具有增加的可偏转性的MEMS致动器、特别是微镜制造技术

本发明专利技术涉及一种MEMS致动器，其包括框架结构和至少一个致动器臂。致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体。MEMS致动器的特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构。两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向。此外，两个或更多个致动器部分包括至少一层致动器材料，其中致动器本体的移动可以通过致动两个或更多个致动器部分来实现。此外，本发明专利技术涉及一种用于生产根据本发明专利技术的MEMS致动器的方法。的MEMS致动器的方法。的MEMS致动器的方法。

【技术实现步骤摘要】
具有增加的可偏转性的MEMS致动器、特别是微镜


[0001]本专利技术涉及一种MEMS致动器，其包括框架结构和至少一个致动器臂。致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体。MEMS致动器的特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构。两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向。此外，两个或更多个致动器部分包括至少一层致动器材料，其中致动器本体的移动可以通过致动两个或更多个致动器部分来实现。
[0002]此外，本专利技术涉及一种用于生产根据本专利技术的MEMS致动器的方法。

技术介绍

[0003]今天，微系统技术被用于许多应用领域，用于生产紧凑的机械电子设备。可以通过这种方式生产的微系统(微电子机械系统，简称MEMS)非常紧凑(大约在微米范围内)，功能卓越，生产成本也越来越低。
[0004]基于微系统技术的操作原理和/或生产方法的致动器也从现有技术中已知。致动器通常指的是将控制信号(例如以电控制信号的形式)转换成机械移动和/或物理变量诸如压力和/或温度的变化的部件。微系统技术背景下的致动器也称为MEMS致动器。
[0005]在Algamili等人(2021)中，公开了已知现有技术MEMS致动器的构造和操作的概述。MEMS致动器可以根据多种标准进行分类，特别是根据其操作原理进行分类。因此，已知根据静电、压电、电磁或热原理操作的MEMS致动器。通过前三个原理，电能通常直接转换为机械能。采用热(驱动)原理，电能先转换为热能，再因热膨胀转化为机械能。r/>[0006]MEMS致动器具有大量应用。例如，MEMS致动器可以用于将关联的微镜移动和/或定位到期望位置。微镜用于许多领域。除其他外，微镜在LiDAR的背景下用于汽车技术，LiDAR代表光检测和测距并且是一种用于距离测量和环境检测的方法。微镜用于在大角度范围内以高扫描速度将光发射到对应的物体上，并进行距离测量。Dingkang、Watkins和Xie(2020)讨论了LiDAR技术以及这些应用对微镜设计和功能的要求。
[0007]微镜在显示或投影技术的背景下尤其重要，例如所谓的DLP技术，DLP技术代表数字光处理。例如，DLP用于家庭影院和演示领域的视频投影仪和背投屏幕。DLP还用于工业部门的增材制造。此外，该技术还用于生物学和医学的光学检查方法。Katal、Tyagi&Joshi(2013)介绍了DLP技术并讨论了它在(潜在)应用领域中的使用。
[0008]DLP技术的基础是DMD(数字微镜设备)。例如，在Lee(2008)以及基础专利US5,061,049中描述了DMD的操作模式。DMD包括根据阵列布置的多个微镜，例如以矩形场中的矩阵形式。每个微镜对应于要显示的图像的一个像素。微镜可以单独旋转大约
±
10
°‑
12
°
以打开或关闭它们。打开时，来自投影仪光源的光会反射到光学系统(例如镜头)，从而使屏幕上的像素显得明亮。关闭时，光指向不同的方向，导致像素变暗。例如，为了创建灰度，反射镜会非常快速地打开和关闭。开启时间与关闭时间的比率确定了要投影的图像的色调。为了能够照亮大的投影表面，可能的偏转角是相关的。微镜的可移动性对投影图像本身的呈现具有决定性影响。
[0009]还需要微镜作为微型扫描仪的部件(参见Baran&Urey(2014))。根据设计，微镜的调制运动可以围绕一个或两个轴线平移或旋转。在第一种情况下，实现了相移效果，而在第二种情况下，实现了入射光束的偏转。微型扫描仪可以用于例如激光显示器或共振扫描仪。
[0010]激光显示应用还需要反射镜的大偏转和高精度移动。谐振扫描仪使用高机械品质因数(Q)来实现所需的微镜角度。在大气压力下，需要非常高的驱动扭矩来克服空气阻尼。这个问题可以通过使用真空封装来解决，但是这样做成本高，并且会带来一些其他的技术问题。
[0011]因此，在现有技术中，特别是对于微镜的移动，需要提供优化可偏转性和移动的MEMS致动器。特别地，大角度范围内的动态偏转应该是可能的。
[0012]例如，关于在激光扫描或投影系统中使用微镜，应该在更大的图像区域上实现改进的分辨率。同样，在LiDAR系统的背景下，微镜的大偏转是可取的，以增加扫描场或视场(FoV)。例如，对于自动驾驶汽车，最小视场应至少为25
°
，而手势识别甚至需要50
°
和盲点检测120
°
或更多(另参见Watkins&Xie(2020))。同时，微镜必须满足精度和扫描速度的高要求。
[0013]在现有技术的已知MEMS致动器的情况下，因此需要在偏转本身以及动力学方面改进微镜的致动，由此也希望能够通过流程高效的程序为此目的提供合适的MEMS致动器。

技术实现思路

[0014]专利技术目的
[0015]本专利技术的目的是提供一种消除现有技术的缺点的MEMS致动器。特别地，将提供一种MEMS致动器，通过该MEMS致动器使得例如微镜的致动器本体的大偏转角度成为可能，优选同时具有高精度移动和高动态性。此外，MEMS致动器优选地应该特征在于坚固、紧凑的设计和更有效的生产过程。
[0016]
技术实现思路

[0017]根据本专利技术的目的由本专利技术的实施方式解决。本专利技术的有利实施方式在本专利技术的其他实施方式中公开。
[0018]在第一方面，本专利技术优选地涉及一种包括框架结构和至少一个致动器臂的MEMS致动器，其中致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体，其特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构，其中两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线对准并且包括至少一层致动器材料，并且其中致动器本体的移动能够通过致动两个或更多个致动器部分来实现。
[0019]优选的MEMS致动器已被证明在许多方面具有优势，并且显示出对现有技术的显著改进。
[0020]优选的MEMS致动器的特别优点是可以实现致动器本体的高偏转的效果。更大的偏转有利地影响所有空间维度并且可以例如以高倾斜角表现出来。这里，倾斜角优选地表示在相对致动器臂的纵向轴线的竖直方向上相对于致动器本体的初始位置的角度或倾角。通常，可以有利地实现致动器本体的特别高的偏转，其中偏转在此优选地意味着致动器本体的初始位置的改变。
[0021]致动器本体的高偏转或倾斜角由致动器臂的设计引起，根据该设计，致动器臂具有曲折结构，该曲折结构具有大致垂直于纵向轴线对准的两个或更多个致动器部分。
[0022]当致动器臂被致动时，两个或更多个致动器部分同时被激励，使得它们的力作用加起来形成更大的力矩或行程并导致致动器本体的更高偏转性。有利地，期望的可偏转性可根据可相应地选择的致动器部分的数量来缩放。
[0023]专利技术人已经认识到，包括两个或更多个致动器部分的曲折结构可以通过将各个致动器部分的效果相加而产生用于致动致动器本体的更高的力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MEMS致动器(1)，所述MEMS致动器包括框架结构(3)和至少一个致动器臂(5)，其中，所述致动器臂(5)在第一端连接到所述框架结构(3)并且在第二端连接到致动器本体(9)，其特征在于，所述至少一个致动器臂(5)具有包括两个或更多个致动器部分(7)的曲折结构，其中，所述两个或更多个致动器部分(7)基本上垂直于所述致动器臂(5)的纵向轴线进行定向并且包括至少一层致动器材料，并且其中，所述致动器本体(9)的移动能够通过所述两个或更多个致动器部分(7)的致动来实现。2.根据前一权利要求所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述致动器本体(9)的移动包括平移、旋转、扭转和/或倾斜。3.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器，其特征在于，所述两个或更多个致动器部分(7)通过将包含致动器材料的至少一个层施加到基板的曲折结构而形成，其中优选地，所述基板的所述曲折结构的区域垂直于所述基板的表面进行定向以形成所述两个或更多个致动器部分(7)。4.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述两个或更多个致动器部分(5)包括至少两个层，其中优选地，一个层包括致动器材料并且第二层包括机械支撑材料，并且/或者其中，两个层(11)都包括致动器材料。5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述致动器材料包括压电材料、聚合物压电材料、电活性聚合物(EAP)和/或热敏材料。6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述致动器臂(5)与至少一个电极接触，并且所述致动器部分(7)由电控制信号进行致动以实现侧向弯曲或偏转。7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述MEMS致动器(1)具有固定元件(11)，所述固定元件连接到所述致动器本体(9)，使得所述致动器本体(9)能够通过施加所述控制信号而沿枢轴点和/或枢轴线进行倾斜。8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，所述致动器臂(5)的所述第一端通过机械刚性或机械柔性的连接器(13)连接到所述框架结构(3)。9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，通过致动所述两个或更多个致动器部分(7)，所述致动器本体(9)能够围绕枢轴点倾斜至少10
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬，
申请(专利权)人：哈恩席卡德应用研究学会，
类型：发明
国别省市：