TW201605715A - 微光學機電裝置與製造其之方法 - Google Patents

Abstract

一種微光學機電裝置包括本體(20)、鏡元件(23、27)及調適成將鏡元件(23、27)可撓性地支持於本體(20)的彈簧結構(28a、29a)。彈簧結構包括至少一壓電換能器(29a)，其調適成在彈簧結構中感應出位移以移動鏡元件(23、27)。

Description

微光學機電裝置與製造其之方法

本發明關於微光學機電裝置，並且特別關於如申請專利範圍獨立項之申請標的所定義的微光學機電裝置和製造微光學機電裝置的方法。

已經基於微機電系統(MEMS)科技而發展出反射光束的鏡子。於掃描鏡，反射的方向可以改變成為時間的函數。掃描鏡可以將光束指引於一或二維的方向範圍上，並且它也可以用於從方向範圍收集光而具有良好的角度正確性和解析度。把鏡子傾斜到一角度並且變化這角度成為時間的函數而獲得在角度範圍上的掃描操作。這常常是以周期性或振盪性方式來做。為了獲得高的掃描角度振幅，鏡子可以操作成共振模式。共振鏡可以由彈簧所支持。鏡子的轉動慣量和彈簧力是形成機械共振器的要素。此種掃描鏡有幾種用途，例如條碼掃描器、掃描顯示器、雷射測距和成像感測器(光達，Lidar)。

已經體認到矽晶圓是用於掃描鏡的優異原料，因為它可得於高度拋光的形式、它具有低重量及優異的彈簧可以產生於同一矽晶圓而能夠以共振模式來操作。最早的矽掃描鏡利用電磁力來激發掃描運動。它們具有在移動部分上的電流迴圈，並且永久磁鐵附接於鏡裝置的本體。稍後 發展出了具有靜電致動的鏡子，並且它們不需要大尺寸的永久磁鐵。美國專利第8305670號是靜電致動式掃描鏡之最新技術的範例。

圖1a到1c顯示習用之靜電驅動鏡的基本原理。圖1a是裝置的截面，而鏡子12是在休止位置。圖1b顯示當鏡子12是傾斜時的截面，並且圖1c顯示裝置的俯視圖。為了移動鏡子12，梳狀電極14被附接。第一靜態梳狀電極15和可選用的第二靜態梳狀電極16附接於鏡裝置的非移動本體(未顯示)。鏡子是以扭力彈簧17而懸吊於鏡本體。

電壓施加在移動的和靜態的梳狀電極之間，並且控制成使得力在垂直方向上生成而使鏡子傾斜。力正比於施加電壓的二次方和電極之間距離倒數的二次方。高達200伏特的電壓已經用於驅動此種靜電致動換能器。

除了需要高電壓以外，靜電致動器當用於掃描鏡時還具有其他限制。對於高的力而言，電極之間的距離應該做得盡可能的小。實務上，這距離受限於材料的厚度和用於製造電極之蝕刻方法的最大高寬比。實務上，最大的實際高寬比是小於50：1。如果電極之間的距離做得盡可能的小，則力對於給定的高寬比來說是最大化的。舉例而言，如果這距離選擇是2微米，則真實蝕刻過程的電極高度會是100微米或更小。

鏡子的所需尺寸和所需掃描角度取決於應用。用於光達(Lidar)的鏡子應該是相當大以有效率的收集光，所需的角度也是如此：已經提出7毫米直徑和±15度的掃描角度作為歐盟提供基金的MiniFaros計畫中之汽車光達的目標值。以此直徑和角度來說，鏡子邊緣將從休止位置位移±900微米。如果電極的高度是100微米，則在差不多90%的時間內電極重 疊將是零，而在此期間沒有力產生。靜電驅動因此對於大振幅激發而言是極無效率的。

由於製造原因和由於需要大振幅的緣故，靜電換能器習用上位在鏡子的周邊(例如美國專利第8305670號)。這增加了鏡裝置的尺寸，也增加了鏡子的轉動慣量，其必須以更高的力來補償。

本發明的目的是要提供微光學機電裝置結構，其在給定的構件面積維度中提供大的單一可移動鏡表面和用於該鏡表面之大的傾斜角度，同時避免或緩和習用組態的至少一問題。本發明的目的是以根據申請專利範圍獨立項的微光學機電結構和製造方法所達成。

申請專利範圍界定了微光學機電掃描裝置，其包括本體、鏡元件及調適成將鏡元件可撓性支持於本體的彈簧結構。鏡元件包括鏡子，其由在鏡基底部分上的平面反射表面所形成，而鏡子在休止下之該平面的方向是第一方向。本體至少部分包圍著鏡元件，而至少藉由間隙來與鏡元件分開。鏡元件包括二或更多個腳座，並且彈簧結構包括彎曲彈簧，其中每個彎曲彈簧透過第一連接點而連接到本體以及透過第二連接點而連接到腳座。每個腳座在第二連接點和相對於鏡子而在鏡基底部分中的第三連接點之間延伸。每個腳座也調適成在垂直於第一方向的方向上而在第二連接點和第三連接點之間堅固地維持非零距離。彈簧結構包括壓電換能器，其調適成在每個彎曲彈簧中感應出位移，而至少在垂直於鏡元件之第一方向的方向上來移動彎曲彈簧的第二連接點。

於一態樣，壓電換能器包括在彎曲彈簧之一側上的至少一薄 膜層的壓電材料。

於一態樣，壓電換能器包括導電材料和壓電材料的堆疊膜，以在壓電材料上感應出電壓。

於一態樣，每個彎曲彈簧位在鏡子的表面積之內和下方，使得壓電薄膜層在鏡子的平面上具有非零投影。

於一態樣，本體的表面對齊於鏡子的平面，並且鏡子藉由間隙而與本體的表面分開。

於一態樣，彈簧結構包括一對具有壓電換能器的彎曲彈簧。二個彎曲彈簧是在相對位置，使得鏡子回應於相對之彎曲彈簧的相對極性之壓電換能器的激發而繞著樞軸傾斜。

於一態樣，彈簧結構包括N個具有壓電換能器的彎曲彈簧，N個彎曲彈簧對稱圍繞著樞軸點，使得鏡子回應於相對之彎曲彈簧的電壓有360/N度相位差之壓電換能器的激發而繞著樞軸點傾斜。

於一態樣，在第一方向上，從第三連接點到樞軸或樞軸點的距離小於從樞軸或樞軸點到鏡子的邊緣之距離的一半。

於一態樣，第一方向上，從第三連接點到樞軸或樞軸點的距離(r)小於從樞軸或樞軸點到鏡子的邊緣之距離(R)的十倍。

於一態樣，在本體和鏡基底部分之間的間隙進一步包括來自鏡基底部分的切除部分，以使鏡基底部分之傾斜能夠在垂直於第一方向的方向上超過彎曲彈簧的水平。

於一態樣，彎曲彈簧具有二或更多個彎曲部分，其提供在二或更多個方向上的可撓性。

於一態樣，進一步彈簧結構調適成抵抗鏡基底部分所不要的運動模式。

於一態樣，進一步彈簧結構包括一對扭力彈簧，每個扭力彈簧沿著樞軸而從鏡基底部分延伸到本體。

申請專利範圍也界定了製造微光學機電裝置的方法，該裝置包括本體、鏡元件及調適成將鏡元件可撓性支持於本體的彈簧結構。方法包括：施加腔穴絕緣體上矽的過程，以在第一矽晶圓裡生成用於鏡元件和本體元件的腔穴，其中鏡元件包括鏡基底部分和從鏡基底部分延伸出來的二或更多個腳座；將第二矽晶圓結合在第一矽晶圓上；從第二矽晶圓生成彈簧元件層；在第二矽晶圓之彈簧元件層的頂部上沉積用於每個腳座的壓電換能器；藉由在第二矽晶圓中生成一或更多個開口，而形成用於每個腳座的彎曲彈簧；以及藉由在第一矽晶圓中生成一或更多個開口，而分開鏡元件與裝置的本體。

本發明的進一步優點則以下面的具體態樣來更詳細討論。

12‧‧‧鏡子

14‧‧‧移動梳狀電極

15‧‧‧第一靜態梳狀電極

16‧‧‧第二靜態梳狀電極

17‧‧‧扭力彈簧

20‧‧‧本體

21‧‧‧末端、第一連接點

22‧‧‧末端、第二連接點

23‧‧‧鏡元件、鏡基底部分

24‧‧‧鏡子

25‧‧‧空間

26‧‧‧間隙

27‧‧‧鏡元件、腳座

28a‧‧‧彈簧結構、彎曲彈簧、第一彈簧

28b‧‧‧彈簧結構、彎曲彈簧、第二彈簧

29a、29b‧‧‧壓電換能器

33‧‧‧鏡基底部分

37‧‧‧腳座

38‧‧‧彈簧

41‧‧‧切除部分

43‧‧‧鏡基底部分

47‧‧‧腳座

48‧‧‧彈簧

51‧‧‧切除部分

53‧‧‧鏡基底部分

57‧‧‧腳座

58‧‧‧彈簧

60‧‧‧絕緣膜

61‧‧‧第一矽晶圓

62‧‧‧開口

63‧‧‧腔穴

64‧‧‧第二矽晶圓

65‧‧‧薄膜壓電換能器

66、67‧‧‧開口

71‧‧‧扭力彈簧

73‧‧‧鏡基底部分

78‧‧‧彎曲彈簧

81‧‧‧扭力彈簧

83‧‧‧鏡基底部分

88‧‧‧彈簧

202‧‧‧第三連接點

603‧‧‧鏡基底部分

607‧‧‧腳座

608‧‧‧彈簧

D‧‧‧往下

r‧‧‧腳座離開鏡子之旋轉中心(樞軸)的徑向距離

R‧‧‧鏡半徑或半寬度

U‧‧‧往上

以下將參考所附圖式而關聯於較佳具體態樣來更詳細描述本發明，其中：圖1a到1c顯示習用之靜電驅動鏡的基本原理；圖2示範改良之微光學機電結構的具體態樣；圖2B顯示圖2A所標示的放大部分，連同顯示了關聯之元件框的截面；圖3示範彼此呈120度角之三個彈簧的具體態樣以支持鏡子而可以在二個方向上掃描； 圖4示範在四個彈簧附接於對應腳座之具體態樣中的切除部分；圖5顯示在三個彈簧附接於對應腳座之具體態樣中的切除部分；圖6a到6g示範製造微光學機電裝置之過程的具體態樣；圖7示範具有替代性彈簧結構和穩定元件的具體態樣；以及圖8顯示具有替代性彈簧結構和穩定元件的另一具體態樣。

以下具體態樣是範例性的。雖然說明書可能指稱「一」或「某些」具體態樣，但是這不必然意謂每個此種參考是針對相同的(多個)具體態樣，或者不必然意謂特色僅適用於單一具體態樣。不同具體態樣的單獨特色可加以組合而提供進一步具體態樣。

下面將以當中可以實施本發明多樣的具體態樣之裝置架構的簡單範例來描述本發明的特色。僅詳細描述與示範具體態樣有關的元件。熟於此技藝者一般知道之微光學機電結構的多樣實施例可以不在此做特定描述。

圖2示範改良之微光學機電結構的具體態樣。微光學機電裝置包括本體20、鏡元件23和27及調適成將鏡元件23和27可撓性地支持於本體20的彈簧結構28a、28b。如圖2所示，本體20包圍著鏡元件，並且至少藉由間隙26而與鏡元件分開。這意謂於截面上，本體在它裡面形成側向封閉或部分開放的空間，藉此在投影上是至少部分涵蓋著鏡元件。

鏡元件包括由平面反射表面所形成的鏡子24。包圍鏡元件之本體20的表面可以對齊於鏡子24。彈簧結構28a、28b包括至少一壓電換能器29a、29b，其調適成在彈簧結構中感應出位移，藉此移動它所支持 的鏡元件。圖2顯示的範例是在支持鏡元件23、27的彈簧28a、28b上製出薄膜壓電致動換能器29a、29b。壓電致動換能器29a、29b在比習用之靜電換能器低很多的電壓下產生高的力，並且100%的時間內是有作用的，而不管鏡子的運動為何。壓電薄膜換能器29a、29b可以由導電膜和壓電膜的堆疊所構成，其允許施加電壓在壓電材料上，因此視施加電壓的極性而定來引起它的膨脹或收縮。在彈簧之一表面上的這收縮和膨脹將使彈簧分別往上U或往下D彎曲。

相對於靜電梳狀換能器而言，彈簧上的壓電換能器可以製作在微光學機電裝置中相對於鏡子24之反射表面的那一側。換能器可以藉此佔據至少部分或甚至主要與鏡子24相同的表面積。換言之，壓電薄膜層29a、29b可以在鏡平面上具有非零投影，如此則換能器實際上不消耗鏡子24所在表面中的額外面積。於圖2，彈簧28b在末端21(第一連接點)上附接於微光學機電裝置的本體20，並且在另一末端22(第二連接點)上經由腳座27而附接到鏡基底部分23。鏡子24的外部尺寸可以幾乎等於本體20的內部尺寸，而僅由窄的間隙26所分開。

此外，如果腳座27的位置靠近鏡基底部分23的中央，則可以使用槓桿效應來增加鏡子24的角度振幅。於圖2，鏡半徑或半寬度是以R所代表，並且腳座27離開鏡子之旋轉中心(樞軸)的徑向距離是以r所代表。可以要求r小於R，至少小於R/2，但較佳而言小到等於R/10或甚至更小，因此給出角度振幅的放大。如果r=R/10並且彈簧28b附接於腳座27的末端由於換能器29b所產生的力而往上或往下位移了50微米，則鏡子的邊緣位移十倍達500微米。

相對的彈簧可以應用於感應出繞著樞軸做傾斜。為了產生鏡子的純粹傾斜而無平移，一對相對的彈簧(第一彈簧28a和第二彈簧28b)可以對稱的位在鏡子的相對側上，並且在這些相對彈簧上的換能器29a、29b可以用相反的極性來激發，如此則第二彈簧28b的偏折方向將相反於第一彈簧28a。於圖2，範例性樞軸以P來代表。

於多於二個彈簧的情形，對稱的懸吊和反對稱的激發可以用彈簧位置和驅動電壓的許多組合來產生。圖3所示的範例使用三個彈簧38，其連接到彼此呈120度角的腳座37。腳座37支持著鏡子而可以在二個方向上掃描。如果交流電壓施加到換能器，使得電壓之間的120度相位差被饋至彈簧38的三個換能器，則可以獲得恆定的傾斜角度但為移動的傾斜方向。鏡子繞著樞軸點的這晃動在光達應用是有用的。相同的原理可以應用於任何數目N的彈簧和電壓之間有360/N度相位差。

腳座27、37的高度必須夠大以允許鏡基底部分23有想要的角度傾斜而不碰觸彈簧28a、28b。於揭示的結構，本體包圍著鏡元件的腳座和鏡基底部分，而腳座的高度可以方便的接近矽晶圓的厚度。高達500微米的高度對於腳座來說是很實用的，並且當使用矽晶圓作為原料時可能甚至高達1毫米。

鏡基底部分23的形狀也可以幫助允許有較高的振幅而不碰觸彈簧28a、28b。圖4顯示鏡基底部分43，其可以繞著樞軸做傾斜而具有四個彈簧48附接於對應腳座47。舉例來說，我們把圖4的範例性樞軸標為P。於圖4的範例性結構，彈簧48至少部分放置在鏡基底部分43上有切除部分41的地方，使得切除部分41允許鏡基底部分傾斜得超過彈簧48的水 平而不碰觸它們。圖5顯示類似的切除部分51而用於附接到腳座57的三個彈簧58。切除部分51允許鏡基底部分53在二個方向上做樞紐旋轉，如上面關於圖3所述。

彈簧的數目及其尺寸和形狀可以在本發明的限度裡大大的變化。圖3顯示一種可能的組態，其中三個彈簧38有效率的應用鏡基底部分33底下的面積並且允許在二個方向上傾斜。圖3的組態包括附接於腳座37的三個摺疊彈簧38。

圖7示範L形彈簧結構，其提供在二個方向上的可撓性，藉此使彎曲彈簧的長度達到最大。圍繞之本體所提供的空間則在圖中以虛線來顯示。L形的形式在極為緊湊之可得的表面積中增加了彎曲彈簧所提供的位移。

然而，除了想要的純粹角度運動以外，腳座和彎曲彈簧的組合還可以造成鏡基底部分23有不想要的側向線性運動。圖7示範的結構有進一步彈簧結構，其調適成抵抗鏡基底部分所不要的運動模式。如圖7所示，進一步彈簧結構可以包括一對扭力彈簧71，其從鏡基底部分73延伸到本體。扭力彈簧有利的對齊於樞軸，並且將鏡基底部分的移動穩定成想要的角度運動。

圖8顯示在側向上獲得彈簧88所想要的可撓性而同時避免鏡基底部分83有線性運動的另一種可能。額外彈簧81可以再次是可選用的以迫使鏡運動成為純粹角度(傾斜)運動。如圖8所示，進一步彈簧結構可以再次包括一對扭力彈簧81，其從鏡基底部分83延伸到本體。扭力彈簧有利的對齊於樞軸，並且將鏡基底部分83的移動穩定成想要的角度運動。

體認到圖2到5和7到8是簡化的範例以解釋本發明的基本想法。可以使用由進一步應用所特定的規格尺寸和彈簧設計，舉例而言以避免鏡子有不要的運動模式。

以進一步優點來說，藉由使用MEMS科技的最新技藝，則輕易可能在矽晶圓上製造鏡元件的所述結構而具有腳座、彈簧和換能器。圖6a到6g示範製造圖1到5和7到8所述微光學機電裝置之過程的具體態樣。階段6a到6d顯示藉由可輕易得自晶圓供應商之標準腔穴絕緣體上矽(SOI)的過程順序而製造所請的裝置結構。於圖6a的階段，絕緣膜60形成在第一矽晶圓61上並且圖案化以形成開口62。於圖6b的階段，蝕刻第一矽晶圓以在開口62形成腔穴63而達到腳座607想要之高度所指定的想要深度。於圖6c的階段，第二矽晶圓64結合到絕緣膜60的表面。於圖6d，這第二晶圓64往下薄化到想要的彈簧厚度。於圖6e的階段，薄膜壓電換能器65製造在晶圓64的頂部上。這過程可能需要用於不同材料的幾個沉積和圖案化步驟，該等材料例如用於電極的Al、Pt、Mo或其他金屬膜以及用於AlN、摻雜的AlN、鈦酸鉛鋯(PZT)或其他壓電材料的壓電膜。絕緣膜也可以併入用於換能器65的堆疊膜裡。其次，藉由在晶圓64中蝕刻出開口66，而將彈簧608形成於圖6f的階段。最後，藉由在晶圓61中蝕刻出開口67，而使鏡基底部分603在圖6g的階段中與裝置的本體分開。這過程順序只是可以如何使用MEMS製造方法的一個範例。許多其他的過程順序也可以用於製造本發明的掃描鏡。

熟於此技藝者明白隨著科技進展，本發明的基本想法可以採取多樣的方式來實施。本發明及其具體態樣因而不限於上面範例，它們反 而可以在請求項的範圍裡變化。

20‧‧‧本體

21‧‧‧第一連接點

22‧‧‧第二連接點

23‧‧‧鏡基底部分

24‧‧‧鏡子

25‧‧‧空間

26‧‧‧間隙

27‧‧‧腳座

28a、28b‧‧‧彈簧結構

29a、29b‧‧‧壓電換能器

202‧‧‧第三連接點

D‧‧‧往下

r‧‧‧腳座離開鏡子之旋轉中心(樞軸)的徑向距離

R‧‧‧鏡半徑或半寬度

U‧‧‧往上

Claims (14)

1. 一種微光學機電掃描裝置，其包括本體(20)、鏡元件(23、27)及調適成將該鏡元件(23、27)可撓性地支持於該本體(20)的彈簧結構(28a、29a)，該鏡元件包括鏡子(24)，其由在鏡基底部分(23)上的平面反射表面所形成，該鏡子(24)在休止下之該平面的方向是第一方向；該本體(20)至少部分包圍著該鏡元件，而至少藉由間隙(26)來與該鏡元件分開，該鏡元件包括二或更多個腳座(27)，該彈簧結構包括彎曲彈簧(28a)，其中每個彎曲彈簧(28)透過第一連接點(21)而連接到該本體(20)並且透過第二連接點(22)而連接到腳座(27)；每個腳座(27)在該第二連接點(22)和相對於該鏡子(24)而在該鏡基底部分(23)中的第三連接點(202)之間延伸；每個腳座(27)調適成在垂直於該第一方向的方向上而在該第二連接點(22)和該第三連接點(202)之間堅固地維持非零距離；該彈簧結構包括壓電換能器(29a)，其調適成在該等彎曲彈簧的每一者中感應出位移，而至少在垂直於該鏡元件(23、27)之該第一方向的方向上來移動該彎曲彈簧的該第二連接點(22)。
2. 如申請專利範圍第1項的微光學機電裝置，其中該壓電換能器(29a)包括在該彎曲彈簧(28a)之一側上的至少一薄膜層的壓電材料。
3. 如申請專利範圍第1或2項的微光學機電裝置，其中該壓電換能器(29a)包括導電材料和壓電材料的堆疊膜，以在該等壓電材料上感應出電壓。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項的微光學機電裝置，其中該等 彎曲彈簧(28)的每一者位在該鏡子(24)的表面積之內和下方，使得該壓電薄膜層在該鏡子(24)的該平面上具有非零投影。
5. 如申請專利範圍第4項的微光學機電裝置，其中：該本體(20)的表面對齊於該鏡子(24)的該平面；以及該鏡子(24)藉由間隙(26)而與該本體(20)的該表面分開。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項的微光學機電裝置，其中該彈簧結構包括一對具有壓電換能器(29a、29b)的彎曲彈簧(28a、28b)，該等二個彎曲彈簧(28a、28b)是在相對位置，使得該鏡子(24)回應於該等相對之彎曲彈簧(28a、28b)的相對極性之該等壓電換能器(29a、29b)的激發而繞著樞軸傾斜。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項的微光學機電裝置，其中該彈簧結構包括N個具有壓電換能器的彎曲彈簧(37)，該等N個彎曲彈簧(37)對稱地圍繞著樞軸點，使得該鏡子(24)回應於該等相對之彎曲彈簧(37)的電壓有360/N度相位差之該等壓電換能器的激發而繞著該樞軸點傾斜。
8. 如申請專利範圍第6或7項的微光學機電裝置，其中在該第一方向上，從該第三連接點到該樞軸或該樞軸點的距離小於從該樞軸或該樞軸點到該鏡子(24)的邊緣之距離的一半。
9. 如申請專利範圍第6或7項的微光學機電裝置，其中在該第一方向上，從該第三連接點到該樞軸或該樞軸點的距離(r)小於從該樞軸或該樞軸點到該鏡子(24)的邊緣之距離(R)的十倍。
10. 如申請專利範圍第1至9項中任一項的微光學機電裝置，其中該本體和該鏡基底部分(43；53)之間的該間隙包括來自該鏡基底部分的進一步切 除部分(41；51)，以使該鏡基底部分之傾斜能夠在垂直於該第一方向的該方向上超過該等彎曲彈簧的水平。
11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項的微光學機電裝置，其中該等彎曲彈簧(78)具有二或更多個彎曲部分，其提供在二或更多個方向上的可撓性。
12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項的微光學機電裝置，其具有進一步彈簧結構(71；81)，其調適成抵抗該鏡基底部分所不要的運動模式。
13. 如申請專利範圍第12項的微光學機電裝置，其中該進一步彈簧結構(71；81)包括一對扭力彈簧，每個扭力彈簧沿著該樞軸而從該鏡基底部分(23)延伸到該本體(20)。
14. 一種製造微光學機電裝置的方法，該裝置包括本體、鏡元件及調適成將該鏡元件可撓性地支持於該本體的彈簧結構，該方法包括：施加腔穴絕緣體上矽的過程以在第一矽晶圓裡生成用於該鏡元件和該本體元件的腔穴，其中該鏡元件包括鏡基底部分和從該鏡基底部分延伸出來的二或更多個腳座；將第二矽晶圓結合在該第一矽晶圓上；從該第二矽晶圓生成彈簧元件層；在該第二矽晶圓之該彈簧元件層的頂部上沉積用於該等腳座之每一者的壓電換能器；藉由在該第二矽晶圓中生成一或更多個開口，而形成用於該等腳座之每一者的彎曲彈簧；藉由在該第一矽晶圓中生成一或更多個開口，而分開該鏡元件與該裝 置的該本體。