CN107783280B - 扫描微机电反射器系统 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及扫描微机电反射器系统。通过将致动器的移动端固定至使反射器从框架悬挂下来的悬挂件来机械地放大使用MEMS反射镜系统中的弯曲压电致动器获得的致动范围。固定点位于悬挂件的两个端部之间的某个地方。致动器和悬挂件一起形成其制动范围比致动器通过其自身可以获得的致动范围大的致动器单元。在一个实施方式中，悬挂件是刚性杆。在另一实施方式中，悬挂件是另一弯曲致动器，使得可以从第二致动器的致动运动获得致动范围的额外增加。

Description

扫描微机电反射器系统

技术领域

本公开内容涉及微机电致动的扫描反射器。

背景技术

扫描微机电(MEMS)反射器可以用在成像设备例如光检测与测距传感器(LIDAR)中。扫描MEMS反射器可以包括至少一个移动反射器，其可以将来自激光发射器的光束朝周围环境反射。额外的固定反射器可以被包括在移动反射器与环境之间的光路中。返回光束可以由反射出射光束的同一固定反射器和移动反射器向内朝光检测器反射。

扫描MEMS反射器的成像区域(即，视场)部分地由移动反射器可以倾斜的程度确定。这在图1中进行说明，图1示出了反射器系统的简化的二维简图。激光发射器11发射光束111。移动反射器12从扭力梁悬挂下来并且可以绕z轴线旋转。用实线示出已经旋转至其逆时针极端位置处的发射器12。从该位置反射的光束121也用实线示出。用虚线示出已经旋转至其顺时针极端位置处的发射器12。从该位置反射的光束122也用虚线示出。例如，在适当地布置固定反射器(图1未示出)的情况下，光束121和122可以在平行于y轴线的方向上投影。在该简化的简图中，反射器的成像区域将由两个光束121与122之间的角度α和固定反射器(未示出)的布置确定。如图1所见，α的大小由反射器12可以获得的倾斜角度的范围确定。

在一些扫描反射器中，成像区域延伸至图1的激光反射器11的右边和左边。在该情况下，反射器12绕z轴线逆时针旋转的极端必须延伸得远到使得光束121在图1的向左的方向上被反射。扫描反射器的成像区域将再次依赖于光束121与122之间的角度α，并且依赖于固定反射器如何布置在移动反射器12的周围和上方。

上述的运动是反射器绕一个轴线——图1的z轴线——的振荡旋转。这在本公开内容中将称为倾斜模式振荡。倾斜模式振荡中的扫描运动仅由一个线扫描组成并且被限制在图1的xy平面的一个层。

如果需要通过多个层的扫描运动，则光束111必须反射出图1的xy平面。这可以使用所谓的摆动反射器来实现。摆动反射器不附接至旋转轴线，但是摆动反射器经受模拟绕两个轴线旋转的运动。该摆动运动涉及以适当地协调且定时的顺序使各个反射器侧面上升和下沉。

可以使用图2中示意性图示的系统来生成摆动运动。图2示出了在yz平面中的圆形反射器21。该反射器21通过固定在围绕反射器21的边缘的对称定位的位置处的四个致动器221、222、223以及224从框架22悬挂下来。每个致动器由电压控制，并且每个致动器可以在该致动器被固定至边缘的点处使反射器边缘向上上升或使反射器边缘向下下沉。

通过适当地协调每个致动器的上升和下沉运动，反射器表面可以在任何方向远离yz平面地倾斜。例如，如果致动器224使其被固定至的边缘上升，而致动器222使其被固定至的边缘下沉，并且221和223二者均使它们被固定至的边缘保持在中间位置，则反射器的运动模拟绕y轴线的倾斜。如果致动器221上升而223下沉，并且222和224二者均停留在中间位置，则反射器的运动模拟绕z轴线的倾斜。如果致动器222和221上升而223和224下沉，则反射器的运动模拟绕y轴线和z轴线二者的复合倾斜。

使用适当地定时且协调的致动，当反射器经受摆动运动时，反射光束121和122可以因此围绕x轴线环形移动。然后扫描反射器的成像区域近似于围绕x轴线的图1所示的角度α的360°圆形映射。在本公开内容中该扫描运动将称为摆动模式振荡。

在倾斜和摆动模式振荡二者中，反射器运动具有相对于静止位置的一定的倾斜幅度。如果反射器的静止位置在图1的yz平面中是平的，则当反射器已经尽可能多的倾斜时，倾斜幅度是x轴线与反射器表面法线之间的角度。该幅度是扫描MEMS反射器中重要的设计参数。

反射器运动还具有一定的倾斜振荡频率，在该频率上致动器运动被驱动。在LIDAR应用中，该频率可以在0.5kHz至5kHz的范围中。

MEMS反射器中的第二个重要设计参数是反射器自身的光学面积。发射光束中的一些在被其周围环境中的物体反射回之后朝向扫描MEMS反射器返回。具有大光学面积的反射器与小光学面积的反射器相比能更有效地捕获这些返回光束，因为具有大光学面积的反射器将更多量的来自环境的入射光传送至光检测器。光学面积的增加使得能够识别更远距离的物体。因此光学面积对LIDAR扫描器的范围具有显著的影响。

在本公开内容中，术语“致动器”指的是压电或电容性部件，其响应于施加于该部件的电压而经受物理位移(通常是弯曲或平移)。当致动器被利用周期AC电压信号控制时，致动器可以用于驱动振荡运动。用于扫描MEMS反射器的弯曲压电致动器可以包括硅层，其涂覆有压电层和向压电层传输电压信号的导电层。大约50μm厚的硅层是足够薄的，在施加有电压时，其与压电材料一起弯曲。在本公开内容中，术语“致动单元”指的是与刚性杆或额外的致动器组合的致动器。

扫描MEMS反射器中的“刚性杆”可以是细长的硅梁。细长的硅梁通常具有与弯曲压电致动器中的硅层相同的厚度，因为它们是以相同的工艺制备的。这意味着在本公开内容中，术语“刚性杆”不是指示该杆在任何绝对刚度级上是坚固的。形容词“刚性的”用作为形容词“弯曲的”的对位。换句话说，术语“刚性杆”指示，当致动单元被致动时，构成杆的硅梁的弯曲比“弯曲压电致动器”的弯曲小得多。当致动器驱动构成“刚性杆”的硅梁向上和向下时，该硅梁可能有一定程度的弯曲，但是该梁中的弯曲度将小于本公开内容中所描述的任何致动器的最大弯曲度。

在本公开内容中，术语“致动系统”指的是若干个单独受控制的致动单元的组合。术语“致动范围”指的是给定的致动单元在一个方向上可以产生的距其静止点的最大位移。大多数致动器可以在两个相反方向上产生相同的最大位移。

设置反射器运动的致动单元可以固定至反射器的边缘处的固定点。如果致动器的致动范围是D，倾斜幅度是β并且反射器的半径是R，则三者之间的关系是D＝R·tan(β)。因此，如果扫描MEMS反射器中的圆形反射器的直径是例如4mm，则15°的倾斜幅度(即，距静止位置±15°的倾斜振荡)要求致动单元必须在两个方向上使边缘距其静止位置移位大于500μm。这是大位移。

扫描MEMS反射器可以采用压电或静电致动器。由两种类型的致动器产生的力较弱，但是可以通过各种方法增加得到的倾斜幅度(和反射器位移)。增加倾斜幅度的一种方式是以对应于谐振模式的频率来驱动反射器倾斜振荡。如果移动反射器周围的气压低，则该谐振增益可以被最有效地利用。在这样的应用中，包含反射器的封装可能必须从周围环境密封。增加倾斜幅度的另一种方式是利用机械放大。在本开开内容中将描述用于机械放大的致动单元。机械放大可以有利地与谐振增益结合。

可以使用电容性致动器和压电致动器实现本公开内容中呈现的机械放大的原理，但是电容性实现更加复杂。例如，电容性致动单元可以基于平板电容性制动器，其中一个电极板放置在硅梁上而另一个电极板放置在硅梁上方或下方，由垂直间隙隔开。然而，由该电容性致动器产生的垂直运动的幅度受到必须是几个μm的量级的间隔间隙的限制。另一替选方案是使用如下述现有技术文献中的梳式电容性致动器：Hofmann等人的ResonantBiaxial 7-mm MEMS Mirror for Omnidirectional Scanning(Journal of Micro/Nanolithography,MEMS,and MOEMS 13(1),011103(2014年1月至3月))。然而，在不显著地增加致动系统的表面面积的情况下，梳式致动不易与硅梁集成。

因此，本公开内容集中于弯曲压电致动器。在整个面外弯曲压电致动器的振荡往返运动中，面外弯曲压电致动器产生沿其位移方向的力。面外弯曲压电致动器非常适合于受控的机械放大，因为压电薄膜及其电连接器可以集成到弯曲硅梁并且适合于梁的形状，使得致动单元不需要任何额外的专用芯片区域。这将在下面更详细地说明。

本公开内容涉及用于扫描MEMS反射器的压电致动机构。现有技术文献WO2015075222公开了适用于LIDAR应用并且由压电元件致动的扫描MEMS反射器。在所公开的解决方案中，压电致动器利用弹簧固定至反射器的边缘。由压电致动器产生的垂直位移直接转移至反射器的边缘。如在文献WO2015075222中的图4所见，该现有技术解决方案的问题是：致动单元(3)需要非常大的表面面积才能够产生充足的致动范围。反射器1仅占据了设备中间的小面积。WO2015075222中公开的扫描MEMS反射器所需的大的芯片区域限制了扫描MEMS反射器的通用性。

在本公开内容中，使用机械放大来增加压电致动单元的致动范围。US2006227409和US2007171500是利用机械放大来增加MEMS反射器的倾斜幅度的两篇现有技术文献。然而，用于机械放大的这些现有技术解决方案均需要大量的表面面积。这些现有技术解决方案均不能与大面积反射器一起使用，并且甚至对于小面积反射器，它们也需要大的芯片尺寸。此外，它们均不能产生摆动模式振荡。

发明内容

本公开内容的目的是提供一种克服上述问题的装置和相关联的方法。特别地，本公开内容的目的是呈现用于扫描MEMS反射器的致动器系统，其中，可以在小的表面面积上获得提高的致动范围。

通过特征在于独立权利要求中所陈述的内容的装置和方法来实现本公开内容的目的。在从属权利要求中公开了本公开内容的优选的实施方式。

本公开内容基于通过将致动器的移动端固定至使反射器从框架悬挂下来的悬挂件来机械地放大弯曲压电致动器的致动范围的构思。该固定点位于悬挂件的两个端部之间的某个地方。致动器和悬挂件一起形成致动范围比致动器通过其自身可以获得的致动范围大的致动器单元。在一个实施方式中，悬挂件是刚性杆。在另一实施方式中，悬挂件是另一弯曲致动器，并且从该第二致动器的致动运动获得倾斜幅度的额外增加。该构思的三个实施方式将在下面描述。

本公开内容的装置和方法的优点是：可以通过具有小表面面积的致动系统将具有大表面面积的反射器驱动进入具有大倾斜幅度的倾斜振荡。例如，可以利用增加的致动范围来放松与反射器腔中的低气压有关的基于谐振的设计要求，或者简单地增加扫描MEMS反射器的成像区域。另一重要的效益是：可以使用不太有效的压电材料(例如，氮化铝)来代替高效但对环境不利的材料，例如PZT(锆钛酸铅)或其他铅化合物。

附图说明

下面，将参照附图借助于优选的实施方式更详细地描述本公开内容，在附图中：

图1示出了经受倾斜模式振荡的扫描MEMS反射器的简图。

图2示出了被构造用于摆动模式振荡的扫描MEMS反射器的简图。

图3示出了根据第一实施方式的扫描MEMS反射器系统。

图4图示了第一、第二以及第三实施方式中的致动单元的操作原理。

图5图示了第一和第二实施方式中的致动单元的操作原理。

图6图示了根据第一实施方式的扫描MEMS反射器系统的变型。

图7图示了根据第二实施方式的扫描MEMS反射器系统。

图8图示了根据第二实施方式的扫描MEMS反射器系统的变型。

图9图示了根据第三实施方式的扫描MEMS反射器系统。

图10图示了第三实施方式中的致动单元的操作原理。

图11图示了根据第三实施方式的扫描MEMS反射器系统的变型。

图12是根据三个实施方式中任一个的扫描MEMS反射器设备的示意性横截面。

具体实施方式

下面描述三个实施方式。每个实施方式包括包含框架、反射器以及至少一个致动单元的扫描微机电反射器系统，其中，每个致动单元包括致动器和悬挂件。悬挂件从第一固定点固定至框架，从第二固定点固定至反射器并且从第三固定点固定至致动器。当第三固定点被投影到延伸通过第一固定点和第二固定点的线上时，第三固定点的投影位于第一固定点与第二固定点之间。

在整个本公开内容中，反射器可以包括涂覆有反射涂层的硅板。例如，涂层可以包括一个或更多个金属薄膜层，例如铝膜、银膜、金膜或者铜膜。可替选地，涂层可以包括具有不同折射率的一个或更多个介质膜的堆叠，其中，膜被布置成使得该堆叠反射光。刚性杆悬挂件可以是由与反射器板相同的硅衬底形成的硅梁。弯曲压电致动器可以是下述硅梁，该硅梁也由相同的硅衬底制备而成但涂覆有诸如氮化铝等压电有源层以促进致动运动。弯曲压电致动器还在压电有源层的两侧涂覆有金属电极层，使得致动运动可以由电压信号控制。例如，电极可以由钼、铝或钛制备而成。下面图12图示了扫描MEMS反射器设备的电互连。

在本公开内容中，术语“框架”意指围绕致动系统和反射器并且支撑致动系统和反射器的重量的机械部分。如图12所指示，框架本身可以固定至MEMS扫描反射器设备周围更大的部件。下面的实施方式中呈现的框架是矩形的，但是也可以用不同形状的框架来实现相同的致动放大原理。

术语“悬挂件”意指框架与反射器之间的机械部件。反射器利用悬挂件附接至框架，并且悬挂件和反射器二者相对于框架是可移动的。悬挂件支撑反射器的重量，但是当致动单元被激活时，悬挂件还使反射器相对于框架移动。反射器也可以通过其他元件(例如，扭力杆)被框架支撑。然而，在本公开内容中，扭力杆未被归类为悬挂件，因为扭力杆没有使反射器移动(扭力杆没有对反射器施加任何运动，它仅仅允许扭转运动)。悬挂件可以被实现为刚性杆或者弯曲压电致动器。

第一实施方式涉及用包括弯曲致动器和刚性杆悬挂件的致动单元实现的倾斜模式振荡。在该实施方式中，反射器通过悬挂件和扭力杆被框架支撑。

第二实施方式涉及摆动模式振荡，其也用包括弯曲致动器和刚性杆悬挂件的致动单元实现。在该实施方式中，反射器仅使用悬挂件附接至框架。

第三实施方式涉及包括互连的弯曲致动器的致动单元，所述致动单元可以与前两个实施方式中的任一个组合使用。

图3图示了根据第一实施方式的用于扫描MEMS反射器的致动系统。图3示出了由框架32围绕的具有圆形形状的反射器31。反射器31从扭力梁33固定至框架32，其中，扭力梁33允许反射器31绕z轴线的倾斜模式振荡。如图3所示，反射器的第一对相对边缘从扭力梁33固定至框架32。扭力梁可以例如由以下一对硅桥组成：该对硅桥在y方向上适当地窄并且在x方向上适当地薄以使得当反射器被致动进入振荡运动时，允许反射器31绕z轴线扭转。扭力梁必须足够坚固以承受该扭转运动中产生的应变。扭力杆的最佳尺寸将依赖于反射器的尺寸和质量以及预期的振荡幅度。

图3所示的致动系统包括四个致动单元，其中两个致动单元在图3的扭力梁33的左手侧，两个致动单元在右手侧。在本公开内容中，术语“左”和“右”指的是在图3、图6至图9以及图11中所看到的取向，其中，yz平面中在右手侧的物体在y轴线上的位置坐标大于同一平面中在左手侧的物体。然而，术语“上”和“下”指的是在x轴线而不是z轴线上的距离和运动。换言之，术语“上”和“下”指的是在图3、图6至图9以及图11中描绘的yz平面外的运动。

反射器31的第一对相对边缘从扭力梁33固定至框架。反射器31的第二对相对边缘从至少两个致动单元固定至框架。每个致动单元包括悬挂件34和致动器35。每个悬挂件34在第一固定点311处固定至框架，并且在第二固定点处固定至反射器。第二固定点用左手侧的312和322以及右手侧的332和342进行标记。每个悬挂件34是刚性杆。

关于本公开内容中的术语“固定点”，从图3、图6至图9以及图11中看出，可以在每个固定点处实现不同的固定结构。位于第二固定点312、322、332以及342处的固定结构可以被实现为从悬挂件34的一侧延伸至反射器31的窄的硅桥。类似地，位于第三固定点313处的固定结构可以被实现为从悬挂件34的一侧延伸至致动器35的窄的硅桥。另一方面，如图3所示，位于第一固定点311处的固定结构可以被实现为从悬挂件34的两侧延伸至框架32的窄的硅桥。当给定的固定点处的固定结构太大而不能认为是点状时，固定点的位置可以被分配给该固定点处的固定结构的几何中心。

窄桥是第一、第二以及第三固定点处的合适的固定结构，因为窄桥符合上下致动在位于这些固定点处的固定结构中产生的扭转运动。另一方面，位于第四固定点314处的固定结构应当足够刚性以将致动器35的固定端保持在弯曲时的位置。如图3所示，这些固定结构可以被实现为从致动器35延伸至框架32的宽的桥。可替选地，在第四固定点处的固定结构可以被实现为框架32至致动器35的窄的延伸部。框架在x方向上比扫描MEMS反射器的移动部件更厚，因此即使框架32的窄的延伸部也可以足够刚性以固定致动器35的一端。

第一、第二以及第三固定点不一定要被布置在直线上以产生本公开内容中描述的致动运动。在所有三个实施方式中，实现本公开内容的装置和方法的充分的条件是：第三固定点在延伸通过第一固定点和第二固定点的线上的投影位于第一固定点与第二固定点之间。

例如，图3的悬挂件34是相当窄的梁。在图示的实施方式中，三个固定点311、312以及313被布置成近似在直线上并且大体上在同一yz平面中(虽然如果在每个固定点处寻求不同的机械特性，在这些固定点处的固定结构的厚度可以变化)。然而，悬挂件34也可以具有较宽的形状，其中，第三固定点313的y坐标将不同于相应的第一和第二固定点311和312的y坐标。可替选地，第三固定点313可以整个地位于图3的yz平面下方，使得第三固定点313的x坐标将不同于相应的第一和第二固定点311和312的x坐标。

本公开内容中描述的致动要求：将第三固定点压上或压下(沿x方向)的力产生绕穿过第一固定点处的固定结构的轴线的扭矩，从而推动第二固定点比第三固定点更进一步地向上或向下。每当第三固定点位于下述这样的x、y和z坐标时，该条件被满足，这样的x、y和z坐标使得第三固定点可以投影到延伸通过相应的第一固定点和第二固定点的线上以使第三固定点的投影位于第一固定点与第二固定点之间。

对于第二对相对边缘要注意的是，在该情况下的词语“相对的”仅指定图3的反射器的左手侧与右手侧之间的一般的相对。固定点312、322、332以及342不必如在图3中那样相对于扭力梁33对称地对准。此外，任一边缘上的固定点不必如在图3中那样精确地彼此相邻。

可以仅有左手侧的一个致动单元和右手侧的一个致动单元来实现根据第一实施方式的致动系统。也可以仅有左手侧的一个致动单元而没有右手侧的致动单元或者仅由右手侧的一个致动单元而没有左手侧的致动单元来实现根据第一实施方式的致动系统。在该情况下，一对相对边缘固定至扭力梁，并且边缘的至少一个其他部分固定至致动单元。如上，单独的固定点可以置于边缘上的任何位置，除了扭力梁附接的地方以外。

致动器35是弯曲压电致动器。每个致动器35在第三固定点313处固定至其相应的悬挂件34，并且在第四固定点314处固定至框架32。当扭力梁33的左侧的一对致动单元使左反射器边缘向上/向下移动，并且扭力梁33的相对侧的一对致动单元同时使右反射器边缘向下/向上移动时，反射器31被致动进入倾斜模式振荡。

如果固定至第一边缘(左边或右边)的一个或更多个致动单元中的压电材料与固定至第二边缘的一个或更多个致动单元中的压电材料具有相同的极性，则可以通过利用相反极性的两个电压信号驱动两个致动单元对(左边和右边)来产生该致动运动。另一方面，如果固定至第一边缘(左边或右边)的一个或更多个致动单元中的压电材料与固定至第二边缘的一个或更多个致动单元中的压电层具有相反的极性，则可以通过利用同一电压信号驱动两个致动单元对来产生上文描述的相反的致动运动。

压电材料的极性确定材料将沿电场的方向收缩还是膨胀。可以在极化工艺中设置压电材料(其也是诸如PZT等的铁电体)的极性，其中，极化工艺涉及使用期望极性的外部电场来使材料内部的各个偶极矩在一个方向上对准。在该情况下，可以用相反的极性来对反射器的相对侧上的致动器中的压电材料进行极化。然而，非铁电材料(例如，氮化铝)不能被极化，因为非铁电材料在沉积之后自极化。这些材料中的极化方向通过工艺条件设置，并且在主要沉积工艺没有改变的情况下不能被改变。当利用这样的材料时，所有致动器中的压电材料优选地具有相同的极性。

现在将参照图4和图5更加详细地描述图3所示的致动单元的操作原理。相同的操作原理适用于悬挂件是刚性杆的所有的实施方式。弯曲压电致动器35在点314处固定至框架。当对致动器施加电压时，取决于极性，致动器向上或向下弯曲。图4图示了向下弯曲，但是向上弯曲也包括在每个实施方式中。当致动器35弯曲时，致动器的固定端保持在原位置，相对端向下移动距离H₁。如图3所示，第三固定点313位于致动器35的该移动端。

如图3可见，致动器35可以利用yz平面中的反射器31与框架32之间的可用表面面积。更大的表面面积产生更强的力。在本公开内容的图中图示的框架全部具有显著直的内边缘，仅在每个第一固定点处具有小的凹口。然而，也可以在框架32的内侧制备较大的凹口以适应致动器35和/或悬挂件34的部分。对于增加致动器35的表面面积或者对于以不同的方式定向致动器35和/或悬挂件34使得有更多的空间可用于反射器，一些几何形状的这样的另外的凹口可能是有用的。

同样如图3所示和如上所述，致动器35仅通过形成第三固定点313的窄的连接硅桥固定至悬挂件34。该连接桥必须承受在固定点313处产生的应变，但是在悬挂件34被向下按压时，该连接桥也必须绕y轴线轻微地扭转。因此该连接桥优选地被实现为铰链，这意味着该桥在x方向上被制造得高以有效地将力从致动器传输至悬挂件，但是在yz平面中的至少一个方向上被制造得窄以允许扭转。因为连接桥的狭窄使其在至少一个方向上柔性，所以其中固定结构被实现为铰链的固定点也在一定程度上用作弹簧。

致动单元36也包括悬挂件34。图5图示了当致动器35以图4图示的方式弯曲时悬挂件34的运动。固定点313被致动器35向下按压，这对悬挂件34施加了绕穿过第一固定点311的y轴线的扭矩。在该实施方式和整个本公开内容中，第一固定点311、第二固定点312以及第三固定点313处的固定结构优选地被实现为铰链。如上文所说明的，第四固定点314处的固定结构优选地使用致动器35与框架32之间更宽或更厚的连接来实现。

由致动器35施加于悬挂件34的扭矩使悬挂件绕第一固定点311旋转。如已经提到的，在该实施方式中悬挂件34是刚性杆。因此，悬挂件的在第二固定点312处固定至反射器的边缘的相对端向下移动并且将反射器的边缘向下压。

图5图示了该第一实施方式中的机械放大的原理。悬挂件34的总长度是L₂。从第一固定点311至第三固定点313的距离是L₁。如已经在上面所指示的，当致动器35弯曲时，第三固定点313向下移动距离H₁。第二固定点312向下移动更长的距离H₂并且因此放大了由致动器35实现的致动范围。即使单独致动器35的致动范围仅为H₁，致动单元也实现了致动范围H₂。

第三固定点313可以位于第一固定点311与第二固定点312之间的任何地方。更大值的L₁产生绕穿过第一固定点311的y轴线的更大的扭矩，但是因为H₂＝L₂x H₁/L₁，所以更大值的L₁也实现了更小的致动范围H₂。本领域的技术人员将熟悉阿基米德杠杆原理的这种结果并且可以根据需要优化L₁。

如图6所示，也可以用矩形形状的反射器实现第一实施方式。图6所示的所有部件与图3所示的部件相对应。可以看出，矩形形状的反射器限制了致动器65在yz平面中的表面面积。使用矩形形状的反射器的另一限制是第三固定点613不可以被放置成距第一固定点611很远，因为反射器61朝向框架的拐角延伸得很远。换言之，距离L₁受到反射器表面限制，因此由致动器65产生的扭矩可能比在反射器是圆形的情况下小。然而，另一方面，矩形反射器61的光学面积比圆形反射器的光学面积大。

图7图示了根据第二实施方式的用于扫描MEMS反射器的致动系统。图7示出了由框架72围绕的具有圆形形状的反射器71。为了有利于摆动模式振荡，致动系统包括围绕反射器71对称放置的四个致动单元。反射器在围绕反射器的边缘对称放置的四个固定点处固定至这四个致动单元。

每个致动单元包括悬挂件74和致动器75。每个悬挂件74在第一固定点711处固定至框架，并且在第二固定点712处固定至反射器。每个悬挂件74是刚性杆。如图7所示，与图3描绘的第一实施方式相反，在该实施方式中第二固定点712围绕反射器71的边缘而分布。关于第一实施方式中的固定点的结构和几何形状的一般考虑也适用于该第二实施方式。

致动器75是弯曲压电致动器。每个致动器75在第三固定点713处固定至相应的悬挂件74，并且在第四固定点714处固定至框架。如已经指示的，一个悬挂件-致动器对构成致动单元。当四个致动单元以适当地协调且同步的顺序使它们各自的第二固定点712上下移动时，反射器被驱动进入摆动模式振荡。

如图8所示，也可以用矩形反射器实现该第二实施方式的摆动模式振荡。图8所示的所有部件与图7所示的部件相对应。只有反射器和致动器的形状不同。如在第一实施方式中一样，矩形形状的反射器限制了致动器的表面面积和距离L₁，但是矩形形状的反射器的光学面积比圆形反射器的光学面积大。

摆动模式振荡不一定要求必须精确地存在四个第二固定点(和四个致动单元)，也不一定要求第二固定点必须在反射器边缘上被布置成精确的对称(例如，在图7所示的0°、90°、180°以及270°的位置处)。用于实现摆动模式振荡的充分条件是：反射器在反射器边缘的任何地方上的彼此分开放置的固定点处固定至至少三个致动单元。

图7和图8图示了由矩形框架围绕的四个致动单元和第二固定点。矩形框架内的致动单元(和相应的固定点)的数量可以变化。可替选地，如果框架是三角形，则可以实现三个致动单元，如果框架是五边形，则可以实现五个致动单元，如果框架是六边形，则可以实现六个致动单元等。如果反射器的形状是圆形或与框架的形状相对应，则即使在三角形、五边形以及其他框架几何形状中也可以实现与本公开内容的图中所示的相同的致动单元的几何形状(仅致动器与悬挂件之间的角度改变)。然而，框架的形状与致动单元的数量之间没有必然的联系，因此致动单元的数量也可以小于或大于框架对称数。

例如，可以通过利用四个单独的电压信号驱动图7和图8的四个致动单元来产生同步摆动模式致动，其中，每个信号与前一信号分开90°的相移。更一般地说，在致动单元的数量是n的情况下，如果致动单元围绕反射器的边缘对称放置并且如果每个致动单元被使用单独的电压信号驱动，则每个电压信号可以与前一电压信号分开360°/n的相移。以与上述第一实施方式中相同的方式获得致动运动的机械放大。在摆动模式振荡中，放大以与倾斜模式振荡中相同的方式增加了致动范围(并且因此增加了倾斜幅度)。

图9图示了用于根据第三实施方式的扫描MEMS反射器的致动系统。图9示出了由框架92围绕的圆形反射器91。如在第二实施方式中一样，致动系统包括围绕圆形反射器的边缘对称放置的四个致动单元。

每个致动单元包括悬挂件94和致动器95。如在第二实施方式中一样，悬挂件94围绕反射器91对称定位。如图9所示，所有固定点和它们的布置也与第二实施方式相同。因此，图9所示的反射器以摆动模式振荡。关于第一实施方式中的固定点的结构和几何形状的一般考虑也适用于该第三实施方式。

与第二实施方式相反，在该第三实施方式中，悬挂件94不是刚性杆。相反，悬挂件94是弯曲压电致动器。这在图9中通过使用与致动器95相同的颜色绘制悬挂件94来图示。在该实施方式中，每个致动单元因此包括两个互连的致动器94和95。致动器94也用作悬挂件。同样可以与第一实施方式结合来很好地实现互连的致动器。换言之，倾斜模式振荡也可以由四个致动单元引起，其中每个致动单元包括两个互连的致动器的。

图10图示了该第三实施方式中的机械放大的原理。如前所述，弯曲压电致动器95(图10中未示出但是图9中示出)的一端附接至第三固定点913。响应于所施加的电压，致动器95以与图4中相同的方式弯曲，并且向下按压第三固定点913。

在该第三实施方式中，悬挂件94本身是可以用电压信号控制的弯曲压电致动器。因此，除了在致动器95向下按压第三固定点913时获得的机械放大之外，可以通过对致动器94施加使其甚至进一步向下弯曲的电压来获得致动运动的额外的放大。在致动周期的相反相位中，当致动器95使第三固定点913向上提升时，致动器95也可以由施加的电压向上弯曲。因此，通过致动器94的弯曲，致动范围H₂被进一步放大。

如前所述，在该第三实施方式中，第三固定点913也可以位于第一固定点911与第二固定点912之间的任何地方，并且在扭矩与致动范围之间存在折中。第一与第三固定点之间的更长的距离产生更大的扭矩但是获得更小的致动范围。

如图11所示，也可以用矩形反射器实现该第三实施方式的互连的致动器。图11所示的所有部件与图9所示的部件相对应。只有致动器和反射器的形状不同。如在前面的实施方式中一样，矩形形状的反射器限制了致动器的表面面积和距离L₁，但是矩形形状的反射器的光学面积比圆形反射器的光学面积大。

现在将参照图12描述用于制备根据上面呈现的三个实施方式中的任一个的扫描MEMS反射器系统的示例性制造方法，其中，图12是示例性扫描MEMS反射器设备的示意性横截面。横截面是示意性的，因为一些描述的部件实际上可能位于不同的z坐标处并且因此可能不存在于同一xy横截面。例如，电接接触124、126的z坐标依赖于致动器位于z轴线上的位置。

该设备包括：具有电接触衬垫1225的盖晶片1221；包括可移动部分的SOI(绝缘体上硅)结构晶片1226；以及玻璃盖晶片1224，玻璃盖晶片1224为镜板提供光学窗口。三个晶片1221、1226以及1224分开制备并且围绕边缘互相键合以形成反射器设备。晶片1221、1226以及1224一起形成反射器可以振荡的腔体。

结构晶片1226包括器件层1222、埋氧层1227以及处理层1223。可以使用公知的键合减薄技术制备具有这种结构的SOI晶片。可以使用本领域技术人员公知的光刻和硅刻蚀技术制备器件层1222。刻蚀技术优选地是深反应离子刻蚀(DRIE)。器件层包括具有硅板128和反射涂层1220的反射器。可以使用诸如真空蒸镀或溅射法等的薄膜沉积方法在板上形成涂层。器件层的厚度可以在几十μm的数量级，但是可以考虑期望的反射器面积、倾斜角度以及谐振频率，根据需要来优化器件层的厚度。可获得范围从几μm至100μm或更多的不同的器件层厚度的SOI晶片。

器件层还包括悬挂件和致动器。图12示出了与z轴线对准的两个悬挂件127，在该情况下，在顶部具有压电层1230。在悬挂件仅是刚性杆的实施方式中，不包括压电层。图12还指示了悬挂件127的第二固定点1212的位置。在图12中没有绘制形成固定点的连接桥。悬挂件127的第一固定点不位于与第二固定点相同的xy平面中，但是在图12中仍然用附图标记1211指示了第一固定点在背景或前景中的位置。在一些实施方式中，如上文关于图3所说明的，图12中指示的两个第二固定点1212也可以不位于同一xy平面中。

盖晶片1221是包含电连接的硅晶片，通过该电连接可以操作反射器设备。该晶片包括：接触衬垫1225；具有用于腔体129的凹口的硅衬底123；以及导电通孔124。导电通孔124可以包括从盖晶片1221的掺杂的单晶硅衬底123刻蚀的掺杂的单晶硅。导电通孔被绝缘层125包围。例如，绝缘层125可以是玻璃或二氧化硅。在刻蚀了导电通孔124之后使用合适的沟槽填充沉积工艺形成绝缘层125。沟槽填充工艺包括在玻璃情况下的熔化以及在二氧化硅情况下的化学气相沉积(CVD)或硅的热氧化。可替选地，可以在沉积了绝缘层125之后，使用公知的CVD或物理气相沉积(PVD)工艺由掺杂的多晶硅或金属来形成导电通孔。

通过薄膜沉积和图案化技术(例如，蒸发或溅射以及随后的光刻和刻蚀)在器件层1222上形成横向电接触126。图12所示的横向电接触126将延伸至器件层1222中的与y轴线对准的压电致动器(为了清晰起见，图12未包括这些致动器)。如上面已经提到的，图12描绘的横截面仅是示意性的，并且电接触124、126实际上可能不位于与例如第二固定点1212相同的xy平面中。盖晶片1221中的导电通孔124与器件晶片1222中的横向接接触126之间的导电路径形成在晶片1221、1226以及1224的对准的晶片键合中。

如在引言中所指示的，如果寻求谐振振荡，则腔体129内的气压可以低于器件周围的气压。如果腔体129内的气压应当低于环境压力，则三个晶片1221、1226以及1224可以在其中压力被设置成低于环境即与期望的腔体压力相对应)的腔室中彼此密封地键合。

Claims (13)

1.一种扫描微机电反射器系统，包括反射器以及至少一个致动单元，其中，每个致动单元包括致动器和悬挂件，其特征在于，所述反射器系统还包括围绕所述反射器和所述至少一个致动单元的框架，并且所述悬挂件从第一固定点固定至所述框架、从第二固定点固定至所述反射器并且从第三固定点固定至所述致动器，当所述第三固定点被投影到延伸通过所述第一固定点和所述第二固定点的线上时，所述第三固定点的投影位于所述第一固定点与所述第二固定点之间，以及所述致动器被配置成对所述悬挂件施加绕以下轴线的扭矩，所述轴线：

穿过所述第一固定点，

位于由所述框架限定的平面中，并且

垂直于所述悬挂件。

2.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述致动器是从第四固定点固定至所述框架的弯曲压电致动器。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述悬挂件包括硅梁，并且所述致动器包括涂覆有至少一个电极层和至少一种压电材料的硅梁。

4.根据权利要求3所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述悬挂件中的所述硅梁也涂覆有至少一个电极层和至少一种压电材料。

5.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器是具有反射涂层的硅板。

6.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器具有圆形形状。

7.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器具有矩形形状。

8.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述框架具有矩形形状。

9.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器的第一对相对边缘从扭力梁固定至所述框架，并且所述反射器的第二对相对边缘从至少两个致动单元固定至所述框架。

10.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器在所述反射器的边缘上彼此间隔开放置的固定点处固定至至少三个致动单元。

11.根据权利要求1所述的扫描微机电反射器系统，其特征在于，所述反射器固定至围绕所述反射器的边缘对称地放置的四个致动单元。

12.一种光检测和测距(LIDAR)设备，其特征在于，所述设备包括根据权利要求1至11中任一项所述的扫描微机电反射器系统。

13.一种用于操作根据权利要求11所述的扫描微机电反射器系统的方法，其特征在于，使用四个单独的电压信号驱动所述四个致动单元，每个电压信号的相位与前一电压信号的相位相隔90°的相移。

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