一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及微角錐反射鏡，具體是一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制造方法。本發明解決了現有微角錐反射鏡的制造方法因組裝工藝限制而無法確保微角錐反射鏡的成品率和工作性能的問題。一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構，包括正方形硅基片、正方形二氧化硅層、鉑鈦下電極層、正方形鉑鈦底鏡、PZT壓電驅動懸臂梁、PZT平衡梁、鉑鈦上電極層、十字形側鏡、金層；正方形硅基片的正面與背面之間貫通開設有正方形通孔；正方形二氧化硅層層疊于正方形硅基片的正面；正方形二氧化硅層的正面與背面之間貫通開設有四組通孔。本發明適用于無線激光通信。
【專利說明】一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微角錐反射鏡，具體是一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制 造方法。
【背景技術】
[0002] 無線激光通信具備發射角極小、定位精度高、抗干擾能力強、信號傳遞通道窄、保 密性好、信道容量大、碼率高的特點，在日常生活、軍事應用以及航天中均扮演著十分重要 的角色。目前，無線激光通信可分為以下兩種：一種是主動式無線激光通信，另一種是被動 式無線激光通信。其中，主動式無線激光通信又可分為兩種方式：第一種方式是在發射端發 射激光信息中隱含自身的地理位置信息。此種方式比較簡單實用，但是其涉及信息處理和 信息安全等問題。第二種方式是接收端多個幾何分布的光電探測器感知入射激光束的照射 情況，由此判別入射方向，再采用高靈敏度位置傳感器和相應的電子伺服控制系統，跟蹤瞄 準入射方向。此種方式較復雜，不利于無線激光通信系統的小型化。相較于主動式無線激 光通信，被動式無線激光通信采用被動跟蹤入射激光的方式，其無需跟蹤和發射激光部件， 可以大為減小系統的體積和復雜度。
[0003] 微角錐反射鏡是實現被動跟蹤入射激光的關鍵部件。微角錐反射鏡的特點是有互 相正交的三個鏡面，任意方向的光信號經過三個鏡面反射后，均會沿著與入射方向相反的 方向反射回發射端。如果微角錐反射鏡的某一個鏡面可以發生偏轉，則可以對入射激光進 行調制。目前，微角錐反射鏡的制造方法可分為以下兩種：一種是基于體硅工藝的制造方 法，另一種是基于表面硅工藝的制造方法。基于體硅工藝的制造方法是指：在一個基片上制 造出可偏轉的底鏡，在另一個基片上制造出十字形側鏡，再通過組裝工藝將十字形側鏡安 裝到底鏡基片上，由此形成微角錐反射鏡(例如Berkeley大學Pister教授提出采用兩塊側 鏡分別加工再組裝方式制造的微角錐反射鏡，制造工藝較簡單；美國University of South Florida大學研究小組提出采用深刻蝕和氫氧化鉀腐蝕的方法制造硅基十字形側鏡，能得 到正交度89. 7°，表面粗糙度39nm的硅鏡面；韓國Kwangwoon大學研究小組提出了一種基 于氫氧化鉀選擇性腐蝕（110)硅面的體硅工藝來制造十字形側鏡，能使得微角錐反射鏡側 面垂直)。基于體硅工藝的制造方法的優點是集成工藝較為可靠，但其存在如下問題：由于 組裝工藝的精度所限，無法確保鏡面的垂直度（即無法確保十字形側鏡與底鏡完全垂直)， 由此制約微角錐反射鏡的成品率和工作性能。基于表面硅工藝的制造方法是指：在基片上 利用犧牲層工藝制造出微角錐反射鏡的三個鏡面，然后在應力、表面張力或外部力驅動下， 使三個鏡面組裝成微角錐反射鏡(例如Berkeley大學Pister教授提出的利用光刻膠表面 張力實現反射鏡自對準組裝；臺灣Jui-che Tsai教授采用的探針組裝反射鏡)。基于表面 硅工藝的制造方法的優點是整體工藝較簡單，鏡面粗糙度低，但其存在如下問題：組裝工藝 不成熟，隨機性太大，不適合批量集成加工，無法確保鏡面的垂直度（即無法確保三個鏡面 完全垂直)，由此制約微角錐反射鏡的成品率和工作性能。綜上所述，無論是基于體硅工藝 的制造方法還是基于表面硅工藝的制造方法，均因組裝工藝的限制而無法確保微角錐反射 鏡的成品率和工作性能。基于此，有必要發明一種全新的微角錐反射鏡的制造方法，以解決 現有微角錐反射鏡的制造方法存在的上述問題。
【發明內容】
[0004] 本發明為了解決現有微角錐反射鏡的制造方法因組裝工藝限制而無法確保微角 錐反射鏡的成品率和工作性能的問題，提供了一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其 制造方法。
[0005] 本發明是采用如下技術方案實現的：一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構，包 括正方形硅基片、正方形二氧化硅層、鉬鈦下電極層、正方形鉬鈦底鏡、PZT壓電驅動懸臂 梁、PZT平衡梁、鉬鈦上電極層、十字形側鏡、金層； 正方形硅基片的正面與背面之間貫通開設有正方形通孔； 正方形二氧化硅層層疊于正方形硅基片的正面；正方形二氧化硅層的正面與背面之 間貫通開設有四組通孔；四組通孔圍繞正方形通孔的軸線對稱分布，且正方形通孔完全覆 蓋四組通孔；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩個直角梯形通孔 的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰壁相互平行且位 置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有一個正方形島狀 部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯形通孔的直腰壁 與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔的外側壁之間形 成有一個十字形梁狀部； 鉬鈦下電極層包括四個斜向梁狀下電極層和正方形框狀下電極層；四個斜向梁狀下電 極層的外端與正方形框狀下電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀下電極 層一一對應層疊于四個斜向梁狀部的正面；正方形框狀下電極層層疊于正方形二氧化硅層 的正面外周； 正方形鉬鈦底鏡的數目為四個；第一個正方形鉬鈦底鏡的左上角、第二個正方形鉬鈦 底鏡的右上角、第三個正方形鉬鈦底鏡的左下角、第四個正方形鉬鈦底鏡的右下角與四個 斜向梁狀下電極層的內端一一對應連接為一體；四個正方形鉬鈦底鏡一一對應層疊于四個 正方形島狀部的正面； PZT壓電驅動懸臂梁的數目為四個；四個PZT壓電驅動懸臂梁一一對應層疊于四個斜 向梁狀部的正面； PZT平衡梁的數目為八個；八個PZT平衡梁一一對應層疊于八個正向梁狀部的正面； 鉬鈦上電極層包括四個斜向梁狀上電極層和正方形框狀上電極層；四個斜向梁狀上電 極層的外端與正方形框狀上電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀上電極 層一一對應層疊于四個PZT壓電驅動懸臂梁的正面；正方形框狀上電極層層疊于正方形二 氧化硅層的正面內周； 十字形側鏡層疊于十字形梁狀部的正面； 金層的數目為八個；八個金層一一對應層疊于十字形側鏡的八個側面。
[0006] 具體工作過程如下：首先，將鉬鈦下電極層和鉬鈦上電極層分別與外部電源的正、 負極連接，外部電源由此向四個PZT壓電驅動懸臂梁加載驅動電壓。然后，來自發射端的激 光入射到其中一個鏡面(正方形鉬鈦底鏡或十字形側鏡)，并依次經過另外兩個鏡面進行反 射，最后沿著與入射方向相反的方向返回發射端。在此過程中，通過調節其中一個PZT壓電 驅動懸臂梁的驅動電壓，便可控制該正方形鉬鈦底鏡進行偏轉，由此改變反射激光相對于 入射激光的偏離角度。八個平衡梁的作用是提高四個正方形鉬鈦底鏡的水平度。
[0007] -種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法(該方法用于制造本發明所述 的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構)，該方法是采用如下步驟實現的： a. 選取正方形硅基片，并在正方形硅基片的正面熱氧生長正方形二氧化硅層，然后采 用氫氧化鉀在正方形硅基片的背面腐蝕形成正方形凹腔； b. 在正方形二氧化硅層的正面與背面之間刻蝕形成四組通孔；四組通孔圍繞正方形 凹腔的軸線對稱分布；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩個直角 梯形通孔的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰壁相互 平行且位置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有一個正 方形島狀部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯形通孔 的直腰壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔的外側 壁之間形成有一個十字形梁狀部； c. 在正方形二氧化硅層的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形成鉬 鈦下電極層和四個正方形鉬鈦底鏡； d. 采用溶膠-凝膠法在正方形二氧化硅層的正面生長PZT薄膜，并在PZT薄膜的正面 與背面之間刻蝕形成四個PZT壓電驅動懸臂梁和八個PZT平衡梁； e. 在正方形二氧化硅層的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形成鉬 鈦上電極層； f. 在正方形二氧化硅層的正面旋涂SU-8光刻膠層，并在SU-8光刻膠層的正面與背面 之間刻蝕形成十字形側鏡； g. 采用背面干法在正方形凹腔的底面進行刻蝕，使得正方形凹腔變形成為正方形通 孔；正方形通孔完全覆蓋步驟b中的四組通孔； h. 從正方形硅基片的背面濺射金，并在十字形側鏡的八個側面各形成一個金層。
[0008] 與現有微角錐反射鏡的制造方法相比，本發明所述的一種角度可調的微角錐反射 鏡陣列結構及其制造方法無需采用組裝工藝，即可一體化集成制造出十字形側鏡和底鏡， 由此徹底避免了組裝工藝對鏡面垂直度的影響，從而有效保證了微角錐反射鏡的成品率和 工作性能。此外，本發明所述的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制造方法通過 采用在SU-8光刻完之后從背面濺射金覆蓋SU-8側壁的工藝，一方面避免了壓電薄膜上下 電極的連通，另一方面避免了由于SU-8高臺階的緣故使得后續光刻無法進行的問題，因此 本發明所述的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構及其制造方法不僅減少了一次光刻， 而且有效解決了高臺階金屬圖形化的難題。
[0009] 本發明有效解決了現有微角錐反射鏡的制造方法因組裝工藝限制而無法確保微 角錐反射鏡的成品率和工作性能的問題，適用于無線激光通信。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的結構示意圖。
[0011] 圖2是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟a的示 意圖。
[0012] 圖3是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟b的示 意圖。
[0013] 圖4是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟c的示 意圖。
[0014] 圖5是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟d的示 意圖。
[0015] 圖6是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟e的示 意圖。
[0016] 圖7是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟f的示 意圖。
[0017] 圖8是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟g的示 意圖。
[0018] 圖9是本發明的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法的步驟h的示 意圖。
[0019] 圖中：1-正方形硅基片，2-正方形二氧化硅層，3-鉬鈦下電極層，4-正方形鉬鈦底 鏡，5-PZT壓電驅動懸臂梁，6-PZT平衡梁，7-鉬鈦上電極層，8-十字形側鏡，9-金層，10-正 方形凹腔。
【具體實施方式】
[0020] 一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構，包括正方形硅基片1、正方形二氧化硅層 2、鉬鈦下電極層3、正方形鉬鈦底鏡4、PZT壓電驅動懸臂梁5、PZT平衡梁6、鉬鈦上電極層 7、十字形側鏡8、金層9 ; 正方形硅基片1的正面與背面之間貫通開設有正方形通孔； 正方形二氧化娃層2層疊于正方形娃基片1的正面；正方形二氧化娃層2的正面與背 面之間貫通開設有四組通孔；四組通孔圍繞正方形通孔的軸線對稱分布，且正方形通孔完 全覆蓋四組通孔；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩個直角梯形 通孔的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰壁相互平行 且位置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有一個正方形 島狀部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯形通孔的直 腰壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔的外側壁之 間形成有一個十字形梁狀部； 鉬鈦下電極層3包括四個斜向梁狀下電極層和正方形框狀下電極層；四個斜向梁狀下 電極層的外端與正方形框狀下電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀下電 極層一一對應層疊于四個斜向梁狀部的正面；正方形框狀下電極層層疊于正方形二氧化硅 層2的正面外周； 正方形鉬鈦底鏡4的數目為四個；第一個正方形鉬鈦底鏡4的左上角、第二個正方形鉬 鈦底鏡4的右上角、第三個正方形鉬鈦底鏡4的左下角、第四個正方形鉬鈦底鏡4的右下角 與四個斜向梁狀下電極層的內端一一對應連接為一體；四個正方形鉬鈦底鏡4 一一對應層 疊于四個正方形島狀部的正面； PZT壓電驅動懸臂梁5的數目為四個；四個PZT壓電驅動懸臂梁5 -一對應層疊于四 個斜向梁狀部的正面； PZT平衡梁6的數目為八個；八個PZT平衡梁6 -一對應層疊于八個正向梁狀部的正 面； 鉬鈦上電極層7包括四個斜向梁狀上電極層和正方形框狀上電極層；四個斜向梁狀上 電極層的外端與正方形框狀上電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀上電 極層一一對應層疊于四個PZT壓電驅動懸臂梁5的正面；正方形框狀上電極層層疊于正方 形二氧化硅層2的正面內周； 十字形側鏡8層疊于十字形梁狀部的正面； 金層9的數目為八個；八個金層9 一一對應層疊于十字形側鏡8的八個側面。
[0021] 一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法(該方法用于制造本發明所述 的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構)，該方法是采用如下步驟實現的： a. 選取正方形硅基片1，并在正方形硅基片1的正面熱氧生長正方形二氧化硅層2,然 后采用氫氧化鉀在正方形硅基片1的背面腐蝕形成正方形凹腔10 ; b. 在正方形二氧化硅層2的正面與背面之間刻蝕形成四組通孔；四組通孔圍繞正方形 凹腔10的軸線對稱分布；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩個直 角梯形通孔的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰壁相 互平行且位置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有一個 正方形島狀部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯形通 孔的直腰壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔的外 側壁之間形成有一個十字形梁狀部； c. 在正方形二氧化硅層2的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形成 鉬鈦下電極層3和四個正方形鉬鈦底鏡4 ; d. 采用溶膠-凝膠法在正方形二氧化硅層2的正面生長PZT薄膜，并在PZT薄膜的正 面與背面之間刻蝕形成四個PZT壓電驅動懸臂梁5和八個PZT平衡梁6 ; e. 在正方形二氧化硅層2的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形成 鉬鈦上電極層7 ; f. 在正方形二氧化硅層2的正面旋涂SU-8光刻膠層，并在SU-8光刻膠層的正面與背 面之間刻蝕形成十字形側鏡8 ; g. 采用背面干法在正方形凹腔10的底面進行刻蝕，使得正方形凹腔10變形成為正方 形通孔；正方形通孔完全覆蓋步驟b中的四組通孔； h. 從正方形硅基片1的背面濺射金，并在十字形側鏡8的八個側面各形成一個金層9。
[0022] 具體實施時，正方形二氧化硅層2的厚度為1 μ m。正方形硅基片1的正面與正方 形凹腔10的底面之間的厚度為100 μ m。PZT壓電驅動懸臂梁5的厚度、PZT平衡梁6的厚 度均為2 μ m。
【權利要求】
1. 一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構，其特征在于：包括正方形硅基片（1)、正方 形二氧化硅層（2)、鉬鈦下電極層（3)、正方形鉬鈦底鏡（4)、PZT壓電驅動懸臂梁（5)、PZT 平衡梁（6)、鉬鈦上電極層（7)、十字形側鏡（8)、金層（9); 正方形硅基片（1)的正面與背面之間貫通開設有正方形通孔； 正方形二氧化硅層（2)層疊于正方形硅基片（1)的正面；正方形二氧化硅層（2)的正面 與背面之間貫通開設有四組通孔；四組通孔圍繞正方形通孔的軸線對稱分布，且正方形通 孔完全覆蓋四組通孔；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩個直角 梯形通孔的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰壁相互 平行且位置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有一個正 方形島狀部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯形通孔 的直腰壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔的外側 壁之間形成有一個十字形梁狀部； 鉬鈦下電極層（3)包括四個斜向梁狀下電極層和正方形框狀下電極層；四個斜向梁狀 下電極層的外端與正方形框狀下電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀下 電極層一一對應層疊于四個斜向梁狀部的正面；正方形框狀下電極層層疊于正方形二氧化 娃層（2)的正面外周； 正方形鉬鈦底鏡（4)的數目為四個；第一個正方形鉬鈦底鏡（4)的左上角、第二個正 方形鉬鈦底鏡（4)的右上角、第三個正方形鉬鈦底鏡（4)的左下角、第四個正方形鉬鈦底鏡 (4)的右下角與四個斜向梁狀下電極層的內端一一對應連接為一體；四個正方形鉬鈦底鏡 (4) 一一對應層疊于四個正方形島狀部的正面； PZT壓電驅動懸臂梁（5)的數目為四個；四個PZT壓電驅動懸臂梁（5)-一對應層疊于 四個斜向梁狀部的正面； PZT平衡梁（6)的數目為八個；八個PZT平衡梁（6)-一對應層疊于八個正向梁狀部的 正面； 鉬鈦上電極層（7)包括四個斜向梁狀上電極層和正方形框狀上電極層；四個斜向梁狀 上電極層的外端與正方形框狀上電極層的四個內角一一對應連接為一體；四個斜向梁狀上 電極層一一對應層疊于四個PZT壓電驅動懸臂梁（5)的正面；正方形框狀上電極層層疊于 正方形二氧化硅層（2)的正面內周； 十字形側鏡（8)層疊于十字形梁狀部的正面； 金層（9)的數目為八個；八個金層（9) 一一對應層疊于十字形側鏡（8)的八個側面。
2. -種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構的制造方法，該方法用于制造如權利要求1 所述的一種角度可調的微角錐反射鏡陣列結構，其特征在于：該方法是采用如下步驟實現 的： a. 選取正方形硅基片（1)，并在正方形硅基片（1)的正面熱氧生長正方形二氧化硅層 (2)，然后采用氫氧化鉀在正方形硅基片（1)的背面腐蝕形成正方形凹腔（10); b. 在正方形二氧化硅層（2)的正面與背面之間刻蝕形成四組通孔；四組通孔圍繞正方 形凹腔（10)的軸線對稱分布；每組通孔均包括一個直角V形通孔和兩個直角梯形通孔；兩 個直角梯形通孔的下底壁分別與直角V形通孔的兩個端壁齊平；兩個直角梯形通孔的斜腰 壁相互平行且位置正對；兩個直角梯形通孔的上底壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有 一個正方形島狀部；兩個直角梯形通孔的斜腰壁之間形成有一個斜向梁狀部；兩個直角梯 形通孔的直腰壁與直角V形通孔的內側壁之間形成有兩個正向梁狀部；四個直角V形通孔 的外側壁之間形成有一個十字形梁狀部； c. 在正方形二氧化硅層（2)的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形 成鉬鈦下電極層（3)和四個正方形鉬鈦底鏡（4); d. 采用溶膠-凝膠法在正方形二氧化硅層（2)的正面生長PZT薄膜，并在PZT薄膜的 正面與背面之間刻蝕形成四個PZT壓電驅動懸臂梁（5)和八個PZT平衡梁（6); e. 在正方形二氧化硅層（2)的正面濺射鉬鈦層，并在鉬鈦層的正面與背面之間刻蝕形 成鉬鈦上電極層（7); f. 在正方形二氧化硅層（2)的正面旋涂SU-8光刻膠層，并在SU-8光刻膠層的正面與 背面之間刻蝕形成十字形側鏡（8); g. 采用背面干法在正方形凹腔（10)的底面進行刻蝕，使得正方形凹腔（10)變形成為 正方形通孔；正方形通孔完全覆蓋步驟b中的四組通孔； h. 從正方形硅基片（1)的背面濺射金，并在十字形側鏡（8)的八個側面各形成一個金 層（9 )。
【文檔編號】G02B26/08GK104216111SQ201410532691
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】王任鑫, 丑修建, 薛晨陽, 張文棟, 劉俊, 熊繼軍, 簡澤明, 劉夢然, 郭靖, 劉源, 曾瑞 申請人:中北大學