CN107250876B - 混合mems扫描模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描设备(20)，该扫描设备包括基座(44)，该基座包含沿着万向支架轴线设置的一个或多个旋转轴承(32)。万向支架(30)包括适配到旋转轴承中的轴(70)，使得万向支架围绕万向支架轴线相对于基座旋转。反射镜组件(60)包括半导体衬底，该半导体衬底已被蚀刻和涂覆以限定固定到万向支架的支座(26)；包含在支座内的至少一个反射镜(24)，以及将至少一个反射镜连接到支座并且限定至少一个反射镜轴线的连接构件(28)，该至少一个反射镜围绕该至少一个反射镜轴线相对于支座旋转。

Description

混合MEMS扫描模块

技术领域

本发明整体涉及微机械系统，并且具体地涉及使用此类系统的光学扫描。

背景技术

微机电系统(MEMS)是使用改进的半导体器件制造技术(诸如光刻、蚀刻和薄膜沉积)制造的非常小的机器(在几微米至约10毫米的范围内)。目前的MEMS器件特别包括用于光学投影和感测的微型扫描镜。

例如，公开内容以引用方式并入本文的美国专利7,952,781描述了扫描光束的方法和制造微机电系统(MEMS)的方法，所述方法可结合到扫描设备中。在PCT国际公布WO2014/064606中描述了用于制造MEMS扫描设备的其他方法，其也通过引用方式并入本文。

美国专利申请公开2013/0207970(其公开内容以引用方式并入本文)描述了一种扫描深度引擎，其包括发出包含光的脉冲的光束的发射器以及被配置为在场景上方在预定义的扫描范围内扫描光束的扫描器。扫描器可包括使用MEMS技术制备的微镜。接收器接收从场景反射的光并生成用于指示往返于场景中的点的脉冲的渡越时间的输出。处理器被耦合以控制扫描器并处理接收器的输出，以便生成场景的3D图。

使用MEMS技术的另一渡越时间扫描器为Fraunhofer Institute for PhotonicMicrosystems(IPMS)(Dresden,Germany)制备的Lamda扫描器模块。该Lamda模块是基于由相同扫描镜元件组成的分段式MEMS扫描器设备而构造的。经校准的发射光束的单个扫描镜平行于接收器光学器件的分段式扫描镜设备而振荡。

PCT国际公布WO 2014/016794(其公开内容以引用方式并入本文)描述了用于此类反射镜的双轴MEMS扫描镜和磁驱动布置。在所公开的实施方案中，微镜安装在微型万向支架基座上，使得基座相对于支撑结构在低频(慢)扫描方向上旋转，同时微镜本身相对于基座在高频(快)扫描方向上旋转。通过适当地蚀刻半导体衬底以将微镜与基座分离并将基座与用作支撑结构的剩余衬底分离来制备微镜组件。同一磁驱动器可用于为快扫描和慢扫描提供动力。

美国专利申请公布2014/0153001(其公开内容以引用方式并入本文)描述了万向扫描镜阵列，其中衬底被蚀刻以限定两个或更多个平行微镜的阵列以及围绕所述微镜的支座。相应主轴将微镜连接到支座，从而限定微镜相对于支座的相应平行旋转轴。一个或多个柔性耦合构件连接到微镜，以便同步微镜围绕相应轴的振荡。

发明内容

下文描述的本发明的实施方案提供改进的基于MEMS的扫描模块。

因此，根据本发明的实施方案，提供了一种包括基座的扫描设备，该基座包含沿着万向支架轴线设置的一个或多个旋转轴承。万向支架包括适配到旋转轴承中的轴，使得万向支架围绕万向支架轴线相对于基座旋转。反射镜组件包括半导体衬底，其已被蚀刻和涂覆以限定固定到万向支架的支座；包含在支座内的至少一个反射镜，以及将至少一个反射镜连接到支座并且限定至少一个反射镜轴线的连接构件，所述至少一个反射镜围绕所述至少一个反射镜轴线相对于所述支座旋转。

在所公开的实施方案中，轴承包括滚动元件轴承，其包括固定到基座的外座圈和固定到万向支架的轴的内座圈。通常，一个或多个旋转轴承包括设置在万向支架轴线的相对端处的一对轴承，其中至少一个反射镜轴线垂直于万向支架轴线。

在一些实施方案中，连接构件包括沿着至少一个反射镜轴线布置的铰链。在一个实施方案中，所述至少一个反射镜包括包含在支座内的两个或更多个反射镜的阵列，并且铰链包括两对或更多对铰链，它们分别连接到两个或更多个反射镜并限定相应的相互平行的反射镜轴线，反射镜围绕所述轴线旋转。通常，阵列中的反射镜以足以使反射镜围绕相应反射镜轴线的振荡同步的耦合强度耦合在一起。

在一些实施方案中，该设备包括驱动器，该驱动器耦合到反射镜组件和万向支架，以使得至少一个反射镜以第一频率围绕至少一个反射镜轴线旋转，同时使万向支架以低于第一频率的第二频率围绕万向支架轴线旋转。通常，第一频率是支座内的至少一个反射镜的旋转的谐振频率。

在所公开的实施方案中，驱动器是电磁驱动器，其包括定子组件，该定子组件固定到基座并且具有包含气隙的至少一个包芯和包括导线的一个或多个线圈，所述导线缠绕在至少一个芯上以使所述至少一个芯响应于在导线中流动的电流而在气隙中生成磁场。至少一个转子包括一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体固定到万向支架的轴并且被定位在气隙中以响应于磁场而旋转。驱动电路被耦合以将电流施加到一个或多个线圈。

在一个实施方案中，至少一个转子包括固定到至少一个反射镜的一个或多个另外的永磁体，并且定子组件包括邻近至少一个反射镜定位并且缠绕有一个或多个另外的线圈的另外的芯。驱动电路被耦合以将电流以第一频率施加到一个或多个另外的线圈并且以第二频率施加到缠绕在包含气隙的至少一个芯上的一个或多个线圈。

根据本发明的实施方案，还提供了一种用于制备扫描设备的方法。该方法包括蚀刻和涂覆半导体衬底以便限定至少一个反射镜，围绕至少一个反射镜的支座以及将至少一个反射镜连接到支座并且限定至少一个反射镜轴线的连接构件，所述至少一个反射镜围绕所述至少一个反射镜轴线相对于支座旋转。支座固定到具有轴的万向支架。将轴适配到由基座保持在万向支架轴线上的一个或多个旋转轴承中，使得万向支架围绕万向支架轴线相对于基座旋转。

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

附图说明

图1是根据本发明实施方案的包括混合扫描模块的扫描设备的示意性图示；

图2是图1的扫描模块的示意性后视图；

图3是图1的扫描模块的示意性分解图；并且

图4是根据本发明的另一个实施方案的混合扫描模块的示意性图示。

具体实施方式

在上述PCT国际公布WO 2014/016794中描述的类型的MEMS扫描模块具有体积小、重量轻和能量消耗低的优点。当扫描频率接近扫描元件围绕其铰链的旋转的谐振频率时，能量消耗尤其低，但是在其他频率下可急剧上升。在WO 2014/016794中描述的各种扫描仪设计和应用中，谐振扫描在反射镜相对于万向支架的“快轴”扫描中实现，但是万向支架本身的“慢轴”扫描在准静态模式下驱动，其扫描频率远低于谐振频率。

为了减少能量消耗，特别是在非谐振扫描中，期望铰链被制成在扭转时尽可能地柔性。对于通过蚀刻硅晶片产生的MEMS结构，通常通过使铰链更薄来实现更大的柔性。然而，薄铰链还具有减小的线性位移阻力，这使得它们在受到机械冲击和振动时更容易断裂。因此，在MEMS扫描器的设计中，在万向支架在其上旋转的铰链的耐久性和驱动旋转所需的能量之间进行权衡存在困难。

本文描述的本发明的实施方案使用混合设计来解决这个难题，其将MEMS铰链和机械轴承的优点组合在单个扫描设备中。在所公开的实施方案中，通过蚀刻和涂覆半导体衬底以限定一个或多个反射镜、周围的支座和连接构件(诸如将反射镜连接到支座的铰链)来制备反射镜组件。支座继而固定到万向支架，该万向支架通常不是MEMS设备，而是具有适配到扫描设备的基座中的一个或多个旋转轴承中并在该旋转轴承内旋转的轴。因此，每个反射镜围绕由经蚀刻的铰链限定的反射镜轴线相对于支座和万向支架旋转，而支座和万向支架围绕由轴承限定的万向支架轴线相对于基座旋转。一条或多条反射镜轴线和万向支架轴线通常(但不一定)相互垂直，以便进行双轴全扫描。

在这种混合设备中，MEMS组件可被设计成使得一个或多个反射镜具有低惯性并且以基本上任何所需频率围绕铰链振荡，包括具有高品质因数的谐振振荡，从而导致低功耗。另一方面，万向支架可以用刚性轴模制或加工，该刚性轴具有抵抗机械应力的作用，同时只需要最小的能量输入就能驱动其在低摩擦机械轴承中的旋转。因此，混合设备提供比可通过全MEMS或全机械设计实现的更强的稳健性和多功能性以及更低的能量消耗。

现在参见图1至图3，其示意性地示出了根据本发明的实施方案的扫描设备20。图1是设备的图示，而图2提供了后视图，并且图3是分解图。设备20包括扫描模块22，其包括两个反射镜24的阵列，所述两个反射镜相互同步地围绕其相应轴线振荡，如下所述。然而，另选地，设备20中体现的原理可以应用于仅包括单个反射镜(如图4所示并在下面描述)的扫描设备中，以及应用于包含三个或更多个反射镜的阵列的扫描设备中。

如从图3中可以特别清楚地看出，扫描模块22包括安装在机械万向支架组件62中、使用MEMS技术制备的反射镜组件60。万向支架组件62包括万向支架30，其具有轴70，该轴在轴的相对端处适配到一对旋转轴承32中，从而限定万向轴线72。在另选的实施方案(图中未示出)中，万向支架的轴可以保持在单个轴承中，或者保持在一对轴承中，该对轴承在万向支架的同一侧上，而不是在如图所示的相对侧上。轴承32由基座44包含并保持，该基座可以是任何合适的类型和形式(为了清楚起见，它们以虚线绘制)。固定到基座44的定子组件64驱动万向支架30和反射镜24围绕其相应轴线旋转。

组件60中的反射镜24使用MEMS技术制备，诸如上文在背景技术部分中引用的参考文献中描述的技术。蚀刻半导体晶片(通常为单晶硅)以将反射镜24与周围的支座26分离，并且同样产生成对的铰链28，所述铰链将反射镜沿着反射镜轴线连接到支座。因此，铰链28限定反射镜轴线68，该反射镜轴线通常彼此平行并且垂直(或至少不平行)于万向支架轴线72。使用本领域已知的薄膜沉积技术，在反射镜24的表面上形成通常为金属的反射涂层。铰链28是可将一个或多个反射镜连接到支座并使反射镜能够旋转的这类连接构件的一个示例；但是在另选的实施方案(图中未示出)中，如本领域已知的那样，可以从晶片蚀刻出其他类型的连接构件，诸如悬臂结构或倾斜结构。

通常，反射镜24具有反射区域，其可以是在5-250mm²范围内的任何区域，具体取决于应用要求，而组件60具有小于1mm的晶片厚度。考虑到这些参数，可以使反射镜24在高频率(通常为2-25kHz)下围绕轴线68旋转大角度(通常为±10-25°)。组件60可以密封在透明盖(图中未示出)内，甚至可以抽真空以减小空气阻力并消除反射镜24旋转时的声学噪声。在一些实施方案中，组件60被设计成使得反射镜24以期望的扫描频率围绕轴线68谐振地旋转。谐振频率由组件的惯性、材料特性(弹性和刚度)以及铰链几何形状决定。

在图示的实施方案中，反射镜24的各个旋转耦合在一起，使得反射镜围绕相应轴线的振荡是同步的。为此，铰链28的端部连接到横向横梁66，该横梁同样从晶片蚀刻出并变形为铰链28。选择包括横梁66的柔性、弹性支座26的结构，使得支座自身以足以使它们围绕相应旋转轴线的振荡同步的耦合强度来将反射镜24的运动耦合在一起。为此，设计并蚀刻组件60的部件，以便限定组件(同时包括支座26和反射镜24)的总体振荡的谐振模式，从而具有足够高使得反射镜以谐振频率同步地旋转的品质因数。支座26沿其边缘安装在万向支架30中，使得该谐振振荡模式仅由刚性万向支架最小程度地阻尼。

或者，反射镜24之间的必要耦合可由柔性耦合构件提供，例如如上述美国专利申请公布2014/0153001中所述，或通过反射镜之间的电耦合或磁耦合提供。

与反射镜组件60相比，万向支架30通常通过例如模制或机加工工艺由塑料、金属或复合材料制成。在图示的实施方案中，轴70的端部处的轴承32是滚动元件轴承，诸如滚珠轴承。因此，如本领域已知的那样，轴承32的内座圈76固定到轴70，而外座圈78固定到基座44，其中滚珠79在座圈之间滚动。另选地，可以在设备20中使用任何其他合适类型的低摩擦轴承。适用于反射镜运动的轴承的一个示例是具有所需运动范围的挠性枢轴轴承，其具有恢复弹簧以稳定系统动力学。在其他构造中，可以使用滑动轴承。

反射镜24和万向支架30的旋转由电磁驱动器驱动，该电磁驱动器包括定子组件64和转子34和50以及连接到定子组件的驱动电路40，所述转子分别固定到万向支架的轴70和反射镜24的背侧(如图2所示)。在上述PCT国际公布WO 2014/016794中详细描述了这种电磁驱动器的原理。这些原理应用于设备20中以驱动反射镜24以一个频率(通常是高(可能是谐振的)频率)围绕轴线68旋转，同时使万向支架30以较低的频率围绕轴线72旋转。

在光学应用中，通常选择反射镜24和万向支架30的旋转的频率和振幅，以便将光栅扫描限定在感兴趣的角度范围内。光学器件42(诸如在WO 2014/016794中所述的光学和光电部件)将辐射束朝反射镜24引导，该反射镜在感兴趣的场景或区域上扫描光束，以及/或者接收从场景或区域经由反射镜反射的辐射。假设光学器件42包括合适的光束组合器(未示出)，则两个反射镜24均可用于发射和接收，或者另选地，一个反射镜可用于发射，并且另一个反射镜可用于接收。此外可另选地，根据使用设备20的应用，光学器件42可仅发射辐射或仅通过扫描模块22接收辐射。根据应用，扫描模块可包括具有任何合适形状和几何布置的较小或较大数量的反射镜。所有这些替代具体实施和应用被认为在本发明的范围内。

为了驱动万向支架30的旋转，定子组件64包括一对芯36，该对芯包括固定到基座44的合适的磁性材料。导线的线圈38缠绕在芯36上。芯36包含气隙76，转子32定位在该气隙中。转子32包括固定在轴70的两端处的永磁体74。(另选地，万向支架30在轴承32中的旋转可由轴70的一端处的单个芯和单个磁转子驱动。)

驱动电路40对线圈38施加时变电流，这使得芯36在气隙76中生成时变磁场。通常，驱动电路40包括频率发生器，该频率发生器与合适的放大器一起以期望的一个或多个频率生成电信号，以向线圈提供期望的电流电平。在气隙76中生成的磁场与转子34的磁化相互作用，从而使得转子以旋转频率在气隙76内来回旋转，该旋转频率由电路40施加的电流的交变频率确定。

定子组件64包括附加的一对芯52，该对芯被定位成其前端靠近反射镜24背侧上的转子50。转子50通常包括永磁体，其可以凹入到反射镜24中，使得反射镜的质心沿轴线68定位或至少更靠近该轴线定位。芯52用导线线圈54缠绕，该导线线圈也由驱动电路40产生的时变电流驱动。在这种情况下，驱动电流在反射镜24围绕轴线68旋转的期望(更高)频率下交替。从芯52的前端发出的所得时变磁场使转子50并进而使反射镜24围绕铰链28来回振荡。另选地，单个绕线芯可用于驱动两个反射镜的旋转。

以举例的方式示出了芯36和52以及对应的线圈38和54和转子34和50的形状和几何结构。在阅读本公开和本文引用的参考文献之后，使用较少或较多数目的不同形状和/或不同位置的芯、线圈和转子的其他合适布置和构造对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且被认为是在本发明的范围内。

此外，反射镜组件60和万向支架组件62围绕相应轴线的旋转可通过除了图中所示的特定磁驱动器配置之外的其他方式以期望的频率被驱动。例如，施加到线圈38的驱动电流可包括差分高频分量，使得从芯36发出的磁场也以高频驱动转子50的旋转。作为另一个示例，反射镜24可围绕轴线68不对称地加权，以便将反射镜围绕这些轴线的旋转机械耦合到万向支架30围绕轴线72的旋转。因此，当万向支架30被驱动旋转时，一些旋转能量将被耦合到反射镜24围绕其轴线的谐振旋转中。在上述PCT国际公布WO 2014/016794中描述了这些类型的另选驱动模式。

作为又一个示例，其他类型的驱动器诸如静电驱动器可用于设备20中，特别是用于驱动反射镜24的旋转。例如，可修改Hah等人在“Theory and Experiments of AngularVertical Comb-Drive Actuators for Scanning Micromirrors”(IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics 10:3(2004年5月/6月)，第505-513页)中描述的致动器，以驱动设备20中的反射镜24。另选地，驱动器可基于音圈致动、压电致动或本领域已知的任何其他合适的方法。

图4是根据本发明的另一个实施方案的混合扫描模块80的示意性图示。模块80的构造和操作类似于模块22，不同的是模块80仅包括单个扫描镜82。扫描镜82通过使用上述那种MEMS处理通过由半导体晶片制备的铰链86附接到支座84。支座84固定到万向支架30，其与前述图中所示的万向支架基本上相同，对应的驱动部件也固定到该万向支架。扫描镜82围绕铰链86的旋转可由磁驱动器(类似于图2所示的磁驱动器)驱动，或者由上述任何其他装置驱动。

因此，应当理解，上述实施方案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 (11)

1.一种扫描设备，包括：

基座，所述基座包含设置在万向支架轴线的相对端处的一对旋转轴承；

万向支架，所述万向支架包括适配到所述旋转轴承中的轴，使得所述万向支架围绕所述万向支架轴线相对于所述基座旋转；

反射镜组件，所述反射镜组件包括半导体衬底，所述半导体衬底已被蚀刻和涂覆以限定：

支座，所述支座沿着所述支座的边缘安装在所述万向支架中；

反射镜，所述反射镜包含在所述支座内；和

连接构件，所述连接构件将所述反射镜连接到所述支座并且限定反射镜轴线，所述反射镜围绕所述反射镜轴线相对于所述支座旋转；以及

电磁驱动器，所述电磁驱动器被配置为使得所述反射镜以第一频率围绕所述反射镜轴线旋转，同时使得所述万向支架以低于所述第一频率的第二频率围绕所述万向支架轴线旋转，所述电磁驱动器包括：

定子组件，所述定子组件被固定到所述基座并且包括至少一个第一芯，所述至少一个第一芯包含气隙和包括缠绕在所述至少一个第一芯上的导线的一个或多个第一线圈，以使得所述至少一个第一芯响应于在所述导线中流动的电流而在所述气隙中生成磁场，以及其中所述定子组件包括第二芯，所述第二芯邻近所述反射镜定位并且缠绕有所述导线的一个或多个第二线圈；

至少一个转子，所述至少一个转子包括一个或多个第一永磁体以及一个或多个第二永磁体，所述一个或多个第一永磁体被固定到所述万向支架的所述轴并且被定位在所述气隙中以响应于所述磁场而旋转，所述一个或多个第二永磁体被固定到所述反射镜；和

驱动电路，所述驱动电路被耦合以将所述电流施加到所述一个或多个第一线圈和所述一个或多个第二线圈，其中所述驱动电路被耦合以将所述电流以所述第一频率施加到所述一个或多个第二线圈并且以所述第二频率施加到缠绕在包含所述气隙的所述至少一个第一芯上的所述一个或多个第一线圈。

2.根据权利要求1所述的扫描设备，其中所述轴承包括滚动元件轴承，所述滚动元件轴承包括被固定到所述基座的外座圈和被固定到所述万向支架的所述轴的内座圈。

3.根据权利要求1所述的扫描设备，其中所述连接构件包括沿着所述反射镜轴线布置的铰链。

4.根据权利要求3所述的扫描设备，其中所述反射镜是包含在所述支座内的两个或更多个反射镜的阵列的一部分，并且其中所述扫描设备包括两对或更多对铰链，所述两对或更多对铰链被分别连接到所述两个或更多个反射镜并且限定相应的相互平行的反射镜轴线，所述反射镜围绕所述反射镜轴线旋转。

5.根据权利要求4所述的扫描设备，其中所述阵列中的所述反射镜以足以使所述反射镜围绕相应的反射镜轴线的振荡同步的耦合强度耦合在一起。

6.根据权利要求1所述的扫描设备，其中所述第一频率是所述反射镜在所述支座内旋转的谐振频率。

7.一种用于制造扫描设备的方法，所述方法包括：

蚀刻并涂覆半导体衬底以限定：

反射镜；

支座，所述支座围绕所述反射镜；和

连接构件，所述连接构件将所述反射镜连接到所述支座并且限定反射镜轴线，所述反射镜围绕所述反射镜轴线相对于所述支座旋转；

将万向支架的轴插入由基座保持在万向支架轴线的相对端处的一对旋转轴承中，使得所述万向支架围绕所述万向支架轴线相对于所述基座旋转；

将所述支座安装在所述万向支架中；以及

驱动反射镜组件和所述万向支架，以使得所述反射镜以第一频率围绕所述反射镜轴线旋转，同时使得所述万向支架以低于所述第一频率的第二频率围绕所述万向支架轴线旋转，

其中驱动所述反射镜组件和所述万向支架包括：

将定子组件固定到所述基座，所述定子组件包括至少一个第一芯和第二芯，所述至少一个第一芯包含气隙和包括缠绕在所述至少一个第一芯上的导线的一个或多个第一线圈，所述第二芯邻近所述反射镜定位并且缠绕有所述导线的一个或多个第二线圈；

施加电流以在所述导线中流动以使得所述至少一个第一芯响应于所述电流而在所述气隙中生成磁场，其中所述电流以所述第一频率被施加到所述一个或多个第二线圈并且以所述第二频率被施加到缠绕在包含所述气隙的所述至少一个第一芯上的所述一个或多个第一线圈；

固定至少一个转子，所述至少一个转子包括一个或多个第一永磁体以及一个或多个第二永磁体，所述一个或多个第一永磁体被固定到所述万向支架的所述轴，以及所述一个或多个第二永磁体被固定到所述反射镜；以及

将所述一个或多个第一永磁体定位在所述气隙中，以便响应于所述磁场而旋转。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述轴承包括滚动元件轴承，并且其中插入所述轴包括将所述轴承的外座圈固定到所述基座并且将所述轴承的内座圈固定到所述万向支架的所述轴。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述连接构件包括沿着所述反射镜轴线布置的铰链。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述反射镜是包含在所述支座内的两个或更多个反射镜的阵列的一部分，并且其中所述扫描设备包括两对或更多对铰链，所述两对或更多对铰链被分别连接到所述两个或更多个反射镜并且限定相应的相互平行的反射镜轴线，所述反射镜围绕所述反射镜轴线旋转。

11.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一频率是所述反射镜在所述支座内旋转的谐振频率。

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