CN108732743B - 振荡结构、光学设备以及制造振荡结构的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及振荡结构、光学设备以及制造振荡结构的方法。一种振荡结构，包括限定了旋转轴的第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件以及插入在第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件之间的移动元件。移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件位于第一平面中并且彼此不直接接触。耦合结构将移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件机械地耦合在一起。移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件位于不同于第一平面的第二平面中。移动元件的振荡由于第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件的扭曲而发生。

Description

振荡结构、光学设备以及制造振荡结构的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月20日提交的意大利专利申请No.102017000043616的优先权权益，该申请的公开内容通过引用以法律允许的最大程度全部并入本文。

技术领域

本发明涉及振荡结构、包括该振荡结构的光学设备以及制造该振荡结构的方法。特别地，振荡结构被设计为减少属于所述振荡结构的移动(振荡)质量块的动态变形。在一个实施例中，移动质量块携带反射层并且振荡结构至少部分地形成微反射镜。

背景技术

至少部分由半导体材料制成并使用微机电系统(MEMS)技术制造的微机械反射镜结构(或反射器)是已知的。

MEMS反射器被设计为接收光束并且周期性或接近周期性地改变其传播方向。为此，MEMS反射器包括由承载反射元件的平面支撑件制成的移动元件，移动元件在空间中的位置使用合适的振荡控制信号被电控制。

更具体地，在包括被设置有反射元件的相应平面支撑件的通用MEMS反射器中，控制反射元件的位置对于使得能够用落在反射镜上的光束来扫描一部分空间来说特别重要。特别地，控制反射元件的位置对于谐振MEMS反射器具有关键的重要性，其中平面支撑件在使用时基本上周期性地围绕空闲位置进行振荡。振荡频率尽可能接近平面支撑件的谐振频率，以便在每次振荡期间最大化被反射元件覆盖的角距离，从而最大化所扫描的空间部分的尺寸。

高振荡频率致使平面支撑件的加速。由于平面支撑件通常是具有圆形或椭圆形状的薄层，其惯性矩和有限的刚度致使动态变形，这导致平面支撑件和反射元件的变形。

特别地，已经确定的是，对于大于15kHz的振荡频率而言并且在平面支撑件的直径超过1mm的情况下，甚至反射元件的几十纳米(大于60nm)的变形也会使MEMS反射器的光学性能发生退化，从而致使投影图像中的像差。

这种不希望的影响随着振荡频率的增加而增加。已知的解决方案通过增加平面支撑件的厚度来增加平面支撑件的刚度。然而，这种质量上的增加需要用于MEMS反射器的更大的致动力。

其他已知的解决方案，例如在美国专利申请公开No.2007/0017994(通过引用并入)中描述的那些解决方案，使用在对应于平面支撑件边缘的多个点处被耦合到平面支撑件的锚固件来增加平面支撑件的刚性，其中锚固件和平面支撑件共面。锚固件部分地或完全地围绕平面支撑件并且增加MEMS反射器的移动部分的面积。这种类型的结构增加了MEMS反射器的制造复杂度，并且移动部分的增加面积导致了不希望的振荡阻尼，使得更难以实现高振荡频率。

在本领域中需要至少部分地解决影响已知的微机械反射镜结构的问题并且提供具有减少的动态变形的振荡结构、包括该振荡结构的光学设备以及用于制造具有减少的动态变形的振荡结构的方法。

发明内容

在一个实施例中，一种振荡结构包括：限定旋转轴的第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件，在所述第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件之间插入的移动元件，所述移动元件被配置为由于第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件的扭曲而绕旋转轴旋转，其中移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件位于第一平面上并且彼此分离。该振荡结构还包括位于不同于所述第一定位平面的第二平面上的耦合结构，所述移动元件、所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件借助耦合结构而被机械地耦合在一起。

在一个实施例中，一种用于制造振荡结构的方法，包括以下步骤：形成限定旋转轴的第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件，以及在所述第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件之间形成移动元件，所述移动元件被配置为由于第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件的扭曲而绕旋转轴旋转，其中移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件位于第一平面上，并且其中第一扭转弹性元件、第二扭转弹性元件和移动元件被彼此间隔一定距离地布置。该方法还包括以下步骤：在不同于所述第一平面的第二平面中形成耦合结构，并且使用该耦合结构将移动元件、第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件机械地耦合在一起。

附图说明

在下文中，参考纯粹作为非限制性示例提供的优选实施例，并且参考附图进一步对本发明进行描述，其中：

图1是包括被设置有反射层的振荡结构的光学投影系统的框图，

图2示出根据一个实施例的MEMS器件、具体为振荡微反射镜结构，

图3示出作为图2中的MEMS器件的一部分的支撑和耦合结构，

图4示出根据另一个实施例的MEMS器件、具体为振荡微反射镜结构，

图5至图7示出作为图2中的实施例的替代方案的支撑和耦合结构的相应实施例，

图8示出图4中的振荡微反射镜结构的横截面，

图9至图12示出形成图8中的振荡微反射镜结构的SOI晶圆的工作阶段的横截面。

具体实施方式

图1示出MEMS投影系统1，其包括例如由多个激光二极管(LD)4形成的光源2，每个激光二极管均发射对应波长处的电磁辐射。例如，图1示出了三个LD 4，每个LD 4在红色范围(620nm至750nm)、绿色范围(495nm至570nm)和蓝色范围(450nm至475nm)中分别发射辐射。

MEMS投影系统1还包括组合器6、MEMS器件10(特别是诸如微反射镜之类的振荡结构)和屏幕8。组合器6被布置在光源2的下游，以便接收由LD 4发射的电磁辐射，从而形成通过组合所述电磁辐射而获得的单个光束OB1。组合器6还被设计为将光束OB1导向MEMS器件10。下面被更详细描述的MEMS器件10又被设计为产生反射光束OB2并且将反射光束OB2发送到屏幕8，以使得能够在屏幕8上形成图像。

更具体地说，MEMS器件10被设计为随时间改变反射光束OB2的轴的空间定向，以便周期性地扫描屏幕8的部分。特别地，反射光束OB2执行屏幕8的一部分的线性扫描，并且也可能是对整个屏幕8的线性扫描。很明显，MEMS器件10可用于不同于图1中所示系统的系统。

图2示出MEMS器件10的实施例，特别是诸如微机械反射镜结构或微反射镜之类的振荡结构。MEMS器件采用半导体行业的MEMS技术制造而成。

MEMS器件10包括特别地由半导体材料制成的静态支撑体14，静态支撑体14包括第一紧固区域14’和第二紧固区域14”。

MEMS器件10被示出在由三个彼此正交的笛卡尔轴X、Y、Z形成的正交参考系中。此外，提供了平行于参考系的Z轴的H轴。第一紧固区域14’和第二紧固区域14”绕H轴彼此径向相对地布置并且沿平行于X轴的O轴彼此对齐。静态支撑体14限定腔体15。MEMS器件10还包括链接到第一紧固区域14’和第二紧固区域14”并且也悬置在空腔15之上的移动质量块12。

移动质量块12在空闲时基本平行于XY水平面。

移动质量块12具有中央部分12a和位于中心部分12a上的反射镜层16，中央部分12a例如在平面图中(在XY水平面中)是圆形的，具有例如在50μm和200μm之间的厚度，并且具有在1mm和2mm之间的直径，而反射镜层16的厚度例如在0.05μm和0.3μm之间。反射镜层16包含对要投影的光辐射具有高反射率的材料，例如铝或金。细长的(臂形)弹性元件12b、12c，特别是扭转弹性元件，在XY水平面中从中心部分12a的相对部分延伸。弹性元件12b、12c主要且特别地沿旋转轴O布置，穿过移动质量块12的几何中心，因此形成用于移动质量块12的旋转轴。

在一个实施例中，弹性元件12b、12c的厚度与中央部分12a的厚度相同。替代地，按需并根据诸如弹性元件12b、12c的刚性之类的设计参数，所述弹性元件可以比中心部分12a更厚或更薄。

中心部分12a分别通过弹性元件12b、12c与紧固区域14’、14”耦合，这使得中心部分12a能够绕旋转轴O在XY水平面外旋转。

弹性元件12b、12c沿X轴纵向延伸，并且沿所述X轴的长度大于相应的宽度(沿XY水平面上的Y轴)并且大于沿Z轴的相应厚度(垂直轴)。弹性元件12b、12c的长度、宽度和厚度以已知方式根据其所期望的扭转刚度来确定。

在使用时，MEMS器件10的致动涉及：以已知方式，根据将入射光束反射向MEMS器件10外部的期望移动，弹性元件12b、12c扭曲以及移动质量块12绕旋转轴O在XY水平面外随之旋转。

以已知方式，移动质量块12可以以其机械谐振频率用振荡移动来旋转地致动，以便使其运动范围最大化。

根据一个方面，弹性元件12b、12c和中央部分12a彼此不直接接触。

根据可能的实施例，MEMS器件10还包括在图3中单独图示的耦合结构20。平面图中(即在XY水平面中)的耦合结构20的形状可以例如是卵形、椭圆形、具有斜角的四边形、一般是多边形或具有斜角的多边形。特别地，耦合结构20包括含有一个或多个通孔孔径26的环形部分21。

特别地，沿耦合结构20的Z方向的厚度沿耦合结构20的整个延伸是均匀的，并且例如在50μm和200μm之间。替代地，耦合结构20沿耦合结构20的整个延伸的厚度不必是均匀的。在这种情况下，厚度关于旋转轴O仍是对称的。

参考图2和图3，根据一个方面，耦合结构20位于第一定位平面中，第一定位平面不同于第二定位平面但与之平行，中央部分12a和弹性元件12b、12c位于第二定位平面中。第一定位平面和第二定位平面平行于XY平面。更具体地说，耦合结构20位于中心部分12a和弹性元件12b、12c的下方(沿Z轴)。

换句话说，当在第一定位平面中观察时，中央部分12a和弹性元件12b、12c彼此不机械地耦合(即，不直接接触)。耦合结构20被设计为在不同的定位平面(第二定位平面)中将中央部分12a和弹性元件12b、12c机械地耦合在一起。如图8中所示并参考图8所描述的，在第一定位平面和第二定位平面之间存在耦合接口区域。

根据一个方面，弹性元件12b、12c和中央部分12a仅通过耦合结构20机械地耦合在一起。

弹性元件12b、12c在耦合结构20的第一区域22a、22b处被耦合到耦合结构20，它们绕H轴彼此径向相对并且沿O轴彼此对齐。中心部分12a在耦合结构20的第二区域24a、24b处被耦合到耦合结构20，它们绕H轴彼此径向相对并且沿垂直于O轴的K轴相互对齐。因此，区域22a、22b、24a、24b被布置为使得它们之间的距离最大化。

特别地，在耦合结构20的环形部分21是椭圆形的情况下，区域22a、22b、24a、24b被布置在由椭圆的短轴和长轴形成的交叉的顶点处。

替代地，在耦合结构20的环形部分21为四边形(例如，具有斜角的矩形)的情况下，区域22a、22b、24a、24b包括所述四边形耦合结构20的长边和短边的中点。

耦合结构20被设计为使得耦合结构20在第二区域24a、24b处的外边缘被布置在中心部分12a之上，特别是与中心部分12a的相应的外边缘部分重合。

图4示出根据另一个实施例的MEMS器件30。MEMS器件30与图1中的MEMS器件10共同的元件使用相同的附图标记来标识，并且不再赘述。

MEMS器件30包括类似于耦合结构20的耦合结构32，并且除了环形部分21(已经参考耦合结构20被描述并且在此使用相同的附图标记进行标识)之外，还包括支撑部分34(在这种情况下为梁状)，其关于旋转轴O被对称地布置在环形部分21内部。根据一个方面，支撑部分34由与环形部分21相同的部分形成，形成一体式结构。

特别地并且根据一个方面，支撑部分34在耦合结构32的第一区域22a、22b处被连接到环形部分21。例如在图5和图6中所示，支撑部分34在XY平面中基本上是矩形的(图5)并且部分地再现中心部分12a的形状(图6)。

根据另一方面，支撑部分34还在耦合结构32的第二区域24a、24b处被连接到环形部分21。例如在图7中所示，支撑部分34包括：关于旋转轴O对称的任意形状的中央支撑体36；被连接在区域22a和中央支撑体36之间并分别被连接在区域22b和中央支撑体36之间的第一连接元件38a和第二连接元件38b；以及被连接在区域24a和中央支撑体36之间并且分别被连接在区域24b和中央支撑体36之间的第三连接元件38c和第四连接元件38d。特别地，第一连接元件38a和第二连接元件38b是臂形的，即在平行于旋转轴O的主方向上延伸，而第三连接元件38c和第四连接元件38d沿K轴布置的长度小于正交于K轴测量的相应宽度。

无论该实施例如何，移动质量块12(特别是中心部分12a)至少部分地锚定到支撑部分34(特别地，移动质量块12被锚定在O轴和K轴之间的交点处)，以使得支撑部分34被用于支撑移动质量块12以防止其发生不希望的偏转或翘曲。

图8是沿旋转轴O截取的MEMS器件30的横向截面图。如图8中所示，第一耦合区域40和第二耦合区域41分别在第一区域22a、22b处被布置在弹性元件12b、12c和环形部分21之间，而第三耦合区域42被布置在移动质量块12和支撑部分34之间。耦合区域40、41和42可以由诸如胶水之类的粘合剂或绝缘体上硅(SOI)衬底的氧化硅层制成。

MEMS器件10还以已知方式包括致动器，致动器被设计为产生并维持移动质量块12和支撑结构20绕O轴的振荡。为此，根据相应的实施例，致动器43被可操作地耦合在弹性元件12b、12c之间，或者在弹性元件12b、12c与移动质量块12之间，或者在弹性元件12b、12c与第一紧固区域14’、第二紧固区域14”之间。MEMS器件10的致动可以是压电或静电的。但应明白，致动器43可以与图中所示不同地进行耦合。

由于致动器43在使用时被设计为触发并保持移动质量块12的振荡，因此在一个实施例中，每个致动器关于K轴对称布置，穿过移动质量块12的质心(即，穿过O轴和H轴之间的交叉点)，并且与O轴和H轴均正交。这防止了致动器的任何不对称所致使的不受控制的振荡的产生。在使用中，当以已知方式将命令电压V₁、V₂施加到致动器43时，在弹性元件12b、12c中发生局部变形(扭转)，这直接传递到支撑结构20，因此致使移动质量块12绕O轴旋转。

根据其他实施例，除了压电和静电致动之外，还可以提供诸如磁致动之类的其他类型的致动。

下面参考图9至图12来描述适用于MEMS器件10和MEMS器件30这两者的制造方法。在布置了包括诸如硅之类的半导体材料的衬底102的晶圆100(例如SOI晶圆)之后，例如氧化硅的绝缘层104布置在衬底102上，并且由诸如硅酮之类的半导体材料制成的结构层106被布置在绝缘层104上。

如图10所示，执行沉积阶段，然后进行反射材料(例如，铝或金)的后续光刻和蚀刻阶段，以形成反射镜层16。

然后，如图11中所示，蚀刻结构层106以去除结构层106的选定部分，从而限定中心部分12a和弹性元件12b、12c的期望形状。结构体106被蚀刻到绝缘层104，在这种情况下绝缘层充当蚀刻停止层。

然后，如图12中所示，从晶圆100的背面执行蚀刻阶段以去除衬底102的选定部分，以便限定耦合结构32的期望形状。

最后，在晶圆100上执行一次或多次蚀刻以去除形成耦合区域40、41和42的绝缘层104的暴露部分，从而形成图8中的横截面所示的MEMS器件30。

所描述的解决方案的优点从上述讨论中变得清楚。

特别地，由于支撑反射元件16的中央部分12a经由耦合区域20在多个点处被链接，该多个点包括经受MEMS器件在使用时的最大加速的离旋转轴O最远的点，所以动态变形显著减少。这减少了投影图像的像差。

此外，耦合区域20位于与中心部分12a不同的平面中的事实使得：在不增加MEMS器件的总表面面积的情况下，并且因此在不增加振荡的阻尼的情况下，能够链接中心部分12a。这又使得MEMS器件能够以更高的振荡频率工作。

制造工艺与传统的解决方案相比不需要额外的工艺阶段，并且尤其在使用SOI衬底时特别有利。

前述特征使得MEMS器件10、30在被构建在便携式设备中的光学系统中特别有利。

显然，可以对所描述和说明的主题进行修改和变化，而不会超出如所附权利要求所限定的本发明的保护范围。

特别地，MEMS器件10、30通常可以在需要反射光束的任何光学系统和便携式装备中使用，并具有减少的空间使用和减少的像差。

Claims (18)

1.一种振荡结构，所述振荡结构包括：

第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件，限定旋转轴，

移动元件，插入在所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件之间，所述移动元件被配置为由于所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件的扭曲而绕所述旋转轴旋转，

其中所述移动元件、所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件位于第一平面上并且彼此分离，以及

耦合结构，位于与所述第一平面不同的第二平面上，其中所述移动元件、所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件通过所述耦合结构被机械地耦合在一起；以及

第一耦合接口区域、第二耦合接口区域以及第三耦合接口区域，位于所述第一平面和所述第二平面之间并彼此间隔开，所述第一耦合接口区域将所述耦合结构与所述移动元件相链接，所述第二耦合接口区域将所述耦合结构与所述第一扭转弹性元件相链接，所述第三耦合接口区域将所述耦合结构与所述第二扭转弹性元件相链接。

2.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述移动元件、所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件专有地通过所述耦合结构被机械地耦合在一起。

3.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述耦合结构的所述第二平面平行于所述第一平面、并且在低于所述第一平面的高度处延伸。

4.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述耦合结构包括环形部分，所述环形部分包含一个或多个通孔孔径。

5.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述第二耦合接口区域和所述第三耦合接口区域沿所述旋转轴延伸，并且其中所述第一耦合接口区域沿与所述旋转轴正交的相应轴延伸。

6.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述第一耦合接口区域、所述第二耦合接口区域和所述第三耦合接口区域被布置成使得彼此之间的距离最大化。

7.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述耦合结构包括椭圆环形部分，所述第一耦合接口区域、所述第二耦合接口区域和所述第三耦合接口区域被布置在由描述所述椭圆环形部分的椭圆的短轴和长轴形成的交叉的顶点处。

8.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述耦合结构包括具有斜角的四边形环形部分，所述第一耦合接口区域、所述第二耦合接口区域和所述第三耦合接口区域包括描述所述四边形环形部分的四边形的长边和短边的中点。

9.根据权利要求1所述的振荡结构，其中在所述第一耦合接口区域处，将所述耦合结构的周界区域布置在所述移动元件之上。

10.根据权利要求1所述的振荡结构，其中在所述第一耦合接口区域处，所述耦合结构的外边缘在至少一个点处与中心部分的相应外边缘重合。

11.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述耦合结构还包括位于所述第二平面中的支撑部分。

12.根据权利要求1所述的振荡结构，其中所述移动元件包含反射元件，所述振荡结构形成微反射镜。

13.一种光学设备，所述光学设备包括根据权利要求12所述的微反射镜。

14.根据权利要求13所述的光学设备，还包括：

光源，所述光源被配置为产生入射在所述反射元件上的光束，以及

图像生成模块，所述图像生成模块被可操作地耦合到所述振荡结构，以产生与由所述反射元件反射的光束相关联的图像的一部分。

15.一种制造振荡结构的方法，所述方法包括以下步骤：

形成限定旋转轴的第一扭转弹性元件和第二扭转弹性元件，以及

形成被置于所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件之间的移动元件，所述移动元件被配置为由于所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件的扭曲而绕旋转轴旋转，

其中所述移动元件、所述第一扭转弹性元件和所述第二扭转弹性元件位于第一平面上，

其中所述第一扭转弹性元件、所述第二扭转弹性元件和所述移动元件被彼此间隔一定距离地布置，

在不同于所述第一平面的第二平面中形成耦合结构，以及

形成位于所述第一平面和所述第二平面之间并彼此间隔开的第一耦合接口区域、第二耦合接口区域以及第三耦合接口区域，所述第一耦合接口区域将所述耦合结构与所述移动元件相链接，所述第二耦合接口区域将所述耦合结构与所述第一扭转弹性元件相链接，所述第三耦合接口区域将所述耦合结构与所述第二扭转弹性元件相链接。

16.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述耦合结构的步骤包括步骤：形成包含一个或多个通孔孔径的环形部分。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括步骤：在所述第一耦合接口区域的至少一个点处，将所述耦合结构的外边缘与中心部分的相应外边缘相匹配。

18.根据权利要求15所述的方法，其中形成所述第一扭转弹性元件、所述第二扭转弹性元件、所述移动元件和所述耦合接口区域的步骤构成处理绝缘体上硅(SOI)晶圆。

Images