本發(fā)明涉及一種微光機(jī)電設(shè)備，更具體地涉及如在獨立權(quán)利要求的前序中所限定的微光機(jī)電設(shè)備以及微光機(jī)電設(shè)備的制造方法。

背景技術(shù)：

已經(jīng)基于MEMS技術(shù)開發(fā)了用于反射光束的反射鏡。在掃描反射鏡中，反射方向可以隨時間而改變。掃描反射鏡可以在一維或二維的方向范圍內(nèi)指引光束，并且其還可以被用于以良好的角度精度和解析度來從一定范圍的方向收集光線。在一定角度范圍內(nèi)的掃描操作是通過將反射鏡傾斜至某一角度并根據(jù)時間改變這一角度來獲得的。這經(jīng)常以周期性方式或振蕩的方式來實現(xiàn)。為了獲得高掃描角度幅度，反射鏡可以以諧振模式操作。諧振反射鏡可以由彈簧支承。反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量以及彈力是形成機(jī)械諧振器的要素。存在若干針對這樣的掃描反射鏡的應(yīng)用，例如，代碼掃描器、掃描顯示器以及激光測距和成像傳感器(激光雷達(dá))。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，硅晶片由于其具有高度拋光的形式而成為掃描反射鏡的優(yōu)良原材料，其具有低重量，并且可以對該硅晶片制造優(yōu)良的彈簧以實現(xiàn)在諧振模式下的操作。最早的硅掃描反射鏡使用電磁力來激勵掃描運動。硅掃描反射鏡在移動部上具有電流回路以及附接到反射鏡裝置主體的永磁體。后來開發(fā)出了具有靜電致動的反射鏡，其不要求大尺寸的永磁體。文獻(xiàn)US8305670是靜電致動掃描反射鏡的現(xiàn)有技術(shù)示例。

圖1a至圖1c示出了常規(guī)的靜電驅(qū)動反射鏡的基本原理。圖1a是具有處于靜止位置的反射鏡12的設(shè)備的截面圖。圖1b展示了反射鏡12傾斜情況下的截面圖，以及圖1c展示了該設(shè)備的頂視圖。移動梳狀電極14附接到反射鏡12。第一靜止梳狀電極15以及可選地第二靜止梳狀電極16附接到反射鏡設(shè)備的非移動主體(未示出)。反射鏡利用扭轉(zhuǎn)彈簧17被懸掛到反射鏡主體。

在移動梳狀電極和靜止梳狀電極之間施加電壓，并控制電壓使得在垂直方向上產(chǎn)生導(dǎo)致反射鏡傾斜的力。該力與施加的電壓的二次冪以及與電極之間的距離的倒數(shù)的二次冪成比例。使用直至200V的電壓來驅(qū)動這樣的靜電致動換能器。

除了所需的高電壓外，靜電致動器在用于掃描反射鏡中時還受到其他限制。對于強(qiáng)力而言，電極之間的距離應(yīng)盡可能地小。在實踐中，這一距離受到材料厚度以及用于制造電極的蝕刻法的最大縱橫比的限制。在實踐中，最大實際縱橫比小于50:1。如果電極之間的距離盡可能地小，則對于給定的縱橫比，力被最大化。例如，如果這一距離被選定為2μm，則電極高度在現(xiàn)有蝕刻工藝的情況下為100μm或者更小。

反射鏡的所需尺寸和所需掃描角度取決于應(yīng)用。用于激光雷達(dá)的反射鏡應(yīng)當(dāng)相當(dāng)大以便有效收集光線，因此所需角度也應(yīng)當(dāng)相當(dāng)大：對于在歐盟投資的MiniFaros項目中的自主激光雷達(dá)的目標(biāo)值為7毫米的直徑以及+-15度的掃描角度。利用這一直徑和角度，反射鏡的邊緣從靜止位置移動+/-900μm。如果電極的高度是100μm，則對于不產(chǎn)生力的大約90％的時間期間，電極重疊將為0。靜電驅(qū)動因此對于大幅度激勵而言十分不足。

由于制造原因以及由于所需的大幅度，靜電換能器通常位于反射鏡的外圍(例如文獻(xiàn)US8305670)。這使反射鏡設(shè)備的尺寸和反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量增加，轉(zhuǎn)動慣量必須由更高的力來補(bǔ)償。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供微光機(jī)電設(shè)備結(jié)構(gòu)，其在給定組件區(qū)域維度內(nèi)提供大型單體可移動反射鏡表面以及用于所述反射鏡表面的大傾斜角度，同時避免或減輕傳統(tǒng)配置的至少一個問題。本發(fā)明的目的通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的微光機(jī)電結(jié)構(gòu)和制造方法來達(dá)到。

權(quán)利要求限定了微光機(jī)電掃描設(shè)備，其包括主體，反射鏡元件以及能夠?qū)⑺龇瓷溏R元件柔性支承在主體上的彈簧結(jié)構(gòu)。反射鏡元件包括由反射鏡基部上的平坦反射表面構(gòu)成的反射鏡，靜止?fàn)顟B(tài)的反射鏡平面的方向為第一方向。主體至少部分地外接反射鏡元件，與反射鏡元件至少間隔一個空隙。反射鏡元件包括兩個或更多個基座，以及彈簧結(jié)構(gòu)包括彎曲彈簧，其中每個彎曲彈簧通過第一連接點連接到主體以及通過第二連接點連接到一個基座。每個基座在第二連接點和第三連接點之間延伸，第三連接點在鏡基部中與反射鏡相對。每個基座還能夠剛性地保持第二連接點和第二連接點之間在垂直于第一方向的方向上的非零距離。彈簧結(jié)構(gòu)包括壓電換能器，其能夠引起每個彎曲彈簧的位移，該位移使得彎曲彈簧的第二連接點至少在垂直于第一方向的方向上移動。

在一個方面中，壓電換能器在彎曲彈簧的一側(cè)上包括至少一個壓電材料薄膜層。

在一個方面中，壓電換能器包括導(dǎo)電材料膜和壓電材料膜的堆疊，以引起壓電材料上的電壓。

在一個方面中，每個彎曲彈簧位于反射鏡表面區(qū)域內(nèi)以及反射鏡表面區(qū)域下方，使得壓電薄膜層具有在反射鏡平面上的非零投影。

在一個方面中，主體的表面與反射鏡平面對齊，以及反射鏡與主體的表面間隔一個空隙。

在一個方面中，彈簧結(jié)構(gòu)包括具有壓電換能器的一對彎曲彈簧。兩個彎曲彈簧位于相對的位置使得反射鏡響應(yīng)于具有相反極性的相對的彎曲彈簧的壓電換能器的激勵而繞樞轉(zhuǎn)軸傾斜。

在一個方面中，彈簧結(jié)構(gòu)包括具有壓電換能器的N個彎曲彈簧，N個彎曲彈簧對稱地圍繞樞軸點，使得反射鏡響應(yīng)于具有360/N度相位差的電壓對相對的彎曲彈簧的壓電換能器的激勵而繞樞軸點傾斜。

在一個方面中，在第一方向上，從第三連接點到樞轉(zhuǎn)軸或者到樞軸點的距離小于從樞轉(zhuǎn)軸或從樞軸點到反射鏡邊緣的距離的一半。

在一個方面中，在第一方向上，從第三連接點到樞轉(zhuǎn)軸或者到樞軸點的距離(r)是從樞轉(zhuǎn)軸或從樞軸點到反射鏡邊緣的距離(R)的十分之一。

在一個方面中，主體與反射鏡基部之間的間隙還包括從反射鏡基部的切口，以使得反射鏡基部的傾斜在垂直于第一方向的方向上超出彎曲彈簧的平面。

在一個方面中，彎曲彈簧具有兩個或更多個彎曲部，以提供在兩個或更多個方向上的彈性。

在一個方面中，另一個彈簧結(jié)構(gòu)能夠阻止不受歡迎的反射鏡基部運動模式。

在一個方面中，另一個彈簧結(jié)構(gòu)包括一對扭轉(zhuǎn)彈簧，每個扭轉(zhuǎn)彈簧沿著樞轉(zhuǎn)軸從反射鏡基部向主體延伸。

權(quán)利要求還限定了用于制造微光機(jī)電設(shè)備的方法，該設(shè)備包括主體、反射鏡元件以及用于將反射鏡元件柔性支承在主體上的彈簧結(jié)構(gòu)。該方法包括：將腔體絕緣體上硅工藝應(yīng)用到第一硅晶片中，腔體絕緣體上硅工藝用于對反射鏡元件和主體元件產(chǎn)生腔體，其中反射鏡元件包括反射鏡基部以及從反射鏡基部延伸出來的兩個或更多個基座；將第二硅晶片結(jié)合在第一硅晶片上；從第二硅晶片產(chǎn)生彈簧元件層；在第二硅晶片的彈簧元件層頂部上針對每個基座而放置壓電換能器；通過在第二硅晶片中產(chǎn)生一個或更多個開口來形成用于每個基座的彎曲彈簧；以及通過在第一硅晶片上產(chǎn)生一個或更多個開口而使得反射鏡元件與設(shè)備主體間分隔開。

本發(fā)明的其他優(yōu)勢將通過以下實施方式更詳細(xì)地進(jìn)行描述。

附圖說明

在下文中，參考附圖，將結(jié)合優(yōu)選實施方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1a至圖1c示出了傳統(tǒng)的靜電驅(qū)動反射鏡的基本原理；

圖2示出了改進(jìn)的微光機(jī)電結(jié)構(gòu)的實施方式；

圖3示出了以彼此間呈120度角的三個彈簧來支承可在兩個方向上進(jìn)行掃描的反射鏡的實施方式；

圖4示出了附接到相應(yīng)基座的四個彈簧的實施方式中的切口；

圖5示出了附接到相應(yīng)基座的三個彈簧的實施方式中的切口；

圖6a至圖6g示出了用于制造微光機(jī)電設(shè)備的方法的實施方式；

圖7示出了替選彈簧結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定元件的實施方式；以及

圖8示出了替選彈簧結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定元件的另一實施方式。

具體實施方式

以下實施方式是示例性的。雖然說明書可能涉及“一”、“一個”或“一些”實施方式，但是這不一定意味著每個這樣的表述是針對同一個實施方式的，或者特征僅應(yīng)用于單個實施方式。不同實施方式的單個特征可以進(jìn)行組合以提供其他實施方式。

在下文中，本發(fā)明的特征將利用可以實現(xiàn)本發(fā)明的各實施方式的設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡單示例進(jìn)行描述。僅詳細(xì)描述用于對實施方式進(jìn)行說明的相關(guān)元素。本領(lǐng)域技術(shù)人員通常知曉的微光機(jī)電結(jié)構(gòu)的各種實線在本文中不進(jìn)行特別描述。

圖2示出了改進(jìn)的微光機(jī)電結(jié)構(gòu)的實施方式。微光機(jī)電設(shè)備包括主體20、反射鏡元件23、27以及彈簧結(jié)構(gòu)28a、28b，彈簧結(jié)構(gòu)28a、28b能夠?qū)⒎瓷溏R元件23、27支承在主體20上。如圖2所示，主體20外接反射鏡元件，并且與反射鏡元件至少間隔一個空隙26。這意味著在橫截面中，主體在其自身內(nèi)形成側(cè)向閉合或部分打開的空間，由此至少部分地在投影中包括反射鏡元件。

反射鏡元件包括由平坦反射表面構(gòu)成的反射鏡24。外接反射鏡元件的主體20的表面可以與反射鏡24對齊。彈簧結(jié)構(gòu)28a、28b包括至少一個壓電換能器29a、29b，其能夠引起彈簧結(jié)構(gòu)中的位移從而移動其支承的反射鏡元件。圖2示出了以下示例：其中，在支承反射鏡元件23、27的彈簧28a、28b上，制造薄膜壓電致動換能器29a、29b。壓電致動換能器29a、29b以與傳統(tǒng)靜電傳感器相比低得多的電壓產(chǎn)生強(qiáng)力，并且盡管反射鏡移動也在100％時間內(nèi)都是激活的。壓電薄膜換能器29a、29b可以由導(dǎo)電薄膜和壓電薄膜的堆疊來構(gòu)成，其允許對壓電材料施加電壓，從而導(dǎo)致其根據(jù)所施加電壓的極性而膨脹或拉伸。在彈簧的一個表面上的這一收縮和拉伸將導(dǎo)致彈簧分別向上彎曲U或向下彎曲D。

與靜電梳狀換能器相反，彈簧上的壓電換能器可以被制造在與微光機(jī)電設(shè)備中的反射鏡24的反射表面相反的一側(cè)。從而，換能器可以至少部分地、或甚至大部分地占用與反射鏡24相同的表面區(qū)域。換言之，壓電薄膜層29a、29b可以具有在反射鏡平面上的非零投影，使得實際上沒有額外的區(qū)域被反射鏡所在的表面中的換能器所消耗。在圖2中，彈簧28b在一端21(第一連接點)附接到微光機(jī)電設(shè)備的主體20，而在另一端22(第二連接點)通過基座27附接到反射鏡基部23。反射鏡24的外徑可以幾乎等于主體20的內(nèi)徑，僅間隔一條窄的空隙26。

另外，如果基座27位于靠近反射鏡基部23的中心的位置，則可以利用杠桿效應(yīng)來增加反射鏡24的角度幅度。在圖2中，反射鏡的半徑或半寬用R表示，而基座27與反射鏡旋轉(zhuǎn)中心(樞轉(zhuǎn)軸)的徑向距離用r表示。可以要求r小于R，至少小于R/2，但優(yōu)選地為R/10或甚至更小，由此使得角度幅度放大。如果r＝R/10且附接到基座27的彈簧28b的端部由于換能器29b所產(chǎn)生的力而向上或向下移動50μm，則反射鏡的邊緣移動十倍即500μm的距離。

可以應(yīng)用相對的彈簧以引起繞樞轉(zhuǎn)軸的傾斜。為了制造純粹的傾斜而不產(chǎn)生反射鏡的平移，可以將一對相對的彈簧即第一彈簧28a和第二彈簧28b對稱地設(shè)置在反射鏡的相對的兩側(cè)，并且在這些相對的彈簧上的換能器29a、29b可以以相反的極性被激勵使得第二彈簧28b向與第一彈簧28a相反的方向偏移。在圖2中，示例性樞轉(zhuǎn)軸用P表示。

在多于兩個彈簧的情況下，可以以彈簧位置和驅(qū)動電壓的多種組合來產(chǎn)生對稱懸掛和反對稱激勵。在圖3中示出的示例使用了連接到基座37的三個彈簧38，三個彈簧38彼此呈120度角。基座37支承能在兩個方向中被掃描的反射鏡。如果將交流電壓施加到換能器使得在饋送給彈簧38的三個換能器的電壓之間存在120度的相位差，則可以獲得恒定的傾斜角度但是獲得移動的傾斜方向。反射鏡的這一關(guān)于樞軸點的擺動運動對于激光雷達(dá)應(yīng)用是有用的。相同的原理可以應(yīng)用于任意數(shù)量N的彈簧和電壓之間的360/N度相位差。

基座27、37的高度應(yīng)當(dāng)足夠大以實現(xiàn)鏡反射鏡基部23的期待角度傾斜而不會觸碰彈簧28a、28b。在其中主體外接基座和反射鏡元件的反射鏡基部的所公開的結(jié)構(gòu)中，基座的高度可以適當(dāng)?shù)亟咏杈暮穸取Ｔ谑褂霉杈鳛樵牧系那闆r下，基座高度達(dá)到500微米是十分實用的，甚至達(dá)到1毫米也是可能的。

反射鏡基部23的形狀還可以幫助實現(xiàn)更大的幅度而不會觸碰彈簧28a、28b。圖4示出了反射鏡基部43，其能夠利用附接到相應(yīng)基座47的四個彈簧48來繞樞轉(zhuǎn)軸傾斜。作為示例，將圖4中的示例性樞轉(zhuǎn)軸表示為P。在圖4的示例性結(jié)構(gòu)中，彈簧48至少部分地位于以下位置上：在該位置處存在反射鏡基部43上的切口41，使得切口41允許反射鏡基部傾斜超出彈簧48的平面而會不觸碰彈簧48。圖5示出了對于附接到基座57的三個彈簧58的相似的切口51。切口51使得反射鏡基部53能夠在兩個方向上旋轉(zhuǎn)，如上文參考圖3所描述的。

彈簧的數(shù)量及其尺寸和形狀可以在本發(fā)明的限制內(nèi)有很大變化。圖3示出了一種具有三個彈簧38的可能的配置，這三個彈簧有效地應(yīng)用反射鏡基部33下方的區(qū)域并且允許在兩個方向上傾斜。圖3的配置包括附接到基座37的三個折疊彈簧38。

圖7示出了L型彈簧結(jié)構(gòu)，其在兩個方向上提供彈性，從而最大化彎曲彈簧的長度。由周圍主體提供的空間在圖中用虛線示出。L型形狀使得在十分緊湊的可用表面區(qū)域中增加了由彎曲彈簧提供的移動。

然而，除了期待的純角度運動之外，基座和彎曲彈簧的組合還會導(dǎo)致反射鏡基部23的不受歡迎的側(cè)向線性運動。圖7示出了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中另一個彈簧結(jié)構(gòu)能夠阻止反射鏡基部的不受歡迎的運動模式。如圖7所示，該另一個彈簧結(jié)構(gòu)可以包括從反射鏡基部73向主體延伸的一對扭轉(zhuǎn)彈簧71。扭轉(zhuǎn)彈簧有利地與樞轉(zhuǎn)軸對齊，并且使鏡基部的移動穩(wěn)定為期待的角度運動。

圖8示出了獲取彈簧88在側(cè)向方向上的期待的彈性以及同時防止反射鏡基部83的線性運動的另一種可能。還可以可選擇地使用附加彈簧81來強(qiáng)制反射鏡的運動為純粹的角度(傾斜)運動。如圖8所示，另一彈簧結(jié)構(gòu)還可以包括從反射鏡基部83延伸至主體的一對扭轉(zhuǎn)彈簧81。扭轉(zhuǎn)彈簧有利地與樞轉(zhuǎn)軸對齊，以及使反射鏡基部83的移動穩(wěn)定為期待的角度運動。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，圖2至圖5以及圖7至圖8是用于解釋本發(fā)明的基本思想的簡化示例。可以使用其他的應(yīng)用特定的尺寸調(diào)整和彈簧設(shè)計以例如避免反射鏡的不受歡迎的運動模式。

另一優(yōu)勢在于，具有硅晶片上的基座、彈簧和換能器的反射鏡元件的所述結(jié)構(gòu)的制造，可以通過使用現(xiàn)有的MEMS技術(shù)來容易地實現(xiàn)。圖6a至圖6g示出了用于制造在圖1至圖5和圖7至圖8中描述的微光機(jī)電設(shè)備的工藝的實施方式。階段6a至6d示出了借助于可從晶片供應(yīng)商容易地獲得的標(biāo)準(zhǔn)腔體SOI工藝流程來制造要求保護(hù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)。在圖6a的階段中，絕緣膜60形成在第一硅晶片61上并且被圖案化以形成開口62。在圖6b的階段中，第一硅晶片被蝕刻以在開口62處形成腔體63，該腔體具有由基座607的期待高度所指定的期待深度。在圖6c的階段中，第二硅晶片64結(jié)合在絕緣膜60的表面上。在圖6d中，該第二晶片64被減薄至彈簧的期待厚度。在圖6e的階段中，薄膜壓電換能器65被制造在晶片64的頂部。這一工藝對于不同材料可能需要若干布置和圖案化步驟，不同材料例如是：用于AlN、摻雜Aln、PZT或其他壓電材料的電極和壓電膜的鋁(Al)、鉑(Pt)、鉬(Mo)或者其他金屬膜。絕緣膜還可以被包含在用于換能器65的膜堆疊中。接著，在圖6f階段中，彈簧608通過在晶片64中蝕刻開口66而形成。最后，在圖6g階段中，反射鏡基部603通過在晶片61中蝕刻開口67而與設(shè)備的主體分隔開。這一工藝流程僅是如何使用MEMS制造方法的一個示例。許多其他工藝流程也可以用于制造本發(fā)明的掃描反射鏡。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，隨著技術(shù)發(fā)展，本發(fā)明的基本思想能夠以各種方式實現(xiàn)。本發(fā)明及其實施方式因此不限于上述示例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。