微光机电设备及其制造方法技术

一种微光机电设备，包括主体(20)、反射镜元件(23、27)以及能够将反射镜元件(23、27)柔性支承在主体(20)上的弹簧结构(28a、29a)。弹簧结构包括能够引起弹簧结构的位移的至少一个压电换能器(29a)，该位移使得反射镜元件(23、27)移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种微光机电设备，更具体地涉及如在独立权利要求的前序中所限定的微光机电设备以及微光机电设备的制造方法。
技术介绍
已经基于MEMS技术开发了用于反射光束的反射镜。在扫描反射镜中，反射方向可以随时间而改变。扫描反射镜可以在一维或二维的方向范围内指引光束，并且其还可以被用于以良好的角度精度和解析度来从一定范围的方向收集光线。在一定角度范围内的扫描操作是通过将反射镜倾斜至某一角度并根据时间改变这一角度来获得的。这经常以周期性方式或振荡的方式来实现。为了获得高扫描角度幅度，反射镜可以以谐振模式操作。谐振反射镜可以由弹簧支承。反射镜的转动惯量以及弹力是形成机械谐振器的要素。存在若干针对这样的扫描反射镜的应用，例如，代码扫描器、扫描显示器以及激光测距和成像传感器(激光雷达)。应当认识到，硅晶片由于其具有高度抛光的形式而成为扫描反射镜的优良原材料，其具有低重量，并且可以对该硅晶片制造优良的弹簧以实现在谐振模式下的操作。最早的硅扫描反射镜使用电磁力来激励扫描运动。硅扫描反射镜在移动部上具有电流回路以及附接到反射镜装置主体的永磁体。后来开发出了具有静电致动的反射镜，其不要求大尺寸的永磁体。文献US8305670是静电致动扫描反射镜的现有技术示例。图1a至图1c示出了常规的静电驱动反射镜的基本原理。图1a是具有处于静止位置的反射镜12的设备的截面图。图1b展示了反射镜12倾斜情况下的截面图，以及图1c展示了该设备的顶视图。移动梳状电极14附接到反射镜12。第一静止梳状电极15以及可选地第二静止梳状电极16附接到反射镜设备的非移动主体(未示出)。反射镜利用扭转弹簧17被悬挂到反射镜主体。在移动梳状电极和静止梳状电极之间施加电压，并控制电压使得在垂直方向上产生导致反射镜倾斜的力。该力与施加的电压的二次幂以及与电极之间的距离的倒数的二次幂成比例。使用直至200V的电压来驱动这样的静电致动换能器。除了所需的高电压外，静电致动器在用于扫描反射镜中时还受到其他限制。对于强力而言，电极之间的距离应尽可能地小。在实践中，这一距离受到材料厚度以及用于制造电极的蚀刻法的最大纵横比的限制。在实践中，最大实际纵横比小于50:1。如果电极之间的距离尽可能地小，则对于给定的纵横比，力被最大化。例如，如果这一距离被选定为2μm，则电极高度在现有蚀刻工艺的情况下为100μm或者更小。反射镜的所需尺寸和所需扫描角度取决于应用。用于激光雷达的反射镜应当相当大以便有效收集光线，因此所需角度也应当相当大：对于在欧盟投资的MiniFaros项目中的自主激光雷达的目标值为7毫米的直径以及+-15度的扫描角度。利用这一直径和角度，反射镜的边缘从静止位置移动+/-900μm。如果电极的高度是100μm，则对于不产生力的大约90％的时间期间，电极重叠将为0。静电驱动因此对于大幅度激励而言十分不足。由于制造原因以及由于所需的大幅度，静电换能器通常位于反射镜的外围(例如文献US8305670)。这使反射镜设备的尺寸和反射镜的转动惯量增加，转动惯量必须由更高的力来补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供微光机电设备结构，其在给定组件区域维度内提供大型单体可移动反射镜表面以及用于所述反射镜表面的大倾斜角度，同时避免或减轻传统配置的至少一个问题。本专利技术的目的通过根据独立权利要求的微光机电结构和制造方法来达到。权利要求限定了微光机电扫描设备，其包括主体，反射镜元件以及能够将所述反射镜元件柔性支承在主体上的弹簧结构。反射镜元件包括由反射镜基部上的平坦反射表面构成的反射镜，静止状态的反射镜平面的方向为第一方向。主体至少部分地外接反射镜元件，与反射镜元件至少间隔一个空隙。反射镜元件包括两个或更多个基座，以及弹簧结构包括弯曲弹簧，其中每个弯曲弹簧通过第一连接点连接到主体以及通过第二连接点连接到一个基座。每个基座在第二连接点和第三连接点之间延伸，第三连接点在镜基部中与反射镜相对。每个基座还能够刚性地保持第二连接点和第二连接点之间在垂直于第一方向的方向上的非零距离。弹簧结构包括压电换能器，其能够引起每个弯曲弹簧的位移，该位移使得弯曲弹簧的第二连接点至少在垂直于第一方向的方向上移动。在一个方面中，压电换能器在弯曲弹簧的一侧上包括至少一个压电材料薄膜层。在一个方面中，压电换能器包括导电材料膜和压电材料膜的堆叠，以引起压电材料上的电压。在一个方面中，每个弯曲弹簧位于反射镜表面区域内以及反射镜表面区域下方，使得压电薄膜层具有在反射镜平面上的非零投影。在一个方面中，主体的表面与反射镜平面对齐，以及反射镜与主体的表面间隔一个空隙。在一个方面中，弹簧结构包括具有压电换能器的一对弯曲弹簧。两个弯曲弹簧位于相对的位置使得反射镜响应于具有相反极性的相对的弯曲弹簧的压电换能器的激励而绕枢转轴倾斜。在一个方面中，弹簧结构包括具有压电换能器的N个弯曲弹簧，N个弯曲弹簧对称地围绕枢轴点，使得反射镜响应于具有360/N度相位差的电压对相对的弯曲弹簧的压电换能器的激励而绕枢轴点倾斜。在一个方面中，在第一方向上，从第三连接点到枢转轴或者到枢轴点的距离小于从枢转轴或从枢轴点到反射镜边缘的距离的一半。在一个方面中，在第一方向上，从第三连接点到枢转轴或者到枢轴点的距离(r)是从枢转轴或从枢轴点到反射镜边缘的距离(R)的十分之一。在一个方面中，主体与反射镜基部之间的间隙还包括从反射镜基部的切口，以使得反射镜基部的倾斜在垂直于第一方向的方向上超出弯曲弹簧的平面。在一个方面中，弯曲弹簧具有两个或更多个弯曲部，以提供在两个或更多个方向上的弹性。在一个方面中，另一个弹簧结构能够阻止不受欢迎的反射镜基部运动模式。在一个方面中，另一个弹簧结构包括一对扭转弹簧，每个扭转弹簧沿着枢转轴从反射镜基部向主体延伸。权利要求还限定了用于制造微光机电设备的方法，该设备包括主体、反射镜元件以及用于将反射镜元件柔性支承在主体上的弹簧结构。该方法包括：将腔体绝缘体上硅工艺应用到第一硅晶片中，腔体绝缘体上硅工艺用于对反射镜元件和主体元件产生腔体，其中反射镜元件包括反射镜基部以及从反射镜基部延伸出来的两个或更多个基座；将第二硅晶片结合在第一硅晶片上；从第二硅晶片产生弹簧元件层；在第二硅晶片的弹簧元件层顶部上针对每个基座而放置压电换能器；通过在第二硅晶片中产生一个或更多个开口来形成用于每个基座的弯曲弹簧；以及通过在第一硅晶片上产生一个或更多个开口而使得反射镜元件与设备主体间分隔开。本专利技术的其他优势将通过以下实施方式更详细地进行描述。附图说明在下文中，参考附图，将结合优选实施方式更详细地描述本专利技术，在附图中：图1a至图1c示出了传统的静电驱动反射镜的基本原理；图2示出了改进的微光机电结构的实施方式；图3示出了以彼此间呈120度角的三个弹簧来支承可在两个方向上进行扫描的反射镜的实施方式；图4示出了附接到相应基座的四个弹簧的实施方式中的切口；图5示出了附接到相应基座的三个弹簧的实施方式中的切口；图6a至图6g示出了用于制造微光机电设备的方法的实施方式；图7示出了替选弹簧结构和稳定元件的实施方式；以及图8示出了替选弹簧结构和稳定元件的另一实施方式。具体实施方式以下实施方式是示例性的。虽然说明书可能涉及“一”、“一个”或“一些”实施方式，但是这不一定意味本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微光机电扫描设备，包括主体(20)、反射镜元件(23、27)以及能够将所述反射镜元件(23、27)柔性支承在所述主体(20)上的弹簧结构(28a、29a)，所述反射镜元件包括由反射镜基部(23)上的平坦反射表面构成的反射镜(24)，所述反射镜(24)在静止时的平面方向是第一方向；所述主体(20)至少部分地外接所述反射镜元件，与所述反射镜元件至少间隔一个空隙(26)；所述反射镜元件包括两个或更多个基座(27)；所述弹簧结构包括弯曲弹簧(28a)，其中，每个弯曲弹簧(28)通过第一连接点(21)连接到所述主体以及通过第二连接点(22)连接到一个基座(27)；每个基座(27)在所述第二连接点(22)与在所述反射镜基部(23)中与所述反射镜(24)相对的第三连接点(202)之间延伸；每个基座(27)能够在垂直于所述第一方向的方向上刚性地保持所述第二连接点(22)与所述第三连接点(202)之间的非零距离；所述弹簧结构包括压电换能器(29a)，所述压电换能器能够引起所述弯曲弹簧中的每一个的位移，该位移使得所述弯曲弹簧的所述第二连接点(22)至少在垂直于所述第一方向的方向上移动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.01 FI 201456391.一种微光机电扫描设备，包括主体(20)、反射镜元件(23、27)以及能够将所述反射镜元件(23、27)柔性支承在所述主体(20)上的弹簧结构(28a、29a)，所述反射镜元件包括由反射镜基部(23)上的平坦反射表面构成的反射镜(24)，所述反射镜(24)在静止时的平面方向是第一方向；所述主体(20)至少部分地外接所述反射镜元件，与所述反射镜元件至少间隔一个空隙(26)；所述反射镜元件包括两个或更多个基座(27)；所述弹簧结构包括弯曲弹簧(28a)，其中，每个弯曲弹簧(28)通过第一连接点(21)连接到所述主体以及通过第二连接点(22)连接到一个基座(27)；每个基座(27)在所述第二连接点(22)与在所述反射镜基部(23)中与所述反射镜(24)相对的第三连接点(202)之间延伸；每个基座(27)能够在垂直于所述第一方向的方向上刚性地保持所述第二连接点(22)与所述第三连接点(202)之间的非零距离；所述弹簧结构包括压电换能器(29a)，所述压电换能器能够引起所述弯曲弹簧中的每一个的位移，该位移使得所述弯曲弹簧的所述第二连接点(22)至少在垂直于所述第一方向的方向上移动。2.根据权利要求1所述的微光机电设备，其特征在于，所述压电换能器(29a)包括在所述弯曲弹簧(28a)的一侧的至少一个压电材料薄膜层。3.根据权利要求1或2所述的微光机电设备，其特征在于，所述压电换能器(29a)包括导电材料膜和压电材料膜的堆叠，以引起压电材料上的电压。4.根据权利要求1、2或3所述的微光机电设备，其特征在于，所述弯曲弹簧(28)中的每一个位于所述反射镜(24)的表面区域内并且位于该表面区域下方，使得所述压电薄膜层在所述反射镜(24)的平面上具有非零投影。5.根据权利要求4所述的微光机电设备，其特征在于，所述主体(20)的表面与所述反射镜(24)的平面对齐；以及所述反射镜(24)与所述主体(20)的表面间隔一个空隙(26)。6.根据前述权利要求中任一项所述的微光机电设备，其特征在于，所述弹簧结构包括具有压电换能器(29a、29b)的一对弯曲弹簧(28a、28b)，两个所述弯曲弹簧(28a、28b)位于相对的位置，使得所述反射镜(24)响应于具有相反极性的相对的弯曲弹簧(28a、28b...

【专利技术属性】
技术研发人员：海基·库斯玛，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本;JP