利用压电致动的振荡结构、系统以及制造方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，根据本发明，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

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本发明的优选实施例，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xy的平面中，并且鉴于它们相对于轴线o旋转，相对于静止位置移位。事实上，第一和第二可变形元件56、58的形状在它们上面赋予了低扭转刚性，例如，在10^-4n·m/rad与10^-3n·m/rad之间。因此，移动元件60和反射镜65被设计为在使用中相对于轴线o旋转。

然而，如之前所述，第一和第二连接区域55、57具有高扭转刚性，例如，在10^-1n·m/rad与1n·m/rad之间。

在图2中所展示的实施例中，移动体54具有槽口61和62，特别地相对于轴线o对称。每个槽口61、62具有长度l以及宽度p。每个槽口61、62沿轴线z的厚度等于移动体54沿轴线z的厚度。

在任何情况下，沟槽61、62延伸，从而使得各个第一端子部分61a、62a沿轴线y测量的距离等于或大于第一连接区域55沿轴线y测量的宽度。同样地，槽口61、62还延伸，从而使得各个第二端子部分61b、62b沿轴线y测量的距离等于或大于第二连接区域57沿轴线y测量的宽度。以这种方式，容纳反射镜层65的中间部分60通过由半导体材料制成的部分连接到第一和第二可变形元件56、58，该半导体材料具有沿轴线y的宽度，该宽度始终等于或大于第一和第二连接区域55、57沿轴线y的宽度。因此，始终保证中间部分60与第一和第二可变形元件56、58的刚性耦合。

在图2中所展示的实施例中，在俯视平面图中的每个槽口61、62具有跟随移动体54的周边缘的圆形轮廓的拱形弯曲形状。移动体54被每个槽口61、62沿其整个厚度切断，由此限定与中间部分60分开的框架区域66、68，并且因此通过槽口61、62与反射镜层65分开，但连接到第一连接区域55和第一连接区域57。因此，框架区域66、68通过第一和第二连接区域55、57耦合到中间部分60。

根据本公开的方面，压电式第一致动器70和第二致动器72被安排在框架区域66、68中。第一和第二致动器70、72跟随移动体54的弯度延伸并且相对于轴线o对称。第一和第二致动器70、72包括由压电材料制成并以本身已知的方式设置在控制电极(未示出)之间的层。在图2中，利用虚线展示了第一和第二致动器70、72，因为根据实施例，它们涂覆有例如由介电材料(比如，氧化硅)制成的保护和电气绝缘层。由于在使用中，第一和第二致动器70、72具有触发和维持移动体54振荡的作用，在实施例中，它们中的每一个相对于轴线k对称延伸穿过移动体54的质心(即，通过轴线o与h之间的交点)并且与轴线o和h二者正交。以这种方式，生成由致动器的可能的不对称引起的不受控制的振荡。

在使用中，当驱动电压v1被施加到第一致动器70时，生成框架区域66的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

同样地，当驱动电压v2被施加到第二致动器72时，生成框架区域68的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

图3示出了根据本公开的另一实施例的mems设备30’；图2的mems设备30与图3的mems设备30’的共有元件由相同的参考标号表示并且在此不再进一步描述。

在图3的实施例中，通过多个压电子元件70a、70b以及72a、72b分别形成第一和第二致动器70、72。压电子元件70a、70b彼此对称地相对于轴线k延伸，如同压电子元件72a、72b一样。此外，压电子元件70a与压电子元件72a相对于轴线o对称，并且压电子元件70b与压电子元件72b相对于轴线o对称。

在使用中，当驱动电压v1被施加到压电子元件70a、70b二者时，由此生成框架区域66的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

同样地，当驱动电压v2被施加到压电子元件72a、72b二者时，由此生成框架区域68的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

显然，根据另一个实施例(未示出)，针对每个致动器形成更大数量的压电子元件是可能的。

在本公开的实施例中，特别地如图2或图3中所展示的，中间部分60，第一和第二连接区域55、57，框架区域66、68，第一和第二可变形元件56、58以及第一和第二结构区域44、46形成单件；即，它们属于单片结构，特别地由使用已知的微机械技术获得的半导体材料制成。更具体地，中间部分60，第一和第二连接区域55、57以及框架区域66、68相对于彼此共面。

第一和第二致动器70、72包括，以本身已知的方式，由诸如pvdf(聚偏二氟乙烯)或pzt(锆钛酸铅)的压电材料制成并设置在钛/铂电极之间的层以便形成堆叠。第一和第二致动器70、72通过介电层(比如，氧化硅)与框架区域66、68的半导体材料层绝缘，并且还涂覆有充当保护和电绝缘层的另一介电层，例如，氧化硅。电气连接，例如采用导电通路形式，延伸到与第一和第二致动器70、72的电极进行电气接触，以便分别提供驱动电压v1和v2。

图4至图10是用于获得图2的mems设备30的制造步骤的示意性图示。图4至图10的视图是沿与图2的轴线k重合的截线截取的侧视图。

参照图4，提供了例如soi(绝缘体上硅)类型的晶片100，该晶片包括由半导体材料(比如，硅)制成的衬底102、延伸到衬底102之上的绝缘层104(例如，氧化硅)、以及延伸到绝缘层104之上的结构层106。

然后(图5)，在结构层106上形成由例如通过热氧化形成的氧化硅制成的另一绝缘层108。

接着(图6)是以本身已知的方式(即，通过连续沉积第一电极层110、压电层112以及第二电极层114)形成第一和第二致动器70、72，从而使得压电层112被夹在电极层110、114之间。然后通过光刻和蚀刻步骤使第一和第二致动器70、72图案化。

参照图7，接着是在晶片100上沉积介电层116的步骤，以便保护第一和第二致动器70、72。

然后，将介电层116从第一和第二致动器70、72的有待形成用于电接入第一和第二致动器70、72的开口(用于接触电极110、114)的区域移除，并且从晶片100的有待形成反射镜层65的区域移除。

接着是导电材料的沉积步骤，并且随后是导电材料的光刻和蚀刻步骤，以便在第一和第二致动器70、72处形成电触点118、120。此外执行反射材料(例如，铝或金)的沉积步骤，以及随后的反射材料的光刻和蚀刻步骤，以便形成反射镜层65。可以同时执行形成电触点118、120和反射镜层65的步骤。在这种情况下，电触点118、120将由与针对反射镜层65所选的材料相同的材料制成。

然后(图9)，蚀刻结构层106以便将有待形成槽口61、62的区域中的结构层106的选择部分移除。此外，这一步骤中还限定了移动体54以及第一和第二连接区域56、58的期望的形状。进行对结构体106的蚀刻，直到到达绝缘层104，在这种语境中，绝缘层具有蚀刻停止层的功能。

然后(图10)，接着是对晶片100进行回蚀的步骤，以便移除衬底102、移动体54下方的绝缘层104以及第一和第二连接区域56、58的选择部分，由此释放可以根据其自身自由度而移动的mems结构。

根据本公开的方面，可选地形成中间部分60下方的圆形结构122是可能的。在以上讨论的其选择蚀刻步骤期间，圆形结构122通过衬底102和绝缘层104的部分形成。圆形结构122具有对结构106进行机械增强的功能，在振荡期间减小其变形。

由此形成图2的mems设备30。

在本公开的另一实施例中，在图11a中的俯视平面图中以及在图11b中沿图11a的截线xi-xi的截面图中所展示的，mems设备130包括框架区域66、68，这些框架区域延伸到不同于并平行于中间部分60以及第一和第二连接区域55、57所在平面的平面之上。更具体地，框架区域66、68延伸到中间部分60以及第一和第二连接区域55、57之上。

图12和图13示出了用于获得图11a和图11b的mems设备130的中间制造步骤。

mems设备130的制造商设想执行已经在图4至图7中展示并参考其而描述的步骤。因此，图12的步骤在图7的步骤之后。

参照图12，在形成电触点118和120之后，采用类似于参照图8所描述的方式，执行对绝缘层108的选择部分进行蚀刻的步骤，以便将后者从晶片100移除(除延伸到致动器70、72下方的部分以外)。因此暴露了结构层106的表面区域。

然后(图13)，(通过光刻和蚀刻)对结构层106进行图案化以便形成框架区域66、68。应当注意的是，如从图11a清楚地看到的，在这一实施例中，框架区域66、68连接在一起并且形成单片圆形路径。还可以在下面的绝缘层104上利用不同的蚀刻化学品进行蚀刻，以暴露衬底102的表面区域。

然后，沉积在晶片100上的是反射材料层(例如，率或金)，该反射材料层通过光刻和蚀刻步骤被图案化一般形成反射镜层65。在这一实施例中，反射镜层65延伸到衬底102的表面之上。

最终，执行对衬底102的回蚀步骤以便释放mems结构，从而使它根据其自身的自由度自由地进行振荡。因此，获得了图11b的mems设备130。与对衬底102进行蚀刻的步骤同时进行的是，限定中间部分60、第一和第二连接区域55、57以及可变形元件56、58。换句话说，通过衬底102的被适当图案化的部分来形成中间部分60、第一和第二连接区域55、57以及可变形元件56、58，而框架区域66、68相对于彼此固定地形成通过将结构层106图案化而获得的单环。

如从图11a、11b和13所注意到的，第一和第二致动器70、72延伸到相对于其中反射镜层65延伸的平面升高的平面。第一和第二致动器70、72还在相对于衬底102所在的平面升高的平面中延伸，但刚性地连接到该平面。

在本公开的另一实施例中(在图14a中的俯视平面图中以及在图14b中沿图14a的截线xiv-xiv的截面图中所展示的)，mems设备150包括框架区域66、68，这些框架区域在不同于并平行于中间部分60以及第一和第二连接区域55、57所在平面的平面中延伸。更具体地，框架区域66、68延伸到中间部分60以及第一和第二连接区域55、57下方。

图15至图17示出了用于获得图14a和图14b的mems设备150的中间制造步骤。

mems设备150的制造商设想执行已经在图4至图7中展示并参考其而描述的步骤。因此，图15的步骤在图7的步骤之后。

参照图15，在形成电触点118和120之后，采用类似于参照图8所描述的方式，执行对绝缘层108的选择部分进行蚀刻的步骤，以便将后者从晶片100移除(除在第一和第二致动器70、72下方的区域以外)。因此暴露了结构层106的表面区域。

接下来(图16)，对结构层106进行图案化以将其选择部分移除，以便形成框架区域66、68。应当注意的是，如从图14a清楚地看到的，框架区域66、68连接在一起并且形成单片圆形路径。可选地，在该过程的这一步骤中，形成延伸到绝缘层104之上的圆形结构152也是可能的。圆形结构152类似于圆形结构122，并且在以上讨论的其选择蚀刻步骤期间，圆形结构152通过结构层106和绝缘层104的部分形成。圆形结构152具有与圆形结构122相同的功能。

然后(图17)，接着是在晶片100的背面上沉积反射材料层的步骤，并且随后进行图案化以形成图14a的反射镜层65。特别地，反射镜层65形成在圆形结构152(如果存在)上，即，当在平面xy中观察时在其上方。

接着是将衬底102的选择部分移除的步骤以便释放mems结构，从而使它根据其自身的自由度自由地进行振荡。

晶片100旋转，由此获得图14b的mems设备150。与对衬底102进行蚀刻的步骤同时进行的是，限定中间部分60、第一和第二连接区域55、57以及可变形元件56、58。换句话说，通过衬底102的被适当图案化的部分来形成中间部分60、第一和第二连接区域55、57以及可变形元件56、58，而框架区域66、68相对于彼此固定地形成通过将结构层106图案化而获得的单环。

如从图11a、11b和13所注意到的，第一和第二致动器70、72在相对于其中反射镜层65延伸的平面降低的平面中延伸。第一和第二致动器70、72还在相对于衬底102所在的平面降低的平面中延伸，但刚性地连接到该平面。

图18示出了根据本公开的另一实施例的mems设备160。mems设备160的与mems设备30、30’、130和150的共有元件由相同的参考标号表示。

mems设备160不具有框架区域66、68。然而，mems设备160具有第一悬臂结构162以及第二悬臂结构164，这些悬臂结构分别相对于第一耦合区域55和第二耦合区域57被固定。在平面xy的视图中，第一和第二悬臂结构162、164具有矩形形状，其主要延伸在方向y上。第一悬臂结构162具有压电式第一致动器168a和第二致动器168b延伸到其中的两个末端端子162a、162b。同样地，第二悬臂结构164具有压电式第三致动器169a和第四致动器169b延伸到其中的两个末端端子164a、164b。

在使用中，当驱动电压v1被施加到第一和第三致动器168a、169a二者时，由此生成第一和第二悬臂结构162、164的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

同样地，当驱动电压v2被施加到第二致动器168b和第四致动器169b二者时，由此生成第一和第二悬臂结构162、164的局部变形，由于可变形元件56、58的扭转，该局部变形被直接传递到第一和第二连接区域55、57，给予移动体54相对于轴线o的旋转。

显然，根据另一实施例，悬臂结构162、164可以具有不同于矩形形状的形状，例如，任意多边形。

根据本公开的实施例中的任意实施例，mems设备进一步包括电子控制电路(未示出)，该电子控制电路被设计成用于开始并维持移动体54的振荡。

电子控制电路被配置成用于以本身已知的方式生成采用例如脉冲形式的驱动电压v1、v2。当脉冲被施加到第一致动器70或第二致动器72时，后者进行反作用，造成对应的框架区域66、68相对于其固定的物体而弯曲。此弯曲动作被直接传递到第一和第二耦合区域55、57，并且因此传递到第一和第二可变形元件56、58，由此生成其扭转。换句话说，生成了保持移动体54振荡的扭矩。

根据实施例，移动体54以其谐振频率进行振荡。

根据实施例，在使用中，假设移动体54以角距离+θ最大振荡，施加至第一致动器70或第二致动器72的第一电脉冲引起扭矩的生成，该扭矩倾向于将移动元件60带回静止位置，结果引起第一和第二可变形元件56、58所经受的扭矩减小。一旦到达静止位置，扭矩的施加停止，但是移动体60由于其自身的惯性超过静止位置，直到到达角距离-θ最大处，在该角距离-θ最大处第二电脉冲被施加到第一和第二致动器70、72中的另一个。因此生成另一个扭矩，该扭矩倾向于将移动体60带回静止位置等等。因此及时分配电脉冲以保持移动体60相对于轴线o振荡。

电子控制电路还管理移动体54的振荡的触发，起始于移动体稳定在静止情况中的状态。

最终，显而易见的是，可以对本文中已经描述和图示的内容作出修改和变化，而不因此脱离本发明的如所附权利要求中所限定的保护范围。

此外，参照mems设备被设计成用于以电子控制的方式反射光束并且因此包括至少一个反射镜的情况，仅通过示例的方式，已经对本发明进行了描述。然而，下文所描述的mems设备的其他用途是可能的。通常，本发明可以被应用到不同的振荡系统，例如，用于生成时钟信号的mems谐振器。

此外，参照图3所描述的变体也同样应用至参照图11a和图14a所描述的实施例中。

此外，在前面的描述以及在附图中，框架66、68在形状上一直被图示和描述为圆形。然而，显然，它们可以具有不同的形状，例如，定义为椭圆形路径、或一些其他曲线路径、或甚至是方形路径。

此外，根据另一实施例，致动器70、72可以不同时出现。在这种情况下，mems设备仅有第一致动器70与第二致动器72其中之一。同样地，在图3的实施例的情况下，致动器70a、70b和致动器72a、72b中仅有一对可以存在。

图1的投射系统20，除根据本公开的任何实施例的mems设备以外，还包括附加mems设备，该附加mems设备被设置在mems设备30与屏幕32之间，并且被设计成用于接收反射光束ob2以生成另一反射波束并将该另一反射波束发送到屏幕32上。以这种方式，利用前述的另一反射波束在第一方向和第二方向上(例如，正交于彼此)扫描屏幕32是可能的。

mems设备30同样还可以包括例如电磁式移动设备，该电磁式移动设备被设计成用于使移动元件60以及反射镜65相对于与例如轴线y平行的另一轴线进行旋转。

最终，第一和第二可变形元件中的至少一个由与半导体不同的材料(如例如，金属)制成是可能的。