CN107076983A - 包括压阻式位置传感器的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统(1)，其具有衬底(4)和平台(5)，平台(5)通过至少一个柔性铰接件(6,6’,6”)连接到衬底(4)并且相对于衬底是可移动的，并且具有至少一个具有多个压阻元件(10,10’,14,15,16)的位置传感器，所述多个压阻元件被连接以形成电桥，其中压阻元件(10,10’)布置在至少一个柔性铰接件(6)上或所述至少一个柔性铰接件处。根据本发明，所述系统的特征在于至少一个压阻元件(14,15,16)布置在衬底(4)或平台(5)上或布置在所述衬底或平台处。

Description

包括压阻式位置传感器的系统

技术领域

本发明涉及一种包括衬底和平台的系统，所述平台通过至少一个柔性铰接件连接到所述衬底上并且相对于所述衬底是可移动的，并且所述系统包括至少一个具有多个压阻元件的位置传感器，所述多个压阻元件被连接以形成电桥，一个压阻元件布置在所述至少一个柔性铰接件上或所述至少一个柔性铰接件处。

背景技术

在激光加工材料时，需要越来越小和紧凑的系统。节省空间的一种可能性为使用仅包括一个基于MEMS技术(微机电系统)的反射镜的扫描设备。按照惯例，这些反射镜成阵列使用以用作大偏转反射镜或并入简单的偏转系统中。在该情形下，反射镜通常不得不仅绕着一个轴线偏向并且具有较小的偏转角。为了覆盖适合于激光加工的工作区域，所使用的反射镜不得不实现多达10°或更大的偏转角，并且必须能在两个空间方向上偏转。进一步地，这些反射镜必须在特定的时间点到达一个特定的偏转角，因而必须精确地对其进行控制。由于借助柔性铰接件实现反射镜的偏转，因而常存在沿着第三空间方向进行振荡的问题，在定位期间不得不考虑这个问题。为了精确控制反射镜，在三个空间方向上均实现准确和快速的位置测定是必要的。

例如从US8,559,086B2中已知这种类型的包括位置传感器的系统。在该系统中，整个压阻式传感器，即四个压阻元件，布置在柔性铰接件上，因而柔性铰接件本身必须是相对大的。由于系统是十分刚性的，因而仅可能以受限的方式实现大偏转(+/-10°)。

柔性铰接件理解成意味着通过弯曲允许两个刚体区域之间的相对运动(旋转)的部件的区域。柔性铰接件通常形成为弹簧元件。

发明内容

本发明的目的是以允许更精确位置确定的方式改进上文所提及类型的系统。

上述目的通过根据本发明的包括衬底和平台的系统来实现，所述平台通过至少一个柔性铰接件连接到所述衬底上并且相对于所述衬底是可移动的，并且所述系统包括至少一个具有多个压阻元件的位置传感器，所述多个压阻元件被连接以形成电桥，一个压阻元件布置在所述至少一个柔性铰接件上或所述至少一个柔性铰接件处，并且至少一个压阻元件布置在所述衬底或所述平台上。因而，根据本发明所提供的不是整个位置传感器布置在所述柔性铰接件上，而是将作为位置传感器的一部分的至少一个压阻元件布置在所述衬底或所述平台上，即布置在刚体区域上。这使得能够降低位置传感器在柔性铰接件上的空间需求，由此能将柔性铰接件制造得更小。另外，单个的压阻元件可能会几乎占据柔性铰接件的整个宽度。因此，能将压阻元件形成为足够大以至于将噪声保持在较低水平。有利地，位置传感器的、优选所有位置传感器的压阻元件形成为相同的。

尤其优选的是刚好一个压阻元件布置在所述至少一个柔性铰接件上或所述至少一个柔性铰接件处，并且三个压阻元件布置在所述刚体区域上或所述刚体区域处且被连接以形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。因而，三个压电电阻器附接至结构的不可变形部分。当所述平台移动时，所述柔性铰接件变形，这引起机械应力的变化以及因而引起压阻元件的变化，并导致电阻的改变。因而，惠斯通电桥的输出信号发生改变。基于所述输出信号可确定位置变化。可通过以下方式在惠斯通电桥的两个触点处产生输出信号(电压)，即在另外两个触点处向电桥施加恒定电流、或向所述另外两个触点施加恒定电压。

至少一个压阻元件可由掺杂的单晶或多晶半导体材料制成。由此，能够通过晶体硅的局部掺杂，例如p-型掺杂形成压阻元件。可替换地，能通过对多晶半导体材料、尤其是对多晶硅掺杂制成压阻元件。在该情形下，能通过薄膜工艺在在绝缘层上方施加多晶层，并对多晶层掺杂。多晶材料制成的压阻元件的优势在于所述元件是较少依赖光的。

所述压阻元件能通过金属层连接到分析电子器件上。为了产生欧姆接触电阻，可在压阻元件和金属之间的触点处对半导体层进行更加高度地掺杂。可在蚀刻半导体材料之前对压阻元件掺杂。

在半导体晶体中，压阻系数是依赖于方向的。因而，所述压阻元件优选定位成相对于彼此成90°的角度，使得各个元件的压阻系数尽可能地类似或相同。

至少一个压阻元件可为U形的。可通过蚀刻制成所述U形的两个臂之间的切口区域以为了避免或是穿越未掺杂区域或由于掺杂区域扩散过宽而造成的短路。所述柔性铰接件在U形压阻元件的位置处可为两个部分。

至少一个压阻元件可由不透光层覆盖。该不透光层例如可为反射辐射、尤其是反射激光的金属层、或者可为吸收辐射、例如吸收激光辐射的另一层。由此，降低了所述位置传感器的光敏性，且几乎排除了光的影响。也能在很大程度上避免位置传感器的受热以及由此对温度的依赖性。

根据一个实施例，可将至少一个温度传感器布置在所述衬底或所述平台上。在该情形下，所述温度传感器布置成尽可能靠近位置传感器的压阻元件。由于压阻元件对温度是敏感的，因而能够探测温度从而随后能补偿温度漂移是有利的。例如，所述温度传感器可形成为在所述衬底或平台上靠近压阻元件的金属电阻器。

所述系统可布置或形成在SOI衬底(绝缘硅衬底，silicon-on-insulatorsubstrate)上。特别地，所述平台连同所述柔性铰接件可通过蚀刻在绝缘硅晶片(silicon-on-insulator wafer)中制成。在该情形下，通过蚀刻去除所述柔性铰接件和所述平台下方的层。为了进一步改善所述元件的电绝缘，可在所述衬底和所述平台上通过SOI晶片的顶层(也称为设备层)绕着所述压阻元件蚀刻出沟槽。

可提供多个绕着所述平台的周边布置的柔性铰接件。特别地，可设置多个柔性铰接件以及两个、优选四个位置传感器，其中所述柔性铰接件的数量可以由二整除、优选地由四整除，所述位置传感器绕着所述平台均匀地布置。特别地，当存在数量可被四整除的多个柔性铰接件时，可刚好提供两个位置传感器。因而，能够使用压阻式传感器测量在三个自由度(x-倾斜、y-倾斜、z-升降)上平台的位置。在静止位置，所述平台与xy-平面平行并且由布置成也与xy-平面平行的柔性铰接件保持。当所述平台移动时，所述柔性铰接件变形，引起布置在所述柔性铰接件上的压阻元件的机械应力的变化，这转而又导致电阻的改变。位置传感器的压阻元件可以以惠斯通电桥的形式互相连接。

在优选的实施例中，四个柔性铰接件的每个可分别包括一个压阻元件。根据该设置，优选提供四个位置传感器，所述位置传感器的压阻元件各自被连接以形成惠斯通电桥，所述柔性铰接件上的四个压阻元件中的每个在实心区域上分别连接至另外三个压阻元件，从而形成惠斯通电桥。惠斯通电桥的输出信号可相互抵消，从而确定所述平台在三个自由度上的位置。

在每种情形下，所述四个柔性铰接件优选绕着所述平台相互成90度地布置。这意味着在单纯绕着一个轴线倾斜的情况下，相对惠斯通电桥的输出信号均具有相同的值，而具有不同的极性符号。可基于来自两个传感器对的信号确定倾斜方向。从该值中可确定出倾斜度。当单纯存在z-升降运动时，这意味着所有四个惠斯通电桥的信号具有相同的值以及相同的极性符号。另外，惠斯通电桥应均具有相同的布线。在同时升降和倾斜的情形下，可从惠斯通电桥的四个输出信号确定出三个自由度上的位置。

所述柔性铰接件上的压阻元件的位置应当是相同的。桥的压阻元件优选相同的。有利地，所述桥也是相同的。

为了获得精确的位置测定，在特别均匀的柔性铰接件上的同一点处布置压阻元件是有利的。

所述压阻元件可布置在所述柔性铰接件的平台侧或衬底侧上。所述压阻元件优选在所述柔性铰接件的在铰接件变形时具有最大机械应力的点处附接。该点通常位于所述柔性铰接件的连接至所述平台或衬底的端部处。最大的机械应力也可在其它任意点处，例如在柔性铰接件的中心处。这取决于所述柔性铰接件的设计。

如果压阻元件布置在柔性铰接件的衬底侧，则所述衬底上惠斯通电桥的其它三个压阻元件将定位成尽可能靠近所述柔性铰接件上的第一压阻元件，使得所述压阻元件的温度尽可能地相似。

如果压阻元件布置在柔性铰接件的平台侧端部，则所述平台上惠斯通电桥的其它三个压阻元件优选布置成尽可能靠近所述柔性铰接件，使得所有压阻元件的温度尽可能地相似。

连接到布置在所述平台上的压阻元件的至少一根连接线能遍及柔性铰接件地延伸。因而，如果压阻元件布置在所述平台上，其电连接可遍及柔性铰接件地被引导。

此时，也可以想到将至少两根连接线布置在柔性铰接件上。当多根线遍及柔性铰接件地延伸时，所述系统将变得对电磁场没那么敏感。

连接到在柔性铰接件上布置的压阻元件的连接线能遍及相邻柔性铰接件和所述平台或衬底地被引导。压阻元件应制造得尽可能大。特别地，压阻元件会占据柔性铰接件的整个宽度或基本上整个宽度。因而，仅一根线能在柔性铰接件上引导。然而，为了连接压阻元件，需要两根连接线。所需的第二根线可在相邻的实心元件上以及遍及所述平台或衬底地被引导。

可在所述平台上布置反射镜。此时，所述系统可用于导向激光束。

可在所述平台下方布置磁体或可磁化材料，并且可在所述磁体或可磁化材料的区域中布置至少一个线圈。所述线圈能够产生磁场，磁场随后与所述磁体或可磁化材料相互作用，由此能使得所述平台偏转。特别地，所述平台可在z-方向上倾斜和/或移动。

有利地，可提供测量设备和分析设备以测量和分析位置传感器的信号。因而，能使用所述测量设备和分析设备检测所述平台的方位或位置。

本发明的其它特征和优势将从下文中基于附图的对实施例的描述中以及从权利要求书中得知，其中附图示出了本发明中非常重要的细节。在本发明的变型中，在每种情形下可单独实施各个特征，或可以以任何所期望的组合将各个特征集合在一起。

附图说明

本发明的优选实施例将在附图中示意性示出，并且在下文中参照附图进行更详细地描述，其中：

图1为根据本发明的系统的示意性截面图；

图2为通过柔性铰接件连接至衬底的平台的平面图；

图3为所述系统的细节的平面图；

图4为U形压阻元件的详细视图；

图5为布置在柔性铰接件上的压阻元件的详细视图；和

图6示出了被沟槽包围的U形压阻元件。

具体实施方式

图1为根据本发明的系统1的高度示意性截面图。在由陶瓷或电路板材料制成的层2上布置间隔件3，该间隔件3可形成为电绝缘层。接着将半导体材料制成的衬底4布置在所述间隔件上。平台5通过柔性铰接件6连接到衬底4上。反射镜7布置在平台5上，在该反射镜处可反射激光束8。磁体9设置在平台5的下端处。一个或多个线圈100布置在所述磁体下方。线圈100能产生使得磁体9、以及因而平台5、继而反射镜7移动的磁场。特别地，平台5能由此被移动。

图2为系统1的平面图，没有示出反射镜7。在此可以看出，平台5通过多个稍微弯曲的柔性铰接件6连接至衬底4。并且可以看出，柔性铰接件6均匀地分布在平台5的周边上。同样由半导体材料构成的柔性铰接件6的宽度，在10μm至100μm的范围内。连接件的宽度优选在30μm至60μm的范围内。

从图3中可以看出，压阻元件10在其平台侧上、即在平台5所紧固至的那端上设置在柔性铰接件6上，压阻元件10呈U形。压阻元件10包括两个p-型掺杂部分11和两个高度p-型掺杂部分12、13。柔性铰接件6上的压阻元件10连接到其它三个压阻元件14、15、16上以形成惠斯通电桥。附图标记17表示这种类型的惠斯通电桥，其包括四个压阻元件。

在该实施例中，压阻元件10、14-16均具有相同的大小和形状并且相对于彼此旋转90度，从而在每种情形下总是在晶体方向上获得相似的压阻系数。

连接线18、19、20、21遍及柔性铰接件6’、6”地延伸，这些柔性铰接件6’、6”不承载其自身的压阻元件。因此，连接线18、19、20、21遍及与柔性铰接件6相邻的柔性铰接件6’、6”地延伸。

为了具有类似的温度，压阻元件10、14、15、16靠得很近。由此可避免测量结果的失真。在压阻元件10、14、15、16的区域中在平台5上设置温度传感器(此处未示出)。可替换地或另外地，可在衬底4上布置温度传感器。

压阻元件10、14、15、16之间的间隔优选小于1000μm，尤其优选小于500μm。

可在两根连接线18、20处供给电流，同时借助测量设备(此处未示出)在两根连接线19、21处测量输出电压。

在所示的实施例中设置四个惠斯通电桥17。这意味着一个压阻元件10分别设置在四个柔性铰接件6中的每个柔性铰接件处。柔性铰接件6上的四个压阻元件10相互呈近似90°的角度。这意味着当平台5单纯绕着一轴线倾斜时，相对惠斯通电桥的输出信号，尤其是输出电压会以相同的值变化，而极性符号是不同的。因而，可使用两个惠斯通电桥确定平台5已发生偏转的方向。假如平台5仅在z-方向上移动，即上升或下降，则四个惠斯通电桥的输出信号具有相同的数值和极性符号。惠斯通电桥均具有相同的布线。对同时升降和倾斜的情形而言，在每种情况下可从惠斯通电桥的四个输出信号确定出平台5在三个自由度上的位置。

图4示出了压阻元件10的实施例。压阻元件10为U形。箭头25、26指示电流方向。

根据图5的可替换实施例，压阻元件10’是直的。该元件基本上占据了柔性铰接件6的整个宽度。连接线27在柔性铰接件6上被引导。然而，由于压阻元件10’同样不得不在另一侧被接触，所以遍及相邻柔性铰接件6’地引导另一连接线28。如果压阻元件10’布置在平台侧，则连接线28也遍及平台地被引导至压阻元件10’。如果压阻元件10’布置在衬底侧，则连接线28同样遍及衬底地被引导。

图6为U形压阻元件10的详细视图。可以看出，在压阻元件10的周围设置沟槽30以实现绝缘目的。同样在U形压阻元件10的臂之间设置沟槽31。

Claims (15)

1.一种系统(1)，其包括衬底(4)和平台(5)，所述平台(5)通过至少一个柔性铰接件(6,6’,6”)连接到所述衬底(4)并且相对于所述衬底是可移动的，并且所述系统包括具有多个压阻元件(10,10’,14,15,16)的至少一个位置传感器，所述多个压阻元件被连接以形成电桥，一个压阻元件(10,10’)布置在所述至少一个柔性铰接件(6)上或所述至少一个柔性铰接件处，其特征在于，至少一个压阻元件(14,15,16)布置在所述衬底(4)或所述平台(5)上或者布置在所述衬底或所述平台处。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，刚好一个压阻元件(10,10’)布置在所述柔性铰接件(6)上或所述柔性铰接件处，并且三个压阻元件(14,15,16)布置在所述衬底(4)或所述平台(5)上或者布置在所述衬底或所述平台处、且被连接以形成惠斯通电桥(17)。

3.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，至少一个压阻元件(10,10’,14,15,16)由掺杂的单晶或多晶半导体材料制成。

4.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，至少一个压阻元件(10)是U形的。

5.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，至少一个压阻元件(10,10’,14,15,16)被不透光层覆盖。

6.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，在所述衬底(4)或所述平台(5)上布置至少一个温度传感器。

7.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，设置多个柔性铰接件(6,6’,6”)以及两个、优选四个位置传感器，其中所述柔性铰接件的数量可以由二整除、优选地由四整除，所述位置传感器绕着所述平台均匀地布置。

8.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，所述压阻元件(10,10’)在特别均匀的柔性铰接件(6)上被布置在同一点处。

9.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，所述压阻元件(10,10’)布置在所述柔性铰接件(6)的平台侧上或衬底侧上。

10.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，连接到布置在所述平台(5)上的压阻元件(14,15,16)的至少一根连接线(18,19,20,21)遍及柔性铰接件(6’,6”)地延伸。

11.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，在柔性铰接件(6’,6”)上布置至少两根连接线(18-21)。

12.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，连接到在柔性铰接件(6)上布置的压阻元件(10’)的连接线(28)遍及相邻柔性铰接件(6’,6”)和所述平台(5)或所述衬底(4)地被引导。

13.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，在所述平台(5)上布置反射镜(7)。

14.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，在所述平台(5)下方布置磁体(9)或可磁化材料，并且在所述磁体(9)或所述可磁化材料的区域中设置至少一个线圈(100)。

15.根据前述权利要求任一所述的系统，其特征在于，设置测量设备和分析设备以测量和分析所述位置传感器的信号。