CN104820285B

CN104820285B - 静电驱动的mems器件

Info

Publication number: CN104820285B
Application number: CN201510049858.1A
Authority: CN
Inventors: R·卡尔米纳蒂; S·康蒂
Original assignee: STMicroelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics International NV
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN104820285A; US20150217990A1; EP2902358B1; CN204740399U; EP2902358A1; US9670056B2; CN108710203A; CN108710203B

Abstract

本发明涉及静电驱动的MEMS器件。MEMS器件具有经由接合臂对由支撑区域支撑的悬置块。耦合到接合臂的静电驱动系统具有彼此耦合的移动电极和固定电极。静电驱动系统由布置在相应的接合臂的相对侧上并且通过连接元件连接到接合臂的两对致动组件形成。每个致动组件横向延伸到悬置块并且具有承载相应的多个移动电极的附属臂。每个附属臂平行于接合臂。连接元件可以是刚性的或者由联动装置形成。

Description

静电驱动的MEMS器件

技术领域

本发明涉及具有静电类型的驱动结构的微机电(MEMS)器件。

背景技术

众所周知，已经提出具有成对MEMS微反射镜的微型投影机，每个MEMS微反射镜被驱动用于绕自己的旋转轴旋转。

例如，在图1和图2示意性地图示的系统中，光源1，通常为激光源，生成光束2(通常包括三个单色光束，每个用于一个基本色)，其穿过仅示意性地图示的光学器件3，由MEMS反射镜对5、6转向。例如，第一MEMS反射镜5可以是谐振类型的水平微反射镜，其绕第一轴A(图2)旋转并且生成快速水平扫描，并且第二MEMS反射镜6可以是垂直微反射镜，其绕特别地垂直于第一轴A的第二横轴B旋转，并且生成慢速垂直扫描，通常为锯齿扫描。两个MEMS反射镜5、6的移动的组合使得光束2执行完整的二维扫描移动并且，一旦投影在投影屏幕7上，就在其上生成二维图像。例如在WO2010/067354(也被公布为US2011/0234898)中描述了这样的系统，为所有目的在此通过引用将该专利申请整体并入本文。

对于图像的理想投影，需要以恒定的速率执行垂直扫描。因此，已经提出通过引起其绕相应的轴B的受控旋转的静电驱动系统来控制至少垂直微反射镜6的移动。

例如，垂直微反射镜6可以如图3所示而制成。这里，裸片10包括悬置在衬底(不可见)上并且由成对的臂12支撑的反射表面11。臂12在反射表面11的相对侧上延伸并且限定垂直微反射镜6的旋转轴B。臂12经由使得臂12绕轴B旋转的扭转弹簧14连接到裸片10的固定的外围部分13。臂12被进一步耦合到由两个静电类型的致动组件18形成的驱动结构，一个致动组件18用于一个臂12。这里每个致动组件18包括两组移动电极19，面对同样多组的固定电极20。

详细地讲，移动电极19相对于臂12固定并且像梳指一样与固定电极20交错排列用于生成电容性耦合。固定电极20由支撑区域21承载，通常相对于裸片10的衬底(不可见)固定。由于电极19、20的布置，驱动结构也被定义为“梳式驱动结构”。

可以在裸片10的不同层中形成移动电极和固定电极20以便在不同的高度处延伸，如例如在WO2010/137009(也被公布为US2012/0062973)中所描述的那样，并且如图4的放大细节中所图示的那样，为所有目的在此通过引用将该专利申请整体并入本文。

通过在移动电极19和固定电极20之间施加合适的电压，可以在它们之间生成吸引力或排斥力，用于引起移动电极19相对于固定电极20的旋转、臂12绕轴B的扭转、并因而反射表面11的相应的受控旋转(图5)。

然而，所描述的结构与目前的日益增大反射镜的需求形成对比。

事实上，在光学系统中，投影的图像的像素的数目正比于反射表面11的直径。

由此得出在微型投影仪的领域中，需要具有日益增大尺寸的微反射镜，以便增加投影图像的分辨率并且满足迈向高清标准(720像素；1080像素)的市场需要。

特别地，在二维微型投影仪中，水平微反射镜的直径决定分辨率。另一方面，由于其上更大的扫描点轨迹，水平微反射镜的尺寸的增加也决定垂直微反射镜的尺寸的剧烈增加。

为了提供更大尺寸的反射表面11，可以使用更高的致动电压，因为谐振频率由系统的条件和约束设置。特别地，在所考虑类型的静电梳式驱动的情况下，这需要操作电压的修改以及因此电极数目的增加。

在图3至图5的结构的情况下，反射表面11的尺寸的增加导致整个裸片10的尺寸在旋转轴B的方向上的显著增加，因为不仅反射表面11的长度在该方向上增加，而且梳指式电极19、20对的数目也增加。

上文的增加与目前朝向小型化的趋势形成对比，并且需要相当大的成本，特别在中等生产规模的应用的情况下，其中不需要开发大规模生产的潜能。

另一方面，除了上文所涉及的类型之外，该问题也存在于其他类型的MEMS器件中。

发明内容

本发明的一个或者多个实施例可以提供具有克服现有技术的一个或者多个缺点的扭转驱动结构的MEMS器件。

一个或者多个实施例涉及例如可以安装在微型投影仪中的可旋转微反射镜。另一实施例涉及惯性类型的MEMS结构，例如用于探测运动参数的元件，诸如加速计、陀螺仪等，或者驱动元件，诸如微发动机、微致动器或旋转运动到平移运动的转换器。在又一实施例中，MEMS结构使用平移运动被应用。

一个实施例涉及一种MEMS器件，其包括具有反射表面的悬置块、支撑区域以及将悬置块耦合到支撑区域的接合臂。该MEMS器件进一步包括连接元件和静电驱动系统。静电驱动系统包括布置在接合臂的相对侧上并且通过连接元件耦合到接合臂的第一致动组件和第二致动组件。第一致动组件和第二致动组件中的每个致动组件包括交错布置的移动电极和固定电极。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅仅通过非限制性示例的方式参考附图描述其优选的实施例，其中：

图1是微型投影仪的示意透视图；

图2是图1的微型投影仪的微反射镜的转向移动的示意图；

图3是图1的垂直微反射镜的实施例的示意图；

图4是图3的微反射镜的细节的放大的透视图；

图5是图3的微反射镜的部分的截面图；

图6是本MEMS结构的实施例的简化顶部平面视图；

图7是图6的MEMS结构的驱动原理的示意图；

图8是本MEMS结构的另一实施例的简化顶部平面视图；

图9是图8的MEMS结构的驱动原理的示意图；

图10是在旋转位置中的图8的MEMS结构的简化透视图；

图11是图8的MEMS结构的部分的放大的顶部平面视图；

图12和图13是本MEMS结构的其他实施例的简化顶部平面视图；

图14是本MEMS结构的细节的放大的顶部平面视图；

图15是图14的细节的放大的透视图；

图16是包括本MEMS结构的部分的半导体裸片的截面；以及

图17示出了不同的实施例。

具体实施方式

图6至图7示出了MEMS器件100，其在这里形成用于图1和图2所图示类型的微型投影仪的微反射镜。

MEMS器件100包括悬置块31，这里反射表面具有大体矩形形状，由两个接合臂32支撑。接合臂32彼此对准地在悬置块31的沿着旋转轴B的相对侧上延伸并且在它们的端部处通过第一扭转弹簧35约束到MEMS器件100的固定区域33。

致动组件36通过连接元件30被连接到接合臂32，并且控制其绕旋转轴B的旋转(与相对于其固定的悬置块31的旋转一起)。

这里连接元件30由刚性臂34形成，刚性臂34从每个接合臂32的中间部分在相对于接合臂32的横向(基本上垂直的)方向上从其每侧延伸并且每个刚性臂34承载相应的附属臂37。附属臂37在相对于刚性臂34横向的(基本上垂直的)并因此基本上平行于接合臂32的方向上延伸。在图示的示例中，这四个刚性臂34和四个附属臂37被示出。附属臂37承载相应的移动电极38，移动电极38在附属臂37的每侧上在相对于附属臂37的横向(具体地，基本垂直)方向上延伸。此外，移动电极38以基本上对称的配置在刚性臂34的两侧上延伸。

移动电极38面对相应的固定电极39，并且与相应的固定电极39成梳指式排列，这里固定电极39由固定区域40承载并且经由固定区域40连接起来。因此，移动电极38被电容性耦合到相应的固定电极39并且形成多个移动电极38/固定电极39对。

在一些实施例中，出于对称性和应力均匀性的考虑，每个致动组件36包括相等数目的移动电极38和相等数目的固定电极39。

总的来说，因此，由相同附属臂37承载的移动电极38和面向它们的固定电极39形成四个致动组件36，每个致动组件由相应的接合臂32承载。在这点上，需要强调的是，术语“致动组件”这里表示多个移动电极/固定电极对，当被适当偏置时，它们施加成对的相反力，这些力倾向于引起相应的附属臂37在相同方向上的旋转。

与其中直接在接合臂上提供致动组件的移动电极的方案相比，连接元件30和附属臂37使得致动组件36的数目至少翻倍，而MEMS器件100的总体轴向尺寸(在旋转轴B的方向上的长度)相同，以及每个移动电极38/固定电极39对的尺寸和距离相同。

此外，通过在由MEMS器件100的轴向长度和由悬置块31的宽度(在垂直于轴向长度的方向上)限定的矩形区域中，横向于悬置块31布置致动组件36，获得特别紧凑的方案。此外，该布置提供MEMS器件的更大的刚度，其因此更加耐冲击和应力，因为相比于传统结构，具有更大数目的弹性元件(弹簧)和存在对刚性部分的加固物。

图7示出了MEMS器件100的操作原理的简化图，在通过接合臂32之一并沿着由此承载的两个刚性臂34的截面中表示。以本质上已知的方式，通过在每个致动组件的移动电极38和固定电极39之间施加合适的电压，可以在它们之间生成吸引力以及因此生成刚性臂34的附属臂37的一致旋转，以及因此生成接合臂32和悬置块31绕旋转轴B的一致旋转。

在图7中，移动电极38和固定电极39被布置在彼此不同的高度处，并且MEMS器件100的静止位置用实线表示(接合臂32没有旋转并且悬置块31平行于作为整体标出的衬底41)，而可能的旋转位置用虚线表示(以夸大的方式)。

在图8至图10图示的MEMS器件200中，连接元件30形成杠杆和铰链的系统，它们使得由致动组件36生成的机械扭矩转移到振荡臂32和悬置块31，而不需要移动电极38和相应的附属臂37的垂直移动。

特别地(见图8)，这里每个连接元件30由两个杠杆45a、45b形成，它们在铰链元件46处接合在一起并且在相应的接合臂32和相应的附属臂37之间延伸。详细地讲，两个第一杠杆45a从刚性约束到那里的每个接合臂32延伸，并且每个第一杠杆45a被接合到相应的第二杠杆45b，其又被刚性连接到相应的附属臂37。此外，每个附属臂37在其自己端部处通过相应的第二扭转弹簧49被接合到MEMS器件100的固定区域48。

图9示出了在涉及上述布置在两个不同高度的移动电极38和固定电极39的情况下的MEMS器件200的操作原理的简化图。注意，通过在移动电极38和面对的固定电极39的对之间施加合适的电压，附属臂37在第一方向上(例如，这里在逆时针方向上)旋转，引起第二杠杆元件45b绕它们的约束到附属臂37的端部的相似旋转以及在第一杠杆元件45a的第二方向上(这里在顺时针方向上)的相反旋转。因此，接合臂32和悬置块31也在第二方向上旋转。

MEMS器件200的移动从图10的简化透视图进一步清晰地显现。

由于在图8至图10中附属臂37可以绕相应的纵轴旋转而并不平移，因此在移动电极38和面向它们的固定电极39之间存在更强的耦合。MEMS器件200因此能够获得相对于图7的MEMS器件100更大的旋转角度、以及更高的效率。

图11示出了图8至图10的MEMS器件200的第一扭转弹簧35、第二扭转弹簧49和铰链46的实施例。特别地，铰链46由材料的减薄部分形成、悬置在衬底41之上、大致上成形类似于两个相对的U形47。U形47的端部被连接在一起并且连接到杠杆45a、45b，用于使得杠杆45a、45b能够绕平行于接合臂32(因此每个操作为扭转弹簧)的旋转轴相互旋转以及能够在旋转期间杠杆45a、45b的相对端部远离彼此地相对移动，这从图9的视图中显而易见(因此每个也操作为张力弹簧)。

图12示出了与图8至图10的实施例相比具有两个额外的致动组件36的MEMS器件300。图12的两个额外的致动组件36的移动电极38直接在接合臂32上形成。

以这种方式，MEMS器件300使得对于相同的空间可用的致动组件的数目增为三倍。

实际上，在一些参考设计中，利用图12的方案，所有其他条件相同，对于具有直径3mm的悬置块31，可以将旋转轴B的方向上的长度从21.6mm降低到13.3mm，而对于具有直径2.5mm的悬置块31，可以将旋转轴B方向上的长度从12.6mm降低到9.7mm，而获得总面积的高达40％的增益。

随着悬置块31的尺寸的增加，更加有可能添加进一步的致动组件36，它们平行于致动组件36并由进一步的连接元件30承载，如例如图13所示。

在一个实施例中，移动电极38不是全部都形成在半导体裸片的相同的结构层中，而是在集成了MEMS器件的半导体裸片中在不同高度处延伸；即，忽略层的厚度，它们可以限定不同的平面。例如参考图14至图16描述这个方案。

详细地讲(见图14)，对于每个致动组件36，可以限定四组移动电极38，根据它们在其上延伸的相应的附属臂37的侧和连接元件30的侧，在下文中也标识为移动电极组38a-38d。

类似地，存在四组固定电极39a-39d，针对每组移动电极38a-38d存在一组固定电极39a-39d。

实际上，在所考虑的示例中，第一组移动电极38a和第一组固定电极39a被布置在连接元件30的第一侧上并且在附属臂37的第一侧上；第二组移动电极38b和第二组固定电极39b被布置在连接元件30的第一侧上并且在附属臂37的第二侧上；第三组移动电极38c和第三组固定电极39c被布置在连接元件30的第二侧上并且在附属臂37的第二侧上；第四组移动电极38d和第四组固定电极39d被布置在连接元件30的第二侧上并且在附属臂37的第一侧上。

移动电极38和固定电极39在不同平面中以交替的方式并且以关于附属臂37直径相对方式布置，这可以例如在图15的细节中看出。特别地，在所图示的示例中，同组的移动电极38被布置在相同平面中，与相应的固定电极39以及位于附属臂37的相对侧上或者连接元件30的相对侧上的组的移动电极不同，但在与布置在附属臂37的相对侧上并且在连接元件30的相对侧上的移动电极38相同的平面中。

例如，如图15所图示，移动电极38a和38c在第一结构层50(例如，更高的结构层，也见从集成了本MEMS器件的半导体材料裸片截取的图16的截面)中形成。相应的固定电极39a和39c(在图15中不可见)在第二结构层51(例如，底部结构层)中形成。移动电极38b和38d在第二结构层51中形成并且固定电极39b和39d在第一结构层50中形成。

在图15中，第一结构层50和第二结构层51可以由(使用外延生长技术生长的)两个外延层形成，每个层都具有40μm的厚度。

以这种方式，在移动电极38和固定电极39之间的耦合在各种操作条件下被改善。

明显地，图1至图16所图示的移动电极38和固定电极39的布置可以改变。特别地，它们可以在相同结构层中形成，特别是在工作在谐振条件下的器件中。

因此，图示和描述的MEMS器件100、200和300具有如下优点：使得它们的制造所需要的面积能够大幅度降低并且因此包含它们的装置特别是微型投影仪能够小型化。

MEMS器件100、200和300可以使用目前的MEMS制造技术进行制造并且它们的制造不需要额外的成本。

它们而且可以与其它的电子器件兼容，这些电子器件可以利用半导体技术制造并且使得悬置块的形状以及可以提供的块的数目能够进行各种修改和调整。

例如，如果悬置块形成微反射镜的反射表面，则悬置块31可以是心形的，如图17所示。

最后，应清楚的是，在不由此脱离本发明的范围的情况下，可以对本文所描述和图示的MEMS器件做出修改和变化。

例如，MEMS器件不但可以形成微反射镜，还可以形成静电驱动谐振器件、双轴微反射镜或开关。

铰链46可以具有与所图示的形状不同的形状；例如，它们可以由具有简单或复杂的直线或者曲线形状的单个减薄区域形成，或者由例如V形或具有更复杂的曲线形状的两个不同形状的区域形成。

使用致动组件36的驱动系统可以使得悬置块31能够进行不同的移动，例如平移类型的移动。

此外，致动系统可以具有不同布置的电极，诸如例如在惯性传感器的情况下，和/或在致动组件旋转90°的情况下，例如平移移动电极。

上文所描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的实施例。根据上述描述，可以对实施例做出这些和其他改变。总之，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制到说明书所公开的特定实施例，而是应当被理解为包括所有可能的实施例，以及这样的权利要求对其享有权利的等效方案的全部范围。因此，权利要求不受本公开限制。

Claims

1.一种MEMS器件，包括：

悬置块，围绕旋转轴旋转；

支撑区域；

接合臂，具有固定至所述悬置块的端部，所述接合臂沿着所述旋转轴在所述悬置块的相对侧上延伸并且将所述悬置块耦合到所述支撑区域；

连接元件，关于所述接合臂在横向方向上从所述接合臂的相对侧延伸；以及

静电驱动系统，耦合至所述接合臂以控制其围绕所述旋转轴的旋转，并且包括第一致动组件和第二致动组件，所述第一致动组件和所述第二致动组件布置在所述接合臂的所述相对侧上并且分别通过所述连接元件耦合到所述接合臂，所述第一致动组件和所述第二致动组件中的每个致动组件包括交替布置的移动电极和固定电极，并且所述第一致动组件和所述第二致动组件中的每一个包括由相应连接元件承载的附属臂，所述附属臂关于所述连接元件在横向方向上延伸并承载相应多个所述移动电极。

2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述附属臂具有与所述接合臂的纵轴基本上平行的纵轴。

3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述连接元件是刚性臂。

4.根据权利要求3所述的MEMS器件，其中所述刚性臂分别具有耦合到所述接合臂的第一部分和耦合到所述附属臂的第二部分。

5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述连接元件均由联动装置形成，所述联动装置包括具有分别耦合到所述接合臂和所述附属臂的第一端部以及通过铰链耦合到彼此的第二端部的杠杆对。

6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其中每个铰链由具有相互耦合并且耦合到所述杠杆对的端部的大致U形的区域对形成。

7.根据权利要求5所述的MEMS器件，进一步包括扭转弹簧和固定区域，其中所述附属臂经由相应的扭转弹簧被耦合到所述固定区域。

8.根据权利要求1所述的MEMS器件，进一步包括第一结构层和第二结构层，其中对于所述第一致动组件和所述第二致动组件中的至少一个致动组件，所述移动电极在所述第一结构层中形成而所述固定电极在所述第二结构层中形成。

9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中在每个致动组件中，第一移动电极在第一结构层中形成，而第二移动电极在第二结构层中形成，其中与所述第一移动电极交错布置的所述固定电极在所述第二结构层中形成，而与所述第二移动电极交错布置的所述固定电极在所述第一结构层中形成。

10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述接合臂是第一接合臂并且所述支撑区域是第一支撑区域，所述MEMS器件包括：

第二接合臂；以及

其中所述静电驱动系统包括布置在所述第二接合臂的相对侧上的第三致动组件和第四致动组件，并且

其中所述第二接合臂将所述悬置块耦合到第二支撑区域。

11.根据权利要求10所述的MEMS器件，包括第五致动组件和第六致动组件，每个致动组件具有至少部分由所述第一接合臂和所述第二接合臂分别支撑的移动电极。

12.根据权利要求10所述的MEMS器件，其中所述致动组件中的每个致动组件具有平行于彼此并且平行于所述第一接合臂和所述第二接合臂的纵轴延伸的纵轴。

13.根据权利要求10所述的MEMS器件，其中所述悬置块是具有反射表面的微反射镜并且所述接合臂形成用于所述反射表面的旋转轴。

14.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述悬置块具有从以下形状中选择的形状：矩形、具有圆化边缘的矩形、方形、具有圆化边缘的方形、多边形、圆形、椭圆形和心形。

15.一种微型投影仪，包括：

光源，被配置用于发出光；以及

MEMS器件，被配置用于反射所述光，所述MEMS器件包括：

悬置块，具有反射表面并且围绕旋转轴旋转；

支撑区域；

16.根据权利要求15所述的微型投影仪，其中所述光源是激光光源。

17.根据权利要求15所述的微型投影仪，进一步包括被配置用于将从所述光源发出的所述光转向到所述MEMS器件的光学透镜。

18.根据权利要求15所述的微型投影仪，其中所述第一致动组件和所述第二致动组件包括附属臂，其中所述第一致动组件和所述第二致动组件的所述移动电极分别从所述附属臂延伸。

19.根据权利要求18所述的微型投影仪，其中所述接合臂具有纵轴并且所述附属臂具有基本上平行于所述接合臂的所述纵轴的纵轴。

20.根据权利要求15所述的微型投影仪，其中所述连接元件是刚性臂。

21.根据权利要求15所述的微型投影仪，其中所述连接元件包括U形铰链。