[发明专利]MEMS微镜单元及MEMS微镜阵列

说明书

本发明提供一种MEMS微镜单元，所述MEMS微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层。本发明还提供了一种MEMS微镜阵列，所述MEMS微镜阵列包含以密堆方式排列的多个所述的MEMS微镜单元。本发明提供的MEMS微镜单元可以实现三个自由度的精确可调，控制方式灵活；包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，具有高占空比，以及高一致性的镜面性能。

技术领域

本发明涉及一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的MEMS微镜阵列；特别是，涉及一种用于快速激光扫描的压电驱动MEMS微镜阵列。

背景技术

MEMS微镜是基于微机械加工工艺制备的芯片级光学器件，其作为快速激光扫描及相位调制的关键元件之一，广泛应用于激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影、激光加工、MEMS光开关、空间光调制器等多种领域。

MEMS微镜阵列根据阵列的维度可以分为二维阵列、一维阵列和零维单元，其中，将多元微镜阵列平铺在二维平面所构成的微镜称为二维阵列，将微镜阵列平铺成一维直线所构成的微镜称为一维阵列，零维单元为仅包含单个微镜单元的微镜。根据驱动器的工作原理，MEMS微镜阵列一般可以分为静电驱动、电磁驱动、电热驱动及压电驱动等四种类型。其中，静电驱动模式一般采用在平行版电极或梳齿电极之间施加电压来产生静电驱动力，电磁驱动模式一般利用电流线圈在磁场中所受的洛伦兹力作为驱动力，电热驱动模式一般采用局部加热的方式引起材料的膨胀或收缩带动微镜运动，而压电驱动模式利用了具有逆压电效应的压电材料，通过在压电材料的两侧施加驱动电压来引发材料应变，由此产生驱动力。

微镜根据其控制模式，可以分为数字微镜、模拟微镜和谐振微镜三类。其中，数字微镜一般仅有开与关两种状态，模拟微镜可以进行连续的、准静态的运动控制，而谐振微镜工作在力学结构的谐振点附近，其频率取决于微镜本身的结构，并且谐振微镜具有较高的谐振因子。

常规地，MEMS微镜可以通过微尺度的镜面扭转来控制反射光束的偏转，微镜镜面的运动自由度，一般包括横向倾斜、纵向倾斜、上下平移三类自由度，或者其中的一至两类。此外，镜面还可以包含其他自由度，例如扭转自由度，此类自由度一般在MEMS领域不予涉及，也不在本专利讨论的范围内。

用于快速激光扫描的MEMS微镜，具有扫描速度快、结构紧凑和适用于大批量制造等优点，在激光共聚焦扫描显微镜、激光雷达、激光投影等应用中对大孔径激光光束控制的迫切需求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS微镜单元以及包含所述MEMS微镜单元的微镜阵列，用于解决现有技术中由于单镜面MEMS微镜本身质量和转动惯量过大，存在工作频率低和偏转角度小的问题；和现有微镜阵列中存在的占空比低、一致性差、控制复杂等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS微镜单元，所述微镜单元包括：镜面层，包括镜面以及设置于所述镜面背部的多个柔性力学结构；致动器层，包括交叉排列的三个致动器，每一致动器与所述镜面层的每一柔性力学结构成对设置并且通过耦合柱与相应的柔性力学结构耦合，所述致动器用于通过所述耦合柱与所述柔性力学结构以为所述镜面层提供动力；以及引线层，所述引线层分别与所述致动器层中的每一致动器固定耦合，以对所述致动器层起到力学支撑和电学连接的作用。

优选地，所述镜面层的背部包括三个柔性力学结构，三个所述柔性力学结构分别通过耦合柱耦合在三个交叉分布的致动器上。

优选地，所述镜面层可绕X轴或Y轴进行轴向转动。

优选地，所述镜面层可沿Z轴进行上下平移，产生的位移可以对特定区域的光束进行相位调制。