具有双轴致动的微机械结构及对应的MEMS设备的制作方法

本发明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”)。

背景技术：

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T_x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T_y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T_x、T_y)；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T_x、T_y)；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T_x、T_y)。

根据静电远离的反射器微机械结构操作的示例例如在US 7,399,652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T_x、T_y，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)。

技术实现要素：

本发明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。

根据本发明，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

为了更好地理解本发明，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，也是扭转型的第二弹性元件9被配置为使得移动质量4能够相对于框架2旋转移动离开水平面xy并且围绕第二水平轴线y；相同的第二弹性元件9被配置为在相同的框架2围绕第一水平轴线x的致动旋转移动中将移动质量4刚性地耦合到框架2。

根据本方案的特定方面，质量的分布与移动质量4关联，即被特别地设计用于响应于框架2(和相同的移动质量4)围绕第一水平轴线x的旋转、通过惯性效应生成围绕第二水平轴线y的扭转力矩(由T_y标记)。

因此，反射器微机械结构20在该情况下可以包括单个致动结构(与在图1中表示的第一致动结构10重合，并且出于该原因由相同的附图标记标明)。致动结构10被耦合到框架2并且被配置为根据适当的电气驱动信号致使其致动移动，在该情况下是围绕第一水平轴线x的旋转移动，以用于生成围绕相同的第一水平轴线x的扭转力矩T_x。

由于前述惯性耦合，其不需要(因而其可能有利地不存在)耦合到移动质量4以致使其围绕第二水平轴线y(该旋转实际上由惯性力耦合所生成)的旋转的进一步且不同的致动结构。

特别地，如在图2b至2c中的示例所示的，移动质量4的质量分布在水平面xy中相对于水平轴线x、y中的至少一者或两者是非对称的(即，相对于移动质量4的旋转轴线)。

根据本方案的一个方面，移动质量4的质量分布至少相对于第二水平轴线y(即相对于相同的移动质量4的旋转轴线)是非对称的。

如在前述图2b和2c中示意性图示的，移动质量4在水平面xy中被水平轴线x和y(其在移动质量4的几何中心O处相交)理想地分成四个象限。

在可能的实施例中，附加的质量部分22a、22b与移动质量4关联，相对于几何中心O被布置在相对的象限中(在该示例中，第二和第四象限)。

以上的附加质量部分22a、22b具有以与水平轴线x、y一定距离布置的相应的质心B、B'，并且在对角方向d上被对准，该对角方向d相对于水平轴线x、y倾斜(例如倾斜45°)。

附加的质量部分22a、22b在该示例中被成形为像圆环部分(在该示例中，具有90°的角度延伸)。

移动质量4围绕第一水平轴线x的旋转(作为耦合到框架2的结果，该框架2被恰当地驱动以获得其致动)在相同的移动质量4上生成惯性力F，其施加在相应的质心B、B'处(在相对于水平面xy的相对方向上)，引起围绕第二水平轴线y的扭转力矩T_y。

本申请人已经发现针对移动质量4的非对称质量分布产生在机械系统的质量耦合矩阵中的对角项，因而产生在第一与第二水平轴线x、y之间的力传递，其本独立于彼此(因而通过惯性效应即通过质量矩阵耦合水平轴线x、y)。

特别地，前述类型的“对角”质量分布已经被发现来生成在水平轴线x、y之间的更大的力传递。

更详细地，并且再次参照图2a，框架2(以及耦合到其的移动质量4)围绕第一水平轴线x的旋转的角度由θ标记，移动质量4(以及关联的镜元件4')围绕第二水平轴线y的旋转的角度由标记，并且框架2围绕前述第二水平轴线y的旋转的角度由α标记。

事实上，考虑到的是第一弹性元件6相对于第二水平轴线y并不是完全刚性扭转的；换言之，由于相同的第一弹性元件6的更高的刚度，框架2也可以围绕第二水平轴线y旋转(尽管以有限的方式)。

使用拉格朗日机械原理，可能的是获得以下的针对反射器微机械结构20的系统的运动等式：

其中：

是拉格朗日坐标的矢量；

M是系统的质量矩阵；

B是系统的耗散矩阵；

K是系统的刚度矩阵；以及

是施加到框架2的特别是经由致动结构10的力扭转力矩的矢量。

将拉普拉斯变换应用到以上等式，获得下列：

其中s＝jω是在频域ω中的坐标(并且j是虚数单位)。

针对具有框架2和移动质量4两者的对称质量分布的系统(如在根据现有技术的结构中)，前述等式将假定明确形式：

其中项是惯性矩，项是耗散系数，且项是弹性常数(下标直观地指示涉及各项的自由度)。

从以上等式中特别显现的是自由度θ在该情况下从其他自由度α和去耦，并且以此方式，扭转力矩T_x仅在自由度θ上生成响应，但不在其他自由度α和上生成响应。

反而，在本方案中，其中移动质量4相对于水平轴线x和y中的至少一个或两个呈非对称质量分布，前述等式假定形式：

其中非对称质量分布生成惯性耦合J_θα和的质量矩阵中的非对角元素，其使能运动的等式的耦合以及利用围绕第一水平轴线x的扭转力矩的可能性以便于致动沿着第二水平轴线y动作的自由度

要强调的是，所述的耦合时动态类型的耦合(即，器通常作为谐振操作状况的结果发生)；围绕水平轴线x、y中的至少一个(在该情况下是第一水平轴线x)的谐振致动的存在因而通常是需要的。

在前述图2b、2c中图示的实施例中，移动质量4的承载镜元件4'的主体部分在(半导体材料的主体的)表面层24中制作，从其中框架2和第一和第二弹性元件6、9也被限定。附加的质量部分22a、22b在该情况下从结构层25开始被限定，其在与镜元件4'相对的侧上被布置在表面层24(相对于垂直轴线z，其与第一和第二水平轴线x、y一起限定了三个笛卡尔坐标轴的集合)之下，并且被耦合到主体部分。

如在图2b中所示，从相同的结构层25中，框架2的加强部分26可以进一步被限定，其相对于垂直轴线z被布置在框架2之下；该加强部分26在水平面xy中具有对称的质量分布，具有复制框架2的几何形状的环形。

在任何情况下显而易见的是前述惯性耦合的方案可以被实施，具有针对移动质量4的宽范围的不同非对称质量分布。

例如，图3a示出了可能的实施例，在其中仅呈现一个附加的质量部分，并由22a标记(大致C形)，其相对于在移动质量4在水平面xy中被分成的四个象限中的三个象限上的不完整圆环上延伸的水平轴线x、y是非对称的。

在该情况下的附加质量部分22a具有位于第三象限中的质心B，其中由于移动质量4围绕第一水平轴线x的旋转造成的惯性力F被施加；还在该情况中的是，以上惯性力F生成围绕第二水平轴线y的扭转力矩T_y，如将从图3a的检查中变得明显的。

图3b示出了可能的进一步实施例，其关于移动质量4的不同非对称质量分布不同。

在该情况下，附加质量部分22a、22b位于相对于移动质量4在水平面xy中的形状径向地更靠外(并且如与图2c的实施例相比的)。

本方案可以具有增大扭转力矩T_y而致动力相同的优点。

如在图3c中所示，进一步的变体可以设想附加的质量部分22a、22b，其在该情况下在水平面xy中具有“圆的1/4”一致，通过在几何中心O处被连接部分22c所连接。

本方案的进一步实施例(见图4)反而设想移动质量4的非对称质量分布通过限定相同的表面层24而被获得，在表面层24中形成相同的移动质量4的主体部分，而不是限定在表面层24之下的结构层。

在该情况下，附加的质量部分22a、22b被限定，从表面层24开始(因而与移动质量4的主体部分在相同的水平)，在相对于第一水平轴线x的移动质量4的相对侧上、相对于几何中心O且平行于第二水平轴线y对称地延伸。在该情况下，附加的质量部分22a、22b被整体耦合到移动质量4。

以上方案可以提供更简单构造的优点，考虑到其仅需要处理一层半导体材料(上述表面层24)。

与关联于移动质量4的非对称质量分布的配置无关，所讨论的惯性耦合方案有利地应用于被设想来导致框架2围绕第一水平轴线x旋转的任何类型的致动(即，静电、电磁或压电型的)。

在此方面，图5a和5b是耦合到框架2的致动结构10的实施例的示意性图示，其是经典类型的(特别地，仅以示例的方式，图5b表示与参照图3c描述的等同的非对称质量分布)。

在该情况下，致动结构10包括耦合到框架2的梳指状电极28的单个集合，以用于生成静电吸引力，诸如用来生成围绕第一水平轴线x的扭转力矩T_x。

梳指状电极28的集合包括：由框架2、特别是由框架2平行于第一水平轴线x的部分(耦合至其的是第二弹性元件9)承载的移动电极28a；以及固定电极28b，其由固定结构29承载、相对于在其中获得反射器微机械结构20的半导体材料的主体的基底8而被固定。

移动电极28a和固定电极28b与彼此且与第二水平轴线y平行地延伸，梳指在水平面xy中并且沿着垂直轴线z被布置在不同高度。

以本身已知的方式，合适的驱动信号到移动电极28a和固定电极28b的应用使能生成静电吸引力以用于导致框架2(以及移动质量4)围绕第一轴线x旋转。

再次强调的是，根据本方案，电极28的仅仅一个单一集合可被用于框架2的致动，利用由于与移动质量4关联的质量的非对称分布导致的惯性耦合以用于生成扭转力矩T_y，其将导致相同的移动质量4围绕第二水平轴线y旋转(换言之，本方案并不要求耦合到移动质量4或第二弹性元件9的电极存在)。

如在图6a和6b中所示的，在电磁型的不同的实施例中，耦合到框架2的致动结构10包括布置在框架2上的线圈32(例如，占据具有沿着相同框架2的整个周界延伸的方环形的区域)。

以本身已知的方式，框架2的旋转移动在该情况下从由于通过线圈32的适当驱动电流的穿过生成的洛伦兹力开始获得。

参照图7a和7b，这次是压电型的致动结构10的进一步实施例构思了致动结构10包括第一薄梁元件34a和第二薄梁元件34b，其被机械地连接至框架2的延长部分37，其在中心且在相对于框架2的相对两侧上沿着第一水平轴线x延伸。

薄梁元件34a、34b平行于第二轴线y延伸(具有沿着垂直轴线z的可忽略的延伸)并且承载相应的压电致动器35a、35b。

以本身已知的方式，适当的驱动电压到前述压电致动器35a、35b的应用导致薄梁元件34a、34b的旋转，以及随后框架2围绕第一水平轴线x的旋转，随后生成扭转力矩T_x。

此外，在该情况下，可能的是使用仅专用于围绕第一水平轴线x旋转的压电致动器35a、35b，再次地，利用由于与移动质量4关联的非对称质量分布导致的惯性耦合以用于生成围绕第二水平轴线y的扭转力矩T_y。

描述的方案的优点从以上讨论中清晰地呈现出来。

在任何情况下要强调的是由于与反射器微机械结构20的移动质量4关联的非对称质量分布导致的惯性耦合使能仅使用一个专用于框架2的移动(例如其围绕第一水平轴线x的旋转)的致动结构的可能性，在任何情况下由于质量耦合而获得移动质量4的双轴致动。

本方案使得移动质量4的致动的效率通过到框架2的惯性力耦合能够得以最大化。

进一步指出的是，用于制造反射器微机械结构20的过程并不构思相对于传统过程的任何实质修改，利用已知的且已经用于定义剩余的结构性元件的技术构思表面层24的定义和可能的结构性层25的定义，两者皆已经在反射器微机械结构20中呈现。

而且，本方案可以被有利地应用至宽范围的反射器微机械结构20，例如根据静电、电磁或压电致动的原理操作的示例，在其中优选地呈现有至少一个谐振致动移动。

上述特征使得在便携式装置内部的集成光学设备中利用微机械结构是特别有利的。

例如，图8示意性地表示在便携装置43(诸如举例而言，智能电话)的投影仪设备40中使用反射器微机械结构20。

特别地，反射器微机械结构20可操作用于根据期望的扫描图案投影由光源46生成的光束F，该光源例如为激光类型的相干光源。

投影仪设备40进一步包括电子电路48以用于控制和驱动，其能够向光源46和反射器微机械结构20两者供应适当的驱动信号，以用于根据所反射的光束的期望的扫描图案改变其位置和定向。

有利地，电子电路48可以以使用半导体技术的集成技术而获得，其可能在设置有反射器微机械结构20的相同的裸片中。

最终，显然的是，可以对本文已经描述和示出的做出修改和变化，而不会因此脱离本发明如在所附的权利要求书中限定的范围。

特别地，清楚的是，可能也根据用于框架2(以及移动质量4的，在其致动移动中被刚性地耦合到框架2)的移动设想的致动的不同移动，与反射器微机械结构20的移动质量4关联的实际非对称质量分布可以与至今一直被示出的不同。

例如，如在图9a中所示，框架2可以由对应的致动结构10(示意性地示出)致动以用于获取沿着垂直轴线z(由M_z标记)的平移的致动移动。

在该情况下，如在图9b中所示，相对于第二水平轴线y非对称的、与移动质量4关联的质量分布可以设想单个附加的质量部分22a，区具有在水平面xy中的半圆形，完全沿着第二水平轴线y的一侧被布置(即，占据之前限定的第一和第二象限)，使得其质心B被布置在与前述第二水平轴线y相距一定距离处。

如将显而易见的是，沿着垂直轴线z的平移通过惯性效应生成扭转力矩T_y，以及移动质量4围绕第二水平轴线y的随后旋转。

还针对该具体实施例的是，移动质量4的不同非对称质量分布可以被设想，如果单一附加质量部分22a具有被布置在与第二水平轴线y相距一定距离处的质心B。

此外，在反射器微机械结构20中，用于生成移动质量4围绕第二水平轴线y的旋转移动的致动结构在任何情况下均可以被提供(在该情况下，作为惯性耦合的结果生成的扭转力矩T_y，因而加入该进一步的致动移动，并且在任何情况下均提高系统的机械效率)。

本文描述的微机械结构通常可以被用在任何MEMS设备中，以用于在致动器沿着或围绕与相同的旋转轴线垂直的致动轴线的致动之后，生成(具有减小的空间占用以及高效率)移动质量围绕旋转轴线的旋转。