利用压电致动的振荡结构、系统以及制造方法技术方案

公开了利用压电致动的振荡结构、系统以及制造方法。该振荡结构(30)包括：第一扭转弹性元件(56)和第二扭转弹性元件(58)，该第一扭转弹性元件和该第二扭转弹性元件被限制到固定的支撑体(40)的对应部分并且限定旋转轴(O)；移动元件(55，57，60)，该移动元件被设置在该第一与第二扭转弹性元件(56，58)之间并连接到该第一和第二扭转弹性元件，由于该第一和第二可变形元件的扭转，该移动元件可围绕该旋转轴(O)旋转；以及第一控制区域(66)，该第一控制区域耦合到该移动元件(55，57，60)并且容纳第一压电致动器(70)，该第一压电致动器被配置成用于在使用中引起该第一控制区域(66)的局部变形，该局部变形生成该第一和第二扭转弹性元件(56，58)的扭转。

Oscillating structures, systems and manufacturing methods using piezoelectric actuation

The oscillating structures, systems and manufacturing methods of piezoelectric actuation are disclosed. The oscillatory structure (30) includes a first torsion elastic element (56) and second (58), torsional elastic element of the first torsional elastic element and the second torsion elastic element is restricted to the support body (40) corresponding to the fixed portion and defines the axis of rotation (O); mobile element (55, 57, 60), the mobile element is provided on the first and second torsional elastic elements (56, 58) are connected to the first and second elastic components, due to torsion of the first and second deformable element, the element can move around the rotating axis of rotation (O); and a first control region (66). The first control region is coupled to the mobile element (55, 57, 60) and hold the first piezoelectric actuator (70), the first piezoelectric actuator is configured to cause the first control region in use (66) the local deformation, the local deformation of the first and second generation Two torsion of the torsional elastic element (56, 58).

【技术实现步骤摘要】
利用压电致动的振荡结构、系统以及制造方法
本专利技术涉及一种利用压电致动的振荡结构，涉及一种包括该振荡结构的系统，并且涉及一种用于制造该振荡结构的方法。
技术介绍
微机械反射镜结构(或反射器)已知的至少部分地由半导体材料制成并且采用MEMS(微机电系统)技术获得。MEMS反射器被设计为用于采用周期性或准周期性的方式接收光束并改变其传播方向。出于此目的，MEMS反射器包括由反射镜形成的移动元件，这些移动元件在空间中的位置通过适当的振荡控制信号进行电气控制。更详细地，在包括对应的反射镜的通用MEMS反射器中，控制反射镜的位置对于使得能够扫描具有光束的空间的部分尤其重要，该光束被照射在反射镜上。具体地，在谐振MEMS反射器的情况下，其中，在使用中，使该反射镜以基本上周期性的方式围绕静止位置进行振荡，控制反射镜的位置是决定性的，振荡周期尽可能的接近反射镜的谐振频率，以便在每次振荡期间使由反射镜覆盖的角距离最大化，并且因此使经扫描的空间的部分的范围最大化。例如，专利申请US2011/0109951描述了一种用于控制谐振式MEMS反射器的反射镜的位置的电路，该反射镜被设置成用于在静电式致动器的作用下相对于旋转轴翻转。具体地，根据专利申请US2011/0109951所述的MEMS反射器包括：由半导体材料制成的固定的支撑体以及通过扭转弹簧被限制到固定的支撑体的反射镜。静电式致动器通常需要高于150V的高操作电压或者在100mA的区域中的电流，由此限制最终设备的能量效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种减少能量消耗同时优化机电效率的振荡结构。根据本公开，还提供了一种包括该振荡结构的系统以及一种用于制造该振荡结构的方法。因此，根据本专利技术，如在所附权利要求中所限定的那样提供了一种利用压电致动的振荡结构、一种包括该振荡结构的系统以及一种用于制造该振荡结构的方法。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本专利技术的优选实施例，其中：-图1示出了MEMS反射器的电子驱动电路的框图；-图2在俯视平面图中示出了根据本公开的一方面的振荡结构；-图3在俯视平面图中示出了根据本公开的另一方面的振荡结构；-图4至图10在侧视横截面视图中示出了用于制造图2的振荡结构的步骤；-图11A和图11B分别在俯视平面图和侧视横截面视图中示出了根据本公开的另一方面的振荡结构；-图12和图13在侧视横截面视图中示出了用于获得图11A和图11B的振荡结构的中间制造步骤；-图14A和图14B分别在俯视平面图和侧视横截面视图中示出了根据本公开的另一方面的振荡结构；-图15至图17在侧视横截面视图中示出了用于获得图14A和图14B的振荡结构的中间制造步骤；以及-图18示出了根据本公开的另一实施例的振荡结构。具体实施方式图1示出了本身已知类型的投射MEMS系统20，该投射MEMS系统包括例如由多个激光二极管(LD)24形成的光源22，每个激光二极管发射相应波长的电磁辐射。例如，图1中所展示的是三个LD24，每个LD分别发射红色(620nm-750nm)辐射、绿色(495nm-570nm)辐射以及蓝色(450nm-475nm)辐射。投射MEMS系统20进一步包括组合器26、MEMS设备30以及屏幕32。组合器26设置在光源22的下游，用于接收由LD24发射的电磁辐射，并且形成通过组合该电磁辐射而得到的单个光束OB1。组合器26还被设计成用于将光束OB1引导至MEMS设备30上。继而，下文更详细描述的MEMS设备30被设计成用于生成反射光束OB2，并且将反射光束OB2发送到屏幕32以便使得能够在屏幕32上形成图像。详细地，MEMS设备30被设计成用于及时改变反射光束OB2的轴线在空间中的方向，以便周期性地扫描屏幕32的部分；具体地，反射光束OB2线性地尽可能扫描屏幕32的整个部分。显然，MEMS设备30可以发现与图1中所展示的系统不同的系统中的应用。图2示出了根据本公开的MEMS设备30的实施例。MEMS设备30包括特别是由半导体材料制成的固定的支撑体40，该固定的支撑体包括第一结构区域44和第二结构区域46。MEMS设备30被展示在由三个轴线X、Y、Z形成的正交参考系统中。此外，还定义了与该参考系统的轴线Z平行的轴线H。第一和第二结构区域44、46被安排成相对于轴线H沿直径方向相对，并且沿与轴线X平行的轴线O彼此对准。固定的支撑体40限定了腔52。MEMS设备30进一步包括移动体54，该移动体被限制到第一和第二结构区域44、46，并且还悬挂在腔52上方。移动体54分别通过第一可变形元件56和第二可变形元件58机械地耦合到第一和第二结构区域44、46，该第一可变形元件和第二可变形元件特别地被配置成用于进行扭转式变形。移动体54具有中心部分60，例如，俯视平面图中的圆形(在水平平面XY中)，在其上设置有反射镜层65，该反射镜层由针对待投射的光辐射具有高反射率的材料(比如，铝或金)制成。中间部分60分别通过第一刚性连接区域55和第二刚性连接区域57耦合到第一和第二可变形元件56、58。第一和第二连接区域55、57直接地并刚性地连接到容纳反射镜层65的中间部分60。在这种语境中，当第一和第二连接区域中的每一个具有比第一可变形元件56和第二可变形元件58的扭转刚性常数高的扭转刚性常数k(特别地大一个数量级，更确切地大二十倍或者更多)时，第一和第二连接区域55、57中的每一个被认为是“刚性的”。确切地，扭转刚性常数k由以下公式定义：k＝(h3bG)/(βL)其中：h是沿所考虑的元件的轴线Z的厚度；b是沿所考虑的元件的轴线Y的宽度；L是沿所考虑的元件的轴线X的长度；G是剪切模量(该剪切模量的值取决于所用的材料，并且在硅的情况下，根据所考虑的晶体平面，在50.92Gpa与79.4GPa之间变化)；并且β是取决于所考虑的元件的纵横比的数值参数；即，它是宽度b与厚度h之比的函数。在此假设，第一和第二连接区域55、57以及第一和第二可变形元件56、58都具有厚度h与宽度b为h≤b(特别地h<b)的四边形截面，特别地为矩形截面。可以采用合适的形式从公式β＝(3n)/(n-0.63)中获得β的值，其中n＝b/h，或者从本领域技术人员已知的技术手册可获得的表中获得，例如以下出现的类型的表：返回到图2，第一可变形元件56的第一端56a相对于第一结构区域44被固定，而第二可变形元件58的第一端58a相对于第二结构区域46固定。此外，第一可变形元件56的第二端56b以及第二可变形元件58的第二端58b分别相对于第一和第二连接区域55，57被固定。根据实施例，在静止情况下，第一和第二可变形元件56、58中的每一个具有平行六面体的形状，该平行六面体平行于轴线X的尺寸大于沿轴线Y和Z的相应尺寸；例如，平行于轴线X的尺寸比沿轴线Y和Z的尺寸大至少五倍。在静止情况下，第一和第二可变形元件56、58中的每一个具有两个表面。出于实际目的，由于它们中的每一个都可以相对于轴线O扭转，并且随后返回到在静止情况下假设的位置，因此第一和第二可变形元件56、58分别起到第一和第二弹簧的作用。在第一和第二可变形元件56、58扭转期间，其两个表面在静止情况下被安排在平行于平面X本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用压电致动的振荡结构(30)，所述振荡结构包括：‑第一扭转弹性元件(56)和第二扭转弹性元件(58)，所述第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件被限制到固定的支撑体(40)的对应部分并且限定旋转轴(O)；‑移动元件(55，57，60)，所述移动元件被安排在所述第一与第二扭转弹性元件(56，58)之间并连接到所述第一和第二扭转弹性元件，由于所述第一和第二可变形元件的扭转，所述移动元件可围绕所述旋转轴(O)旋转；以及‑第一控制区域(66)，所述第一控制区域耦合到所述移动元件(55，57，60)并且容纳第一压电致动器(70)，所述第一压电致动器被配置成用于在使用中引起所述第一控制区域(66)的局部变形，所述局部变形生成所述第一和第二扭转弹性元件(56，58)的扭转。

【技术特征摘要】
2016.07.28 IT 1020160000796041.一种利用压电致动的振荡结构(30)，所述振荡结构包括：-第一扭转弹性元件(56)和第二扭转弹性元件(58)，所述第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件被限制到固定的支撑体(40)的对应部分并且限定旋转轴(O)；-移动元件(55，57，60)，所述移动元件被安排在所述第一与第二扭转弹性元件(56，58)之间并连接到所述第一和第二扭转弹性元件，由于所述第一和第二可变形元件的扭转，所述移动元件可围绕所述旋转轴(O)旋转；以及-第一控制区域(66)，所述第一控制区域耦合到所述移动元件(55，57，60)并且容纳第一压电致动器(70)，所述第一压电致动器被配置成用于在使用中引起所述第一控制区域(66)的局部变形，所述局部变形生成所述第一和第二扭转弹性元件(56，58)的扭转。2.根据权利要求1所述的振荡结构，其中，所述移动元件(55，57，60)包括：中心体(60)、在所述中心体(60)与所述第一扭转弹性元件(56)之间的第一连接区域(55)、以及在所述中心体(60)与所述第二扭转弹性元件(58)之间的第二连接区域(57)，所述第一控制区域(66)相对于所述第一和第二连接区域(55，57)被固定并且通过第一沟槽(61)与所述中心体(60)分开。3.根据权利要求2所述的振荡结构，其中，所述第一和第二连接区域(55，57)中的每一个都具有比所述第一和第二扭转弹性元件(56，58)中的每一个的扭转刚性常数高的扭转刚性常数。4.根据权利要求3所述的振荡结构，其中，所述第一和第二连接区域(55，57)中的每一个的所述扭转刚性常数比所述第一和第二扭转弹性元件(56，58)中的每一个的所述扭转刚性常数大至少一个数量级。5.根据以上权利要求中任一项所述的振荡结构，进一步包括第二控制区域(68)，所述第二控制区域耦合到所述移动元件(55，57，60)并且容纳第二压电致动器(72)，所述第二压电致动器被配置成用于在使用中引起所述第二控制区域(68)的局部变形，所述局部变形生成所述第一和第二扭转弹性元件(56，58)的扭转，所述扭转与由所述第一压电致动器(70)在使用中生成的所述扭转相反。6.根据权利要求2和5所述的振荡结构，其中，所述第二控制区域(66)相对于所述第一和第二连接区域(55，57)被固定并且通过第二沟槽(62)与所述中心体(60)分开。7.根据权利要求2-4和6中任一项所述的振荡结构，其中，所述中心体(60)容纳反射镜(65)，所述振荡结构形成微反射镜。8.根据权利要求1和5所述的振荡结构，其中，所述第一和第二控制区域(66，68)与所述移动元件(55，57，60)共面。9.根据权利要求1和5所述的振荡结构，其中，所述第一和第二控制区域(66，68)在与所述移动元件(55，57，60)所在的平面平行的、位于低于所述移动元件所在的所述平面的高度上的平面中延伸。10.根据权利要求1和5所述的振荡结构，其中，所述第一和第二控制区域(66，68)在与所述移动元件(55，57，60)所在的平面平行的、位于大于所述移动元件所在的所述平面的高度上的平面中延伸。11.根据以上权利要求中任一项所述的振荡结构，进一步包括电子电路，所述电子电路操作性地耦合到所述第一压电致动器(70)，并且被配置成用于将所述第一压电致动器(70)偏置为驱动电压从而生成并维持所述移动元件(55，57，60)的振荡。12.一种投射MEMS系统，包括：根据权利要求1-11中任一项所述的振荡结构(30)；反射元件(65)，所述反射元件被限制到所述移动元件(60)，并且被设计成用于反射光束；光源(22，26)，所述光源可以被操作用于生成在所述反射元件(65)上的入射光束；以及图像生成模块(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·卡尔米纳蒂，M·默利，S·康蒂，
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