TWI582038B - 微振動裝置用的結合構造 - Google Patents

微振動裝置用的結合構造 Download PDF

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Description

微振動裝置用的結合構造
本發明關於一種微振動裝置用的結合構造，特別是微振動面鏡。
在EP 1 212 650 B1發表一種微振動裝置，該微振動裝置包含在一長方板上的一振動構造。在此，振動構造利用一結合構造與一彈簧構造(呈一扭力彈簧元件形式)連接。該元件又與該微振動裝置的一攜帶構造連接。在此，結合構造設計成大致U形。在此，它用於將大致垂直於一扭轉軸作用到扭力彈簧元件上的外力至少部分地轉換成平行於扭轉軸作用到扭力彈簧元件的力量。
為了要能將微振動裝置(特別是微振動面鏡)調節控制，故需將微振動裝置的實際位置檢出。
在一些區域(在其中一微振動構造與攜帶構造連接)在微振動構造的位置改變時產生機械應力，它們可用壓電式電阻方式利用電阻轉換成電信號。然後利用這些信號可檢出微振動構造的位置。
在EP 1 944 596 A1發表了一種此類壓電式電阻裝置。在此，可轉動的微電機械裝置包含四個電阻，它們互相呈45°對一扭轉軸設置，在一些區域中(在其中一微振動構造與攜帶構造連接)在微振動構造位置改變時產生機械應力，它利用壓電式電阻方式用電阻轉換成電信號，然後利用此信號可檢出微振動構造的位置。
在申請專利範圍第1項中定義的微振動裝置(特別是微振動面鏡)的結合構造有一優點：對於扭力，電阻的敏感性可儘量大。因此，一接到結合構造的微振動裝置的實際位置可以可靠地且無干擾地以高準度檢出。
依本發明另一有利特點，該電阻元件包含至少四個電阻，設成一惠斯頓電橋形式，該電阻設在結合構造與微振動構造及/或結合構造與彈簧元件的連接區域中。在此的優點為，電阻元件的電阻設在結合構造的一些區域，這些區域在繞旋轉軸扭轉時，結合構造的變形可儘量大，因此根據與結合構造連接的微振動構造的位置變化，在檢出扭轉時可有高準度。
依本發明又一有利特點，該電阻元件至少包一壓電式電阻結晶，其中該壓電式電阻結晶的一＜110＞方向設成平行於該旋轉軸。在此的優點為：在製造結合構造時，當使用矽時，可利用氫氧化鉀可靠而簡單地蝕刻。
依本發明一有利特點，該電阻元件設在至少一外腿上且/或用於供電壓給電阻元件的供應手段設在內腿上。
在此的優點為：在外腿上之電阻元件的供電線路可設在內腿(亦即設在二腿外腿間的腿)上，因此供電線路不必另外設在外腿上。
外腿的寬度(亦即其垂直於扭轉軸的延伸距離)可做成對應地較窄，這點整體上使得利用電阻檢出扭轉的敏感性進一步提高，如果電阻元件設在該二外腿上，則二者可做成對應地較窄。在此，內腿的寬度也可比至少一外腿的最起碼寬度更大，俾更進一步提高扭轉測量的敏感性。
依本發明再一有利特點，該供應手段利用「深擴散」製造，其擴散深度特別是大於1微米，且宜大於8微米，及/或該電阻元件利用「淺擴散」製造，其擴散深度特別小於1微米。在此的優點為，如此供應線路中的電阻進一步減少，同時相對於此，電阻元件的電阻值提高，因此主要在電阻元件的區域中電壓降低，因此扭轉的測量的敏感性進一步提高。
依本發明又一較佳特點，至少一外腿在內區域中包含一腿變寬部且特別是該電阻元件的至少一電阻呈一導線路形式在至少一腿的內區域中包含一變寬部。在此的優點為：在電阻元件(特別是電阻)的較窄區域中，發生較高的機械應力，特別是拉力及/或壓力。如此造成較大電壓降，因此扭轉測量的敏感性進一步提高。在整個說明書中(特別是在申請專利範圍中，「導線路」(Leiterbahn,英：lead)一詞也可指擴散的區域或擴散的電阻。
依本發明再一較佳特點，至少一電阻呈導線路形式在腿的至少一端的區域中的寬度為少於2微米，特別是少於1.5微米。在此的優點為，如此，在檢出微振動構造的扭轉時，可確保極高敏感性。
依本發明另一較佳特點，在該外腿中至少一外腿上設有一分接構造(Abgriffstruktur,英：tap structure)，該分接構造具有分接件(Abgriff,英：tap)，在外腿的一半長度處分接以在腿的變寬部的區域及/或在電阻的變寬部的區域中形成惠斯頓電橋。在此的優點為：如此造成的惠斯頓電橋的分接點係在各電阻的大致一半距離之處，而不須在各腿上熱具有導線路的附加分接點，而係可使電壓分接點直接在腿側面，特別是大致垂直於該腿。腿的寬度(亦即其垂直於旋轉軸的延伸距離)進一步減少，且利用電阻元件檢出扭轉的敏感性進一步提高。
依本發明又一較佳特點，該具有分接件的分接構造設計成一特別有至少三重蜿蜒部的形狀。在此，其優點為：這種分接構造由於結合到該結合構造的一腿(此腿至少部分地承受該扭轉)故結合構造的扭轉受微振動構造的影響可儘量小。如此，在利用結合構造的扭轉檢出微振動構造的位置時，準確性更進一步提高。
依本發明再一較佳實施例，該二腿平行於「扭轉軸」隔一段距離，此距離特別是比該腿垂直於旋轉軸的長度小一半。在此的優點為，在測量扭轉時，敏感度更進一步提高。
在本發明的範疇中，同樣可使惠斯頓電橋用的電壓經由該分接而施以電壓，且此電壓在電阻元件的電阻的相關供電線路上分出。在此，經由電阻之供電線路的電壓降要儘量小。經由供電線路的電壓降越小，檢出扭轉的準確度越高，因為在電阻元件上發生剩餘且較大的電壓降。如果這些電阻設成一惠斯頓電橋形式，則它總共限於約一千歐姆，因為這些電阻的長度(亦即平行於扭轉軸的距離)限於高機械應力的區域中。
此外，在高機械應力或扭力的區域中不設金屬，因為設金屬會造成機械性變形，且如此，在時間過程中，由於扭力的負荷，金屬會部分破壞。
分接構造相較於結合構造設計成儘量軟或可撓性，因此該構造對腿的扭轉影響就儘量少。如果分接構造對應地設計，則可在分接構造設金屬當作供應線路，使供電線路電阻儘量小。
本發明的實施例示於圖式中且在以下的說明中詳細敘述。
圖1顯示依本發明第一實施例的一結合構造的立體圖。
圖1中圖號(1)表示依本發明第一實施例的微振動裝置用的結合構造。在此，結合構造(1)設計成大致U形，且包含二腿(2a)(2b)，它們平行於一微振動構造(4)的一旋轉軸T。結合構造(1)用二腿(2a)(2b)與微振動構造(4)[它可繞旋轉軸T轉動]連接，且利用一腿(2’)且利用一腿(2’)[它垂直於旋轉軸T延伸且將二腿(2a)(2b)連接]與一彈簧元件(3)連接。圖1主要顯示一扭力，它沿順時鐘方向繞結合構造(1)的旋轉軸T轉動。在此，U形結合構造(1)設計成使平行於扭轉軸T延伸的腿(2a)(2b)比橫腿(2’)長三倍。圖中未顯示扁平導線路形式的電阻，它們設在腿(2a)(2b)上，且其寬度小於各腿的寬度。腿(2a)(2b)互相的距離比垂直於旋轉軸T的橫腿(2’)的延伸長度小一半。
圖2顯示依本發明第二及第三實施例的結合構造，具有不同方式設置的電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)。
圖2a中以示意方式顯示結合構造(1)的電阻(5a)(5b)(5c)(5d)的設置。在此，設計成扁平導線路形式的電阻(5a)(5b)設在腿(2a)上，電阻(5b)(5d)設在腿(2b)上。在此，電阻(5a)(5b)在橫腿(2’)的範圍及在結合構造(1)與彈簧元件(3)之間的連接區域形成，而電阻(5c)(5d)在腿(2a)(2b)與微振動構造(4)之間的連接區域形成。因此電阻(5a)(5b)(5c)(5d)在儘量大的應力的區域(特別是拉應力及/或壓應力)中[如果微振動構造(4)扭轉的話]。
圖2中顯示結合構造(1)的另一實施例。在此結合構造(1)包含三條互相平行的腿(2a)(2b)(2c)，它們類似圖2a與一橫腿(2’)連接。在此各二電阻(5a)(5b)(5c)(5d)設在二條外面的腿(2a)(2b)上。在內腿(2c)[它設在二外腿(2a)(2b)之間]上設有一扁平設計的供電導線路(圖未示)以供電壓給電阻(5a)(5b)(5c)(5d)。它們在橫腿(2’)的區域分佈，俾能將設在不同腿(2a)(2b)上的電阻(5a)(5b)(5c)(5d)供以電壓。
圖3顯示依本發明一第四及五實施例的一結合構造，圖3a中顯示依圖2a的一實施例，它具有對應之扁平設計的導線路(部分地設計成電阻形式)。以下說明在腿(2a)上的導線路的設計，對應於此，腿(2b)以相似方式建構，具有導線路Lb與分接線路(A3)(A4)。
在圖3a的上視圖，在腿(2a)的左側顯示一供電線路(Z)呈扁平導線路形式，它從微振動構造(4)平行地在腿(2a)上一直延伸到橫腿(2’)的區域，在該處，供電線路(Z)與一導線路(La)呈導電連接。電阻(5a)(5c)設計成導線路(La)[它平行於供電線路(Z)在腿(2a)上延伸]的一部分。導線路(La)在腿(2a)中央有一變寬部(V)。在變寬部(V)的中央，在圖3a左側設有一分接線路(A1)，它再平行於導線路(La)沿微振動構造(4)方向在腿(2a)上延伸且與變寬部(V)的中央連接。如此，在變寬部(V)與微振動構造(4)之間的導線路(La)的其他走勢就形成第二電阻(5c)，另一分接線路(A2)接到第二電阻(5c)。在此，電阻(5a)(5c)形成一惠斯頓電橋(它共由四個電阻構成)的二個電阻，該惠斯頓電橋[(A1)+(A2)+(A3)+(A4)+(5a)+(5b)+(5c)+(5d)]的另外二個電阻(5b)(5d)利用電阻(5b)(5d)隨導線路(Lb)在第二腿(2b)上對應地形成，因此其設置或設計和電阻(5a)(5c)相似。
圖3b顯示圖2b的一相似實施例，具有三條腿(2a)(2b)(2c)，與圖3a的不同在於：供電線路(Z)設在內腿(2c)上，如此，腿(2a)(2b)可做成較窄，因為在腿(2a)及腿(2b)上只須各設二個分接線路(A1)(A2)或(A3)(A4)以將電壓分接。此外，外腿(2b)的內區域[亦即與其末端相間隔的區域]中設有一腿變寬部(Vs)，及彈簧元件(3)。在此，腿變寬部(Vs)設在腿(2b)的外側，但在本發明的範疇，它也可只設在一腿的內側，當然也可將另一外腿(2a)設一個或數個腿變寬部(Vs)。
圖4顯示依本發明的一結合構造(1)的一第五及第六實施例的上視圖。圖4a中此處與圖3a不同者，顯示一五曲的蜿蜒部(M)形式的分接構造，它設在結合構造(1)上，以下只說明腿(2a)的及其分接構造的構造，具有分接構造和分接件(AR)的腿(2b)的設計和具有分接件(AL)的腿(2a)的設計相似。
與圖3a不同者，此處供應線路(Z)設在腿(2a)內側，換言之設在腿(2a)之朝向腿(2b)的那一側上，且如圖3a所示，從微振動構造(4)在腿(2a)上沿橫腿(2’)方向延伸，在腿(2a)外側，由下往上顯示電阻(5a)，變寬部(V)，電阻(5c)及分接線路(A2)。依圖3a具有分接線路(A1)的中央分接件(AL)在此處不經由一設在腿(2a)上的分接線路(A1)，分接件(AL)係經由一分接構造(M)達成，它垂直之腿(2a)設在變寬部(V)中央區域。在此，具有分接件(AL)的分接構造(M)係設有五曲的蜿蜒部(M)，且包含相關的分接線路(A1)或(A4)，它與變寬部(V)的中央和導線路(La)連接成導電。
圖4b顯示依圖3b的由三條腿(2a)(2b)(2c)構成的設置，其中，依圖4a，具有分接件(AL)(AR)的分接構造(M)也設成垂直於腿(2a)(2b)。在以下也只說明腿(2a)的設計；具有設在其上的分接構造(M)的腿(2b)的建構和它相似。在中央腿(2c)上，設有一供電線路(Z)以供電壓給腿(2a)上的電阻(5a)(5c)及腿(2b)上的電阻(5b)(5d)，在腿(2a)上此處只設分接線路(A2)，電阻(5a)(5c)和變寬部(V)。在變寬部(V)上設有一分接件(AL)和它垂直。因此腿(2a)(2b)須做成夠寬，使其上能設一分接線路(A2)。
當微振動構造(4)扭轉時，本發明的結合構造(1)在各電阻(5a)(5b)(5c)(5d)的地點產生高機械應力，使結合構造的扭轉能用0.05fs的準確度測量，惠斯頓電橋(5a)+(5b)+(5c)+(5d)的輸入電壓一般最大3V。由於此電壓的一部分在電阻(5a)(5b)(5c)(5d)的供電線路降低，故電阻(5a)(5b)(5c)(5d)須相較於供應線路(Z)的內電阻選設成儘量大。舉例而言，惠斯頓電橋的敏感度在扭轉7.5°及解析度0.05%、惠斯頓電橋電壓降1伏特，檢出裝置的解析度10微伏特(它用於分析惠斯頓電橋的測量值以求出扭轉)，其靈敏度為2.6mV/每度。在此，檢出裝置設計成因用途而異的積體電路形式。
用於供應及導離線路的一般鍍金屬層的面積電阻約0.05歐姆/平方微米，一般擴散的層電阻約50歐姆/平方微米，分接件(AL)(AR)的蜿蜒部一般約10毫米長，約10微米寬。如果使用金屬當作分接線路(A1)(A4)，則蜿蜒部的總電阻約50歐姆，[當擴散約50仟歐姆時]。
雖然本發明以上利用較佳實施例說明，但其範圍不限於此，而可用許多方式變更。
(1)‧‧‧(微振動裝置用的)結合構造
(2a)‧‧‧腿
(2b)‧‧‧腿
(2c)‧‧‧腿
(2’)‧‧‧腿(橫腿)
(4)‧‧‧微振動構造
(5a)‧‧‧電阻
(5b)‧‧‧電阻
(5c)‧‧‧電阻
(5d)‧‧‧電阻
(A1)‧‧‧分接線路
(A2)‧‧‧分接線路
(A3)‧‧‧分接線路
(A4)‧‧‧分接線路
(AL)‧‧‧中央分接件
(AR)‧‧‧中央分接件
(V)‧‧‧變寬部
(Vs)‧‧‧腿變寬部
(Z)‧‧‧供應線路
(La)‧‧‧導線路
(Lb)‧‧‧導線路
(M)‧‧‧蜿蜒部(分接構造)
(K)‧‧‧壓電式電阻結晶
(T)‧‧‧旋轉軸
圖1係依本發明的一第一實施例的一結合構造的立體圖； 圖2係依本發明的一第二及第三實施例的一結合構造，具有不同方式設置的電阻；圖3係依本發明的一第四及第五實施例的一結合構造，具有不同方式設置的電阻；圖4係依本發明的一第五及第六實施例的一結合構造，具有不同方式設置的電阻。
(1)‧‧‧(微振動裝置用的)結合構造
(2’)‧‧‧腿(橫腿)
(2a)‧‧‧腿
(3)‧‧‧彈簧元件
(4)‧‧‧微振動構造
(T)‧‧‧旋轉軸

Claims (10)

  1. 一種微振動裝置用的結合構造，其中該結合構造(1)至少可間接地與一微振動構造(4)及一彈簧元件(3)，以測量微振動構造(4)的扭轉，該結合構造包含：至少一個腿(2a)(2b)(2c)，設成平行於該微振動構造的旋轉軸(T)，以及至少另一腿(2’)，設成垂直於該旋轉軸(T)，其中該結合構造(1)平行於旋轉軸(T)的延伸距離至少為該結合構造(1)垂直於該旋轉軸(T)的延伸距離的三倍，且至少有一電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)以測量該結合構造(1)的扭轉，其中該電阻元件(5a)+(5b)+(5c)+(5d)設在一區域中，在此區域中當結合構造(1)扭轉時機械應力提高，其中該電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)至少包一壓電式電阻結晶(K)，其中該壓電式電阻結晶(K)的一<110>方向設成平行於該旋轉軸(T)。
  2. 如申請專利範圍第1項之結合構造，其中：該電阻元件(5a)+(5b)+(5c)+(5d)包含至少四個電阻(5a)(5b)(5c)(5d)，設成一惠斯頓電橋(A1)(A2)(A3)(A4)(5a)(5b)(5c)(5d)形式，該電阻設在結合構造(1)與微振動構造(4)及/或結合構造(1)與彈簧元件(3)的連接區域中。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之結合構造，其中：該電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)設在至少一外腿(2a)(2b)上且/或用於供電壓給電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)的供應手段(Z)設在內腿(2c)上。
  4. 如申請專利範圍第3項之結合構造，其中： 該供應手段(Z)利用深擴散製造，其擴散深度特別是大於1微米，且宜大於8微米，及/或該電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)利用淺擴散製造，其擴散深度特別小於1微米。
  5. 如申請專利範圍第3項之結合構造，其中：至少一外腿(2a)(2b)在內區域中包含一腿變寬部(Vs)且特別是該電阻元件(5a)(5b)(5c)(5d)的至少一電阻(5a)(5b)(5c)(5d)呈一導線路(La)(Lb)形式在至少一腿(2a)(2b)的內區域中包含一變寬部(V)。
  6. 如申請專利範圍第5項之結合構造，其中：至少一電阻(5a)(5b)(5c)(5d)呈導線路(La)(Lb)形式在腿(2a)(2b)的至少一端的區域中的寬度為少於2微米，特別是少於1.5微米。
  7. 如申請專利範圍第1項之結合構造，其中：在該外腿(2a)(2b)中至少一外腿上設有一分接構造(M)，該分接構造具有分接件(AL)(AR)在外腿(2a)(2b)的一半長度處分接以在腿(2a)(2b)的變寬部(Vs)的區域及/或在電阻(5a)(5b)(5c)(5d)的變寬部(V)的區域中形成惠斯頓電橋(5a)(5b)(5c)(5d)。
  8. 如申請專利範圍第7項之結合構造，其中：該具有分接件(AL)(AR)的分接構造設計成一特別有至少三重蜿蜒部(M)的形狀。
  9. 如申請專利範圍第1項之結合構造，其中：該腿(2a)(2b)(2c)平行於扭轉軸(T)間隔一距離，此距離特別是比該腿(2c)垂直於旋轉軸(T)的長度小一半。
  10. 一種微振動裝置，包含：一微機械振動面鏡，一連接構造，其至少間接連接到該微機械振動面，以及連接到一彈簧元件，以測量該微機械振動面鏡的相轉，該連接構造包含至少一腿平行於該微機械振動構造的一旋轉軸，並包含另一腿，垂直於該旋轉軸。
TW100116984A 2010-05-18 2011-05-16 微振動裝置用的結合構造 TWI582038B (zh)

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