CN113009684B - 具有防冲击的可倾斜结构的微机电装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的各实施例涉及具有防冲击的可倾斜结构的微机电装置。一种微机电装置由具有腔的固定结构形成。可倾斜结构被弹性地悬挂在腔上方并且在可倾斜平面中具有主延伸部，并且能够绕平行于可倾斜平面的旋转轴线旋转。压电致动结构包括第一驱动臂和第二驱动臂，第一驱动臂和第二驱动臂承载相应的压电材料区并且在旋转轴线的相对侧延伸。第一驱动臂和第二驱动臂被刚性地耦合至固定结构并且被弹性地耦合至可倾斜结构。在操作期间，止动结构限制可倾斜结构相对于致动结构沿着垂直于旋转轴线的平面方向的运动。止动结构具有被形成在第一驱动臂与可倾斜结构之间的第一平面止动元件以及被形成在第二驱动臂与可倾斜结构之间的第二平面止动元件。

Description

具有防冲击的可倾斜结构的微机电装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年12月20日提交的意大利专利申请第102019000025084号的优先权，上述申请的内容通过整体引用在法律允许的最大程度上并入本文。
技术领域
本公开涉及一种具有防冲击的可倾斜结构的微机电装置。
背景技术
特别地，在下文中，将在不失一般性的情况下参考(使用MEMS(微机电***)技术制造的)微机电镜装置，其中可倾斜结构具有反射表面。
众所周知，微机电镜装置用于便携式设备中，诸如智能电话、平板电脑、笔记本电脑、PDA和其他具有光学功能的设备，特别地在小型化投影仪(所谓的微型投影仪)中和在增强现实设备中用于以期望的模态(modality)引导由光源生成的光束，以便在远处投影图像。实际上，由于小的尺寸，微机电装置能够在面积和厚度这两个方面都满足关于成本和体积的严格要求。
微机电镜装置通常包括镜结构，该镜结构由半导体材料主体制造并且被弹性地支撑在腔上方，以能够例如以朝向对应的主延伸平面外的倾斜或旋转运动而运动，以用于以期望的方式引导入射光束。
通常，在所考虑的应用中，沿着两个轴线的光束偏转被提供，并且可以通过两个单轴微机电镜装置或通过单个双轴微机电镜装置被获得。
在下文中，为了更好地理解，将参考如图1中所图示的、具有两个单轴微机电镜装置的第一设计，并且如对于本领域技术人员而言将是明显的，以下内容也适用于双轴镜结构。
详细地，图1示意性地示出了微型投影仪1，该微型投影仪1包括光源2(通常是激光源)，该光源2生成由镜***3朝向屏幕4偏转的光束。
特别地，镜***3包括单轴类型的第一镜装置3A以及也是单轴类型的第二镜装置3B，该第一镜装置3A被驱动以便以谐振运动(resonant movement)绕轴线A旋转，以用于生成快速的水平扫描，该第二镜装置3B被驱动以便以线性运动或准静态运动(即，以比谐振运动的频率低得多的频率)绕第二轴线B旋转，以用于生成慢的竖直扫描。
实际上，第一镜装置3A形成水平镜装置，并且第二镜装置3B形成竖直镜装置；第一镜装置和第二镜装置协作以便在屏幕4上生成在图1中由5示意性指定的扫描方案。
竖直镜装置的旋转由致动***控制，该致动***可以是静电类型的、电磁类型的或压电类型的。
静电致动***通常需要高的操作电压，而电磁致动***通常涉及高功耗。
因此，压电类型的致动***被广泛使用。
例如，在美国专利申请公开第20110292479号(通过引用并入)中所描述的镜装置中，承载镜表面的悬挂框架经由弹簧元件被连接至固定结构，这些弹簧元件具有由并排布置的多个相互平行的臂部形成的蛇形形状。每个臂部承载压电带，并且相邻的压电带被相反极性的电压偏压。由于压电材料的特性，偏压会导致相邻臂部在相反方向上(向上和向下)变形，并且随后导致悬挂框架在第一方向上绕水平轴线B旋转。通过施加相反的偏压，获得了框架在与第一方向相反的第二方向上的旋转。因此，可以通过将交流电双极电压施加至臂部来获得竖直扫描。
利用压电致动的另一镜装置在对应于2018年12月14日提交的意大利专利申请第102018000011112号(通过引用并入)、对应于2019年3月28日提交的欧洲专利申请第19165958.0号(通过引用并入)的美国专利申请公开第20200192199号(通过引用并入)中被描述，并且包括图2中所图示的实施例。在此，由20指定的镜装置具有可倾斜结构22，该可倾斜结构承载反射表面22'并且被悬挂在腔23上方。可倾斜结构22经由支撑元件25A、25B和弹性悬挂元件26A、26B被弹性地耦合至属于固定结构24的框架24'。可倾斜结构22能够绕如下的旋转轴线旋转，该旋转轴线对应于例如图1的微型投影仪1的水平轴线B并且因此再次由B指定。
可倾斜结构22被耦合至致动结构30，该致动结构30包括两对驱动臂32A至32D，每对驱动臂分别承载相应的压电区33。每对的驱动臂32A至32D通过相应的弹性解耦元件34A至34D被耦合在旋转轴线B的相对侧(该旋转轴线B在此平行于笛卡尔参考***XYZ的第一轴线X)。弹性解耦元件34A至34D对于可倾斜结构的朝向由镜表面(平面AB)限定的可倾斜平面外的运动而言是刚性的，并且对于绕旋转轴线B的扭转而言是顺应性的(compliant)。
在所考虑的类型的镜装置中，由于存在悬挂的和可运动的部分，因此特别地在垂直于旋转轴线B的方向(平行于图2的笛卡尔参考***XYZ的第二轴线Y和第三轴线Z的方向)上，期望鲁棒性和抗冲击性。实际上，单轴镜装置在平行于旋转轴线B(即，平行于第一轴线X)的方向上通常是相当刚性的，但是在平行于第二轴线Y或第三轴线Z的方向上的冲击可能会导致可倾斜结构22沿这些方向的剧烈运动，并且可能会损坏或甚至破坏在这些方向上是刚性的弹性解耦元件34A至34D，从而损害镜装置的功能性。
为了防止可倾斜结构在垂直于旋转轴线的方向上的过度运动，止动元件可以被布置在可倾斜结构与固定支撑结构之间。
然而，该方法仅对于在镜装置处于静止位置时向镜装置施加的冲击和应力才正确地起作用，并且在可倾斜结构被旋转时不提供保护。
因此，在本领域中需要提供一种对冲击具有高鲁棒性的微机械装置。
发明内容
在一个实施例中，微机电装置包括：固定结构，具有腔；可倾斜结构，被弹性地悬挂在腔上方，该可倾斜结构在可倾斜平面中具有主延伸部并且能够绕平行于可倾斜平面的至少一个旋转轴线旋转；压电致动结构，包括第一驱动臂和第二驱动臂，该第一驱动臂和该第二驱动臂承载相应的压电材料区并且在旋转轴线的相对侧延伸，第一驱动臂和第二驱动臂被刚性地耦合至固定结构并且被弹性地耦合至可倾斜结构；以及止动结构，被配置成在操作期间限制可倾斜结构相对于致动结构沿着平行于可倾斜平面并垂直于旋转轴线的平面方向的运动，止动结构至少包括：被形成在第一驱动臂与可倾斜结构之间的第一平面止动元件、以及被形成在第二驱动臂与可倾斜结构之间的第二平面止动元件。
第一驱动臂和第二驱动臂可以在第一驱动臂和第二驱动臂的第一耦合部处被耦合至固定结构，并且第一驱动臂和第二驱动臂可以在第一驱动臂和第二驱动臂的第二耦合部处被耦合至可倾斜结构。可倾斜结构可以具有第一止动部，并且每个驱动臂在第二耦合部处具有相应的第二止动部。
第一平面止动元件和第二平面止动元件可以各自包括突出部和抵接表面，每个平面止动元件的突出部与在第一止动部与第二止动部之间被选择的止动部是刚性的，并且每个平面止动元件的抵接表面与另一止动部是刚性的，突出部和抵接表面面向平面方向并横向于该平面方向延伸
抵接表面可以由凹部的侧壁形成，并且在微机电装置的静止状态下，突出部以在凹部内与凹部的侧壁相距一定距离的方式延伸。
第一驱动臂和第二驱动臂可以具有纵向延伸部，并且第一驱动臂和第二驱动臂具有第一端和第二端，该第一端被刚性地耦合至固定结构，该第二端相对于该第一端纵向相对并且通过相应的弹性解耦元件被弹性地耦合至可倾斜结构，每个平面止动元件的突出部从相应的驱动臂的第二端相对于相应的弹性解耦元件侧向地延伸。
第三驱动臂和第四驱动臂可以被布置在与旋转轴线相对的一侧，并且第三驱动臂和第四驱动臂被布置为关于可倾斜平面的平面方向分别与第一驱动臂和第二驱动臂对称。第三驱动臂和第四驱动臂可以承载相应的压电材料区，并且可以通过相应的弹性解耦元件在旋转轴线的相对侧被弹性地耦合至可倾斜结构。止动结构还可以包括：被形成在第三驱动臂与可倾斜结构之间的第三平面止动元件、以及被形成在第四驱动臂与可倾斜结构之间的第四平面止动元件。
止动结构可以包括：被形成在第一驱动臂与固定结构之间的至少一个第一竖直止动元件、以及被形成在第二驱动臂与固定结构之间的第二竖直止动元件，第一竖直止动元件和第二竖直止动元件被配置成：限制可倾斜结构沿着垂直于可倾斜平面并指向腔的竖直方向的运动。
第一竖直止动元件和第二竖直止动元件可以各自包括支柱和止动表面，每个支柱从相应的驱动臂在横向于可倾斜结构的方向上延伸并且具有自由端，并且每个止动表面面向相应的支柱的自由端。
每个驱动臂可以具有面向腔的第一平面表面以及与第一表面相对的第二平面表面。固定结构可以具有框架结构和盖元件，该框架结构围绕腔，该盖元件被固定至框架结构并在可倾斜结构下方延伸、并且与框架结构一起界定腔。每个竖直止动元件的支柱可以从相应的驱动臂的第一平面表面延伸，并且每个竖直止动元件的止动表面可以由盖元件形成。
止动结构还可以包括：被形成在第三驱动臂与固定结构之间的至少一个第三竖直止动元件、以及被形成在第四驱动臂与固定结构之间的第四竖直止动元件，第三竖直止动元件和第四竖直止动元件被配置成：限制可倾斜结构沿着垂直于可倾斜平面并指向腔的竖直方向的运动。
止动结构还可以包括：被形成在第一驱动臂与固定结构之间的至少一个第五竖直止动元件、以及被形成在第二驱动臂与固定结构之间的第六竖直止动元件，第五竖直止动元件和第六竖直止动元件被配置成：限制可倾斜结构沿着垂直于可倾斜平面远离腔的竖直方向的运动。
第五竖直止动元件和第六竖直止动元件可以由裸片(die)形成，该裸片与固定结构是刚性的，并且该裸片在裸片与腔相对的一侧上在可倾斜结构上方延伸，裸片具有透光部分，该透光部分与可倾斜结构竖直对准并且由形成用于第一驱动臂和第二驱动臂的抵接结构的边缘部分界定。
本文中还公开了一种用于便携式电子设备中的微型投影仪设备，该微型投影仪设备包括：光源，可操作用于根据待生成的图像来生成光束；如上文所描述的、光学类型的微机电装置，光束撞击在该微机电装置上；以及驱动电路，被配置成提供用于引起可倾斜结构的旋转的电驱动信号。
便携式电子设备可以是用于增强现实或虚拟现实的观看器。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参考附图仅通过非限制性的示例来描述本发明的实施例，其中：
图1是具有一对单轴镜装置的已知微型投影仪的示意性表示；
图2是单轴镜装置的示意性顶视图；
图3是单轴镜装置的放大细节的顶视图，该单轴镜装置具有图2的装置的一般结构，并且被修改以在静止位置形成防冲击结构；
图3A是图3的细节的放大透视图，其中可倾斜结构处于经旋转的位置；
图4是本文中所描述和公开的单轴镜装置的实施例的示意性顶视图；
图5是图4的装置的放大细节的顶视图；
图5A是图5的细节在不同操作位置的放大透视图；
图6是沿着图4的截面线VI-VI截取的、图5的装置的横截面图；
图7是图4的装置的不同实施例的、类似于图6的横截面图；
图8是图7的装置的透视图；
图9是使用本文中所描述和公开的微机电装置的微型投影仪的框图；
图10和图11是图9的微型投影仪与便携式电子设备之间的不同耦合可能性的透视图；并且
图12是关于图9的微型投影仪与增强现实观看***之间的耦合可能性的透视图。
具体实施方式
图3示出了用于制造防冲击结构的微机电装置20的可能实施例，该防冲击结构被形成为与设置在已知的微机电声传感器和换能器中的结构相似。
特别地，图3的微机电装置再次通过20指定，并且其中仅图示了在第一驱动臂32A与可倾斜结构22之间的弹性连接处的一部分，该微机电装置在可倾斜结构22与固定支撑结构24之间具有止动结构40。
详细地，止动结构40具有止动柱41，该止动柱41例如从可倾斜结构22下方的基板(不可见)在竖直方向上(平行于第三轴线Z)延伸穿过腔23，并且在可倾斜平面AB中在第一驱动臂32与可倾斜结构22之间的中间位置中相对于第一弹性解耦元件34A侧向地突出。
止动柱41具有固定突出部42A，该固定突出部在形成在可倾斜结构22的***上的相应凹部43A内延伸。固定突出部42A在此在顶视图中具有与凹部43A相似的矩形形状，该固定突出部42A具有比凹部43A的尺寸小的尺寸(特别地，在平行于第二笛卡尔轴线Y的方向上的宽度)。为了不阻碍可倾斜结构22的旋转，固定突出部42A具有与可倾斜结构22相同的厚度(在平行于第三轴线Z的方向上)。在微机电装置20的静止位置中(当可倾斜结构22不被旋转，并且可倾斜平面AB平行于笛卡尔参考***XYZ的平面XY时)，固定突出部42A和可倾斜结构22具有共面的顶表面和底表面，并且固定突出部42a在凹部43A的壁内以与壁相距一定距离的方式延伸。
因此，止动结构40使得可倾斜结构22能够自由旋转，并且在静止状态下并且在存在平行于第二轴线Y的直接冲击的情况下，可倾斜结构22在该方向上的位移被停止，并且通过凹部43A与固定突出部42A之间的接触被限制，由此也限制了被施加至弹性解耦元件34A的应力。
类似的止动结构可以被设置在图2的弹性解耦元件34B至34D附近。
如果可倾斜结构22完全未被旋转或仅被旋转小角度，则止动结构40正确地操作。然而，当可倾斜结构22的旋转超过取决于微机电装置20的几何形状的预设角度时，固定突出部42A可能会不再面向凹部43A并保持在该凹部内，如例如在图3A的放大细节中所示出的，其中可倾斜结构22如由箭头R所图示地在顺时针方向上被旋转，并且固定突出部42A低于可倾斜结构22并且因此在凹部43A之外。
因此，在该情况下，止动结构是无效的，并且在存在平行于第二轴线Y引导的冲击的情况下，可倾斜结构22可能会经历较大的位移并且损害弹性解耦元件34A至34D的完整性。
对于平行于第三轴线Z的冲击或力可能会出现类似情况。
图4示出了本文中所公开和描述的由附图标记60指定的微机电装置的实施例，该微机电装置解决了上述问题。
微机电装置60具有类似于微机电装置20的一般结构，但是包含许多改进；与微机电装置20相同的部分在图4中用增大了40的数字指定。
详细地，微机电装置60被形成在半导体材料(特别是硅)的裸片中，并且具有可倾斜结构62。可倾斜结构62在平面(在下文中被称为可倾斜平面AB)中具有主延伸部，该平面在微机电装置60的静止位置中平行于笛卡尔坐标***XYZ(其轴线在下文中被称为第一笛卡尔轴线X、第二笛卡尔轴线Y和第三笛卡尔轴线Z)的平面XY。因此，在以下描述中，除非明确指出，否则可倾斜结构62的厚度将被忽略。
因此，基于上文，可倾斜结构62被布置成绕平行于第一笛卡尔轴线X的旋转轴线旋转，该旋转轴线属于可倾斜平面AB并且例如对应于图1的微型投影仪设备的水平轴线B(并且因此再次由B指定)。可倾斜结构62(基本上如同微机电装置60的其他部分一样)相对于旋转轴线B和另一轴线对称，该另一轴线在下文中被称为对称轴线A，该另一轴线在此平行于第二笛卡尔轴线Y。
可倾斜结构62承载反射表面62'，被悬挂在裸片的腔63上方，并且经由支撑元件65A、65B和弹性悬挂元件66A、66B被弹性地耦合至属于固定结构64的框架64'。
详细地，支撑元件65A、65B在可倾斜结构62的相对侧上沿着旋转轴线B纵向地延伸。
弹性悬挂元件66A、66B在相应的悬挂元件65A、65B与可倾斜结构62之间在旋转轴线B附近延伸，弹性悬挂元件66A、66B对于朝向可倾斜平面AB外(沿着第三笛卡尔轴线Z，横向于可倾斜平面AB)的运动具有高刚度，并且对于绕旋转轴线B的扭转而言是顺应性的。在所图示的实施例中，弹性悬挂元件66A、66B包括由支撑元件65A、65B的经变薄的部分形成的直弹簧，但是弹性悬挂元件66A、66B可以是具有平行于旋转轴线B的主延伸部的折叠类型。
微机电装置60还包括由四个驱动臂72A至72D(在下文中也被称为第一驱动臂72A、第二驱动臂72B、第三驱动臂72C和第四驱动臂72D)形成的致动结构70，该致动结构70通过相应的弹性解耦元件74A、74B、74C和74D耦合至可倾斜结构62。第一驱动臂72A和第二驱动臂72B形成第一对驱动臂，并且被布置在旋转轴线B的相对侧上；第三驱动臂72C和第四驱动臂72D形成第二对驱动臂，并且以相对于对称轴线A与第一对驱动臂72A、72B对称的方式被布置在旋转轴线B的相对侧上。
每个驱动臂72A至72D承载例如PZT(锆钛酸铅)的相应的压电区73，并且在图4的实施例中，具有大致梯形(或鳍状)的形状，其中大基座被固定地耦合至固定结构64的框架64'，并且小基座(在图4中由80指定)被弹性地耦合至可倾斜结构62。
弹性解耦元件74A至74D对于朝向可倾斜平面AB外的运动而言是刚性的，并且对于绕旋转轴线B的扭转而言是顺应性的。
多个电接触焊盘78由固定结构64沿着框架64'承载，并且被电连接(以图4中未详细图示的方式)至压电区73，以使得能够通过来自机电装置60外部的电信号(例如，由集成有机电装置60的电子设备的偏压装置提供)对压电区73偏压，如下文所讨论的。
微机电装置60还包括被布置在驱动臂72A至72D与可倾斜结构62之间的平面止动结构，以用于限制可倾斜结构62在可倾斜平面AB中在垂直于旋转轴线B的方向上(即，在平行于对称轴线A的方向上)的运动。
特别地，平面止动结构至少包括由突出部和抵接表面形成的第一对，其中第一对的第一元件(突出部或抵接表面)从驱动臂72A至72D突出或被固定到该驱动臂，并且第一对中的另一元件(相应地，抵接表面或突出部)被固定至可倾斜结构62或从可倾斜结构62突出，并且突出部和抵接表面在横向于对称轴线A的方向上延伸，彼此相邻且并排地被布置，并且在微机电装置60的静止状态下，以彼此相距一定距离的方式被布置。
在所图示的实施例中，还参见图5的放大细节，第一突出部/抵接表面对(整体上由83A指定)包括：从第一对的第一驱动臂72A延伸的第一突出部81A以及由被形成在可倾斜结构62中的凹部82A形成的第一抵接表面。特别地，第一突出部81A从第一驱动臂72A的内端部(在梯形的小基座80处)朝向可倾斜结构62延伸，并且第一凹部82A从可倾斜结构62的***朝向可倾斜结构62的内部延伸；此外，第一突出部81A的自由端(free end)在第一凹部82A内延伸。第一凹部82A包括第一横向壁84A和第二横向壁85A；这两个横向壁84A、85A在此平行于旋转轴线B并且通过间隙彼此间隔开，以允许：在第一突出部81A抵靠横向壁84A、85A中的一个横向壁之前，在第一突出部81A与第一凹部82A之间沿着对称轴线A进行小的相对运动。
特别地，参考图5，如果L是横向壁84A与横向壁85A之间的距离，L1是突出部81A沿着第二笛卡尔轴线Y的宽度(在可倾斜结构62的静止状态下)，d1是第一突出部81A与第一横向壁84A之间的距离，并且d2是第一突出部81A与第二横向壁85B之间的距离，则在静止时：
L＝L1+d1+d2。
图4的微机电装置60还包括：在第二驱动臂72B与可倾斜结构62之间的第二突出部/抵接表面对83B；在第三驱动臂72C与可倾斜结构62之间的第三突出部/抵接表面对83C；以及在第四驱动臂72D与可倾斜结构62之间的第四突出部/抵接表面对83D。在此，第二突出部/抵接表面对83B、第三突出部/抵接表面对83C和第四突出部/抵接表面对83D具有与第一突出部/抵接表面对83A相同的结构。
在使用中，可倾斜结构62可以通过以下方式绕旋转轴线B被旋转：同时使第一驱动臂72A的压电区73和第三驱动臂72C的压电区73偏压以获得在第一方向上的旋转(如由图4中的箭头R1指示)，并且同时使第二驱动臂72B的压电区73和第四驱动臂72D的压电区73偏压以获得在第二方向上的旋转(如由图4中的箭头R2指示)。
如在与上文引用的意大利专利申请第102018000011112号相对应的美国专利申请公开第20200192199号(通过引用并入)中所描述的，通过交替地并且依次地(例如，以与图1的微型投影仪1的竖直扫描相关联的频率)使如上文所指示的压电区73偏压，从而可以获得可倾斜结构62绕旋转轴线B的连续且交替的旋转。
在可倾斜结构62的旋转运动期间，由于突出部/抵接表面对83A至83D的位置，突出部/抵接表面对83A至83D中的至少两个突出部/抵接表面对(与压电区73的被偏压侧相关联的突出部/抵接表面对)有效，并且在不期望有的冲击或可倾斜结构62的平行于对称轴线A的运动的情况下，限制其程度。
例如，图5A示出了在存在大的旋转角的情况下，在可倾斜结构62沿第一方向(图4的箭头R1)旋转期间，突出部/抵接表面对83A的接合。该接合确保了在沿平行于对称轴线A的方向上的冲击的情况下，可倾斜结构62可以在该方向上运动距离d1或d2(取决于碰撞的作用方式)，从而避免了在弹性悬挂元件66A、66B上和弹性解耦元件74A至74D上的过大的应力。
因此，致动结构70不仅沿着旋转轴线B而且沿着对称轴线A在可倾斜平面AB中具有高的刚度，并且总体上，微机电装置60在平面方向上是鲁棒的。
根据本说明书的另一方面，微机电装置60具有竖直止动结构90(在可倾斜结构62的静止状态下，垂直于可倾斜结构62的可倾斜平面AB，平行于第三笛卡尔轴线Z)。
详细地，参考图5和图6，竖直止动结构90包括与后止动表面92协作的止动支柱91。
详细地，止动支柱91从驱动臂72A至72D的后侧朝向腔63的内部突出，并且与驱动臂72A至72D是刚性的。例如，竖直止动结构90可以包括四个止动支柱91，对于每个驱动臂72A至72D各一个止动支柱91，这些止动支柱91被布置在驱动臂的梯形的小基座80附近(如在图5中针对第一驱动臂72A用虚线表示)。
后止动表面92由图6中所图示的盖结构93形成。如从该图中可以看出，腔63在后部由例如半导体材料的基本上平行六面体的主体封闭，从而形成盖结构93。特别地，盖结构93具有形成后止动表面92的、面向腔63的顶表面，并且盖结构93通过例如氧化硅或聚合材料的粘合层95键合至固定结构64的框架64'。面向腔63的凹部96被形成在盖结构93中，并且在可倾斜结构62下方从后止动表面92朝向盖结构93的内部延伸，以使得可倾斜结构62在使用中能够自由旋转。
如从图6中可以看出的，止动支柱91具有如下的高度，该高度使得止动支柱91的自由的底端被布置在距后止动表面92某一距离处。因此，止动支柱91使得在致动运动期间，驱动臂72A至72D的内端部能够自由旋转，并且因此可倾斜结构62能够自由旋转，但是在冲击指向平面外的情况下，止动支柱91限制了驱动臂72A至72D的内端部的竖直运动。
如在图6中再次示出并且如已经在与上文引用的意大利专利申请第102018000011112号相对应的美国专利申请公开第20200192199号(通过引用并入)中描述，可倾斜结构62具有加固元件94，这些加固元件94平行于第三笛卡尔轴线Z朝向凹部96延伸。加固元件94与可倾斜结构62是刚性的，并且具有用于可倾斜结构62的机械加固的功能。
在所图示的实施例中，加固元件94和止动支柱91具有相同的高度(在平行于第三笛卡尔轴线Z的方向上)并且可以同时被形成。例如，在所图示的实施例中，其中固定结构64、可倾斜结构62以及弹性元件74A至74D和66A、66B在半导体材料的结构层或晶片中被单片式地制造，加固元件94和止动支柱91可以通过深蚀刻(deep etch)结构层或晶片以形成腔63而同时被形成。
在该情况下，加固元件94和止动支柱91可以具有与形成结构62、64以及弹性元件74A至74D和66A、66B的结构层或晶片相同的高度，并且止动支柱91与后止动表面92之间的距离等于粘合层95的厚度并且例如介于1μm至10μm之间。
通过这种方式，在存在平行于第三笛卡尔轴线Z(所谓的“平面外(out-of-plane)方向”)向下(即，朝向盖结构93，图6中的第一竖直方向W1)的冲击的情况下，同样由于弹性解耦元件74A至74D关于平面外运动的刚度，尽管致动结构70在平面外方向上具有高顺应性，但是驱动臂72A至72D的端部的运动被限制为等于粘合层95的厚度的值，并且因此可倾斜结构62的运动被限制为等于粘合层95的厚度的值。
图7和图8示出了一个不同的实施例，其中竖直止动结构90还包括在与第一竖直方向W1相反的方向上被引导的冲击的情况下有效的止动元件。
详细地，在图7和图8中，微机电装置60具有前裸片97，该前裸片97被耦合至固定结构64并且在反射表面62'处被设置有光通过开口98。例如，前裸片97可以由半导体材料晶片或对光不透明的其他材料形成，以用于限制进入/离开微机电装置60的辐射，并且光通过开口98可以与可倾斜结构62同心并且具有比可倾斜结构62大的面积。
前裸片97可以通过连接元件99被固定到固定结构64，这些连接元件99例如由具有细长形状的多个固定支柱形成，这些固定支柱具有被固定到框架64'的第一端和被固定到前裸片97的相对的第二端。在图7中可见被布置在绘图平面中的两个固定支柱99以及被布置在相对于绘图平面的背面的两个固定支柱99(由虚线表示)。
作为备选方案，连接结构可以由沿着前裸片97的整个***延伸的、属于前盖结构的周壁形成。
在这两种情况下，前裸片97的面向驱动臂72A至72D的底表面在光通过开口98的边缘附近形成用于驱动臂72A至72D的内端部的抵接区域；在存在向上(平行于第三笛卡尔轴线Z、图7的竖直方向W2)的冲击的情况下，该抵接区域限制了驱动臂72A至72D在所述方向上的运动。
因此，微机电装置60可以被用于微型投影仪101中，该微投影仪适于被功能性地耦合至便携式电子设备100，如下文中参考图8至图10所描述的。
详细地，图9的微型投影仪101包括：光源102，例如激光源，用于生成光束103；微机电装置60，用于接收光束103并将光束103引向屏幕或显示表面105(在微型投影仪101外部并且被布置在距微型投影仪101一定距离处)；第一驱动电路106，用于将合适的控制信号提供给光源102，以用于根据待投影的图像来生成光束103；第二驱动电路108，用于将控制信号提供给偏压电压生成器76、77，以用于致动微机电装置60；以及通信接口109，用于从例如在便携式设备100(图9和图10)中所包括的外部控制单元110，例如以像素阵列的形式接收关于待生成的图像的信息。该信息被输入以驱动光源102。
微型投影仪101可以被制造为相对于相关联的便携式电子设备100(例如，移动电话或智能电话)的、分离且独立的附件，如图9中所图示。在该情况下，微型投影仪101通过合适的电气和机械连接元件(未详细图示)被耦合至便携式电子设备100。在此，微型投影仪101具有其自己的壳体131，该壳体131具有对来自微机电装置60的光束103透明的至少一个部分131'；微型投影仪1的壳体131以可拆卸的方式被耦合至便携式电子设备100的相应壳体132。
备选地，如图11中所图示，微型投影仪101可以被集成在便携式电子设备100内，并且被布置在便携式电子设备100的壳体132内。在该情况下，便携式电子设备100具有对来自微机电装置60的光束103透明的相应部分132'。在该情况下，微型投影仪101例如被耦合至便携式电子设备100的壳体132中的印刷电路板。
在另一实施例中，微机电装置60还可以被集成在观看器(viewer)150中，该观看器被配置成由用户在距他的眼睛近的距离处佩戴并且用于投影用于增强现实或虚拟现实的图像，如图12中所图示。详细地，观看器150在此包括传感器143、144，这些传感器143、144能够例如记录用户外部的现实和用户的运动(诸如他的手的运动或注视(gaze))。由传感器143、144收集的信息可以由处理单元160和由控制单元110进行处理，以便将特定于所期望的应用的图像投影在观看器150的透镜165上。
能够利用所描述的微机电装置60获得的优点从上文中显而易见。
特别地，需要强调的是，由于止动结构与致动结构70的耦合，止动结构在可倾斜结构62的经旋转的状态下也有效，使得微机电装置60具有高鲁棒性。
最后，应当清楚的是，可以对本文中描述和图示的微机电装置进行修改和改变，而不脱离如所附权利要求书中所限定的本公开的范围。
例如，即使所图示的实施例涉及微镜，该微镜(micromirror)可以被致动以用于以线性或准静态运动执行慢的竖直扫描，但是微机电装置并不限于此，而是可以形成具有低频谐振运动的微镜装置或具有压电驱动的且弹性地悬挂的可倾斜结构的、不同的非光学类型的装置，其位移应被限制在垂直于旋转轴线的方向上。
此外，如所提及的，突出部81A至81D和凹部82A至82D可以变换位置；同样地，可以使止动支柱91从盖结构93突出，而不是从驱动臂72A至72D突出。
凹部82A至82D可以由简单的抵接壁代替；在该情况下，为了在两个方向上限制垂直于旋转轴线B的平面内(in-plane)运动，横向壁可以相对于旋转轴线B对称地布置，和/或可以针对给定的致动臂设置第一横向壁(例如，针对第一突出部/抵接表面对83A设置第一壁84A)并且可以针对同一对中的致动臂设置第二横向壁(在上文所考虑的示例中，第三突出部/抵接表面对83C的第二横向壁85A)。
在一些应用中，光通过开口98可以由对所关注的频率范围内的电磁辐射透明的区形成。

Claims (20)

1.一种微机电装置，包括：
固定结构，具有腔；
可倾斜结构，被弹性地悬挂在所述腔上方，所述可倾斜结构在可倾斜平面中具有主延伸部，并且所述可倾斜结构被配置成能够绕平行于所述可倾斜平面的至少一个旋转轴线旋转；
悬挂结构，将所述可倾斜结构弹性地耦合到所述固定结构，并且包括沿所述旋转轴线纵向延伸的支撑元件和弹性悬挂元件；
压电致动结构，至少包括第一驱动臂和第二驱动臂，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂承载相应的压电材料区，并且在所述至少一个旋转轴线的相对侧延伸，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被刚性地耦合至所述固定结构，并且由与所述弹性悬挂元件不同的相应的弹性解耦元件弹性地耦合至所述可倾斜结构；以及
止动结构，与所述悬挂结构和所述压电致动结构不同，被配置成：在所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线旋转期间，限制所述可倾斜结构相对于所述致动结构沿着平行于所述可倾斜平面、并垂直于所述至少一个旋转轴线的平面方向的运动，所述止动结构至少包括：被形成在所述第一驱动臂与所述可倾斜结构之间的第一平面止动元件、以及被形成在所述第二驱动臂与所述可倾斜结构之间的第二平面止动元件。
2.根据权利要求1所述的微机电装置，其中所述第一驱动臂和所述第二驱动臂在所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的第一耦合部处被耦合至所述固定结构，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂在所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的第二耦合部处被耦合至所述可倾斜结构；并且其中所述可倾斜结构具有第一止动部，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂中的每个驱动臂在所述第二耦合部处均具有相应的第二止动部。
3.根据权利要求2所述的微机电装置，其中所述第一平面止动元件和所述第二平面止动元件各自包括突出部和抵接表面，每个平面止动元件的所述突出部与在所述第一止动部与所述第二止动部之间被选择的止动部是刚性的，并且每个平面止动元件的所述抵接表面与另一止动部是刚性的，所述突出部和所述抵接表面面向所述平面方向、并横向于所述平面方向延伸。
4.根据权利要求3所述的微机电装置，其中所述抵接表面由凹部的侧壁形成，并且在所述微机电装置的静止状态下，所述突出部在所述凹部内以与所述凹部的所述侧壁相距一定距离的方式延伸。
5.根据权利要求3所述的微机电装置，其中所述第一驱动臂和所述第二驱动臂具有纵向延伸部，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂具有第一端和第二端，所述第一端被刚性地耦合至所述固定结构，所述第二端相对于所述第一端纵向相对、并且通过相应的弹性解耦元件被弹性地耦合至所述可倾斜结构，其中每个平面止动元件的所述突出部从相应的驱动臂的所述第二端相对于相应的弹性解耦元件侧向地延伸。
6.根据权利要求1所述的微机电装置，还包括第三驱动臂和第四驱动臂，所述第三驱动臂和所述第四驱动臂被布置在与所述至少一个旋转轴线相对的一侧，并且所述第三驱动臂和所述第四驱动臂被布置为关于所述可倾斜平面的所述平面方向分别与所述第一驱动臂和所述第二驱动臂对称；其中所述第三驱动臂和所述第四驱动臂承载相应的压电材料区，并且通过相应的弹性解耦元件在所述旋转轴线的相对侧被弹性地耦合至所述可倾斜结构；并且其中所述止动结构还包括：被形成在所述第三驱动臂与所述可倾斜结构之间的第三平面止动元件、以及被形成在所述第四驱动臂与所述可倾斜结构之间的第四平面止动元件。
7.根据权利要求1所述的微机电装置，其中所述止动结构还包括：被形成在所述第一驱动臂与所述固定结构之间的至少一个第一竖直止动元件、以及被形成在所述第二驱动臂与所述固定结构之间的第二竖直止动元件，所述第一竖直止动元件和所述第二竖直止动元件被配置成：限制所述可倾斜结构沿着垂直于所述可倾斜平面、并指向所述腔的竖直方向的运动。
8.根据权利要求7所述的微机电装置，其中所述第一竖直止动元件和所述第二竖直止动元件各自包括支柱和止动表面，每个支柱从相应的驱动臂在横向于所述可倾斜结构的方向上延伸、并且具有自由端，并且每个止动表面面向相应的支柱的所述自由端。
9.根据权利要求8所述的微机电装置，其中：
所述第一驱动臂和所述第二驱动臂中的每个驱动臂具有面向所述腔的第一平面表面、以及与所述第一平面表面相对的第二平面表面；
所述固定结构包括框架结构和盖元件，所述框架结构围绕所述腔，所述盖元件被固定至所述框架结构、并在所述可倾斜结构下方延伸，并且与所述框架结构一起界定所述腔；并且
每个竖直止动元件的所述支柱从相应的驱动臂的所述第一平面表面延伸，并且每个竖直止动元件的所述止动表面由所述盖元件形成。
10.根据权利要求6所述的微机电装置，其中所述止动结构还包括：被形成在所述第三驱动臂与所述固定结构之间的至少一个第三竖直止动元件、以及被形成在所述第四驱动臂与所述固定结构之间的第四竖直止动元件，所述第三竖直止动元件和所述第四竖直止动元件被配置成：限制所述可倾斜结构沿着垂直于所述可倾斜平面、并指向所述腔的所述竖直方向的运动。
11.根据权利要求1所述的微机电装置，其中所述止动结构还包括：被形成在所述第一驱动臂与所述固定结构之间的至少一个第五竖直止动元件、以及被形成在所述第二驱动臂与所述固定结构之间的第六竖直止动元件，所述第五竖直止动元件和所述第六竖直止动元件被配置成：限制所述可倾斜结构沿着垂直于所述可倾斜平面远离所述腔的竖直方向的运动。
12.根据权利要求11所述的微机电装置，其中所述第五竖直止动元件和所述第六竖直止动元件由裸片形成，所述裸片与所述固定结构是刚性的，并且所述裸片在所述裸片与所述腔相对的一侧上在所述可倾斜结构上方延伸，所述裸片具有透光部分，所述透光部分与所述可倾斜结构竖直对准、并且由形成用于所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的抵接结构的边缘部分界定。
13.一种用于便携式电子设备中的微型投影仪设备，包括：
光源，可操作用于根据待生成的图像来生成光束；
微机电装置，所述光束撞击在所述微机电装置上，所述微机电装置包括：
固定结构，具有腔；
可倾斜结构，被弹性地悬挂在所述腔上方、并且在可倾斜平面中具有主延伸部，所述可倾斜结构能够绕平行于所述可倾斜平面的至少一个旋转轴线旋转；
悬挂结构，将所述可倾斜结构弹性地耦合到所述固定结构，并且包括沿所述旋转轴线纵向延伸的支撑元件和弹性悬挂元件
压电致动结构，至少包括第一驱动臂和第二驱动臂，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂承载相应的压电材料区，并且在所述至少一个旋转轴线的相对侧延伸，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被刚性地耦合至所述固定结构，并且由与所述弹性悬挂元件不同的相应的弹性解耦元件弹性地耦合至所述可倾斜结构；以及
止动结构，与所述悬挂结构和所述压电致动结构不同，被配置成：在所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线旋转期间，限制所述可倾斜结构相对于所述致动结构沿着平行于所述可倾斜平面、并垂直于所述至少一个旋转轴线的平面方向的运动，所述止动结构至少包括：被形成在所述第一驱动臂与所述可倾斜结构之间的第一平面止动元件、以及被形成在所述第二驱动臂与所述可倾斜结构之间的第二平面止动元件；以及
驱动电路，被配置成提供用于引起所述可倾斜结构的所述旋转的电驱动信号。
14.根据权利要求13所述的微型投影仪设备，其中所述便携式电子设备是用于增强现实或虚拟现实的观看器。
15.根据权利要求13所述的微型投影仪设备，其中所述第一驱动臂和所述第二驱动臂在所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的第一耦合部处被耦合至所述固定结构，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂在所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的第二耦合部处被耦合至所述可倾斜结构；并且其中所述可倾斜结构具有第一止动部，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂中的每个驱动臂在所述第二耦合部处均具有相应的第二止动部。
16.根据权利要求15所述的微型投影仪设备，其中所述第一平面止动元件和所述第二平面止动元件各自包括突出部和抵接表面，每个平面止动元件的所述突出部与在所述第一止动部与所述第二止动部之间被选择的止动部是刚性的，并且每个平面止动元件的所述抵接表面与另一止动部是刚性的，所述突出部和所述抵接表面面向所述平面方向、并横向于所述平面方向延伸。
17.根据权利要求16所述的微型投影仪设备，其中所述抵接表面由凹部的侧壁形成，并且在所述微机电装置的静止状态下，所述突出部在所述凹部内以与所述凹部的所述侧壁相距一定距离的方式延伸。
18.根据权利要求16所述的微型投影仪设备，其中所述第一驱动臂和所述第二驱动臂具有纵向延伸部，并且所述第一驱动臂和所述第二驱动臂具有第一端和第二端，所述第一端被刚性地耦合至所述固定结构，所述第二端相对于所述第一端纵向相对、并且通过相应的弹性解耦元件被弹性地耦合至所述可倾斜结构，其中每个平面止动元件的所述突出部从相应的驱动臂的所述第二端相对于相应的弹性解耦元件侧向地延伸。
19.根据权利要求13所述的微型投影仪设备，其中所述止动结构还包括：被形成在所述第一驱动臂与所述固定结构之间的至少一个第一竖直止动元件、以及被形成在所述第二驱动臂与所述固定结构之间的第二竖直止动元件，所述第一竖直止动元件和所述第二竖直止动元件被配置成：限制所述可倾斜结构沿着垂直于所述可倾斜平面、并指向所述腔的竖直方向的运动。
20.根据权利要求19所述的微型投影仪设备，其中所述第一竖直止动元件和所述第二竖直止动元件各自包括支柱和止动表面，每个支柱从相应的驱动臂在横向于所述可倾斜结构的方向上延伸，并且具有自由端，并且每个止动表面面向相应的支柱的所述自由端。
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