基于应变感测镜位置制造技术

本发明专利技术公开了一种机械装置，该机械装置包括基座(24)、移动元件(26)和铰链(28)，该铰链具有附接至移动元件的第一端部。支撑结构(32)附接至基座并附接至铰链的第二端部，并且至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成该部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形。基于应变的旋转传感器(34,44,46,60,62,72,74,100)与支撑结构相关联并且被配置为提供用于指示响应于由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的应变的移动元件的旋转的信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及监测旋转机械设备的运动，并且更具体地涉及扫描微镜的运动。
技术介绍
PCT国际公布WO 2014/016794(其公开内容以引用方式并入本文)描述了基于微机电系统(MEMS)的扫描微镜。本专利申请中所述的实施方案提供了扫描镜组件，该扫描镜组件包括支撑结构；基座(也称为万向支架)，其被安装以围绕第一轴相对于支撑结构旋转；以及镜，其被安装以围绕第二轴相对于基座旋转。在本PCT专利申请中所述的一个实施方案中，电容式感测用于使用在旋转轴的相对侧的邻近镜的位置处定位的电容传感器的板来监测镜的旋转。(在本专利技术所公开的实施方案中，板相对于支撑结构的平面成角度，但在其他具体实施中，板可平行于支撑结构的平面。)测量板和镜之间的电容的变化，以便监测镜的旋转。基于应变的传感器(通常为压阻的或金属的)常常用于测量膜的偏转、感测压力、测量加速度计和陀螺仪中的悬臂梁的偏转，以及其他应用。各种类型的应变传感器在本领域中是已知的。例如，在金属应变传感器中，金属电阻器的电阻由于可能响应于应变而发生的变形而变化。掺杂硅表现出强压阻式响应，即其电阻根据其自身应变而显著变化，这可能是由施加应力的各种模式导致的。电阻式应变感测及其在MEMS中的使用例如在Liu的Foundations of MEMS(Illinois ECE Series,Northwestern University,2005)第6章中有所描述，其以引用方式并入本文。
技术实现思路
本文所述的本专利技术的实施方案将基于应变的感测用于测量旋转，并且具体地用于测量MEMS组件的偏转角度。因此，根据本专利技术的实施方案，提供了一种机械装置，该机械装置包括基座、移动元件和铰链，该铰链具有附接至移动元件的第一端部并具有第二端部。支撑结构附接至基座并附接至铰链的第二端部，并且至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成该部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形。基于应变的旋转传感器与支撑结构相关联并且被配置为提供用于指示响应于由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的应变的移动元件的旋转的信号。在本专利技术所公开的实施方案中，支撑结构的垂直于铰链的部件包括具有附接至基座的端部的横梁。除此之外或另选地，至少基座、支撑结构、移动元件和铰链是由MEMS工艺中的半导体晶圆形成的，并且基于应变的旋转传感器作为MEMS工艺的一部分被形成在半导体晶圆上。基于应变的旋转传感器可包括压阻式传感器和/或金属应变传感器，该压阻式传感器通过在所述支撑结构中掺杂半导体材料而形成，该金属应变传感器包括沉积于支撑结构上的金属迹线。在一个实施方案中，该移动元件包括扫描镜，并且基座包括万向支架。在本专利技术所公开的实施方案中，该旋转传感器具有响应于支撑结构中的应变而变化的电阻，并且该装置包括感测电路，该感测电路被耦接以输出响应于变化的电阻的对移动元件的旋转的角度的指示。在一个实施方案中，该感测电路包括桥式电阻器。该旋转传感器可包括具有两对相互垂直的臂的十字形应变传感器，其中该感测电路耦接至臂的相应端部以便感测旋转的角度。通常，该铰链为附接至移动元件的相对侧的一对铰链中的一个铰链，并且基于应变的旋转传感器为与铰链在移动元件的相对侧上所附接到的支撑结构相关联的一对旋转传感器中的一个旋转传感器。根据本专利技术的一个实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括安装移动元件以在铰链上相对于基座旋转，使得铰链的第一端部附接至移动元件。将铰链的第二端部附接至支撑结构，该支撑结构附接至基
座，该支撑结构至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形；以及通过感测由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的支撑结构的应变来测量移动元件的旋转。结合附图从下文中对本专利技术的实施方案的详细描述将更全面地理解本专利技术，在附图中：附图说明图1是根据本专利技术的实施方案的扫描镜组件的示意性图示；图2是根据本专利技术的实施方案的示出由镜旋转导致的变形的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；图3是根据本专利技术的另选实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；图4是根据本专利技术的实施方案的应变感测电路的电路示意图；图5是根据本专利技术的另一个实施方案的具有应变感测电路的扫描镜组件的示意性图示；图6A是根据本专利技术的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；图6B是用于图6A的实施方案的应变感测电路的电路示意图；图7A是根据本专利技术的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；以及图7B是图7A的传感器的放大视图。具体实施方式使用基于应变的方法通常很难实现MEMS设备中的角度偏转的测量。此困难的一个原因在于MEMS组件的机械部件的伸长和缩短在扭力上相对较小，从而相关联的应变也很小。在下文中所述的本专利技术的实施方案通过将MEMS组件的旋转移动转换成组件中的某些部件的弯曲来解决该问题。与该弯曲相关联的拉伸和压缩引入较大应变，该较大应变可使用压阻式、压电式或金属应变传感器来进
行检测。可通过适当硅掺杂和/或金属包覆或任何其他合适方法将此类传感器制造成MEMS制造工艺的整体部分，并从而可以少许成本紧凑、有效地集成到MEMS组件中。图1是根据本专利技术的一个实施方案的扫描镜组件20的示意性图示。组件20通常使用MEMS工艺来制造以便通过适当蚀刻硅晶圆衬底来限定并释放组件的移动元件，并且以便沉积组件的特别是用于感测旋转的电气元件。扫描组件20可由如上述PCT国际公布WO 2014/016794中所述的磁力驱动器来驱动，或由本领域中已知的任何其他合适类型的微型驱动器来驱动。可用于组件20设计和制造的MEMS工艺和部件的另外的详情在本PCT公开和美国专利7,952,781中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文。组件20包括框架22，该框架被蚀刻以限定旋转万向支架24和镜26。在所述实施方案中，镜26围绕扭转铰链28相对于万向支架24旋转，而万向支架24在扭转铰链30上相对于框架22旋转，该扭转铰链30垂直于铰链28。镜、万向支架和铰链的边界由光刻掩模来限定，并且然后蚀刻晶圆以从晶圆的周边部件释放活动的镜、万向支架和铰链。在典型MEMS设备中，铰链28和30的横向尺寸可为大约20μm-200μm。在本专利技术所公开的实施方案中，万向支架24因此充当用于镜26的移动的基座，而框架22充当用于万向支架24的移动的基座，并且这些元件共同实现镜角度的二维扫描。然而，本专利技术的原理通常单独适用于每个铰链和旋转轴，从而也可应用于仅具有单个旋转轴的组件。为了简单起见，以下描述将仅涉及铰链28，但类似的设计和测量技术同样可应用于铰链30以及MEMS组件中的其他类型的旋转结构。铰链28在其内端处附接至镜26并且在其外端处附接至支撑结构，该支撑结构包括附接至万向支架24的横梁32。这些支撑结构在以下附图中更加详细地示出。横梁32垂直于铰链28并附接成使镜26围绕铰链的旋转转换成横梁的伸长。因此，在镜26围本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械装置，包括：基座；移动元件；铰链，所述铰链具有附接至所述移动元件的第一端部并具有第二端部；支撑结构，所述支撑结构附接至所述基座并附接至所述铰链的所述第二端部，并且所述支撑结构至少具有垂直于所述铰链的部件以便将所述移动元件围绕所述铰链的旋转转换成所述部件的伸长，由此所述移动元件围绕所述铰链相对于所述基座旋转，而所述支撑结构由于所述移动元件围绕所述铰链的所述旋转而变形；和基于应变的旋转传感器，所述基于应变的旋转传感器与所述支撑结构相关联并且被配置为提供用于指示响应于由于所述移动元件的所述旋转造成的所述支撑结构的变形所导致的应变的所述移动元件的所述旋转的信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.26 US 61/944,582;2014.11.25 US 14/552,5001.一种机械装置，包括：基座；移动元件；铰链，所述铰链具有附接至所述移动元件的第一端部并具有第二端部；横梁，所述横梁垂直于所述铰链并具有附接至所述基座的端部，其中所述铰链的所述第二端部在所述端部之间的位置处附接至所述横梁，使得所述横梁响应于所述移动元件围绕所述铰链的旋转而伸长，由此所述移动元件围绕所述铰链相对于所述基座旋转，而所述横梁由于所述移动元件围绕所述铰链的所述旋转而变形；基于应变的旋转传感器，所述基于应变的旋转传感器包括位于所述横梁内的至少一个十字形掺杂区域，所述掺杂区域包括两对相互垂直的臂，所述两对相互垂直的臂具有响应于由于所述移动元件的所述旋转造成的所述横梁的变形所导致的应变而变化的相应电阻；和感测电路，所述感测电路耦接至所述臂的相应端部并且被配置为响应于变化的电阻的对所述移动元件的所述旋转的角度的指示。2.根据权利要求1所述的装置，其中至少所述基座、所述横梁、所述移动元件和所述铰链是由MEMS工艺中的半导体晶圆形成的，并且所述基于应变的旋转传感器作为MEMS工艺的一部分被形成在所述半导体晶圆上。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述移动元件包括扫描镜，并且所述基座包括万向支架。4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述感测电路包括桥式电阻器。5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述铰链为附接至所述移动元件的相对侧的一对铰链中的一个铰链，并且所述基于应变的旋转传感器为与所述铰链在所述移动元件的所述相对侧上所附接到的横梁相关联的一对旋转传感器中的一个旋转传感器。6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述至少一个十字形区域包括位于所述横梁的所述端部处的一对十字形区域。7.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述十字形区域的所述臂相对于所述横梁成对角地进行取向。8.根据权利要求7所述的装置，其中所述感测电路被耦接以测量成对的所述臂之间的漏电压信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·格尔森，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国;US