式扫描微镜芯片，其特征在于，所述压电薄膜为磁控溅射薄膜；

技术总结本申请提供一种压电式扫描微镜芯片，属于微型光学器件技术领域。压电式扫描微镜芯片包括：压电薄膜，以及从内到外依次设置并连接的微镜镜面、快轴、内框、慢轴和外框；压电薄膜设置于快轴和慢轴的表面；在第一方向上，微镜镜面的两侧外壁分别连接有一组快轴；快轴包括蛇形梁；在第二方向上，内框的两侧外壁分别连接有一组慢轴，第一方向与第二方向垂直；慢轴包括梯形梁，梯形梁的上底与内框的外壁连接，梯形梁的下底与外框的内壁连接。该芯片设置蛇形快轴和梯形慢轴配合，将压电薄膜设置在快轴和慢轴上直接驱动，具备驱动稳定性好、可控性高、应力更低等优势，有利于增大芯片工作机械偏转角度；还有利于减小压电薄膜的体积、提高芯片的集成度。技术研发人员：夏园林,郭翔,李茂影,胡艺森,夏操,王竹卿受保护的技术使用者：四川大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19