一种自带位置监测的微镜系统的制作方法

1.本公开属于微镜技术领域，本公开尤其涉及一种具有位置监测功能的微镜系统。


背景技术：

2.四象限探测器可以测定目标相对于光轴的偏移量大小和偏移量方位，因此被广泛应用于激光制导、激光追踪等军事领域和精确定位、位移监控等测量系统，四象限探测器具有精度高、抗干扰能力强、体积小等优点。
3.中国专利文献cn 108063102 a公开了一种基于四象限光电探测器的监测微镜的方法。该方法中，将四象限光电探测器以光源为中心一同放置在芯片衬底上。光线从光源出发，经过微镜的反射再被四象限光电探测器接收。在应用中，实际的位移线性区间超过2.0～3.0mm，角度线性区间达到
‑
5～5
°
，这种方法需要让光线经过一次反射，对测量会造成一定的困难，也会增大误差。
4.中国专利文献cn 108507498 a公开了一种微镜监测方法与装置，该方法用以实时监测微镜的翻转角度与面型。该方法中，需要至少两束完全平行等距的激光束经过微镜的反射以及傅里叶透射以后形成的光斑，通过测量光斑的位置来确定微镜的反转角度。但是此方法首先需要两束以上的完全平行等距的激光束，需要非常精确的测量精度，否则产生的误差会很大。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供一种具有位置监测功能的微镜系统。
6.本公开的具有位置监测功能的微镜系统通过以下技术方案实现。
7.根据本公开的一个方面，提供一种具有位置监测功能的微镜系统，包括：
8.微镜；
9.芯片基底，所述芯片基底上形成有光源；
10.至少一个驱动臂，所述至少一个驱动臂连接在所述微镜与所述芯片基底之间，以使得所述至少一个驱动臂能够被控制以对所述微镜进行驱动；以及，
11.光电探测器阵列，所述光电探测器阵列形成在所述微镜的背面，所述光电探测器阵列对所述光源射出的光线进行检测以对所述微镜的位置进行监测。
12.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述微镜为电热微镜。
13.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述光源具有30度以上的发散角。
14.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述光电探测器阵列为四个光电探测器形成的四象限光电探测器阵列。
15.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述光电探测
器朝向所述光源的表面上形成有尖峰阵列，所述尖峰阵列包括多个尖峰结构。
16.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述光电探测器为硅半导体探测器，所述光电探测器的硅半导体中掺杂有硫元素。
17.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述尖峰阵列的尖峰结构的尺寸为μm量级。
18.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，在所述微镜的背面形成所述光电探测器阵列之后，对所述光电探测器的表面进行激光改性以形成所述尖峰阵列。
19.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，四个所述光电探测器的探测器面积相同。
20.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述光源形成在所述芯片基底的中心位置。
21.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述改性在六氟化硫气体环境中进行。
22.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述尖峰阵列中至少包括多个尺寸不同的尖峰结构。
23.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述至少一个驱动臂的数量为多个。
24.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述驱动臂为电热驱动臂。
25.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述驱动臂沿着驱动臂的径向为多层结构，所述多层结构由多层不同热膨胀系数的材料形成。
26.根据本公开的至少一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统，所述激光为飞秒激光。
附图说明
27.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
28.图1是根据本公开的一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统的整体结构示意图。
29.图2是根据本公开的一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统的四象限探测器阵列在微镜的背面设置示意图。
30.图3是根据本公开的一个实施方式的光电探测器的表面形成的尖峰阵列的结构示意图。
31.附图标记说明
32.100 具有位置监测功能的微镜系统
33.101 微镜
34.102 光电探测器
35.103 芯片基底
36.104 光源
37.105 驱动臂
38.1021 尖峰结构。
具体实施方式
39.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开的技术方案。
41.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本公开的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本公开的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
42.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
43.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
44.为了描述性目的，本公开可使用诸如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“在
……
下”、“下”、“在
……
上方”、“上”、“在
……
之上”、“较高的”和“侧(例如，在“侧壁”中)”等的空间相对术语，从而来描述如附图中示出的一个部件与另一(其它)部件的关系。除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还意图包含设备在使用、操作和/或制造中的不同方位。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为“在”其它部件或特征“下方”或“之下”的部件将随后被定位为“在”所述其它部件或特征“上方”。因此，示例性术语“在
……
下方”可以包含“上方”和“下方”两种方位。此外，设备可被另外定位(例如，旋转90度或者在其它方位处)，如此，相应地解释这里使用的空间相对描述语。
45.这里使用的术语是为了描述具体实施例的目的，而不意图是限制性的。如这里所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(种、者)”和“所述(该)”也意图包括复数形式。此外，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”以及它们的变型时，说明存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组，但不排除存在或附加一个
或更多个其它特征、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组。还要注意的是，如这里使用的，术语“基本上”、“大约”和其它类似的术语被用作近似术语而不用作程度术语，如此，它们被用来解释本领域普通技术人员将认识到的测量值、计算值和/或提供的值的固有偏差。
46.图1是根据本公开的一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统的整体结构示意图。图2是根据本公开的一个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统的四象限探测器阵列在微镜的背面设置示意图。图3是根据本公开的一个实施方式的光电探测器的表面形成的尖峰阵列的结构示意图。
47.下文结合图1至图3对本公开的具有位置监测功能的微镜系统进行详细说明。
48.根据本公开的一个实施方式，如图1所示，具有位置监测功能的微镜系统100包括：
49.微镜101；
50.芯片基底103，芯片基底103上形成有光源104；
51.至少一个驱动臂105，至少一个驱动臂105连接在微镜101与芯片基底103之间，以使得至少一个驱动臂105能够被控制以对微镜101进行驱动；以及，
52.光电探测器阵列，光电探测器阵列形成在微镜101的背面，光电探测器阵列对光源104射出的光线进行检测以对微镜101的位置进行监测。
53.其中，微镜101可以采用现有技术中的微镜结构。
54.如图1所示，微镜101的下表面为微镜101的背面，图2为图1中的微镜101的仰视图，图1和图2中，微镜101的背面形成有四象限光电探测器阵列，光源104发出光线直接照射在微镜101的背面以及四象限光电探测器阵列上。
55.在微镜101的背面制作四象限光电探测器阵列的过程中，四个光电探测器102的面积尽可能大。光电探测器的大面积可以提高对光的吸收能力，使得在同等微镜偏差角度下的输出电信号更强(例如电流更大)。
56.如图1和图2所示，光电探测器102与微镜101的边框之间、光电探测器102与光电探测器102之间设置有预定的间距，避免粘连。
57.对于上述实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，微镜101为电热微镜。
58.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，光源104具有30度以上的发散角。
59.其中，光源104可以采用850nm vcsel(垂直腔面发射激光器)。
60.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，如图2所示，光电探测器阵列为四个光电探测器102形成的四象限光电探测器阵列。
61.根据本公开的优选实施方式，如图3所示，具有位置监测功能的微镜系统100的光电探测器102朝向光源104的表面上形成有尖峰阵列，尖峰阵列包括多个尖峰结构1021。
62.通过在光电探测器102朝向光源104的表面上形成尖峰阵列，光线照射到光电探测器102时，光线不会直接被光电探测器反射，而是在尖峰阵列中不断的散射、折射，最终被光电探测器102吸收，提高光电探测器的响应度。
63.可见光
‑
近红外波段的光都可以在尖峰阵列的森林结构中散射、折射，提高了本公开的光电探测器102的探测器吸收率、敏感程度。
64.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，光电探测器102为硅半导体探测器，光电探测器102的硅半导体中掺杂有硫元素。
65.硫作为杂质能级将带隙减少，以独特的非线性性质在极短的时间内能够完成能量沉集，进一步提高了本公开的具有位置监测功能的微镜系统的光电探测器的探测器吸收率。
66.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，尖峰阵列的尖峰结构的1021的尺寸为μm量级。
67.本领域技术人员应当理解，尖峰阵列整体上具有与光电探测器102的表面形状相匹配的形状。
68.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，在微镜101的背面形成光电探测器阵列之后，对光电探测器102的表面进行激光改性以形成上文描述的尖峰结构。
69.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，四个光电探测器102的探测器面积相同。
70.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，光源104形成在芯片基底103的中心位置。
71.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，改性在六氟化硫气体环境中进行。
72.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，如图3所示，尖峰阵列中至少包括多个尺寸不同的尖峰结构1021。
73.通过设置多个高低不同的尖峰结构1021，进一步地增强本公开的光电探测器102的光吸收率。
74.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，至少一个驱动臂105的数量为多个。
75.本领域技术人员可以对驱动臂105的数量进行合适的设置和调整，例如设置四个驱动臂105。
76.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，驱动臂105为电热驱动臂。
77.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，驱动臂105包括沿着驱动臂105的径向的多层结构，多层结构由多层不同热膨胀系数的材料形成。
78.本公开的微镜(电热微镜)的驱动方式可以是电致加热，本公开优选地采用面外驱动方式，当通过热传导或焦耳加热等方式实现温度变化时，由于不同层材料的膨胀系数差异，导致驱动臂结构发生形变或位移。本公开优选铝和二氧化硅作为驱动臂的多层结构材料。
79.对于上述各个实施方式的具有位置监测功能的微镜系统100，优选地，上文描述的激光改性使用飞秒激光。
80.下文对本公开的将光电探测器阵列设置在微镜的背面的过程以及驱动臂的形成过程进行详细说明。本领域技术人员应当理解，下面描述的制作过程中的参数仅是优选地参数，本领域技术人员可以对制作过程中的参数进行调整、甚至对某些步骤进行调整，均应
当落入本公开的范围。
81.一、首先，进行硅片清洗。
82.二、通过pecvd(等离子体增强化学的气相沉积法)淀积、光刻、湿法刻蚀来形成图形化的sio2层。此步骤用于制作驱动臂。
83.三、驱动臂内含电阻层，淀积并图形化电阻层。通过pecvd淀积、光刻、淀积电阻层，最后剥离。
84.四、制作电连接通孔。驱动臂内的电阻层由sio2和al两层包裹。通过淀积、光刻、干法刻蚀等步骤实现它们之间的电互连。
85.五、形成al材料层。
86.六、重复第二和第五步，形成第二层sio2以及al。
87.七、背腔刻蚀。以上所有正面的材料层淀积与图形化均制作完成。
88.八、在器件释放之前，需要在微镜背面制备好光电探测器。具体操作如下：
89.首先，去除微镜表面杂质，此步骤避免后续激光作用时使微镜以及光电探测器内掺杂其余元素。将四象限光电探测器与激光仪位置调整好并固定，使得光电探测器处于激光仪工作区域的中心。此步骤是为了确保四个光电探测器所受到的激光作用一致。调整六氟化硫气体环境，设置激光仪的参数、产生的飞秒激光中心波长、重复频率以及脉冲宽度。激光的波长、重复频率以及脉冲宽度都会对图3中的微结构(即尖峰结构)的形成产生影响。已知激光在微镜背面上的光斑半径，设置激光的扫描路径。激光对微镜上的光电探测器进行扫描，使得微镜背面上的光电探测器被均匀照射。
90.九、光电探测器制备在微镜背面后正面器件释放，可以采用刻蚀工艺。
91.本公开尤其是在六氟化硫气体环境下对微镜背面的光电二极管进行激光改性，形成了高响应的光电探测器。
92.本公开的具有位置监测功能的微镜系统，通过在六氟化硫气体环境中利用飞秒激光将具有尖峰阵列的光电探测器直接制备在微镜的背面，形成自带光电探测器的微镜，结合具有位置监测功能的微镜系统其它的组成部分可用于微镜位置监测。
93.可以通过芯片基底内部的电路驱动光源发光，将光线直接照射在微镜背面上的四象限光电探测器阵列，分析四象限光电探测器阵列的输出实时监测微镜的位置。
94.即当光源上方的微镜发生偏转时，四象限光电探测器阵列所接收到的光线强度等会发生相应的变化，各象限所产生的输出电压也会随之发生改变。通过处理四象限光电探测器阵列的输出电信号(例如电压)可以精确得到微镜的位置。
95.本公开的具有位置监测功能的微镜系统可解决无法精确控制微镜位置的问题，能够广泛应用于微型化以微镜为核心的光学/谱类仪器。
96.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
97.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
98.本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。