一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法与流程

本发明涉及微纳光学器件领域，具体涉及一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法。

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。

也有部分采用静电驱动，并采用电容传感器提供角度反馈的微镜方案。静电驱动并采用电容式传感器进行角度反馈的微镜可以实现微镜芯片上集成角度检测传感器，系统简单、体积小、功耗低，工艺兼容性高，可以适用于从低频到高频的应用。但是目前静电驱动并采用电容式传感器进行角度检测的微镜存在一个严重问题是驱动电容与检测电容形成串联电容电路，驱动信号对检测信号产生极大的耦合干扰，信噪比很低，极大降低了检测精度，并且对检测信号的处理电路要求很高。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明的目的在于提供一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法，大幅提高等效耦合电路的阻抗，显著降低驱动信号对检测信号的耦合干扰。

本发明的实现过程如下：

一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法，在采用高电阻率半导体材料制作微镜过程中，将微镜的驱动梳齿和检测梳齿以及这些梳齿和焊盘之间的引线区域进行元素掺杂，然后再刻蚀微镜结构，最终得到能够降低角度检测传感器耦合干扰的微镜。

进一步，所述高电阻率半导体材料包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、氮化硅、碳化硅，氧化硅、石英，电阻率大于1000ω·㎝。

进一步，所述元素掺杂的方法可以是离子注入或扩散中任意一种。

进一步，掺杂的元素可以是硼、磷或砷中任意一种；制作过程中掺杂的化合物为含硼化合物、含磷化合物或含砷化合物中任意一种。

进一步，所述掺杂的化合物可以是三氟化硼、磷烷或砷烷中任意一种。

进一步，经元素掺杂后，在微镜的驱动梳齿和检测梳齿以及这些梳齿和焊盘之间的引线区域进行金属层沉积，然后再刻蚀微镜结构，最终得到能够进一步降低角度检测传感器耦合干扰的微镜。

进一步，所述金属层的厚度为20nm-1μm。

进一步，所述金属层沉积的方法可以是溅射、蒸镀或电镀中任意一种。

进一步，沉积的金属可以是铬、金、铝、铜中任意一种或几种的组合。

进一步，所述微镜包括两组驱动梳齿、一组电容检测梳齿及焊盘，还包括静电驱动角度检测传感器或电容式角度检测传感器。

有文献记载“通过梳齿的静电驱动，能够实现对于扭转角度的精确控制，因此必然能够实现静电式的角度检测”，但这一论断与科学常识不符。静电驱动仅仅是一种驱动力的来源，是一种驱动方式，它与精确控制并无直接关系；更无法得出“必然能够实现静电式的角度检测”，因为驱动和检测是不同的环节。如果仅有静电驱动，而没有设置检测环节，显然无法得到角度检测的效果；如果认为采用静电驱动而自然获得角度检测环节，这是违背科学与技术常识的。对于扭转角度的精确控制，一方面是提高控制信号的精确度，另一方面是设置反馈环节；然而无论静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动乃至其他任何驱动形式，这两个途径都是一致的，并不会因为采用静电驱动就自然而然提高了控制精度。

低电阻率与降低耦合干扰完全没有因果关系。降低耦合干扰是通过特定的电路设计来实现的，并不是低电阻率的必然结果；此外，降低耦合干扰的电路中一般来说恰恰需要高阻抗模块，而不是低电阻。更进一步的，本发明中掺杂元素的步骤仅仅是用来在结构中制作引线用于信号的引出，而降低耦合干扰是通过高电阻率结构形成高阻值模块，进而与电容形成抗干扰耦合电路，进而实现降低耦合干扰的效果，与通过降低电阻率来降低耦合干扰是截然不同的。

微镜有各种不同的原理和设计，也有不同的用途，根据具体的原理、设计和用途，有些微镜包括电容检测梳齿或者角度检测传感器，而有些微镜并不包括电容检测梳齿或者角度检测传感器。

现有报道的各种梳齿静电驱动微镜都采用低电阻率硅制作微镜结构，然后通过在微镜固定结构区域表面沉积金属层制作焊盘，用于驱动信号的引入，整个微镜结构均为低电阻的特性。只有部分两轴的微镜在制作中实施不同导电区域的隔离，但其所采用的硅片仍然是低电阻率的。本发明从原理和制作方法上区别于传统梳齿静电驱动微镜之处在于：彻底放弃微镜结构整体导电的设计，转而采用高电阻率材料制作微镜结构；仅在需要导电的梳齿部位和引线区域进行掺杂和金属沉积来实现导电的目的，其他结构区域保持高电阻状态。

本发明的积极效果：

(1)本发明方法可以使得静电式微镜中驱动信号对角度检测信号的耦合干扰显著降低，提高了检测信号的信噪比，降低了处理电路的复杂程度。

(2)与此同时本发明方法不需要改变微镜结构，在同等结构和相近工艺难度基础上大幅度提高微镜控制精度。

附图说明

图1为本发明降低静电驱动微镜驱动信号对检测信号耦合干扰的方案示意图；

图2为传统电容式角度反馈的静电式微镜等效电路；

图3为本发明微镜方案的等效电路；

图4为实施例1的具体结构示意图；

图5为实施例2的具体结构示意图；

图6为实施例3所述制作方法的每个步骤的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

为了提高等效耦合电路的阻抗，显著降低驱动信号对检测信号的耦合干扰，本发明提供一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法。

如图1所示，静电驱动、电容式传感器进行角度检测的微镜包含两组驱动梳齿1，一组电容检测梳齿2以及焊盘3。在这些梳齿部位以及梳齿与焊盘连接的引线区域进行元素掺杂，形成引线4。驱动梳齿1和检测梳齿2通过引线4与各自的接地焊盘连接。所述元素掺杂，降低所掺杂区域的电阻率。

由于驱动梳齿1和检测梳齿2进行了掺杂，降低了电阻率，驱动梳齿1和检测梳齿2各自的梳齿阵列空间内部形成容量大的电容，而驱动梳齿1和检测梳齿2之间仅有高阻硅连接，两者之间形成了一个极大的电阻，因此驱动信号对通过两者之间的电容对检测信号造成的耦合干扰极大降低。检测信号的信噪比显著提高，检测信号作为反馈提供给驱动信号，从而显著提高微镜控制精度。

本发明降低驱动信号对检测信号的耦合干扰的具体原理如下：

传统电容式角度反馈的梳齿驱动型微镜直接采用低阻硅制作结构，并将结构作为电路，其等效电路如图2所示。其中va＝v0sinωt，是驱动信号，vs1是驱动信号对检测信号的耦合干扰；c1是驱动梳齿电容，c2是检测梳齿电容，根据电容分压原理，驱动信号对检测信号的耦合干扰量vs1＝va·c2/(c1+c2)。在传统电容式角度反馈的梳齿驱动型微镜中二者大小相当，取c1＝c2，则δvs1＝va/2。一般驱动信号va的幅值高达数十伏特，而检测信号vs1的量级仅为毫伏级别，因此驱动信号对检测信号造成的耦合干扰高达数千倍，检测信号信噪比低至-60db以下，信号处理难度极大。

本方案采用高阻硅制作微镜结构，然后采用掺杂方式实现驱动梳齿、检测梳齿以及引线的电路，在驱动梳齿的电容和检测梳齿的电容之间增加了一个很大的等效电阻，如图3所示。根据阻容分压原理，驱动信号对检测信号造成的耦合干扰vs2＝va·xc2/(xc1+xc2+r)，其中xc1和xc2分别是c1和c2的容抗，同样取c1＝c2＝c，则xc1＝xc2＝1/2πfc，其中f是驱动信号频率；c＝nεs/d，其中n是梳齿对数；ε是空气介电常数，数值为8.85×10^-12f/m；s是梳齿侧面积；d是梳齿间距。相比传统电容式角度反馈的静电式微镜，本方案使驱动信号对检测信号造成的耦合干扰可显著降低。

实施例1微镜设计

如图4所示为一种微镜设计，镜面为圆形，镜面侧边设置有第一转动梳齿102与第二转动梳齿104，分别与固定在外围框架的第一固定梳齿101和第三固定梳齿103交错形成两组驱动梳齿。与转动梳齿连线垂直的方向上设置有转轴，转轴一端与圆形镜面连接，另一端与外围框架连接。转轴侧边设置有第一可动检测梳齿202和第二可动检测梳齿204，第一可动平衡梳齿501和第二可动平衡梳齿503。第一可动检测梳齿202、第二可动检测梳齿204分别与固定在外围框架的第一固定检测梳齿201、第二固定检测梳齿203交错构成两组检测梳齿。第一可动平衡梳齿502、第二可动平衡梳齿504分别与第一固定平衡梳齿501、第二固定平衡梳齿503交错构成两组平衡梳齿，平衡梳齿的作用是保证结构对称性，提高微镜振动的控制精度。外围框架上设置有第一驱动焊盘301，第二驱动焊盘302，第三驱动焊盘303，第一检测焊盘304，第二检测焊盘305和第三检测焊盘306。在微镜的驱动梳齿和检测梳齿以及这些梳齿和焊盘之间的引线区域均实施了掺杂，将掺杂区域电阻率降低到10^-4ω·㎝，驱动梳齿和检测梳齿以及这些梳齿和焊盘之间的引线区域以外的其他区域没有实施掺杂，而整个微镜所用初始硅片的电阻率为10⁶ω·㎝，未实施掺杂的区域电阻率仍然保持10⁶ω·㎝。掺杂了的梳齿与对应焊盘之间通过引线4连接。驱动梳齿、检测梳齿、焊盘区域以及相应引线区域表面进行先进行铬金属单质沉积，然后进行金金属单质沉积，厚度分别为铬层20nm，金层350nm。微镜工作中，电压通过焊盘301和302，焊盘303和305接地，检测信号从焊盘304和306引出。驱动信号仅在焊盘301、302，固定驱动梳齿101、103以及连接301与101的引线、连接302与103的引线内传输，检测信号仅在固定检测梳齿201、203，检测焊盘304、306以及连接201和304、连接203和306的引线内传输。驱动信号与检测信号之间仅有高阻硅(10⁶ω·㎝)连接，相当于在两个回路之间增加了极大的电阻，降低了驱动信号对检测信号的耦合干扰。根据阻容分压原理，如图3所示，驱动信号对检测信号造成的耦合干扰vs2＝va·xc2/(xc1+xc2+r)，其中xc1和xc2分别是c1和c2的容抗，c1＝c2＝c，则xc1＝xc2＝1/2πfc，其中f是驱动信号频率，本实施例中为1khz；c＝nεs/d，其中n是梳齿对数，本实施例中为100；ε是空气介电常数，数值为8.85×10^-12f/m；s是梳齿侧面积，本实施例中为10^-8㎡；d是梳齿间距，本实施例中为10^-6m。则有xc1＝xc2＝1.8×10⁷ω。本方案中采用高阻硅制作的微镜，其等效电阻r＝100mω，则有vs2＝0.076va。传统微镜中(如图2)vs1＝0.5va，相比传统电容式角度反馈的静电式微镜，本方案使驱动信号对检测信号造成的耦合干扰降低了92％。

实施例2微镜设计

如图5所示为一种微镜设计，与实施例1不同之处在于，镜面为矩形,所有驱动梳齿、检测梳齿和相应引线区域均实施了掺杂后，然后对所有驱动梳齿、检测梳齿、焊盘区域和相应引线区域进行铝金属层沉积，厚度为500nm。根据阻容分压原理，驱动信号对检测信号造成的耦合干扰vs2＝va·xc2/(xc1+xc2+r)，其中xc1和xc2分别是c1和c2的容抗，c1＝c2＝c，则xc1＝xc2＝1/2πfc，其中f是驱动信号频率，本实施例中为2khz；c＝nεs/d，其中n是梳齿对数，本实施例中为100；ε是空气介电常数，数值为8.85×10^-12f/m；s是梳齿侧面积，本实施例中为2×10^-8㎡；d是梳齿间距，本实施例中为10^-6m。则有xc1＝xc2＝4.5×10⁶ω。本方案中采用石英制作的微镜，其等效电阻r＝1gω，则有vs2＝0.0045va。传统微镜中(如图2)vs1＝0.5va，相比传统电容式角度反馈的静电式微镜，本方案使驱动信号对检测信号造成的耦合干扰降低了99.1％。

实施例3微镜制作方法

为了更好说明本发明所述微镜的制作方法，列举一种现有制作方法加入本发明方法后的具体操作过程。如图6

一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的微镜的制作方法：

(1)准备soi(绝缘层上硅)硅片。soi硅片从下到上包括基底硅701、氧化埋层702以及顶层硅703三层结构。基底硅701和顶层硅703为高阻硅，电阻率范围是1-10⁸ω·㎝。基底硅701厚度为100-800μm，氧化埋层厚度为0.5-10μm，顶层厚度为5μm-100μm。优选的，此处基底硅701厚度400μm，氧化埋层702厚度4μm，顶层硅703厚度50μm。优选的，此处基底硅701和顶层硅703的电阻率为10⁴ω·㎝，见图6a。

(2)正面光刻定义引线区域。正面光刻得到引线区域图形，光刻胶作为后续制作引线7031的掩蔽层，见图6b。

(3)正面引线制作。采用离子注入方法对上一步得到的硅片进行掺杂，掺杂元素为硼，掺杂后的硅片区域电阻率降为10^-2ω·㎝，形成引线7031。必须注意的是，本步骤掺杂的区域仅仅是通过光刻定义的引线区域，仅占整个硅片面积的一小部分，其余被光刻胶覆盖的区域仍然保持高电阻率状态。掺杂元素可以是硼、磷或者砷。掺杂方法可以是离子注入或者扩散。此处采用离子注入，所用的硼为含有硼的化合物，可以是三氟化硼；磷的化合物可以是磷烷，砷的化合物可以是砷烷，见图6c。

(4)正面制作金属层。首先光刻得到制作金属的图形，然后溅射cr30nm，再溅射au300nm，最后将硅片浸泡在丙酮中去除光刻胶，得到所需金属层7032。金属层7032覆盖区域包括了梳齿、引线部位用来降低电阻的部分和焊盘部分。金属层制作方法可以是溅射、蒸镀或者电镀。金属层可以是铬、金、铝和铜，也可以是若干种金属组合。此处采用的是铬金组合。金属层厚度为20nm-1μm。所述金属层沉积可以进一步降低这些梳齿部位的电阻率，增大这些梳齿部位的导电面积，见图6d。

(5)正面深干法刻蚀。正面采用光刻胶作为刻蚀掩蔽层，采用深干法刻蚀制作正面深槽结构7033，刻蚀到氧化埋层702停止。正面刻蚀可以用的掩蔽层包括光刻胶，氧化硅，氮化硅，金属层等，见图6e。

(6)正面保护。正面深干法刻蚀完成后采用聚酰胺涂敷作为正面的保护层800。保护层800可以是聚酰胺、聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料，见图6f。

(7)背面刻蚀。将硅片反转，采用氧化硅与氮化硅作为刻蚀掩蔽层，对背面进行深干法刻蚀，刻蚀到氧化埋层702停止，得到背面空腔结构7011，见图6g。

(8)释放。采用氟化氢气体去除刻蚀后露出的氧化埋层702，然后采用氧等离子体去除硅片正面的聚酰胺的保护层800，得到制作完成的硅片，见图6h。

以上步骤为优选方法。部分步骤可以互换顺序，也可以采用替换工艺实现相同效果。

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。