CN104919356B - 用于监控扫描镜的方法以及机械扫描镜器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监控的方法，该方法包括提供器件(64)，该器件包括第一部件(46)和第二部件(72)以及将第一部件连接至第二部件的活动接头(70)。测量穿过活动接头的导电路径(80)的电气特性，并且响应于检测到电气特性的变化来发起矫正措施。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2012年12月13日提交的美国临时专利申请61/736,551的权益，该专利申请以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及机械器件的操作性测试和验证，并且具体地涉及用于验证微机电系统(MEMS)器件的完整性的技术。
背景技术
MEMS器件存在于广泛的各种不同的应用程序中，诸如用于计算设备和通信设备的光学扫描器、汽车压力传感器和加速度计以及陀螺仪。基于MEMS的光学扫描器描述于例如美国专利7,952,781和美国专利申请公布2013/0207970中，其公开内容以引用方式并入本文。
用于监控扫描镜的操作的方法在本领域中是已知的。例如，其公开内容以引用方式并入本文的美国专利申请公布2013/0250387描述了发射器和扫描镜，该发射器被配置为发出包括光脉冲的光束，该扫描镜被配置为扫描布景上方的光束。接收器被配置为接收从布景反射的光并生成用于指示从布景返回的脉冲的输出。光栅形成于装置中的光学表面上并被配置为以一个预先确定的角度衍射光束的一部分，以便使得光束的所衍射的部分从扫描镜返回至接收器。控制器被耦接以处理接收器的输出，以便检测所衍射的部分并响应于其来监控镜的扫描。
发明内容
本文所述的本发明的实施例提供了可用于测试和验证铰接式机械器件的完整性的方法和装置。
因此，根据本发明的实施例提供了一种用于监控的方法，该方法包括提供器件，该器件包括第一部件和第二部件以及将第一部件连接至第二部件的活动接头。测量穿过活动接头的导电路径的电气特性。响应于检测到电气特性的变化来发起矫正措施。
在一些实施例中，提供器件包括施加光刻处理以从衬底蚀刻接头以及器件的第一部件和第二部件，以及沉积金属迹线以便在衬底的表面上形成导电路径。在所公开的实施例中，器件包括微机电系统(MEMS)，并且衬底包括半导体晶片。
通常，测量电气特性包括测量导电路径的电连续性，并且检测变化包括响应于接头的故障来检测失去该连续性。
在一个实施例中，器件的第一部件包括镜，并且器件的第二部件包括万向架，并且活动接头包括位于镜和万向架之间的可旋转铰链，并且可旋转铰链被导电路径穿过。镜可包括导电材料，该导电材料形成导电路径的一部分。除此之外或另选地，位于镜和万向架之间的可旋转铰链包括第一铰链，并且器件可包括基座和位于万向架和基座之间的第二可旋转铰链，其中导电路径穿过第一铰链和第二铰链两者。在所公开的实施例中，提供器件包括朝向镜引导光束以便当镜在铰链上旋转时扫描从镜反射的光束，并且发起矫正措施包括中断光束。
另选地或除此之外，发起矫正措施包括发出对器件的故障的指示。
根据本发明的实施例，还提供了一种机械器件，该机械器件包括第一部件和第二部件以及将第一部件连接至第二部件的活动接头。电气路径穿过活动接头。控制电路被配置为测量导电路径的电气特性并且响应于检测到电气特性的变化来发起矫正措施。
根据其实施例的下面的详细描述并且结合附图将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的光学扫描头的示意性图示；以及
图2是根据本发明的实施例的具有测试电路的扫描镜的示意性图解。
具体实施方式
在一些情况下，必须以最小延迟来检测出MEMS器件的结构故障。例如在基于MEMS的扫描投影仪系统中需要此类快速故障检测，在该系统中，光束由激光源发出并由扫描镜反射到物体或布景上，该物体或布景可包含一个或多个人。(此类系统描述于上述美国专利申请公布2013/0207970中，以及于2013年7月25日提交的PCT专利申请PCT/IB2013/056101中，其公开内容以引用方式并入本文。)在此类系统中，如果镜完整性受到损坏并且激光束不再像预期那样进行扫描，则光源应当在大概几微秒或更短时间内立即关断，以便避免超出由眼睛安全标准所规定的暴露极限。
又如，如果加速度计失去结构稳定性，则其可能无法检测移动。在要求即时检测运动的应用程序诸如安全应用程序中，检测器件故障并迅速采取行动是很重要的。
本文所描述的本发明的实施例提供了器件和方法，该器件和方法使得能够对机械器件的结构完整性进行实时监控，并且当结构完整性受到损坏时发起矫正措施。此类监控在检测扫描镜的故障中尤其有用，如在下面的实施例中所示的，但是其也可在其他类型的MEMS器件中以及在其他种类的小型机械器件中被有利地使用。所公开的实施例将结构完整性和简单的电气特性诸如穿过器件的某路径的电连续性(例如根据导电性进行测量)联系起来。配置该器件并且选择所监控的电气特性，以便当器件出现故障时表现出急剧转变，诸如失去电连续性。该转变通过使用简单的监控电路以低延迟被容易地测量。
一般而言，本发明的实施例涉及至少包括由活动接头(或多个接头)连接的第一机械部件和第二机械部件的器件。控制电路测量穿过活动接头的导电路径的电气特性并且响应于检测到电气特性的变化来发起矫正措施。在其中接头和器件的第一部件和第二部件通过光刻工艺从衬底蚀刻(例如从半导体晶片蚀刻MEMS器件)的器件中，作为处理步骤的一部分，金属迹线可沉积在衬底的表面上，以便在衬底的表面上形成导电路径。
在如下所述的具体实施例中，活动接头包括位于扫描镜和万向架之间的可旋转铰链，并且导电路径穿过该可旋转铰链。由于镜本身通常包括衬底上的导电涂层，因此该涂层可为导电路径的一部分。如果铰链在操作中断裂，则控制电路将检测失去电连续性并随后中断由镜扫描的光束，和/或发出对器件的故障的指示。
由所公开的实施例采用的方法因而是有利的，特别是由于其仅需要向现有的MEMS器件添加最小的附加电路。可在如用于形成MEMS器件中的其他金属结构的相同处理步骤中沉积导电路径本身。使用所公开的技术进行的故障检测快速且可靠，因为结构完整性可由内嵌到MEMS器件中的电路直接测量；并且测量不依赖于扫描系统的任何控制回路，其通常可慢很多。本发明的实施例因而增强了光学扫描引擎的安全性和稳健性，尤其对于应用程序诸如光学投影和3D映射等，并且还可应用于其他类型的小型机械器件。
图1是根据本发明的实施例的具有扫描完整性监控器的光学扫描头40的示意性图解。除了该监控器本身外，光学扫描头40类似于上述美国专利申请公布2013/0207970中所描述的光学扫描头。为了完整起见，头40在此被描述为其中本发明的实施例可被实施的器件的实例，但是不以任何方式将本发明的应用程序限制于该具体种类的器件。
通常包括激光二极管的发射器44朝偏振分束器60发出光脉冲。来自发射器44的光从分束器60并随后从折叠式镜62朝扫描微镜46反射。MEMS扫描器64以所需的扫描频率和振幅在X方向和Y方向上扫描微镜，使得光束在布景上方进行扫描。(术语“微镜”在本发明上下文中仅用于表示较小的镜，通常不超过大约10mm宽，并可能更小。图2中示出了本发明的微镜和扫描器的细节。)从布景反射回的光脉冲入射到微镜46上，该微镜通过分束器60经由折叠式镜62来反射光。接收器48感测返回的光脉冲并产生对应的电脉冲。
控制器30驱动发射器44和扫描器64，并分析发射脉冲和来自接收器48的对应脉冲之间的时间延迟以便测量每个脉冲的渡越时间。基于这一渡越时间，控制器计算布景中的被扫描头40扫描的每个点(X，Y)的深度坐标(Z)，从而生成布景的深度图。另选地或除此之外，可测量并处理反射光以便提取其他布景特性。进一步另选地或除此之外，控制器30可驱动发射器和扫描器以便将图像投射到布景上。
在任何情况下，控制器30还监控扫描器64的机械操作，如下文所述。当接收到对故障的指示时，控制器30通常将采取矫正措施，诸如中断来自发射器44的光束(可能仅通过关闭提供至发射器的电源)和/或发出警示。
在此仅仅以举例的方式描述了图1所示的光学头的具体机械设计和光学设计。结合了本文所述种类的监控方案的另选的器件设计也被视为在本发明的范围内。
图2是根据本发明的实施例的镜46和MEMS扫描器64的元件的示意性图解。该扫描器是基于类似于上述美国专利7,952,781中所描述的原理来制备和操作的，但是如在上述美国专利申请公布2013/0207970和PCT专利申请PCT/IB2013/056101中那样使得能够进行单个微镜的二维扫描。可用于制备扫描器64的另选的方法在于2013年10月22日提交的PCT专利申请PCT/IB2013/059531中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文。另选地，可将本发明的原理应用于其他种类的扫描镜，诸如由Awtar等人在“Two-axis Optical MEMSScanner”，ASPE 2005年会的会议录(Norfolk，Virginia，Paper No.1800，2005)中所描述的一种扫描镜。进一步另选地，可将下文所述的完整性监控方法用于仅在单个方向上扫描的镜。
通过将合适的光刻工艺施加至半导体衬底68来制备微镜46，并随后蚀刻衬底以将微镜与万向架72分开并将万向架与剩余的衬底68分开。在蚀刻之后，微镜46(其供施加合适的反射涂层)能够在铰链70上围绕相对于万向架72的一条轴线旋转，而万向架72在铰链74上在相对于衬底68的正交方向上旋转。扫描器64可由电磁扫描驱动来驱动，诸如在上述PCT专利申请PCT/IB2013/056101中所描述的一种类型的驱动器。
在典型的MEMS具体实施中，铰链70和74不超过150μm宽。铰链可由于制造缺陷、驱动电路故障、外观损坏(跌落、碰撞)或材料疲劳而在操作中断裂或撕裂。铰链中的一个或多个铰链的这些种类的故障将使微镜46的扫描受到损坏或完全停止，从而导致从微镜反射的光束可保持固定在扫描停止的角度处。不管故障的类型和原因，本文所述的故障检测的方法都是可应用的。
为检测铰链70和74中的任一铰链的故障，导电迹线80可穿过微镜46、万向架72和衬底68而形成，从而穿过如图所示的所有铰链70和74。(另选地，如果需要，迹线可仅穿过某些铰链诸如铰链74而形成。)迹线80可使用本领域中已知的印刷电路和/或微电子制备的方法沉积在衬底68 (包括从衬底蚀刻的所有部件)上。例如，当金属被沉积以在微镜46的表面上形成反射涂层时，迹线可为与微镜相同的金属掩模的一部分，并且可使用相同的半导体处理步骤(诸如光致抗蚀剂图案化、阴影掩模、溅射或电镀)在与微镜相同的时间被制造。尽管为清晰起见在图2中示出了迹线80穿过微镜46，微镜上的金属涂层可自身用作迹线的导电路径的一部分。
由于硅本身不是绝缘体，因此其将围绕迹线80传导一些电流。因此，在硅晶片和迹线之间引入绝缘层诸如二氧化硅或氮化硅(可能为选择性地图案化的)可为有益的。可使用本领域中已知的制造技术来制备该绝缘层，诸如LPCVD/PECVD或热生长并随后图案化。
另选地，迹线可通过硅晶片本身的图案化掺杂形成，如本领域中所公知的或通过使用用于形成嵌入或连接至硅结构的导电路径的其他技术。
为监控扫描器64的结构完整性，测试电路84测量测试焊点82之间的电连续性。测试电路84可安装在衬底68上，或其可为独立的离板单元。通常，测试电路84测量焊点82之间的导电性(或换句话讲为电阻)。如果铰链70或74中的任一铰链断裂或撕裂，则穿过那个铰链的迹线80的连续性将中断，从而阻断测试焊点82之间的电连接并导致导电性的立即的显著降低(或电阻的增大)。另选地，测试电路可测量其他电气特性，该其他电气特性可指示导电迹线的连续性的变化。
控制器30从测试电路84接收信号，该信号指示所测量的迹线连续性。另选地，测试电路84的功能可结合到控制器30本身中(并且一般而言，控制器和测试电路在本文中被统称为“控制电路”)。当检测到不连续性时，控制器30发起适当的矫正措施，诸如关闭发射器44和/或发出故障告警。
尽管图2示出了具有特定形态的导电路径，但是在替代实施例中可使用其他迹线图案，这取决于MEMS设计和监控需要。迹线不仅通过在半导体衬底上(在正面或背面上)沉积来形成，还可另选地作为由本领域中已知的任何其他合适的电子器件制备技术所形成的导电层。上述监控方法的优点因而不限于图1所示的具体器件架构，并可在其他种类的MEMS器件以及其他类型的微型机械器件中实现。
因此，应当理解，上述实施例是以举例的方式引用的，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括本领域的技术人员在阅读以上描述时会想到且在现有技术中未公开的上文所述各种特征的组合和子组合以及其变型和修改。
Claims (14)
1.一种用于监控扫描镜的方法，包括：
提供器件，所述器件包括镜和万向架以及在所述镜和所述万向架之间的可旋转铰链，并且在所述镜的表面上具有被配置为反射和扫描入射到所述镜上的光束的反射金属涂层；
测量穿过所述可旋转铰链并且包括所述镜的所述表面上的反射金属涂层的导电路径的电气特性，其中该金属涂层形成所述导电路径的一部分；以及
响应于检测到所述电气特性的变化来发起矫正措施。
2.根据权利要求1所述的方法，其中提供所述器件包括施加光刻处理以从衬底蚀刻所述镜、所述万向架以及所述可旋转铰链，以及沉积金属迹线，以便在所述衬底上形成包括所述镜的所述表面上的反射金属涂层的所述导电路径。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述器件包括微机电系统(MEMS)，并且其中所述衬底包括半导体晶片。
4.根据权利要求1所述的方法，其中测量所述电气特性包括测量所述导电路径的电气连续性，并且其中检测所述变化包括响应于所述可旋转铰链的故障来检测失去所述连续性。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中位于所述镜和所述万向架之间的所述可旋转铰链包括第一可旋转铰链，并且其中所述器件包括基座和位于所述万向架和所述基座之间的第二可旋转铰链，并且其中所述导电路径穿过所述第一可旋转铰链和所述第二可旋转铰链两者。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中提供所述器件包括朝向所述镜引导所述光束以便当所述镜在所述可旋转铰链上旋转时扫描从所述镜反射的所述光束，并且其中发起所述矫正措施包括中断所述光束。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中发起所述矫正措施包括发出对所述器件的故障的指示。
8.一种机械扫描镜器件，包括：
镜和万向架以及在所述镜和所述万向架之间的可旋转铰链；
穿过所述可旋转铰链的导电路径，并且在所述导电路径中包括在所述镜的表面上形成的反射金属涂层，所述反射金属涂层被配置为反射和扫描入射到所述镜上的光束，其中，该金属涂层形成所述导电路径的一部分；和
控制电路，所述控制电路被配置为测量所述导电路径的电气特性并且响应于检测到所述电气特性的变化来发起矫正措施。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述镜、所述万向架以及所述可旋转铰链从衬底蚀刻，并且其中所述导电路径包括沉积在所述衬底的表面上的金属迹线，所述金属迹线包括在所述镜的所述表面上的所述反射金属涂层。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述镜、所述万向架以及所述可旋转铰链组成微机电系统(MEMS)，并且其中所述衬底包括半导体晶片。
11.根据权利要求8所述的器件，其中由所述控制电路测量的所述电气特性包括所述导电路径的电气连续性，并且其中所检测到的变化包括响应于所述可旋转铰链的故障失去所述连续性。
12.根据权利要求8-11中任一项所述的器件，其中位于所述镜和所述万向架之间的所述可旋转铰链包括第一可旋转铰链，并且其中所述器件包括基座和位于所述万向架和所述基座之间的第二可旋转铰链，并且其中所述导电路径穿过所述第一可旋转铰链和所述第二可旋转铰链两者。
13.根据权利要求8-11中任一项所述的器件，并且包括光发射器，所述光发射器被配置为朝向所述镜引导所述光束以便当所述镜在所述可旋转铰链上旋转时扫描从所述镜反射的所述光束，并且其中所述矫正措施包括中断所述光束。
14.根据权利要求8-11中任一项所述的器件，其中所述矫正措施包括发出对所述器件的故障的指示。
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