二维MEMS扫描微镜及其制备方法与流程

二维mems扫描微镜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微电子机械系统(mems)技术领域，特别是涉及一种二维mems扫描微镜及其制备方法。


背景技术：

2.mems扫描微镜是激光应用中必不可少的关键元器件，可用在激光雷达、3d传感、汽车抬头显示、医疗成像等领域，mems扫描微镜可以实现激光的指向偏转、图形化扫描、扫描成像等功能。静电驱动mems扫描微镜具有功耗低、受干扰小、易于集成等优点，具有广泛的产业利用价值。
3.二维mems扫描微镜的两个旋转方向也可以称为快轴和慢轴，通常快轴用于实现快速转动扫描，慢轴用于实现准静态转动扫描。随着mems扫描微镜的应用范围越来越广泛，对转动角度的要求也随之变大，如自动驾驶用激光雷达的视场角要求更高，即所需的微镜转动角度更大。对于快轴来讲，可以通过谐振的方式实现大的角度扫描，相比较而言，慢轴的大角度准静态转动相对比较困难。
4.同等参数条件下，静电垂直梳齿驱动二维mems扫描微镜的旋转角度取决于驱动梳齿对的数量，在一定的电压条件下，梳齿宽度过小容易出现侧向吸合弯曲的情况，因此梳齿的宽度不能无限减小，故而现有的mems扫描微镜不能通过增加梳齿对的数量来提高扫描微镜的旋转角度。因此，如何进一步提高mems扫描微镜的旋转角度，以及改善上述缺陷，是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.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二维mems扫描微镜及其制备方法，用于解决现有技术中的memes微镜难以通过增加梳齿对的数量来提高扫描微镜的旋转角度等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二维mems扫描微镜，包括：
7.内框架；
8.外框架，位于内框架的外围；
9.可动微光反射镜，位于内框架内；
10.与内框架相连接的用于内轴旋转的内轴弹性梁；
11.与外框架相连接的用于外轴旋转的外轴弹性梁；
12.梳齿结构，包括第一上梳齿、第二上梳齿、第一下梳齿和第二下梳齿；第一上梳齿的顶面高于第一下梳齿的顶面，且第一上梳齿和第一下梳齿在水平面上的投影交错排列；第二上梳齿与内框架的外侧相连接，第二上梳齿的顶面高于第二下梳齿的顶面，且第二上梳齿和第二下梳齿在水平面上的投影交错排列；
13.衬底，所述衬底位于所述内框架、外框架、可动微光反射镜、内轴弹性梁、外轴弹性梁及梳齿结构的下方；所述衬底中设有运动空间槽以提供所述可动微光反射镜、内框架、内
轴弹性梁及外轴弹性梁的运动空间；其中，所述第二下梳齿的底部与所述衬底的上表面连接固定。
14.可选地，所述第二下梳齿的宽度小于所述第二上梳齿的宽度。
15.可选地，所述二维mems扫描微镜还包括限位梳齿，所述限位梳齿与所述第二上梳齿和/或第二下梳齿平行间隔设置；所述限位梳齿的长度大于与其相平行的梳齿的长度，所述限位梳齿的宽度不小于与其相平行的梳齿的宽度。
16.可选地，所述运动空间槽为底部封闭的凹槽或为具有上部开口及下部开口的通槽。
17.可选地，所述二维mems扫描微镜还包括与第一上梳齿及第二上梳齿相连接的上梳齿电极，与第一下梳齿相连接的第一下梳齿电极及与第二下梳齿相连接的第二下梳齿电极，上梳齿电极位于所述外框架的表面。
18.可选地，所述内轴弹性梁包括第一弹性梁及第二弹性梁，所述外轴弹性梁包括第三弹性梁及第四弹性梁，第一弹性梁及第二弹性梁沿第一方向将所述框架与所述可动微光反射镜相连接，第三弹性梁与第四弹性梁沿第二方向将所述内框架与外框架相连接，第二方向与第一方向垂直。
19.更可选地，所述第一弹性梁与第二弹性梁的形状及尺寸相同；所述第三弹性梁与第四弹性梁的形状及尺寸相同；所述第一弹性梁、第二弹性梁、第三弹性梁及第四弹性梁以所述可动微光反射镜的中心呈对称分布。
20.本发明还提供一种二维mems扫描微镜的制备方法，包括以下步骤：
21.提供一双器件层基底，所述双器件层基底包括依次堆叠的第一器件层、第一绝缘层、第二器件层、第二绝缘层及基底层；
22.刻蚀所述第一器件层及所述第一绝缘层，于所述第一器件层中形成第一下梳齿及第二下梳齿；
23.提供一衬底，于所述衬底中形成运动空间槽，所述运动空间槽在所述衬底的正面具有开口；
24.将所述双器件层基底具有所述第一器件层的一面与所述衬底正面键合，形成键合体结构，所述第一下梳齿位于所述运动空间槽的上方，所述第二下梳齿的底部与衬底正面键合固定；
25.去除所述基底层，以暴露出第二绝缘层；
26.刻蚀所述第二绝缘层及所述第二器件层，以于所述第二器件层中形成内框架、外框架、第一上梳齿、第二上梳齿、可动微光反射镜、内轴弹性梁、外轴弹性梁及下梳齿电极引线槽；外框架位于内框架的外围，可动微光反射镜位于内框架内，内轴弹性梁与内框架相连接，外轴弹性梁与外框架相连接，第二上梳齿与内框架的外侧相连接，第一上梳齿和第一下梳齿在水平面上的投影交错排列，第二上梳齿和第二下梳齿在水平面上的投影交错排列；
27.去除所述第二绝缘层，并去除所述第一绝缘层位于所述第一下梳齿和第二下梳齿表面的部分；
28.在微光反射镜表面形成金属反射层，在下梳齿电极引线槽内形成下梳齿电极，下梳齿电极与第一下梳齿或第二下梳齿电连接，于外框架表面形成上梳齿电极，上梳齿电极与第一上梳齿和第二上梳齿电连接。
29.可选地，刻蚀所述第二绝缘层及所述第二器件层的过程中还包括于第二器件层中形成限位梳齿的步骤，所述限位梳齿与所述第二上梳齿平行间隔设置；所述限位梳齿的长度大于与其相平行的梳齿的长度，所述限位梳齿的宽度不小于与其相平行的梳齿的宽度。
30.可选地，所述双器件层基底包括双器件层soi低阻硅片。
31.如上所述，本发明的二维mems扫描微镜及其制备方法，具有以下有益效果：本发明通过将第二下梳齿与衬底相固定，因而即便梳齿宽度非常细小也不会出现吸合现象，故而可以将梳齿宽度进一步缩小，在同样的面积内可以制作出更多数量的梳齿，由此可以增加mems扫描微镜的转动角度，提升器件性能。在进一步的示例中，还可以通过设置限位梳齿以进一步提高器件可靠性。限位梳齿的数量、尺寸及位置等可根据设计需要灵活选择，从而使mems扫描微镜有更广泛的使用范围。
附图说明
32.图1显示为本发明实施例一提供的二维mems扫描微镜的制备方法的流程图。
33.图2至图8显示为依图1的制备方法制备二维mems扫描微镜在各步骤中所呈现出的例示性截面结构示意图，其中，图8同时显示为实施例二提供的二维mems扫描微镜于一示例中的结构示意图。
34.图9显示为本发明实施例二提供的二维mems扫描微镜于一示例中的俯视结构示意图。
35.元件标号说明
36.11
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第一器件层
37.12
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第一绝缘层
38.13
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第二器件层
39.14
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第二绝缘层
40.15
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基底层
41.16
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第一下梳齿
42.17
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第二下梳齿
43.18
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衬底
44.19
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运动空间槽
45.20
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绝缘层
46.21
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内框架
47.22
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外框架
48.23
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第一上梳齿
49.24
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第二上梳齿
50.25
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可动微光反射镜
51.261
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第一弹性梁
52.262
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第二弹性梁
53.263
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第三弹性梁
54.264
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第四弹性梁
55.27
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下梳齿电极引线槽
56.28
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金属反射层
57.29
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第一下梳齿电极
58.30
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第二下梳齿电极
59.31
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上梳齿电极
60.32
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限位梳齿
具体实施方式
61.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
62.请参阅图1至图9。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“第一”、“第二”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容的变更下，当亦视为本发明可实施的范畴。
63.同等参数条件下，静电垂直梳齿驱动二维mems扫描微镜的旋转角度取决于驱动梳齿对的数量，在一定的电压条件下，梳齿宽度过小容易出现侧向吸合弯曲的情况，因此梳齿的宽度不能无限减小，故而现有的mems扫描微镜难以通过增加梳齿对的数量来提高扫描微镜的旋转角度。为解决此类问题，本发明提出了改善方案。
64.实施例一
65.如图1所示，本发明提供一种二维mems扫描微镜的制备方法，包括步骤：
66.s1：提供一双器件层基底，所述双器件层基底包括依次堆叠的第一器件层11、第一绝缘层12、第二器件层13、第二绝缘层14及基底层15，该步骤的结构如图2所示。在一较佳示例中，所述双器件层基底可以采用但不限于双器件层soi低阻硅片，因而第一器件层11与第二器件层13为硅材料层而第一绝缘层12和第二绝缘层14为氧化硅层。使用双器件层soi低阻硅片有助于简化工艺流程，提高器件的制作良率及性能一致性。当然，在其他示例中，所述双器件层基底也可以为其他材质，比如第一器件层11和/或第二器件层13为锗、锗硅、碳化硅等半导体材料层，第一绝缘层12和/或第二绝缘层14为氮化硅等介质层，对此不做严格限制。
67.s2：刻蚀所述第一器件层11及所述第一绝缘层12，于所述第一器件层11中形成第一下梳齿16及第二下梳齿17；比如先于第一器件层11表面涂布光刻胶层，经图形化处理以定义出所需图形，之后采用干法和/或湿法刻蚀以得到第一下梳齿16及第二下梳齿17，第一下梳齿16位于第二下梳齿17的内侧，且第一下梳齿16之间预留出对应位于后续的可动微光反射镜25下方的空间；第一下梳齿16和第二下梳齿17均优选为多个，多个梳齿平行间隔分布，梳齿之间的间隙暴露出第二器件层13；该步骤得到的结构如图3所示。
68.s3：提供一衬底18，于所述衬底18中形成运动空间槽19，所述运动空间槽19在所述衬底18的正面具有开口；所述运动空间槽19提供后续制备的可动微光反射镜25、内框架21及弹性梁的运动空间，其结构可以为底部封闭的凹槽或具有上部开口及下部开口的通槽；
衬底18表面通常形成有绝缘层20，比如衬底18可以为硅衬底18，经热氧化处理，再经光刻和刻蚀工艺在衬底18中形成所述运动空间槽19并于得到的结构表面形成所述绝缘层20；该步骤得到的结构如图4所示。
69.s4：将所述双器件层基底具有所述第一器件层11的一面与所述衬底18正面键合，形成键合体结构，所述第一下梳齿16位于所述运动空间槽19的上方，所述第二下梳齿17的底部与衬底18正面键合固定(准确地说，第二下梳齿17位于绝缘层20的表面以将第二下梳齿17和衬底18绝缘)；该步骤得到的结构如图5所示。
70.s5：去除所述基底层15，以暴露出第二绝缘层14；比如采用刻蚀法和/或化学机械研磨法去除所述基底层15，得到的结构如图6所示；
71.s6：刻蚀所述第二绝缘层14及所述第二器件层13，以于所述第二器件层13中形成内框架21、外框架22、第一上梳齿23、第二上梳齿24、可动微光反射镜25、内轴弹性梁、外轴弹性梁及下梳齿电极引线槽27；外框架22位于内框架21的外围，可动微光反射镜25位于内框架21内，内轴弹性梁与内框架21相连接，外轴弹性梁与外框架22相连接，第一上梳齿23与可动微光反射镜25相连接，比如可以直接相连，也可以与可动微光反射镜25间接相连，比如第一上梳齿23经驱动梁(未示出)与可动微光反射镜25相连；同样地，内轴弹性梁可以与可动微光反射镜直接相连，也可以经驱动梁与可动微光反射镜间接相连；第二上梳齿24与内框架21的外侧相连接，第一上梳齿23和第二上梳齿24均优选为多个，多个梳齿平行间隔分布；第一上梳齿23和第一下梳齿16在水平面上的投影交错排列，形成多个梳齿对；第二上梳齿24和第二下梳齿17在水平面上的投影交错排列，形成多个梳齿对；
72.s7：去除所述第二绝缘层14，并去除所述第一绝缘层12位于所述第一下梳齿16和第二下梳齿17表面的部分，以使上梳齿和下梳齿之间不相连接；该步骤得到的结构如图7所示；
73.s8：在微光反射镜表面形成金属反射层28，在下梳齿电极引线槽27(下梳齿电极引线槽27显露出第一器件层11)内形成下梳齿电极，下梳齿电极与第一下梳齿16或第二下梳齿17电连接(下梳齿电极形成于第一器件层11的表面)，于外框架22表面形成上梳齿电极31，上梳齿电极31与第一上梳齿23和第二上梳齿24电连接。金属反射层28和各电极可通过同一工艺或不同工艺，包括但不限于溅射工艺形成，材质包括但不限于金、银、铜、铝等单一金属或合金。该步骤得到的结构如图8所示。
74.梳齿在一定的电压条件下会出现相互吸引弯曲的情况，此种现象称之为静电吸合，吸合后器件也就失效了，梳齿宽度越小越容易出现吸合。如果梳齿宽度比较宽，那在一定面积内梳齿的数量更少，梳齿的数量减少，则相应的器件的静电力减小，mems扫描微镜的转动角度也随之就小，导致器件性能下降。本发明通过将第二下梳齿17与衬底18相固定，因而即便梳齿宽度非常细小也不会出现吸合现象，故而可以将梳齿宽度进一步缩小，在同样的面积内可以制作出更多数量的梳齿，由此可以增加mems扫描微镜的转动角度，提升器件性能。
75.在一较佳示例中，所述第二下梳齿17的宽度小于所述第二上梳齿24的宽度，以在有效的空间内制作出更多的梳齿，有利于提高器件性能。
76.在一示例中，刻蚀所述第二绝缘层14及所述第二器件层13的过程中还包括于第二器件层13中形成限位梳齿32的步骤(限位梳齿32的结构可以参考图9所示)，限位梳齿32可
以为单个或多个，比如在位于可动微光反射镜25的相对两侧都设置所述限位梳齿32，所述限位梳齿32与所述第二上梳齿24平行间隔设置；所述限位梳齿32的长度大于与其相平行的梳齿的长度，所述限位梳齿32的宽度不小于与其相平行的梳齿的宽度。形成限位梳齿32有助于提高器件稳定性，避免器件损伤。比如，如果没有限位梳齿32，第二上梳齿24在运动过程中会撞击或碰到衬底18，这样会对梳齿造成损伤，故而利用限位梳齿32可以保护第二上梳齿24；其次，限位梳齿32可以限定转动的最大角度，避免超过最大转动角度可能会导致器件的弹性梁损坏等情况，由此实现保护器件的整体结构不会损坏的作用。或者在第二上梳齿24和第二下梳齿17的一侧均平行间隔设置所述限位梳齿32，或者根据需要，限位梳齿32的数量和位置还可以有其他选择(但一般在内框架21内不设置限位梳齿32，因为内轴是快速转动的功能，限位结构如果设置在内框架21内，则快速旋转时容易与其他结构形成强烈撞击，产生结构损坏或残渣)，本实施例中不做严格限制。但考虑到工艺的难易度，优选仅设置在第二上梳齿24的一侧。
77.所述内轴弹性梁用于内轴旋转，在一示例中，如图9所示，所述内轴弹性梁包括第一弹性梁261及第二弹性梁262；第一弹性梁261及第二弹性梁262沿第一方向自相对的两侧将所述框架与所述可动微光反射镜25相连接，包括直接相连接或间接连接，有助于提高器件稳定性。
78.所述外轴弹性梁用于外轴旋转，在一示例中，所述外轴弹性梁包括第三弹性梁263及第四弹性梁264，第三弹性梁263与第四弹性梁264沿第二方向自相对的两侧将所述内框架21与外框架22相连接，第二方向与第一方向垂直，有助于进一步提升器件性能。
79.且在一优选示例中，所述第一弹性梁261与第二弹性梁262的形状及尺寸相同；所述第三弹性梁263与第四弹性梁264的形状及尺寸相同；所述第一弹性梁261、第二弹性梁262、第三弹性梁263及第四弹性梁264以所述可动微光反射镜25的中心呈对称分布。
80.需要特别说明的是，虽然上述对各步骤标记序号，但同样是出于描述的简便而非对先后顺序的严格限制。实际上上述步骤的先后顺序可以调整和/或多个步骤可以合并和/或单个步骤也可以分为多步骤进行，比如对双器件层基底进行刻蚀以形成第一下梳齿16和第二下梳齿17的过程和对衬底18进行刻蚀以形成运动空间槽19的过程可以在不同的设备上同步进行，对此不做严格限制，也不再一一展开。
81.本发明的制备方法可以用于制备如实施例二中所述的mems扫描微镜，但不限于此。
82.实施例二
83.本发明还提供一种二维mems扫描微镜，所述二维mems扫描微镜可以基于上述任一方案中所述的制备方法制备而成，故前述对二维mems扫描微镜的描述完全适用于此，出于简洁的目的尽量不赘述。当然，本发明的二维mems扫描微镜还可以基于其他制备方法制备而成，对此不做严格限制。
84.如图8和9所示，本发明提供的一种二维mems扫描微镜包括：内框架21；外框架22，位于内框架21的外围；可动微光反射镜25，位于内框架21内；与内框架21相连接的用于内轴旋转的内轴弹性梁；与外框架22相连接的用于外轴旋转的外轴弹性梁；梳齿结构，包括第一上梳齿23、第二上梳齿24、第一下梳齿16和第二下梳齿17；第一上梳齿23与可动微光反射镜25相连接，比如可以直接相连，也可以与可动微光反射镜25间接相连，比如第一上梳齿23经
驱动梁(未示出)与可动微光反射镜25相连；第一上梳齿23的顶面高于第一下梳齿16的顶面，且第一上梳齿23和第一下梳齿16在水平面上的投影交错排列；第二上梳齿24与内框架21的外侧相连接，第二上梳齿24的顶面高于第二下梳齿17的顶面(第一上梳齿23和第二上梳齿24位于同一平面而第一下梳齿16和第二下梳齿17位于同一平面)，且第二上梳齿24和第二下梳齿17在水平面上的投影交错排列，第一上梳齿23、第二上梳齿24、第一下梳齿16和第二下梳齿17均优选为间隔分布的多个；衬底18，所述衬底18位于所述内框架21、外框架22、可动微光反射镜25、内轴弹性梁、外轴弹性梁及梳齿结构的下方；所述衬底18中设有运动空间槽19以提供所述可动微光反射镜25、内框架21、内轴弹性梁及外轴弹性梁的运动空间；其中，所述第二下梳齿17的底部与所述衬底18的上表面连接固定，可以有效减小梳齿的宽度，进而增加梳齿对的数量，增大mems扫描微镜的旋转角度。
85.在一示例中，所述第二下梳齿17的宽度小于所述第二上梳齿24的宽度，可以进一步增加梳齿数量，提高器件性能。
86.在一示例中，所述二维mems扫描微镜还包括限位梳齿32，所述限位梳齿32与所述第二上梳齿24和/或第二下梳齿17平行间隔设置；所述限位梳齿32的长度大于与其相平行的梳齿的长度，所述限位梳齿32的宽度不小于与其相平行的梳齿的宽度。形成限位梳齿32有助于提高器件稳定性，避免器件损伤。
87.作为示例，所述运动空间槽19为底部封闭的凹槽或为具有上部开口及下部开口的通槽。
88.作为示例，所述二维mems扫描微镜还包括与第一上梳齿23及第二上梳齿24相连接的上梳齿电极31，与第一下梳齿16相连接的第一下梳齿电极29及与第二下梳齿17相连接的第二下梳齿电极30，上梳齿电极31位于所述外框架22的表面，而下梳齿电极则形成于第一器件层11的表面。
89.作为示例，所述内轴弹性梁包括第一弹性梁261及第二弹性梁262，所述外轴弹性梁包括第三弹性梁263及第四弹性梁264，第一弹性梁261及第二弹性梁262沿第一方向将所述框架与所述可动微光反射镜25相连接，第三弹性梁263与第四弹性梁264沿第二方向将所述内框架21与外框架22相连接，第二方向与第一方向垂直，使得二维mems扫描微镜可以朝两个方向旋转，有助于提高器件性能。
90.在进一步的示例中，所述第一弹性梁261与第二弹性梁262的形状及尺寸相同；所述第三弹性梁263与第四弹性梁264的形状及尺寸相同；所述第一弹性梁261、第二弹性梁262、第三弹性梁263及第四弹性梁264以所述可动微光反射镜25的中心呈对称分布。这样的结构设计有助于提高器件稳定性。
91.所述mems扫描微镜可以为多个，多个mems扫描微镜呈阵列分布。
92.更详细的介绍，还请参考实施例一中的描述，出于简洁的目的不赘述。
93.综上所述，本发明提供一种二维mems扫描微镜及其制备方法。二维mems扫描微镜包括内框架；外框架，位于内框架的外围；可动微光反射镜，位于内框架内；与内框架相连接的用于内轴旋转的内轴弹性梁；与外框架相连接的用于外轴旋转的外轴弹性梁；梳齿结构，包括第一上梳齿、第二上梳齿、第一下梳齿和第二下梳齿；第一上梳齿的顶面高于第一下梳齿的顶面，且第一上梳齿和第一下梳齿在水平面上的投影交错排列；第二上梳齿与内框架的外侧相连接，第二上梳齿的顶面高于第二下梳齿的顶面，且第二上梳齿和第二下梳齿在
水平面上的投影交错排列；衬底，所述衬底位于所述内框架、外框架、可动微光反射镜、内轴弹性梁、外轴弹性梁及梳齿结构的下方；所述衬底中设有运动空间槽以提供所述可动微光反射镜、内框架、内轴弹性梁及外轴弹性梁的运动空间；其中，所述第二下梳齿的底部与所述衬底的上表面连接固定。本发明通过将第二下梳齿与衬底相固定，因而即便梳齿宽度非常细小也不会出现吸合现象，故而可以将梳齿宽度进一步缩小，在同样的面积内可以制作出更多数量的梳齿，由此可以增加mems扫描微镜的转动角度，提升器件性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
94.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。