微机械设备及微型投影机的制作方法

本实用新型涉及具有由准静态(quasi-static)压电致动可倾斜的结构的微机械设备。特定地，在下文中将参照以MEMS(微机电系统)技术而获得的微镜，而这不暗示任何一般性损失。

背景技术：

微机械结构已知为具有利用半导体材料的技术获得的镜结构。

这些微机械设备被用在便携装置中，诸如举例为便携计算机、膝上型电脑、笔记本电脑(包括超薄型笔记本电脑)、PDA、平板电脑、蜂窝电话和智能电话中，以用于光学应用，特别是根据需要用于引导由光源生成的光束。

凭借它们减小的尺寸，这些设备能够满足关于面积和厚度的体积的严格要求。

例如，微机械镜设备被用在小型化投影机模块(所谓的微型投影机)中，其能够以一定距离投影图像或生成期望的光图案。

结合图像采集模块，该种类的投影机模块例如使得其能够产生三维(3D)照片或视频相机以用于获得三维图像。

微机械镜结构通常包括在腔体上悬挂的镜元件并且从半导体材料的本体制造来移动(例如具有倾斜或旋转移动)以用于以任何期望的方式引导入射光束。

例如，图1示意性地示出了微型投影机9，其包括光源1(通常是激光源)，生成由三个单色束(一个单色束用于每种基色)形成的光束2，单色束通过仅示意性表示的光学系统3而被镜元件5在屏幕6的方向上偏转。在所示的示例中，二维类型的镜元件5被驱动以便于围绕垂直轴线A和水平轴线B旋转。镜元件5围绕垂直轴线A的旋转生成快速水平扫描，如在图2中所示。镜元件5围绕水平轴线B的旋转(与垂直轴线A垂直)生成通常是锯齿类型的较慢垂直扫描。

所获得的扫描方案在图2中示出并由7标记。

镜元件5的旋转经由致动系统而被驱动，其现在是静电、电磁或压电类型的。

例如，图3示出了具有纯静电致动的镜元件5。在此，芯片10包括在基底(不可见)之上悬挂的平台11，其具有反射表面(未示出)并且通过第一对臂12(第一扭转弹簧)由悬挂框架13支撑。第一壁12在平台11的相反侧上延伸并且限定镜元件5的旋转轴线A。悬挂框架13经由第二对臂16(第二扭转弹簧)被连接到芯片10的固定周界部分15，该第二对臂16使得悬挂框架13和平台11能够围绕水平轴线B旋转。第一臂12和第二臂16被耦合到静电类型的相应致动组件18A、18B。每个致动组件18A、18B在此包括面向相应的第二电极20的第一电极19。

具体而言，第一电极19相对于相应的臂12、16被固定并且与第二电极20形成梳指以用于生成容性耦合。凭借每个致动组件18A、18B的电极19、20的布置，驱动结构也被定义为“梳驱动结构”。

通过在第一电极19与第二电极20之间施加适当的电压，可能的是在它们之间生成吸引/排斥力，因而致使第一电极19相对于第二电极20的旋转以及臂12、16围绕相应轴线A、B的扭转。以此方式，获得平台11围绕轴线A、B的受控旋转，因而在水平方向以及在垂直方向扫描。

镜元件5围绕垂直轴线A的产生水平扫描的旋转以通常为25kHz的谐振方式中±12°的角度而获得，而镜元件5围绕水平轴线B的产生垂直扫描的旋转以60Hz的±8°的角度而获得，这适用于视频信号的帧率。如提及的，由于较低的垂直扫描率，其可以以准静态、非谐振的方式被驱动。

已经提出的是以压电方式控制至少围绕水平轴线B的扫描移动。例如，在美国专利申请公布文本2011/0292479中描述的设备中，悬挂的框架经由具有线圈形状的弹簧元件被连接到固定结构，该弹簧元件由相互平行且沿着彼此布置的多个臂形成。每个臂承载压电带，并且相邻的压电带在相反的极性电压(例如，±20V)被偏压。由于压电材料的特性，该偏压导致相邻的臂在相反方向(向上及向下)上的形变，以及框架和平台在第一方向上围绕水平轴线B的旋转。通过施加相反的偏压，获得了框架的和平台在与第一方向相反的第二方向上的旋转。垂直扫描因而可以通过向臂施加交替的双极性电压而被获得。相似的致动系统在此还控制水平扫描。

然而，交替的双极性电压的施加减小了镜元件5的服务寿命。

在本领域中存在提供具有克服现有技术的缺陷的压电致动的微机械设备的需要。

技术实现要素：

本公开的技术问题在于如何提供更稳定可靠的用于投影的微机械设备或机构。

根据本公开的一个方面，提供了一种微机械设备，其包括：能够围绕第一旋转轴线旋转的可倾斜结构；固定结构；以及在所述可倾斜结构与所述固定结构之间耦合的压电类型的致动结构，其中所述致动结构包括具有螺旋形状的弹簧元件。

根据一个实施例，所述弹簧元件包括：相对于所述第一旋转轴线横向地延伸的多个致动臂，以及在所述致动臂中的每个致动臂上承载的压电材料的压电带。

根据一个实施例，所述致动臂与彼此平行地、并且与所述第一旋转轴线垂直地延伸。

根据一个实施例，所述多个致动臂在所述螺旋形状被锚固到所述固定结构的第一端与所述螺旋形状被锚固到所述可倾斜结构的第二端之间与彼此串联地耦合。

根据一个实施例，所述螺旋形状的所述第一端是内端并且所述螺旋形状的所述第二端是外端。

根据一个实施例，所述弹簧元件具有与所述第一旋转轴线垂直的正中面，并且所述多个致动臂包括第一组致动臂和第二组致动臂，所述第一组致动臂被布置在相对于所述正中面的第一侧并且所述第二组致动臂被布置在相对于所述正中面的相反侧。

根据一个实施例，在所述第一组致动臂的所述致动臂上承载的所述压电带被电气耦合到彼此并且耦合到第一电压源，并且其中在所述第二组致动臂的所述致动臂上承载的所述压电带被电气耦合到彼此并且耦合到第二电压源。

根据一个实施例，所述第一电压源和所述第二电压源被配置为处于相反相位而被驱动。

根据一个实施例，所述弹簧元件是在所述可倾斜结构的第一侧上布置的第一弹簧元件，所述设备进一步包括在所述可倾斜结构的相反侧上布置的第二弹簧元件。

根据一个实施例，所述可倾斜结构包括通过弹性悬挂结构由框架承载的悬挂平台，所述弹性悬挂结构被配置为使得所述悬挂平台能够围绕与所述第一旋转轴线垂直的第二旋转轴线旋转。

根据一个实施例，所述可倾斜结构被悬挂在限定所述固定结构的半导体材料的本体中形成的腔体上，所述腔体由底壁并且由侧壁划界，并且所述弹簧元件被锚固到所述底壁。

根据一个实施例，所述可倾斜结构包括反射表面。

根据本公开的另一个方面，提供了一种用于与便携电子装置使用的微型投影机，其包括：光源，所述光源被配置为根据待被生成的图像来生成光束；微机械设备，包括：能够围绕第一旋转轴线旋转的可倾斜结构；固定结构；以及在所述可倾斜结构与所述固定结构之间耦合的压电类型的致动结构，其中所述致动结构包括具有螺旋形状的弹簧元件；以及驱动电路，所述驱动电路被配置为供应驱动信号来旋转所述可倾斜结构。

根据一个实施例，所述弹簧元件包括：相对于所述第一旋转轴线横向地延伸的多个致动臂，以及在所述致动臂中的每个致动臂上承载的压电材料的压电带；其中所述驱动信号被施加到所述致动臂上的所述压电带。

根据一个实施例，所述多个致动臂在所述螺旋形状被锚固到所述固定结构的第一端与所述螺旋形状被锚固到所述可倾斜结构的第二端之间与彼此串联地耦合。

根据一个实施例，所述固定结构包括在半导体材料的本体中形成的腔体，所述腔体由底壁并且由侧壁划界，并且所述螺旋形状的所述第一端被锚固到所述底壁。

根据一个实施例，所述多个致动臂包括第一组致动臂和第二组致动臂，在所述第一组致动臂的所述致动臂上承载的所述压电带被电气耦合到彼此并且被电气耦合到所述驱动电路的第一电压源，并且在所述第二组致动臂的所述致动臂上承载的所述压电带被电气耦合到彼此并且被电气耦合到所述驱动电路的第二电压源。

根据一个实施例，所述第一电压源和所述第二电压源被配置为处于相反相位而被驱动。

本公开的技术效果在于，由于仅使用相同类型的单极电压以用于偏压压电带的可能性，压电材料可以具有更长的服务寿命以及更好的稳定性。

附图说明

为了更好地理解本实用新型，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是微型投影机的示意性表示；

图2示出了由图1的微型投影机在屏幕上生成的图像的投影方案；

图3是具有静电致动的微电子微镜设备的顶部平面图；

图4A是微电子微镜设备的实施例的简化顶部平面图，其中为表达清楚起见移除了一些部分；

图4B是图4A的微电子微镜设备的顶部平面图；

图4C是沿着图4B的剖面IV-IV所采的横截面；

图5是图4A和4B的微电子微镜设备的横截面；

图6A是在第一致动步骤中微电子微镜设备的旋转的示意性侧视图；

图6B是在第二致动步骤中微电子微镜设备的旋转的示意性侧视图；

图7是在第一致动步骤中微电子设备的简化透视图；

图8是使用微电子微镜设备的微型投影机的框图；以及

图9和图10示出了在图8的微型投影机与便携电子装置之间的耦合的实施例。

具体实施方式

图4A、图4B和图5是具有旋转或可倾斜结构52的微电子设备50的示意性图示，其能够围绕第一旋转轴线B旋转。如在图5中可见的，可倾斜结构52被悬挂在具有底部表面53A的腔体53上，该腔体53由固定结构51形成。固定结构51因而在腔体53之下延伸并且相对于其横向延伸。以本身已知的方式使用已知的半导体制造技术，诸如蚀刻、生长、沉积和/或选择性移除，固定结构51和可倾斜结构51由例如为硅的半导体材料的芯片制造。

可倾斜结构52在此具有四边形形状尤其是矩形形状，并且由固定结构51通过支撑及致动结构54支撑。支撑及致动结构54包括第一弹簧元件55和第二弹簧元件56，其在由第一旋转轴线B穿过、相对于可倾斜结构52、特别是在其相对侧上横向地布置。

如在图4A中特别明显的是，弹簧元件55、56具有螺旋形状并且每个均具有相应的第一端60、61以及相应的第二端64、65。弹簧元件55、56的第一端60、61在螺旋形状的内部并且通过锚固元件62、63被锚固到腔体53的底部53A，该锚固元件62、63通过在其底部53A与垂直于其的可倾斜结构52之间的腔体53延伸(如在图5中可见的)。弹簧元件55、56的第二端64、65在螺旋形状的外部并且相对于可倾斜结构53被固定。在所示的实施例中，弹簧元件55、56的第一端60、61和第二端64、65在其相同侧上相对于第一旋转轴线B被偏置。

弹簧元件55、56由彼此平行的并且在与第一旋转轴线B的横向(特别是垂直)方向延伸的多个相应的第一臂70、71以及多个相应的第二臂72、73形成。针对每个弹簧元件55和56，第一臂70和71被定位在可倾斜结构52与垂直于第一旋转轴线B的弹簧元件55、56的相应正中面(median plane)C、D之间。第二臂72、73在相对侧上相对于弹簧元件55、56的正中面C、D延伸。

从其第一端60、61开始沿着弹簧元件55、56的螺旋形状移动，每个螺旋形状的最内臂由锚固到相应的锚固元件62、63的第二臂72、73(在此标记为72A、73A)形成。

从其第一端60、61开始沿着弹簧元件55、56的螺旋形状行进，在相应的锚固元件62和63相对于第一旋转轴线B的相对侧上，每个第一臂70、71经由垂直于第一和第二臂70-73延伸的相应的第一弹簧部分66、67而被连接到之前的第二臂72、73(或连接到第二臂72A、73A)。

从其第一端60、61开始沿着弹簧元件55、56的螺旋形状进一步行进，在相应的锚固元件62和63相对于第一旋转轴线B的相同侧上，每个第二臂72、73经由垂直于第一和第二臂70-73延伸的相应的第二弹簧部分68、69而被连接到之前的第一臂70、71。

最终，从其第一端60、61开始沿着弹簧元件55、56的螺旋形状进一步行进，可倾斜结构52通过第一臂70A、71A被连接到弹簧元件55、56。

如在图4B中所示，每个第一臂70、71承载压电材料的相应的第一压电带74。类似地，每个第二臂72、73承载压电材料的相应的第二压电带75。例如，压电带74、75可以是锆钛酸铅(PZT)陶瓷。

如在图4C中所示，每个压电带74、75包括由第一电极91、压电材料层92和第二电极93形成的堆叠。绝缘层90在堆叠91-93与臂70-73之间延伸。每个压电带74、75可以因而被电气表示为电容器，其第一电极91被接地并且其第二电极92如以下所述被偏压。

第一压电带74被电气连接到第一电压源76，并且第二压电带75经由金属连接件被电气连接到第二电压源77，这仅被示意性地表示。

如在图5中所示，可倾斜结构52由可定向平台80形成，该可定向平台80通过两个扭转弹簧82从框架81悬挂以便于能够围绕第二旋转轴线A旋转。可定向平台80的旋转可以经由已知类型(例如静电类型)的致动结构83被控制，这仅被示意性表示。以本身已知的方式，可定向平台80承载反射表面85。

由于描述的螺旋形状，当压电带74、75不被偏压时，弹簧元件55、56和可倾斜结构52与休止面E共面并且置于该休止面E中(图6A)。此外，由于所述的螺旋形状，每个臂70-73实际上被锚固到之前的螺旋臂，并且当相应的压电带74、75被偏压时可发生形变，以便于抬升其本身的连接到相继的螺旋臂的端部。因此，通过交替地偏压第一和第二臂70-73，可能的是以相反方向控制可倾斜结构52的旋转，如在以下详细解释的。

在使用中，电压源76、77以相反相位驱动。特别地，在第一步骤中，例如40V的致动电压通过第一源76被施加到第一压电带74，并且0V的电压(接地)通过第二源77被施加到第二压电带75。如以上提及的，在这些条件下，在第一步骤中，第一臂70、71发生形变、围绕第一旋转轴线B旋转以便于将其端部带到与接下来的第二臂72、73连接并且将第二弹簧部分68、69带到相对于休止面E的抬升位置(图6A)。以此方式，相对于第一旋转面B，致动结构54被置于与锚固元件62、63相同侧上的一半向上旋转(离开腔体53)，如可由图7中所见。由于第二臂72、73并未被偏置，它们并不发生形变，但刚性地旋转。

如在图6A和图7中所示，每个第一臂70、71的旋转角度随这些进一步远离锚固元件62、63而增大，直到它们达到针对第二端64、65的最大8.2°。由于第二端64、65相对于可倾斜结构52被固定，这也在与第一臂70、71相同的方向上旋转通过8.2°。

在第二步骤中(见图6B)，例如40V的致动电压通过第二源77被施加到第二压电带75，并且0V的电压(接地)通过第一源76被施加到第一压电带74。在与以上相反的方式，在该情况中第二臂72、73弯曲，在与之前的一个相反的方向上围绕第一旋转轴线B旋转以便于使得致动结构54被置于与锚固元件62、63的相对于第一旋转面B相反的侧上的一半的向上旋转(进入腔体53)。

也在该情况中的是，如在图6B中所示，每个第二臂72、73的旋转角度随这些进一步远离锚固元件62、63而增大，上至针对第二端64、65的最大8.2°。由于第二端64、65相对于可倾斜结构52被固定，这也在与臂71、73相同的方向上旋转通过8.2°。

通过根据第一和第二步骤的次序交替地控制电压源76、77，可能的是获得可倾斜结构52的定向，以及因而的反射表面85的定向(根据60Hz的垂直扫描)。

微电子设备50因而可以被用在设计用来功能性地耦合到便携电子装置100的微型投影机101中，如在以下参照图8-10所示。

具体地，图8的微型投影机101包括例如为激光类型的光源102，其被配置为生成光束103；微电子设备50，其被配置为接受光束103并且向屏幕或显示表面105(在微型投影机101外部并且被布置为相距以一定距离)发送该光束；第一驱动电路106，其被配置为向光源102供应适当的控制信号以用于根据待被投影的图像生成光束103；第二驱动电路108，其被配置为向为电子设备50的源76、77(图4B)供应控制信号；以及通信接口109，被设计为从例如在便携装置100(图9和图10)中所包括的外部控制单元110接受关于待被生成的图像的信息(例如为像素阵列)。该信息被馈送到光源102以用于驱动。

微型投影机101可以被制造为相对于关联的便携电子装置100(例如，图9中所示的蜂窝电话或智能电话)的独立类型的单独附件。在该情况下，微型投影机101通过适当的电气和机械连接元件(未具体示出)被耦合到便携电子装置100。在此，微型投影机101具有本体外壳141，其中至少一个部分141'对来自微电子设备50的光束103透明。微型投影机1的外壳141以可释放方式耦合到便携电子装置100的相应壳体142。

可替代地，如在图10中所示，微型投影机101可以在便携电子装置100内集成并且被布置在便携电子装置100的壳体142内。在该情况下，便携电子装置100具有对来自微电子设备50的光束103透明的相应部分142'。微型投影仪101在该情况下例如被耦合到便携电子装置100的壳体142内的印刷电路板。

本文中描述的微电子设备50具有许多优点。

特别地，由于仅使用相同类型的单极电压以用于偏压压电带74、75的可能性，压电材料可以具有更长的服务寿命以及更好的稳定性。事实上，以此方式，图4C的压电带74、75的压电材料层91交替地见到零电压和偏压(在此是处于40V)，在任何致动步骤中其并不逆转它们的符号。

由此，微电子设备50更加可靠。

最终，显然的是，可以对本文描述和示出的微电子设备做出修改和变化，而不会因此脱离本实用新型如在所附的权利要求书中限定的范围。例如，与具有两个电压源76、77不用的是，可能使用单个源，通过开关交替地连接到第一带74和第二带75。