CN105405961B - 用于压电驱动共振微镜的压电式位置传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种装置，所述装置包括微镜、包含或支持所述微镜的励磁结构以及至少一个压电式传感器。所述的励磁结构包括至少一个压电式执行机构，所述励磁结构的配置可以对所述微镜进行共振励磁，从而使所述微镜发生偏转。至少要配置一个压电式传感器以提供取决于所述微镜偏转的传感器信号，所述压电式传感器连接至所述的励磁结构，从而在所述微镜的共振励磁过程中所述的传感器信号和所述微镜的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系。
Description
技术领域
本发明实施例关于一种对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置和方法。进一步实施例关于一种所述装置的生产方法。部分实施例关于用于压电驱动共振微镜的压电式位置传感器。
背景技术
探测共振驱动或移动MEMS装置(MEMS表示微机电系统)，例如共振驱动微镜的位置的可能性有限。基本上讲，可以探测驱动微镜的执行机构的运动或直接探测微镜的运动。微镜位置测量最常用的传感器原理基于压阻式或金属应变测量条(应变计)或电容或光学方法。
压阻式应变测量条、金属应变测量条和电容测量原理经常只能探测到所述执行机构的位置，而探测不到所述微镜的实际位置，而光学方法可以测量微镜的实际位置。但是，上述测量方法均有不足，具体如下。
集成压阻式传感器需要特定的生产材料，例如掺杂多晶硅，才能在设备内机械张力的作用力下产生电阻变化。这就限制了这一方案的可执行性[C.Zhang、G.Zhang和Z.You，“A two-dimensional micro scanner integrated with a piezoelectric actuator andpiezoresistors,”Sensors,第9期，第1卷，第631-644页，2009年]。此外，半导体材料制成的压电电阻器对入射光线和温度变化也较为敏感，这一特点大大限制了这类传感器在微型装置中的应用。
金属应变测量条利用众多金属都有压缩电阻的性能这一特点，例如在发生形变时相应的电阻也发生变化。金属应变测量结构的执行简易度大大高于半导体材料制成的压电电阻器，但是敏感度却差很多。因此，使用金属应变测量结构需要执行机构和微镜之间的执行机构或弹簧结构具有足够大的应变[M.Cueff、E.Defay、G.Le Rhun、P.Rey、F.Perruchot、A.Suhm和M.Aid，“Integrated metallic gauge in a piezoelectric cantilever,”Sens.Actuators Phys.，第172期，第1卷，第148-153页，2011年12月]。
最终，电阻变化量明确取决于MEMS设备的设计。但是，很多MEMS设计缺乏适当的结构，一方面要有较大的形变量，另一方面可以要提供足够的空间用于应变测量条[U.Baran,D.Brown,S.Holmstrom,D.Balma,W.〇.Davis,P.Muralt,and H.Urey,“Resonant PZT MEMSScanner for High-Resolution Displays,”J.Microelectromechanical Syst.，第21期，第6卷，第1303-1310页，2012年12月]。因此，在此类MEMS设备中，使用应变测量条同时会伴有敏感度低和分辨率低等问题。
静电驱动使用具有不同电压水平且相互吸引的区域作为执行机构。相反，这些电极区也可以用作电容式传感器组件，所述电容式传感器组件的传感器信号接着会提供关于所述电极距离的信息，最终提供关于微镜位置的说明[H.G.Xu、T.Ono和M.Esashi，“Precisemotion control of a nanopositioning PZT microstage using integratedcapacitive displacement sensors,”J.Micromechanics Microengineering，第16期，第12卷，第2747页，2006年12月]、[T_von Wantoch、C.Mallas、U.Hofmann、J.Janes、B.Wagner和W.Benecke，“Analysis of capacitive sensing for 2D-MEMS scanner laserprojection,”in Proc.SPIE 8977，MOEMS and Miniaturized Systems XIII，2014年，第897707页]。这种情况下，可以直接探测所述执行机构的位置或所述微镜的位置。
但是，不利因素在于信号强度相对较低且串扰会产生信号干扰。尤其是电极面积相对较大而且距离较小，会大大增加快速移动的微镜的空气动力摩擦，通常会大大降低共振微镜的最大偏转。
光学测量可以直接探测镜板的运动。但是，需要有外部光源、光束处理和探测器(激光二极管)，这将牺牲设备的紧凑性[S.Richter、M.Stutz、A.Gratzke、Y.Schleitzer、G.Krampert、F.Hoeller、U.Wolf、L.Riedel和D.Doering，“Position sensing andtracking with quasistatic MEMS mirrors,”2013年，第86160D页]，最终会造成结构复杂昂贵。
此外，微镜及其生产方法是已知的[S.Gu-Stoppel、J.Janes、H.J.Quenzer、U.Hofmann和W.Benecke,“Two-dimensional scanning using two single-axis lowvoltage PZT resonant micromirrors”，Proc.SPIE 8977，MOEMS and MiniaturizedSystems XIII,897706(2014年3月7日)]。
发明内容
根据实施例，装置(100)可以包括：微镜(102)；励磁结构(104)，所述励磁结构(104)包含或支持所述微镜(102)以及包括至少一个压电式传感器(106_1：106_n)，所述励磁结构(104)的配置可以对所述微镜(102)进行共振励磁，从而使所述微镜(102)发生偏转；以及至少一个压电式传感器(108_1：108_m),提供取决于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)，所述压电式传感器(108_1：108_m)以机械方式连接至所述励磁结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振励磁过程中所述的传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系；所述励磁结构(104)包括支持所述微镜(102)并与至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)相连接的弹簧结构(130)；所述励磁结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1、106_2)和设置在所述两个压电式执行机构(106_1、106_2)之间的所述弹簧结构(130)；所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述弹簧结构(130)，从而使之随所述弹簧结构(130)移动；以及所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)延伸并至少部分跨过所述弹簧结构(130)。
根据其他实施例，生产如权利要求1所述的装置的方法(200)可以包括下述步骤：提供半导体基板(204)；将绝缘层施加至半导体基板上(206)；将压电层施加至绝缘层上(208)；以及对所述压电层、所述绝缘层和所述半导体基板进行图形化(210)，从而得到所述微镜(102)和所述励磁结构(104)，所述励磁结构(104)支持所述微镜(102)而且包括至少一个所述的压电式执行机构(106_1：106_n)，以对所述微镜(102)进行共振励磁，从而使所述微镜(102)发生偏转，所述励磁机构(104)包括支持所述微镜(102)并连接至所述至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)的弹簧结构(130)，所述励磁结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1、106_2)和设置在所述两个压电式执行机构(106_1、106_2)之间的所述弹簧结构(130)；因而得到至少一个压电式传感器(108_1：108_m)，提供取决于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)，所述压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述励磁结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振励磁过程中所述传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接所述弹簧结构(130)从而使之随所述弹簧结构(130)移动，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)延伸并至少部分跨过所述弹簧结构(130)。
根据另一实施例，方法(300)可以包括下述步骤：利用励磁机构(104)对微镜(102)进行共振励磁(302)，从而使所述微镜(102)发生偏转，所述励磁结构(104)支持所述微镜(102)并包括至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)，所述励磁结构(104)包括支持所述微镜(102)并与至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)相连接的弹簧结构(130)，所述励磁结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1、106_2)和设置在所述两个压电式执行机构(106_1、106_2)之间的所述弹簧结构(130)；以及通过压电式传感器(108_1：108_m)提供取决于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)(304)，所述压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述励磁结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振励磁过程中所述的传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接所述弹簧结构(130)从而使之随所述弹簧结构(130)移动，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)延伸并至少部分跨过所述弹簧结构(130)。
另一实施例可以包括执行如权利要求13所述方法的计算机程序，其中所述的计算机程序在计算机或微处理器上执行。
本发明实施例提供一种装置，所述装置包括微镜、包含或支持所述微镜的励磁结构以及至少一个压电式传感器。所述的励磁结构包括至少一个压电式执行机构，所述励磁结构的配置可以对所述微镜进行共振励磁，从而使所述微镜发生偏转。至少要配置所述至少一个压电式传感器以提供取决于所述微镜偏转的传感器信号，所述至少一个压电式传感器连接至所述的励磁结构，从而在所述微镜的共振励磁过程中所述传感器信号和所述微镜的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系。
在实施例中，至少可以将所述至少一个压电式传感器连接至所述励磁结构，从而在所述微镜的共振励磁过程中所述传感器信号和所述微镜的偏转之间可以形成一种相对于固定振型(mode shape)(如第一纵向振型)固定的相互间相位关系。
本发明基于当所述微镜共振励磁时所述微镜偏转和所述压电式传感器的传感器信号(或振荡)之间会出现固定的相互间相位关系的发现，即当所述励磁结构和所述微镜形成一种固定的机械振型时，所述的压电式传感器连接至所述的励磁机构，从而使所述的压电式传感器可以随所述励磁结构移动。
实施例允许执行一种用于压电式共振微镜的可以以单片形式生产的位置传感器，所述传感器的所述传感器信号适合用于在闭合回路控制中执行控制。为此，由于涉及更多的生产步骤，传统的压阻式和电容式测量方法并没有太大的优势，其中电容式测量方法敏感度相对较低，电容式和压阻式测量方法都容易失效。基于金属应变测量条的传统测量方法需要足够大的面积和适当的设计，而基于光学处理的传统测量方法需要相对昂贵的设计，其中有很多部件需要调节。
本发明中的进一步实施例提供一种方法，包括：
通过励磁结构对微镜进行共振励磁，使所述微镜发生偏转，所述励磁结构支持所述微镜并包括至少一个压电式执行机构；以及
通过压电式传感器提供取决于所述微镜偏转的传感器信号，所述压电式传感器连接至所述的励磁结构，从而在所述微镜的共振励磁过程中所述的传感器信号和所述微镜的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系。
本发明的进一步实施例提供一种生产用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置的方法，所述方法包括：
-提供半导体基板；
-将绝缘层施加至半导体基板上；
-将压电层施加至绝缘层上；以及
对所述压电层、所述绝缘层和所述半导体基板进行图形化，从而得到所述微镜和所述励磁结构，所述励磁结构支持所述微镜而且包括所述至少一个压电式执行机构，以对所述微镜进行共振励磁，从而使所述微镜发生偏转，以及因而得到至少一个压电式传感器，提供取决于所述微镜偏转的传感器信号，所述压电式传感器连接至所述励磁结构，从而在所述微镜的共振励磁过程中所述的传感器信号和所述微镜的偏转之间可以形成固定的相互间的相位关系。
附图说明
随后将参考附图对本发明中的实施例进行详细说明，其中：
图1示出按照本发明实施例用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置的横截面图；
图2示出按照本发明实施例用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置的原理图，所述装置包括两个压电式执行机构，其中一个压电式执行机构用作压电式传感器；
图3示出按照本发明实施例用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置的俯视图，所述装置包括两个压电式执行机构和至少一个压电式传感器；
图4示出按照本发明实施例生产图1所示装置的方法；
图5a-d示出按照图4中所示的生产方法中的不同步骤用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的装置的横截面图；以及
图6示出按照本发明实施例用于对微镜进行共振励磁和提供取决于所述微镜偏转的传感器信号的方法的流程图。
具体实施方式
在本发明实施例的下述说明中，相同或具有相同功能的元件将采用相同的数字参考编号，因而在不同的实施例中，元件的说明可以互换。
图1示出一种对微镜102进行共振励磁和提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号122的装置100。所述装置100包括励磁结构104，所述励磁结构104包含或支持所述微镜102以及包括至少一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝1)，所述励磁结构104的配置可以对所述微镜102进行共振励磁，从而使所述微镜102发生偏转(或振荡或振动)。此外，装置100包括至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1),提供传感器信号122，所述压电式传感器108_1到108_m(m＝1)连接至所述励磁结构104，从而在所述微镜102的共振励磁过程中所述传感器信号和所述微镜102的偏转(或振荡或振动)之间形成固定的相互间的相位关系。
在实施例中，所述至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1)可以连接至所述励磁结构102，从而使所述至少一个压电式传感器108_1到108_m随所述的励磁结构104移动。换言之，所述至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1)可以连接至所述励磁结构104，从而使所述至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1)与所述励磁结构104在所述至少一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝1)的作用下产生的运动、形变或弯曲相关联。
例如，图1所示的所述装置100包括压电式执行机构106_1到106_n(n＝1)和压电式传感器108_1到108_m(m＝1)。但是，本发明不限于这些实施例。在实施例中，所述装置100可以包括n个压电式执行机构106_1到106_n，n为大于1的自然数，n≥1。此外，所述装置100可以包括m个压电式传感器108_1到108_m，m为大于1的自然数，m≥1。
如图1所示，所述微镜102可以沿扭转轴(或偏转轴)110偏转或可以沿扭转轴110振荡。在这种情况下，所述励磁结构104可以与微镜102的所述扭转轴110轴向对称。
如前所述，所述励磁结构104可以配置为对所述微镜102进行共振励磁。例如，所述励磁结构104可以配置为用于这一用途的谐振器。此外，例如在所述微镜102的共振励磁过程中，所述励磁结构104可以配置为形成一个固定的机械振型，即具有完整或全面正弦振动的振型。
例如在所述励磁结构104的末端112和114可以固定夹紧在夹具中，例如框架，例如硅框架。
此外，所述励磁结构104可以包括不同弹性水平的区域或具有不同弹性模量的区域105和107。所述至少一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝2)可以设置在所述励磁结构的第一个弹性区105内，而励磁结构104在第二弹性区107内支持所述微镜102，所述第二弹性区107的弹性高于第一弹性区105。所述至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1)可以至少有部分设置在所述励磁结构104的第二弹性区107内。例如，可以通过弹簧结构(例如，见图2和3)形成所述第二弹性区107，即具有较高弹性的所述励磁结构104区。
在实施例中，装置(100)可以进一步包括一种为提供控制信号118以控制所述至少一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝1)而配置的控制机构116，因而所述励磁结构104形成一个固定的机械振型，即所述第二纵向振型。
此外，所述的装置100可以包括一种为评估所述传感器信号122并根据所述微镜102偏转(或振荡)与所述传感器信号122之间的固定相位关系决定所述微镜102当前偏转而配置的评估机构120。所述评估机构120可以进一步配置为评估所述传感器信号122和根据所述传感器信号122的幅度决定所述微镜102偏转的幅度。
图2示出一种对微镜102进行共振励磁和提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号122的装置100的示意图。所述励磁结构104可以包括支持所述微镜102并与至少一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝2)相连接的弹簧结构130。
在实施例中，所述励磁结构104可以包括两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)，可以在所述的两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)之间设置所述的弹簧结构130(对称)，如图2所示。
所述两个压电式执行机构106_1到106_n(n＝2)可以设置在所述励磁结构104的第一个弹性区105内，而弹簧结构形成励磁结构104在第二弹性区107，所述第二弹性区107的弹性高于第一弹性区105。
如图2所示，其中一个压电式执行机构106_1到106_n(n＝2)可以用作至少一个压电式传感器108_1到108_m(m＝1)。
换言之，所述的两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)中的第一压电式执行机构106_1可以配置为对所述微镜102进行共振励磁，从而使所述微镜102发生偏转。为此，控制信号118例如控制电压Ut可以施加到所述第一压电式执行机构106_1，从而使所述的第一压电式执行机构106_1对所述微镜102进行共振励磁，进而使所述微镜102发生偏转。这种情况下，不会有控制信号施加到所述的第二压电式执行机构106_2，但是可以触发传感器信号122，例如传感器电压Us，可以通过所述的评估机构120对电压进行评估，从而根据所述控制信号122例如所述传感器电压Us和所述微镜102偏转之间的固定相位关系(或相位或相移)决定所述微镜102的当前偏转。
换言之，图2示出采用针对1D共振微镜102(Ut：驱动电压，Us：传感器信号)的所述直接压电式测量法的示意图。
所述直接压电效应是压电材料的特性，可以将机械能转换为电能。这表示可以通过压电式传感器108_1到108_m探测所述微镜102的运动。
间接压电效应用于驱动所述1D共振微镜(见图2)。所述驱动电压Ut施加到其中一个所述压电式执行机构106_1时，所述直接压电效应产生的所述电压Us由用作所述传感器108_1的其他执行机构106_2提供，并通过所述评估机构120探测并测量。
所述微镜102可以由两个执行机构106_1中的一个或两个执行机构106_1和106_2的周期励磁驱动，接着可以对所述微镜102进行励磁，从而使相互相移达到180°。两个执行机构106_1和106_n(n＝2)相同，而且沿所述微镜102的所述扭转轴110对称设置，两个执行机构之间通过适当的弹簧结构130相连接。执行机构106_1到106_n(n＝2)可以额外配备压电式传感器结构108_1到108_m(参考图3)或独立作为传感器。传感器和执行机构之间的电串扰可以通过完全隔离电流来解决(哪怕是普通量级电极)。
在最简单的情况下，所述微镜102可以单方面励磁，所述相对的执行机构106_2则将作为纯压电式传感器元件。
在这种情况下，所述微镜102最初由所述第一执行机构106_1通过中间的弹簧结构130进行周期性励磁，并发生偏转，因此所述微镜扭转将反相移动传递至所述第二执行机构106_2。因此，所述第二执行机构106_2中产生的压电电压将反映所述微镜102的机械偏转。
在指定的共振频率条件下，所述微镜偏转可以达到指定的幅度。由于执行机构、微镜板和传感器之间的机械耦合，所述周期信号或偏转不仅出现相同的频率；而且信号幅度和所述微镜102的调节直接成比例。
但是，所述传感器的固定频率和自身的比例性并不充分；此外，必须了解所述周期传感器信号122和所述微镜102的周期倾斜之间的相对相间关系，以探测所述微镜102的准确位置。
在这一阶段重要的尤其是不同系统组件之间发生相移，例如当所述励磁频率在实际共振频率范围内切换的过程中触发外力时，谐波机械振荡器内组件发生相移。这样会产生180°的相移，这一相移也可以出现在小幅度频率变化内的共振附近(取决于衰减)。由于始终有很多热效应会随MEMS谐振器尤其是微镜出现，所述热效应会最终导致共振频率产生偏移，此外，相对较小的衰减损失会在采用微观技术生产的谐振器中出现，大幅度相移很容易出现在所述励磁信号和所述振荡器的当前位置之间。
与外部驱动的经典振荡器不同，此时所述传感器元件表示所述谐振器中的不可缺少的部件，并构成固定式机械谐振振型(驻波)。在各中振型中，所述谐振器的独立部件之间的相对相位保持不变，即使所述励磁频率相对于所述共振频率发生变化。但是，根据正在励磁的振型，独立元件之间的所述相位可能发生变化，代表对应振型的特征。
但是，在操作所述微镜102方面，所述第二振型或第二纵向振型具有特别优势，就像正弦波，会在所述微镜的所述扭转区内形成一个尽量大的扭转。
图3示出一种对微镜102进行共振励磁和提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号122的装置100的俯视图。如图3所示，所述励磁结构104可以包括弹簧结构130和两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)，所述的弹簧结构130(对称)可以设置在所述的两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝1)之间。
此外，图3所示的所述装置100包括四个压电式传感器108_1到108_m(m＝4)。所述四个压电式传感器108_1到108_m(m＝4)与所述微镜102的所述扭转轴110对称，特别地，沿所述微镜102的中心111或所述微镜102的所述扭转轴的中心111对称设置。此外，所述四个压电式传感器108_1到108_m(m＝4)分别连接所述弹簧结构130，从而使之随所述弹簧结构130移动。此外，所述四个压电式传感器108_1到108_m(m＝4)可以至少有部分超过所述弹簧结构130，特别是要分别穿过所述励磁结构104的所述第一弹性区105和第二弹性区107。
可以获得图3中所示的所述装置100，所述装置100包括所述两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)和所述四个压电式传感器108_1和108_m(m＝4)，例如可以通过提供半导体基板，将压电层镀到所述半导体基板上，以及随后对所述压电层和所述半导体基板进行图形化，从而获得图3所示的区域，所述区域形成所述两个压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)以及四个压电式传感器108 1和108m(m＝4)。
换言之，图3示出采用针对1D共振微镜102(Ut：驱动电压，Us：传感器信号)的测量条的所述直接压电式测量法的示意图。
原则上，所述压电式传感器108_1到108_m(m＝4)也可以置于所述弹簧130上(见图3)。尽管PZT执行机构(PZT＝Blei-Zirkonat-Titanat锆钛酸铅)有很大一部分用于提供驱动，薄PZT条108_1到108_m(m＝4)铺设在所述连接弹簧130上，因为所述连接弹簧130可以容纳所述微镜扭转中的应变水平最高的区域。
但是，特别的优势在于压电式传感器108_1到108_m代替第二执行机构或平行于两个执行机构106 1到106_n(n＝2)的设置，因为此时在操作过程中会出现均匀(没有所述传感器信号对应的不必要补偿)且足够大的弯曲，会在相对较大的传感器信号中反应出来。此外，无需在所述弹簧元件130上引导金属材料，这也是可以避免因为金属塑性和诱导热效应(双金属)产生的影响共振频率稳定性的严重衰减损失的原因。重要的是，其中包括的区域的所述传感器配置可以相对较大，这样也可以增强传感器信号。
在实施例中，整个振荡器系统包括微镜102和两个外部压电式执行机构106_1和106_n(n＝2)。尽管单独看来，所述执行机构106_1和106_n(n＝2)和所述微镜102有不同的共振频率，但是这一系统100包括自身的普通频率和恒定的共振性能。所述压电材料不仅用于所述驱动，也可以用于位置探测。
其优势在于所述压电式执行机构106_1到106_n和所述压电式传感器元件108_1到108_m不需要单独的材料或制造步骤，因而可以采用整体制造技术100，而且由于整个系统100的共振可靠，所述压电式传感器108_1到108_m和所述微镜102之间存在恒定的移动率，因而可以实际探测所述执行机构的运动，但是实际上可以反应所述微镜102的移动。
图4示出生产图1所示装置100的方法200的流程图。所述方法包括提供半导体基板的步骤204；将绝缘层施加至半导体基板上的步骤206；将压电层施加至绝缘层上的步骤208；以及对所述压电层、所述绝缘层和所述半导体基板进行图形化的步骤210，从而得到所述微镜102和所述励磁结构104，所述励磁结构104支持所述微镜102而且包括至少一个所述的压电式执行机构106_1到106_n，以对所述微镜102进行共振励磁，从而使所述微镜102发生偏转，以及因而至少得到一个压电式传感器108_1到108_m，提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号，所述至少一个压电式传感器108_1到108_m连接至所述励磁结构104，从而在所述微镜102的共振励磁过程中所述的传感器信号和所述微镜102的偏转可以形成固定的相互间的相位关系。
在实施例中，应用所述压电层的步骤208可以包括将第一电极层，例如包括铝、铂和/或钛施加至所述绝缘层上的步骤；将锆钛酸铅层施加至所述第一电极层上的步骤；以及将第二电极层，例如包括铬或金施加至所述锆钛酸铅层上的步骤。
接下来将参考图5a到5d对图4示出的生产图1示出的所述装置100的所述方法200进行更为详尽的说明。
图5a示出提供所述半导体基板220的步骤204的装置的横截面图。例如，所述半导体基板220可以包括硅。从图5a中可以看出，在实施例中所述半导体基板220可以为SOI(绝缘体上硅)晶片。所述半导体基板220可以包括堆栈，包括第一二氧化硅层222(例如厚度为1μm)、硅层224(例如厚度为725μm)、第二二氧化硅层226(例如厚度为1μm)以及多晶硅层228(例如厚度为80μm)。
图5b示出将绝缘层230施加至所述半导体基板220上的步骤206和将所述压电层232施加至所述绝缘层230上的步骤208中的装置100的横截面图。例如，所述压电层232可以包括堆栈，所述堆栈包括第一电极层(例如钛和/或铂)234、锆钛酸铅层236和第二电极层(例如铬和/或金)。
例如，所述第一电极层234可以通过气相沉积施加至所述第二二氧化硅层226上。例如，所述锆钛酸铅层236(例如厚度为2μm)可以喷溅到所述第一电极层234上，例如在使用热磁控管的同时。
图5c示出对所述压电层232、所述绝缘层230和所述半导体基板220的所述多晶硅层228进行图形化的步骤208中的装置100的横截面图。最初，所述第二电极层(例如铬和/或金)238可以通过湿法刻蚀进行图形化，同时所述锆钛酸铅层236和所述第一电极层(例如钛和/或铂)234可以通过干法刻蚀进行图形化。所述多晶硅层228可以通过深反应离子刻蚀进行图形化，可以在对所述多晶硅层进行所述深反应离子刻蚀前沉积光学反射层，例如铝层240，从而获得所述微镜。
图5d示出对所述硅层224和所述半导体基板220的所述第二二氧化硅层226进行图形化的步骤208中的装置100的横截面图。例如，所述硅层224和所述第二二氧化硅层226可以通过后深反应离子刻蚀进行图形化，从而曝露出所述微镜。
图6示出一种对微镜102进行共振励磁和提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号的方法300。所述方法300包括利用励磁机构104对所述微镜102进行共振励磁，从而使所述微镜102发生偏转的步骤302，所述励磁结构104支持所述微镜102并包括至少一个压电式执行机构106_1到106_n；通过至少一个压电式传感器108_1到108_m提供取决于所述微镜102偏转的传感器信号122的步骤304，所述至少一个压电式传感器108_1到108_m连接至所述励磁结构，从而在所述微镜102的共振励磁过程中所述的传感器信号和所述微镜102的偏转可以形成固定的相互间的相位关系。
在实施例中，所述微镜102可以通过压电产生共振。
在实施例中，所述整个结构100可以采用对称设计，从而使得所述微镜102可以包括所述驱动传感器结构。
在实施例中，所述整个元件可以通过硅技术在所述晶片水平上生产，从而可以在不同的情况下生产出众多相同的MEMS设备。
在实施例中，所述的集成压电式执行机构106_1到106_n可以包括薄硅结构，所述薄硅结构上安装有薄压电层，通常是PZT层(锆钛酸铅)机器电极。
在实施例中，所述装置100可以包括额外的集成压电式传感器或压电式传感器，用于探测所述角位置。
在实施例中，所述压电式传感器108_1到108_m可以与所述驱动结构或励磁结构106_1到106_n进行电气隔离。
在实施例中个，所述整个结构100包括驱动(压电式执行机构)106_1到106_n、传感器108_1到108_m和所述微镜102，可以在振型中以共振方式运行。这一正弦振型(例如驻波)关于所述微镜102点对称，会使所述微镜102产生特别大的角运动。
在实施例中，此驻波中的所述执行机构结构106_1到106_n和传感器结构108_1到108_m相对于所述微镜102的位置包括固定相差，所述相差的变化幅度很小，即使所述自谐振产生的频率变化。只有当励磁频率与这一振型的共振有很大偏差时，所述单个部件的相对相位才会有明显变化。
在实施例中，所述传感器信号的幅度与所述微镜102的倾斜成比例。
在实施例中，所述传感器信号可以用于调节所述驱动的所述压电式执行机构106_1到106_n，因为相对于所述微镜102的所述角偏差的相对相差及其幅度是已知的。
在实施例中，所述压电式传感器结构108_1到108_m可以与所述执行机构106_1到106_n以相同的制造步骤生产。
尽管已经在装置范围内对某些方面进行了说明，可以认为所述方面也包括对对应方法的说明，因而可以将装置的块或结构元件理解为方法步骤或方法步骤的特征。通过进行对比，在范围内描述或描述为方法步骤的方面也是对对应块或对应装置具体内容或特征的描述。
上述实施例仅代表了本发明原理的图解。可以理解的是本领域的技术人员将领会对此处描述的设置和具体细节做出的改造和变型。这也是本发明仅限于所以本发明仅限于下述权利要求范围而不是限于通过对所述实施例进行说明和讨论而在此提出的具体细节的原因。
Claims (14)
1.装置(100)，包括：
微镜(102)；
激励结构(104)，所述激励结构(104)包含或支持所述微镜(102)以及包括至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)，所述激励结构(104)配置为对所述微镜(102)进行共振激励，从而使所述微镜(102)发生偏转；以及
至少一个压电式传感器(108_1：108_m)，提供取决于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)，所述压电式传感器(108_1：108_m)以机械方式连接至所述激励结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振激励过程中，所述的传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间形成固定的相互间的相位关系；
所述激励结构(104)包括支持所述微镜(102)并与至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)相连接的弹簧结构(130)；
所述激励结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1：106_2)，且所述弹簧结构(130)设置在所述两个压电式执行机构(106_1：106_2)之间；以及
其中所述激励结构(104)包括不同弹性水平的区域(105、107)，其中所述两个压电式执行机构(106_1：106_2)设置在所述激励结构(104)的第一弹性区(105)内，其中所述弹性结构(104)在第二弹性区(107)内支持所述微镜(102)，所述第二弹性区(107)的弹性高于第一弹性区(105)；
其中所述两个压电式执行机构(106_1：106_2)中的一个用作至少一个压电式传感器(108_1：108_m)。
2.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)以机械方式与所述的激励结构(104)连接，一旦与共振激励的共振频率之间的频率偏差达到20％，则所述传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间的相位关系产生最大20％的相移。
3.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述激励结构(104)，从而使之随所述激励结构(104)移动。
4.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述压电式传感器(108_1：108_m)与所述至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)完全电气隔离。
5.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述激励结构(104)与微镜(102)的一条扭转轴轴向对称，微镜(102)绕所述扭转轴可偏转。
6.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述激励结构(104)配置为谐振器。
7.如权利要求6所述的装置(100)，其中所述激励结构(104)在所述微镜(102)的共振激励过程中配置为形成固定的机械振型。
8.如权利要求1所述的装置(100)，其中所述传感器信号(122)的幅度与所述微镜(102)的偏转幅度成比例。
9.如权利要求1所述的装置(100)，包括控制机构(116)，其配置为提供控制信号(118)，用于控制所述至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)，从而使所述激励结构(104)形成固定的机械振型。
10.如权利要求9所述的装置(100)，其中所述固定的机械振型为第二纵向振型。
11.如权利要求1所述的装置(100)，包括评估机构(120)，其配置为评估所述传感器信号(122)并基于固定相位关系确定所述微镜(102)的当前偏转。
12.制造如权利要求1所述的装置的方法(200)，所述方法包括下述步骤：
提供半导体基板(204)；
将绝缘层施加至半导体基板上(206)；
将压电层施加至绝缘层上(208)；以及
对所述压电层、所述绝缘层和所述半导体基板进行图形化(210)，从而得到所述微镜(102)和所述激励结构(104)，所述激励结构(104)支持所述微镜(102)而且包括至少一个所述的压电式执行机构(106_1：106_n)，以对所述微镜(102)进行共振激励，从而使所述微镜(102)发生偏转，所述激励结构(104)包括支持所述微镜(102)并连接至所述至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)的弹簧结构(130)，所述激励结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1、106_2)，且所述弹簧结构(130)设置在所述两个压电式执行机构(106_1、106_2)之间；因而得到至少一个压电式传感器(108_1：108_m)，其用于提供基于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)，所述压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述激励结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振激励过程中，所述的传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间形成固定的相互间的相位关系；所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述弹簧结构(130)从而使之随所述弹簧结构(130)移动，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)延伸并至少部分跨过所述弹簧结构(130)。
13.一种方法(300)，包括下述步骤：
利用激励结构(104)对微镜(102)进行共振激励(302)，从而使所述微镜(102)发生偏转，所述激励结构(104)支持所述微镜(102)并包括至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)，所述激励结构(104)包括支持所述微镜(102)并与至少一个压电式执行机构(106_1：106_n)相连接的弹簧结构(130)，所述激励结构(104)包括两个压电式执行机构(106_1、106_2)，且所述弹簧结构(130)设置在所述两个压电式执行机构(106_1、106_2)之间；以及
通过压电式传感器(108_1：108_m)提供基于所述微镜(102)偏转的传感器信号(122)(304)，所述压电式传感器(108_1：108_m)连接至所述激励结构(104)，从而在所述微镜(102)的共振激励过程中所述的传感器信号(122)和所述微镜(102)的偏转之间形成固定的相互间的相位关系，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)连接所述弹簧结构(130)从而使之随所述弹簧结构(130)移动，所述至少一个压电式传感器(108_1：108_m)延伸并至少部分跨过所述弹簧结构(130)。
14.一种计算机可读介质，其上存储有执行如权利要求13所述方法的计算机程序，其中所述的计算机程序在计算机或微处理器上执行。
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