CN117242701A - 微机械谐振器晶圆组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机械谐振器晶圆组件，包括支撑外致动器层的致动器晶圆。外致动器层包括用于由电驱动信号驱动的振荡部分。微机械谐振器晶圆组件还包括安装在致动器晶圆上方的器件晶圆。器件晶圆包括多个内致动器。每个内致动器包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体。器件晶圆物理连接到致动器晶圆，以使得每个内致动器与外致动器层形成耦合的振荡***，用于激发相应的内致动器的振荡体。微机械谐振器晶圆组件通过使用外致动器层，提供每个内致动器的振荡体的外部致动，因此提供增大的扫描角度和快速的启动时间。
Description
技术领域
本公开总体上涉及微机电器件领域；并且更具体地，涉及微机械谐振器晶圆组件和制造微机械谐振器晶圆组件的方法。
背景技术
总体上，微机电***(micro-electro-mechanical system，MEMS)是一种依据使用微制造技术制成的小型机械元件或机电元件来定义的技术。通常，这种机械元件或机电元件的物理维度从一微米到数百微米(100×10-6)不等。
通常，传统的微机械谐振器(例如，传统的微机械谐振器组件)包括MEMS镜，该MEMS镜通过使用内部压电薄膜层或静电梳齿驱动来致动，或通过磁力刺激来致动。基于前述内部致动解决方案的传统微机械谐振器的致动能量有限，因此对于一维(one dimensional，1D)和二维(two dimensional，2D)的传统MEMS镜都显现出较小的扫描角度。造成致动能量有限的原因是从传统微机械谐振器的传统致动结构到MEMS镜的能量转移较低。另外，现有的微机械谐振器显现出不合需要的高功耗和慢启动时间。因此，存在效率低下的微机械谐振器显现出扫描角度小、功耗高、启动时间慢、制造成本高的技术问题。
因此，有鉴于前述讨论，需要克服上述提到的与传统微机械谐振器及其制造相关联的不足。
发明内容
本公开旨在提供一种微机械谐振器晶圆组件和一种用于制造微机械谐振器晶圆组件的方法。针对现有的效率低下的微机械谐振器显现出扫描角度小、功耗高、启动时间慢、制造成本高(例如，制造时需要成本密集的装配过程)的技术问题，本公开旨在提供一种解决方案。本公开的目标是提供一种解决方案，该解决方案至少部分地克服了现有技术中遇到的问题，并且提供了一种改进的且具有成本效益的微机械谐振器晶圆组件，与现有的微机械谐振器相比，该微机械谐振器晶圆组件的扫描角度增大并且同时显现出低功耗和快速的启动时间。
本公开的目的通过在所附独立权利要求中提供的方案实现。本公开的有利实施方式在从属权利要求中进一步定义。
在一个方面，本公开提供了一种微机械谐振器晶圆组件。该微机械谐振器晶圆组件包括支撑外致动器层的致动器晶圆，该外致动器层包括用于由电驱动信号驱动的振荡部分。该微机械谐振器晶圆组件还包括安装在致动器晶圆上方的器件晶圆，该器件晶圆包括多个内致动器，每个所述内致动器包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体，振荡体的振荡具有一个或多个本征频率。器件晶圆物理连接到致动器晶圆，以使得每个内致动器与外致动器层形成耦合的振荡***，用于当以被选择为激发内致动器的振荡体的谐振振荡或近谐振振荡的频率来激励外致动器层的振荡部分时，通过将能量从振荡部分转移到振荡体，来激发相应的内致动器的振荡体。
与传统的微机械谐振器相比，微机械谐振器晶圆组件能够以低功耗实现较大的扫描角度。例如，通过所公开的微机械谐振器晶圆组件，以毫瓦特范围内的低功耗和改进的启动时间(例如小于1秒)，对于一维(1D)振荡体实现了高达180°的大扫描角度，而对于二维(2D)振荡体实现了高达100°x 100°的大扫描角度。与传统的微机械谐振器相比之下，微机械谐振器晶圆组件具有外致动器层，当外致动器层的振荡部分被激励时，实现了从振荡部分到对应的内致动器的振荡体的较高能量传递。这使得微机械谐振器晶圆组件与现有的微机械谐振器相比，能够以低功耗实现较大的扫描角度。另外，所公开的微机械谐振器晶圆组件由于其制造复杂度低而具有成本效益。
在一种实施形式中，器件晶圆与致动器晶圆键合在一起。
将器件晶圆与致动器晶圆键合简化了制造过程，使得多个微机械谐振器组件并行的大批量制造成为可能，从而降低了整体成本，并且提高了微机械谐振器晶圆组件的产品质量(例如鲁棒性)。
在另一种实施形式中，微机械谐振器晶圆组件还包括封盖晶圆，该封盖晶圆键合在器件晶圆上方并且包括至少一个光学窗口。
封盖晶圆放置在器件晶圆上方以形成用于振荡体的低空气阻尼工作的密封真空腔。此外，封盖晶圆为微机械谐振器晶圆组件的各种部件提供环境保护，例如，保护部件免受灰尘和湿气。光学窗口为封装在微机械谐振器晶圆组件内的振荡体的高效移动提供了空腔。
在另一种实施形式中，光学窗口为3D形状。
通过光学窗口的3D形状，确保了振荡体的高效运动和环境保护。
在另一种实施形式中，微机械谐振器晶圆组件还包括键合在致动器晶圆与器件晶圆之间的隔离件晶圆。
在这一情况下，隔离件晶圆(也可以称为距离保持器晶圆)为振荡体的增强的无摩擦运动增加器件晶圆与致动器晶圆之间的距离。特别地，隔离件防止振荡体碰撞晶圆组件，从而避免振荡时的机械冲击，尤其是在振荡幅度大的情况下避免机械冲击。
在另一种实施形式中，每个内致动器包括内部传感器，该内部传感器用于允许通过驱动装置读取出内致动器的振荡体的位置反馈信号。
内部传感器允许驱动装置读取出振荡体的位置反馈信号，以便驱动振荡体的稳定振幅工作。
在另一种实施形式中，外致动器层为具有图案化金属电极的压电层，图案化金属电极被配置为面向器件晶圆中的对应的内致动器并且连接到驱动部分以接收电驱动信号。
通过外致动器层与驱动部分之间的电连接，将电驱动信号施加到压电层。在施加电驱动信号时，压电层进行机械运动(例如弯曲模态振动)并进一步致动振荡体使其关于其轴振荡。
在另一种实施形式中，外致动器层为包括底层、压电层、和顶层的堆叠式压电结构，底层包括一个或多个底部图案化电极，压电层位于底层上方，顶层位于压电层上方并且包括一个或多个顶部图案化电极。
在施加电驱动信号时，外致动器层的堆叠式压电结构执行运动或振动。堆叠式压电结构的运动或振动以运动或振动的形式将机械能(例如致动能量)转移到振荡体，并且致动振荡体使其关于其轴振荡。此外，堆叠式压电结构提供了鲁棒的微机械谐振器组件，并且在工作时易于操作。
在另一种实施形式中，外致动器层包括压电层和无源层的交替序列，该序列具有至少一个压电层和至少一个无源层。
通过压电层和无源层的交替序列，外致动器层能够执行弯曲运动以致动振荡体。
在另一种实施形式中，致动器晶圆包括具有图案化压电区域的陶瓷基板。
致动器晶圆包括陶瓷基板，该陶瓷基板具有优异的耐热性、高机械强度、并且为开发致动器晶圆提供了更低成本的选择。此外，提供图案化压电区域以在图案化压电区域耦合到电驱动信号时致动振荡体。
在另一种实施形式中，图案化压电区域为包括底部电极、压电层、和顶部电极的堆叠式压电区域，压电层位于底部电极上方，顶部电极位于压电层上方。
通过堆叠式压电区域，图案化压电区域能够执行进一步致动振荡体的弯曲运动。
在另一种实施形式中，每个内致动器的振荡体包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。
每个内致动器的振荡体包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***，以便减少空气阻尼效应，同时使得微机械谐振器晶圆组件的品质因数(Q因数)较高。
在另一方面，本公开提供了一种用于激光扫描或激光投影***的光引擎，包括通过对微机械谐振器晶圆组件进行切单而获得的至少一个微机械谐振器组件。
该光引擎能够控制激光射线的偏转，以将适当的图像投射到诸如人眼的显示区域。该光引擎包括至少一个微机械谐振器组件，该微机械谐振器组件允许激光扫描或激光投影***以低功耗实现增大的扫描角度。此外，激光扫描或激光投影***的启动时间减少，具有成本效益，且具有鲁棒的质量。
在一种实施形式中，激光投影或激光扫描***包括光引擎，诸如增强现实(augmented reality，AR)或虚拟现实(virtual reality，VR)眼镜或头盔或者光检测和测距(light detection and ranging，LiDAR)***。
包含光引擎的激光投影或激光扫描***可以应用在增强现实(AR)或虚拟现实(VR)眼镜或头盔或者光检测和测距(LiDAR)***中，这提供了从110°至180°的极大扫描角度和小于1秒的极快启动时间。
在又一方面，本公开提供了一种制造微机械谐振器晶圆组件的方法。该方法包括支撑外致动器层的致动器晶圆，该外致动器层包括用于由电驱动信号驱动的振荡部分。该方法还包括安装在致动器晶圆上方的器件晶圆，该器件晶圆包括多个内致动器，每个内致动器包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体。该方法还包括将器件晶圆与致动器晶圆物理连接在一起，以使得每个内致动器与外致动器层形成耦合的振荡***，用于通过将能量从振荡部分转移到对应的振荡体，来激发所述对应的振荡体。
制造微机械谐振器晶圆组件的方法具有成本效益，并且会使微机械谐振器晶圆组件中的致动几何构造得到改进。换句话说，通过使用本文提出的方法制造的微机械谐振器晶圆组件以较低功耗实现了例如高达180°的极大扫描角度和小于1s的极快启动时间。此外，本方面的制造微机械谐振器晶圆组件的方法实现了微机械谐振器晶圆组件的所有优点和效果。
在一种实施形式中，该方法还包括：将器件晶圆与致动器晶圆物理连接包括将所述器件晶圆与所述致动器晶圆键合在一起。
将器件晶圆与致动器晶圆键合在一起简化了制造过程，使得多个微机械谐振器组件并行的大批量制造成为可能，从而降低了整体成本，并且提高了微机械谐振器晶圆组件的产品质量(例如鲁棒性)。
在另一种实施形式中，该方法还包括在器件晶圆上方键合封盖晶圆，封盖晶圆包括至少一个光学窗口。
在器件晶圆上方键合封盖晶圆形成了用于振荡体的低空气阻尼工作的密封真空腔。
在另一种实施形式中，光学窗口为3D形状。
通过光学窗口的3D形状，形成了腔体以用于振荡体的高效运动。
在另一种实施形式中，该方法还包括在致动器晶圆与器件晶圆之间键合隔离件晶圆。
隔离件晶圆(也可以称为距离保持器晶圆)为振荡体的增强的无摩擦运动增加了器件晶圆与致动器晶圆之间的距离。特别地，隔离件防止振荡体撞击晶圆组件，从而避免振荡时的机械冲击，尤其是在振荡幅度大的情况下避免振荡时的机械冲击。
在另一种实施形式中，每个内致动器的振荡体包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。
每个内致动器的振荡体包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***，以便减少空气阻尼效应，并且使得微机械谐振器晶圆组件的品质因数(Q因数)较高。
需要注意的是，本申请中描述的所有器件、元件、电路、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。本申请中描述的各种实体执行的所有步骤以及所描述的将由各种实体执行的功能旨在表明相应的实体适于或用于执行相应的步骤和功能。在以下具体实施例的描述中，即使将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实体的特定具体元件的描述中，本领域技术人员也应清楚，这些方法和功能可以在相应的软件或硬件元件或其任何类型的组合中实现。应理解，在不脱离由所附权利要求书定义的本公开的范围的情况下，可以对本公开的特征进行各种组合。
本公开的额外的方面、优点、特征、和目的将从附图和结合以下所附权利要求书解释的说明性实施方式的具体实施方式中变得显而易见。
附图说明
当结合附图阅读时，可以更好地理解上文中的发明内容以及下文中的说明性实施例的具体实施方式。为了说明本公开，在附图中示出了本公开的示例性结构。然而，本公开不限于本文中公开的特定方法和工具。另外，本领域技术人员应理解，附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的附图标记指示相同的元件。
现在仅通过示例的方式参考以下附图描述本公开的实施例，在附图中：
图1A是根据本公开实施例的微机械谐振器晶圆组件的示例性图示；
图1B是根据本公开另一实施例的衍生自图1A的微机械谐振器晶圆组件的多个微机械谐振器组件的示例性图示；
图1C是根据本公开实施例的图1B的第一微机械谐振器组件的振荡体的振荡运动的示例性图示；
图2是根据本公开另一实施例的衍生自微机械谐振器晶圆组件的多个微机械谐振器组件的示例性图示；
图3是根据本公开实施例的激光扫描或激光投影***的示例性图示；以及
图4是根据本公开实施例的制造微机械谐振器晶圆组件的方法的流程图。
在附图中，采用带下划线的数字表示带下划线的数字所在的项或与带下划线的数字相邻的项。不带下划线的数字与由将不带下划线的数字连接到项的线所标识的项有关。当一个数字不带下划线并具有相关联的箭头时，该不带下划线的数字用于标识箭头所指向的普通项。
具体实施方式
以下具体实施方式说明了本公开实施例以及可以实现这些实施例的方式。尽管已经公开了实现本公开的一些模式，但本领域技术人员将认识到，其他用于实现或实践本公开的实施例也是可能的。
图1A是根据本公开实施例的微机械谐振器晶圆组件的示例性图示。参考图1A，示出了微机械谐振器晶圆组件100A。微机械谐振器晶圆组件100A包括致动器晶圆102和器件晶圆104。器件晶圆104包括多个内致动器106。
微机械谐振器晶圆组件100A是两级晶圆堆叠，其中一个晶圆层级通过使用晶圆级封装技术键合到另一晶圆层级。对微机械谐振器晶圆组件100A的两级晶圆堆叠进行切割(diced)或锯切(sawn)，以便获得多个微机械谐振器或多个微机械谐振器组件。在另一实施例中，微机械谐振器晶圆组件100A可以指三级晶圆堆叠。通过切割或锯切微机械谐振器晶圆组件100A而获得的多个微机械谐振器被用在光投影***中。这种光投影***的示例包括但不限于激光投影***、激光扫描***、光检测和测距(LiDAR)***、基于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的眼镜、头盔等。
致动器晶圆102包括由例如锆钛酸铅(lead zirconate titanate，PZT)、氮化铝(aluminium nitride，AlN)、氮化铝钪(aluminium scandium nitride，AlScN)、或其他铁电材料制成的堆叠式压电结构。致动器晶圆102的堆叠式压电结构用于执行弯曲模态振动。弯曲模态振动是指当向致动器晶圆102所包括的堆叠式压电结构施加电信号(例如电压或电流信号)时所引起的弯曲运动。
器件晶圆104包括多个内致动器106。器件晶圆104安装在致动器晶圆102上方以形成微机械谐振器晶圆组件100A的两级晶圆堆叠。
多个内致动器106也可以称为微镜元件或微镜裸片(die)。多个内致动器106用于将致动能量(例如电能或机械能)从致动器晶圆102转移到多个内致动器106中的每个内致动器包括的振荡体(未示出)。致动能量激发振荡体的一个或多个本征频率并引起振荡体关于其轴线振荡。多个内致动器106也可以称为压电致动器或静电致动器。
图1B是根据本公开实施例的衍生自图1A的微机械谐振器晶圆组件的多个微机械谐振器组件的示例性图示。结合图1A中的元件描述图1B。参考图1B，示出了衍生自图1A的微机械谐振器晶圆组件100A的多个微机械谐振器组件的示例性图示100B。还示出了封盖晶圆108和多个微机械谐振器组件110，该多个微机械谐振器组件110包括第一微机械谐振器组件110A、第二微机械谐振器组件110B、第三微机械谐振器组件110C、和第四微机械谐振器组件110D。多个微机械谐振器组件110中的每个微机械谐振器组件包括外致动器层112、振荡体114、微镜裸片116、和封闭真空封装腔118。外致动器层112包括压电层112A、顶层112B、底层112C、和振荡部分120。
在一个实施方式中，微机械谐振器晶圆组件100A包括致动器晶圆102、器件晶圆104、以及额外的封盖晶圆108。封盖晶圆108放置在器件晶圆104上方以形成用于振荡体114的低空气阻尼工作的密封真空腔。此外，封盖晶圆108为多个微机械谐振器组件110的各种部件提供环境保护，诸如保护部件免受灰尘和湿气。封盖晶圆108也可以称为玻璃晶圆。
微机械谐振器晶圆组件100A经过切单(singulation)工艺以形成多个微机械谐振器组件110。切单工艺也可以称为切割或锯切。切单工艺是将微机械谐振器晶圆组件100A减少为多个微机械谐振器组件110的工艺。多个微机械谐振器组件110包括第一微机械谐振器组件110A、第二微机械谐振器组件110B、第三微机械谐振器组件110C、和第四微机械谐振器组件110D。
在微机械谐振器晶圆组件100A中，致动器晶圆102用于支撑外致动器层112，该外致动器层112包括用于由电驱动信号驱动的振荡部分120。当向外致动器层112施加电驱动信号时，振荡部分120执行例如弯曲模态振动的各种机械运动。造成这一现象的原因是外致动器层112包括堆叠在图案化金属电极之间的压电层。因此，振荡部分120通过压电层执行弯曲模态振动。
器件晶圆104安装在致动器晶圆102上方，该器件晶圆104包括多个内致动器106。每个内致动器106包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体114，并且该振荡体114具有一个或多个本征频率。外致动器层112的振荡部分120的弯曲模态振动(即机械运动)转化为多个内致动器106的振动，进一步引起振荡体114的振荡运动。多个内致动器106的振动将振动能量(或致动能量)转移到振荡体114并激发振荡体114关于其轴线振荡。振荡体114用于关于一个或多个轴振荡，因此具有一个或多个本征频率。在一个示例中，振荡体114可以关于一个轴振荡以执行关于该轴的振荡旋转运动。在另一示例中，振荡体114可以关于例如第一轴和第二轴的两个轴振荡，并且这两个轴彼此垂直。振荡体114也可以称为镜板(mirrorplate)或(定义为在弹簧上安装镜板的)镜板弹簧***。
器件晶圆104物理连接到致动器晶圆102，以使得每个内致动器106与外致动器层112形成耦合的振荡***，该耦合的振荡***用于当以被选择为激发内致动器106的振荡体114的谐振振荡或近谐振振荡的频率来激励外致动器层112的振荡部分120时，通过将能量从振荡部分120转移到振荡体114，来激发相应的内致动器106的振荡体114。当将所选择的频率的电驱动信号(即电压或电流信号)施加到外致动器层112时，振荡部分120执行弯曲模态振动，进而引起多个内致动器106的振动。因此，多个内致动器106(或微镜裸片)和外致动器层112的振荡部分120形成耦合的振荡***。该耦合的振荡***通过将振动能量从振荡部分120转移到振荡体114来激发振荡体114的谐振振荡或近谐振振荡。以使得振荡体114以其谐振频率或接近其谐振频率(即本征频率)的频率振荡的方式，选择施加到外致动器层112的电驱动信号的频率。以其谐振频率或以近谐振频率振荡的振荡体114获得增加的振荡幅度，从而用低功耗引起较大的扫描角度。
根据一个实施例，器件晶圆104与致动器晶圆102键合在一起。通过使用诸如阳极键合(anodicbonding)、玻璃浆料键合(glassfritbonding)等各种晶圆键合方法，将器件晶圆104键合在致动器晶圆102上方。键合堆叠是指微机械谐振器晶圆组件100A的两级晶圆堆叠，该两级晶圆堆叠被进一步切割或锯切为单个镜模块，诸如多个微机械谐振器组件110。
根据一个实施例，微机械谐振器晶圆组件100A还包括封盖晶圆108，该封盖晶圆108被键合在器件晶圆104上方并且包括至少一个光学窗口。封盖晶圆108放置在器件晶圆104上方以形成微机械谐振器晶圆组件100A的三级晶圆堆叠。三级晶圆堆叠包括在致动器晶圆102上方的器件晶圆104和在器件晶圆104上方的封盖晶圆108。通过使用诸如阳极键合、玻璃浆料键合等各种晶圆键合方法，将封盖晶圆108键合在器件晶圆104上方。封盖晶圆108包括至少一个光学窗口，该光学窗口提供了腔体以用于封装在微机械谐振器晶圆组件100A内的振荡体114的高效运动。
根据一个实施例，光学窗口为3D形状。在一个实施方式中，封盖晶圆108可以指三维(3-D形状的)玻璃晶圆。在这种实施方式中，光学窗口或者是倾斜的或者具有类似圆顶的形状。
在一个实施例中，微机械谐振器晶圆组件100A还包括键合在致动器晶圆102和器件晶圆104之间的隔离件晶圆。例如，在图2中详细描述了键合在致动器晶圆102和器件晶圆104之间的隔离件晶圆的示例性实施方式。键合在致动器晶圆102和器件晶圆104之间的隔离件晶圆通过使用诸如阳极键合、玻璃浆料键合等各种晶圆键合方法形成三级晶圆堆叠。
根据一个实施例，每个内致动器106包括内部传感器，该内部传感器用于允许通过驱动装置读取出该内致动器106的振荡体114的位置反馈信号。内部传感器允许驱动装置读取出振荡体114的位置反馈信号。振荡体114的位置反馈信号施加在闭环中，以便控制振荡体114的振荡。这将引起振荡体114的稳定幅度工作。驱动装置的示例可以包括但不限于诸如放大器、电容器、电感器、电阻器等电子部件。
根据一个实施例，外致动器层112是具有图案化金属电极的压电层，该图案化金属电极用于面向器件晶圆104中的对应的内致动器106并被连接到驱动部分以接收电驱动信号。在一个实施方式中，外致动器层112是具有图案化金属电极的压电层。外致动器层112(即压电层)一端连接到对应的内致动器106，另一端连接到驱动部分。通过驱动部分与外致动器层112之间的电连接将电驱动信号施加到外致动器层112。因此，外致动器层112作为压电层执行例如弯曲模态振动的机械运动。以此方式产生的振动能量通过外致动器层112与对应的内致动器106之间的连接转移到对应的内致动器106(或微镜裸片)。这将进一步引起振荡体114(或镜板弹簧***)的振荡运动。
根据一个实施例，外致动器层112是包括底层112C、压电层112A、和顶层112B的堆叠式压电结构，底层112C包括一个或多个底部图案化电极，压电层112A位于底层112C上方，顶层112B位于压电层112A上方并且包括一个或多个顶部图案化电极。在另一实施方式中，外致动器层112可以是堆叠式压电结构。该堆叠式压电结构包括放置在底层112C和顶层112B之间的压电层112A。此外，底层112C和顶层112B包括图案化电极。用于压电层112A的材料可以包括但不限于锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氮化铝钪(AlScN)、或其他铁电材料。
根据一个实施例，外致动器层112包括压电层和无源层的交替序列，该序列具有至少一个压电层和至少一个无源层。在另一实施方式中，外致动器层112可以具有压电层和无源层(即非压电层)的交替序列以形成双晶(bi-morph)结构、三晶(tri-morph)结构、或多层结构。外致动器层112的双晶结构包括一个压电层和一个无源层。外致动器层112的三晶结构包括两个压电层和一个无源层，布置成使得无源层放置在两个压电层之间。外致动器层112的多层结构包括布置为交替序列的多个压电层和多个无源层。以此方式，外致动器层112可以具有与几何构造或压电极化有关的不同配置。因此，外致动器层112由于不同的配置而在施加电驱动信号时执行不同的机械运动。
根据一个实施例，致动器晶圆102包括具有图案化压电区域的陶瓷基板。例如，在图2中详细描述了包括具有图案化压电区域的陶瓷基板的致动器晶圆102的示例性实施方式。
根据一个实施例，图案化压电区域是包括底部电极、压电层、和顶部电极的堆叠式压电区域，压电层在底部电极上方，并且顶部电极在压电层上方。例如，在图2中详细描述了作为包括底部电极、压电层、和顶部电极的堆叠式压电区域的图案化压电区域的示例性实施方式。
根据一个实施例，每个内致动器106的振荡体114包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。晶圆级真空封装的弹簧-镜板***降低了空气阻尼效应并使得微机械谐振器晶圆组件100A的品质因数(Q因数)较高。
根据一个实施例，多个微机械谐振器组件110中的一个或多个微机械谐振器组件可以在用于激光扫描或激光投影***的光引擎中使用。例如，在图3中详细描述了包括多个微机械谐振器组件110中的一个或多个微机械谐振器组件的用于激光扫描或激光投影***的光引擎的示例性实施方式。
根据一个实施例，诸如AR/VR眼镜、AR/VR头盔、或LiDAR***的激光投影或扫描***包括光引擎。包括光引擎的激光投影或扫描***的示例包括增强现实(AR)或虚拟现实(VR)眼镜或头盔、光检测和测距(LiDAR)***等。光引擎包括多个微机械谐振器组件110中的一个或多个微机械谐振器组件，以便根据需要以特定角度投影光。这些***提供高达180°的极大扫描角度和小于1秒的极快启动时间。另外，包括光引擎的激光投影或扫描***以低功耗工作并且具有鲁棒的质量。
图1C是根据本公开实施例的图1B的第一微机械谐振器组件的振荡体的振荡运动的示例性图示。结合图1A和图1B中的元件描述图1C。参考图1C，示出了连接到电驱动信号122的第一微机械谐振器组件110A。
当通过使用电驱动装置将电驱动信号122施加到外致动器层112时，振荡部分120执行由双向箭头指示的弯曲模态振动(上下弯曲运动)。振荡部分120通过外致动器层112包括的压电层(或堆叠式压电结构)执行弯曲模态振动。振荡部分120的弯曲模态振动转化为微镜裸片116的振动。微镜裸片116的振动引起振荡体114到位置114A的振荡运动。位置114A是指振荡体114(或镜板弹簧***)的振荡倾斜。
图2是根据本公开另一实施例的衍生自微机械谐振器晶圆组件的多个微机械谐振器组件的示例性图示。结合图1A、图1B、和图1C中的元件描述图2。参考图2，示出了衍生自微机械谐振器晶圆组件200A的多个微机械谐振器组件的示例性图示200。微机械谐振器晶圆组件200A包括器件晶圆104(图1A)、隔离件晶圆202、和致动器晶圆204。致动器晶圆204包括图案化压电区域206。还示出了包括第一微机械谐振器组件208A、第二微机械谐振器组件208B、第三微机械谐振器组件208C、和第四微机械谐振器组件208D的多个微机械谐振器组件208。多个微机械谐振器组件208中的每个微机械谐振器组件包括振荡体114、微镜裸片116、图案化压电区域206、和可选的腔体210。
隔离件晶圆202(也称为距离保持器晶圆)在器件晶圆104和致动器晶圆204之间提供了用于振荡体114的增强的无摩擦运动的距离。特别地，隔离件晶圆202防止振荡体114碰撞晶圆组件，从而避免振荡时的机械冲击，尤其是在振荡幅度大的情况下避免振荡时的机械冲击。隔离件晶圆202、器件晶圆104、和致动器晶圆204对齐，以使得器件晶圆104被键合在隔离件晶圆202上方，并且隔离件晶圆202被布置在致动器晶圆204上方。隔离件晶圆202与器件晶圆104和致动器晶圆204键合以形成微机械谐振器晶圆组件200A的三级晶圆堆叠。使用可以包括但不限于阳极键合、玻璃浆料键合等的晶圆键合方法，将微机械谐振器晶圆组件200A的三级晶圆堆叠键合在一起。
致动器晶圆204包括具有图案化压电区域206的陶瓷基板。陶瓷基板显现出耐热性、高机械强度、和更低的开发致动器晶圆204的成本。图案化压电区域206是包括底部电极、压电层、和顶部电极的堆叠式压电区域，压电层在底部电极上方，并且顶部电极在压电层上方。通过沉积和蚀刻步骤对图案化压电区域206进行预处理。用于压电层的材料可以包括但不限于锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氮化铝钪(AlScN)、或其他铁电材料。用于顶部电极和底部电极的材料可以包括但不限于铜、铝、钨等。
微机械谐振器晶圆组件200A的三级晶圆堆叠被切割为多个微机械谐振器组件208，该多个微机械谐振器组件208包括第一微机械谐振器组件208A、第二微机械谐振器组件208B、第三微机械谐振器组件208C、和第四微机械谐振器组件208D。替代地，也可以使用锯切来分离微机械谐振器晶圆组件200A的晶圆。在一个实施方式中，器件晶圆104可以被锯切为多个镜面芯片，之后将每个镜面芯片转移或键合到致动器晶圆204的陶瓷基板。
多个微机械谐振器组件208中的每个微机械谐振器组件包括可选的腔体210，该腔体210用于提供致动器晶圆204的图案化压电区域206的独立式结构。
在工作时，当电驱动信号(例如电压或电流信号)被施加到致动器晶圆204时，电驱动信号引起图案化压电区域206的运动。如果图案化压电区域206是卡接结构，则图案化压电区域206的运动可以是伸长和收缩运动，或者如果图案化压电区域206是独立式结构，则图案化压电区域206的运动是弯曲运动。在这一实施例中，图案化压电区域206通过可选的腔体210被用作独立式结构并且因此执行弯曲运动。图案化压电区域206的弯曲运动引起振动能量转移到微镜裸片116，进一步引起多个微机械谐振器组件208中的每个微机械谐振器组件的振荡体114的振荡运动。
图3是根据本公开实施例的激光扫描或激光投影***中的微机械谐振器组件的示例性实施方式的图示。结合图1A、图1B、图1C、和图2中的元件描述图3。参考图3，示出了包括光引擎302的激光投影***300。光引擎302还包括微控制器304、红绿蓝(red-green-blue，RGB)激光器306、多个光学元件308、和微机械谐振器组件310。还示出了多条投影射线312、反射表面314、和人眼316。多个光学元件308包括光学透镜308A和棱镜308B。
激光投影***300(或激光投影仪)用于将激光束投影在屏幕上，以便创建用于娱乐或专业用途的运动图像。激光投影***300使用RGB激光器306，因此在屏幕上创建彩色图像。激光投影***300在平视显示器投影、激光前灯、活动场景或对象闪电、信息投影中使用，以用于光检测和测距(LiDAR)***中的激光扫描、增强现实(AR)/虚拟现实(VR)眼镜或头盔中的激光投影等等。
光引擎302用于通过使用诸如微控制器304的控制电路、多个光学元件308、和微机械谐振器组件310，来控制创建出的图像的密度(或亮度)、图像的颜色、图像的投影角度、和图像的分辨率。光引擎302基于使用了微镜器件(诸如微机械谐振器组件310)的光学微机电(micro-electro-mechanical，MEM)技术。
微控制器304(也表示为μC)用于控制光引擎302的所有组件(诸如RGB激光器306、多个光学元件308、和微机械谐振器组件310)的功能。微控制器304(即μC)控制来自光源的光并向RGB激光器306提供受控制的光。
RGB激光器306用于在屏幕上产生彩色的图像。RGB激光器306的不同颜色(即红色、绿色和蓝色)以一定比例相互组合，以便产生图像的各种颜色。
多个光学元件308中的光学透镜308A用于将来自RGB激光器306的RGB光聚焦到棱镜308B。棱镜308B用于接收来自光学透镜308A的聚焦光，并将聚焦光提供给微机械谐振器组件310。以此方式，多个光学元件308用于将来自RGB激光器306的光聚焦到微机械谐振器组件310。
在一个实施方式中，微机械谐振器组件310对应于多个微机械谐振器组件110(图1B)中的一个或多个微机械谐振器组件，该多个微机械谐振器组件110是通过对微机械谐振器晶圆组件100A(图1A)进行切单而获得的。在另一实施方式中，微机械谐振器组件310对应于多个微机械谐振器组件208(图2)中的一个或多个微机械谐振器组件，该多个微机械谐振器组件208是通过对微机械谐振器晶圆组件200A(图2)进行切单而获得的。微机械谐振器组件310用于通过使用多条投影射线312，将从多个光学元件308接收的聚焦光投影到反射表面314。由于微机械谐振器组件310的每个镜面用于创建所产生图像的一个或多个像素，所以微机械谐振器组件310用于产生具有高分辨率的图像。微机械谐振器组件310也可以称为具有外部压电安装的MEMS镜。在另一实施方式中，微机械谐振器组件310可以包括微镜阵列。
多条投影射线312反射自反射表面314(例如谷歌眼镜的反射表面)并且可以(在被注视时)进入人眼316。由于多条投影射线312从反射表面314反射，人眼316可以看到彩色运动图像。
图4是根据本公开实施例的制造微机械谐振器晶圆组件的方法的流程图。结合图1A、图1B、图1C、和图2中的元件描述图4。参考图4，示出了制造微机械谐振器晶圆组件(诸如图1A的微机械谐振器晶圆组件100A)的方法400。方法400由例如微机械谐振器晶圆组件100A(图1A)执行。方法400包括步骤402和步骤404。
图1A的微机械谐振器晶圆组件100A包括致动器晶圆102和器件晶圆104。致动器晶圆102支撑外致动器层112，该外致动器层112包括用于由电驱动信号驱动的振荡部分120。器件晶圆104安装在致动器晶圆102上方。器件晶圆104包括多个内致动器106，每个内致动器106包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体114。
在步骤402中，方法400包括将器件晶圆104与致动器晶圆102物理连接在一起，以使得每个内致动器106与外致动器层112形成耦合的振荡***，用于通过将能量从振荡部分120转移到对应的振荡体114来激发对应的振荡体114。器件晶圆104键合在致动器晶圆102上方以形成微机械谐振器晶圆组件100A。器件晶圆104与致动器晶圆102连接，以使得当通过使用电驱动装置将外致动器层112连接到电驱动信号时，外致动器层112的振荡部分120的运动转化为器件晶圆104的微镜裸片116的振动运动。最后，微镜裸片116的振动引起振荡体114的振荡运动。因此，施加到外致动器层112的电能被转变为振荡体114的机械能。以此方式，内致动器106和外致动器层112形成耦合的振荡***。
在步骤402A中，方法400还包括：将器件晶圆104与致动器晶圆102物理连接包括将所述器件晶圆104与所述致动器晶圆102键合在一起。通过使用晶圆级封装技术或诸如阳极键合或玻璃浆料键合等的晶圆键合方法将器件晶圆104与致动器晶圆102键合。
根据一个实施例，每个内致动器106的振荡体114包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。晶圆级真空封装的弹簧-镜板***降低了空气阻尼效应并使得微机械谐振器晶圆组件100A的品质因数(Q因数)较高。
根据一个实施例，在步骤404中，方法400还包括将封盖晶圆108键合在器件晶圆104上方，所述封盖晶圆108包括至少一个光学窗口。在一个实施方式中，微机械谐振器晶圆组件100A包括致动器晶圆102、器件晶圆104、以及额外的封盖晶圆108。封盖晶圆108放置在器件晶圆104上方以形成用于振荡体114的低空气阻尼工作的密封真空腔。封盖晶圆108键合在器件晶圆104上方，并且器件晶圆104键合在致动器晶圆102上方，以形成诸如微机械谐振器晶圆组件200A的三级晶圆堆叠。
根据一个实施例，光学窗口为3D形状。在一个实施方式中，封盖晶圆108可以是三维(3-D形状的)玻璃晶圆。在这种实施方式中，光学窗口或者是倾斜的或者具有类似圆顶的形状。
根据一个实施例，方法400还包括在致动器晶圆204和器件晶圆104之间键合隔离件晶圆202。隔离件晶圆202、器件晶圆104和致动器晶圆204对齐，以使得器件晶圆104被放置在隔离件晶圆202上方并且隔离件晶圆202被布置在致动器晶圆204上方。使用可以包括但不限于阳极键合、玻璃浆料键合等的晶圆键合方法，将隔离件晶圆202与器件晶圆104和致动器晶圆204键合以形成微机械谐振器晶圆组件200A的三级晶圆堆叠。
步骤402至404仅仅是说明性的，并且在不脱离本文权利要求的范围的情况下，还可以提供其他替代方案，其中有添加一个或多个步骤、删除一个或多个步骤、或者以不同的顺序提供一个或多个步骤。
在不脱离如所附权利要求定义的本公开范围的情况下，可以对前文中描述的本公开实施例进行修改。诸如“包括”、“包含”、“结合”、“具有”、“是”等用于描述和要求保护本公开的表述旨在以非排他的方式解释，即也允许未明确描述的项、部件、或元件存在。引用单数应解释为也与复数有关。本文中使用的词语“示例性”表示“作为示例、实例、或说明”。任何被描述为“示例性的”实施例不一定解释为比其他实施例更优选或更有利，和/或排除与来自其他实施例中的特征的结合。本文中使用的词语“可选地”表示“在一些实施例中提供而在其他实施例中不提供”。应理解，为了清楚起见而在单独实施例的上下文中描述的本公开的一些特征也可以被提供在单个实施例的组合中。相反，为了简洁起见而在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可以单独提供、或被提供在任何合适的组合中、或以合适的方式提供在本公开的任何其他描述的实施例中。
Claims (20)
1.一种微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，包括：
致动器晶圆(102，204)，支撑外致动器层(112)，所述外致动器层(112)包括用于由电驱动信号(122)驱动的振荡部分(120)，
器件晶圆(104)，安装在所述致动器晶圆(102，204)上方，所述器件晶圆(104)包括多个内致动器(106)，每个所述内致动器(106)包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体(114)，所述振荡体(114)的振荡具有一个或多个本征频率，
所述器件晶圆(104)物理连接到所述致动器晶圆(102，204)，以使得每个所述内致动器(106)与所述外致动器层(112)形成耦合的振荡***，用于当以被选择为激发所述内致动器(106)的所述振荡体(114)的谐振振荡或近谐振振荡的频率来激励所述外致动器层(112)的所述振荡部分(120)时，通过将能量从所述振荡部分(120)转移到所述振荡体(114)，来激发相应的所述内致动器(106)的所述振荡体(114)。
2.根据权利要求1所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述器件晶圆(104)与所述致动器晶圆(102，204)键合在一起。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，包括封盖晶圆(108)，所述封盖晶圆(108)键合在所述器件晶圆(104)上方并且包括至少一个光学窗口。
4.根据权利要求3所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述光学窗口为3D形状。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，包括隔离件晶圆(202)，所述隔离件晶圆(202)键合在所述致动器晶圆(102，204)与所述器件晶圆(104)之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，每个所述内致动器(106)包括内部传感器，所述内部传感器用于允许通过驱动装置读取出所述内致动器(106)的振荡体(114)的位置反馈信号。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述外致动器层(112)为具有图案化金属电极的压电层(112A)，所述图案化金属电极被配置为面向所述器件晶圆(104)中的对应内致动器(106)并且连接到驱动部分以接收电驱动信号(122)。
8.根据权利要求7所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述外致动器层(112)为堆叠式压电结构，所述堆叠式压电结构包括：
底层(112C)，包括一个或多个底部图案化电极；
压电层(112A)，位于所述底层(112C)上方；以及
顶层(112B)，位于所述压电层(112A)上方并且包括一个或多个顶部图案化电极。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述外致动器层(112)包括压电层和无源层的交替序列，所述交替序列具有至少一个压电层和至少一个无源层。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述致动器晶圆(102，204)包括具有图案化压电区域(206)的陶瓷基板。
11.根据权利要求10所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，所述图案化压电区域(206)为堆叠式压电区域，所述堆叠式压电区域包括：
底部电极；
压电层，位于所述底部电极上方；以及
顶部电极，位于所述压电层上方。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)，其中，每个所述内致动器(106)的所述振荡体(114)包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。
13.一种用于激光扫描或激光投影***(300)的光引擎(302)，包括至少一个微机械谐振器组件，所述微机械谐振器组件是通过对根据权利要求1至12中任一项所述的微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)进行切单而获得的。
14.一种激光投影或扫描***(300)，包括根据权利要求13所述的光引擎(302)，诸如增强现实(AR)或虚拟现实(VR)眼镜、AR或VR头盔、或光检测和测距(LiDAR)***。
15.一种制造微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)的方法(400)，所述微机械谐振器晶圆组件(100A，200A)包括致动器晶圆(102，204)和器件晶圆(104)，所述致动器晶圆(102，204)支撑外致动器层(112)，所述外致动器层(112)包括用于由电驱动信号(122)驱动的振荡部分(120)，所述器件晶圆(104)安装在所述致动器晶圆(102，204)上方，所述器件晶圆(104)包括多个内致动器(106)，每个所述内致动器包括用于关于一个或多个轴振荡的振荡体(114)，所述方法(400)包括：
将所述器件晶圆(104)与所述致动器晶圆(102，204)物理连接在一起，以使得每个所述内致动器(106)与所述外致动器层(112)形成耦合的振荡***，用于通过将能量从所述振荡部分(120)转移到对应的振荡体(114)，来激发所述对应的振荡体(114)。
16.根据权利要求15所述的方法(400)，其中，将所述器件晶圆(104)与所述致动器晶圆(102，204)物理连接包括：将所述器件晶圆(104)与所述致动器晶圆(102，204)键合在一起。
17.根据权利要求15至16中任一项所述的方法(400)，包括，
将封盖晶圆(108)键合在所述器件晶圆(104)上方，所述封盖晶圆(108)包括至少一个光学窗口。
18.根据权利要求17所述的方法(400)，其中，所述光学窗口为3D形状。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法(400)，包括，
在所述致动器晶圆(102，204)与所述器件晶圆(104)之间键合隔离件晶圆(202)。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法(400)，其中，每个所述内致动器(106)的所述振荡体(114)包括晶圆级真空封装的弹簧-镜板***。
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