一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜的制作方法

本发明涉及微纳光学器件领域，具体涉及一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜。

背景技术：

微镜是一类可以有效实现光路调控的微纳芯片，广泛应用于投影、成像、激光导航等领域。目前应用最多的微镜包括静电式、电磁式、压电式以及电热式等几种。目前应用的微镜中一大部分采用无角度反馈的开环控制方式，该种微镜存在的一个严重不足是缺乏有效的角度反馈，造成微镜控制不精确的问题，从而导致投影和成像漂移、导航偏差等问题。现有部分微镜采用了一定的角度反馈，但仍然存在较多问题。

目前应用的微镜，一种角度反馈的方式是在微镜之外设置角度检测装置，用来测量微镜的转角，可以在一定程度上实现微镜的角度反馈。例如专利号为zl200410085274.1的专利公开了一种采用光学组件进行角度测量的微镜方案。但这种方法检测装置需要将激光光源、光路、位置传感器等部件加入微镜模组，极大增加了微镜模组的体积、功耗以及系统复杂程度。更重要的是，这种检测方式由于安装误差等因素，难以实现精准的角度反馈，并且各个微镜模组一致性差。

也有采用集成在微镜中的角度传感器进行角度检测的方案，例如申请公布号为cn109814251a的公开专利设计了一种电热驱动，采用平板电容检测的微镜。该方案在基底上设置电容片，利用电容片上的电容值与微镜片实际扭转角之间的关系作为反馈值对控制器进行信号反馈。该方案减少了微镜模组中的光路和位置传感器的部件，一定程度上降低了微镜模组的复杂度。然而该方案采用平板电极元件作为角度反馈电容，该反馈电容输出与微镜转角之间是非线性关系，对应关系复杂，输出转换速度慢，非线性关系求解舍去误差大，平板电极电容小，输出信号微弱，对处理电路要求高，信噪比低。该方案采用电热驱动方式，微镜工作频率低，难以适用于高频扫描。

论文“apiezoelectricallyactuatedscaningmicromirrorintegratedwithanglesensors”(keyengineeringmaterials2011，483:437-442)中揭示了一种集成了压电角度传感器的压电驱动式微镜。然而压电驱动以及压电传感器采用pzt材料，工艺兼容性差，加工难度大，易对芯片生产线产生污染。同时，压电传感器对处理电路输入阻抗要求极高，电路复杂，成本高。压电式传感器在低频下性能差，难以适用于微镜的低频扫描。

对比文件4-cn107976871a-一种动态形变可控微镜镜面梳齿结构及其加工方法，公开了一种微镜梳齿加工方法和相应的梳齿结构静电驱动微镜，可以实现集成的微镜角度检测，但该方案中驱动结构不具备对称性，因此静电驱动控制难度大，容易造成控制精度低；更为重要的是检测结构不具备对称性，无法实现完全差分的检测输出，检测信号信噪比低，灵敏度低，对处理电路要求高，不利于控制精度的提高。同时，该文件提出的微镜梳齿结构加工方法需要在刻蚀深槽结构之后进行光刻，即需要在深槽结构表面进行高质量匀胶，并且保证胶层完整等厚覆盖，这在工艺上极难实现。

综上所述，无反馈的微镜控制精度差，而现有带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频、无法实现静态扫描以及工艺兼容性差等问题。

技术实现要素：

针对现有无反馈的微镜控制精度差，带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题，本发明提供一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜。

本发明的实现过程如下：

一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，包括基座，所述基座上表面设置有第一绝缘层，所述第一绝缘层的上表面设置有第一固定层，所述第一固定层的上表面设置有第二绝缘层，所述第二绝缘层的上表面设置有反射元件层，所述反射元件层的上表面设置有第三绝缘层，所述第三绝缘层的上表面设置有第二固定层，所述第二固定层的上表面设置有第四绝缘层，所述第四绝缘层上设置有焊盘。

进一步，所述基座是四周边框围成的中空框状结构，所述第一绝缘层、第一固定层、第二绝缘层、反射元件层、第三绝缘层、第二固定层、第四绝缘层均按次序在基座的中空框状结构上叠加固定。

进一步，所述第一绝缘层、第二绝缘层、反射元件层、第三绝缘层、第四绝缘层均为平面结构；第一固定层和第二固定层为阶梯状结构。

进一步，所述第一绝缘层由设置在基座的中空框状结构四周上表面的多块绝缘薄层构成；所述第一固定层包括第一外围固定结构、第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一固定驱动元件和第二固定驱动元件；所述第一外围固定结构的轴向两端内侧设置有第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容；所述第一外围固定结构的径向两端内侧设置有第一固定驱动元件和第二固定驱动元件；所述第一固定电容、第二固定电容、第三固定电容、第四固定电容、第一固定驱动元件和第二固定驱动元件均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第一外围固定结构连接；所述梳齿部位下表面与所述第一外围固定结构下表面平齐，所述梳齿部位上表面超出所述第一外围固定结构上表面形成阶梯状结构；第一外围固定结构与第一绝缘层连接。

进一步，所述第二绝缘层由设置在第一外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成；所述反射元件层包括反射镜外围固定结构、镜体、第一转动电容、第二转动电容、第三转动电容、第四转动电容、第一转动驱动元件和第二转动驱动元件；所述第一转动电容、第二转动电容、第三转动电容、第四转动电容、第一转动驱动元件和第二转动驱动元件均为悬空的梳齿结构；所述镜体的轴向两侧边通过第一转轴、第二转轴与反射镜外围固定结构轴向两侧边内侧连接，所述镜体的径向两侧边分别与第一转动驱动元件、第二转动驱动元件的梳齿根部连接，所述第一转轴两侧边分别与第一转动电容、第二转动电容的梳齿根部连接，所述第二转轴两侧边分别与第三转动电容、第四转动电容的梳齿根部连接，所述反射镜外围固定结构与第二绝缘层连接。

进一步，所述第三绝缘层由设置在反射镜外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成；所述第二固定层包括第二外围固定结构、第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容、第三固定驱动元件和第四固定驱动元件；第二外围固定结构的轴向两端内侧设置有第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容；第二外围固定结构的径向两端内侧设置有第三固定驱动元件和第四固定驱动元件；所述第五固定电容、第六固定电容、第七固定电容、第八固定电容、第三固定驱动元件和第四固定驱动元件均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第二外围固定结构连接；所述梳齿部位上表面与所述第二外围固定结构上表面平齐，所述梳齿部位下表面超出所述第二外围固定结构下表面形成阶梯状结构；第二外围固定结构与第三绝缘层连接；所述第四绝缘层由设置在第二外围固定结构上表面的多块绝缘薄层构成。

进一步，所述第一固定驱动元件、第一转动驱动元件以及第三固定驱动元件构成一组梳齿驱动电容；第二固定驱动元件、第二转动驱动元件以及第四固定驱动元件构成一组梳齿驱动电容；所述第一固定电容与第一转动电容构成一组梳齿检测电容，第五固定电容与第一转动电容构成一组梳齿检测电容；第二固定电容与第二转动电容构成一组梳齿检测电容，第六固定电容与第二转动电容构成一组梳齿检测电容；第三固定电容与第三转动电容构成一组梳齿检测电容，第七固定电容与第三转动电容构成一组梳齿检测电容；第四固定电容与第四转动电容构成一组梳齿检测电容，第八固定电容与第四转动电容构成一组梳齿检测电容；梳齿驱动电容组为对称结构设置；梳齿检测电容组为对称结构设置。

进一步，所述基座与第一绝缘层之间、第一绝缘层与第一固定层之间、第一固定层与第二绝缘层之间、第二绝缘层与反射元件层之间、反射元件层与第三绝缘层之间、第三绝缘层与第二固定层之间、第二固定层与第四绝缘层之间均为键合方式连接；所述基座可以为圆形、椭圆形、菱形、长方形或正方形的中空框状结构。

进一步，所述基座、第一固定层、第二固定层的材质选自单晶硅、多晶硅或非晶硅中任意一种；所述反射元件层的材质选自单晶硅、多晶硅、非晶硅或高分子聚合物中任意一种；所述第一固定层、反射元件层、第二固定层的电阻率均小于1ω·cm；所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、第四绝缘层的材质选自氧化硅、氮化硅、碳化硅或高分子聚合物中任意一种；所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层、第四绝缘层的电阻率均大于10ω·cm。

进一步，所述高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷，su8胶，环氧树脂，聚酰胺，聚酰亚胺，聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。

上述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜的制作方法，包括如下步骤：(1)准备硅片；(2)正面第一次光刻；(3)正面第一次干法刻蚀；(4)背面第一次光刻；(5)背面第一次干法刻蚀；(6)正面氧离子注入；(7)背面氧离子注入；(8)正面减薄抛光；(9)背面减薄抛光；(10)正面第二次光刻；(11)正面第二次干法刻蚀；(12)背面第二次光刻；(13)背面第二次干法刻蚀；(14)制备基座；(15)将基座与步骤13所述背面第二次干法刻蚀完成的硅片键合；(16)结构释放；(17)正面氧化层制备；(18)焊盘制作。

上述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜的制作方法，更为具体的包括如下步骤：

(1)准备硅片，硅片是单晶硅或者多晶硅，双面抛光，其厚度为50μm-300μm，电阻率小于0.01ω·㎝；

(2)正面第一次光刻，定义正面氧离子注入区域垂直方向位置改变的对应图形；

(3)正面第一次干法刻蚀，硅片正面刻蚀出槽状结构，用于后续氧离子注入，实现氧离子注入的垂直方向位置改变；干法刻蚀完成后去除硅片正面的光刻胶；本步骤所实现的槽状结构深度为10nm-10μm；

(4)背面第一次光刻，将硅片反转，在背面进行光刻，所用掩模版图形是正面第一次光刻所用掩模版图形的镜像，定义背面氧离子注入区域垂直方向位置改变的对应图形；

(5)背面第一次干法刻蚀，硅片背面刻蚀出槽状结构，用于后续氧离子注入，实现氧离子注入的垂直方向位置改变；干法刻蚀完成后去除硅片背面的光刻胶，本步骤实现的背面槽状结构与步骤(3)所实现的正面槽状结构关于硅片中性层对称；本步骤实现的背面槽状结构深度为10nm-10μm；

(6)正面氧离子注入，对硅片正面实施整体的氧离子注入，根据需要的氧离子深度选择合适的注入能量；氧离子注入后在距离硅片正面表面一定距离的位置形成氧化层；注入能量不同，则该氧化层距离硅片正面表面的距离不同，能量越低，该距离越小，能量越大，该距离越大；由于在步骤(3)中进行了干法刻蚀，氧离子注入前硅片正面表面形成了槽状结构，即硅片正面表面不再是平面，而是具有了高低起伏，因此在同一次氧离子注入中，虽然注入能量一定，氧化层距离硅片正面表面的距离相同，但由于硅片正面表面有高低起伏，因此注入所形成的氧化层也不是一个平面，而是具有与硅片正面表面起伏相对应的垂直方向的起伏；正面氧离子注入深度为5μm-100μm；

(7)背面氧离子注入，对硅片背面实施整体的氧离子注入，根据需要的氧离子深度选择合适的注入能量；氧离子注入后在距离硅片背面表面一定距离的位置形成氧化层；注入能量不同，则该氧化层距离硅片背面表面的距离不同，能量越低，该距离越小，能量越大，该距离越大；由于在步骤(3)中进行了干法刻蚀，氧离子注入前硅片背面表面形成了槽状结构，即硅片背面表面不再是平面，而是具有了高低起伏，因此在同一次氧离子注入中，虽然注入能量一定，氧化层距离硅片背面表面的距离相同，但由于硅片背面表面有高低起伏，因此注入所形成的氧化层也不是一个平面，而是具有与硅片背面表面起伏相对应的垂直方向的起伏。背面氧离子注入深度等于步骤(6)中正面氧离子注入的深度；

(8)正面减薄抛光，将正面表面用于辅助氧离子注入的槽状结构去除，恢复正面表面的抛光表面；

(9)背面减薄抛光，将背面表面用于辅助氧离子注入的槽状结构去除，恢复背面表面的抛光表面；完成本步骤工艺之后，硅片形成了五层结构，从下到上分别是第一固定层，第二绝缘层，反射镜元件层，第三绝缘层和第二固定层；其中反射镜元件层是平面结构，厚度为5-100μm，第一固定层和第二固定层为阶梯状结构，厚度为5-100μm；第一固定层和第二固定层关于反射镜元件层中心平面对称；第二绝缘层和第三绝缘层厚度相等，均为0.2μm-5μm，该两个绝缘层关于反射镜元件层中心平面对称；

(10)正面第二次光刻，定义第二固定层的第三固定驱动元件，第四固定驱动元件，第五固定电容，第六固定电容，第七固定电容以及第八固定电容对应的图形；

(11)正面第二次干法刻蚀，刻蚀出第三固定驱动元件，第四固定驱动元件，第五固定电容，第六固定电容，第七固定电容以及第八固定电容结构；刻蚀完成后去除硅片正面的光刻胶；此次刻蚀深度等于步骤(6)中正面氧离子注入深度；

(12)背面第二次光刻，将硅片反转，在硅片背面进行光刻，定义第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容对应的图形；

(13)背面第二次干法刻蚀，刻蚀出第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容结构；刻蚀完成后去除硅片背面的光刻胶；此次刻蚀深度等于步骤7中背面氧离子注入深度；

(14)制备基座，采用单晶硅片或者多晶硅片，电阻率大于0.1ω·㎝，厚度为100μm-800μm；首先在制备基座所用的单晶硅片或者多晶硅片表面沉积或者热氧化形成一层氧化层，作为第一绝缘层，厚度为0.2μm-5μm；采用干法刻蚀或者湿法腐蚀的方法制作框状结构的基座；

(15)将基座与步骤13(背面第二次干法刻蚀)完成的硅片键合；键合时基座上表面与步骤13完成的硅片下表面接触，基座框状结构中空区域大于步骤13完成的硅片对应第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容结构的面积，因此键合对准要求低，只需要保证正负1-50μm的对准容差即可，具体容差根据具体器件尺寸决定；

(16)结构释放，将完成键合的硅片放入氢氟酸湿法腐蚀槽，或者氟化氢干法释放设备，腐蚀去除步骤(6)和步骤(7)中形成的两层氧化层，从而实现第一固定层、反射镜元件层和第二固定层所包含的结构的释放；

(17)正面氧化层制备，在完成步骤(16)结构释放后，在硅片上表面沉积氧化硅层，或者通过热氧化方法制备氧化层，作为第四绝缘层；第四绝缘层厚度为0.2-5μm；

(18)焊盘制作，在完成结构制作后，采用溅射或者蒸镀的方式制作焊盘，所用的掩模为硬掩模。

本发明所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜使用的交变驱动信号选自方波、锯齿波、三角波、正弦波或余弦波。

本发明所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜的驱动结构具备竖直方向的对称性，并且固定驱动元件和转动驱动元件的梳齿在竖直方向上存在高度差，因此施加驱动电压后即可产生转矩，无需参数激励；驱动结构同时具备平面对称性，因此驱动力对称，微镜振动控制精度高。检测结构同时具备竖直和平面对称性，检测信号为差分输出，检测输出信号强，信噪比高，随检测信号的处理电路要求低。具体的驱动和检测原理如下：

第一固定驱动元件和第四固定驱动元件施加驱动电压vd1，第二固定驱动元件和第三固定驱动元件施加驱动电压vd2，第一转动驱动元件和第二转动驱动元件接地。第四转动电容、第二转动电容、第三转动电容和第四转动电容均接地。反射镜元件在静电力作用下产生绕转轴的转动振动。其中vd1和vd2是互为反相的方波信号，二者最小值是0，幅值是vd。当vd1＝vd，反射镜元件转动方向定义为正向，此时第一固定电容、第三固定电容、第六固定电容和第八固定电容的输出值δc1、δc3、δc6和δc8增大，第二固定电容、第四固定电容、第五固定电容和第七固定电容的输出值δc2、δc4、δc5和δc7减小。由于结构对称性，δc1＝δc3＝δc6＝δc8＝-δc2＝-δc4＝-δc5＝-δc7＝δc，采用差分输出方式，总检测电容变化量δc＝(δc1+δc3+δc6+δc8)-(-δc2-δc4-δc5-δc7)＝8δc＝f(θ)。当vd2＝vd，反射镜元件转动方向定义为负向，此时第一固定电容、第三固定电容、第六固定电容和第八固定电容的输出值δc1、δc3、δc6和δc8减小，第二固定电容、第四固定电容、第五固定电容和第七固定电容的输出值δc2、δc4、δc5和δc7增大。由于结构对称性，-δc1＝-δc3＝-δc6＝-δc8＝δc2＝δc4＝δc5＝δc7＝δc，同样采用差分输出方式，总检测电容变化量δc＝(δc2+δc4+δc5+δc7)-(-δc1-δc3-δc6-δc8)＝8δc＝f(θ)。

总检测电容变化量δc是反射镜元件转角θ的函数，将δc作为实时角度反馈引入驱动信号vd1和vd2，实时调节驱动信号vd1和vd2。

本发明所述微镜采用静电驱动，电容式传感器进行角度反馈，形成闭环控制，提高了微镜控制精度。本发明所述微镜中集成了角度传感器，结构紧凑、功耗低、工艺兼容性高；结构同时具备竖直和平面对称性，驱动可靠易行，检测信噪比高，显著降低了检测信号处理电路的复杂度；可适用于从低频到高频的应用需求。

本发明所述键合的连接方式，如果所用材料为高分子材料则采用常温键合(王晨曦，王特，许继开，王源，田艳红.晶圆直接键合及室温键合技术研究进展[j].精密成形工程.2018.10(1):67-73)；如果是无机材料则采用参考文献(王晨曦，王特，许继开，王源，田艳红.晶圆直接键合及室温键合技术研究进展[j].精密成形工程.2018.10(1):67-73)中全部键合方法以及阳极键合方法(陈大明,胡利方,时方荣,孟庆森.硅-玻璃-硅阳极键合机理及力学性能[j].焊接学报,2019,40(02):123-127+166.)。

本发明的积极效果：

(1)在微镜中集成角度传感器进行微镜实时角度检测，有效提高了微镜控制精度。

(2)微镜与角度传感器集成设计，一个芯片中包含微镜和传感器，结构紧凑，体积小，功耗低。

(3)含有微镜和传感器的芯片采用微纳制造工艺一次流片制作而成，工艺兼容性高，微镜结构和功能一致性和稳定性高，后续封装简单。

(4)角度传感器采用完全对称的电容式传感器设计，实现了传感器的差分输出，输出信号大，有效抑制了噪声，角度检测灵敏度高，对后续处理电路要求低。

(5)微镜驱动结构采用完全对称式设计，并且转动电容和静止电容存在初始竖直位置差，避免了平面微镜结构容易出现的驱动无法启动问题，并可以适用于静态扫描和动态扫描，应用范围广，控制精度高。

(6)静电驱动、电容式检测传感器设计，使得本发明的微镜可以适用从低频到高频的扫描需求。

(7)本发明提出的微镜制作方法仅需要一次键合，并且该键合的作用是将基座与上层结构进行连接，对准精度要求低，仅需要满足1μm-50μm的对准精度，在现有工艺中很容易实现。

(8)本发明采用刻蚀后氧离子注入的方式实现了硅片内部氧化层的制作，所制作的氧化层在垂直方向上随着硅片表面结构起伏而起伏，并同通过后续氧化层释放工艺实现无键合的垂直方向交错结构的制作，完全消除了传统垂直交错结构制作所采用的键合工艺带来的对准误差。避免键合中容易出现的结合不均匀，碎片等问题。

附图说明

图1为微镜总体轴测图；

图2为微镜总体左视图和局部放大图；

图3为微镜总体俯视图；

图4为微镜总体背面视图；

图5为基座轴测图；

图6为第一绝缘层轴测图；

图7为第一固定层轴测图；

图8为第二绝缘层轴测图；

图9为反射镜元件层轴测图；

图10为第三绝缘层轴测图；

图11为第二固定层轴测图；

图12为第四绝缘层轴测图；

图13为固定驱动元件和转动驱动元件构成的梳齿驱动电容；

图14为驱动电压vd1和vd2的时序图；

图15为驱动电压vd1＝vd时微镜的正向转动状态；

图16为驱动电压vd2＝vd时微镜的负向转动状态；

图17为固定电容和转动电容构成的梳齿检测电容；

图18为微镜正向转动时检测电容状态；

图19为微镜负向转动时检测电容状态；

图20(1)为实施例3准备硅片的示意图；图20(2)为实施例3正面第一次光刻的示意图；图20(3)为实施例3正面第一次刻蚀的示意图；图20(4)为实施例3背面第一次光刻的示意图；图20(5)为实施例3背面第一次刻蚀的示意图；图20(6)为实施例3正面氧离子注入的示意图；图20(7)为实施例3背面氧离子注入的示意图；图20(8)为实施例3正面减薄抛光的示意图；图20(9)为实施例3背面减薄抛光的示意图；图20(10)为实施例3正面第二次光刻的示意图；图20(11)为实施例3正面第二次刻蚀的示意图；图20(12)为实施例3背面第二次光刻的示意图；图20(13)为实施例3背面第二次刻蚀的示意图；图20(14)为实施例3准备基座的示意图；图20(15)为实施例3键合的示意图；图20(16)为实施例3结构释放的示意图；图20(17)为实施例3正面氧化层制备的示意图；图20(18)为实施例3焊盘制作示意图；

图21为实施例4所制作的微镜的示意图；

图22为实施例5所制作的微镜的示意图；

图中，1基座，2第一绝缘层，3第一固定层，31第一外围固定结构，301第一固定电容，302第二固定电容，303第三固定电容，304第四固定电容，311第一固定驱动元件，312第二固定驱动元件，4第二绝缘层，5反射元件层，51反射镜外围固定结构，530镜体，501第一转动电容，502第二转动电容，503第三转动电容，504第四转动电容，511第一转动驱动元件，512第二转动驱动元件，521第一转轴，522第二转轴，6第三绝缘层，7第二固定层，71第二外围固定结构，705第五固定电容，706第六固定电容，707第七固定电容，708第八固定电容，713第三固定驱动元件，714第四固定驱动元件，8第四绝缘层，9焊盘。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

针对现有无反馈的微镜控制精度差，带角度反馈的微镜其角度测量方案存在系统复杂、信噪比低、无法同时适用于高频和低频以及工艺兼容性差等问题，本发明提供一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜。本发明提出的微镜集成了角度检测传感器，该角度检测传感器信噪比高，可以对微镜转角进行有效的实时检测，提高了微镜控制精度；同时由于采用集成的角度检测传感器设计，微镜芯片中即包含角度传感器，微镜结构紧凑，体积小，功耗低；微镜芯片采用微纳加工工艺一次性流片而成，微镜结构和功能一致性和稳定性高，后续封装简单；同时本发明的微镜加工工艺和材料为常规微纳加工技术与材料，工艺兼容性高。角度检测传感器采用对称的电容式传感器设计，因此灵敏度高，对后续处理电路要求低。采用静电驱动、电容式检测传感器，使得本发明的微镜可以适用于从低频到高频的需求。

实施例1

本实施例所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，见图1-图3，包括基座1，所述基座1上表面设置有第一绝缘层2，所述第一绝缘层2的上表面设置有第一固定层3，所述第一固定层3的上表面设置有第二绝缘层4，所述第二绝缘层4的上表面设置有反射元件层5，所述反射元件层5的上表面设置有第三绝缘层6，所述第三绝缘层6的上表面设置有第二固定层7，所述第二固定层7的上表面设置有第四绝缘层8，所述第四绝缘层8上设置有焊盘9。焊盘共13个。焊盘通过tsv(通孔连通)方式与各结构层实现电连通(tsv技术为通用技术，详见：胡正高,盖蔚,徐高卫,罗乐.应用于moems集成的tsv技术研究[j].传感技术学报,2019,32(05):649-653.)。

进一步，所述基座1是四周边框围成的中空框状结构，见图4-图5，所述第一绝缘层2、第一固定层3、第二绝缘层4、反射元件层5、第三绝缘层6、第二固定层7、第四绝缘层8均按次序在基座1的中空框状结构上叠加固定。

进一步，所述第一绝缘层2、第二绝缘层4、反射元件层5、第三绝缘层6、第四绝缘层8均为平面结构；第一固定层3和第二固定层7为阶梯状结构。

进一步，如图6所示，所述第一绝缘层2由设置在基座1的中空框状结构四周上表面的多块绝缘薄层构成；其作用是隔断基座1和第一固定层3之间的电气连接。绝缘薄层的材料是氧化硅、氮化硅等高阻值材料。

如图7所示，所述第一固定层3包括第一外围固定结构31、第一固定电容301、第二固定电容302、第三固定电容303、第四固定电容304、第一固定驱动元件311和第二固定驱动元件312；所述第一外围固定结构31的轴向两端内侧设置有第一固定电容301、第二固定电容302、第三固定电容303、第四固定电容304；所述第一外围固定结构31的径向两端内侧设置有第一固定驱动元件311和第二固定驱动元件312；所述第一固定电容301、第二固定电容302、第三固定电容303、第四固定电容304、第一固定驱动元件311和第二固定驱动元件312均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第一外围固定结构31连接；所述梳齿部位下表面与所述第一外围固定结构31下表面平齐，所述梳齿部位上表面超出所述第一外围固定结构31上表面形成阶梯状结构；第一外围固定结构31与第一绝缘层2连接。

进一步，如图8所示，所述第二绝缘层4由设置在第一外围固定结构31上表面的多块绝缘薄层构成；其作用是隔断第一固定层3和反射镜元件层5之间的电气连接。绝缘薄层的材料是氧化硅、氮化硅等高阻值材料。

如图9所示，所述反射元件层5包括反射镜外围固定结构51、镜体530、第一转动电容501、第二转动电容502、第三转动电容503、第四转动电容504、第一转动驱动元件511和第二转动驱动元件512；所述第一转动电容501、第二转动电容502、第三转动电容503、第四转动电容504、第一转动驱动元件511和第二转动驱动元件512均为悬空的梳齿结构；所述镜体530的轴向两侧边通过第一转轴521、第二转轴522与反射镜外围固定结构51轴向两侧边内侧连接，所述镜体530的径向两侧边分别与第一转动驱动元件511、第二转动驱动元件512的梳齿根部连接，所述第一转轴521两侧边分别与第一转动电容501、第二转动电容502的梳齿根部连接，所述第二转轴522两侧边分别与第三转动电容503、第四转动电容504的梳齿根部连接，所述反射镜外围固定结构51与第二绝缘层4连接。

进一步，如图10所示，所述第三绝缘层6由设置在反射镜外围固定结构51上表面的多块绝缘薄层构成；其作用是隔断反射镜元件层5和第二固定层7之间的电气连接。绝缘薄层的材料是氧化硅、氮化硅等高阻值材料。

如图11所示，所述第二固定层7包括第二外围固定结构71、第五固定电容705、第六固定电容706、第七固定电容707、第八固定电容708、第三固定驱动元件713和第四固定驱动元件714；第二外围固定结构71的轴向两端内侧设置有第五固定电容705、第六固定电容706、第七固定电容707、第八固定电容708；第二外围固定结构71的径向两端内侧设置有第三固定驱动元件713和第四固定驱动元件714；所述第五固定电容705、第六固定电容706、第七固定电容707、第八固定电容708、第三固定驱动元件713和第四固定驱动元件714均为悬空的梳齿结构，所述梳齿结构的根部均与第二外围固定结构71连接；所述梳齿部位上表面与所述第二外围固定结构71上表面平齐，所述梳齿部位下表面超出所述第二外围固定结构71下表面形成阶梯状结构；第二外围固定结构71与第三绝缘层6连接；

如图12所示，所述第四绝缘层8由设置在第二外围固定结构71上表面的多块绝缘薄层构成；其作用是为微镜芯片与外围电路的引线连接提供所需的电气隔离。绝缘薄层的材料是氧化硅、氮化硅等高阻值材料。

进一步，如图13所示，所述第一固定驱动元件311、第一转动驱动元件511以及第三固定驱动元件713构成一组差分式梳齿驱动电容；第二固定驱动元件312、第二转动驱动元件512以及第四固定驱动元件714构成一组差分式梳齿驱动电容；

第一固定驱动元件311和第四固定驱动元件714施加驱动电压vd1，第二固定驱动元件312和第三固定驱动元件713施加驱动电压vd2，第一转动驱动元件511和第二转动驱动元件512接地。其中vd1和vd2是互为反相的方波信号，二者最小值是0，幅值是vd，驱动电压vd1和vd2的时序如图14所示。

当vd1＝vd，反射镜元件转动方向定义为正向，如图15所示；当vd2＝vd，反射镜元件转动方向定义为负向，如图16所示。

如图17所示，所述第一固定电容301与第一转动电容501构成一组梳齿检测电容，第五固定电容705与第一转动电容501构成一组梳齿检测电容；第二固定电容302与第二转动电容502构成一组梳齿检测电容，第六固定电容706与第二转动电容502构成一组梳齿检测电容；第三固定电容303与第三转动电容503构成一组梳齿检测电容，第七固定电容707与第三转动电容503构成一组梳齿检测电容；第四固定电容304与第四转动电容504构成一组梳齿检测电容，第八固定电容708与第四转动电容504构成一组梳齿检测电容；梳齿驱动电容组为对称结构设置；梳齿检测电容组为对称结构设置。

第一转动电容501、第二转动电容502、第三转动电容503和第四转动电容504均接地。反射镜元件在静电力作用下产生绕转轴的转动振动，相应的梳齿检测电容组输出发生改变。

当微镜正向转动，如图18所示，此时第一固定电容301、第三固定电容303、第六固定电容706和第八固定电容708的输出值δc1、δc3、δc6和δc8增大；第二固定电容302、第四固定电容304、第五固定电容705和第七固定电容707的输出值δc2、δc4、δc5和δc7减小。由于结构对称性，δc1＝δc3＝δc6＝δc8＝-δc2＝-δc4＝-δc5＝-δc7＝δc，采用差分输出方式，总检测电容变化量δc＝(δc1+δc3+δc6+δc8)-(-δc2-δc4-δc5-δc7)＝8δc＝f(θ)。

当微镜负向转动，如图19所示，此时第一固定电容301、第三固定电容303、第六固定电容706和第八固定电容708的输出值δc1、δc3、δc6和δc8减小；第二固定电容302、第四固定电容304、第五固定电容705和第七固定电容707的输出值δc2、δc4、δc5和δc7增大。由于结构对称性，-δc1＝-δc3＝-δc6＝-δc8＝δc2＝δc4＝δc5＝δc7＝δc，同样采用差分输出方式，总检测电容变化量δc＝(δc2+δc4+δc5+δc7)-(-δc1-δc3-δc6-δc8)＝8δc＝f(θ)。

总检测电容变化量δc是反射镜元件转角θ的函数，将δc作为实时角度反馈引入驱动信号vd1和vd2，根据实时角度反馈调整驱动信号，可以有效提高驱动控制精度。

进一步，所述基座1与第一绝缘层2之间、第一绝缘层2与第一固定层3之间、第一固定层3与第二绝缘层4之间、第二绝缘层4与反射元件层5之间、反射元件层5与第三绝缘层6之间、第三绝缘层6与第二固定层7之间、第二固定层7与第四绝缘层8之间均为键合方式连接；所述基座1可以为圆形、椭圆形、菱形、长方形或正方形的中空框状结构。

实施例2

本实施例所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜，包括基座1，所述基座1上表面设置有第一绝缘层2，所述第一绝缘层2的上表面设置有第一固定层3，所述第一固定层3的上表面设置有第二绝缘层4，所述第二绝缘层4的上表面设置有反射元件层5，所述反射元件层5的上表面设置有第三绝缘层6，所述第三绝缘层6的上表面设置有第二固定层7，所述第二固定层7的上表面设置有第四绝缘层8，所述第四绝缘层8上设置有焊盘9。所述基座1是四周边框围成的中空框状结构，见图4-图5，所述第一绝缘层2、第一固定层3、第二绝缘层4、反射元件层5、第三绝缘层6、第二固定层7、第四绝缘层8均按次序在基座1的中空框状结构上叠加固定。

实施例3具体制作方法

为了更好说明实施例1所述具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜的制作方法，结合图20(1)-图20(18)所示对制作方法进行列举说明。

所述具备对称式差分电容角度反馈的微镜，其制作方法包括如下步骤：

(1)准备硅片。硅片是单晶硅或者多晶硅，双面抛光，其厚度为150μm，电阻率为0.01ω·㎝。见图20(1)。

(2)正面第一次光刻，定义正面氧离子注入区域垂直方向位置改变的对应图形。见图20(2)。

(3)正面第一次干法刻蚀，硅片正面刻蚀出槽状结构，用于后续氧离子注入，实现氧离子注入的垂直方向位置改变。干法刻蚀完成后去除硅片正面的光刻胶。刻蚀出的槽状结构深度为25μm。见图20(3)。

(4)背面第一次光刻，将硅片反转，在背面进行光刻，所用掩模版图形是正面第一次光刻所用掩模版图形的镜像，定义背面氧离子注入区域垂直方向位置改变的对应图形。见图20(4)。

(5)背面第一次干法刻蚀，硅片背面刻蚀出槽状结构，用于后续氧离子注入，实现氧离子注入的垂直方向位置改变。干法刻蚀完成后去除硅片背面的光刻胶。刻蚀出的槽状结构深度为25μm。见图20(5)。

(6)正面氧离子注入，对硅片正面实施整体的氧离子注入，根据需要的氧离子深度选择合适的注入能量；氧离子注入后在距离硅片正面表面一定距离的位置形成氧化层。注入能量不同，则该氧化层距离硅片正面表面的距离不同，能量越低，该距离越小，能量越大，该距离越大；由于在步骤3中进行了干法刻蚀，氧离子注入前硅片正面表面形成了槽状结构，即硅片正面表面不再是平面，而是具有了高低起伏，因此在同一次氧离子注入中，虽然注入能量一定，氧化层距离硅片正面表面的距离相同，但由于硅片正面表面有高低起伏，因此注入所形成的氧化层也不是一个平面，而是具有与硅片正面表面起伏相对应的垂直方向的起伏。氧离子注入深度为50μm。见图20(6)。

(7)背面氧离子注入，对硅片背面实施整体的氧离子注入，根据需要的氧离子深度选择合适的注入能量；氧离子注入后在距离硅片背面表面一定距离的位置形成氧化层。注入能量不同，则该氧化层距离硅片背面表面的距离不同，能量越低，该距离越小，能量越大，该距离越大；由于在步骤3中进行了干法刻蚀，氧离子注入前硅片背面表面形成了槽状结构，即硅片背面表面不再是平面，而是具有了高低起伏，因此在同一次氧离子注入中，虽然注入能量一定，氧化层距离硅片背面表面的距离相同，但由于硅片背面表面有高低起伏，因此注入所形成的氧化层也不是一个平面，而是具有与硅片背面表面起伏相对应的垂直方向的起伏。本次氧离子注入深度与步骤6中氧离子注入深度相同，为50μm。见图20(7)。

(8)正面减薄抛光，将正面表面用于辅助氧离子注入的槽状结构去除，恢复正面表面的抛光表面。见图20(8)。

(9)背面减薄抛光，将背面表面用于辅助氧离子注入的槽状结构去除，恢复背面表面的抛光表面。完成本步骤工艺之后，硅片形成了五层结构，从下到上分别是第一固定层，第二绝缘层，反射镜元件层，第三绝缘层和第二固定层；其中反射镜元件层是平面结构，厚度为50μm，第一固定层和第二固定层为阶梯状结构，厚度为50μm；第一固定层和第二固定层关于反射镜元件层中心平面对称。第二绝缘层和第三绝缘层厚度相等，均为1μm，该两个绝缘层关于反射镜元件层中心平面对称。见图20(9)。

(10)正面第二次光刻，定义第二固定层的第三固定驱动元件，第四固定驱动元件，第五固定电容，第六固定电容，第七固定电容以及第八固定电容对应的图形。见图20(10)。

(11)正面第二次干法刻蚀，刻蚀出第三固定驱动元件，第四固定驱动元件，第五固定电容，第六固定电容，第七固定电容以及第八固定电容结构。刻蚀完成后去除硅片正面的光刻胶。此次刻蚀深度等于步骤6中氧离子注入的深度，为50μm。见图20(11)。

(12)背面第二次光刻，将硅片反转，在硅片背面进行光刻，定义第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容对应的图形。见图20(12)。

(13)背面第二次干法刻蚀，刻蚀出第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容结构。刻蚀完成后去除硅片背面的光刻胶。此次刻蚀深度等于步骤7中氧离子注入深度，为50μm。见图20(13)。

(14)制备基座，采用单晶硅片或者多晶硅片，电阻率为1000ω·㎝，厚度为400μm。首先在制备基座所用的单晶硅片或者多晶硅片表面沉积或者热氧化形成一层氧化层，作为第一绝缘层，厚度为1μm。采用干法刻蚀的方法制作框状结构的基座。见图20(14)。

(15)将基座与步骤13(背面第二次干法刻蚀)完成的硅片键合。键合时基座上表面与步骤13完成的硅片下表面接触，基座框状结构中空区域大于步骤13完成的硅片对应第一固定驱动元件，第二固定驱动元件，第一固定电容，第二固定电容，第三固定电容以及第四固定电容结构的面积，因此键合对准要求低，只需要保证正负50μm的对准容差即可，见图20(15)。

(16)结构释放，将完成键合的硅片放入氢氟酸湿法腐蚀槽，或者氟化氢干法释放设备，腐蚀去除步骤6和步骤7中形成的两层氧化层，从而实现第一固定层、反射镜元件层和第二固定层所包含的结构的释放。见图20(16)。

(17)正面氧化层制备，在完成步骤16(结构释放)的释放后，在硅片上表面沉积氧化硅层，或者通过热氧化方法制备氧化层，作为第四绝缘层。第四绝缘层厚度为1μm。见图20(17)。

(18)焊盘制作，在完成结构制作后，采用溅射或者蒸镀的方式制作焊盘，所用的掩模为硬掩模。见图20(18)。

以上所述是具备对称式差分电容角度反馈的微镜的制作方法，是一种优选的实施方案，其中有些步骤可以根据具体结构和工艺条件进行调整，例如正面光刻、刻蚀可以与背面光刻、刻蚀进行顺序替换，正面氧离子注入和背面氧离子注入顺序可以进行替换，结构释放和键合可以根据需求进行顺序替换。

本实施案例中通过氧离子注入在初始单晶硅片或多晶硅片上实现了五层结构，也可以根据需要，采用氧离子注入方式实现三层、七层乃至更多层结构。

简单改变本方法的某些工艺顺序，或者改变实现层数，仍属于本方法所要求保护的范畴。

实施例4微镜制作方法

如图21所示，与实施例3不同之处在于，基座厚度400μm，第一固定层、第二固定层厚度25μm，反射镜元件层厚度100μm，氧离子注入深度25μm。正反面第一次干法刻蚀形成的槽状结构深度10nm。各氧化层厚度0.2μm。基座电阻率1ω·㎝。第一固定层、第二固定层和反射镜元件层电阻率10^-4ω·㎝。(图中尺寸非按比例)

实施例5微镜制作方法

如图22所示，与实施例3不同之处在于，基座厚度100μm。第一固定层、第二固定层厚度60μm，反射镜元件层厚度60μm，氧离子注入深度60μm。正反面第一次干法刻蚀形成的槽状结构深度1μm。各氧化层厚度5μm。基座电阻率10⁴ω·㎝。第一固定层、第二固定层和反射镜元件层电阻率10^-4ω·㎝。

图21和图22所示的具体结构、参数和制作方法均为优选的实施案例，非对发明内容的参数限制，在此基础上的简单改变结构形状、数量、工艺参数或者工艺顺序仍在本发明保护范畴内。

本发明所述基座1、第一固定层3、第二固定层7的材质选自单晶硅、多晶硅或非晶硅中任意一种；所述反射元件层5的材质选自单晶硅、多晶硅、非晶硅或高分子聚合物中任意一种；所述第一固定层3、反射元件层5、第二固定层7的电阻率均小于1ω·cm；所述第一绝缘层2、第二绝缘层4、第三绝缘层6、第四绝缘层8的材质选自氧化硅、氮化硅、碳化硅或高分子聚合物中任意一种；所述第一绝缘层2、第二绝缘层4、第三绝缘层6、第四绝缘层8的电阻率均大于10ω·cm。所述高分子聚合物选自聚二甲基硅氧烷，su8胶，环氧树脂，聚酰胺，聚酰亚胺，聚丙烯，聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚甲基丙烯酸甲酯中任意一种。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。