CN109725414A

CN109725414A - 具备具有开口的板簧的镜子器件

Info

Publication number: CN109725414A
Application number: CN201811280732.5A
Authority: CN
Inventors: H·范利罗普; K·萨马迪·卡赫
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: DE102017219442B8; DE102017219442A1; DE102017219442B4; US10877263B2; US20190129163A1; CN109725414B

Abstract

本公开提供了具备具有开口的板簧的镜子器件。一种镜子器件包括框架、布置在框架中并且围绕旋转轴线可旋转的镜体、连接在镜体与框架之间的支撑梁、以及关于镜体围绕旋转轴线的旋转提供扭转刚度的至少一个板簧。板簧的最大厚度小于其最小宽度，其中板簧具有减小其厚度或在厚度方向上穿透板簧的开口。

Description

具备具有开口的板簧的镜子器件

技术领域

本公开涉及镜子器件，诸如MEMS扫描镜(MEMS＝微电子机械系统)。

背景技术

MEMS扫描镜正在不同领域中得到应用。MEMS扫描镜包括镜子，其围绕至少一个旋转轴线可旋转以便将诸如可见光或不可见光等电磁能量反射到不同方向中。例如，MEMS扫描镜可以用于将二维图像投影到屏幕上。MEMS扫描镜也可以用于LIDAR应用。LIDAR可以被视为表示针对光成像、探测和测距的缩写，或者被视为由光和雷达这两个术语组成的人造词。通常，LIDAR可以被视为一种测量方法，其通过利用脉冲激光照射目标并且利用传感器测量反射脉冲来测量到该目标的距离。MEMS扫描镜可以用于汽车应用中的LIDAR。通常，用于LIDAR应用的MEMS扫描镜可以包括相对大的尺寸和大的扫描角度以用于高的光学性能。例如，这样的MEMS扫描镜可以在跨越镜子平面的两个垂直方向中的每个方向上具有2至4μm的延伸。此外，这样的MEMS扫描镜应当具有高的鲁棒性，即，应当对振动和热负荷不敏感，并且应当产生低的机械应力。找到满足这些目标的设计和制造工艺是一项挑战。

为了使MEMS扫描镜能够抵抗振动，镜子应当具有低的惯性、即，轻而坚硬的镜体。此外，对于镜体的所有自由度(DOF)，镜子应当具有高刚度的悬架。

为了实现轻而坚硬的镜体，镜体可以包括相对薄的镜子和用于镜子的较厚的加强结构。镜体可以围绕在由镜框限定的平面中延伸的旋转轴线可旋转地布置在镜框中。旋转轴线可以延伸到镜体的彼此相对的第一端部和第二端部。镜子可以在第一主表面上具有反射平面，并且与第一主表面相对的第二主表面设置有增强结构。

为了实现高刚度悬架，可以使用沿旋转轴线延伸的支撑梁和附加的悬臂梁或板簧组件来将镜体支撑在镜框中。悬臂梁组件可以具有纵向方向并且可以在由框架限定的平面内延伸。支撑梁可以沿旋转轴线在镜体的两个相对端处连接在镜体与框架之间。悬臂梁组件可以具有悬臂梁，其在第一端处经由泄放结构耦合到镜框并且在第二端处固定到镜体。悬臂梁的垂直于框架平面的厚度可以小于其在框架平面中的宽度。

镜体的低惯性和高悬架刚度的结果可以是高谐振频率良好动态性能。这些特性还可以使围绕主旋转轴线以谐振频率操作的设备非常快。在正常操作中，即，在谐振时，可以实现镜尖处的通常为10000G的加速度。这可以使任何外部振动可忽略。

在某些应用中，可能期望具有较低谐振频率的镜子。光镜体和高刚度的悬架可能使得难以设计以较低谐振频率操作的镜子。例如，在LIDAR应用中，可能期望较低的谐振频率，因为当使用编码的脉冲序列时，在用于实现一定停留时间的单次扫描中则可以发射更多的激光脉冲。由于机械应力减小，因此可能期望较低的谐振频率。

发明内容

本公开的示例提供了一种镜子器件，其包括框架、布置在框架中并且围绕旋转轴线可旋转的镜体、连接在镜体与框架之间的支撑梁、以及关于镜体围绕旋转轴线的旋转提供扭转刚度的至少一个板簧。板簧的最大厚度小于其最小宽度，其中板簧具有减小其厚度或者在厚度方向上穿透板簧的开口。开口包括当在板簧的厚度方向上观察时完全被板簧的材料包围的开口。

在示例中，至少一个开口在板簧的宽度方向上的延伸小于板簧的最小宽度。

本公开的示例提供了一种镜子器件，其包括框架、布置在框架中并且围绕在由框架限定的平面中延伸的旋转轴线可旋转的镜体、沿旋转轴线连接在镜体与框架之间的支撑梁、以及关于镜体围绕旋转轴线的旋转提供扭转刚度的至少一个板簧。至少一个板簧包括具有第一端和第二端以及在第一端与第二端之间的纵向方向的板簧，第一端耦合到镜体并且第二端耦合到框架。板簧在该平面中具有垂直于该平面的最大厚度，该最大厚度小于板簧的最小宽度，并且板簧具有减小其厚度或者在厚度方向上穿透板簧的开口。

在示例中，开口包括在板簧的纵向方向上具有与在其宽度方向上相比更大的延伸的开口。

附图说明

将使用附图来描述本公开的示例，在附图中：

图1示出了镜子器件的示例的示意性俯视图；

图2A和图2B示出了用于说明镜体的偏转的沿图1中的线s-s的示意性截面图；

图3示出了图1的镜子器件的示意性三维视图；

图4示出了包括基础层的图1的镜子器件的示意性三维视图；

图5示出了图1的镜子器件的示意性三维剖视图；

图6从下方示出了图1的镜子器件的三维剖视图；

图7示出了图3的镜子器件的仰视图；

图8A和图8B示出了板簧的示例的示意性截面图；

图9A至图9C示出了根据本公开的示例的板簧的示意图；

图10A和图10B示出了具有没有开口的板簧的镜子器件的倾斜角和谐振频率的图；

图11A和图11B示出了具有带有开口的板簧的镜子器件的倾斜角和谐振频率的图；

图12A和图12B示出了镜子器件的示例的示意图，其中板簧的第二端固定到镜框；

图13A至图13C示出了镜子器件的示例的示意图，其中板簧的第一端固定到镜体；

图14示出了用于说明根据示例的致动器的示意图；

图15A至图15D示出了在不同位置处具有致动器的镜子器件的示意图；

图16A至图16E示出了没有圆角、具有小的圆角或具有大的圆角的弹性元件的各种设计的示意图；

图17A至图17J示出了泄放连杆的各种示例的示意图，各自具有不同数目的泄放弹簧、不同位置的泄放弹簧或者与板簧的不同连接；以及

图18示出了根据本公开的镜子器件的另一示例的示意性俯视图。

具体实施方式

在下文中，将使用附图详细描述本公开的示例。要指出的是，相同元件或具有相同功能的元件设置有相同或相似的附图标记，并且通常省略对具有相同或相似附图标记的元件的重复描述。因此，针对具有相同或相似附图标记的元件提供的描述是可相互交换的。在下文中，阐述了多个细节以提供对本公开的示例的更彻底的解释。然而，对于本领域技术人员很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践其他示例。在其他情况下，公知的结构和设备以框图形式而非详细地示出，以便避免模糊本公开的示例。另外，除非另有特别说明，否则本公开的不同示例的特征可以彼此组合。

在示例中，镜体围绕旋转轴线可旋转，旋转轴线在由布置有镜体的框架限定的平面中延伸。在其他示例中，旋转轴线可以在由框架限定的平面之上或之下延伸。在示例中，支撑梁沿旋转轴线连接在镜体与框架之间。在其他示例中，一个或多个支撑梁可以相对于旋转轴线以一定角度延伸。在示例中，板簧的厚度方向垂直于由框架限定的平面。在示例中，宽度方向在由框架限定的平面中。在示例中，板簧的厚度方向垂直于由镜体的镜子的镜子表面在静止时限定的平面。在示例中，宽度方向平行于由镜子的镜子表面在静止时限定的平面。

示例包括至少一个板簧组件，其包括至少一个板簧和泄放连杆，其中至少一个板簧具有第一端和第二端以及在第一端与第二端之间的纵向方向，其中a)第一端固定到镜体并且第二端通过泄放连杆耦合到框架，或者b)第一端通过泄放连杆耦合到镜体并且第二端固定到框架，其中泄放连杆允许板簧在其纵向方向上在其与邻近泄放连杆的端部处的平移。在其他示例中，至少一个板簧的第一端可以通过泄放连杆耦合到镜体，并且至少一个板簧的第二端可以通过泄放连杆耦合到框架。在其他示例中，板簧的第一端可以固定到镜体，并且板簧的第二端可以固定到框架。

参考图1至图6，现在解释诸如MEMS扫描微镜的镜子器件的示例。镜子器件包括镜体8。镜体8包括镜子10和镜子支撑件12，其中镜子支撑件12在图5至图7中最佳地示出。镜子器件进一步包括框架14。镜体8布置在框架14中。框架限定平面，即，图1中的(x，y)平面。由框架限定的平面可以平行于由框架形成在其中的层或多个层的主表面限定的平面。

镜体8围绕在由框架定义的平面中延伸的旋转轴线16可旋转。支撑梁18(其也可以称为扭转梁)沿旋转轴线16连接在镜体与框架14之间。更具体地，第一支撑梁18连接在镜体8的第一端与框架14之间，并且第二支撑梁18连接在镜体8的第二端与框架14之间，其中镜体的第二端在旋转轴线16的方向上与第一端相对。在图1的右手侧的放大部分C中示出了支撑梁18之一的放大视图。可以看出，支撑梁18将镜子支撑件12的部分连接到框架14的部分并且允许镜体围绕旋转轴线16旋转。支撑梁18可以与旋转轴线16共线。

从图5至图6中最佳地可以看出，镜子支撑件12可以包括沿旋转轴线16延伸的纵向支撑杆20。支撑杆20可以在旋转轴线16的方向上在镜子10两侧从镜子10突出。此外，镜子支撑件12可以包括加强梁22。第一对加强梁22可以从镜子的第一端部在彼此相反的方向上远离旋转轴线16延伸。第二对加强梁22可以从镜子的相对的第二端部在彼此相反的方向上远离旋转轴线16延伸。第一对的加强梁22可以朝向第二对的相应的加强梁延伸。此外，镜子10可以另外地被构造为在图6和图7中可识别，以便进一步减小镜子10的质量，可以在镜子10的与其镜子表面相对的表面中形成凹部。

镜子10可以形成在镜子支撑件12上。在另一示例中，镜子10可以附接到镜子支撑件12。镜子10的与镜子支撑件12相对的面限定镜子10的镜子平面。本领域技术人员将理解，镜子10和镜子支撑件12的形状是独立的，并且可以是特定应用所期望的任何形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或其他期望的形状。

镜框14限定镜体8布置在其中的镜子凹部24。镜子凹部24由镜框14的凹部周边26限定。镜框也可以被构造为限定其中可以布置诸如致动器和板簧组件等其他部件的另外的凹部。

镜子器件可以包括至少一个板簧组件30。在所示的示例中，镜子器件包括两对板簧组件30，其中每对中的板簧组件在相反的方向上从镜体8延伸。在所示的示例中，板簧组件30关于旋转轴线16对称地布置。

至少一个板簧组件30包括板簧32和泄放连杆34。泄放连杆34可以具有一个或多个泄放弹簧35。板簧32包括第一端32a和第二端32b，参见图1。第一端32a耦合到镜体，并且第二端耦合到框架14。板簧32在第一端32a与第二端32b之间具有纵向方向或延伸。在图1至图7所示的示例中，第一端32a固定到镜子支撑件12，并且第二端32b经由泄放连杆34耦合到框架14。在示例中，在不同的方向上从镜体8的相同部分延伸的两个板簧32的第一端可以彼此连接。

如图7中最佳地示出，板簧32的第一端32a固定到支撑杆20。在示例中，在到由框架14限定的平面上的平面视图中，第一端32a在镜子10外部的位置处固定到支撑杆20。在示例中，镜子的形状可以包括在旋转轴线16的区域中的凹入部分，其中板簧32的部分延伸到镜子10的凹入部分中。在示例中，板簧32和镜子10可以形成在同一材料层中，并且可以在旋转轴线16附近彼此连接。

在示例中，板簧可以在具有较低材料刚度的方向的单晶硅层中实现，其中板簧的纵向方向与较低材料刚度的方向对准。在示例中，板簧可以在具有<100>轴线的硅层中实现，并且板簧的纵向方向与<100>方向对准，在这种情况下，其具有较低的材料刚度。

围绕旋转轴线16的扭转刚度可以使用板簧组件30来设置。成对的支撑梁18在旋转轴线16处垂直地支撑镜体，即，垂直于框架14的主表面。然而，垂直支撑梁16可以对扭转刚度具有可忽略的影响，使得镜体的固有频率可以基本上由板簧组件30确定。固有频率可以基本上独立于支撑梁18。本文中定义的固有频率是镜体围绕其旋转轴线16的无阻尼频率。支撑梁18可以针对相应的动态模式和相应的谐振频率限定平面外摇摆和垂直模式刚度。扭转刚度可以与平面外摇摆和垂直模式刚度去耦合，使得平面外摇摆和垂直模式频率可以被设置为期望值，诸如更高的值，而不影响扭转模式刚度和谐振频率。如本文中定义，Y轴沿着旋转轴线16，X轴垂直于当镜子10静止时的镜子平面上的Y轴，并且Z轴垂直于并且离开当镜子10静止时的镜子平面。X、Y和Z轴是三维笛卡尔坐标系的轴。

图2A示出了处于静止位置的包括镜子10和镜子支撑件12的镜体8。图2B示出了围绕旋转轴线16倾斜的镜体8。

在图1至图7所示的示例中，至少一个板簧32的一端在靠近旋转轴线16的位置处连接到镜体8。另一端32b在远离旋转轴线16的位置处连接到相关联的泄放连杆34。板簧组件30可以向镜体8围绕旋转轴线16提供扭转刚度。泄放连杆34可以提供从板簧32到框架14的顺从或柔性耦合。泄放连杆可以具有纵向于板簧32的相对较低的刚度(即，在图1中的X方向上)，这允许在镜体8围绕旋转轴线16旋转时板簧32的一端在其纵向方向移动。泄放连杆34可以在横向方向上(即，在图1中的Z方向和Y方向上)具有相对较高的刚度。

镜子10围绕旋转轴线16旋转的谐振频率可以主要由镜体8的惯性和板簧组件30的刚度限定，板簧组件30的刚度可以由板簧32的弯曲刚度和泄放连杆32的扭转和平移刚度限定。板簧32的弯曲刚度可以由板簧32的长度、宽度以及特别是厚度限定。支撑梁18和泄放连杆34的X方向上的组合刚度可以防止镜体8在操作期间垂直于旋转轴线16(在X方向上)移动。下面提供有关泄放连杆的更多细节。

支撑梁18沿旋转轴线16连接在框架14与镜体8之间以将镜体8支撑在框架14中。在一个示例中，支撑梁18具有垂直于旋转轴线16的窄的矩形截面，其中矩形的长轴垂直于镜子10的面和镜体8，并且矩形的短轴平行于镜子10的面。与镜体围绕旋转轴线16的旋转相对应的扭转刚度可以由板簧组件30提供。支撑梁18可以仅用于支撑镜体8并且可以对扭转刚度具有可忽略的影响。支撑梁18的尺寸可以被设置为使得抵抗镜体8的垂直位移(在Z方向上)和抵抗其垂直于旋转轴线16(X轴)的平面外平移的刚度可以尽可能高。

镜子器件还可以包括至少一个致动器40以提供扭矩以围绕旋转轴线16驱动镜体8。在一个示例中，致动器可以包括附接到镜体8的镜梳，其与附接到框架14的框架梳交错。在交错的镜梳与框架梳之间施加电势差可以在镜梳与框架梳之间产生驱动力，这可以在镜体8上产生围绕旋转轴线16的扭矩。可以施加振荡电势以在其固有频率下驱动镜子器件。在其他示例中，致动方法可以包括电磁致动和压电致动器。在电磁致动中，微镜可以“浸没”在磁场中，并且通过导电路径的交变电流可以产生围绕旋转轴线16的振荡扭矩。压电致动器可以集成在板簧中，或者板簧可以由压电材料制成，以响应于电信号而产生交替的梁弯曲力并且生成振荡转矩。

本公开的示例涉及使用光刻和DRIE(深反应离子蚀刻)技术制造的镜子器件。镜子器件的示例可以被形成为多个堆叠和结构化的材料层。

镜子器件的示例可以包括附加支撑层42，如图4和图5所示。附加支撑层42可以包括腔体44，以允许镜子10围绕旋转轴线16旋转。因此，附加支撑层42可以被称为镜子器件的腔晶片。

本公开的示例涉及适于在较低谐振频率下操作的镜子器件，诸如MEMS扫描微镜。通常，可以考虑一些选项来使MEMS镜更慢。镜体的惯性可以增加，但这会降低所有本征模的频率，而不仅仅是MEMS镜操作的主模式的频率。这会增加外部振动的灵敏度。为了降低谐振频率，可以降低板簧的刚度。通常，板簧(有时称为悬臂梁)可以制造得更薄，但这会使制造更加困难并且会降低板簧的内部自由度的谐振频率。板簧可以制造得更长，但这会增加芯片尺寸并且从而增加成本。板簧可以制造得更窄，但这会大大降低围绕Z轴(即，垂直于镜子表面的光轴)的刚度。因此，相应的本征模的频率将降低，并且梳状驱动器将对引入更敏感。

根据本公开的示例，通过在板簧中创建孔或开口来减小板簧的刚度。孔或开口的目的是在一个方向上减小刚度，同时在另一方向上保持刚度，而不是减少重量或材料成本。这降低了固有谐振频率(主谐振频率)而不会强烈地影响其他本征模的频率并且因此不会影响鲁棒性。具体地，抵抗围绕Z轴的旋转的刚度(其主要由板簧在XY平面中的弯曲并且因此由板簧的宽度确定)可能仍然非常高。通过简单地减小板簧的宽度不可能做到这一点。

因此，根据本公开的示例，至少一个板簧32包括开口50，如图1至图7中示意性所示。应当注意，仅一些开口设置有附图标记50，以免使图过度负担。

图8A和图8B示出了板簧32的示例的(沿其纵向)截面图。板簧32在Z方向上的厚度(即，垂直于由框架限定的平面)小于其在由框架限定的平面中的宽度。应当注意，由框架限定的平面可以与当镜子10处于其静止位置时由镜子10限定的镜子平面重合。在任一情况下，如果镜子处于其静止位置，则由框架限定的平面可以与镜子平面平行。在图8A所示的示例中，开口50在厚度方向上(即，在Z方向上)穿透板簧32。在图8B所示的示例中，开口52在厚度方向上不穿透板簧，而是在某些区域中减小其厚度。因此，在示例中，板簧可以具有其中其具有特定厚度的区域和其中厚度通过未完全穿透板簧的开口而被减小的其他区域。

在示例中，开口被布置为当与不包括开口的板簧相比时，将关于镜体围绕旋转轴线的旋转的扭转刚度减小得比关于围绕垂直于旋转轴线的轴线、特别是围绕Z轴的旋转的旋转刚度多。在这方面，应当注意，图1和图3至图7所示的开口仅仅是说明性的。

在示例中，开口可以包括三个或更多个开口、五个或更多个开口、或十个或更多个开口。在示例中，板簧的第一端耦合到镜体，并且板簧的第二端耦合到框架，其中开口包括被布置为与第二端相比更靠近第一端的开口。在示例中，开口包括被布置为与第一端相比更靠近第二端的开口。在示例中，当在板簧的厚度方向上观察时，开口分布在覆盖板簧的面积的50％或更多的区域上。在示例中，当在板簧的厚度方向上观察时，开口包括不同形状和/或不同区域的至少两个开口。例如，当在板簧厚度方向上观察时，开口占据板簧的面积的百分比在20％至90％的范围内。

在示例中，开口可以被布置为在到板簧上(即，到由镜框14限定的平面上)的平面图中提供板簧的桁架结构。在示例中，开口可以包括其之间布置有十字形、y形或x形平台的开口。在示例中，开口可以在平面图中包括三角形开口。在示例中，开口可以包括在板簧的纵向方向上延伸的纵向矩形开口。在示例中，板簧可以具有不同宽度的区域，其中开口可以包括在板簧的一部分中在宽度方向上并排形成的成对的纵向矩形开口，所述一部分的宽度小于板簧的其他部分的宽度。在示例中，在平面图中，开口的角部中可以形成有圆角，并且开口不包括锐角。

在示例中，至少一个板簧具有朝向其固定到镜体或镜框的端部而增加的宽度。在示例中，至少一个板簧的宽度也从中间部分朝向其经由泄放连杆耦合到镜框或镜子的端部而增加。固定到相应配对物的端部处的宽度可以宽于经由泄放连杆耦合到相应的配对物的端部处的板簧的宽度。在示例中，板簧是具有宽的底部和窄的颈部的锥形。例如，参考图1和图3至图7所示的板簧的示例。

在示例中，板簧中的开口可以包括三角形孔，其中在三角形孔的三个角部中具有圆角。至少一个板簧的结构可以基于用于塔架的鲁棒的桁架结构，使用三角形孔以在它们之间提供桁架杆以用于鲁棒的静态结构，特别是在更接近最大旋转扭矩的区域处。在示例中，固定到相应配对物(即，镜体或镜框)的板簧的端部不包括凹陷部分或开口。换言之，固定到相应配对物的板簧的部分是连续的，从而实现稳定的连接。在示例中，平面视图中的开口的所有角部可以转为曲线以避免在锐角处的应力集中。

图9A、图9B和图9C示出了包括板簧32和泄放连杆的板簧组件30的示例的俯视图。如图9A至图9C所示，每个泄放连杆34可以包括彼此平行布置的多个泄放弹簧35。板簧32朝向其中间部分逐渐变细，其中第一端32a处的宽度大于第二端32b处的宽度。第一端32a可以固定到镜框。

图9A至图9C示出了开口的不同配置(图案)。已经模拟了不同的配置以获取最佳结果。为了能够达到低频率，在至少一个板簧上引入的开口图案应当满足可以由设计库给出的期望的应力值极限。另外，可以控制更高阶本征模的影响，尤其是围绕Z轴的旋转，以使镜子器件的动态操作固定，以能够达到较低的谐振频率。

图9A至图9C所示的设计类似于艾菲尔铁塔，并且因此开口图案可以被称为提供艾菲尔铁塔结构。

图9A所示的设计包括各个成组的四个三角形开口50a。三角形开口50a可以布置为具有朝向彼此定向的相应尖端，使得在它们之间形成十字形或x形平台54。这些成组的三角形开口50a可以形成在板簧32a的宽度减小的部分中。在图9A所示的示例中，两个另外的三角形开口50b和布置在其间的梯形开口50c设置在板簧32a的较宽部分中。可以在板簧32a的第二端32b附近设置另外的三角形开口50d。图9A所示的板簧可以具有令人满意的稳定性和足够的动态特性。其他设计可以允许更窄的板簧。而且，不同的设计可以适用于不同的频率范围。

图9B示出了开口图案，其包括在板簧的较窄部分中的成对的伸长开口50e和在板簧的加宽部分中的三角形开口。更具体地，三角形开口包括其间具有x形平台的一组四个三角形开口50f以及较大的三角形开口布置在两个较小的三角形开口之间的一组三个三角形开口50g。

图9C示出了不同的开口图案，其还包括在板簧的较窄部分中的成对的伸长开口50e。具有圆角的三角形开口50h形成在板簧的加宽部分中。一些三角形开口被布置为使得在其间形成有y形平台。

模拟表明，至少对于一些应用，图9C所示的设计可以示出包括动态行为的最佳结果。在这样的设计中，开口的结构可以是三角形的形式，其中在靠近旋转轴线的区域处具有圆角以减小应力并且在具有较低应力的区域处具有槽孔。

应当注意，本文中关于不同示例描述的板簧可以包括如图9A至图9C所示的开口。在其他示例中，开口可以包括不同形状和不同布置。

图10A示出了针对包括板簧的镜子器件的镜体的恢复扭矩与其倾斜角，板簧具有图9C所示的形状但不包括开口。图10B示出了针对这样的镜体的倾斜角与谐振频率。图11A和图11B示出了针对包括图9C所示的包括开口的板簧的镜子器件的相应曲线。图10A和图11A的比较示出了关于旋转角度的扭矩下降。图11A和图11B示出了镜子器件关于频率的旋转角度，其也示出了非线性频率响应曲线。可以推导出，向板簧提供开口可以降低相应的谐振频率，诸如降低约25％。

因此，本公开的示例允许通过比减小围绕光轴(Z轴)的刚度更多地减小围绕主旋转轴线的至少一个板簧的刚度来设计和制造较慢的镜子器件，诸如MEMS镜子器件。期望的是，根本不减小围绕光轴的刚度。在示例中，在操作中，围绕Y轴的旋转在谐振处发生，即，存在一个自由度。在示例中，应当抑制其他自由度中的更高模。例如，应当抑制围绕Z轴(R_Z)的旋转，因为这可能会损坏梳状驱动器。这在较小程度上也适用于X方向(T_X)的平移。应当控制Z方向(T_Z)的平移以抑制所谓的“扬声器模式”。应当控制围绕X轴(R_X)的旋转，以便防止扫描线“摇摆”。此外，镜子器件应当能够抵抗振动。本公开的示例允许实现这些目标中的一些或全部。

本文中的示例包括四个板簧。在其他示例中，可以提供另外数目的板簧。在示例中，所有板簧可以设置有开口。在其他示例中，镜子器件的一些板簧可以设置有开口，而镜子器件的其他板簧没有设置开口。本文中公开的示例允许保持板簧的宽度(在Y方向上)以保持抵抗围绕Z轴的旋转的高刚度，其中弯曲刚度(R_Y)通过插入孔来减小。根据示例，使用桁架结构来在一个方向上减小刚度，同时在其他方向上保持刚度。在示例中，关于先前设计的单个掩模改变将在制造镜子器件时执行。

本公开的示例涉及镜子器件，其中镜子在一个维度上振荡。其他示例可以涉及在两个维度上振荡的镜子器件，诸如在二维激光扫描仪中使用的镜子，并且因此涉及允许使用两个正交旋转轴线来在两个维度上进行扫描的镜子器件。例如，通过针对围绕垂直于旋转轴线16的旋转轴线可旋转的镜框提供轴承，本公开可以应用于这样的二维扫描仪。示例可以涉及具有1至3kHz的固有谐振频率的MEMS镜子器件。示例可以涉及具有在X方向和Y方向(即，在镜子平面中)的尺寸为2到4mm的镜子的镜子器件。

在图1至图7所示的示例中，至少一个板簧32的第一端32a固定到镜框14。术语“固定”在本公开中以通常的含义使用，因为在彼此固定的组件之间存在刚性连接。如图1至图7所示，各个板簧32的第一端32a可以彼此连接。然而，相应的端部32a保持固定到镜框14。在其他示例中，镜子器件可以具有不同的构造。

图12A示出了包括至少一个板簧62的镜子器件的示例。板簧具有第一端62a和第二端62b。第一端62a固定到镜体8，并且第二端62b固定到框架14。第二端62b在相对靠近旋转轴线16的位置处固定到框架14，并且第一端62a在相对远离旋转轴线16的位置处固定到镜体8。板簧62可以根据本公开来被配置，即，可以设置有开口。开口可以包括在板簧62的纵向方向上具有比在其宽度方向上更大的延伸的开口。

图12B示出了其中板簧组件30连接在镜体8与框架14之间的示例，其中板簧32的第一端32a经由泄放连杆34连接到镜体8，并且板簧32的第二端32b固定到框架14。

图13A示出了包括至少一个板簧组件的镜子器件的示例的示意图。板簧组件包括板簧32和泄放连杆34。板簧32的第一端32a在相对靠近旋转轴线16的位置70处固定到镜体8。板簧32的第二端32b在远离旋转轴线16的位置处连接到其泄放连杆34。板簧的第二端32b经由泄放连杆34连接到框架14。

图13B示出了包括包含板簧32和泄放连杆34的至少一个板簧组件30的镜子器件的示例。板簧32的第二端32b在相对靠近旋转轴线16的位置处连接到其泄放连杆34，并且板簧32的第一端32a在相对远离旋转轴线16的位置处固定到镜体8。第二端32b经由泄放连杆34连接到框架14。

图13C示出了镜子器件的示意性俯视图，其中板簧组件30的板簧32平行于旋转轴线16定向。至少一个板簧32的第一端32a固定到镜体8，并且至少一个板簧的第二端32b经由泄放连杆34连接到框架14。在另一示例中，至少一个板簧可以如图13C所示布置，但是板簧的第一端32a可以经由泄放连杆连接到镜体8并且第二端32b可以固定到框架14，或者第一端32a可以固定到框架并且第二端14可以固定镜体8。图13C所示的示例示出了板簧32可以定向成不垂直于旋转轴线16。例如，可以使用平行布置来减小镜子器件的整体尺寸，但是平行布置可能导致板簧32的扭转，这增加了机械应力。

在示例中，镜子器件可以由多个构造层形成。在示例中，第一构造层可以具有第一厚度，第二构造层可以具有大于第一厚度的第二厚度，并且第三构造层可以具有大于第二厚度的第三厚度。在示例中，第一构造层可以是上部构造层，第二构造层可以是中间构造层，并且第三构造层可以是下部构造层。构造层可以由诸如硅等半导体形成。可以在构造层或一些构造层之间形成薄隔离层。镜子10、板簧32、以及泄放连杆34和致动器30的部分可以形成在第一构造层中。具有第二厚度的镜子支撑件12的部分可以形成在第二构造层中，例如，如图6所示。此外，泄放连杆34和致动器40的部分可以形成在第二构造层中。因此，泄放连杆和致动器在Z方向上的厚度可以大于镜子和板簧的厚度。诸如支撑杆20和加强梁22等镜子支撑件12的部分可以形成在第三构造层中。框架14的部分可以形成在第一构造层、第二构造层和第三构造层中，其中各个层被构造为包括图1至图7所示的凹部，诸如镜子凹部24。支撑梁18可以形成在第一构造层和第二构造层中，并且因此可以具有与第一构造层和第二构造层的组合厚度相对应的厚度，并且如果存在，则可以具有与第一构造层与第二构造层之间的任何层。

在示例中，镜子器件可以使用光刻和DRIE(干法反应离子蚀刻)技术由单晶硅或多晶硅材料制造。在示例中，镜子器件可以使用SOI衬底(SOI＝绝缘体上硅)制造。

图14是根据本公开的用于镜子器件的示例的致动器的梳指的详细透视图。镜梳92的一个梳指90和框架梳96的两个梳指94在图14中示出。镜梳92的梳指90与框架梳96的梳指94交错。在示例中，镜子器件可以由具有上部硅层和下部硅层的SOI晶片制造，其中在上部硅层与下部硅层之间具有绝缘层。在示例中，上部硅层可以由第一构造层形成，并且下部硅层可以由第二构造层形成。在一个示例中，可以制造镜梳92和框架梳96，使得绝缘层将梳子平行于镜子表面分开，从而在每个梳指中产生电隔离的上部电气部分和下部电气部分。镜梳92的梳指90包括通过绝缘层106分开的第一电气部分102和第二电气部分104。框架梳96的梳指94包括通过绝缘层116分开的第一电气部分112和第二电气部分114。

在镜梳90中的上部电气部分与框架梳96中的下部电气部分之间施加电势差(或反之亦然)可以用于在镜梳92和框架梳96对准并且镜体8静止时在镜梳92与框架梳96之间产生初始驱动力。通过在相对的层之间切换，梳指在两个(顶部和底部)部分中的分离允许每个振荡周期施加驱动电位(并且最终施加扭矩，这取决于梳指几何形状)持续大于振荡周期的一半的持续时间。在一个示例中，板簧可以在SOI晶片的上部硅层中制造并且可以将电势带到镜梳92的顶部第一电气部分。在另一示例中，板簧可以在SOI晶片的下部硅层中制造并且可以将电势带到镜梳92的底部第二电气部分104。在另一示例中，支撑梁18可以在绝缘体上硅晶片的下部硅层中制造并且可以将电势带到镜梳92的底部第二电气部分104。在另一示例中，支撑梁18可以在SOI晶片的上部硅层中制造并且可以将电势带到镜梳92的顶部第一电气部分102。在另一示例中，支撑梁18可以在SOI晶片的下部硅层和SOI晶片的上部硅层中制造，并且可以将电势带到镜梳92的底部第二电气部分104和镜梳92的顶部第一电气部分102。在一个示例中，镜梳92的顶部第一电气部分102通过导线、引线键合或附加金属沉积与镜梳92的底部第二电气部分104短路。

图15A至图15D示出了镜子器件的不同示例，每个镜子器件具有致动器40的不同位置。在图15A中，致动器40位于镜体的每一侧，靠近旋转轴线16，并且位于镜体与板簧组件30之间。在图15B中，致动器40位于镜体的每一侧，靠近旋转轴线16，但位于板簧组件30与框架14之间。在图15C中，致动器40是弯曲的并且位于镜体8的圆周处。在图15D中，致动器40不是弯曲的并且位于镜体8的圆周处，而是与旋转轴线16相距较大的距离。

在示例中，镜子器件可以包括至少三种不同类型的顺从元件，即，泄放弹簧25、板簧32和支撑梁18。为了提高所有这些顺从元件的机械强度，机械应力可能会减小。预期在每个角部746处的有应力集中，其中这些应力可能引发裂缝，从而导致机械故障。对于尖角746尤其如此，如图16A所示。图16A至图16E示出了泄放弹簧35作为顺从元件的示例，其端部745a和745b连接到支撑结构。这可以通过在每个角部处添加圆角来解决，其中圆角通常具有恒定的半径Rs并且圆角通常与两个边缘相切，如图16B所示。半径R_m越大，应力集中越低，如图16C所示。然而，使用较大的半径也增加了很多额外的材料，从而增加了刚度并且增加了额外的面积。这两个缺点都可以通过使用具有大半径R₁的圆角来解决，该圆角仅与顺从元件的边缘相切，而不是与刚性体742的边缘相切，如图16D所示。这可以显著降低应力集中，同时降低增加的刚度和附加面积。在圆角与刚性支撑结构之间会产生尖角，这可能仍然会引入一些应力集中。然而，这可以通过添加具有小半径的第二圆角来解决，如图16E所示。在图16E中，顺从元件35的端部745a具有角部746，角部746的曲率半径R_VS小于上述至少一个元件朝向上述端部变宽的曲率半径R1并且弧度小于90度。

如上所述，泄放连杆34在板簧32的纵向方向(图1中的X方向)上提供一些顺从性，以减小板簧32中的拉伸应变和应力。然而，应当在板簧32的横向方向(图1中的Z方向和Y方向)上尽可能强地抑制平移，以避免不希望的运动。唯一允许的运动是镜体8围绕旋转轴线16的倾斜。泄放连杆应当允许相对较小的纵向平移，诸如小于30微米的纵向平移。这远小于致动器40和镜体8的最大平移。因此，泄放连杆可以被设计为在板簧32的纵向方向上也相对较硬，以在纵向方向上仅提供小的行程。这允许在其他方向上的高的平移刚度。

图17A至图17J示出了泄放连杆的不同示例。根据图17A至图17C，泄放连杆包括连接到板簧32的端部32b的一个或多个泄放弹簧。为了在除了纵向方向之外的所有方向上保持高平移刚度并且避免泄放连杆34到板簧32的顺从连接，可以在泄放弹簧35与板簧32之间使用附加的刚性体742，如图17D所示。该刚性体742可以促进泄放弹簧35到板簧32的连接。泄放弹簧35可以在板簧32的纵向方向上具有其最薄尺寸。以这种方式，泄放弹簧35可以在横向于其相关联的板簧的纵向方向的方向上提供高的平移刚度。举例来说，图9A至图9C所示的泄放弹簧35可以在(板簧的)纵向方向上具有5μm的最小厚度，而它们的高度(即，Z方向上的尺寸)可以是约55μm。为了比较，相关联的板簧32可以具有垂直于镜子52的平面的最薄尺寸(大约10μm)，并且可以在上述平面中并且横向于其正交方向具有大约300μm的最小宽度。刚性体742可以是U形的，就好像它围绕板簧32的端部32b折叠一样，如图17E所示。板簧32可以连接到刚性元件742的中央部分743，并且泄放弹簧35可以连接到U形刚性元件742的周边部分744的外侧。这个示例可以是有效的，因为泄放连杆在相关联的板簧32的端部32b处占据小的区域。以这种方式，更多的自由度可用于确定板簧32及其泄放连杆34的尺寸。

在图17D和图17E的示例中，刚性元件742的厚度基本上更大，即，是其相关联的板簧的厚度的至少两倍。在示例中，这可以通过在诸如使用SOI晶片的若干构造层中实现镜子器件来实现。上部构造层可以具有大约10μm的厚度，并且下部构造层可以具有大约300μm的厚度。构造层可以通过厚度大约为1μm的绝缘层分开。刚性元件742可以形成在上层、绝缘层和下层的一部分中，从而导致大约55μm的厚度，并且相关联的板簧32可以形成在上层中。因此，在示例中，刚性元件742的厚度可以是板簧的约5.5倍。

在其他示例中，诸如图17F和图17G所示的那些示例，泄放弹簧741可以是Z字形或曲折形。在图17H至图17J中，泄放弹簧35围绕X轴旋转了90度。

为了增加泄放连杆34的机械强度并且降低机械故障的风险，应当减小或最小化泄放弹簧35中的机械应力。这可以通过增加长度(在图1中的Y方向上)来实现，但是这在一定程度上损害了Y和Z方向上的刚度。减小机械应力的另一种方法是使泄放弹簧35更薄(在图1中的X方向上)，因为对于给定的位移，机械弯曲应力与泄放弹簧35的厚度有关。为了补偿刚度损失(在所有方向上)，可以使用机械地平行布置的多个泄放弹簧35，参见例如图17C至图17E和图17J。当多个泄放弹簧35在机械上平行使用时，它们的刚度相加，从而导致泄放连杆的整体刚度更高。这样，可以减小泄放弹簧35中的机械弯曲应力，而不会降低泄放装置34的机械刚度。同时，Z方向上的平移刚度(图1中)与X方向上的平移刚度的比率可以通过保持泄放弹簧35的长度尽可能小来改善，这导致更好地抑制不想要的运动。而且，在板簧32的端部处的旋转刚度(围绕与Y轴平行的轴，如图1中限定)或在板簧32的端部处的刚性主体742的旋转刚度可以显著地增加。这在使用单个泄放弹簧35(参见图17A)或多个共线的泄放弹簧35(参见图17B)的情况下是不可能的。

在示例中，板簧32经由泄放连杆34耦合到框架14。因此，允许板簧32在其纵向方向上收缩和膨胀，同时避免镜体8的转动惯量的增加。在其他示例中，可以设置泄放连杆34以将板簧连接到镜体。在示例中，可以提供泄放连杆34以将板簧连接到框架14和镜体8两者。

图18示出了镜子器件的另一示例的示意性俯视图。在图18所示的示例中，板簧32的第二端32b没有加宽。泄放连杆包括位于相应板簧32的两侧的泄放弹簧。开口50形成在至少一个板簧32中。开口在图18中仅以示意性方式示出。在其他示例中，板簧在平面图中可以具有矩形形状。

在示例中，镜子器件包括驱动器以围绕扫描轴线向镜体磁力地或电力地施加扭矩，而不与镜体物理接触，以便以谐振频率驱动镜体。在示例中，致动器是静电梳状驱动致动器，其具有一对相互配合的梳子，其中第一梳子刚性连接到镜体并且第二梳子刚性连接到框架。在示例中，致动器具有至少另外一对相互配合的梳子，其中第一梳子刚性地连接到镜体并且第二梳子刚性地连接到框架，其中上述至少另外一对梳子布置在距旋转轴线一定距离处，该距离小于或大于所述一对相互配合的梳子与旋转轴线之间的距离。

尽管已经将一些方面描述为在设备的上下文中的特征，但是显然这样的描述也可以被视为对方法的相应特征的描述。尽管已经将一些方面描述为在方法的上下文中的特征，但是显然这样的描述也可以被视为关于装置的功能的相应特征的描述。

在前面的具体实施方式中，可以看出，为了简化本公开，各种特征在示例中被组合在一起。本公开的方法不应当被解释为反映所要求保护的示例需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。而是，如以下权利要求所反映，发明主题可以在于少于单个公开示例的所有特征。因此，以下权利要求在此并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以作为单独的示例独立存在。尽管每个权利要求可以作为单独的示例独立存在，但是应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例还可以包括从从属权利要求与每个其他从属权利要求的主题的组合或每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非声明不意图特定组合，否则本文中提出了这样的组合。此外，意图将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不是直接依赖于该独立权利要求。

上述示例仅仅是对本公开的原理的说明。应当理解，对本文中描述的布置和细节的修改和变化对于本领域技术人员而言将是很清楚的。因此，意图仅受到即将发生的专利权利要求的范围的限制，而不受通过本文中的示例的描述和解释所呈现的具体细节的限制。

Claims

1.一种镜子器件，包括：

框架；

镜体，布置在所述框架中，并且围绕旋转轴线可旋转；

支撑梁，连接在所述镜体与所述框架之间；以及

至少一个板簧，关于所述镜体围绕所述旋转轴线的旋转而提供扭转刚度，

其中所述板簧的最大厚度小于所述板簧的最小宽度，其中所述板簧具有减小所述板簧的厚度或者在厚度方向上穿透所述板簧的开口，以及

其中所述开口包括当在所述板簧的厚度方向上观察时完全被所述板簧的材料包围的开口。

2.根据权利要求1所述的镜子器件，其中所述开口中的至少一个开口在所述板簧的宽度方向上的延伸小于所述板簧的最小宽度。

3.根据权利要求1或2所述的镜子器件，其中所述开口包括以下中的至少一种：

-三个或更多个开口，

-五个或更多个开口，以及

-十个或更多个开口。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的镜子器件，其中所述板簧的第一端耦合到所述镜体，并且所述板簧的第二端耦合到所述框架，其中所述开口包括被布置为与所述第二端相比更靠近所述第一端的开口。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的镜子器件，其中当在所述板簧的厚度方向上观察时，所述开口分布在覆盖所述板簧的面积的50％或更多的区域上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的镜子器件，其中当在所述板簧的厚度方向上观察时，所述开口包括不同形状和/或不同区域的至少两个开口。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的镜子器件，其中当在所述板簧的厚度方向上观察时，所述开口占据所述板簧的面积的百分比在20％至90％的范围内。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的镜子器件，其中所述开口被布置为当与不包括所述开口的板簧相比时，将关于所述镜体围绕所述旋转轴线的旋转的扭转刚度减小得与关于围绕垂直于所述旋转轴线的轴线的旋转的扭转刚度相比更多。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的镜子器件，其中所述开口被布置为提供所述板簧的桁架结构。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的镜子器件，其中所述开口包括其间布置有十字形、y形或x形平台中的至少一种的开口。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的镜子器件，其中当在所述板簧的厚度方向上观察时，所述开口包括三角形开口。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的镜子器件，其中所述开口包括在所述板簧的第一端与所述板簧的第二端之间在纵向方向上延伸的纵向矩形开口。

13.根据权利要求12所述的镜子器件，其中成对的纵向矩形开口在所述宽度方向上并排形成在所述板簧的一部分中，所述板簧的所述一部分的宽度小于所述板簧的其他部分的宽度。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的镜子器件，其中当在所述板簧的厚度方向上观察时，在所述开口的角部中形成有圆角，并且所述开口不包括锐角。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的镜子器件，包括至少一个板簧组件，所述至少一个板簧组件包括所述至少一个板簧和泄放连杆，其中所述至少一个板簧具有第一端和第二端以及在所述第一端与所述第二端之间的纵向方向，其中a)所述第一端固定到所述镜体并且所述第二端通过所述泄放连杆耦合到所述框架，或者b)所述第一端通过所述泄放连杆耦合到所述镜体并且所述第二端固定到所述框架，其中所述泄放连杆允许所述板簧在所述纵向方向上在所述板簧的邻近所述泄放连杆的端部处的平移。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的镜子器件，其中所述镜体包括镜子支撑件和布置在所述镜子支撑件上的镜子，其中所述镜子支撑件包括支撑杆，并且其中所述至少一个板簧当在所述板簧的厚度方向上观察时在所述镜子外部固定到所述支撑杆。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的镜子器件，包括第一对板簧和第二对板簧，每对中的板簧在相反的方向上从所述镜体延伸。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的镜子器件，其中所述板簧包括从所述板簧的中间部分朝向耦合到所述镜体的第一端并且朝向耦合到所述框架的第二端而增加的宽度，其中所述第一端处的宽度大于所述第二端处的宽度。

19.一种镜子器件，包括：

框架；

镜体，布置在所述框架中，并且围绕由所述框架限定的平面中延伸的旋转轴线可旋转；

支撑梁，沿所述旋转轴线连接在所述镜体与所述框架之间；以及

至少一个板簧，关于所述镜体围绕所述旋转轴线的旋转而提供扭转刚度，所述至少一个板簧具有第一端和第二端以及在所述第一端与所述第二端之间的纵向方向，所述第一端耦合到所述镜体并且所述第二端耦合到所述框架，

其中所述板簧在所述平面中具有垂直于所述平面的最大厚度，所述最大厚度小于所述板簧的最小宽度，并且其中所述板簧具有减小所述板簧的厚度或者在厚度方向上穿透所述板簧的开口。

20.根据权利要求19所述的镜子器件，其中所述开口包括在所述板簧的纵向方向上具有与在所述板簧的宽度方向上相比更大的延伸的开口。

21.根据权利要求19或20所述的镜子器件，其中所述板簧的第一端固定到所述镜体，其中所述板簧的第二端不包括凹陷部分或开口。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的镜子器件，其中所述开口被布置为当与不包括所述开口的板簧相比时，将关于所述镜体围绕所述旋转轴线的旋转的扭转刚度减小得与关于围绕垂直于所述旋转轴线的轴线的旋转的旋转刚度相比更多。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的镜子器件，其中所述开口被布置为提供所述板簧的桁架结构。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的镜子器件，其中所述开口包括其间布置有十字形或x形的平台的开口。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的镜子器件，其中在平面图中，所述开口包括三角形开口。

26.根据权利要求25所述的镜子器件，其中在平面图中，在所述开口的角部中形成有圆角。