CN105103031B - 具有旋转性增强的mems铰链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械设备(20、50、70、80、120)，其包括由刚性的弹性材料制成的窄长元件(26、54、66、90、122)。刚性框架(28、52、64、92)被配置为锚定所述元件的与框架附接的至少一个端部，并被配置为限定在梁和所述框架之间沿所述元件纵向延伸的间隙，使得所述元件在间隙内自由地移动。不同于刚性的弹性材料的固体填充材料(30、56、68、94、102、124)填充所述元件和所述框架之间的间隙的至少一部分，以允许元件在间隙内的第一运动模式，而抑制不同的第二运动模式。

Description

具有旋转性增强的MEMS铰链
技术领域
本发明整体涉及控制弹性结构诸如微电子机械系统(MEMS)中的弹性铰链的属性。
背景技术
在微电子机械系统(MEMS)中，可通过蚀刻硅衬底以形成窄长梁来制造旋转铰链。在MEMS的上下文中以及在本说明书和权利要求中，“窄长”元件具有小于梁的长度十分之一的横向尺寸(即横向于元件的纵向轴线测量的尺寸)。此类铰链特别用于扫描微镜中，诸如例如在美国专利7,952,781中所述的那些，该美国专利的公开内容以引用方式并入本文。本专利介绍了可结合在扫描设备中的光束扫描方法和制造方法。
又如，美国专利申请公布2012/0236379介绍了使用MEMS扫描的LADAR系统。扫描镜包括被图案化以包括镜区域、围绕镜区域的框架、和围绕框架的基部的衬底。一组致动器操作以使镜区域相对于框架围绕第一轴线旋转，并且第二组致动器使框架相对于基部围绕第二轴线旋转。
作为另外一个实例，美国专利申请公布2013/0207970介绍了通过适当地蚀刻半导体衬底以将微镜与支撑部开并将支撑部与其余衬底分开来制造微镜，该美国专利申请公布的公开内容以引用方式并入本文中。在蚀刻之后，微镜(适当的反射涂层被涂敷到微镜)能够相对于轴体上的支撑部在Y方向上旋转，而支撑部相对于另外的轴体上的衬底在X方向上旋转。(此类支撑部也被称为万向节，轴体是一种类型的铰链)。微镜和支撑部安装在悬于磁芯的相应气隙中的一对转子上。通过缠绕在所述芯上的线圈驱动的电流在气隙中生成磁场，该磁场与转子的磁化交互作用以使转子在气隙中旋转或以其它方式运动。
作为对上述被蚀刻硅铰链的种类的另选形式，Fujita等人在“Dual-Axis MEMSMirror for Large Deflection-Angle Using SU-8 Soft Torsion Beam”，Sensors andActuators A 121(2005)，第16-21页中介绍了由聚合物材料制成的铰链。这篇文章介绍了具有双万向节结构的MEMS检电镜，该双万向节结构具有由感光环氧树脂SU-8制成的软的扭转梁。该方法据说针对小的驱动功率而给出大的偏转角(超过±40°)。
发明内容
下文中介绍的本发明的实施例提供了弹性微型设备和制造此类设备的方法。
因此根据本发明的实施例提供了一种机械设备，其包括由刚性的弹性材料制成的窄长元件、和刚性框架，该刚性框架被配置为锚定元件的与框架附接的至少一个端部，并被配置为限定在梁和框架之间沿元件纵向地延伸的间隙，使得元件在间隙内自由地运动。不同于刚性的弹性材料的固体填充材料填充位于元件与框架之间的间隙的至少一部分，以允许元件在间隙内的第一运动模式，而抑制不同的第二运动模式。
在一些实施例中，窄长元件包括梁，该梁被构造为铰链，以便相对于框架围绕梁的纵向轴线旋转，而填充材料抑制梁的横向变形。在一个实施例中，梁包括比铰链宽的锚定件，其将铰链连接到框架。此外或另选地，设备包括镜，其中梁的第一端部附接到框架，而梁的第二端部附接到镜，使得镜相对于框架在铰链上旋转。
在另一个实施例中，设备包括传感器，该传感器被配置为感测框架和铰链之间的相对旋转。传感器可被配置为响应于该相对旋转来感测设备的加速度。另选地，设备包括能量获取组件，其被耦接以获取由框架和铰链之间的相对旋转生成的能量。
在另一个实施例中，窄长元件被构造为螺旋弹簧。
通常，框架和窄长元件包括半导体晶片的部分，其中在框架和窄长元件之间蚀刻间隙。
在一些实施例中，填充材料具有比窄长元件高至少50％的泊松比，和比窄长元件低至少50％的杨氏模量。通常，填充材料选自由聚合物和粘合剂组成的材料组。
在另选的实施例中，填充材料包括纳米管阵列。
根据本发明的实施例还提供了用于制造机械设备的方法。该方法包括由刚性的弹性材料形成窄长元件，该窄长元件具有附接到刚性框架的至少一个端部，在梁和框架之间具有沿该元件纵向延伸的间隙，使得元件在间隙内自由地运动。用不同于刚性的弹性材料的固体填充材料来填充间隙的至少一部分，以便允许元件在间隙内的第一运动模式，而抑制不同的第二运动模式。
在所公开的实施例中，刚性的弹性材料包括半导体晶片，并且形成窄长元件包括蚀刻半导体晶片以限定框架和窄长元件两者，在框架和窄长元件之间具有该间隙。在一个实施例中，填充间隙的至少一部分包括：在蚀刻间隙之后，用填充材料涂覆晶片使得填充材料填充间隙，然后移除间隙外多余的填充材料。
结合附图由下文中对本发明的实施例的详细描述将更完全地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1是根据本发明的实施例的MEMS扫描镜组件的示意性图解；
图2是根据本发明的实施例的弹性铰链的示意性细部图；
图3A是根据本发明的实施例的弹性铰链在扭转偏转下的示意性图解；
图3B是根据本发明的实施例的图3A所示的弹性铰链的示意性细部图，示出了由于铰链的扭转偏转而导致的铰链中填充材料的变形；
图4是根据本发明的实施例的弹性铰链的示意性细部图，示出了由于平面内偏转而导致的铰链中填充材料的变形；
图5是根据本发明的实施例的弹性铰链的示意性细部图，示出了由于平面外偏转所导致的铰链中填充材料的变形；
图6A-6F是根据本发明的实施例的在制造由填充材料强化的弹性铰链的过程的连续阶段的穿过半导体晶片的示意性剖面图；
图7是根据本发明的实施例的惯性传感器的示意性侧视图；
图8是根据本发明的另一实施例的能量获取设备的示意性侧视图；
图9A是根据本发明的另外一个实施例的陀螺仪传感器的示意性图解；
图9B是根据本发明的实施例的图9A所示的传感器中弹性铰链的示意性细部图；
图10是根据本发明的另选的实施例的弹性铰链组件的示意性细部图；
图11A是根据本发明的另一实施例的弹性铰链组件的示意性图解；
图11B是根据本发明的实施例的图11A所示的组件在偏转下的示意性图解；和
图12是根据本发明的实施例的共振径向弹簧的示意性俯视图。
具体实施方式
概述
由于其高弹性(杨氏模量)，所以结晶硅可在MEMS设备中使用来制造优良的铰链和其他种类的弹簧。此类铰链被良好地适配，例如，以支撑扫描镜，如上所述。硅铰链的扭转属性确定扫描镜围绕铰链轴线的旋转的共振频率和运动范围。
在一些应用中，希望减小铰链的扭转刚度(其通常以扭转弹簧常数Kφ来表述)，以便增大运动范围和/或减小驱动该运动所需要的力和共振频率。刚度可通过减小铰链的横向尺寸(厚度)和/或增大铰链的长度来减小。然而，这些相同的尺寸变化也将降低铰链对偏转的抵抗性(以横向弹簧常数KX和KY来表述，其作为长度的立方反比和厚度的立方来衡量)。因此，铰链将更容易由于例如震动或振动而断裂。
下文中所述的本发明的实施例提供了在期望的运动模式中具有增强的顺从性(即降低的刚度)、而对其他不期望的运动模式保持强的抵抗性的混合铰链和其他弹性结构。在所公开的实施例中，这些原理应用于制造以降低的扭转刚度和对横向偏转的稳健性两者为特征的铰链中。因此，此类铰链与现有技术中已知的具有可比较的横向刚度的铰链相比具有增大的运动角范围并且需要更少的旋转力。另选地，本发明的原理可类似地应用于制造对拉伸或期望的弯曲模式具有降低的抵抗性的弹簧中。
在下文中所述的实施例中，混合铰链包括窄长梁，其由高弹性的相对刚性的材料制成并且被包含在刚性框架内，该刚性框架可与梁的材料相同或类似。铰链的端部锚定到框架，但铰链与框架之间的一个或多个纵向间隙使铰链能够相对于框架围绕纵向轴线旋转。用固体填充材料来填充这些间隙，这允许铰链自由地旋转，通常使扭转弹簧常数Kφ相对于“裸露的”铰链增大不超过约10-20％，而同时大幅地(可能十倍或更多)增大对横向变形的抵抗性(由弹簧常数KX和KY来表述)。
围绕铰链使用填充材料提供了增加的设计灵活性，因为其允许独立于横向刚度来选择弹簧常数。在共振系统(诸如共振扫描镜)中，弹簧参数因此可被选择以提供期望的共振频率和Q因数，而不牺牲机械稳健性。
在一些实施例中，铰链和框架之间的间隙被填充有固体材料，该固体材料具有比铰链和框架高至少50％的泊松比、且可能高不止100％的泊松比。同时，该软的材料的杨氏模量比铰链和框架的杨氏模量低至少50％，并且有利地可小于铰链和框架的杨氏模量的10％。例如，在典型实施例中，铰链和框架从结晶半导体材料诸如硅(杨氏模量为150GPa，泊松比为0.17)蚀刻，而软的填充材料包括聚合物，诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、SU-8光刻胶、RTV硅树脂、或其他弹性体或环氧树脂(杨氏模量<5GPa，泊松比>0.45并且可能为≥0.49)。另选地，铰链和框架可由任何其他适合的弹性材料制成，其他适合的弹性材料包括金属诸如钢或钛，而间隙可被填充有满足以上标准的任何适合的软材料或多孔材料。
在另选的实施例中，可使用其它类型的具有类似效应的填充材料。此类材料并非必须是在上面限定的意义中是“软的”。例如，高弹性碳纳米管可跨间隙放置以提供转动顺从性和横向刚度的期望效应。
MEMS铰链
图1是根据本发明的实施例的MEMS扫描镜组件20的示意图。虽然该图为了简化的目的示出了具有单个扫描轴线的镜，但该实施例的原理可类似地被应用于多轴线万向镜，诸如上面提到的美国专利申请公布2013/0207970中所述的那些。扫描轴线在图中为了便利而被标识为Z轴，并且关于Z轴的旋转角度被标识为φ。
组件20包括由硅晶片形成的基部22，该硅晶片被蚀刻以限定微镜24。(为了简化，微镜的反射涂层被省略)。通过包括从硅衬底蚀刻的细长梁的一对铰链26将微镜连接到基部。这些梁在其内部端部处连接到微镜，并且在其外部端部处连接到基部。微镜24的翼部28在两侧邻接铰链26，从而限定框架，在框架和铰链之间有间隙。
如前面所解释的，在一些应用中，期望减小铰链26的横向(X和Y)厚度，以便允许铰链以大的角度范围和低的抗扭性围绕其纵向(Z)轴线旋转，抗扭性通过弹簧常数Kφ来表述。例如，铰链可被制成为1μm-300μm厚和1μm-10000μm长。然而，铰链越细，其对横向变形的抵抗性(通过KX和KY来表述)就将越低。因此，甚至X方向或Y方向上弱的力也可能导致铰链26弯曲，并最终断裂。
图2是根据本发明的实施例的铰链26的示意性细部图。如该图中所示，为了缓解铰链对横向变形的抵抗性低的问题，每个铰链26和邻接翼部28之间的间隙被填充有适当的软的填充材料30。(另选地，如前面所述并且如图10中所示，其他类型的填充材料，不是必须是“软的”，可被配置用于该目的)。在该实施例中，填充材料可包括例如具有高泊松比和低杨氏模量的合适的粘合剂或其他聚合物、或者多孔(泡沫)材料，如上所述。填充材料30可在制造过程期间以晶片级被应用(如图6中所示)，或者其可在制造之后以液态形式分配到间隙中。在后一种情况下，如果填充材料包括粘合剂，诸如SU-8环氧树脂，则其也可用于将磁性转子附接到翼部28，类似于在上面提到的美国专利申请公布2013/0207970中所述的转子。
填充材料30不需要完全填充铰链26和翼部28之间的间隙。例如，为了将铰链保持在适当的位置而不弯曲，只填充间隙的在翼部28的端部附近的部分可能就足够了。
填充材料30充当间隙内的一种承载，因为其阻止或至少显著减小铰链26在X方向和Y方向上的变形，同时仅最小限度地增大扭转(φ)刚度。因此，横向(X和Y)方向上的外部力大部分被填充材料30吸收，并且在铰链26中只引起最小限度的弯曲应力。铰链因此可只针对扭转应力来设计，具有围绕纵向(Z)轴线的大的旋转范围。填充材料30阻抑震动和振动，从而增强组件20的稳健性和耐久性。
图3A和3B分别示出了铰链26上和填充材料30上扭转偏转(围绕Z轴线的旋转)的效应。图3A示出了在框架22影响铰链26时翼部28相对于框架22的旋转运动，而图3B示出了所导致的填充材料30的变形。铰链26的旋转拉伸材料30，尤其是在其与铰链交接部附近，但材料30对这种拉伸只提供最小限度的抵抗性，其不压缩或以其他方式改变材料的体积。
图4示出了填充材料30对铰链26在镜24的平面中的偏转(即在X-Z平面中的偏转)的响应。材料30的高泊松比导致铰链响应于横向(X方向)力的变形和对铰链弯曲的抵抗性。在典型的操作条件下，在铰链厚度为1μm-300μm且填充材料具有泊松比为4.9的情况下，填充材料将铰链在X方向的刚度(对横向力的抵抗性)相对于单独铰链的刚度增大不止1500％。
图5示出了填充材料30对铰链26由于Y方向力而在镜24的平面外的偏转(在Y-Z平面中的偏转)的响应。Y方向的运动导致填充材料的主体变形，这因此抵抗铰链的弯曲。在前一段中所提到的条件下，铰链在Y方向上的刚度被增大约1000％。
制造过程
图6A-6F是根据本发明的实施例的在制造由聚合物填充材料强化的硅铰链的过程期间穿过晶片的示意性剖面图。在该实例中，铰链在绝缘体上硅(SOI)晶片中制成，其中结晶硅层32覆盖绝缘衬底34(图6A)，但可另选地使用其他类型的衬底，如MEMS领域中已知的。
为了开始该过程(图6B)，在硅层32中通过深反应离子蚀刻(DRIE)或另一适当的工艺打开围绕铰链的间隙36。层32然后被覆盖有聚合物或多孔的填充材料38(图6C)，聚合物或多孔的填充材料38填充间隙36。填充材料可包括例如PDMS，其通过旋涂来涂敷。填充材料38然后被向下蚀刻(图6D)，从而移除多余的填充材料并暴露层32，而留下间隙36中的填充材料40。
为了形成MEMS结构，光刻法蚀刻工艺被应用于层32(图6E)，从而生成位于镜24、基部22和其他运动元件(包括镜铰链)之间的间隔42。为了允许镜在大范围内自由地运动，衬底34可任选地从镜和铰链的背面脱落掉(图6F)。晶片然后被切块，并且完成扫描器的组装，如例如在上文背景技术部分中所引用的文档中所描述。
另选的实施例
虽然上述实施例具体涉及扫描镜，但本发明的原理可类似地应用在其他类型的设备中，尤其是(但并非排他地)MEMS设备。在下面的附图中示出了一些实例。
图7是根据本发明的实施例的惯性传感器50的示意性侧视图。传感器50可尤其用作加速度计或碰撞传感器。在这种情况下，框架是安装在扭转弹簧54上的检测质量件52，使该质量件响应于加速度而旋转校准后的量。质量件52的旋转能够例如由电容式传感器58或通过利用LED发射器60和一个或多个光电二极管62的光学感测来检测。(为了完整性，这两种类型的传感器在附图中都被示出。)另选地，其他种类的传感器诸如电磁传感器或压电传感器可被用于该目的。
为了使惯性传感器50能够围绕扭转弹簧54的旋转轴线以高灵敏度来操作而不会由于其他方向上的震动而损坏，针对扭转柔度，扭转弹簧被制成为是细长的，并且扭转弹簧与检测质量件52之间的间隙被填充有软的填充材料56。如在上述实施例中那样，可使用任何合适的具有高泊松比和低杨氏模量的材料，诸如粘合剂和其他聚合物、以及泡沫和其他多孔材料。
图8是根据本发明的另一实施例的能量获取设备70的示意性侧视图。在该实施例中，框架是运动臂64，其被安装为围绕扭转弹簧66旋转。臂64的运动通过沿线圈74的轴线平移永磁体72来致动能量获取组件。该平移在线圈中生成电流，该电流可被用于对电池76充电或者驱动低功率电设备。运动臂64响应于外部惯性力诸如能量获取设备70安装在上面的用户的手臂或腿部的运动而旋转。为了相对于所施加的惯性力来使运动臂64的运动范围最大化，扭转弹簧66被制成为是细长的。扭转弹簧与运动臂之间的间隙被填充有合适的软材料68，如在前面的实施例中那样，以便增强设备针对震动和其他横向力的稳健性。
图9A是根据本发明的另一实施例的陀螺仪传感器80的示意性图解。两个质量件82通过悬梁86悬在基部84上，并且通过合适的驱动诸如平行板、梳状驱动、压电驱动或电磁驱动而来在平面内方向上(在X-Y平面中)被协调地致动。在图示的实施例中，电极88由电流以适当频率驱动以致动质量件82。当传感器80围绕Y轴旋转时，基部84将协调地关于扭转铰链90倾斜，其中倾斜幅值(Ωy)与旋转速率成比例。倾斜可以利用电容的、光学的、电磁的、或任何其他合适的检测装置来测量，如上面参考图7所述。
图9B是根据本发明的实施例的传感器80中的铰链90和周围框架92的示意性细部图。铰链90和框架92之间的间隙被填充有合适的填充材料94，以阻抑横向力，如上文所述。
图10是根据本发明的另选的实施例的弹性铰链组件100的示意性细部图。在该实施例中，在铰链26和框架28之间的间隙上形成碳纳米管102阵列。纳米管102在上文定义的意义上不是“软的”，因为此类纳米管通常具有比硅铰链和框架的杨氏模量高的杨氏模量。然而，铰链组件100中的纳米管102被配置以提供旋转顺从性和横向刚度的期望效应。纳米管固有地非常稳定，并因此相对用于本目的聚合物材料具有某些优点。
图11A和11B示意性地示出根据本发明的实施例的另选的设计的铰链组件110，其中弹性铰链26包括将铰链连接到基部22的宽的锚定件112。锚定件112的加宽的平面内横向尺寸与间隙中的填充材料30一起具体地在降低在铰链26中由于平面内或平面外震动而可能出现的剪切应力方面是有用的。锚定件112的特征具体在图11B中示出，其示出了铰链组件110中扭转变形和偏转两者的效应。
图12是根据本发明的实施例的共振径向弹簧组件120的示意性俯视图。由MEMS工艺制造的组件120基于具有螺旋弯曲弹簧122形式的元件，并且在平面内方向上具有弱的刚度。聚合物124以上述方式被施加到弹簧中的间隙，以阻止平面内运动，而不显著地增大旋转刚度。换句话讲，聚合物124允许弹簧122弯曲，但增大组件120相抵抗斜向压缩的刚度。本实施例阐明本发明的原理适用于各种类型的弹簧，而不仅仅是前面附图中所示种类的铰链。
虽然上述具体实施实例涉及MEMS设备，但本发明的原理可类似地应用于由其他技术和以其他尺寸生成的铰链，不仅仅应用于微型系统，而是还应用于中等尺寸和大尺寸的设备。应当理解，上述实施例是以举例的方式引用的，以及本发明不限于上文中已经具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征、以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型和修改的组合和子组合。

Claims (18)

1.一种机械设备，包括：
由给定长度与横向尺寸的刚性的弹性材料制成的窄长元件；
刚性框架，所述刚性框架被配置为锚定所述元件的与所述框架附接的至少一个端部，并被配置为限定在所述元件和所述框架之间沿所述元件纵向延伸的间隙，使得所述元件被构造为铰链以便相对于所述框架围绕所述元件的纵向轴线旋转并且在所述间隙内自由地移动，初始扭转弹簧常数Kφ由所述元件的长度和横向尺寸确定；和
比所述刚性的弹性材料柔软的固体填充材料，所述固体填充材料填充位于所述元件和所述框架之间的所述间隙的至少一部分，以便允许所述元件围绕所述纵向轴线在所述间隙内的旋转运动模式，而抑制所述元件的横向变形，其中所述固体填充材料被应用以使扭转弹簧常数相对于所述初始扭转弹簧常数Kφ增大不超过20％。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述窄长元件包括梁。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述梁包括比所述铰链宽的锚定件，所述锚定件将所述铰链连接到所述框架。
4.根据权利要求2所述的设备，并且包括镜，其中所述梁的第一端部附接到所述框架，而所述梁的第二端部附接到所述镜，使得所述镜相对于所述框架在所述铰链上旋转。
5.根据权利要求2所述的设备，并且包括传感器，所述传感器被配置为感测所述框架和所述铰链之间的相对旋转。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述传感器被配置为响应于所述相对旋转来感测所述设备的加速度。
7.根据权利要求2所述的设备，并且包括能量获取组件，所述能量获取组件被耦接以获取由所述框架和所述铰链之间的相对旋转生成的能量。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述窄长元件被构造为螺旋弹簧。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述框架和所述窄长元件包括半导体晶片的部分，其中在所述框架和所述窄长元件之间蚀刻所述间隙。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述填充材料具有比所述窄长元件高至少50％的泊松比，以及比所述窄长元件低至少50％的杨氏模量。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述填充材料选自由聚合物和粘合剂组成的材料组。
12.一种用于制造机械设备的方法，所述方法包括：
由给定长度与横向尺寸的刚性的弹性材料形成窄长元件，所述窄长元件具有附接到刚性框架的至少一个端部，在所述元件和所述框架之间具有沿所述元件纵向延伸的间隙，使得所述元件被构造为铰链以便相对于所述框架围绕所述元件的纵向轴线旋转并且在所述间隙内自由地移动，初始扭转弹簧常数Kφ由所述元件的长度和横向尺寸确定；和
用比所述刚性的弹性材料柔软的固体填充材料来填充所述间隙的至少一部分，以便允许所述元件围绕所述纵向轴线在所述间隙内的旋转运动模式，而抑制所述元件的横向变形，其中所述固体填充材料被应用以使扭转弹簧常数相对于所述初始扭转弹簧常数Kφ增大不超过20％。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述窄长元件包括梁。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述梁的第一端部附接到所述框架，并且其中所述方法包括将镜附接到所述梁的第二端部，使得所述镜相对于所述框架在所述铰链上旋转。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述填充材料具有比所述窄长元件高至少50％的泊松比，以及比所述窄长元件低至少50％的杨氏模量。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述填充材料选自由聚合物和粘合剂组成的材料组。
17.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述刚性的弹性材料包括半导体晶片，并且其中形成所述窄长元件包括蚀刻所述半导体晶片以限定所述框架和所述窄长元件两者，在所述框架和所述窄长元件之间具有所述间隙。
18.根据权利要求17所述的方法，其中填充所述间隙的至少一部分包括在蚀刻所述间隙之后用所述填充材料涂覆所述晶片，使得所述填充材料填充所述间隙，然后移除所述间隙之外的多余的所述填充材料。
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