具有可倾斜结构的微机电器件和可倾斜结构的位置检测的制作方法

本发明涉及具有可倾斜结构的微机电器件。具体地，以下将参照通过mems(微机电系统)技术得到的微反射镜，但不丧失一般性。

背景技术：

已知微机电器件具有反射镜结构，该反射镜结构使用半导体材料的技术。

这些微机电器件例如用于便携式装置，诸如便携式计算机、膝上型电脑、笔记本(包括超薄笔记本)、pda、平板电脑、蜂窝电话、智能手机等，其用于光学应用，尤其用于根据期望的形态引导由光源生成的光束。

由于小尺寸，上述器件能够满足关于空间占用(面积和厚度二者)的严格要求。

例如，微机电反射镜器件用于小型化的投影仪模块(所谓的微型投影仪)，其能够在远处投射图像或者生成光的期望图案。

微机电反射镜器件通常包括悬置在空腔上方并且从半导体材料的主体开始形成的反射镜元件，从而可移动(通常为倾斜或旋转的移动)用于根据期望引导入射光束。

例如，图1是微型投影仪9的示意图，其包括生成光束2的光源1，通常为激光源，光束2由三个单色束形成(针对每个基础颜色存在一束)，光束经由仅示意性示出的光学系统3、被反射镜元件5朝向屏幕6偏转。在所示实例中，反射镜元件5是二维型，其被控制以绕着垂直轴a和水平轴b旋转。如图2所示，反射镜元件5绕着垂直轴a的旋转生成快速水平扫描。反射镜元件5绕着垂直于垂直轴a的水平轴b的旋转生成缓慢垂直扫描，通常为锯齿形。

在图2中示出所得到的扫描方案并由7表示。

在图1的系统的变形中，微型投影仪包括两个微反射镜，它们沿着光束2的路径顺序布置并且每一个都可绕着自身的轴旋转，并且精确地，一个可绕着水平轴b旋转，另一个可绕着垂直轴a旋转，用于生成与图2所示相同的扫描方案。

微反射镜系统的另一应用是3d姿势识别系统。这些通常使用微型投影仪和图像获取器件，诸如摄影相机。这里，光束可以在可见光或不可见光的范围内，或者处于任何可用的频率。微型投影仪可以类似于图1的微型投影仪9，并且通过微反射镜5偏转的光束2用于在两个方向上扫描对象。例如，微型投影仪可以在对象上投射小条或带。任何可能的投射或对象的凹陷区域(由于其深度)在被摄影相机检测的光线中产生变形，该变形可以被适当的电子器件处理以用于检测第三维。

在这两种情况下，在考虑到的技术中，微型投影仪包括反射镜元件，反射镜元件的旋转通常经由致动系统(当前为静电、磁或压电类型)来控制。

例如，图3示出了具有纯静电致动的反射镜元件5。这里，芯片10包括悬置在衬底(不可见)上方的区域11，其具有反射表面(未示出)并且通过第一对臂12(第一扭力弹簧)由悬置框架13支撑。第一臂12从悬置区域11的相对侧延伸并且形成反射镜元件5的旋转轴a。悬置框架13经由第二对臂16(第二扭力弹簧)连接至芯片10的固定外围部分15，这能够实现悬置框架13的旋转以及悬置区域11绕着水平轴b的旋转。第一臂12和第二臂16耦合至静电类型的对应致动组件18a、18b。这里每个致动组件18a、18b都包括面对对应的第二电极20的第一电极19。

具体而言，第一电极19相对于对应的臂12、16固定，并且与第二电极20呈梳状配置用于生成电容耦合。由于每个致动组件18a、18b的电极19、20的配置，驱动结构也定义为“梳驱动结构”。

通过在第一电极19和第二电极20之间施加适当的电压，可以在它们之间生成吸引/排斥力，并由此引起第一电极19相对于第二电极20的旋转以及臂12、16绕着对应轴a、b的扭转。从而，得到悬置区域11相对于轴a、b的可控旋转，由此得到水平方向和垂直方向上的扫描。

反射镜元件5绕着产生水平扫描的垂直轴a的旋转通常通过±12°的角度发生，并且反射镜元件5绕着产生垂直扫描的水平轴b的旋转通常通过±8°的角度发生。

为了适当地起作用，期望精确地控制反射镜元件的角度位置。实际上，由于生产批次的变化性、组装不精确性或者可变操作条件，结构的物理或电特性的小偏差会导致反射镜元件发射的光束的方向的显著误差。

为此，基于电容或压电原理，本领域已知用于检测微反射镜元件的位置的系统。

然而，已知解决方案不是完全令人满意。具体地，电容类型的解决方案相对于角度明显是非线性的，使得信号处理对于处理电子器件来说通常复杂且繁重。另一方面，压电类型的解决方案要求温度补偿，这对系统增加了复杂度并且又产生了错误源。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种克服现有技术的缺陷的检测方案。

根据本发明，如在所附权利要求中限定的，提供了微机电器件和用于检测旋转的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅参照附图通过非限制性实例来描述优选实施例，其中：

图1是微型投影仪的示意图；

图2示出了由图1的微型投影仪在屏幕上生成的图像的投射方案；

图3是具有静电致动的微电子微反射镜器件的顶视平面图；

图4是具有用于检测器件的平台的角度位置的系统的微机电微反射镜器件的截面；

图5是图4的微机电器件的一部分的顶视平面图；

图6a和图6b以简化方式且在两个不同操作位置中示出了图4的结构；

图7和图8是图4的器件的电信号的曲线图；

图9至图12示出了图4的器件的光电检测器元件的阵列的不同结构；

图13是提出的mems器件的不同实施例的截面；

图14是使用提出的mems器件的微型投影仪的框图；以及

图15和图16示出了图10的微型投影仪与便携式电子装置之间的耦合的变型。

具体实施方式

在以下描述中，为了简化，将描述微反射镜仅绕着一个轴旋转的实施例。然而，可以以简单的方式来进行修改，用于检测绕着两个轴的旋转，这在下面进行解释。

图4和图5是具有可倾斜结构(平台52)的微电子器件50的示意图，其中可倾斜结构能够绕着旋转轴a旋转。平台52悬置在腔53上方，腔53形成在承载结构51中并且被穿通沟槽55环绕。

微电子器件50形成在第一衬底60和第二衬底61中，它们通过粘合层63(例如，氧化硅、玻璃熔块或mems中通常使用的其他接合材料)相互接合。以已知方式，使用已知的半导体制造技术(诸如沟槽化、生长、选择性沉积和/或去除和锯切)，可以从半导体材料的两个晶圆起得到衬底60和61。例如，第二衬底61可以由soi(绝缘体上硅)衬底形成，并且包括通过绝缘层59分离的两个半导体层(精确为底部半导体层57和顶部半导体层58)。底部半导体层57部分被去除以形成腔53，并且顶部半导体层58被限定为形成环绕平台52的沟槽55。

因此，承载结构51通过第一衬底60和壁54来形成，其中衬底60在底部界定腔53，壁54横向地界定腔53和穿通沟槽55并且通过第二衬底61来形成。因此，腔53具有底面53a，与第一衬底60的顶面61a位于相同平面中。此外，第二衬底61具有与第一衬底60的顶面61a平行的顶面61a。

平台52具有面向腔53的第一侧52a以及在静止位置中的与第二衬底61的顶面相同的顶面(第二侧52b)，并且承载反射层65，例如金属层。平台52由承载结构51通过支撑和致动结构来支撑，该结构也形成在第二衬底61的顶部半导体层58中并且包括(具体参见图5)臂66、扭力弹簧67(仅示意性示出)和致动结构68(也是仅示意性示出并且以任何已知方式形成，例如静电、压电或磁类型)。

在所示实施例中，平台52和反射层65具有圆形的形状。然而，它们可以具有任何其他形状，例如四边形、六边形等，并且它们的质心b沿着旋转轴a。

平台52和反射层65具有狭缝70，该狭缝优选布置在中心位置(例如，以质心b为中心)、完全穿过平台和反射层延伸。狭缝70具有相对较小的尺寸以拦截撞击到反射表面65上的少部分光束。例如，狭缝70可具有大致矩形的形状，其主侧平行于旋转轴a(具体在图5中可见)。然而，其他形状或方向也是可以的。例如，狭缝70可具有包括在1μmx10μm和5μmx50μm之间的尺寸，例如3μmx20μm。狭缝70具有面向腔53的底面53a的底部输出边缘70a。

第二衬底60承载光电检测器71(例如，光电二极管)的阵列，优选集成在第二衬底60的半导体材料中并面向腔53。光电检测器71以任何已知方式来制造(例如，参见http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download？doi＝10.1.1.30.8072&rep＝rep1&type＝pdf)并且配置在狭缝70下方，例如使得阵列的中心垂直地与狭缝70的中心和质心b对齐。如图5示意性所示，光电检测器71可以配置为在垂直于旋转轴a且平行于狭缝70的长侧的方向的方向上相互对齐，或者以不同结构进行布置，如以下参照图9至图12所详细讨论的。

具体地，在图4和图5中，光电检测器71的阵列包括沿着穿过狭缝70的中心的垂直线布置的中心光电检测器71a以及以与中心光电检测器71a的逐渐增加的距离布置的多个横向光电检测器71b。

光电检测器71通过仅示意性表示的导电路径72和适当的接口(未示出)连接至处理单元75，处理单元75例如以独立的读接口布置，例如asic(专用集成电路)。可选地，处理单元75可以形成在第一衬底60中。

处理单元75接收由光电检测器71生成的电信号，并且处理这些电信号来得到平台52的旋转角度，这将在以下进行说明。为此，处理单元75包括示意性示出的减法器76和计算单元77。

微机电器件50利用已知的衍射现象，从而由波传送的在狭缝前面的壁上生成的斑点的宽度与狭缝的幅度成反比，非常小的狭缝对应于非常宽的衍射条纹。

在图6a和图6b中以简单的方式表示了这种现象(其中忽略了副峰)，图6a和图6b是处于两个旋转位置的微电子器件500的示意图，在操作中假设平台52被垂直于第一衬底60和第二衬底61的顶面60a、60b引导的光束撞击。由78示意性表示和指定的光束例如由光源(诸如图1的光源1)生成。

具体而言，图6a示出了平台52处于静止位置(即，不倾斜)的微电子器件50。因此，反射层65和平台52的顶面52b被布置为平行于腔53的顶面53a(角度0°)。

在该位置中，光束78还垂直于平台52，并在其整个区域上方(在图5中，可从上面看到的狭缝70的区域)穿过狭缝70。这里，到达光电检测器71的阵列(在这种情况下如图5所示布置)的光束80的宽度具有第一宽度，其大致与狭缝70的区域相同，但是对于衍射和反射现象来说，这里基本可忽略。如上所述，在任何情况下，狭缝70的小面积使得只有非常少部分的光束穿过狭缝70，并由此“失去”微机电器件50的操作作为微反射镜(换句话说，实际上所有的光束78被反射表面65反射)。以这种方式，不会显著降低微机电器件50的效率。

在平台52的旋转期间，随着旋转角度θ的增加，狭缝70的“有用”区域(即，狭缝70在平行于第一衬底61的顶面61a的平面中的投射区域)减小，如图6b所示针对近似10°的旋转。此外，进入狭缝70的一部分光在狭缝70的壁上被反射，并且由于壁的粗糙度而在各个方向上被散射，使得离开狭缝70的光束81的宽度与进入光束相比进一步减小。从而，随着平台52的旋转角度θ的增加，光束81的宽度在狭缝70的底部输出边缘70a处减小。于是，从狭缝70离开的光束81加宽，并且在图6b中在腔53的底面53a上到达远大于用于平台52的零旋转角度(图6a)的宽度的区域。

因此，随着旋转角度θ增加，光束81到达阵列中的较大数量的光电检测器71b，但是由它们检测的光的强度减小。

上述行为从图7的曲线图中也是可见的，图7示出了由光电检测器71a、71b检测的标准化光强度i，其针对平台52的旋转角度θ的三个不同值，其作为横向光电检测器71b与中心光电检测器71a的距离x的函数。

可以注意到，在平台52的非倾斜位置中(角度θ＝0°，虚线100)，光强度i在中心光电检测器71a处最大(在示图中，标准化为1)并且随着与中心光电检测器71a的距离的增加而快速下降。光强度i实际在与中心光电检测器71a相距几乎30μm的距离处布置的横向光电检测器70b中降低为零，然后再次由于衍射的边带的结果而稍微增加。

对于旋转角度θ＝10°(点虚线110)，由中心光电检测器71a检测的光强度i减小到最大值的70％，但是与曲线100相比，由横向光电检测器71b检测的光强度随着它们与中心光电检测器71a的距离的增加而更缓慢地减小。因此，大量的横向光电检测器71b检测非零幅度的光强度i。

对于旋转角度θ＝20°(实线120)，由中心光电检测器71a检测的光强度i非常低(接近最大值的30％)，但是光束78的宽度远大于曲线100和120的宽度，并且由横向光电检测器71b检测的光强度i随着距离非常缓慢地下降，使得可测量值的光强度i仍然到达较多数量的横向光电检测器70b。

由光电检测器71检测的光强度i的值及横向光电检测器71b中的降低速率可由此被用作平台52的旋转角度θ的测量值。

由申请人进行的研究进一步表明，由光电检测器71提供的信号可以提供平台52的旋转角度θ的直接且唯一的指示。具体地，示出了存在光电检测器71的最佳位置，其中，测量到的光强度信号唯一地与平台52的旋转角度θ的值链接。具体地，示出存在位置x，其中由中心光电检测器71a提供的光强度信号ic(0，θ)与布置在与中心光电检测器71a相距距离x处的横向光电检测器71b提供的光强度信号il(x，θ)之间的差值直接与平台52的旋转角度θ成比例，这将在下面进行讨论。

为此，假设光电检测器70的阵列包括m个元件，并且由它们生成的光强度i的信号在k个分散角度θi处获取。以这种方式，对应于测量的光强度i来获取mxk个值。

具体地，如果ici(0，θi)是由中心光电检测器71a在一般角度θi处提供的光强度的信号的值并且ilji(xj,θi)是用于一般角度θi的由布置在距离xj处的一般横向光电检测器70bj提供的光强度信号的值，则得到mxk个值。如此，可以计算差值函数的n＝(m-1)xk个值：

diji(xj,θi)＝ilji(xj,θi)-ici(0,θi)

为了评估该函数的线性，使用校正系数r的平方，其可以针对数据(zi，yi)的集合计算为：

在特定情况下，角度θi表示变量zi，并且差值函数diji(xj,θi)表示变量yi。等式(1)由此可重写为：

基于本申请人进行的模拟，在图8中表示作为横向光电检测器70b的位置x的函数的参数l²的值。

可以注意到，线性l²的曲线示出了存在至少一个点(在距离xm处，在近似52μm的示图中)，其中曲线具有值1，由此在光强度差值di和角度θ之间存在线性相关。从而，根据以下等式，在与中心光电检测器71a相距距离xm的横向光电检测器71b中检测的光强度与在中心光电检测器71a中检测的光强度之间的差值与角度θ成正比：

θ＝m[i(0,θ)-i(x,θ)]+q

其中，m和q是与微电子器件50的特性相关的参数，包括狭缝70的几何形状、光电二极管71的物理特性和效率以及入射光束的强度，使得比例参数m、q根据器件而不同。

从而，根据微电子器件50的实施方式，在器件的测试期间，测试机器控制微电子器件50以针对平台52的多个角度θ测量由光电检测器70的阵列检测的光强度并且计算距离xm，在该距离xm处由横向光电检测器71b检测的光强度与由中心光电检测器71a检测的光强度之间的差值直接取决于旋转角度θ。在该步骤中，也得到将强度差值与角度θ链接的特定线性函数(2)的参数m、q。距离xm和参数m、q被保存到处理单元75的适当存储器区域。

因此，在使用中，处理单元75可以获取由中心光电检测器71a以及由布置在距离xm处的一个横向光电检测器71b测量的亮度值，经由图4的减法器76计算它们的差值，并且基于先前计算的参数得到瞬时角度θ。然后，该瞬时角度值θ可以被处理单元75处理或者被提供给其他单元用于平台52的角度位置的精确反馈控制。

在图5的光电检测器71的阵列的情况下，由于至少两个横向光电检测器71b被布置在距离xm处，所以可以使用由它们提供的信号，并计算其平均用于减法，或使用仅由它们中的一个提供的信号。

根据不同的简化实施方式，可以对生产批次(例如，对测试器件)统计地计算距离xm，并且该值被用于该批次的所有器件，而不搜索每个器件的距离xm。

根据不同的实施方式，可以在设计阶段期间对测试结构统计地计算距离xm，并且该器件可包括仅通过中心光电检测器71a以及统计地布置在最佳距离xm或者与其相距短距离的一个或多个光电检测器71b形成的光电二极管的阵列。例如，光电二极管的阵列可以仅包括三个光电二极管(如图9所示那样布置)，或者横向光电检测器71b可以布置在腔53的顶面53a的环形区域中，以中心光电检测器71a为中心(如图10示意性示出)。在这种情况下，根据环形区域的尺寸，在测试期间，可以查找用于每个特定器件的精确距离xm。

通常，光电检测器71的布置可以基于各种考虑来进行选择，诸如平台52可绕着一个或两个轴旋转的事实。在后一种情况下，例如，光电检测器71可以根据二维结构进行布置，例如根据图11和图12示意性示出的矩形、正方形或圆形阵列，或者根据任何其他适当的形状，例如椭圆、多边形、环形截面等。在任何情况下，当平台可绕着单轴旋转时，也可以选择二维(四边形、圆形或环形)结构。

在又一实施例中，处理单元75可以包括用于如下的逻辑：计算距离xm，并且在使用中周期性地或者在命令时验证最佳距离xm是否由于结构变形而修改，以及使用新距离值xm。

图13示出了微机电器件150，其中腔53的顶面53a具有抗反射结构90。这里，抗反射结构形成在光电检测器71的区域外侧，接近顶面53a的外围，在沟槽55下方。

以已知方式，抗反射结构90可以通过沉积不同介电层的叠层或者通过形成顶面53a的粗糙度来形成，例如通过硅蚀刻。

以这种方式，以实际均匀的方式随机地散射和吸收通过沟槽55在腔53内过滤的任何可能光，而不创建聚集在特定光电检测器71上的任何可能的反射，诸如生成伪信号。

微机电器件50、150可以在前端级别通过晶圆至晶圆接合来制造，并且随后锯切为单个器件。可选地，它们可以通过在光电检测器的芯片上组装mems结构而被制造为soc(片上系统)。

狭缝70可以通过drie(深反应离子蚀刻)来形成，例如在与平台52和致动结构或者一般的微机电结构的限定相同的步骤或分离的步骤中。

微机电器件150由此可以使用半导体工业中标准的微加工技术来制造，其成本不高且具有良好的可靠性。

微机电器件50、150可用于微型投影仪101，其被设计为功能性地耦合至如以下参照图14至图16所示的便携式电子装置100。

具体而言，图14的微型投影仪101包括：光源102，例如为激光器类型，其被设计为生成光束103；微机电器件50、150，被设计为接收光束103并且将其引导朝向屏幕或显示表面105(在微型投影仪101外并被布置为与微型投影仪101相距一定距离)；第一驱动电路106，被设计为向光源102提供适当的控制信号，用于根据被投射的图像生成光束103；第二驱动电路108，被设计为提供用于旋转微机电器件50、150的平台52(图4和图13)的驱动信号；以及通信接口109，被设计为从外部控制单元110(例如包括在便携式装置100中(图9、图10))接收关于将要生成的图像的光信息，例如以像素阵列的形式。输入光信息用于驱动光源102。

此外，控制单元100可以包括用于控制微机电器件50、150的反射镜的角度位置的单元。为此，控制单元100可以通过接口109接收由光电检测器71(图14中未示出)生成的信号，并且相应地控制第二驱动电路108。

如图15所示，微型投影仪101可以相对于相关联的便携式电子装置100(例如，蜂窝电话或智能手机)形成为单独的独立附件。在这种情况下，微型投影仪101通过适当的电和机械连接元件(未详细示出)耦合至便携式电子装置100。这里，微型投影仪101具有自身的壳体141，其至少一部分141’对于来自微电子器件50的光束103是透明的。微型投影仪1的壳体141可释放地耦合至便携式电子装置100的对应壳体142。

可选地，如图16所示，微型投影仪101可以集成在便携式电子装置100内并且可以布置在便携式电子装置100的壳体142内。在这种情况下，便携式电子装置100具有对于来自微机电器件50、150的光束103是透明的对应部分142’。在这种情况下，微型投影仪101例如耦合至便携式电子装置100的壳体142内的pcb(印刷电路板)。

最后，清楚地，在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对本文示出和描述的器件和控制方法进行修改和变化。例如，可以组合各个所述实施例来用于提供进一步的解决方案。光电检测器可以以任何适当的方式制造。

此外，狭缝70可以布置在非中心位置。例如，其可以布置在平台52的另一点中，相应地布置光电检测器71。又一狭缝可布置用于检测又一自由度。例如，对于具有两个自由度的微反射镜和类似于图3中表示的结构来说，可以在框架13中制造又一狭缝。在这种情况下，在又一狭缝下方，光电检测器可以配置有非常高的敏感度，使得被又一狭缝拦截的少量光将能够根据第二自由度检测微反射镜的移动。

抗反射部分可以布置在腔52的侧壁上。

衬底60可以由不同材料制成，例如不是半导体材料，诸如pcb，承载集成有光电检测器的阵列的芯片，由此使用组装技术。