CN106461934A - 微光机电设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种微光机电设备，包括主体(20)、反射镜元件(23、27)以及能够将反射镜元件(23、27)柔性支承在主体(20)上的弹簧结构(28a、29a)。弹簧结构包括能够引起弹簧结构的位移的至少一个压电换能器(29a)，该位移使得反射镜元件(23、27)移动。

Description

微光机电设备及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微光机电设备，更具体地涉及如在独立权利要求的前序中所限定的微光机电设备以及微光机电设备的制造方法。

背景技术

已经基于MEMS技术开发了用于反射光束的反射镜。在扫描反射镜中，反射方向可以随时间而改变。扫描反射镜可以在一维或二维的方向范围内指引光束，并且其还可以被用于以良好的角度精度和解析度来从一定范围的方向收集光线。在一定角度范围内的扫描操作是通过将反射镜倾斜至某一角度并根据时间改变这一角度来获得的。这经常以周期性方式或振荡的方式来实现。为了获得高扫描角度幅度，反射镜可以以谐振模式操作。谐振反射镜可以由弹簧支承。反射镜的转动惯量以及弹力是形成机械谐振器的要素。存在若干针对这样的扫描反射镜的应用，例如，代码扫描器、扫描显示器以及激光测距和成像传感器(激光雷达)。

应当认识到，硅晶片由于其具有高度抛光的形式而成为扫描反射镜的优良原材料，其具有低重量，并且可以对该硅晶片制造优良的弹簧以实现在谐振模式下的操作。最早的硅扫描反射镜使用电磁力来激励扫描运动。硅扫描反射镜在移动部上具有电流回路以及附接到反射镜装置主体的永磁体。后来开发出了具有静电致动的反射镜，其不要求大尺寸的永磁体。文献US8305670是静电致动扫描反射镜的现有技术示例。

图1a至图1c示出了常规的静电驱动反射镜的基本原理。图1a是具有处于静止位置的反射镜12的设备的截面图。图1b展示了反射镜12倾斜情况下的截面图，以及图1c展示了该设备的顶视图。移动梳状电极14附接到反射镜12。第一静止梳状电极15以及可选地第二静止梳状电极16附接到反射镜设备的非移动主体(未示出)。反射镜利用扭转弹簧17被悬挂到反射镜主体。

在移动梳状电极和静止梳状电极之间施加电压，并控制电压使得在垂直方向上产生导致反射镜倾斜的力。该力与施加的电压的二次幂以及与电极之间的距离的倒数的二次幂成比例。使用直至200V的电压来驱动这样的静电致动换能器。

除了所需的高电压外，静电致动器在用于扫描反射镜中时还受到其他限制。对于强力而言，电极之间的距离应尽可能地小。在实践中，这一距离受到材料厚度以及用于制造电极的蚀刻法的最大纵横比的限制。在实践中，最大实际纵横比小于50:1。如果电极之间的距离尽可能地小，则对于给定的纵横比，力被最大化。例如，如果这一距离被选定为2μm，则电极高度在现有蚀刻工艺的情况下为100μm或者更小。

反射镜的所需尺寸和所需扫描角度取决于应用。用于激光雷达的反射镜应当相当大以便有效收集光线，因此所需角度也应当相当大：对于在欧盟投资的MiniFaros项目中的自主激光雷达的目标值为7毫米的直径以及+-15度的扫描角度。利用这一直径和角度，反射镜的边缘从静止位置移动+/-900μm。如果电极的高度是100μm，则对于不产生力的大约90％的时间期间，电极重叠将为0。静电驱动因此对于大幅度激励而言十分不足。

由于制造原因以及由于所需的大幅度，静电换能器通常位于反射镜的***(例如文献US8305670)。这使反射镜设备的尺寸和反射镜的转动惯量增加，转动惯量必须由更高的力来补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供微光机电设备结构，其在给定组件区域维度内提供大型单体可移动反射镜表面以及用于所述反射镜表面的大倾斜角度，同时避免或减轻传统配置的至少一个问题。本发明的目的通过根据独立权利要求的微光机电结构和制造方法来达到。

权利要求限定了微光机电扫描设备，其包括主体，反射镜元件以及能够将所述反射镜元件柔性支承在主体上的弹簧结构。反射镜元件包括由反射镜基部上的平坦反射表面构成的反射镜，静止状态的反射镜平面的方向为第一方向。主体至少部分地外接反射镜元件，与反射镜元件至少间隔一个空隙。反射镜元件包括两个或更多个基座，以及弹簧结构包括弯曲弹簧，其中每个弯曲弹簧通过第一连接点连接到主体以及通过第二连接点连接到一个基座。每个基座在第二连接点和第三连接点之间延伸，第三连接点在镜基部中与反射镜相对。每个基座还能够刚性地保持第二连接点和第二连接点之间在垂直于第一方向的方向上的非零距离。弹簧结构包括压电换能器，其能够引起每个弯曲弹簧的位移，该位移使得弯曲弹簧的第二连接点至少在垂直于第一方向的方向上移动。

在一个方面中，压电换能器在弯曲弹簧的一侧上包括至少一个压电材料薄膜层。

在一个方面中，压电换能器包括导电材料膜和压电材料膜的堆叠，以引起压电材料上的电压。

在一个方面中，每个弯曲弹簧位于反射镜表面区域内以及反射镜表面区域下方，使得压电薄膜层具有在反射镜平面上的非零投影。

在一个方面中，主体的表面与反射镜平面对齐，以及反射镜与主体的表面间隔一个空隙。

在一个方面中，弹簧结构包括具有压电换能器的一对弯曲弹簧。两个弯曲弹簧位于相对的位置使得反射镜响应于具有相反极性的相对的弯曲弹簧的压电换能器的激励而绕枢转轴倾斜。

在一个方面中，弹簧结构包括具有压电换能器的N个弯曲弹簧，N个弯曲弹簧对称地围绕枢轴点，使得反射镜响应于具有360/N度相位差的电压对相对的弯曲弹簧的压电换能器的激励而绕枢轴点倾斜。

在一个方面中，在第一方向上，从第三连接点到枢转轴或者到枢轴点的距离小于从枢转轴或从枢轴点到反射镜边缘的距离的一半。

在一个方面中，在第一方向上，从第三连接点到枢转轴或者到枢轴点的距离(r)是从枢转轴或从枢轴点到反射镜边缘的距离(R)的十分之一。

在一个方面中，主体与反射镜基部之间的间隙还包括从反射镜基部的切口，以使得反射镜基部的倾斜在垂直于第一方向的方向上超出弯曲弹簧的平面。

在一个方面中，弯曲弹簧具有两个或更多个弯曲部，以提供在两个或更多个方向上的弹性。

在一个方面中，另一个弹簧结构能够阻止不受欢迎的反射镜基部运动模式。

在一个方面中，另一个弹簧结构包括一对扭转弹簧，每个扭转弹簧沿着枢转轴从反射镜基部向主体延伸。

权利要求还限定了用于制造微光机电设备的方法，该设备包括主体、反射镜元件以及用于将反射镜元件柔性支承在主体上的弹簧结构。该方法包括：将腔体绝缘体上硅工艺应用到第一硅晶片中，腔体绝缘体上硅工艺用于对反射镜元件和主体元件产生腔体，其中反射镜元件包括反射镜基部以及从反射镜基部延伸出来的两个或更多个基座；将第二硅晶片结合在第一硅晶片上；从第二硅晶片产生弹簧元件层；在第二硅晶片的弹簧元件层顶部上针对每个基座而放置压电换能器；通过在第二硅晶片中产生一个或更多个开口来形成用于每个基座的弯曲弹簧；以及通过在第一硅晶片上产生一个或更多个开口而使得反射镜元件与设备主体间分隔开。

本发明的其他优势将通过以下实施方式更详细地进行描述。

附图说明

在下文中，参考附图，将结合优选实施方式更详细地描述本发明，在附图中：

图1a至图1c示出了传统的静电驱动反射镜的基本原理；

图2示出了改进的微光机电结构的实施方式；

图3示出了以彼此间呈120度角的三个弹簧来支承可在两个方向上进行扫描的反射镜的实施方式；

图4示出了附接到相应基座的四个弹簧的实施方式中的切口；

图5示出了附接到相应基座的三个弹簧的实施方式中的切口；

图6a至图6g示出了用于制造微光机电设备的方法的实施方式；

图7示出了替选弹簧结构和稳定元件的实施方式；以及

图8示出了替选弹簧结构和稳定元件的另一实施方式。

具体实施方式

以下实施方式是示例性的。虽然说明书可能涉及“一”、“一个”或“一些”实施方式，但是这不一定意味着每个这样的表述是针对同一个实施方式的，或者特征仅应用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征可以进行组合以提供其他实施方式。

在下文中，本发明的特征将利用可以实现本发明的各实施方式的设备结构的简单示例进行描述。仅详细描述用于对实施方式进行说明的相关元素。本领域技术人员通常知晓的微光机电结构的各种实线在本文中不进行特别描述。

图2示出了改进的微光机电结构的实施方式。微光机电设备包括主体20、反射镜元件23、27以及弹簧结构28a、28b，弹簧结构28a、28b能够将反射镜元件23、27支承在主体20上。如图2所示，主体20外接反射镜元件，并且与反射镜元件至少间隔一个空隙26。这意味着在横截面中，主体在其自身内形成侧向闭合或部分打开的空间，由此至少部分地在投影中包括反射镜元件。

反射镜元件包括由平坦反射表面构成的反射镜24。外接反射镜元件的主体20的表面可以与反射镜24对齐。弹簧结构28a、28b包括至少一个压电换能器29a、29b，其能够引起弹簧结构中的位移从而移动其支承的反射镜元件。图2示出了以下示例：其中，在支承反射镜元件23、27的弹簧28a、28b上，制造薄膜压电致动换能器29a、29b。压电致动换能器29a、29b以与传统静电传感器相比低得多的电压产生强力，并且尽管反射镜移动也在100％时间内都是激活的。压电薄膜换能器29a、29b可以由导电薄膜和压电薄膜的堆叠来构成，其允许对压电材料施加电压，从而导致其根据所施加电压的极性而膨胀或拉伸。在弹簧的一个表面上的这一收缩和拉伸将导致弹簧分别向上弯曲U或向下弯曲D。

与静电梳状换能器相反，弹簧上的压电换能器可以被制造在与微光机电设备中的反射镜24的反射表面相反的一侧。从而，换能器可以至少部分地、或甚至大部分地占用与反射镜24相同的表面区域。换言之，压电薄膜层29a、29b可以具有在反射镜平面上的非零投影，使得实际上没有额外的区域被反射镜所在的表面中的换能器所消耗。在图2中，弹簧28b在一端21(第一连接点)附接到微光机电设备的主体20，而在另一端22(第二连接点)通过基座27附接到反射镜基部23。反射镜24的外径可以几乎等于主体20的内径，仅间隔一条窄的空隙26。

另外，如果基座27位于靠近反射镜基部23的中心的位置，则可以利用杠杆效应来增加反射镜24的角度幅度。在图2中，反射镜的半径或半宽用R表示，而基座27与反射镜旋转中心(枢转轴)的径向距离用r表示。可以要求r小于R，至少小于R/2，但优选地为R/10或甚至更小，由此使得角度幅度放大。如果r＝R/10且附接到基座27的弹簧28b的端部由于换能器29b所产生的力而向上或向下移动50μm，则反射镜的边缘移动十倍即500μm的距离。

可以应用相对的弹簧以引起绕枢转轴的倾斜。为了制造纯粹的倾斜而不产生反射镜的平移，可以将一对相对的弹簧即第一弹簧28a和第二弹簧28b对称地设置在反射镜的相对的两侧，并且在这些相对的弹簧上的换能器29a、29b可以以相反的极性被激励使得第二弹簧28b向与第一弹簧28a相反的方向偏移。在图2中，示例性枢转轴用P表示。

在多于两个弹簧的情况下，可以以弹簧位置和驱动电压的多种组合来产生对称悬挂和反对称激励。在图3中示出的示例使用了连接到基座37的三个弹簧38，三个弹簧38彼此呈120度角。基座37支承能在两个方向中被扫描的反射镜。如果将交流电压施加到换能器使得在馈送给弹簧38的三个换能器的电压之间存在120度的相位差，则可以获得恒定的倾斜角度但是获得移动的倾斜方向。反射镜的这一关于枢轴点的摆动运动对于激光雷达应用是有用的。相同的原理可以应用于任意数量N的弹簧和电压之间的360/N度相位差。

基座27、37的高度应当足够大以实现镜反射镜基部23的期待角度倾斜而不会触碰弹簧28a、28b。在其中主体外接基座和反射镜元件的反射镜基部的所公开的结构中，基座的高度可以适当地接近硅晶片的厚度。在使用硅晶片作为原材料的情况下，基座高度达到500微米是十分实用的，甚至达到1毫米也是可能的。

反射镜基部23的形状还可以帮助实现更大的幅度而不会触碰弹簧28a、28b。图4示出了反射镜基部43，其能够利用附接到相应基座47的四个弹簧48来绕枢转轴倾斜。作为示例，将图4中的示例性枢转轴表示为P。在图4的示例性结构中，弹簧48至少部分地位于以下位置上：在该位置处存在反射镜基部43上的切口41，使得切口41允许反射镜基部倾斜超出弹簧48的平面而会不触碰弹簧48。图5示出了对于附接到基座57的三个弹簧58的相似的切口51。切口51使得反射镜基部53能够在两个方向上旋转，如上文参考图3所描述的。

弹簧的数量及其尺寸和形状可以在本发明的限制内有很大变化。图3示出了一种具有三个弹簧38的可能的配置，这三个弹簧有效地应用反射镜基部33下方的区域并且允许在两个方向上倾斜。图3的配置包括附接到基座37的三个折叠弹簧38。

图7示出了L型弹簧结构，其在两个方向上提供弹性，从而最大化弯曲弹簧的长度。由周围主体提供的空间在图中用虚线示出。L型形状使得在十分紧凑的可用表面区域中增加了由弯曲弹簧提供的移动。

然而，除了期待的纯角度运动之外，基座和弯曲弹簧的组合还会导致反射镜基部23的不受欢迎的侧向线性运动。图7示出了这样一种结构，其中另一个弹簧结构能够阻止反射镜基部的不受欢迎的运动模式。如图7所示，该另一个弹簧结构可以包括从反射镜基部73向主体延伸的一对扭转弹簧71。扭转弹簧有利地与枢转轴对齐，并且使镜基部的移动稳定为期待的角度运动。

图8示出了获取弹簧88在侧向方向上的期待的弹性以及同时防止反射镜基部83的线性运动的另一种可能。还可以可选择地使用附加弹簧81来强制反射镜的运动为纯粹的角度(倾斜)运动。如图8所示，另一弹簧结构还可以包括从反射镜基部83延伸至主体的一对扭转弹簧81。扭转弹簧有利地与枢转轴对齐，以及使反射镜基部83的移动稳定为期待的角度运动。

应当认识到，图2至图5以及图7至图8是用于解释本发明的基本思想的简化示例。可以使用其他的应用特定的尺寸调整和弹簧设计以例如避免反射镜的不受欢迎的运动模式。

另一优势在于，具有硅晶片上的基座、弹簧和换能器的反射镜元件的所述结构的制造，可以通过使用现有的MEMS技术来容易地实现。图6a至图6g示出了用于制造在图1至图5和图7至图8中描述的微光机电设备的工艺的实施方式。阶段6a至6d示出了借助于可从晶片供应商容易地获得的标准腔体SOI工艺流程来制造要求保护的设备结构。在图6a的阶段中，绝缘膜60形成在第一硅晶片61上并且被图案化以形成开口62。在图6b的阶段中，第一硅晶片被蚀刻以在开口62处形成腔体63，该腔体具有由基座607的期待高度所指定的期待深度。在图6c的阶段中，第二硅晶片64结合在绝缘膜60的表面上。在图6d中，该第二晶片64被减薄至弹簧的期待厚度。在图6e的阶段中，薄膜压电换能器65被制造在晶片64的顶部。这一工艺对于不同材料可能需要若干布置和图案化步骤，不同材料例如是：用于AlN、掺杂Aln、PZT或其他压电材料的电极和压电膜的铝(Al)、铂(Pt)、钼(Mo)或者其他金属膜。绝缘膜还可以被包含在用于换能器65的膜堆叠中。接着，在图6f阶段中，弹簧608通过在晶片64中蚀刻开口66而形成。最后，在图6g阶段中，反射镜基部603通过在晶片61中蚀刻开口67而与设备的主体分隔开。这一工艺流程仅是如何使用MEMS制造方法的一个示例。许多其他工艺流程也可以用于制造本发明的扫描反射镜。

对于本领域技术人员明显的是，随着技术发展，本发明的基本思想能够以各种方式实现。本发明及其实施方式因此不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内进行改变。

Claims (14)

1.一种微光机电扫描设备，包括主体(20)、反射镜元件(23、27)以及能够将所述反射镜元件(23、27)柔性支承在所述主体(20)上的弹簧结构(28a、29a)，

所述反射镜元件包括由反射镜基部(23)上的平坦反射表面构成的反射镜(24)，所述反射镜(24)在静止时的平面方向是第一方向；

所述主体(20)至少部分地外接所述反射镜元件，与所述反射镜元件至少间隔一个空隙(26)；

所述反射镜元件包括两个或更多个基座(27)；

所述弹簧结构包括弯曲弹簧(28a)，其中，每个弯曲弹簧(28)通过第一连接点(21)连接到所述主体以及通过第二连接点(22)连接到一个基座(27)；

每个基座(27)在所述第二连接点(22)与在所述反射镜基部(23)中与所述反射镜(24)相对的第三连接点(202)之间延伸；

每个基座(27)能够在垂直于所述第一方向的方向上刚性地保持所述第二连接点(22)与所述第三连接点(202)之间的非零距离；

所述弹簧结构包括压电换能器(29a)，所述压电换能器能够引起所述弯曲弹簧中的每一个的位移，该位移使得所述弯曲弹簧的所述第二连接点(22)至少在垂直于所述第一方向的方向上移动。

2.根据权利要求1所述的微光机电设备，其特征在于，所述压电换能器(29a)包括在所述弯曲弹簧(28a)的一侧的至少一个压电材料薄膜层。

3.根据权利要求1或2所述的微光机电设备，其特征在于，所述压电换能器(29a)包括导电材料膜和压电材料膜的堆叠，以引起压电材料上的电压。

4.根据权利要求1、2或3所述的微光机电设备，其特征在于，所述弯曲弹簧(28)中的每一个位于所述反射镜(24)的表面区域内并且位于该表面区域下方，使得所述压电薄膜层在所述反射镜(24)的平面上具有非零投影。

5.根据权利要求4所述的微光机电设备，其特征在于，

所述主体(20)的表面与所述反射镜(24)的平面对齐；以及

所述反射镜(24)与所述主体(20)的表面间隔一个空隙(26)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，所述弹簧结构包括具有压电换能器(29a、29b)的一对弯曲弹簧(28a、28b)，两个所述弯曲弹簧(28a、28b)位于相对的位置，使得所述反射镜(24)响应于具有相反极性的相对的弯曲弹簧(28a、28b)的压电换能器(29a、29b)的激励而绕枢转轴倾斜。

7.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，所述弹簧结构包括具有压电换能器的N个弯曲弹簧(37)，所述N个弯曲弹簧(37)对称地围绕枢轴点，使得所述反射镜(24)响应于具有360/N度的相位差的电压对相对的弯曲弹簧(37)的压电换能器的激励而绕枢轴点倾斜。

8.根据权利要求6或7所述的微光机电设备，其特征在于，在所述第一方向上，从所述第三连接点到所述枢转轴或者到所述枢轴点的距离小于从所述枢转轴或从所述枢轴点到所述反射镜(24)的边缘的距离的一半。

9.根据权利要求6或7所述的微光机电设备，其特征在于，在所述第一方向上，从所述第三连接点到所述枢转轴或者到所述枢轴点的距离为从所述枢转轴或从所述枢轴点到所述反射镜(24)的边缘的距离(R)的十分之一。

10.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，所述主体与所述反射镜基部(43；53)之间的空隙还包括从所述反射镜基部的切口(41；51)，以使得所述反射镜基部的倾斜在垂直于所述第一方向的方向上超出所述弯曲弹簧的平面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，所述弯曲弹簧(78)具有两个或更多个弯曲部，以在两个或更多个方向上提供弹性。

12.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，另一弹簧结构(71；81)能够阻止所述反射镜基部的不受欢迎的运动模式。

13.根据权利要求12所述的微光机电设备，其特征在于，所述另一弹簧结构(71；81)包括一对扭转弹簧，每个扭转弹簧沿所述枢转轴从所述反射镜基部(23)向所述主体(20)延伸。

14.一种用于制造微光机电设备的方法，所述微光机电设备包括主体、反射镜元件以及能够将所述反射镜元件柔性支承在所述主体上的弹簧结构，所述方法包括应用腔体绝缘体上硅工艺以：

在第一硅晶片中建立用于所述反射镜元件和所述主体元件的腔体，其中所述反射镜元件包括反射镜基部以及从所述反射镜基部延伸出来的两个或更多个基座；

将第二硅晶片结合到所述第一硅晶片上；

从所述第二硅晶片创建弹簧元件；

针对所述第二硅晶片的弹簧元件层顶部上的每个基座而放置压电换能器；

通过在所述第二硅晶片中创建一个或更多个开口来形成针对每个基座的弯曲弹簧；

通过在所述第一硅晶片中创建一个或更多个开口来使得所述反射镜元件与所述设备的主体分隔开。