CN113820850B - 一种集成球面反射镜的mems微快门阵列器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，该器件由多个完全相同的单元以一定的规则排列在衬底表面而形成。所述的单元包括支撑柱、镜面和电极。支撑柱起到支撑镜面的作用，镜面中部下方与支撑柱相连，四周边缘悬空。电极位于镜面的正下方，即支撑柱的四周。镜面初始未工作时呈凹面，其曲率可由加工工艺决定。入射平行光照射到镜面，根据几何光学可知反射光将会发生汇聚。给镜面及电极施加一定的直流电势差，则由于静电力的吸引，镜面边缘会向下弯曲，从而使整个镜面由凹面变为凸面，因而将使反射光发散。本发明通过镜面的变形，可以实现汇聚光束的开启和关闭，从而完成了传统微透镜和微快门共同才能完成的功能。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，特别涉及一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件。
背景技术
MEMS微快门阵列可以实现多路并行光束的快速通断，具有响应速度快、可批量化生产、体积小、功耗低、与集成电路兼容性好等优点，在各类光学系统中均有十分重要的应用。
参照图1，是一类常规MEMS微快门阵列的结构示意图，图中显示了阵列中的5个微快门。每个微快门是由可旋转的两扇门组成，未启动时两扇门保持水平，使光通路关闭。当需要打开某个微快门时，通过外加电信号，控制该快门对应的电极，使两扇门各自向相反方向旋转，从而打开光通路，如图1中的第三个微快门所示。
参照图2，是上述微快门阵列用于某光学系统中的示意图。在其前方放置一个微透镜阵列，可以实现对入射光的分束。分束之后，通过微快门时，可以有选择的使不同的光束通过或被挡住。
如图可知，此时需要将微透镜与微快门阵列配合使用，存在二者之间在三个空间维度的对准问题、两个自由度的平行度校正问题、以及装配问题，为此将增加光学装校环节，且不利于整个光学系统的小型化、便携化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对以上现有技术的不足，提供了一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，实现了光束汇聚功能与光束开关功能的单片集成，从而能够大幅度降低分立器件的加工、装配成本，并提高二者的对准精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，所述器件由多个完全相同的单元以一定的排列规则排列在衬底表面而形成；
每个所述单元包括支撑柱、镜面和电极，其中，所述支撑柱位于镜面中央的下方，且二者相连，所述支撑柱能起到支撑镜面的作用，所述镜面四周边缘悬空，所述电极位于镜面的正下方，且电极设在衬底表面上以及位于支撑柱的四周；
所述镜面初始未工作时呈凹面，其曲率可由加工工艺决定。
当入射平行光照射到镜面时，根据几何光学可知，从镜面反射的反射光能发生汇聚；当对镜面及电极施加一定的直流电势差，则由于静电力的吸引，镜面边缘会向下弯曲，从而使整个镜面由凹面变为凸面，因而将使所述反射光发散。
进一步的，所述镜面为多层结构。
进一步的，所述镜面为上下两层结构，其中，下层为较厚的结构层，存在残余压应力或无残余应力，上层为较薄的反射层，具有残余拉应力；所述上下两层的残余应力不一致，导致镜面初始产生变形，形成所述凹面，凹面的曲率半径由所述上下两层的残余应力共同决定。
进一步的，所述的镜面的所述反射层在其应用波段具有高反射率。
进一步的，所述的镜面的结构层和所述支撑柱都是导体，以用于施加电信号；
用于给镜面传导电信号的导线从所述电极中穿过，所述电极中留有供所述导线穿过的空隙。
进一步的，所述的镜面为正方形、六边形或圆形；
且所述镜面和所述电极的形状关系是相互独立的。
进一步的，所述的排列规则为方形排列、正三角形排列或圆形排列；
所述排列规则与镜面或者电极的形状无关。
本发明与现有技术相比所具有的优点：将球面反射镜与微快门的功能集成在一个器件中，从而降低了设计、加工、封装成本，减小了整个系统的体积，本发明通过镜面的变形，可以实现汇聚光束的开启和关闭，从而完成了传统微透镜和微快门共同才能完成的功能。
附图说明
图1是现有的一类常规MEMS微快门阵列的结构示意图；
图2是上述微快门阵列与微透镜阵列组合使用的示意图；
图3是本发明提出的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件的示意图；
图4是本发明的器件的立体示意图；
图5是本发明中镜面初始形状呈凹面的原理图；
图6是本发明中支撑柱和电极结构示意图；
图7是本发明中镜面和电极形状结构示意图；
图8是本发明中微快门阵列排列形状示意图。
图中标记：1-镜面，2-电极，3-支撑柱，4-导线
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图3为本发明的一种集成球面反射镜的微快门阵列器件的结构示意图。所述器件由多个完全相同的单元以一定的排列规则排列在衬底表面而形成；每个所述单元包括支撑柱3、镜面1和电极2，其中，所述支撑柱位于镜面中央的下方，且二者相连，所述支撑柱能起到支撑镜面的作用，所述镜面四周边缘悬空，所述电极位于镜面的正下方，且位于支撑柱的四周；所述镜面初始未工作时呈凹面，当入射平行光照射到镜面时，从镜面反射的反射光能发生汇聚；当对镜面及电极施加一定的直流电势差，则由于静电力的吸引，镜面边缘会向下弯曲，从而使整个镜面由凹面变为凸面，因而将使所述反射光发散。图中从左至右一共示出五个微快门单元。第一个单元是微快门初始未工作时的状态，镜面呈凹面。第二个单元是微快门工作时的状态，此时在镜面和电极间施加直流电势差，由于存在静电吸引力，并且镜面中部被支撑柱支撑，边缘自由，因而镜面边缘将向下变形，使镜面变为凸面。第三个单元至第五个单元增加了入射光，用以说明其工作原理。第三个单元和第四个单元均处于初始未变形状态，此时入射光将被凹面反射聚焦，从而发挥与图2中光依次经过微透镜和微快门后被汇聚的同样的作用。第五个单元处于工作后的凸面形状，反射光将被镜面反射发散，无法汇聚，从而发挥与图2中光经过微透镜但又被微快门挡住的同样的作用。因而，如图3所示，本发明可以实现前述微透镜和微快门组合才能实现的功能。
图4为本发明的集成球面反射镜的微快门阵列器件的立体示意图。图中共有6个单元，分成了两排，每排3个单元。前一排的3个单元被去除一半，仅显示了其剖面，以利于观察细节。前一排的中间单元处于工作状态，镜面呈凸面。除此之外，其余5个单元均处于未工作状态，表面呈凹面。
图5为本发明中镜面初始形状呈凹面的原理图。图5中a是镜面的结构示意图，其中，镜面由上下两层组成，下层较厚，具有残余压应力或无应力，因而具有向两侧扩张的趋势，如图中虚线箭头所示。上层较薄，具有残余拉应力，因而具有向中间收缩的趋势，如图中实线箭头所示。由于上下两层间的应力不匹配，最终的效果就是镜面变为中间低、两边高的凹面，如图5中b所示。
图6为本发明中为了给镜面施加电信号而将电极留出空隙，导线穿过空隙与支撑柱导通的示意图。图6中a是电极2和支撑柱3的俯视图，为一个小圆形以及与之同心的大圆环，小圆形代表支撑柱，大圆环代表电极。由于镜面也需要施加电信号，因此电信号必须通过支撑柱，也就是必须将支撑柱与导线接通。由于支撑柱四周完全被电极围住，因此如图6中b所示，电极留出一定的空隙，从而使导线4可由外到内与支撑柱接通。
图7为镜面和电极采用其他形状的示意图。图中共有9个单元，镜面为正六边形，电极为正方形。二者也可以采用其他形状，且可以不相同。
图8为微快门单元采用其他排列形状的示意图。前面的各图中，微快门单元均呈方形排列，而在图8中微快门单元呈正三角形排列，各种排列方式可以根据不同情形选用，且与镜面或者电极的形状并无关联。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述器件由多个完全相同的单元以一定的排列规则排列在衬底表面而形成；
每个所述单元包括支撑柱、镜面和电极，其中，所述支撑柱位于镜面中央的下方，且二者相连，所述支撑柱能起到支撑镜面的作用，所述镜面四周边缘悬空，所述电极位于镜面的正下方，且电极设在衬底表面上以及位于支撑柱的四周；
所述镜面初始未工作时呈凹面，当入射平行光照射到镜面时，从镜面反射的反射光能发生汇聚；当对镜面及电极施加一定的直流电势差，则由于静电力的吸引，镜面边缘会向下弯曲，从而使整个镜面由凹面变为凸面，因而将使所述反射光发散。
2.根据权利要求1所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述镜面为多层结构。
3.根据权利要求2所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述镜面为上下两层结构，其中，下层为较厚的结构层，存在残余压应力或无残余应力，上层为较薄的反射层，具有残余拉应力；
所述上下两层的残余应力不一致，导致镜面初始产生变形，形成所述凹面，凹面的曲率半径由所述上下两层的残余应力共同决定。
4.根据权利要求3所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述的镜面的所述反射层在其应用波段具有高反射率。
5.根据权利要求3所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述的镜面的结构层和所述支撑柱都是导体，以用于施加电信号；
用于给镜面传导电信号的导线从所述电极中穿过，所述电极中留有供所述导线穿过的空隙。
6.根据权利要求1所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述的镜面为正方形、六边形或圆形；
且所述镜面和所述电极的形状关系是相互独立的。
7.根据权利要求1所述的一种集成球面反射镜的MEMS微快门阵列器件，其特征在于：
所述的排列规则为方形排列、正三角形排列或圆形排列；
所述排列规则与镜面或者电极的形状无关。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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