一种MEMS激光雷达用VCSEL光源和MEMS微执行器的集成结构

一种mems激光雷达用vcsel光源和mems微执行器的集成结构技术领域1.本发明属于微机电系统(mems，即micro-electro-mechanical system)领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器(vcsel，即vertical-cavity surface-emitting laser)和微电磁驱动式执行器的集成装置。背景技术：2.近年来，随着激光雷达(lidar，即light detection and ranging)飞速发展，技术从简单的激光测距技术，逐步发展出激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，而其技术方案仍是以机械式为主。传统机械式激光雷达方案由激光光源、扫描组件和接收探测器采用物料堆叠的形式实现，除了体积大、成本高以外，还存在着固有缺陷，例如装配和调制困难、扫描频率低等问题，一般置于车顶作为工程测试使用，难以满足自动驾驶普及提出的大规模、低成本、车规级需求。受到物联网和自动驾驶双重的发展牵引，以mems技术制备出的微镜为核心的激光雷达应运而生。毫米级微镜的引入帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，大大减少了激光雷达的尺寸，无论从车载集成度还是成本角度来讲，其优势都显而易见，但mems激光雷达仍有许多亟待解决的问题。3.目前，mems激光雷达存在的问题主要有：(1)扫描角度较小。微镜作为mems激光雷达的核心器件，受到mems设计中尺寸效应的限制，器件功耗和驱动力权衡使得镜面直径只能维持在数毫米，镜面面积限制了组件的出光孔径和扫描角度；(2)稳定性问题。mems微镜工作的稳定性受结构设计和工艺制造条件的约束，以金属薄层制备成的镜面残余应力大、温度效应明显以及易受外界环境的腐蚀，造成激光雷达反射光路的变形，影响整个组件的稳定性和精确度；(3)存在小型化、集成化的空间。目前的mems激光雷达方案以发光二极管为激光光源，光线经由mems微镜的镜面反射转化为扫描光束，从严格意义上仍属于激光光源、mems微镜和接收器的“组装”，还存在进一步集成化的空间。技术实现要素：4.本技术为现有mems激光雷达提供一种全新的光源集成方案，从原有mems激光雷达的光源和微镜的集成化入手，设计了vcsel光源和电磁驱动式mems微执行器集成的mems-vcsel结构。5.一种mems激光雷达用vcsel光源和mems微执行器的集成结构，其特征在于：6.本技术中mems微执行器采用常规电磁驱动的单轴对称结构(即mems微执行器的承载面3和外框1的中心重合，且通过两个悬臂梁4与外框1连接，承载面3在驱动力作用下只绕悬臂梁4做扭转运动)，vcsel光源5位于承载面3的正中心位置(即图6中所示的悬臂梁4的中心线和承载面3纵向中心线相交的点)。为了保证结构的偏转角度能达到预期指标，要求vcsel光源5和承载面3的中心重合误差应在(0～5)μm，即图6中区域8所限定的位置。7.第一方面，本技术的结构中vcsel光源发光角和微执行器扫描角的耦合叠加，能在一定程度上增加mems激光雷达的扫描角度。8.第二方面，本技术的结构中不涉及金属镜面的制备，进而规避金属镜面引入的组件稳定性问题。9.第三方面，本技术的结构实现vcsel激光器和mems微执行器进一步集成成为“激光扫射器”，推进mems激光雷达方案由“光源-微镜-接收器”到“激光扫射器-接收器”的集成化。10.本发明利用集成电路和微纳加工技术手段实现上述设计方案，主要通过三个步骤实现。11.1)基材选择12.mems微执行器主要采用常规单抛单晶硅晶圆作为基材。13.vcsel光源主要采用gaas外延片作为基材。14.2)分立加工15.单晶硅晶圆主要通过光刻、刻蚀、氧化成膜、键合、金属溅射、金属蒸发、电镀、注入以及机械减薄等工艺手段实现mems微执行器的加工。16.caas外延片主要采用刻蚀、剥离、分子束沉积、氧化成膜、机械减薄以及金属溅射等工艺手段实现vcsel光源的加工。17.3)组件集成18.mems微执行器和vcsel光源主要通过金属键合及引线焊接的方式进行集成。19.通过以上步骤可以加工形成激光雷达用mems-vcsel组件。附图说明：20.图1、本技术涉及的结构和传统微镜的扫描角度对比图；21.图2、本技术第一种可选实施技术单元示意图；22.图3、本技术第二种可选实施技术单元示意图；23.图4、本技术第三种可选实施实施技术单元示意图；24.图5、本技术第四种可选实施实施技术单元示意图；25.图6、本技术vcsel光源位置示意图；26.图7、本技术vcsel光源电极定义示意图；27.图8、本技术双层布线示意图；28.图9、本技术单层布线示意图。具体实施方式29.下面结合附图1对本发明的实施例作进一步描述。30.本技术中的mems微执行器采用电磁方式驱动，具体结构与传统mems电磁式微镜类似，主要包括外框、连接承载面和外框的悬臂梁以及光源的承载面等单元；其中承载面通过悬臂梁连接在外框上，驱动线圈和vcsel光源的键合锚点、引线焊接点均设置在承载面上。驱动线圈在通电状态下，受到固定磁场的磁力作用使得承载面绕悬臂梁扭转，进而相对于外框运动。31.本技术中为了便于描述，定义vcsel光源其出光孔出射光线的方向为正面，反方向为背面，因此单只正装型vcsel光源有一个正面电极和一个背面，而倒装型的vcsel光源有两个背面电极，如图7所示。32.图1是本技术实施提供的一种结构示意图。如图1所示，本技术的结构包括外框1，线圈2，承载面3，悬臂梁4，vcsel光源5以及引线焊接点6。33.本技术中示例性的，外框1、承载面3和悬臂梁4围成的空域可以采用光刻和刻蚀的方式加工单晶硅衬底形成。线圈2通过蒸镀、剥离的方式在单晶硅衬底表面加工形成。34.本技术中mems微执行器采用常规电磁驱动的单轴对称结构，vcsel光源5位于承载面3的正中心位置(即图6中所示的悬臂梁4的中心线和承载面3纵向中心线相交的点)。为了保证结构的偏转角度能达到预期指标，要求vcsel光源5和承载面3的中心重合误差应在(0～5)μm，即图6中区域8所限定的位置。35.本技术vcsel光源5和承载面3在上述固定位置的前提下，由于vcsel光源类型和金属引线连接方式选取的差异，存在以下四种可选的实施技术单元。36.作为第一种可选实施技术单元，如图2所示，采用正装型vcsel光源作为集成光源。其背面电极和承载面3上的金属接触区域通过键合的方式实现连接。vcsel光源的正面电极通过引线与焊接点6进行连接。37.作为第二种可选实施技术单元，如图3所示，采用倒装型vcsel光源作为集成光源。其背面两个电极分别和承载面3上的两个金属接触区通过键合的方式进行连接。38.作为第三种可选实施技术单元，如图4所示，线圈2和承载面3上的电极金属连线采用双层布线的形式。具体的，如图8所示，vcsel金属连接线9沉积在承载面3悬臂梁4表面，其承载面3和悬臂梁四连接区域沉积第一介质层11(二氧化硅或氮化硅)，第一介质层厚度(400～500)nm，介质层尺寸必须能覆盖线圈已达到隔离的效果，线圈2的金属连线10在介质层11处分层，通过自上下贯通介质层11的连接孔12连接两层金属连线。39.作为第四种可选实施技术单元，如图5所示，线圈2和承载面3上的电极金属引线采用单层布线的形式。具体的，如图9所示，承载面3上的vcsel金属连接线9通过重掺杂的硅区域7进行连接,区域7和vcsel金属连接线9的中心线重合。区域7上覆盖一层第二介质层13(二氧化硅或氮化硅)，介质层厚度(50～100)nm,主要用来防止与线圈2的金属层短路。为了保证良好的欧姆接触，区域7设置长宽比应在(10～12)：1，且区域7单侧宽度超出金属连线9的边沿(2～3)μm，宜采用离子注入工艺进行p型掺杂硅(常规杂质为磷和砷)制作并在(920～1025)℃的温度环境进行杂质激活，掺杂区域的载流子浓度应在(1～5)×1019cm-3范围内。40.本技术可选的四种实施技术单元，可以进行以下组合：41.42.本技术基于以上组合结果形成了四种可选实施方案，以此来实现组件功能。