CN112817143A - Mems扫描镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MEMS扫描镜。该MEMS扫描镜的一具体实施方式包括：反射镜、用于使反射镜绕旋转轴旋转的压电致动器及反射镜偏转角度检测装置，反射镜偏转角度检测装置包括压阻式压力传感器，该传感器包括：第一导电类型导电半导体层；形成在半导体层中具有一个第二导电类型的压阻区域；形成在半导体层中压阻区域周围的保护区域，具有第一导电类型且杂质浓度大于半导体层的杂质浓度，形成在半导体层上的绝缘层，以及，形成在绝缘层上的金属布线，在该压阻区域设置四个端子，使该传感器具有X‑ducer配置且压阻区域具有被移除的中心区域；第一导电类型为n型，第二导电类型为p型；或者，第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。该实施方式可提升感测精度。

Description

MEMS扫描镜

技术领域

本发明涉及激光投影技术领域。更具体地，涉及一种MEMS扫描镜。

背景技术

采用MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)扫描镜的激光投影仪，具有低成本、小型化等优点，具有广阔的市场前景。

传统的MEMS扫描镜常采用扭杆致动方式，反射镜被两个、三个或更多的支撑该反射镜的扭杆带动倾斜并扭转，以执行光学扫描，采用共振驱动来实现大的扫描角度，需要通过结构设计将反射镜倾斜运动的共振频率与驱动频率相匹配。

在驱动MEMS扫描镜或监控反射镜角度时，为了维持共振状态，目前的方式是设置用于感测反射镜偏转角度的角度传感器，驱动器根据角度传感器输出的信号控制施加到致动器的驱动电压或驱动频率，来驱动反射镜旋转。对于传统的扭杆型MEMS扫描镜，角度传感器为在扭杆边缘位置设置的采用压电效应或压阻效应的角度传感器。

对于采用压阻效应的角度传感器，其为压阻式压力传感器，包括在扭杆边缘设置的四个压敏电阻元件，其中，压敏电阻元件具有其电阻值因应力而变化的性质(压阻效应)。如图1所示，现有的压阻式压力传感器由四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d构成惠斯顿电桥，其中，压敏电阻元件4a的引出电极5a接入电压VDD，压敏电阻元件4b的引出电极5b接地，压敏电阻元件4c的引出电极5c和压敏电阻元件4d的引出电极5d用作惠斯顿电桥的输出端，四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d由硅晶片制成，由于需要四个压敏电阻元件4a、4b、4c和4d构成惠斯顿电桥，因此该压阻式压力传感器在制备及形成于MEMS扫描镜中存在许多限制，例如该压阻式压力传感器的体积较大、存在对关于其布线和布局的限制等。

对于MEMS扫描镜来说，对于相对较低的驱动频率的应用，需要采用较低的共振频率，为此，现有技术提出了一种采用形成弯曲形悬臂(即折叠弹簧结构，板状铰链)的外部压电致动器的方案，作为适合于低频驱动的设计，以降低共振频率。其结构例如，如图2所示，二维MEMS扫描镜包括：反射镜10；可动支撑件11(内部可动框)，可动支撑件11包围反射镜10以通过一对扭杆12a和12b来支承反射镜10；第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b，第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b分别固定在可动支撑件11与扭杆12a和12b之间并且分别用作悬臂，用于通过扭杆12a和12b使反射镜10绕X轴旋转；固定支撑件14(外部固定框)，固定支撑件14包围可动支撑件11；以及第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b，第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b分别固定在固定支撑件14与可动支撑件11之间并且分别用作弯曲形悬臂，用于通过可动支撑件11使反射镜10绕Y轴旋转(Y轴垂直于X轴)，从而实现二维扫描，其中，驱动第一内部压电致动器13a和第二内部压电致动器13b的驱动信号通常为频率20kHz以上的正弦波或矩形波信号，驱动第一外部压电致动器15a和第二外部压电致动器15b的驱动信号通常为频率60Hz左右的锯齿波信号(即X轴为快轴，Y轴为慢轴)，实现二维MEMS扫描镜的快速横向扫描及慢速纵向扫描。在采用形成弯曲形悬臂的外部压电致动器的如图2所示的二维MEMS扫描镜结构的基础上，对于反射镜10绕Y轴旋转的偏转角度的检测，如图3所示，现有的方式为可动支撑件11的边缘设置有感测梁16，该感测梁16上设置有用于感测反射镜10绕Y轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器(图3中未示出)。一方面，为了提高压阻元件的灵敏度，优选的方式是将压阻式压力传感器设置在感测梁16上扭矩较大(出现大幅度扭曲)的位置。然而，由于压阻式压力传感器的尺寸限制，难以将其布置在感测梁16上较薄的位置，因此，压阻式压力传感器实际被设置在感测梁16的基座的位置。目前，存在一种具有X-ducer配置的压阻式压力传感器，可实现尺寸的减小，但是，由于压阻元件电阻值的减小，当用恒定电流控制驱动时该传感器的灵敏度会降低。另一方面，可动支撑件11的边缘设置有感测梁16，该感测梁16上设置有用于感测反射镜10绕Y轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器的方式会对反射镜10的旋转造成妨碍，在跟随共振频率时难以准确驱动反射镜10。

因此，需要提供一种新的MEMS扫描镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种MEMS扫描镜，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜、用于使所述反射镜绕旋转轴旋转的压电致动器及反射镜偏转角度检测装置，所述反射镜偏转角度检测装置包括压阻式压力传感器，所述压阻式压力传感器包括：

第一导电类型导电半导体层；

形成在所述半导体层中具有一个第二导电类型的压阻区域；

形成在所述半导体层中所述压阻区域周围的保护区域，具有第一导电类型且杂质浓度大于所述半导体层的杂质浓度，

形成在所述半导体层上的绝缘层，以及

形成在绝缘层上的金属布线，

在该压阻区域设置四个端子，使该传感器具有X-ducer配置且压阻区域具有被移除的中心区域；

第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

可选地，所述压阻区域的形状为圆形、矩形或菱形。

可选地，所述被移除的中心区域为圆形或椭圆形。

可选地，所述被移除的中心区域的尺寸为所述压阻区域的尺寸的二分之一。

可选地，压阻区域的第一端和第二端沿该压阻区域对称轴方向设置，第三端和第四端位于压阻区域两侧关于该对称轴对称设置，且各端位于各侧的中心。

可选地，所述第一端用作公共端，第二端用于施加工作电压，第三端和第四端为输出端。

可选地，所述被移除的中心区域为非掺杂半导体区域。

可选地，所述压电致动器包括依次堆叠在半导体层的绝缘层上的下电极、压电体和上电极，所述下电极设置在第一布线层中，用作压电致动器的驱动电极。

可选地，压阻区域的对称轴方向与所述旋转轴平行。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案中，由一个压阻元件构成惠斯顿电桥形成压阻传感器，可以减小布置区域，减小对制造桥接电路的限制，同时减少了对布线和布局的限制。在MEMS扫描镜中采用根据本发明的压阻式压力传感器，通过将从应力检测器获得的检测信号反馈到扫描镜压电致动器单元的驱动，可以实现稳定的谐振驱动。进一步，压阻传感器的压阻元件具有被移除的中心区域，可增加压阻元件的电阻值，提高压阻传感器的灵敏度，使本发明的压阻式压力传感器具有较高的感测精度。且通过将具有对称形状的压力传感器的对称轴与扫描镜的旋转轴平行设置，进一步提高了传感器对扫描镜旋转的灵敏度。本发明的MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器具有较高的感测精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出现有的现有的压阻式压力传感器的示意图。

图2示出现有的二维MEMS扫描镜的结构示意图。

图3示出现有的二维MEMS扫描镜采用的用于设置压阻式压力传感器的感测梁的示意图。

图4示出本发明实施例提供的MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器的示意图。

图5示出一具体示例中，本发明实施例提供的MEMS扫描镜中的感测梁的示意图。

图6示出图5所示的具体示例中，第一感测梁与固定支撑件的连接示意图。

图7示出图5所示的具体示例中，第一感测梁与可动支撑件的连接示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在反射镜器件中，布置嵌入在第一导电类型例如n型硅结构中的第二导电类型例如p型压阻式压力传感器以及在该传感器周围的第二导电类型n+掺杂的保护区域。在该掩埋传感器的上层中，堆叠绝缘膜和金属布线。该传感器由使用压阻电阻的惠斯顿电桥组成。

如图4所示，本发明的一个实施例提供了一种MEMS扫描镜中的压阻式压力传感器，包括：

第一导电类型导电半导体层；

形成在所述半导体层中具有一个第二导电类型的压阻区域120；

形成在所述半导体层中所述压阻区域120周围的保护区域，具有第一导电类型且杂质浓度大于所述半导体层的杂质浓度，

形成在所述半导体层上的绝缘层，以及

形成在绝缘层上的金属布线，

在该压阻区域120设置四个端子，使该传感器具有X-ducer配置且压阻区域120具有被移除的中心区域130；

第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

本实施例提供压阻传感器的压阻元件具有被移除的中心区域，可增加压阻元件的电阻值，提高压阻传感器的灵敏度，使传感器具有较高的感测精度。且压阻传感器由一个压阻元件构成惠斯顿电桥形成，可以减小布置区域，减小对制造桥接电路的限制，同时减少了对布线和布局的限制。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述压阻区域120的形状为圆形、矩形或菱形。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述被移除的中心区域130为圆形或椭圆形。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述被移除的中心区域130的尺寸为所述压阻区域120的尺寸的二分之一。例如，所述被移除的中心区域130的长度和宽度分别为所述压阻区域120的长度或宽度的二分之一，或者，所述被移除的中心区域130的直径为所述压阻区域120的直径的二分之一，图4中，圆形的被移除的中心区域130的直径x-Half为正方形的压阻区域120的边长x的二分之一。另外，矩形的压阻区域不限于如图4所示正方形，矩形的压阻区域的横向长度(图4中水平方向)可设置为8微米、16微米或24微米，竖向长度可设置为8微米或16微米。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻区域120的第一端141和第二端142沿该压阻区域120对称轴方向设置，第三端143和第四端144位于压阻区域120两侧关于该对称轴对称设置，且各端位于各侧的中心。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一端141用作公共端，施加VSS；第二端142用于施加工作电压VDD，在一个具体示例中，VDD＝3V；第三端143和第四端144为输出端。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述被移除的中心区域130为非掺杂半导体区域。

本发明的另一个实施例提供了一种MEMS扫描镜，包括反射镜和用于使所述反射镜绕旋转轴旋转的压电致动器，还包括上述实施例提供的压阻式压力传感器。

根据本发明实施例的压阻式压力传感器设置在反射镜单元和压电致动器之间诸如扭杆的部分上，用于感测所述反射镜绕旋转轴旋转的偏转角度。在本实施例的一些可选的实现方式中，本发明压力传感器的压阻区域120的对称轴方向与所述扫描镜的旋转轴平行设置。进一步，根据本发明的压力传感器设置在扫描镜旋转轴的延长线上，压阻区域120的对称轴方向与旋转轴共轴设置。以这种方式，可以提升压阻式压力传感器感测所述反射镜绕旋转轴旋转的偏转角度的敏感度。通过将从压力传感器获得的检测信号反馈到压电致动器单元的驱动，可以实现稳定的共振驱动，驱动反射镜。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻式压力传感器与压电致动器共同形成在半导体衬底上。压电致动器包括依次堆叠在半导体衬底的绝缘层上的下电极、压电体和上电极。具体地，下电极用作压电致动器的驱动电极，用于向压电致动器施加驱动电压。下电极上形成有压电材料PZT，其上形成有上电极。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该MEMS扫描镜还包括支撑件、第一感测梁，所述压电致动器包括分别用作悬臂的第一压电致动器及第二压电致动器，所述第一压电致动器及第二压电致动器用于使所述反射镜绕第一旋转轴旋转，所述第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧，压阻式压力传感器设置于所述第一感测梁上。

本实现方式可避免对反射镜的旋转造成妨碍，提升对反射镜偏转角度检测的精度，且有利于实现MEMS扫描镜的小型化，特别适用于采用弯曲形悬臂的MEMS扫描镜，有利于实现稳定的驱动，适用于以低频驱动频率实现大角度扫描。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，进一步提升对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁端部的位置。进一步，压阻式压力传感器设置于靠近所述第一感测梁连接支撑件的一端的位置。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，且可进一步保证对反射镜偏转角度检测的精度。可理解的是，第一感测梁可将反射镜绕第一旋转轴的旋转扭矩传递至压阻式压力传感器。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一压电致动器及第二压电致动器分别形成弯曲形悬臂。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一感测梁设置为围绕所述第一压电致动器的一侧。此实现方式便于制备第一感测梁，且可保证MEMS扫描镜整体的小型化。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该MEMS扫描镜还包括第二感测梁，所述第二感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的另一侧，所述第二感测梁上设置有用于感测反射镜绕所述第一旋转轴旋转的偏转角度的另一个压阻式压力传感器。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第二感测梁连接所述支撑件的一端及连接所述反射镜的另一端分别位于所述第一旋转轴上。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，进一步提升对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，压阻式压力传感器设置于靠近所述第二感测梁端部的位置。进一步，压阻式压力传感器设置于靠近所述第二感测梁连接支撑件的一端的位置。此实现方式可进一步保证避免对反射镜的旋转造成妨碍，且可进一步保证对反射镜偏转角度检测的精度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第二感测梁设置为围绕所述第二压电致动器的一侧。此实现方式便于制备第二感测梁，且可保证MEMS扫描镜整体的小型化。

在本实施例的一些可选的实现方式中，所述第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器，即，第一压电致动器及第二压电致动器配合用于二维MEMS扫面镜的慢扫描。可理解的是，在第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器的情况下，第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧应理解为第一感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的一侧。另外，第一压电致动器及第二压电致动器也可分别为第一内部压电致动器和第二内部压电致动器，此时，第一感测梁一端连接所述支撑件、另一端连接所述反射镜的一侧应理解为第一感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的一侧。当然，也可采用对于反射镜绕X轴、Y轴的旋转的偏转角度的检测均采用本实施例提供的MEMS扫描镜的结构实现，进一步，对于反射镜绕X轴、Y轴的旋转的偏转角度的检测均可设置两个本实施例中的感测梁，此种情况下，本实施例提供的MEMS扫描镜的结构可描述为：包括固定支撑件、可动支撑件、反射镜和分别用作悬臂的一号内部压电致动部器、二号内部压电致动器、一号外部压电致动器、二号外部压电致动器，一号内部压电致动部器及二号内部压电致动部器用于使反射镜绕第一旋转轴(X轴)旋转，一号外部压电致动器及二号外部压电致动器用于(通过可动支撑件)使所述反射镜绕第二旋转轴(Y轴)旋转，该MEMS扫描镜还包括一号感测梁、二号感测梁、三号感测梁和四号感测梁，一号感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的一侧，二号感测梁一端连接可动支撑件、另一端连接反射镜的另一侧，三号感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的一侧，四号感测梁一端连接固定支撑件、另一端连接可动支撑件的另一侧，一号感测梁和二号感测梁上分别设置有用于感测反射镜绕第一旋转轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器，三号感测梁和四号感测梁上分别设置有用于感测反射镜绕第二旋转轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器。

上述实现方式限定了所述第一压电致动器及第二压电致动器分别为第一外部压电致动器和第二外部压电致动器，也就是说MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜，可理解的是，对于一维MEMS扫描镜，其也可采用本实施例提供的MEMS扫描镜结构。另外，可理解的是，上述实施例提供的压阻式压力传感器不限于应用在上述实现方式限定的MEMS扫描镜中，其可应用于各种结构的MEMS扫描镜中。

在一个具体示例中，结合上述实现方式，以本实施例提供的MEMS扫描镜为二维MEMS扫描镜进行进一步说明：在如图1所示的现有的二维MEMS扫描镜的基础上，如图5-7所示，本示例的二维MEMS扫描镜中，围绕形成弯曲形悬臂的第一外部压电致动器25a的一侧设置有第一感测梁26、围绕形成弯曲形悬臂的第二外部压电致动器25b的一侧设置有第二感测梁27。其中，第一感测梁26与第二感测梁27以X轴呈镜像，以第一感测梁26为例，第一感测梁26一端连接固定支撑件24、另一端连接可动支撑件21的一侧，第一感测梁26连接固定支撑件24的一端及连接可动支撑件21的另一端分别位于Y轴上，如图6所示，第一感测梁26上设置的用于感测反射镜绕Y轴旋转的偏转角度的压阻式压力传感器设置于靠近第一感测梁26连接固定支撑件24的一端的位置。

本示例中，反射镜由用作振动板的单晶硅支承层、用作反射器的金属层以及硬掩模层制成。可动支撑件21由单晶硅有源层和二氧化硅层构成。固定支撑件24由单晶硅层、中间硅层、单晶硅有源层、二氧化硅层和硬掩模层构成。

本发明的另一个实施例提供了一种激光投影仪，包括上述实施例提供的MEMS扫描镜，此外，还包括激光光源、准直整形等光学器件及激光驱动电路、MEMS扫描镜驱动电路等。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种MEMS扫描镜，包括反射镜、用于使所述反射镜绕旋转轴旋转的压电致动器及反射镜偏转角度检测装置，其特征在于，所述反射镜偏转角度检测装置包括压阻式压力传感器，所述压阻式压力传感器包括：

第一导电类型导电半导体层；

形成在所述半导体层中具有一个第二导电类型的压阻区域；

形成在所述半导体层中所述压阻区域周围的保护区域，具有第一导电类型且杂质浓度大于所述半导体层的杂质浓度，

形成在所述半导体层上的绝缘层，以及

形成在绝缘层上的金属布线，

在该压阻区域设置四个端子，使该传感器具有X-ducer配置且压阻区域具有被移除的中心区域；

第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型；或者，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。

2.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述压阻区域的形状为圆形、矩形或菱形。

3.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述被移除的中心区域为圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述被移除的中心区域的尺寸为所述压阻区域的尺寸的二分之一。

5.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，压阻区域的第一端和第二端沿该压阻区域对称轴方向设置，第三端和第四端位于压阻区域两侧关于该对称轴对称设置，且各端位于各侧的中心。

6.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述第一端用作公共端，第二端用于施加工作电压，第三端和第四端为输出端。

7.根据权利要求1所述的MEMS扫描镜，其特征在于，所述被移除的中心区域为非掺杂半导体区域。

8.根据权利要求1的MEMS扫描镜，其特征在于，所述压电致动器包括依次堆叠在半导体层的绝缘层上的下电极、压电体和上电极，所述下电极设置在第一布线层中，用作压电致动器的驱动电极。

9.根据权利要求1的MEMS扫描镜，其特征在于，压阻区域的对称轴方向与所述旋转轴平行。

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