[发明专利]一种梯形梳齿、静电梳齿驱动器及MEMS扫描镜

说明书

本发明公开了一种梯形梳齿，所述梯形梳齿的根部宽度大于头部宽度，且所述梯形梳齿的宽度从梯形梳齿根部到梯形梳齿头部单调减小。梯形梳齿设计，其梳齿根部的宽度大于梳齿头部宽度，在保持梳齿平均宽度不变的情况下，可以大幅度增加梳齿根部的刚度；在芯片尺寸一定的情况下，采用本发明的梯形状梳齿结构，相较于现有技术中的矩形梳齿结构，可以大幅度提高梳齿驱动器的驱动扭矩、增大驱动角度，或者减小芯片尺寸、降低驱动电压，大幅度提高芯片的技术性能、降低芯片的成本。

技术领域

本发明涉及微光机电系统技术领域，具体地说是一种梯形梳齿、MEMS扫描镜及制备方法。

背景技术

光学扫描技术是电驱动器驱动光学元件如光学反射镜、光学透镜运动实现光束或成像点的规则运作扫描，在现代光学技术具有广泛的应用，成为光学技术中一项关键技术。特别是对于激光技术，激光一般为准直光束，需要通过激光扫描镜来实现激光扫描或指向，从而实现特定图案的激光扫描、特定方向的激光指向，完成激光扫描、激光指向、激光跟踪、激光投影成像、动态结构光生成、激光三维测量、激光3D打印、激光加工等应用。因此，光学扫描镜具有广泛的应用前景和巨大的市场需求。

光学扫描镜通常是通过电机驱动光学反射镜实现光束的扫描，包括振镜扫描和多面转镜扫描两种。传统的扫描振镜是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，其转子上通过机械纽簧产生与扭转角度成正比的回复力矩。当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时，电磁力矩与回复力矩大小相等，不像普通电机一样连续旋转，而是往复式的角度偏转，其偏转角与驱动电流成正比，与电流计的工作原理一样，因此振镜又叫电流计扫描振镜(galvanometric scanner)，也称为做高速扫描振镜(Galvo scanning system)。由于传统扫描镜的扫描系统、反射镜的质量和转动惯量大，扫描振镜的扫描频率难以提高，通常只能达到数百Hz。多面转镜扫描是由高速电机驱动多面转镜，电机单方向的连续扫描，其扫描的角速度一般是恒定的，由多面镜轮流反射光束实现光束无回扫的单向光束扫描。由于采用了多面镜扫描，可以实现光束扫描的加速，从而获得较高的扫描速度，但其扫描角度也受到一定的限制；并且，高速转动将产生巨大的离心力，使反射镜变形，最终限制多面转镜扫描的扫描速度，扫描转速为每秒数百转。传统的光学扫描镜为精密复杂的扫描机构，成本高昂、体积大、控制复杂，极大的限制了扫描镜的应用范围与市场。

随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的激光扫描器成为光学扫描镜技术发展方向，其具有扫描速度快、多轴扫描、体积小、成本低等许多优势，成为低功率、小尺寸镜面激光扫描的主要技术，极大的拓展了光学扫描的应用市场，具有广阔的市场前景。MEMS扫描镜目前已得到广泛的研究，目前市场上多家公司可以提供MEMS扫描镜芯片。根据MEMS扫描镜的应用场景的不同，可以分为谐振式的MEMS扫描振镜和准静态的MEMS扫描镜。从MEMS驱动方式看，MEMS扫描镜主要包括静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动四种，其中静电驱动是最成熟、应用最广泛的驱动方式。静电驱动MEMS扫描镜主要采用静电梳齿驱动器，可以实现较大的驱动角度。

静电梳齿驱动器是MEMS技术最主要的驱动技术之一，其主要特征是包括由多对运动梳齿、固定梳齿交错排列的梳齿阵列，这样的梳齿阵列通常包含一组至多组，共同构成静电梳齿驱动器。其驱动的基本原理是梳齿对构成梳齿电容，驱动电压对梳齿电容充电，在梳齿电容两电极上注入正、负静电荷，静电荷吸引力驱动梳齿水平或扭转运动。对于梳齿扭转驱动器，静电荷吸引力通过MEMS扭转结构转化为驱动扭矩，该扭矩与扭转轴的回复力矩平衡，决定着扫描镜的扭转角度大小。静电梳齿驱动器的驱动扭矩是扭转运行的根本原因，正比于梳齿垂直方向静电力和力臂的乘积。因此，为了增大静电梳齿驱动器的驱动扭矩，增加梳齿垂直方向静电力和驱动力臂是主要的设计方向。