CN112533861A - 二自由度的致动器和mems装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微机电***MEMS装置。特别地，本发明提出了一种用于MEMS装置的致动器和包括这种致动器的MEMS装置。该致动器具有可连接到该MEMS装置的框架的多个边侧的第一端，并且具有，特别地，通过接头，可连接到该MEMS装置的台架的第二端。此外，该致动器的第二端被配置为当该致动器被驱动并且该第一端被连接时向上或向下弯曲。

Description

二自由度的致动器和MEMS装置
技术领域
本发明涉及微机电***(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)装置领域。特别地，本发明提出了一种用于MEMS装置的致动器和一种包括至少一个这种致动器的MEMS装置。本发明还涉及一种借助于至少一个这种致动器来控制MEMS装置的方法。本发明的致动器具体设计用于二自由度(Degree-Of-Freedom，DOF)的MEMS装置。为此，致动器可以是可弯曲的致动器，其中当一端被固定时，致动器可以被压电、磁、热或静电驱动以在另一端向上或向下弯曲。
背景技术
MEMS装置的结构总是在不影响MEMS装置性能的情况下争取更小的间距。然而，实际上，在许多情况下，在较小的间距和更好的性能之间存在折衷。例如，在设计用于MEMS装置的致动器时就是这种情况。无论这种致动器适用于哪种驱动原理(例如通过使用梳齿结构的静电、压电、磁或热)，空间是使得致动器实现大位移的最重要因素。因此，使致动器更小通常会影响它们的(位移)性能。这使得具有相同性能的MEMS装置包括较小的致动器非常具有挑战性。
例如，考虑具有镜阵列的MEMS装置，该镜阵列包括由致动器驱动的多个微镜。微镜必须具有非常小的间距(即，仅略大于孔径尺寸)，但同时需要大的旋转角度。尽管存在方法可以在单个微镜周围有效地布置静电梳齿式致动器，但只能达到±5°的旋转角度。这是不够的，因为在一些应用中需要更高的填充因数(孔径尺寸与间距尺寸的比率)以及特别地高达±15°的更大旋转角度。
而且，传统的致动器仅适用于1DOF运动。因此，在2DOF的MEMS装置中，例如具有2D可移动微镜的MEMS装置，需要两组不同的致动器来实现2D运动。启动这种MEMS装置中的微镜以使得一组致动器绕一个轴旋转，而负责绕第二轴旋转的第二组致动器必须保持空闲。因此，致动器的使用效率相当有限，这与最小化装置尺寸的目的相矛盾。
这一缺点例如通过提出将镜板安装在致动器顶部上来解决。然而，这会引起杂散光的问题，因为入射光束将被镜板和其他装置元件(如致动器或装置框架)反射。
此外，提出了一种具有多层结构的MEMS装置，该装置包括一个半导体层、一个寻址层、一个铰链层和一个镜面层。但是，此设备方法仅适用于数字镜像，它可以具有“开”和“关”两种状态。该MEMS装置不能够具有非常高的分辨率和大的运动范围的模拟运动。
提出的另一种MEMS装置包括装置安装座、旋转致动器和连杆。然而，需要相当大的空间，特别是对于致动器长度。在该装置中，致动器布置在转子和连杆的外侧，使得转子作为第二旋转变压器工作。这导致多个元件串联连接的问题，使得装置结构非常脆弱和灵活，以致于来自致动器的扭矩只有非常无效地传递到台架。
发明内容
鉴于上述挑战和问题，本发明旨在改进致动器和MEMS装置。本发明的目的是提供一种用于MEMS装置的致动器和包括这种致动器的MEMS装置，其中由该MEMS装置的尺寸提供的空间被更有效地使用。此外，通过该致动器，应该可以实现大的位移。另外，本发明还旨在提供用于更适合于实现2DOF运动，即用于实现2DOF的MEMS装置，的致动器。
本发明的目的通过所附独立权利要求中提供的方案实现。本发明的有利实现方式在从属权利要求中进一步限定。
总的来说，本发明提出了一种用于MEMS装置的致动器，其可在MEMS装置的框架的多个边侧弯曲和约束，并因此实现了多于1DOF的MEMS装置的运动。致动器的外边缘特别地固定在框架的至少两个边侧，其内边缘连接到MEMS装置的台架。
本发明的第一方面提供了一种用于MEMS装置的致动器，其中，所述致动器的第一端可连接到所述MEMS装置的框架的多个边侧，所述致动器的第二端，特别地，通过接头，可连接到所述MEMS装置的台架，以及所述致动器的第二端被配置为当所述致动器被驱动并且所述第一端被连接时向上或向下弯曲。
致动器能够连接在框架的多个边侧这一可能性对2DOF的MEMS装置特别有利。此外，向上或向下弯曲的能力使得更小的MEMS装置成为可能，因为致动器可以例如部分地设置在MEMS装置的台架下方。因此，致动器可以更有效地利用MEMS装置中的空间。
在第一方面的实现方式中，所述致动器的第一端可连接到所述MEMS装置的框架的两个相邻边侧。
在第一方面的进一步实现方式中，所述致动器具有不规则的梯形形状。
该形状允许致动器可连接到框架的至少两个边侧，同时允许更好地利用MEMS装置中的空间。
在第一方面的进一步实现方式中，所述致动器被配置为压电、磁、热或静电致动器。
本发明的第二方面提供一种MEMS装置，包括：台架，围绕所述台架的框架，以及至少一个致动器，特别是根据第一方面或其任一种实现方式所述的致动器，其中，所述至少一个致动器的第一端连接到所述框架的多个边侧，所述至少一个致动器的第二端通过接头连接到所述台架，并且所述致动器的第二端被配置为当所述致动器被驱动时向上或向下弯曲。
框架的两个边侧的连接使得致动器能够向台架提供不同的运动，特别是与MEMS装置的其他致动器一起，从而使2DOF的MEMS装置具有更好的空间使用。
在第二方面的实现方式中，所述至少一个致动器的第一端连接到所述框架的两个相邻边侧。
因此，可以驱动致动器以向台架提供不同类型的运动，例如俯仰和偏转。
在第二方面的进一步实现方式中，所述MEMS装置还包括：设置在所述台架的顶部上的可旋转支柱，以及设置在所述可旋转支柱的顶部上的镜板。
在第二方面的进一步实现方式中，所述至少一个致动器至少部分地，特别是至少其第二端，布置在所述镜板下方。
因此，可以更紧凑地构建MEMS装置，和/或可以有效地利用由MEMS装置的尺寸给出的空间。
在第二方面的进一步实现方式中，所述框架是矩形的，所述MEMS装置包括四个致动器，特别是根据第一方面或其实现方式中的任一项所述的四个致动器，并且每个致动器的第一端连接到矩形的所述框架的不同对的相邻边侧，第二端通过不同的接头连接到所述台架。
在第二方面的进一步实现方式中，所述四个致动器围绕所述台架对称布置。
在第二方面的进一步实现方式中，非相邻的致动器布置在所述台架的相对边侧上。
在第二方面的进一步实现方式中，接头是2DOF的接头。
在第二方面的进一步实现方式中，所述MEMS装置被配置为：同时驱动所有四个致动器，特别是驱动两个相邻的致动器以使其第二端向上弯曲，同时驱动另外两个相邻的致动器以使其第二端向下弯曲。
这允许驱动成对的致动器以实现台架的俯仰和/或偏转。
本发明的第三方面提供了一种用于控制根据第二方面或其实现方式中的任一项所述的MEMS装置的方法，所述方法包括：通过驱动第一对相邻的致动器以使其第二端向上弯曲，并且驱动第二对相邻的致动器以使其第二端向下弯曲，使所述MEMS装置的台架俯仰，或通过驱动第三对相邻的致动器以使其第二端向上弯曲，并且驱动第四对相邻的致动器以使其第二端向下弯曲，使所述MEMS装置的台架偏转。
在第三方面的实现方式中，所述致动器被压电、磁、热和/或静电驱动。
必须注意，本申请中描述的所有设备、元件、单元和装置可以在软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。由本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及被描述为由各种实体执行的功能旨在表示相应实体适配于或用于执行相应的步骤和功能。即使在以下对特定实施例的描述中，由外部实体执行的特定功能或步骤未反映在执行该特定步骤或功能的该实体的特定详细元素的描述中，但本领域技术人员应该清楚可以在各个软件或硬件元件或者其任何种类的组合中实现这些方法和功能。
附图说明
本发明的上述方面和实现方式将在以下关于附图的具体实施例的描述中说明，其中：
图1示出了根据本发明实施例的致动器。
图2示出了根据本发明实施例的MEMS装置。
图3示出了根据本发明实施例的MEMS装置。
图4示出了根据本发明实施例的MEMS装置的致动器和其他部件。
图5示出了根据本发明实施例的方法。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的用于MEMS装置200(参见图2)的致动器100。致动器100被特别配置为实现2DOF的MEMS装置。
致动器100具有两个相对端101和102。第一端101可连接到MEMS装置200的框架201的多个边侧，特别是连接到MEMS装置的矩形框架201的两个相邻边侧。因此，致动器100，并且特别是其第一端101，设置有确定的形状以允许这种连接。例如，致动器100可以具有如图1所示的不规则的梯形形状。
第二端102，特别地，通过接头203，可连接到MEMS装置200的台架202。致动器100的第二端102被配置为当致动器100被驱动并且当第一端101特别地连接到框架201时，向上或向下弯曲。特别地，致动器100可以被压电、磁、热和/或静电驱动。
图2以俯视图示出了根据本发明的实施例的MEMS装置200。MEMS装置200包括例如如图1所示的至少一个致动器100。示例性地，图2示出了MEMS装置200，其包括四个致动器100(标记为A、B、C和D)，每个致动器100如图1所示。
除了至少一个致动器100之外，MEMS装置200包括台架202和围绕台架202的框架201。每个致动器100的第一端101连接到框架201的多个边侧，特别是连接到矩形框架201的两个相邻侧，如图2所示。每个致动器100的第二端102通过MEMS装置200的接头203连接到台架202。当致动器100被驱动时，每个致动器100的第二端102可以向上或向下弯曲。这相应地移动了台架202。
如图2所示，致动器100可以围绕台架202对称布置。此外，每个接头203可以是2DOF的接头。通过在该MEMS装置200中驱动两个相邻布置的致动器100(例如A和B)向上弯曲，驱动另外两个相邻的致动器(例如C和D)向下弯曲，可以实现台架202的俯仰和/或偏转。因此，台架202可以根据2DOF来移动。
图3以侧视图示出了根据本发明实施例的MEMS装置200。图3的MEMS装置200以图2所示的MEMS装置200为基础。因此，相同的元件使用相同的附图标记并且起到相同的作用。图3特别地在(a)中示出了当没有致动器100被驱动时的MEMS装置200，在(b)中示出了当两个相对的致动器100被相对驱动时的MEMS装置200。
图3以具体的1D微镜装置为例。因此，可旋转支柱300安装在MEMS装置200的台架202的中心，特别是安装在台架202的顶部。支柱300在其上端支撑镜板301，即镜板301设置在可旋转支柱301的顶部上。图3中示出了(四个中的)两个可弯曲致动器100，这些致动器100分别在其外(第一)端101处固定到MEMS装置200的框架201。此外，它们的内(第二)端102通过使用接头203连接到台架200。
通过使用这种结构实现了三个主要优点。首先，即使致动器100配备有足够的空间(即长度)以实现台架202的足够位移，镜板301与整个装置尺寸的比率也相对较大。图3(b)中示出了这种位移，其中一个致动器100被驱动以向上(向左)弯曲并且一个致动器被驱动以向下(向右)弯曲，这导致台架202、支柱300和镜板301的倾斜。这是可能的，因为致动器100部分地隐藏在镜板301下方。换句话说，致动器100各自至少部分地，特别是至少其第二端102，布置在镜板301下方。其次，由致动器100传递的扭矩施加在镜板301和支柱300的质心附近的接头203上，从而可以利用杠杆放大。第三，入射光束不会被致动器100反射太多，因为由于致动器100部分地布置在镜板301下方，入射光将主要被镜板301的表面反射。
图4在(a)中示出了图3中所示的MEMS装置200的俯视图，在(b)中示出了MEMS装置200的一些部件的透视侧视图。图4具体示出了如何实现本发明的进一步优化MEMS装置200的空间利用以及实现2DOF的目的。
图4(a)所示的致动器100以其第一端101被约束在框架201的多个边侧，这对于2DOF是有利的。仅约束在框架201的一侧的致动器仅可用于1DOF。因此，这种致动器不适合于台架202的俯仰和偏转。在具有四个这种致动器的MEMS装置中，两个致动器总是必须保持空闲，而另外两个致动器被使用。
然而，图4中所示的MEMS装置200采用固定在框架201两个边侧的致动器100，特别是不规则梯形形状的致动器100。以这种方式，具体地，在具有如图所示的四个致动器100的MEMS装置200中，所有致动器100可以应用于俯仰和偏转。例如，在图4中，当用A和B标记的致动器100被向上驱动，同时用C和D标记的致动器100被向下驱动时，台架202将俯仰。当用A和D标记的致动器100被向上驱动，同时用B和C标记的致动器100被向下驱动时，台架202将偏转。因此，致动器100都是2DoF合适的。
致动器100可以通过例如压电、磁、热或静电原理来驱动。图4中示出的MEMS装置200的示例具体应用压电致动器100。此外，接头203可以特别是曲折的接头，其可以制成非常细长的。这种细长的曲折接头203有助于减弱几何非线性，同时MEMS装置200达到台架202的大位移。
图4在(b)中示出了可旋转支柱301可以在两端刺穿致动器100的“水平面”。支柱300位于致动器100下方的长尾可以用作平衡物，以便在当MEMS装置200水平安装时避免初始倾斜，其中无倾斜意味着反射镜板301上的法向矢量平行于重力。
图5示出了根据本发明实施例的方法500。方法500用于控制MEMS装置200，例如，如图2-4所示，其中四个致动器100围绕台架202对称布置。MEMS装置200可以包括控制器，例如处理器或其他处理电路，以便通过实施方法500来控制MEMS装置200。
对于使MEMS装置200的台架202俯仰501，方法500包括驱动第一对相邻的致动器100以使其第二端102向上弯曲，并且驱动第二对相邻的致动器100以使其第二端102向下弯曲。对于使MEMS装置200的台架202偏转502，方法500包括驱动第三对相邻的致动器100以使其第二端102向上弯曲，并且驱动第四对相邻的致动器100以使其第二端102向下弯曲。
已经结合各种实施例作为示例以及实现方式描述了本发明。然而，本领域技术人员以及实施所要求保护的发明的人员可以通过研究附图、本公开内容和独立权利要求来理解和实现其他变型。在权利要求书以及说明书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求书中所述的若干实体或条目的功能。在相互不同的从属权利要求中列举某些手段的事实并不表示这些手段的组合不能用于有利的实现方式中。

Claims (15)

1.一种用于微机电***MEMS装置(200)的致动器(100)，其中，
所述致动器(100)的第一端(101)连接到所述MEMS装置(200)的框架(201)的多个边侧，
所述致动器(100)的第二端(102)，通过接头(203)连接到所述MEMS装置(200)的台架(202)，以及
所述致动器(100)的第二端(102)被配置为当所述致动器(100)被驱动并且所述第一端(101)被连接时向上或向下弯曲。
2.根据权利要求1所述的致动器(100)，其中，
所述致动器(100)的第一端(101)连接到所述MEMS装置(200)的框架(201)的两个相邻边侧。
3.根据权利要求1或2所述的致动器(100)，其中，
所述致动器(100)具有不规则的梯形形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的致动器(100)，所述致动器(100)被配置为
压电、磁、热或静电致动器。
5.一种微机电***MEMS装置(200)，包括：
台架(202)，
围绕所述台架(202)的框架(201)，以及
至少一个致动器(100)，所述致动器(100)根据权利要求1至4中任一项所示，
其中，所述至少一个致动器(100)的第一端(101)连接到所述框架(201)的多个边侧，所述至少一个致动器(100)的第二端(102)通过接头(203)连接到所述台架(202)，并且所述致动器(100)的第二端(102)被配置为当所述致动器(100)被驱动时向上或向下弯曲。
6.根据权利要求5所述的MEMS装置(200)，其中，
所述至少一个致动器(100)的第一端(101)连接到所述框架(201)的两个相邻边侧。
7.根据权利要求5或6所述的MEMS装置(200)，还包括：
设置在所述台架(202)的顶部上的旋转支柱(300)，以及
设置在所述可旋转支柱(300)的顶部上的镜板(301)。
8.根据权利要求7所述的MEMS装置(200)，其中，
所述至少一个致动器(100)至少部分地，特别是至少其第二端(102)，布置在所述镜板(301)下方。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的MEMS装置(200)，其中，
所述框架(201)是矩形的，
所述MEMS装置(200)包括四个致动器(100)，所述致动器(100)根据权利要求1至4中任一项所示，并且
每个致动器(100)的第一端(101)连接到矩形的所述框架(201)的不同对的相邻边侧，第二端(102)通过不同的接头(203)连接到所述台架(202)。
10.根据权利要求9所述的MEMS装置(200)，其中，
所述四个致动器(100)围绕所述台架(202)对称布置。
11.根据权利要求9或10所述的MEMS装置(200)，其中，
非相邻的致动器(100)布置在所述台架(202)的相对边侧上。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的MEMS装置(200)，其中，
接头(203)是二自由度，2DOF，的接头。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的MEMS装置(200)，所述MEMS装置(200)被配置为：
同时驱动所有四个致动器(100)，其中，驱动两个相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向上弯曲，同时驱动另外两个相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向下弯曲。
14.一种用于控制根据权利要求9至13中任一项所述的MEMS装置(200)的方法(500)，所述方法(500)包括：
通过驱动第一对相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向上弯曲，并且驱动第二对相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向下弯曲，使所述MEMS装置(200)的台架(202)俯仰(501)，或
通过驱动第三对相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向上弯曲，并且驱动第四对相邻的致动器(100)以使其第二端(102)向下弯曲，使所述MEMS装置(200)的台架(202)偏转(502)。
15.根据权利要求14所述的方法(500)，其中，
所述致动器(100)被压电、磁、热和/或静电驱动。
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