CN101379377B - 可偏转微机械***及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可偏转微机械***以及这种可偏转微机械***的应用，其中能够确定至少一个可偏转元件的偏转。根据本发明，可偏转元件由至少一个弹簧元件支持并至少带有一个检测偏转的单元。所述检测单元形成为带有接触件的压阻传感器，所述接触件彼此至少间隔设置且设置在随偏转而变形的区域中。所述接触件连接到电压源。非均匀电场形成为沿深度方向与接触件表面垂直，从而能够检测到在接触件之间的根据偏转而变化的电阻以作为对位置的测量值。变形区域由导电材料或半导体材料形成。

Description

可偏转微机械***及其应用

技术领域

本发明涉及一种可偏转微机械***，其中能够确定至少一个可偏转元件的各个偏转。这能够以平移式偏转和/或绕这种元件的至少一个轴以旋转的方式偏转来确定。因而能够确定可偏转元件的各个位置坐标或各个偏转角度。通过能以这种方式确定的值能够确定其它测量值或者能够有效地影响***，尤其是元件的偏转。例如，可偏转元件可为光学元件，尤其是反射元件，但是也可为弹性可变形元件，尤其是膜。

背景技术

偏转可以是振动(能够以振动的方式进行)并且也能够在观察共振情况下同时进行。在最后所述的情形下的本发明的操作中能够更好地观察这些情况。

迄今为止在微***技术中已经使用用于确定位置的物理有效原理。其基本上是三种这样的原理。

因此通过几何结构改变而检测到电容量变化，并且在这方面利用如下事实，即通过电极相对于彼此的各种布置能够影响电容量。对于这种***或者***元件的运动而言，电容器装置的电容量变化是相应的合适的测量值。这种解决方案应用于用于零点检测的压力传感器中以及应用于微扫描器镜中。

另外的已知可能性也是伪霍尔效应的使用。在这种情况下使用单晶硅的压阻特性。这导致，电场在承受扭力的工件中不是沿直线传播。通过电极的特定布置(伪霍尔传感器)能够测量到取决于机械剪应变的电压。在这种情况下，电流流动和电压符号依据剪切力的方向而变化。因而能够确定微机械扭转梁的转角。

另外，能够利用电阻变化、几何结构改变或者电导率改变。例如在这种情况下利用单晶硅或多晶硅的材料的压阻特性。这导致电导率沿局部应变场的方向发生局部变化。因此沿有效拉伸力方向的由拉伸应变产生的电导率的改变能够导致取决于几何结构的电阻发生显著变化。能够确定这种变化的电阻并且能够使用确定的测量信号，例如在微型化的压力传感器中。

基本上，在图1a)至1c)中示出了这种可能的结构。

然而，这些迄今为止使用的有效原理也有缺点。因此，对于许多应用而言，电容传感器不是非常灵敏而且能够得到测量精确度太低。尤其是当通过静电驱动来进行工作时电容改变小也是存在问题的，因为静电驱动充当了干扰变量。另外，对于电容传感器而言需要相对较大的空间需求，这在微***工程中是极为不利的。

伪霍尔传感器的缺点在于必须考虑高的一体化费用，因为必须将四个分开的电压引向每一个传感器元件。由于需要四个电极因此必须考虑相应的高空间需求。

对于确定相应变化的电导率，必须考虑在变形体的几何结构高度依赖性。然而，能够相对容易地确定拉伸力和压缩力的效果。这一点由图2a)和图2b)示意性地示出。然而，通过传统使用的对称设计不能在弯曲/变形的情况下识别各个运动方向或偏转方向。

由于这个原因，如由图3a)和图3b)示出的，例如在层结构中形成有电绝缘层。

然而在这种情况下，机械特性不应该受到影响，这只能通过很大的费用或者只能通过限制来达到。另外显著地增加生产费用。

发明内容

因此，本发明的目的在于能够以较少的费用和较小的空间需求来精确地确定可偏转微机械***中的元件的位置或偏转以及各个的运动方向。

根据本发明，这一目的由具有如权利要求1所述特征的***来实现。在权利要求11至13中描述了根据本发明的***的应用。

利用从属权利要求中指定的特征能够获得本发明有利的实施方式和进一步的改进。

非均匀电场能够受到强迫，其在***的电有效体积内基于压阻效应与机械电压/应变场相互作用。与存在的机械电压/应变场的曲线走向无关，通过电场的非均匀性能够实现电阻的显著变换并且能够实现较高的灵敏度，特别是沿偏转方向。

对由于弯曲而变形的***或区域而言，在构成极其不对称的电压/应变场的时也是这种情况。

本发明通过接触件在***的其它对称形成的区域中的适当布置而能够利用电场的不对称性。为了这一目的，利用接触件形成压阻传感器，接触件连接到电压源并以尽可能小的间距设置，所述压阻传感器设置于在根据本发明的***中的随元件偏转而变形的区域处。在变形的情况下，电阻发生变化，而且这种变化能够用作为用于***的可偏转元件的各个偏转或位置的测量值。

电接触件应该设置成使得非均匀电场沿深度方向形成，即垂直于接触件表面。

接触件的间距应该保持很小，在可能的情况下，应该不超过高度的1.5倍。

相应变化的电场形成为在变形的区域内具有相应的高度非均匀性，因为确定了的电阻基本上更多地受到在变形区域表面上的电导率变化的影响。在变形区域的表面处，接触件设置成与在其下面设置的变形区域的部分中的情况一样。

在利用这种效应的时，能够提高灵敏度，尤其是方向灵敏度，这优选能够用于由弯曲或扭转所引起的变形。

灵敏度能够实现完全在变形区域的整个深度上延伸。变形区域应该具有均匀的压阻特性并与非均匀电场在交互作用的区域中形成压阻变换器。

在这种情况下，变形区域不必与***的其他区域隔开，例如通过电绝缘层和/或材料特性的变化、尤其是压阻特性、掺杂和/或电导率。

如果多个压阻传感器的接触件电连接成形成测量桥，那么就能够尤其有利地进一步改进本发明。在这种情况下，至少应该设置两个压阻传感器，使得在元件偏转导致区域变形的情况下，能够获得电阻变化的相反符号测量信号。然而，由于对称元件或装置经常用于微***工程中，所以这种解决方案能够作为惯例使用而无需付出更多的努力。

在本发明中，带有压阻传感器的可变形区域应该由导电材料形成，优选半导体材料，尤其是单晶或多晶半导体材料。后者(例如硅)可以优选低掺杂或无掺杂硅，这种硅经常用于微机械元件或***的制造。然而，也能够使用锗、铟镓砷化物或者铟锡化合物。

用于微机械***的可偏转元件通常由悬挂件保持，而且其中，例如螺旋弹簧和/或扭簧的弹簧元件为这种悬挂件的元件。压阻传感器的接触件应该设置在这种弹簧元件处，而且至少在其附近处，因为随偏转而变形的区域就在那里。

接触件能够直接形成在变形区域的表面上并且能够以牢固粘接的方式连接到所述表面。接触件能够以薄膜技术形成。

在本发明的多个压阻传感器以电的方式彼此连接以形成测量桥的实施方式中，压电传感器应该设置成使得它们在沿一个方向的偏转时分别提供一个用于带有相反符号的检测到的电阻变化的测量信号。由于对称设计常用于微***工程中，所以这通常是可行的。

在根据本发明的微机械***中，一个或多个压阻传感器仅需要较低的空间需求。只须向每一个接触件引一个供电线路。

在微机械***的对称几何结构中，检测随元件偏转而发生的弯曲或扭转的方向也是可行的。

相对于已知的解决方案能够获得较高的测量灵敏度。

相反，与以前使用的解决方案相比生产费用低。

这能够通过电场的非均匀设计来获得，特别是在可变形区域中的具有相应的厚度延伸的有效区域。因而本体能够在整个体积内具有均匀的压阻特性，这能够通过电接触件的布置来获得。不同于已知解决方案，能够省略涂层或最后的掺杂和构造所需要的生产步骤从而能够减少制造费用。

然而，所有这些优点补偿了测量信号的估算所需的费用，尤其是由测定的测量信号的非线性造成的费用。

如上文已经提到的，本发明也能够用于在观察共振情况下同时操作的***中，通过本发明能够改善对其观察的共振的影响。

尤其是通过多个压阻传感器连接成的且通过它能够形成非均匀电场的测量桥，除提高测量灵敏度外还能够抑制或者甚至于防止例如温度偏差和非线性的干扰性影响。

本发明能够用于确定绕一个或两个轴枢转的反射元件(倾斜镜、扭转微镜)的各个偏转。然而，本发明也能用于带有以平移方式偏转的元件(平移振荡器、平移微镜)的***中。角速度传感器、角加速度传感器、转速传感器、力传感器、扭矩传感器、加速度传感器或触觉传感器也是使用根据本发明的微机械***的具体示例。触觉传感器能够用于确定表面形貌或者表面粗糙度

附图说明

下面通过示例更详细地解释本发明。图中示出：

图1示出在现有技术中使用的已知测量原理的三个示例；

图2以示例性方式示出当受到拉伸力和压缩力的作用以及在弯曲时硅中的压阻电阻变化的可能性。

图3示出观察到的压阻电阻变化的不对称关系的已知可能性；

图4以示意性方式示出能够用于根据本发明的微机械***的压阻传感器的有效原理；

图5示出在元件偏转时通过本发明检测到的电阻变化的曲线图。

图6以示意性方式示出具有可偏转元件和多个彼此相连的压阻传感器的微机械***的构成的可能性。

具体实施方式

在图1中示出例如在说明书的引言中已经提到的三种有效原理。在这方面，图1a)涉及电容***；图1b)涉及伪霍尔传感器；和图1c)涉及已知的压阻传感器。

图2a)示出在有效拉伸力(在上部示出)和压缩力(在下部示出)作用下能够检测到的压阻式电阻变化。图2b)示出对于不同弯曲方向的弯曲应变的能够检测到的压阻式电阻变化。

类似于图2b)，同样是在具有不同方向的弯曲的情况下，图3示出用于观察不对称关系的已知可能性，在这种情况下，能够由具有二次部分、线性部分和常数部分的二次方程来近似描述局部电阻变化与总电阻变化之比。

在这种情况下，如从图5a)能够看出，线性部分导致依据偏转和变形而变化的电阻不对称。该特性曲线走向为与电阻在有限区域内的各个变化有关的偏转提供了清楚说明。该区域的宽度取决于几何结构和在可变形区域内的材料(硅)的性质。在更大的偏转时，不能够得到清楚说明。因此不可能从单个测量值来简单地确定位置或相应偏转。不同于已知的压阻传感器，因此也不能容易地清楚确定偏转的幅度以及偏转方向。

然而，如果在微***在观察到共振情况下操作时，已知偏转运动的轨迹(例如正弦曲线)，那么通过测量信号的连续检测能够得到振幅、相位位置和瞬时位置。这由图5b)中所示的曲线图示出。

用于检测较大偏转的位置的其它可能性从与能够清楚检测各个偏转的其它压阻传感器的组合中得出。通过这种压阻传感器的路径信息与非均匀电场的组合能够清楚地确定各个位置或偏转。

优选地将至少两个能产生非均匀电场的压阻传感器连接以形成电测量桥，用于清楚确定位置或偏转。

这由图6在不同的实施方式中示意性地示出。

在这种情况下，彼此直径上相对设置的两个扭簧元件4形成元件1的悬挂件(悬架)的组成部分并且连接于该元件，该元件1可以绕轴枢转并能够偏转。可偏转元件1能够具有反射表面并形成镜。

在顶部所示的扭簧元件4处示出接触件2、3，所述接触元件2、3形成压阻传感器并连接到电力或电压源并且被连接以形成测量桥。分别设置在外部的接触件2连接到相反符号的电压电位。

在弯曲梁6处设置有接触件2和3，以及相应的两个压阻传感器，弯曲梁6具有可变形区域并且在可偏转元件1枢转时变形。

另外，电绝缘件5以点表示并且由例如填充有电绝缘材料的沟形成。

在这种情况下，电绝缘件5也存在于在上部示出的扭簧元件4的可偏转元件1上。与此相反，连接件6存在于在下部所示的扭簧元件4中的可偏转元件1处，并且连接件6连接到地电位使得在这种实施方式中能够省略可偏转元件1的电绝缘件5。因而所述区域能够从可偏转元件1的驱动器耦接到压阻传感器。

在上部所述的实施方式中，传感器和驱动器断开。

无论如何，接触件2和接触件3的间距均小于在弯曲梁6处的变形区域的高度H。

Claims (16)

1.一种可偏转微机械***，其中可偏转元件由至少一个形成悬挂件的弹簧元件来保持，并且存在至少一个检测各个偏转的单元，其特征在于：

所述单元设计成具有至少两个接触件(2、3)的压阻传感器，所述接触件(2、3)彼此间隔设置且设置在所述***的在所述可偏转元件(1)的偏转时变形的区域中，所述接触件连接到电压源从而形成沿深度方向、垂直于所述接触件的接触表面的非均匀电场，从而能够检测到在所述接触件(2、3)之间的根据偏转而变化的电阻以作为对各个位置的测量值；和

至少设置有所述接触件(2、3)的可变形区域由导电材料或半导体材料制成。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述接触件(2、3)彼此间隔的距离小于或等于其上设置有所述接触件的可变形区域的高度H的1.5倍。

3.如权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述可变形区域具有均匀的压阻特性，并且所述可变形区域设置在非均匀电场中。

4.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，至少两个压阻传感器电连接以形成测量桥。

5.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述可变形区域由半导体材料形成。

6.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述可变形区域由压阻材料形成。

7.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述可变形区域由硅、铟镓砷化物、铟锡化合物或锗形成。

8.如权利要求7所述的***，其特征在于，所述可变形区域由多晶硅形成。

9.如权利要求5所述的***，其特征在于，所述可变形区域由低掺杂硅或无掺杂硅形成。

10.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述可变形区域设置在保持所述可偏转元件(1)的弹簧元件(4、6)处。

11.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，直接位于所述可变形区域上的所述接触件(2、3)通过材料连接来连接到所述可变形区域。

12.如前述权利要求1或2所述的***，其特征在于，所述可偏转元件(1)连接到地电位。

13.一种如前述权利要求中的一项所述的***的应用，所述***用于扭转镜和/或平移微镜的位置识别。

14.一种如前述权利要求1至12中的一项所述的***的应用，所述***用于间接检测有效力、扭矩、加速度或转速。

15.如权利要求14所述的应用，所述***用于间接检测角速度或角加速度。

16.一种如前述权利要求1至12中的一项所述的***的应用，所述***用于表面粗糙度的触觉检测或者用于表面形貌的确定。

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