CN105917203B - 基于应变感测镜位置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械装置，该机械装置包括基座(24)、移动元件(26)和铰链(28)，该铰链具有附接至移动元件的第一端部。支撑结构(32)附接至基座并附接至铰链的第二端部，并且至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成该部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形。基于应变的旋转传感器(34,44,46,60,62,72,74,100)与支撑结构相关联并且被配置为提供用于指示响应于由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的应变的移动元件的旋转的信号。

Description

基于应变感测镜位置

技术领域

本发明涉及监测旋转机械设备的运动，并且更具体地涉及扫描微镜的运动。

背景技术

PCT国际公布WO 2014/016794(其公开内容以引用方式并入本文)描述了基于微机电系统(MEMS)的扫描微镜。本专利申请中所述的实施方案提供了扫描镜组件，该扫描镜组件包括支撑结构；基座(也称为万向支架)，其被安装以围绕第一轴相对于支撑结构旋转；以及镜，其被安装以围绕第二轴相对于基座旋转。

在本PCT专利申请中所述的一个实施方案中，电容式感测用于使用在旋转轴的相对侧的邻近镜的位置处定位的电容传感器的板来监测镜的旋转。(在本发明所公开的实施方案中，板相对于支撑结构的平面成角度，但在其他具体实施中，板可平行于支撑结构的平面。)测量板和镜之间的电容的变化，以便监测镜的旋转。

基于应变的传感器(通常为压阻的或金属的)常常用于测量膜的偏转、感测压力、测量加速度计和陀螺仪中的悬臂梁的偏转，以及其他应用。各种类型的应变传感器在本领域中是已知的。例如，在金属应变传感器中，金属电阻器的电阻由于可能响应于应变而发生的变形而变化。掺杂硅表现出强压阻式响应，即其电阻根据其自身应变而显著变化，这可能是由施加应力的各种模式导致的。电阻式应变感测及其在MEMS中的使用例如在Liu的Foundations of MEMS(Illinois ECE Series,Northwestern University,2005)第6章中有所描述，其以引用方式并入本文。

发明内容

本文所述的本发明的实施方案将基于应变的感测用于测量旋转，并且具体地用于测量MEMS组件的偏转角度。

因此，根据本发明的实施方案，提供了一种机械装置，该机械装置包括基座、移动元件和铰链，该铰链具有附接至移动元件的第一端部并具有第二端部。支撑结构附接至基座并附接至铰链的第二端部，并且至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成该部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形。基于应变的旋转传感器与支撑结构相关联并且被配置为提供用于指示响应于由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的应变的移动元件的旋转的信号。

在本发明所公开的实施方案中，支撑结构的垂直于铰链的部件包括具有附接至基座的端部的横梁。除此之外或另选地，至少基座、支撑结构、移动元件和铰链是由MEMS工艺中的半导体晶圆形成的，并且基于应变的旋转传感器作为MEMS工艺的一部分被形成在半导体晶圆上。基于应变的旋转传感器可包括压阻式传感器和/或金属应变传感器，该压阻式传感器通过在所述支撑结构中掺杂半导体材料而形成，该金属应变传感器包括沉积于支撑结构上的金属迹线。

在一个实施方案中，该移动元件包括扫描镜，并且基座包括万向支架。

在本发明所公开的实施方案中，该旋转传感器具有响应于支撑结构中的应变而变化的电阻，并且该装置包括感测电路，该感测电路被耦接以输出响应于变化的电阻的对移动元件的旋转的角度的指示。在一个实施方案中，该感测电路包括桥式电阻器。该旋转传感器可包括具有两对相互垂直的臂的十字形应变传感器，其中该感测电路耦接至臂的相应端部以便感测旋转的角度。

通常，该铰链为附接至移动元件的相对侧的一对铰链中的一个铰链，并且基于应变的旋转传感器为与铰链在移动元件的相对侧上所附接到的支撑结构相关联的一对旋转传感器中的一个旋转传感器。

根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于感测的方法，该方法包括安装移动元件以在铰链上相对于基座旋转，使得铰链的第一端部附接至移动元件。将铰链的第二端部附接至支撑结构，该支撑结构附接至基座，该支撑结构至少具有垂直于铰链的部件以便将移动元件围绕铰链的旋转转换成部件的伸长，由此移动元件围绕铰链相对于基座旋转，而支撑结构由于移动元件围绕铰链的旋转而变形；以及通过感测由于移动元件的旋转造成的支撑结构的变形所导致的支撑结构的应变来测量移动元件的旋转。

结合附图从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：

附图说明

图1是根据本发明的实施方案的扫描镜组件的示意性图示；

图2是根据本发明的实施方案的示出由镜旋转导致的变形的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；

图3是根据本发明的另选实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；

图4是根据本发明的实施方案的应变感测电路的电路示意图；

图5是根据本发明的另一个实施方案的具有应变感测电路的扫描镜组件的示意性图示；

图6A是根据本发明的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；

图6B是用于图6A的实施方案的应变感测电路的电路示意图；

图7A是根据本发明的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图；以及

图7B是图7A的传感器的放大视图。

具体实施方式

使用基于应变的方法通常很难实现MEMS设备中的角度偏转的测量。此困难的一个原因在于MEMS组件的机械部件的伸长和缩短在扭力上相对较小，从而相关联的应变也很小。

在下文中所述的本发明的实施方案通过将MEMS组件的旋转移动转换成组件中的某些部件的弯曲来解决该问题。与该弯曲相关联的拉伸和压缩引入较大应变，该较大应变可使用压阻式、压电式或金属应变传感器来进行检测。可通过适当硅掺杂和/或金属包覆或任何其他合适方法将此类传感器制造成MEMS制造工艺的整体部分，并从而可以少许成本紧凑、有效地集成到MEMS组件中。

图1是根据本发明的一个实施方案的扫描镜组件20的示意性图示。组件20通常使用MEMS工艺来制造以便通过适当蚀刻硅晶圆衬底来限定并释放组件的移动元件，并且以便沉积组件的特别是用于感测旋转的电气元件。扫描组件20可由如上述PCT国际公布WO2014/016794中所述的磁力驱动器来驱动，或由本领域中已知的任何其他合适类型的微型驱动器来驱动。可用于组件20设计和制造的MEMS工艺和部件的另外的详情在本PCT公开和美国专利7,952,781中有所描述，其公开内容以引用方式并入本文。

组件20包括框架22，该框架被蚀刻以限定旋转万向支架24和镜26。在所述实施方案中，镜26围绕扭转铰链28相对于万向支架24旋转，而万向支架24在扭转铰链30上相对于框架22旋转，该扭转铰链30垂直于铰链28。镜、万向支架和铰链的边界由光刻掩模来限定，并且然后蚀刻晶圆以从晶圆的周边部件释放活动的镜、万向支架和铰链。在典型MEMS设备中，铰链28和30的横向尺寸可为大约20μm-200μm。

在本发明所公开的实施方案中，万向支架24因此充当用于镜26的移动的基座，而框架22充当用于万向支架24的移动的基座，并且这些元件共同实现镜角度的二维扫描。然而，本发明的原理通常单独适用于每个铰链和旋转轴，从而也可应用于仅具有单个旋转轴的组件。为了简单起见，以下描述将仅涉及铰链28，但类似的设计和测量技术同样可应用于铰链30以及MEMS组件中的其他类型的旋转结构。

铰链28在其内端处附接至镜26并且在其外端处附接至支撑结构，该支撑结构包括附接至万向支架24的横梁32。这些支撑结构在以下附图中更加详细地示出。横梁32垂直于铰链28并附接成使镜26围绕铰链的旋转转换成横梁的伸长。因此，在镜26围绕铰链28相对于万向支架24旋转时，支撑结构特别是横梁32变形，从而产生支撑结构的应变。

一个或多个基于应变的旋转传感器34与每个横梁32相关联(但为简单起见，在图1的所示传感器仅与一个横梁相关联)。传感器34提供用于指示在镜26于铰链28上旋转时镜26响应于横梁32由于其变形所导致的应变而旋转。传感器34可包括压阻式传感器，该压阻式传感器可通过在横梁32和/或支撑结构的其他部件中掺杂半导体材料而形成。除此之外或另选地，传感器34可包括金属应变传感器，该金属应变传感器包括沉积于支撑结构上的金属迹线。在任一种情况下，形成传感器34所需的掺杂和/或迹线沉积可作为MEMS制造工艺的一部分来执行，扫描镜组件20通过该MEMS制造工艺来制造。

传感器34通常在MEMS制造工艺期间通过金属沉积由形成于组件20的衬底上的迹线36连接至连接焊盘38，该连接焊盘继而连接至感测电路40。作为MEMS工艺中的步骤，通常将反射金属涂层沉积于镜26的表面上；并且在同一步骤中或在另一金属沉积步骤中，可将焊盘38和迹线36沉积于晶圆表面上。感测电路40通常通过测量传感器34两端的电阻来检测横梁32的应变水平。该应变水平指示镜26的旋转的角度：旋转的角度越大，铰链28的扭力将越大，因此横梁32的应变越大。感测电路40继而可应用预定义的标定函数以便将所检测的应变水平转换成旋转角度的读数。

图2示意性地示出了根据本发明的实施方案的具有一体化压阻式旋转传感器的扫描镜组件20的详情。为了制造压阻式传感器，邻近铰链28的端部将附加凹陷部42蚀刻穿过万向支架24，从而限定附接至垂直于铰链的万向支架24的横梁32。铰链28的外端耦接至横梁32的中部，该横梁的横向尺寸类似于铰链的横向尺寸(大约20μm-200μm宽)。因此，横梁32将镜26围绕铰链28的旋转转换成横梁的伸长。

另选地，具有此类垂直部件的其他类型的支撑结构可用于类似的效果并且被视为在本发明的范围内。此外，横梁或其他支撑结构的形状或横向尺寸可被优化，以提供随角度变化的期望的可测量的应变。

在本实施方案中，横梁32掺杂有合适的掺杂物，例如在上述Liu参考文献中所描述的。为了测量由铰链的旋转所导致的掺杂硅的电阻变化，将电极例如金属焊盘(在该附图中未示出)沉积在横梁两端上或沉积在邻近该横梁两端的适当的点处，诸如沉积在图1所示的传感器34的位置处。感测电路40测量焊盘之间的电阻以检测横梁32的应变。

图2中的栅格线示出了镜26的旋转对铰链28和横梁32的影响。镜的旋转导致铰链出现一定的扭转，但几乎没有随之而来的变形，因此几乎没有铰链的应变。另一方面，铰链端部处的旋转力使得横梁大幅弯曲。此弯曲引起横梁的纵向应力，从而导致掺杂硅的应变随镜的旋转角度变化而增大。

横梁32的变化的应变导致横梁上的测量点之间的电阻的压阻式变化。如前所述，该变化电阻可根据旋转角度变化来进行校准，从而对测量点之间的电阻变化的测量给出对角度的准确指示。横梁形状、厚度和长度，掺杂物的选择和浓度，以及测量点的位置可基于第一原理和/或实证测量来选择，以便给出期望的电阻变化范围。在镜组件的操作期间，对横梁两端的电阻的测量可用于闭环控制和对组件的扫描角度的监测。

图3示意性地示出了根据本发明的另选实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器44和46的扫描镜组件20的详情。在该实施例中，传感器44和46包括由沿横梁沉积的金属迹线制成的应变仪。图3中以举例的方式示出“π形”图案，但也可另选地使用其他类型的图案，诸如螺线形、十字形或H形图案。掺杂应变感测图案可以类似形状制成。

由镜26围绕铰链28的旋转所导致的横梁32的弯曲(如图2所示)导致应变传感器44和46的金属迹线变形，这继而导致沿每条迹线的电阻R_S1和R_S2发生变化。如在前述实施方案中，根据镜旋转角度的变化来测量并校准每条迹线两端之间的电阻，以便感测镜的偏转角度。

图4是根据本发明的实施方案的应变感测电路40的电路示意图。电路40包括具有标记为R_a和R_b的一对定值电阻器48的桥式电阻器，其用于测量如图3所示的位于横梁32的相对侧上的应变传感器44和46两端的电阻的变化。已知的输入电压可为AC或DC电压或者AC和DC分量的组合，其施加于电桥的两端，并且输出电压的变化指示传感器44和46的电阻的变化。

图5是根据本发明的另一个实施方案的具有应变感测电路40的扫描镜组件50的示意性图示。如在前述实施方案中那样，组件50包括镜52，该镜在附接至横梁58的铰链56上相对于基座54旋转。然而，在这种情况下，感测电路40中的桥式电阻器测量跨附接至位于镜的相对侧上的铰链56的横梁58上的一对应变传感器60和62两端的电阻值的变化。在这种情况下，应变引起的传感器电阻的变化也将导致电桥的输出电压发生变化。

图6A示意性地示出了根据本发明的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器70和72的扫描镜组件20的详情。传感器70和72被配置作为使用掺杂硅的压阻式响应的四端子应变仪。传感器70和72中的每个传感器包括横梁32的十字形掺杂区域74，该十字形掺杂区域可例如通过将硼离子注入到硅衬底中而产生。包括铜焊盘的两组电极76和78例如沿相互垂直的轴来接触区域74的臂的相对端。电极78之间的一个轴平行于横梁32，而电极76之间的另一轴垂直于横梁。

在铰链28朝其行程的一端旋转并且横梁32变形时(如图2所示)，横梁的一端的上表面将纵向拉伸，而横梁的另一端的上表面被压缩。拉伸和压缩在镜行程的另一端处是相反的。横梁32的一端的上表面的拉伸还拉伸了位于横梁该一端处的电极78之间区域74的臂，从而增大这些电极之间的电阻。同时，由于泊松效应，随着电极76之间的区域74的臂被压缩，电极76之间的电阻将减小。位于横梁32的另一端处的上表面的压缩将对位于横梁的该一端处的电极之间所测量的电阻具有相反影响。

图6B是根据本发明的实施方案的与传感器70和72一起使用的应变感测电路80的电路示意图。电路80被配置作为全桥，包括由传感器72中夫人掺杂区域74的垂直臂形成的可变电阻器82和84，以及由传感器70中掺杂区域74的垂直臂形成的可变电阻器86和88。压阻式传感器的全桥布置的进一步详情例如由Clausen等人在“Design and processing ofa cost-effective piezoresistive MEMS cantilever sensor for medical andbiomedical use”，Journal of Micromechanics and Microengingeering 22(2012)的第1-6页中有所描述。

如图6B所示，电压供给90(其可为DC、AC或两者的组合)在电路80的输入端之间施加已知电压，并且电压传感器92测量由可变电阻器82、84、86和88的电阻变化所导致的来自电路的输出信号的变化。如附图中箭头所示的，铰链28的旋转将使得电阻器82和88的电阻一致地增大，而电阻器84和86的电阻减小，并且反之亦然。传感器92测量所得的输出电压的调制，以便提取镜24的旋转的角振幅和频率。

图7A是根据本发明的另一个实施方案的具有一体化基于应变的旋转传感器100的装有万向接头的扫描镜的示意性详细视图。如在前述实施方案中那样，传感器100同样为十字形，并且可通过适当掺杂硅衬底而制成。然而，在这种情况下，传感器100的臂相对于横梁32对角地取向并且使用不同测量原理。这些原理例如由Bao等人在“Geometrical Rules ofFour-Terminal Gauge for Pressure Sensors,”Sensors and Actuators 18(1989)的第149-156页中详细说明。

图7B是根据本发明的实施方案的传感器100的放大视图。传感器100包括十字形掺杂区域102，其具有可为不同宽度的两对臂。电极104和106耦接至区域102的较宽一对臂的相应端部，而电极108和110耦接至较窄一对臂的端部。在电极104和106之间施加已知电压V_S，并且在电极108和110之间测量所得的漏电压信号(V_a–V_b)。如在前述实施方案中那样，该漏电压输出将随镜24的旋转同步地变化，其中振幅指示镜的旋转的角振幅。

尽管附图示出将基于应变的感测技术仅用于测量镜相对于万向支架的旋转的角度，但类似的技术还可应用于测量万向支架相对于其框架的旋转的角度，并且用于测量其他类型的MEMS组件(而绝非限于扫描镜)中的其他类型的旋转元件的角度偏转。此外，尽管为了清晰和简洁，以上附图中示出并描述了两种具体类型的传感器构型，但本发明的原理可根据不同应用需求类似地应用于制造其他形状和构型的基于应变的偏转传感器。此类传感器不仅可使用压阻式和金属应变感测，而且可使用其他类型的应变感测诸如压电式感测。

因此，应当理解，上述实施例以举例的方式进行引用，并且本发明并不限于上文具体示出并描述的内容。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形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (16)

1.一种机械装置，包括：

基座；

移动元件；

铰链，所述铰链具有附接至所述移动元件的第一端部并具有第二端部；

横梁，所述横梁垂直于所述铰链并具有附接至所述基座的端部，其中所述铰链的所述第二端部在所述端部之间的位置处附接至所述横梁，使得所述横梁响应于所述移动元件围绕所述铰链的旋转而伸长，由此所述移动元件围绕所述铰链相对于所述基座旋转，而所述横梁由于所述移动元件围绕所述铰链的所述旋转而变形；

基于应变的旋转传感器，所述基于应变的旋转传感器包括在所述横梁的所述端部中的一个或两者上或者与所述横梁的所述端部中的一个或两者相邻的至少一个十字形掺杂区域，所述至少一个十字形掺杂区域包括两对相互垂直的臂，所述两对相互垂直的臂具有响应于由于所述移动元件的所述旋转造成的所述横梁的变形所导致的应变而变化的相应电阻；和

感测电路，所述感测电路耦接至所述臂的相应端部并且被配置为输出响应于该变化的电阻的对所述移动元件的所述旋转的角度的指示。

2.根据权利要求1所述的装置，其中至少所述基座、所述横梁、所述移动元件和所述铰链是在MEMS工艺中由半导体晶圆形成的，并且作为MEMS工艺的一部分所述基于应变的旋转传感器被形成在所述半导体晶圆上。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述移动元件包括扫描镜，并且所述基座包括万向支架。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述感测电路包括桥式电阻器。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述铰链为附接至所述移动元件的相对侧的一对铰链中的一个铰链，并且所述基于应变的旋转传感器为与所述铰链在所述移动元件的所述相对侧上所附接到的横梁相关联的一对旋转传感器中的一个旋转传感器。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述至少一个十字形掺杂区域包括位于所述横梁的所述端部处的一对十字形掺杂区域。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述至少一个十字形掺杂区域的所述臂相对于所述横梁成对角地进行取向。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述感测电路被耦接以测量成对的所述臂之间的漏电压信号，所述漏电压信号指示所述旋转的所述角度。

9.一种用于感测的方法，包括：

安装移动元件以在铰链上相对于基座旋转，使得所述铰链的第一端部附接至所述移动元件；

将所述铰链的第二端部附接至横梁，所述横梁垂直于所述铰链并具有附接至所述基座的端部，其中所述铰链的所述第二端部在所述端部之间的位置处附接至所述横梁，使得所述横梁响应于所述移动元件围绕所述铰链的旋转而伸长，由此所述移动元件围绕所述铰链相对于所述基座旋转，而所述横梁由于所述移动元件围绕所述铰链的所述旋转而变形；以及

使用基于应变的旋转传感器通过感测由于所述移动元件的所述旋转造成的所述横梁的变形所导致的应变来测量所述移动元件的所述旋转，所述基于应变的旋转传感器包括在所述横梁的所述端部中的一个或两者处或者与所述横梁的所述端部中的一个或两者相邻的至少一个十字形掺杂区域，所述至少一个十字形掺杂区域包括两对相互垂直的臂，所述两对相互垂直的臂具有响应于所述应变而变化的相应电阻，其中感测所述应变包括测量所述臂的相应端部之间的信号以便感测所述旋转的角度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中至少所述基座、所述横梁、所述移动元件和所述铰链是在MEMS工艺中由半导体晶圆形成的，并且其中感测所述应变包括作为MEMS工艺的一部分将基于应变的旋转传感器形成在所述半导体晶圆上。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述移动元件包括扫描镜，并且所述基座包括万向支架。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中测量所述信号包括将所述臂的所述端部耦接至桥式电阻器。

13.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述铰链为附接至所述移动元件的相对侧的一对铰链中的一个铰链，并且其中感测所述应变包括接收来自与所述铰链在所述移动元件的所述相对侧上所附接到的支撑结构相关联的一对旋转传感器的信号。

14.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述至少一个十字形掺杂区域包括位于所述横梁的所述端部处的一对十字形掺杂区域。

15.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其中所述至少一个十字形掺杂区域的所述臂相对于所述横梁成对角地进行取向。

16.根据权利要求15所述的方法，其中测量所述信号包括测量成对的所述臂之间的漏电压信号，所述漏电压信号指示所述旋转的所述角度。