MEMS致动器和装置制造方法及图纸

本公开的各实施例涉及MEMS致动器和装置。MEMS致动器包括质量块，质量块沿第一方向被悬置在衬底上方并且在限定垂直于第一方向的第二和第三方向的平面中延伸。被布置在衬底与质量块之间的弹性元件沿平行于第一方向的方向具有第一柔量，第一柔量小于沿平行于第二方向的方向的第二柔量。压电致动结构具有相对于衬底固定的部分和响应于致动电压而沿第一方向变形的部分。被耦合到压电致动结构的移动变换结构包括弹性移动转换结构，弹性移动转换结构被布置在压电致动结构与质量块之间。弹性移动转换结构在由第一和第二方向形成的平面中是柔性的，并且具有横向于第一和第二方向的第一轴线和第二惯性主轴线。保证了位移精度更高，使MEMS致动器的机械性能改进。使MEMS致动器的机械性能改进。使MEMS致动器的机械性能改进。

【技术实现步骤摘要】
MEMS致动器和装置


[0001]本公开涉及MEMS致动器和装置，并且涉及一种包括MEMS致动器的光学模块。

技术介绍

[0002]众所周知，广泛使用通过MEMS技术获得的致动器，从诸如硅之类的半导体材料制成的晶片开始，这些致动器并入例如用于光学应用的设备、机电开关、以及用于微流体应用的微型泵和微型阀中。
[0003]MEMS致动器允许获得具有小尺寸、低能耗和高致动精度的设备。
[0004]一般而言，MEMS致动器包括衬底、在衬底上方以特定高度处被悬置的可移动质量块、以及被配置为使用静电、压电或电磁类型的致动原理引起可移动质量块的位移的致动系统。
[0005]在特定应用中，期望致动系统引起可移动质量块的平面内平移，即，以便不会修改可移动质量块相对于衬底的高度。
[0006]比如，于2020年12月16日提交的其内容在法律允许的最大范围内通过引用全文并入的美国专利申请号17/124,027公开了一种以下所简要描述的光学装置，该光学装置并入利用静电致动原理的MEMS致动器。
[0007]详细地，图1和图2示出了笛卡尔参考系XYZ中的光学装置1，包括第一轴线X、第二轴线Y和第三轴线Z。
[0008]光学装置1包括衬底5、支撑框架7、以及通过支撑框架7固定到衬底5上的光学层10。
[0009]光学检测器13(特别是二维单光子雪崩二极管(SPAD)阵列)和激光源16(特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列)结合在衬底5面向光学层10的表面上。
[0010]光学层10形成多个锚固部分19，该多个锚固部分19与支撑框架7、可移动质量块21、以及将可移动质量块21弹性耦合到相应锚固部分19的多个弹性耦合结构23成一体。
[0011]弹性耦合结构23被配置为沿着第一轴线X是柔性的而沿着第二轴线Y和第三轴线Z是刚性的。
[0012]光学层10还支撑传输透镜25和接收透镜27，它们两者均由可移动质量块21支撑。
[0013]详细地，传输透镜25布置在激光源16上方，而接收透镜27布置在光学检测器13上方。
[0014]装置1还包括第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B，它们关于平行于第二轴线Y的中轴线相互对称。
[0015]第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B各自包括固定致动部分33、固定电极组35和移动电极组37。
[0016]固定致动部分33固定到支撑框架7，并且固定电极组35中的电极各自从相应固定致动部分33沿着平行于第一轴线X的方向朝向可移动质量块21延伸。
[0017]移动电极组37中的电极各自从可移动质量块21沿着平行于第一轴线X的方向朝向
相应固定致动部分33延伸。
[0018]详细地，移动电极组37的电极沿着第二轴线Y相对于固定电极组35的电极交错，以形成梳状结构。换言之，移动电极组37的电极和固定电极组35的电极相互交叉。
[0019]使用时，激光源16生成朝向光学层10传播并且横穿传输透镜25的发射光束40。传输透镜25修改发射光束40的形状，从而生成沿着平行于第三轴线Z的方向远离装置1传播的经修改光束42。
[0020]当经修改光束42遇到对象(本文中未示出)时，经修改光束42的一部分44被障碍物反射，并且撞击在接收透镜27上。接收透镜27被配置为聚焦经修改光束42的部分44，从而生成入射在光学检测器13上的聚焦光束46。
[0021]光学装置1被配置为测量发射光束40的发送与聚焦光束46的接收之间经过的时间(飞行时间)。根据飞行时间的测量，光学装置1能够计算对象与光学装置1之间的距离。飞行时间实际上是对象与光学装置1之间距离的函数。
[0022]通过在固定电极组33与移动电极组35之间施加电压，沿着第一轴线X生成静电力，这导致可移动质量块21沿着平行于第一轴线X的方向对应平移。
[0023]这使得传输透镜25修改发射光束的传播方向，从而生成倾斜光束42A。倾斜光束42A相对于第三轴线Z形成一个角度，该角度根据可移动质量块21的位置而变化；因此，它将撞击障碍物的不同部分，从而形成倾斜反射光束44A。
[0024]倾斜反射光束44A通过该接收透镜27聚焦在光学检测器13上。
[0025]因此，对应飞行时间指示对象的第二部分与光学装置1之间的距离。
[0026]通过测量与可移动质量块21的不同位置相关联的飞行时间，可以获得对象的三维重建。
[0027]为了完整地扫描对象，可移动质量块21沿着第一轴线X移动很大的量，例如，大于50μm。
[0028]第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B(例如，使用DC偏置电压)的准静态致动可能导致可移动质量块21的平面内位移的小值，例如，包括在10μm与20μm之间。
[0029]因而，第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B谐振致动；即，施加频率等于可移动质量块21的谐振频率的信号。
[0030]谐振致动导致可移动质量块21沿着第一轴线X的位移具有时间正弦曲线。
[0031]然而，在一些应用中，期望可移动质量块21沿着第一轴线X的位移遵循不同的时间曲线，例如，线性或阶梯状曲线。

技术实现思路

[0032]一般而言，MEMS致动器包括衬底、在衬底上方以特定高度处被悬置的可移动质量块、以及被配置为使用静电、压电或电磁类型的致动原理引起可移动质量块的位移的致动系统。在特定应用中，期望致动系统引起可移动质量块的平面内平移，即，以便不会修改可移动质量块相对于衬底的高度。因此需要具有小尺寸、低能耗和高致动精度的MEMS致动器。
[0033]在本公开的第一方面，提出了一种MEMS致动器，该MEMS致动器包括：衬底；可移动质量块，在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在衬底上方，并且在由垂直于第一方向的第二方向和第三方向限定的延伸平面中延伸；弹性元件，被布置在衬底与可移动质量块
之间，弹性元件具有平行于第一方向的第一柔量和平行于第二方向的第二柔量，第一柔量小于第二柔量；多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，固定部分相对于衬底固定，可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于第一方向的方向变形；以及多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：弹性移动转换结构，被布置在压电致动结构中的相应压电致动结构与可移动质量块之间；每个弹性移动转换结构沿着平行于由第一方向和第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且其中第一惯性主轴线和第二惯性主轴线相对于第一方向和第二方向横向，使得压电致动结构在移动变换平面中的变形引起可移动质量块沿着第二方向的对应移动。
[0034]在一些实施例中，可移动质量块具有相对于平行于移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中弹性元件与可移动质量块的第一侧和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS致动器，其特征在于，包括：衬底；可移动质量块，在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在所述衬底上方，并且在由垂直于所述第一方向的第二方向和第三方向限定的延伸平面中延伸；弹性元件，被布置在所述衬底与所述可移动质量块之间，所述弹性元件具有平行于所述第一方向的第一柔量和平行于所述第二方向的第二柔量，所述第一柔量小于所述第二柔量；多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，所述固定部分相对于所述衬底固定，所述可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于所述第一方向的方向变形；以及多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：弹性移动转换结构，被布置在所述压电致动结构中的相应压电致动结构与所述可移动质量块之间；每个弹性移动转换结构沿着平行于由所述第一方向和所述第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在所述移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且其中所述第一惯性主轴线和所述第二惯性主轴线相对于所述第一方向和所述第二方向横向，使得所述压电致动结构在所述移动变换平面中的变形引起所述可移动质量块沿着所述第二方向的对应移动。2.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述可移动质量块具有相对于平行于所述移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于所述第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中所述弹性元件与所述可移动质量块的所述第一侧和所述第二侧相邻布置，并且所述移动变换结构与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻布置。3.根据权利要求2所述的MEMS致动器，其特征在于，与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻的所述移动变换结构的所述弹性移动转换结构具有沿着所述第二方向平移的相互相等的形状。4.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，每个弹性移动转换结构包括至少一个伸长结构，所述至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分、以及多个横向部分，所述第一伸长部分和所述第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于所述第三方向延伸，并且沿着所述第一方向被布置在与所述衬底相距不同的高度处，每个横向部分在所述第一伸长部分与所述第二伸长部分之间延伸。5.根据权利要求4所述的MEMS致动器，其特征在于，所述至少一个伸长结构是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还包括被耦合到所述第一伸长结构的第二伸长结构，所述第二伸长结构在所述MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。6.根据权利要求5所述的MEMS致动器，其特征在于，所述第二伸长结构等于所述第一伸长结构并且沿着所述第二方向平移。7.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述弹性元件和所述移动变换结构相对于所述第三方向是刚性的。
8.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述压电致动结构平行于所述第三方向延伸并且具有自由端，其中所述移动变换结构各自还包括在相应压电致动结构的自由端与相应弹性移动转换结构的第一端之间延伸的弹性平移结构，每个弹性平移结构被配置为将相应可变形结构的所述自由端的移动转变成所述相应弹性移动转换结构的所述第一端的平行于所述第一方向的平移。9.根据权利要求8所述的MEMS致动器，其特征在于，每个弹性平移结构包括弹性解耦结构和加强结构，所述弹性解耦结构被配置为沿着平行于所述第一方向和所述第三方向的方向变形，其中所述加强结构在所述弹性解耦结构与所述弹性移动转换结构之间沿着所述第三方向延伸。10.根据权利要求9所述的MEMS致动器，其特征在于，所述加强结构形成围绕所述可移动质量块和所述弹性移动转换结构的框架，所述弹性移动转换结构相对于所述框架固定，每个解耦结构和每个压电致动结构相对于所述框架被布置在外部。11.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述压电致动结构各自包括第一部分和被耦合到所述第一部分的第二部分，所述第一部分和所述第二部分各自具有伸长结构，并且沿着彼此平行的方向延伸，所述第一部分被耦合到相应移动变换结构，所述第二部分被耦合到所述衬底，所述第一部分和所述第二部分被连接到不同的偏置结构，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：