具有双轴致动的微机械结构及对应的MEMS设备制造技术

一种微机械结构(20)，具有：框架(2)，其在内部限定了窗(5)并且通过第一弹性元件(6)被弹性地连接到相对于基底(8)被固定的锚固结构(7)；致动结构(10)，可操作地耦合到框架(2)以用于生成第一致动移动；移动质量(4)，被布置在窗(5)内并且通过扭转型的第二弹性元件(9)弹性地耦合到框架(2)，使得移动质量(4)在第一致动移动中被刚性地耦合到框架(2)，并且针对相同的移动质量(4)进一步限定扭转型的第二致动轴线(y)。质量分布与移动质量(4)关联，从而通过惯性效应生成作为第一致动移动的函数的移动质量(4)围绕第二致动轴线(y)的旋转的第二致动移动。

【技术实现步骤摘要】
具有双轴致动的微机械结构及对应的MEMS设备
本专利技术涉及具有双轴致动的微机械结构以及相应的MEMS(微机电系统)设备；特别地，本公开将涉及用于例如为投影仪的光学MEMS设备的反射器微机电结构(也被称为“微镜”)。
技术介绍
反射器微机械结构是已知的，其至少部分地由半导体材料并使用MEMS技术制作。这些微机械结构可以被集成在便携电子装置中，诸如举例而言，平板电脑、智能电话、PDA，以用于光学应用，特别是用于以期望的模式引导由通常是激光器的光源所生成的光辐射束。由于减小的尺寸，微机械结构使得关于空间占用在面积和厚度方面能够满足严格的要求。例如，反射器微机械结构被用在微型投影机设备(所谓的微投影仪)中，其能够以一定距离投影期望的图像或图形。反射器微机械结构通常包括移动结构，其承载反射元件或镜元件(即，针对特定波长或波长带具有高反射率的材料的)，其被制作在半导体材料的主体中从而是移动的，例如具有倾斜和/或旋转的移动，以用于通过改变其传播方向而以期望的方式引导入射光束；以及支承结构，其还被制作为从半导体材料的主体开始，被耦合到移动结构，具有支承和处理的功能。在支承结构中，腔体通常在其下被形成，并且在对应于具有其反射元件的移动结构的位置中，以用于使得其能够自由移动和旋转。通常，光束的传播方向以周期性或准周期性方式改变以用于利用反射的光束执行对空间的一部分的扫描。特别地，在谐振型的反射器微机械结构中，致动系统致使反射元件以基本上周期性方式关于休止位置振荡，该振荡周期尽可能接近于谐振频率以便于在每次振荡期间最大化由反射元件覆盖的角度距离，并且因而最大化扫描空间部分的大小。在反射器微机械结构中，双轴致动结构是已知的，在其中反射元件根据所谓的利萨如(Lissajous)扫描路径相对于两个不同的相互垂直的致动轴线而被致动。图1以示意和简化方式图示了整体由1所标记的反射器微机械结构。反射器微机械结构1包括：框架2，在所示的示例中在由第一水平轴线x和第二水平轴线y定义的水平面xy中具有方环形(并且与相同框架2的主表面2a的平面重合)；以及移动质量4，在所示的示例中在水平面xy中具有圆形。框架2在其内部限定了窗5，在其中容纳有移动质量4，并且框架2由第一弹性元件6连接到在相同的框架2之外的锚固结构7，其相对于在其中设置有反射器微机械结构1的半导体材料的主体的基底8(被示意性表示)被固定。特别地，第一弹性元件6沿着第一水平轴线x在框架2的相对两侧上对准地延伸，其将框架2的相应部分连接到锚固结构7的锚固元件7a、7b(例如即，以未在本文示出的方式，连接到前述基底8的垂直柱)。第一弹性元件6顺从于扭转以用于使得框架2能够离开水平面xy并且围绕第一水平轴线x相对于锚固结构7以及相对于基底8旋转移动。移动质量4在顶部处承载具有针对要被反射的光辐射的高反射率的材料(诸如举例而言，铝或金)的镜元件4'，并且通过沿着第二水平轴线y在移动质量4的相对两侧上对准地延伸的第二弹性元件9而被连接到框架2。第二弹性元件9顺从于扭转以用于使得移动质量4能够离开水平面xy并且围绕第二水平轴线y相对于框架2旋转移动；此外，第二弹性元件9相对于挠曲是刚性的，使得移动质量4在围绕第一水平轴线x的旋转移动中被刚性地耦合到框架2。反射器微机械结构1进一步包括：第一致动结构10(被示意性表示)，其被耦合到框架2并被配置为根据用来例如生成围绕第一水平轴线x的扭转力矩Tx的合适的电气驱动信号而致使相同的框架2围绕第一水平轴线x的致动旋转移动；以及第二致动结构11(其也被示意性表示)，其被耦合到移动质量4并被配置为根据用来例如生成围绕前述第二水平轴线y的相应的扭转力矩Ty的进一步的电气驱动信号而致使相同的移动质量4围绕第二水平轴线y的相应的致动旋转移动。根据相应的电气驱动信号的第一和第二致动结构10、11因而使得移动质量4和关联的镜元件4'能够围绕第一和第二水平轴线x、y旋转，以此方式使能产生反射光束的期望双轴扫描图案。目前为止，以下操作的原理已经为前述第一和第二致动结构10、11而提出：静电(其中梳指状电极的相应集合被耦合到框架2并且耦合到移动质量4以用于生成静电吸引力并且生成前述扭转力矩Tx、Ty)；压电(其中压电元件被机械地耦合到第一和第二弹性元件6、9以致使其扭转并且随后生成扭转力矩Tx、Ty)；以及电磁(在该情况下线圈被布置在对应于框架2的位置中以用于生成由穿过电流导致的磁场，该磁场被设计为生成扭转力矩Tx、Ty)。根据静电远离的反射器微机械结构操作的示例例如在US7,399,652中进行了描述。本申请人已意识到前述方案在产生的结构的大小和致动的效率方面由某些限制影响，而无关于所用的致动原理。特别地，高值的驱动信号通常被供应到致动结构以获得期望的扭转力矩Tx、Ty，例如用于静电致动结构的在100V量级的高电压，或用于压电致动结构的50V的高电压，或在电磁致动结构的情况下例如在100mA量级的高电流。该问题对于双轴致动微机械结构而言更明显地感觉到，其中一般不同的驱动电路和致动结构需要用于每个轴线的致动(最终具有大小和制造成本上的增大)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于至少部分地解决上述问题，其困扰已知类型的微机械结构，并且特别是用来提供具有改进的致动效率的结构。根据本专利技术，微机械结构和对应的MEMS设备被提供，如在所附的权利要求书中限定的。附图说明为了更好地理解本专利技术，其优选的实施例现在仅通过非限制性的示例以及参照所附的附图进行描述，其中：图1是具有已知类型的双轴致动的微机械结构的示意性顶平面图；图2a是根据本技术方案的实施例的具有双轴致动的微机械结构的示意性顶透视图；图2b是图2a的微机械结构的示意性底透视图；图2c是图2a的微机械结构的一部分的示意性底平面图；图3a至3c示出了根据相应实施例的图2a的微机械结构的部分的示意性底平面图；图4示出了根据不同实施例的微机械结构的部分的示意性顶平面图；图5a至5b是具有静电类型的致动结构的、具有双轴致动的微机械结构的相应的示意性顶、底平面图；图6a至6b是具有电磁类型的致动结构的、具有双轴致动的微机械结构的相应的示意性顶、底平面图；图7a至7b是具有压电类型的致动结构的、具有双轴致动的微机械结构的相应的示意性顶、底平面图；图8是包括反射器微机械结构的光学MEMS设备的总体框图；图9a是根据本技术方案的进一步实施例的具有双轴致动的微机械结构的示意性顶透视图；以及图9b是图9a的微机械结构的一部分的示意性底平面图。具体实施方式如在图2a中示意性地图示的，根据本方案的一个实施例，具有双轴致动的微机械结构，特别是反射器微机械结构20，具有与参照图1讨论的基本上等同的配置，因而具有：框架2(一般地，相同的附图标记被用于标明具有与之前讨论的其他那些等同的结构和功能的元件)，被第一弹性元件6电气耦合到锚固结构7；以及移动质量4，其被布置在限定在框2内的窗5中，承载镜元件4'并且被第二弹性元件9电气地耦合到相同的框架2。如前所述，扭转型的第一弹性元件6被配置为使得框架2能够相对于锚固结构7以及相对于在其中制作有反射器微机械结构20的半导体材料的主体的基底8旋转移动；该旋转离开水平面xy并且围绕第一水平轴线x。此外，也是扭转型的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有双轴致动的微机械结构(20)，包括：框架(2)，所述框架(2)内部限定窗(5)并且由第一弹性元件(6)弹性地连接到相对于基底(8)固定的锚固结构(7)；致动结构(10)，所述致动结构(10)可操作地耦合到所述框架(2)并且被配置为生成所述框架(2)相对于第一致动轴线(x；z)的第一致动移动；移动质量(4)，所述移动质量(4)被布置在所述窗(5)内并且被扭转型的第二弹性元件(9)弹性地耦合到所述框架(2)，所述移动质量(4)被配置为使得所述移动质量(4)在所述第一致动移动中被刚性地耦合到所述框架(2)，并且针对所述移动质量(4)进一步限定扭转型的第二致动轴线(y)，其特征在于，质量分布与所述移动质量(4)关联，至少相对于所述第二致动轴线(y)是非对称的，并且被配置为通过惯性效应生成作为所述第一致动移动的函数的所述移动质量(4)围绕所述第二致动轴线(y)的旋转的第二致动移动。

【技术特征摘要】
2015.11.30 IT 1020150000783931.一种具有双轴致动的微机械结构(20)，包括：框架(2)，所述框架(2)内部限定窗(5)并且由第一弹性元件(6)弹性地连接到相对于基底(8)固定的锚固结构(7)；致动结构(10)，所述致动结构(10)可操作地耦合到所述框架(2)并且被配置为生成所述框架(2)相对于第一致动轴线(x；z)的第一致动移动；移动质量(4)，所述移动质量(4)被布置在所述窗(5)内并且被扭转型的第二弹性元件(9)弹性地耦合到所述框架(2)，所述移动质量(4)被配置为使得所述移动质量(4)在所述第一致动移动中被刚性地耦合到所述框架(2)，并且针对所述移动质量(4)进一步限定扭转型的第二致动轴线(y)，其特征在于，质量分布与所述移动质量(4)关联，至少相对于所述第二致动轴线(y)是非对称的，并且被配置为通过惯性效应生成作为所述第一致动移动的函数的所述移动质量(4)围绕所述第二致动轴线(y)的旋转的第二致动移动。2.根据权利要求1所述的微机械结构，其中所述质量分布被设计为在所述微机械结构(20)的运动等式中生成质量矩阵(M)，所述质量矩阵(M)具有在所述框架(2)的所述第一致动移动与所述移动质量(4)的所述旋转之间的惯性耦合的项。3.根据权利要求1或2所述的微机械结构，其中所述质量分布限定以与所述第二致动轴线(y)一定距离被布置的至少一个质心(B)，惯性力(F)待在所述质心处紧随所述第一致动移动而发生，生成用于将所述移动质量(4)围绕所述第二致动轴线(y)旋转的扭转矩(Ty)。4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械结构，其中扭转型的所述第一弹性元件(6)和所述第一致动轴线(x)限定旋转轴线，所述第一致动移动是所述框架(2)围绕所述第一致动轴线(x)的旋转。5.根据权利要求4所述的微机械结构，其中所述第一致动轴线(x)和所述第二致动轴线(y)限定与所述框架(2)的主表面(2a)平行的水平面(xy)；其中所述移动质量(4)在所述水平面(xy)中具有几何中心(O)，并且所述质量分布包括在对角方向(d)对准的、相对于所述几何中心(O)对称地布置的第一附加质量部分(22a)和第二附加质量部分(22b)，所述对角方向相对于所述第一致动轴线(x)和所述第二致动轴线(y)倾斜。6.根据权利要求5所述的微机械结构，其中所述移动质量(4)在所述水平面(xy)上具有圆形，并且所述第一附加质量部分(22a)和所述第二附加质量部分(22b)在所述水平面(xy)上具有圆扇形的形状并且在所述几何中心(O)处由连接部分(22c)连接。7.根据权利要求4至6中任一项所述的微机械结构，其中所述移动质量(4)包括以相对于垂直轴线(z)与所述基底(8)一定距离被布置的、在表面层(24)中形成的主体部分，所述垂直轴线(z)与所述第一致动轴线(x)和所述第二致动轴线(y)定义三个笛卡尔轴线的集合；并且所述质量分布包括在所述基底(8)的方向上相对于所述垂直轴线(z)在所述表面层(24)之下布置的、在结构层(25)中形成的至少一个附加质量部分(22a)。8.根据权利要求4至6中任一项所述的微机械结构，其中所述移动质量(4)包括以相对于垂直轴线(z)与所述基底(8)一定距离被布置的、在表面层(24...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·卡尔米纳蒂，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT