微机电设备和微型投影仪装置制造方法及图纸

本公开的实施例涉及微机电设备和微型投影仪装置。MEMS设备形成在半导体材料的裸片中，该裸片具有在其中限定的腔并且具有锚固部分。可倾斜结构弹性地悬挂在腔之上，并且具有在水平平面中的主延伸部。第一和第二支撑臂在锚固部分与可倾斜结构的相对侧之间延伸。第一和第二谐振压电致动结构旨在被偏置，从而引起可倾斜结构绕旋转轴线的旋转。第一支撑臂由第一和第二扭转弹簧形成，第一和第二扭转弹簧对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕旋转轴线的扭转，并且第一和第二扭转弹簧在约束区域处耦合在一起。第一和第二谐振压电致动结构在第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在锚固部分与约束结构之间延伸。

【技术实现步骤摘要】
微机电设备和微型投影仪装置
本公开涉及一种具有可倾斜的受压电控制的结构(特别地，微反射镜)谐振微机电系统(MEMS)设备。该微反射镜可以是单轴的。
技术介绍
MEMS设备是已知的，其具有使用半导体材料技术而获得的反射镜结构。这样的MEMS设备例如在针对光学应用的便携式装置使用，诸如，便携式计算机、膝上型电脑、笔记本计算机(包括超薄笔记本计算机)、PDA、平板计算机、移动电话以及智能电话，特别地用于以期望的图案引导由光源生成的光辐射束。由于MEMS设备的小尺寸，这种设备可以满足关于空间占用的严格要求，空间占用与面积和厚度两者相关。例如，微机电反射镜设备在小型化的投影仪模块(例如，微型投影仪)中使用，其能够在一定距离处投影图像或生成期望的光图案。MEMS反射镜设备通常包括反射镜元件，反射镜元件悬挂在腔之上并且从半导体主体获得，以便通常通过倾斜或旋转而可移动，来以期望的方式引导入射光束。例如，图1示意性地示出了包括光源2(通常地，激光源)的微型投影仪1，光源2生成由三个单色束组成的光束3，每个单色束针对一个基色，光束3穿过示意性地图示的光学系统4而由反射镜元件5朝向屏幕6偏转，在屏幕6处光束产生扫描7。在所图示的示例中，反射镜元件5包括两个微反射镜8、9，它们沿着光束3的路径依次布置并且是绕其自身的轴线可旋转的；即，第一微反射镜8绕垂直轴线A是可旋转的，并且第二微反射镜绕垂直于垂直轴线A的水平轴线B是可旋转的。如图1的细节中图示的，第一微反射镜8绕垂直轴线A的旋转生成快速的水平扫描。第二微反射镜9绕水平轴线B的旋转生成缓慢的垂直扫描。在图2中图示的图1的系统的变型中，由1'标示的微型投影仪包括二维类型的反射镜元件5'，反射镜元件5'被控制以绕垂直轴线A和水平轴线B旋转，来生成与图1中的扫描图案相同的扫描图案7。在这两种情况下，绕垂直轴线A的运动通常是谐振类型并且较快，并且绕水平轴线B的运动通常是线性类型并且较慢。微反射镜系统的另一应用由3D手势识别系统来表示。3D手势识别系统通常使用微型投影仪和图像捕获设备，诸如相机。在此，光线可以在可见光范围内、在不可见范围内或在任何有用的频率处。针对该应用的微型投影仪可以类似于图1和图2的微型投影仪1或1'，并且由微反射镜5、5'偏转的光束3被用来在两个方向上对物体进行扫描。例如，微型投影仪可以在物体上投影小条带；物体的可能的凸出或凹入区域(由于其深度)创建光射线中的变形，这些变形可以由相机检测，并且由适用的电子器件处理以检测三维尺寸(即深度)。在两种应用中，利用所考虑的技术，反射镜元件5、5'的旋转通过总体上是静电、磁性或压电类型的致动系统来控制。静电致动系统通常利用高操作电压，而电磁致动系统通常带来高功率消耗。因此，已经提出以压电方式来控制扫描运动以便生成强的力，从而使用较低的致动电压并且实现较低的功率消耗。例如，在美国专利公开号2011/0292479(通过引用被并入)中描述的反射镜设备中，悬挂框架通过弹簧元件而连接到固定结构，该弹簧元件具有蛇形或折叠形状，其由彼此平行、并且并排设置的多个臂形成。每个臂承载压电带，并且相邻的压电带通过具有相反极性的电压来偏置。由于压电材料的特性，该偏置导致相邻的臂在相反方向(向上和向下)上的变形，并且从而导致悬挂框架在第一方向上绕水平轴线B的旋转。通过施加相反的偏置，框架在与第一方向相反的第二方向上旋转。垂直扫描因此可以通过对臂施加双极性AC电压来获得。类似的致动系统可以控制绕垂直轴线A的旋转，从而也控制水平扫描。另一经压电致动的反射镜设备在美国专利号10175474(EP3178783)中描述，其在法律允许的最大范围内通过引用被并入。该反射镜设备具有：绕水平轴线B可旋转的可倾斜结构；固定结构；以及压电类型的致动结构，其耦合在可倾斜结构与固定结构之间。致动结构由具有螺旋形状的弹簧元件形成。弹簧元件均由多个驱动臂形成，该驱动臂横切(transverse)于水平轴线B延伸，每个驱动臂承载压电材料的相应压电带。驱动臂被划分为以相反的相位驱动的两个集合，以获得可倾斜结构绕水平轴线B的在相反方向上的旋转。为了降低对杂散运动的敏感性并且提供更耐冲击的结构，美国专利申请号16/704,484(于2018年12月14日提交的IT102018000011112、以及EP19165958.0)描述了一种反射镜设备，其在法律允许的最大范围内通过引用被并入，该反射镜设备具有线性类型的压电致动结构，该压电致动结构由成对的驱动臂形成，成对的驱动臂通过解耦合螺旋弹簧而被耦合到可倾斜结构，其对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于(complaintto)绕旋转轴线的扭转。通过引用并入的美国专利申请公开号2007/268950公开了一种具有压电致动的反射镜扫描器，该反射镜扫描器具有致动器臂，其直接耦合在可倾斜结构的扭转支撑臂与锚固框架之间。当前市场要求针对高分辨率投影系统(例如，具有1440投影行，其具有增加的孔径角)的高频谐振驱动解决方案。然而，为了获得增加的孔径角，大面积的致动结构被涉及，而这牵涉高消耗。本领域存在对提供一种具有可倾斜结构的MEMS设备的需要，该MEMS设备能够在高频率下执行宽的振荡运动。
技术实现思路
本申请人已经发现，常规的微机电设备涉及大面积的致动结构。为了克服上述问题，本技术因此提供了一种微机电设备。在一个方面中，提供了一种微机电设备，其特征在于，包括：裸片，具有被限定在裸片中的腔；锚固部分，由裸片形成；可倾斜结构，被弹性地悬挂在腔之上，并且可倾斜结构具有在水平平面中的主延伸部，水平平面由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定；第一支撑臂和第二支撑臂，在锚固部分与可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构，被配置成被偏置并且引起可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，旋转轴线平行于第一水平轴线；其中第一支撑臂包括第一扭转弹簧和第二扭转弹簧，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕旋转轴线的扭转，第一扭转弹簧被耦合到可倾斜结构，第二扭转弹簧被耦合到锚固部分，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧在第一约束区域处被耦合在一起；并且其中第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构相应地在第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在锚固部分与第一约束区域之间延伸。在一些实施例中，其中第一约束区域对于扭转和挠曲是刚性的。在一些实施例中，其中第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，第一制动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，第一致动臂和第二致动臂被耦合到锚固部分，并且第一致动臂和第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从水平平面离开的运动，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁被耦合到第一约束区域，并且顺从于绕旋转轴线的扭转。在一些实施例中，其中第一谐振压电致动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电设备，其特征在于，包括：/n裸片，具有被限定在所述裸片中的腔；/n锚固部分，由所述裸片形成；/n可倾斜结构，被弹性地悬挂在所述腔之上，并且所述可倾斜结构具有在水平平面中的主延伸部，所述水平平面由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定；/n第一支撑臂和第二支撑臂，在所述锚固部分与所述可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及/n第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构，被配置成被偏置并且引起所述可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，所述旋转轴线平行于所述第一水平轴线；/n其中所述第一支撑臂包括第一扭转弹簧和第二扭转弹簧，所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧对于从所述水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕所述旋转轴线的扭转，所述第一扭转弹簧被耦合到所述可倾斜结构，所述第二扭转弹簧被耦合到所述锚固部分，所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧在第一约束区域处被耦合在一起；并且/n其中所述第一谐振压电致动结构和所述第二谐振压电致动结构相应地在所述第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在所述锚固部分与所述第一约束区域之间延伸。/n

【技术特征摘要】
20190329 IT 1020190000047971.一种微机电设备，其特征在于，包括：
裸片，具有被限定在所述裸片中的腔；
锚固部分，由所述裸片形成；
可倾斜结构，被弹性地悬挂在所述腔之上，并且所述可倾斜结构具有在水平平面中的主延伸部，所述水平平面由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定；
第一支撑臂和第二支撑臂，在所述锚固部分与所述可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及
第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构，被配置成被偏置并且引起所述可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，所述旋转轴线平行于所述第一水平轴线；
其中所述第一支撑臂包括第一扭转弹簧和第二扭转弹簧，所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧对于从所述水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕所述旋转轴线的扭转，所述第一扭转弹簧被耦合到所述可倾斜结构，所述第二扭转弹簧被耦合到所述锚固部分，所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧在第一约束区域处被耦合在一起；并且
其中所述第一谐振压电致动结构和所述第二谐振压电致动结构相应地在所述第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在所述锚固部分与所述第一约束区域之间延伸。


2.根据权利要求1所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一约束区域对于扭转和挠曲是刚性的。


3.根据权利要求1所述的微机电设备，其特征在于，其中：
所述第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，所述第一致动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且
所述第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，所述第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，
所述第一致动臂和所述第二致动臂被耦合到所述锚固部分，并且所述第一致动臂和所述第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从所述水平平面离开的运动，并且
所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁被耦合到所述第一约束区域，并且顺从于绕所述旋转轴线的扭转。


4.根据权利要求2所述的微机电设备，其特征在于，其中：
所述第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，所述第一致动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且
所述第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，所述第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，
所述第一致动臂和所述第二致动臂被耦合到所述锚固部分，并且所述第一致动臂和所述第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从所述水平平面离开的运动，并且
所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁被耦合到所述第一约束区域，并且顺从于绕所述旋转轴线的扭转。


5.根据权利要求4所述的微机电设备，其特征在于，
其中所述第一致动臂和所述第二致动臂相对于所述旋转轴线对称地被布置，并且具有在与所述第一水平轴线平行的方向上的第一长度、以及在与所述第二水平轴线平行的方向上的第一宽度；并且
其中所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁相对于所述第一支撑臂对称地被布置，并且具有在与所述第一水平轴线平行的方向上的第二长度、以及在与所述第二水平轴线平行的方向上的第二宽度，其中所述第一宽度大于所述第二宽度。


6.根据权利要求5所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁延伸相应地作为所述第一致动臂和所述第二致动臂的延长，并且相应地与所述第一致动臂和所述第二致动臂对齐。


7.根据权利要求6所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁平行于所述第一水平轴线延伸。


8.根据权利要求7所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一致动臂和所述第二致动臂侧向于所述第二扭转弹簧延伸，并且所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁侧向于所述第一约束区域延伸。


9.根据权利要求6所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一致动臂和所述第二致动臂侧向于所述第二扭转弹簧延伸，并且所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁侧向于所述第一约束区域延伸。


10.根据权利要求5所述的微机电设备，其特征在于，其中：
所述第一致动臂和所述第二致动臂侧向于所述第二扭转弹簧、侧向于所述第一约束区域以及部分地侧向于所述第一扭转弹簧而延伸；
所述第一位移传递梁和所述第二位移传递梁相应地侧向于所述第一致动臂和所述第二致动臂延伸，所述第一位移传递梁被布置在所述第一致动臂与所述第一扭转弹簧的一部分之间，并且所述第二位移传递梁被布置在所述第二致动臂与所述第一扭转弹簧的一部分之间；并且
所述第一长度大于所述第二长度。


11.根据权利要求6所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧具有线性形状、沿着所述旋转轴线延伸，并且所述第一扭转弹簧和所述第二扭转弹簧相应地具有在与所述第二水平轴线平行的方向上的第三宽度和第四宽度，所述第三宽度和所述第四宽度小于所述第一宽度。


12.根据权利要求11所述的微机电设备，其特征在于，其中所述第一约束区域具有在与所述第二水平轴线平行的方向上的第五宽度，所述第五宽度大于所述第三宽度和所述第四宽度。


13.根据权利要求3所述的微机电设备，其特征在于，其中：
所述锚固部分由框架部分形成，所述框架部分具有内部大致多边形的形状，并且包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧，所述第一侧和第二侧彼此面对，所述第三侧和第四侧彼此...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·卡尔米纳蒂，N·博尼，M·默利，
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：意大利;IT