CN113805158B - 使能大镜的高频率和高机械倾斜角的mems扫描仪悬架系统 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及使能大镜的高频率和高机械倾斜角的MEMS扫描仪悬架系统。微机电系统设备包括：围绕旋转轴线振荡的振荡器结构；包括框架凹部的可旋转地固定的框架，振荡器结构悬置在框架凹部内；悬架组件，机械地耦合振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间，悬架组件将振荡器结构悬置在框架凹部内。悬架组件包括：沿旋转轴线在长度方向上延伸的中央支撑梁，中央支撑梁机械地耦合振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间；第一外部支撑梁，机械地耦合振荡器结构，并且在与旋转轴线正交的第一方向上，从中央支撑梁横向移位；至少一个第一内部支撑梁，直接耦合中央支撑梁和第一外部支撑梁并且位于中央支撑梁与第一外部支撑梁之间。

Description

使能大镜的高频率和高机械倾斜角的MEMS扫描仪悬架系统

技术领域

本公开的各实施例涉及使能大镜的高频率和高机械倾斜角的MEMS扫描仪悬架系统。

背景技术

激光雷达(LIDAR)是一种遥感方法，它使用脉冲激光形式的光来测量到视场中的一个或多个物体的距离(可变距离)。具体地，微机电系统(MEMS)镜被用于跨视场扫描光。光电检测器阵列接收来自被光照射的物体的反射，并且反射到达光电检测器阵列中的各个传感器所花费的时间被确定。这也被称为测量飞行时间(TOF)。LIDAR系统通过基于飞行时间的计算，映射到物体的距离，从而形成深度测量并进行距离测量。因此，飞行时间计算可以创建距离和深度映射，距离和深度映射可以被用于生成图像。

LIDAR扫描系统可以包括一个或多个扫描镜以及用于在水平和/或竖直方向上扫描不同视场的对应电路装置。以某个谐振频率操作的MEMS镜可能会受到各种系统性和非系统性误差源的影响。例如，扫描镜可以是在角度振幅与频率之间具有相关性的非线性振荡器。

例如在LIDAR应用中，当前的小型MEMS扫描仪(例如，诸如MEMS镜的振荡结构)在可达到的(最大)角度范围和视场中示出局限性。例如，MEMS镜可以围绕扫描轴线从+/-θmax振荡，其中θmax表示MEMS镜的最大倾斜角，并且+/-θmax表示振荡的最大角度范围。最大角度范围限定了视场，视场是透射光投射到其中的扫描平面。视场的两个相对边缘分别对应于+θmax和-θmax。MEMS镜的中间位置为0°。

MEMS扫描仪(诸如，镜)可以是圆形或椭圆形，并且其尺寸由最长的直径来限定。在椭圆镜的情况下，最长的直径对应于主轴线的长度，主轴线可以垂直于扫描轴线延伸。MEMS扫描仪的关键参数是所允许的有限动态变形，有限动态变形与镜体厚度成比例。例如，更薄、更轻的板导致固定频率的动态变形增加，这导致所发射和/或接收的光束失真。因此，用于减小惯性的自由度有限，因为它也会影响动态变形。将MEMS扫描仪尺寸缩放来增加镜的尺寸会导致高惯性，高惯性需要通过高刚度的悬架来补偿，以将振荡的操作频率维持在2kHz以上。高于2kHz的操作频率使能较高的刷新率，并且还避免对汽车应用中的振动敏感。为了以高速扫描环境并获取快速变化的场景数据，高刷新率很重要。对抵抗振动具有鲁棒性的扫描仪非常重要，因为振动会削弱扫描操作，从而导致测量不准确并且无法满足汽车行业的安全要求(例如，用于安全控制和自动驾驶)。

但是，由于机械应力水平的增加与硬度的增加成比例，因此高刚度的悬架限制了扫描仪的机械角度。对于基于硅的MEMS设备，安全的机械应力极限可能约为1-2吉帕斯卡(GPa)。但是，该安全机械应力极限可能会根据处理方法、质量和设计参数而有所不同，并且可能高于2GPa。因此，由于要求保持在安全的机械应力极限(例如，2GPa或更小)的范围内，高刚度的悬架带来了限制振荡的最大角度范围的问题。例如，对于最长直径为5毫米(mm)或更大的MEMS扫描仪，由于上述设计约束，可能难以达到10°或更大的最大角度倾斜角。由于振荡的最大角度范围被限制，视场的尺寸也受到限制。

因此，可能需要具有较大的镜直径(≥5mm)和较大的最大机械倾斜角(≥10°)，同时在高频率(≥2kHz)谐振下操作并保持的改进的MEMS振荡结构(诸如，MEMS镜)。

发明内容

一个或多个实施例提供了微机电系统(MEMS)设备，微机电系统(MEMS)设备包括：振荡器结构，被配置为围绕旋转轴线振荡；可旋转地固定的框架，框架包括框架凹部，振荡器结构被悬置在框架凹部内；以及悬架组件，被机械地耦合到振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间，悬架组件被配置为将振荡器结构悬置在框架凹部内。悬架组件包括：中央支撑梁，沿旋转轴线在长度方向上延伸，中央支撑梁被机械地耦合到振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间；第一外部支撑梁，被机械地耦合到振荡器结构，并且在与旋转轴线正交的第一方向上，从中央支撑梁横向移位；至少一个第一内部支撑梁，被直接耦合到中央支撑梁和第一外部支撑梁并且位于中央支撑梁与第一外部支撑梁之间；第二外部支撑梁，被机械地耦合至振荡器结构，并且在与旋转轴线正交的第二方向上，从中央支撑梁横向移位，其中第二方向与第一方向相对；以及至少一个第二内部支撑梁，被直接耦合到中央支撑梁和第二外部支撑梁并且位于中央支撑梁与第二外部支撑梁之间。

一个或多个实施例提供了振荡器系统，振荡器系统包括：振荡器结构，被配置为以至少2kHz的谐振频率、以至少10°的最大偏转角而围绕旋转轴线振荡，其中振荡器结构包括主表面，主表面的尺寸至少为5毫米；可旋转地固定的框架，框架包括框架凹部，振荡器结构被悬置在框架凹部内；以及悬架组件，被机械地耦合到振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间，悬架组件被配置为将振荡器结构悬置在框架凹部内。悬架组件包括：中央支撑梁，沿旋转轴线在长度方向上延伸，中央支撑梁被机械地耦合到振荡器结构和框架并且位于振荡器结构与框架之间，其中中央支撑梁随着振荡器结构的振荡而围绕旋转轴线扭转并且当振荡器结构以至少2kHz的谐振频率、以至少10°的最大偏转角围绕旋转轴线振荡时，具有3GPa或更小的机械应力水平；第一外部支撑梁，被机械地耦合到振荡器结构，并且在与旋转轴线正交的第一方向上，从中央支撑梁横向移位；至少一个第一内部支撑梁，被直接耦合到中央支撑梁和第一外部支撑梁并且位于中央支撑梁与第一外部支撑梁之间；第二外部支撑梁，被机械地耦合至振荡器结构，并且在与旋转轴线正交的第二方向上，从中央支撑梁横向移位，其中第二方向与第一方向相对；以及至少一个第二内部支撑梁，被直接耦合到中央支撑梁和第二外部支撑梁并且位于中央支撑梁与第二外部支撑梁之间。

附图说明

本文中参考附图来描述实施例。

图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意图；

图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统的示意性框图；

图3示出了根据一个或多个实施例的MEMS设备的一个示例的示意图；以及

图4A-图4H示出了根据一个或多个实施例的在MEMS设备中实现的各种悬架组件。

具体实施方式

在下文中，阐述细节来提供对示例性实施例的更透彻解释。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。在其他实例中，以框图的形式或以示意图的方式而不是详细地示出了公知的结构和设备，以避免使得实施例模糊。此外，除非另外特别指出，否则下文中描述的不同实施例的特征可以被彼此组合。

此外，在以下描述中使用等同或相似的附图标记表示等同或相似的元素或具有等同或相似功能的元素。由于在附图中相同或功能等效的元素被赋予相同的附图标记，因此可以省略对具有相同附图标记的元素的重复描述。因此，为具有相同或相似附图标记的元素提供的描述可以相互交换。

在该方面，可以参考所描述的附图的定向来使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“之下”、“之上”、“前面”、“后面”、“背面”、“前部”、“尾部”等。因为实施例的各部分可以以许多不同的定向来定位，所以方向术语被用于例示目的。应当理解，在不脱离权利要求所限定的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应在限制的意义上进行。权利要求中使用的方向术语可以在不受限于特定定向的情况下，帮助限定一个元素与另一元素或特征的空间或位置关系。

将理解，当一个元素被称为“连接”或“耦合”到另一元素时，它可以被直接连接或耦合到另一元素，或者可以存在中间元素。相反，当一个元素被称为“直接连接”或“直接耦合”至另一元素时，则不存在中间元素。应当以类似的方式来解释用于描述元素之间的关系的其他词语(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。

在本文所述或附图中示出的实施例中，只要基本上保持例如用于传输某种信号或某种信息的连接或耦合的目的，任何直接的电连接或耦合(即，没有附加中间元素的任何连接或耦合)也可以通过间接的连接或耦合(即，利用一个或多个附加中间元素的连接或耦合，反之亦然)来实现。来自不同实施例的特征可以被组合来形成另外的实施例。例如，除非相反地指出，否则关于实施例中的一个实施例描述的变化或修改也可以适用于其他实施例。

在本公开中，包括序数的表达，诸如“第一”、“第二”等，可以修饰各种元素。然而，这样的元素不受以上表达的限制。例如，以上表达不限制元素的序列和/或重要性。以上的表达仅用于将一个元素与其他元素区分开的目的。例如，第一框和第二框指示不同的框，但是它们都是框。对于另外的示例，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素也可以被称为第一元素。

本公开的一个或多个方面可以被实现为其上记录有程序的非暂态计算机可读记录介质，程序体现了方法/算法来指示处理器执行方法/算法。因此，非暂态计算机可读记录介质可以具有存储在其上的电子可读控制信号，电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够协作)，从而执行相应方法/算法。非暂态计算机可读记录介质可以是例如CD-ROM、DVD、蓝光盘、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASH存储器或电子存储器设备。

本公开的每个元素可以通过在存储器上实现专用硬件或软件程序来配置，专用硬件或软件程序控制处理器来执行任何部件或其组合的功能。任何部件可以被实现为中央处理单元(CPU)或其他处理器，并且从诸如硬盘或半导体存储器设备的记录介质中读取并执行软件程序。例如，指令可以由一个或多个处理器来执行，一个或多个处理器诸如是一个或多个CPU、数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、可编程逻辑控制器(PLC)或其他等效的集成的或分立的逻辑电路装置。

因此，本文所使用的术语“处理器”指代任何前述结构或适合于实现本文所述技术的任何其他结构。包括硬件的控制器也可以执行本公开的一个或多个技术。包括一个或多个处理器的控制器可以使用电信号和数字算法来执行其接收、分析和控制功能，这些功能还可以包括校正功能。这样的硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独的设备内实现来支持本公开中描述的各种技术。

实施例涉及光学传感器和光学传感器系统，并且涉及获得关于光学传感器和光学传感器系统的信息。传感器可以指代将待测量的物理量转换为电信号(例如，电流信号或电压信号)的部件。物理量可以例如包括电磁辐射，诸如可见光、红外(IR)辐射或其他类型的照射信号、电流或电压，但不限于此。例如，图像传感器可以是相机内部的、将来自透镜的光的光子转换为电压的硅芯片。传感器的活动区域越大，可以被收集来创建图像的光越多。

如本文所使用的传感器设备可以指代包括传感器和其他部件的设备，其他组件例如是偏置电路装置、模数转换器或滤波器。传感器设备可以被集成在单个芯片上，但是在其他实施例中，多个芯片或芯片外部的部件可以被用于实现传感器设备。

在激光雷达(LIDAR)系统中，光源将光脉冲传输到视场中，并且光通过反向散射而从一个或多个物体反射。具体地，LIDAR是直接飞行时间(TOF)系统，其中光脉冲(例如，红外光的激光束)被发射到视场中并且像素阵列检测并测量反射束。例如，光电检测器阵列接收来自被光照射的物体的反射。

每个光脉冲跨像素阵列的多个像素的返回时间差然后可以被用于制作环境的数字3D表示或生成其他传感器数据。例如，光源可以发射单个光脉冲，并且电耦合到像素阵列的时间-数字转换器(TDC)可以从发射光脉冲的时间(对应于开始信号)开始计数，直到反射光脉冲在接收器(即，像素阵列)处接收的时间(对应于停止信号)。光脉冲的“飞行时间”然后被转换为距离。

在另一示例中，模数转换器(ADC)可以被电耦合到像素阵列(例如，利用其之间的中间元件而间接地耦合)，以用于脉冲检测和TOF测量。例如，ADC可以被用于使用适当的算法来估计开始/停止信号之间的时间间隔。例如，ADC可以被用于检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以使用适当的算法来估计开始信号(即，对应于发射光脉冲的定时)与停止信号(即，对应于在ADC处接收模拟电信号的定时)之间的时间间隔。

诸如振荡水平扫描(例如，从视场的左到右以及从右到左)或振荡竖直扫描(例如，从视场的底部到顶部以及从顶部至底部)的扫描可以以连续扫描的方式照射场景。光源每次激发激光束可以在“视场”中产生扫描线。通过沿不同的扫描方向发射连续的光脉冲，被称为视场的区域可以被扫描并且区域内的物体可以被检测并成像。因此，视场表示具有投影中心的扫描平面。也可以使用光栅扫描。

图1是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统100的示意图。LIDAR扫描系统100是包括发射器和接收器的光学扫描设备，发射器包括照射单元10、发射器光学器件11和一维(1D)微机电系统(MEMS)镜12，接收器包括第二光学部件14和光电检测器阵列15。

照射单元10包括多个光源(例如，激光二极管或发光二极管)，多个光源以单条形线性对准并且被配置为传输用于扫描物体的光。光源发射的光通常是红外光，但是也可以使用其他波长的光。从图1的实施例中可以看出，光源发射的光的形状在垂直于传输方向的方向上扩散，以形成垂直于传输的椭圆形光束。从光源发射的照射光被导向发射器光学器件11，发射器光学器件11被配置为将每个激光聚焦到一维MEMS镜12上。发射器光学器件11可以是例如透镜或棱镜。

当被MEMS镜12反射时，来自光源的光被竖直对准，以针对每个发射的激光射击形成红外光的一维竖直扫描线SL或红外光的竖直条。照射单元10的每个光源对竖直扫描线SL的不同竖直区有贡献。因此，光源可以被同时激活和同时去激活来获得具有多个段的光脉冲，其中每个段对应于相应的光源。然而，竖直扫描线SL的每个竖直区或段也可以通过导通或关断照射单元10的对应一个光源来独立地激活或去激活。因此，部分或全部竖直扫描线SL的光可以从系统100输出到视场中。

因此，系统100的发射器是被配置为基于激光脉冲来生成激光束的光学布置，激光束具有在与激光束的发射方向垂直的方向上延伸的长方形形状。

此外，虽然示出了三个激光源，但是应当理解，激光源的数量不限于此。例如，竖直扫描线SL可以由单个激光源、两个激光源或多于三个激光源生成。

MEMS镜12是在半导体芯片上单片集成的机械移动镜(即，MEMS微镜)(参见图3)。根据该实施例的MEMS镜12由机械悬架系统悬置，机械悬架系统使得大镜能够实现高频率和大的最大机械倾斜角。如将在以下详细描述的，MEMS设备包括镜框架、机械悬架系统和镜体，它们被整体地集成在一件式整体结构中，从而形成MEMS半导体芯片。反射材料可以被沉积到硅基镜体上，以形成MEMS镜12的反射表面。

在该示例中，MEMS镜12被配置为围绕单个轴线(即，扫描轴线)旋转，并且可以说仅具有一个移动自由度。由于该单个旋转轴线，MEMS镜12被称为1D MEMS镜。

为了使得MEMS扫描镜对于抵抗振动具有鲁棒性，镜应具有低惯性，即，轻而刚性的镜体。此外，对于镜体的所有自由度(DOF)，镜应具有较高的悬架刚度。

为了实现轻而刚性的镜体，镜体可以包括相对薄的镜和针对镜的较厚的加强结构。镜体可以围绕在由镜框架限定的平面中延伸的旋转轴线而可旋转地布置在镜框架中。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。镜体可以在第一主表面上具有反射平面，并且相对于第一主表面具有利用加强结构而提供的第二主表面。

为了获得高刚度的悬架，如图3所示，镜体可以使用沿旋转轴线延伸的中央支撑梁31、在中央支撑梁31的相对侧上对称地布置的外部支撑梁32以及内部支撑梁33而被支撑在镜框架中，内部支撑梁33被直接耦合到中央支撑梁31并且被直接耦合到对应的外部支撑梁32。

通常，中央支撑梁31使能较高的机械角倾斜，同时保持中央支撑梁31本身的机械应力相对较低。中心支撑梁31的长度、宽度和厚度可以被调整来达到期望的应力水平以及围绕旋转轴线13(即，扫描轴线)的期望的旋转或扭转刚度。内部支撑梁33可以为外部支撑梁32提供支撑。内部支撑梁33对围绕旋转轴线13的旋转或扭转刚度添加了很小的贡献，但是主要用于增加不期望运动(即，与围绕旋转轴线13的旋转移动不同的其他旋转和平移运动)的刚度。

例如，如果旋转轴线13沿Y轴线延伸，则如图3所示，中央支撑梁31对围绕旋转轴线13的旋转或扭转刚度提供主要贡献，而内部支撑梁33对围绕旋转轴线13的旋转或扭转刚度提供较小贡献。此外，内部支撑梁33对围绕X轴线和Z轴线的不期望旋转移动提供了刚度，并且对在X和Z方向上的不期望平移移动提供了刚度。

悬架组件的设计使能围绕目标轴线的高刚度(扭转/旋转运动)，以操作来克服镜12尺寸所施加的高惯性，并且因此实现高谐振频率(≥2kHz)操作，同时针对10°至15°的较大最大机械倾斜角而将机械应力水平限制在3GPa或以下，并且根据目标最大机械倾斜角，可能更优选将其限制在2GPa或以下。减小镜体的厚度并且因此减小惯性，还受到可接受的动态变形的约束，动态变形允许对所发射和接收的光束进行可接受的扫描操作。基于硅的MEMS设备的安全机械应力极限可能基于处理方法、质量和设计参数而有所不同，并且可能高于3GPa。较低的机械应力极限有助于确保悬架组件在操作期间不会发生故障。因此，它在整个系统的设计约束中起着重要的作用。然而，机械应力极限越低，在仍然处于期望机械应力极限内的高谐振频率下，对于大镜而言，实现更大的倾斜角越困难。因此，悬架组件的设计可以使得最大机械倾斜角达到11.5°，同时将机械应力水平限制在2GPa或低于2GPa，并且最大机械倾斜角达到15°，同时将机械应力水平限制到3GPa或低于3GPa。

悬架组件还被配置为抑制较高的不期望的模式(具有比期望的操作模式明显更高的频率的其他平移和旋转模式)。

镜体的低惯性和高悬架刚度的结果可以是高谐振频率和良好的动态性能。这些性质也可以使得以谐振频率围绕旋转主轴线进行操作的设备非常快。在正常操作中，即在谐振时，镜尖端处的加速度通常可以达到10000G。这可以使得任何外部振动都可以忽略不计。

MEMS镜12呈现出非线性行为，非线性行为可能是由于悬架结构的刚度所致，使得镜的振荡频率随着振荡振幅(即，偏转角振幅θ)增加而以非线性方式增加。

MEMS镜12可以被组装在图2所示的芯片封装27中，以保护镜。例如，MEMS镜12可以在低压力下(即，在低于大气压的压力下)被密封在芯片封装中。该低压力可以提供低阻尼环境，MEMS镜12在该低阻尼环境中操作。

可能的封装可以包括以下一种或多种变化，也可能有所不同：不同的衬底(例如，金属(引线框架)、陶瓷、有机(类似于印刷电路板(PCB)的材料))以及不同的光学盖(lids/covers)(例如，玻璃、硅、蓝宝石等的光学材料)。此外，光学盖可以是形成腔的孔盖、可以被集成到框架(例如，金属框架)中或者被组装到预成型腔或陶瓷腔上。

可以使用一个或多个方法(例如，粘合、胶合、焊接、熔接等)或一个或多个不同材料(例如，硅树脂、玻璃焊料、AuSn等)来将一个或多个元件键合在一起(例如，将孔盖或盖接合到衬底)。应当理解的是，在本文所公开的各种实施例之间，键合方法是可互换的。

备选地，可以使用晶片级方法，使得腔状盖可以被直接安装到MEMS芯片上(或者甚至在分割之前，在晶片级上)。此处，如果盖附件使得电焊盘被暴露，则可以使用模制或浇铸过程来将底座芯片/盖进一步加工为封装。

MEMS镜12是在半导体芯片上集成的机械移动镜(即，MEMS微镜)(参见图3)。MEMS镜12包括其上沉积有反射材料的硅基镜体。根据该实施例的MEMS镜12被配置为围绕单个扫描轴线旋转，并且可以说仅具有一个扫描自由度。与2D-MEMS镜(2D MEMS扫描仪)不同，在1DMEMS镜中，单个扫描轴线被固定到非旋转衬底，并且因此在MEMS镜振荡期间保持其空间取向。因此，1D振荡MEMS镜在设计上比2D MEMS镜解决方案更能抵抗振动和冲击。由于该单个旋转扫描轴线，MEMS镜12被称为1D MEMS镜或1D MEMS扫描仪。尽管实施例描述了使用1D振荡MEMS镜，但是本文所描述的悬架系统也可以扩展到2D MEMS镜。在该情况下，悬架系统被用于2D MEMS镜的每个轴线。

MEMS镜12本身是非线性谐振器(即，谐振MEMS镜)，被配置为以谐振频率而围绕单个扫描轴线13“左右”振荡，使得从MEMS镜12反射的光(即，光的竖直扫描线)在水平扫描方向上来回振荡。扫描周期或振荡周期例如由从视场的第一边缘(例如，左侧)到视场的第二边缘(例如，右侧)并且然后再次返回第一边缘的一次完整振荡来限定。MEMS镜12的镜周期对应于扫描周期。

因此，通过改变MEMS镜12在其扫描轴线13上的角度θ，视场通过竖直光条而在水平方向上被扫描。例如，MEMS镜12可以被配置为以2kHz的谐振频率在+/-11.5度之间振荡，以将光操纵在22.5度以内。附加的透射光学器件可以被提供来使得构成视场扫描范围的角度范围加倍。因此，视场可以由MEMS镜12通过其运动程度的旋转来逐行扫描。通过运动程度(例如，从-15度到+15度)的一个这样的序列被称为单个扫描或扫描循环。多个扫描可以由处理单元使用来生成距离和深度映射以及3D图像。

尽管在MEMS镜的上下文中描述了透射镜，但是应当理解，也可以使用其他1D镜。此外，根据应用，谐振频率或旋转度分别不限于2kHz和+/-11.25度。因此，一维扫描镜被配置为围绕单个扫描轴线振荡并且将激光束沿不同方向引导到视场中。因此，传输技术包括将光束从围绕单个扫描轴线振荡的透射镜传输到视场中，使得光束作为竖直扫描线SL而被投射到在视场中，当透射镜围绕单个扫描轴线振荡时，竖直扫描线SL跨视场水平地移动。

在撞击一个或多个物体时，所传输的竖直光条通过反向散射而朝向LIDAR扫描系统100反射，作为经反射的竖直线，第二光学部件14(例如，透镜或棱镜)在经反射的竖直线处接收反射光。第二光学部件14将反射光引导到光电检测器检测器阵列15上，光电检测器检测器阵列15接收反射光，作为接收线RL并且被配置为生成电测量信号。电测量信号可以被用于基于反射光(例如，经由TOF计算和处理)来生成环境和/或其他对象数据的3D映射。

接收线被示出为在像素列的长度方向上，沿像素列中的一个像素列延伸的竖直光列。接收线具有与图1所示的竖直扫描线SL相对应的三个区。当竖直扫描线SL跨视场水平地移动时，入射在2D光电检测器阵列15上的竖直光列RL也跨2D光电检测器阵列15水平地移动。当反射光束RL的接收方向改变时，反射光束RL从光电检测器检测器阵列15的第一边缘移动到光电检测器检测器阵列15的第二边缘。反射光束RL的接收方向对应于扫描线SL的传输方向。

光电检测器阵列15可以是若干光电检测器类型中的任一个，光电检测器类型包括雪崩光电二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、光电池和/或其他光电二极管设备。诸如电荷耦合设备(CCD)的成像传感器可以是光电检测器。在本文提供的示例中，光电检测器阵列15是包括APD像素阵列的二维(2D)APD阵列。在其他实施例中，光电检测器阵列15可以是包括单个光电二极管列的1D阵列。光电二极管的激活可以与照射单元10发射的光脉冲同步。备选地，可以使用与阵列相对的单个光电检测器单元/像素。例如，在同轴LIDAR架构中的2x1D扫描发射器的情况下，可以使用单个光电检测器单元/像素。

光电检测器阵列15接收反射光脉冲作为接收线RL，并且响应于此而生成电信号。因为来自照射单元10的每个光脉冲的传输时间已知并且因为光以已知的速度传播，所以使用电信号的飞行时间计算可以确定物体与光电检测器阵列15的距离。深度映射可以绘制距离信息。

在一个示例中，针对每个距离采样，微控制器触发来自照射单元10的每个光源的激光脉冲，并且还启动时间-数字转换器(TDC)集成电路(IC)中的计时器。激光脉冲借助传输光学器件传播、被目标场反射并且被APD阵列15的APD捕获。APD发射短的电脉冲，短的电脉冲然后被电信号放大器放大。比较器IC识别脉冲并且将数字信号发送到TDC来停止计时器。TDC使用时钟频率来校准每个测量结果。TDC将开始和停止数字信号之间的差分时间的串行数据发送到微控制器，微控制器过滤掉任何错误读数、将多个时间测量结果平均并且计算该特定场位置处到目标的距离。通过在由MEMS镜建立的不同方向上发射连续的光脉冲，区域(即，视场)可以被扫描，三维图像可以被生成，并且区域内的物体可以被检测。

备选地，代替使用TDC方法，ADC可以被用于信号检测和ToF测量。例如，每个ADC可以被用于检测来自一个或多个光电二极管的模拟电信号，以使用适当的算法来估计开始信号(即，对应于发射光脉冲的定时)与停止信号(即，对应于在ADC处接收模拟电信号的定时)之间的时间间隔。

应理解，上述水平扫描系统100也可以被用于竖直扫描。在这种情况下，扫描布置被布置为使得扫描方向旋转90°，使得扫描线SL和接收线RL在竖直方向(即，从顶部到底部或从底部到顶部)上移动。这样，扫描线是被投射到视场中的水平扫描线SL，当透射镜围绕单个扫描轴线振荡时，水平扫描线SL跨视场竖直移动。此外，当水平扫描线SL跨视场竖直移动时，入射在2D光电检测器阵列15上的水平光列RL也跨2D光电检测器阵列15竖直移动。

图2是根据一个或多个实施例的LIDAR扫描系统200的示意性框图。具体地，图2示出了LIDAR扫描系统200的附加特征，LIDAR扫描系统200包括示例处理和控制系统部件，诸如MEMS驱动器、接收器电路和系统控制器。

LIDAR扫描系统200包括负责系统200的发射器路径的发射器单元21和负责系统200的接收器路径的接收器单元22。系统还包括系统控制器23，系统控制器23被配置为控制发射器单元21和接收器单元22的部件并且从接收器单元22接收原始数据并且在其上执行处理(例如，经由数字信号处理)来生成对象数据(例如，点云数据)。因此，系统控制器23包括用于处理数据的至少一个处理器和/或处理器电路装置，以及被配置为生成控制信号的控制电路装置，诸如微控制器。LIDAR扫描系统200还可以包括温度传感器26。

接收器单元22包括光电检测器阵列15以及接收器电路24。接收器电路24可以包括用于接收和/或处理信息的一个或多个电路或子电路。接收器电路24可以从光电检测器阵列15的APD二极管接收模拟电信号，并且将电信号作为原始模拟数据或原始数字数据传输到系统控制器23。为了将原始信号作为数字信号来传输，接收器电路24可以包括ADC和现场可编程门阵列(FPGA)。接收器电路24还可以从系统控制器23接收触发一个或多个APD二极管的激活的触发控制信号。接收器电路24还可以接收增益设置控制信号，增益设置控制信号用于控制一个或多个APD二极管的增益。

发射器单元21包括照射单元10、MEMS镜12和被配置为驱动MEMS镜12的MEMS驱动器25。具体地，MEMS驱动器25致动并感测镜的旋转位置，并且向系统控制器23提供镜的位置信息(例如，倾斜角度或围绕旋转轴线的旋转角度)。基于该位置信息，照射单元10的激光源由系统控制器23触发并且光电二极管(例如，APD二极管)被激活来感测并因此测量反射光信号。因此，MEMS镜的位置感测中的更高准确度导致了LIDAR系统的其他部件的更准确和精确的控制。

MEMS驱动器25还可以使用被用于驱动MEMS镜12的致动器结构的梳状驱动转子和定子中的电容变化来测量和记录镜频率和电流。MEMS镜12的致动器结构还包括如上所述的悬架结构。因此，MEMS驱动器25还可以包括测量电路，测量电路被配置为测量本文所述的MEMS镜12的一个或多个特性。MEMS驱动器25还可以包括处理电路装置，处理电路装置包括至少一个处理器(例如，模拟信号处理电路装置和/或数字信号处理电路装置)，至少一个处理器被配置为处理来自测量电路的测量信息，以评估MEMS镜12的机械健康状态和/或芯片封装的状态。

附加地或备选地，系统控制器23可以从MEMS驱动器25的测量电路接收测量信息并且在其上执行处理。因此，系统控制器23还可以包括处理电路装置，处理电路装置包括至少一个处理器(例如，模拟信号处理电路装置和/或数字信号处理电路装置)，至少一个处理器被配置为处理来自测量电路的测量信息，以评估MEMS镜12的机械健康状态和/或芯片封装的状态。

通过感测MEMS镜12围绕其旋转轴线13的旋转位置，MEMS驱动器25可以感测MEMS镜12的过零事件。过零事件是MEMS镜12在其旋转轴线13上具有0°的旋转角的一个实例。具体地，这是MEMS镜12平行于框架或处于中间位置的时刻。中间位置也可以被称为静止位置(例如，当关断驱动力之后，MEMS镜12停止时)。由于MEMS镜12在两个旋转方向(例如，顺时针和逆时针)之间来回振荡，在扫描期间发生两次过零事件–一次是镜在第一旋转方向上振荡时，一次是镜在第二旋转方向上振荡时。还应理解，也可以使用另一预定角度的角度交叉事件来代替过零事件。

MEMS驱动器25可以将位置信息发送到系统控制器23，使得系统控制器23可以使用位置信息来控制照射单元10的激光脉冲的触发和光电检测器阵列15的光电二极管的激活。位置信息也可以由系统控制器用作反馈信息，使得系统控制器23可以经由提供给MEMS驱动器25的控制信号来保持MEMS镜12的稳定操作，并且还与其他MEMS镜保持同步。

MEMS镜12包括用于驱动镜的致动器结构。致动器结构包括由叉指镜梳和框架梳制成的叉指指状电极，由MEMS驱动器25向叉指指状电极施加驱动电压(即，致动或驱动信号)。驱动电压可以被称为高电压(HV)。被施加到指状结构的驱动电压生成对应的电容。指状结构两端的驱动电压在叉指镜梳状电极与框架梳状电极之间创建驱动力，驱动力在镜体20上围绕旋转轴线创建扭矩。驱动电压可以进行导通或关断切换或转换，从而产生振荡驱动力。振荡驱动力使得镜在其旋转轴线上在两个极值之间来回振荡。根据配置，该致动可以通过调整驱动电压截止时间、驱动电压的电压电平或占空比来调节或调整。

在其他实施例中，电磁致动器可以被用来驱动MEMS镜12。对于电磁致动器，驱动电流(即，致动或驱动信号)可以被用来生成振荡驱动力。因此，将理解，驱动(drive/driving)电压和驱动(drive/driving)电流在本文中可以互换使用来指示致动信号或驱动信号，并且两者通常均可以被称为驱动力。

当镜振荡时，指状电极之间的电容或电荷根据镜的旋转位置而变化。MEMS驱动器25被配置为测量叉指指状电极之间的电容或电荷，并且由此确定MEMS镜12的旋转位置或角度位置。通过监视电容或电荷，MEMS驱动器25可以检测过零事件及其定时，并且可以在任何给定时刻确定MEMS镜12的偏转或倾斜角。MEMS驱动器25还可以使用所测量的电容来确定镜频率，并且将信息记录在MEMS驱动器25或系统控制器23处的存储器中。

对MEMS镜12的位置感测基于被配置为测量电容或电荷的检测器来执行。例如，随着MEMS镜移动，指状结构的几何形状改变，导致电容的几何形状改变。随着电容的几何形状改变，电容本身也改变。因此，特定电容直接对应于MEMS镜的特定偏转位置(即，倾斜角)。通过感测指状结构的电容，MEMS驱动器25可以监视和跟踪镜的振荡，并且确定MEMS镜的特定位置(包括过零)。

一种测量电容的方法是测量流过指状电极结构的电流、将所测量的电流转换为电压并且然后将电压与电容和/或旋转角θ进一步相关。但是，可以使用测量电容的任何方法。旋转方向(例如，正向或负向、从左至右或从右至左、顺时针或逆时针等)还可以通过测量电容随时间的变化来检测，其中正向或负向改变指示相对的旋转方向。MEMS驱动器25还可以记录在电容测量期间测量的电流和电压。因此，增加镜的位置感测的准确度可以改进LIDAR系统的整体准确度。

由于镜以振荡频率(例如，≥2kHz)被驱动，所以当镜在第一旋转方向(例如，从左到右或顺时针)上旋转时，其在某个时间点跨过零位置(即，0°)。当镜在第二旋转方向(例如，从右到左或逆时针)上旋转时，也是如此，镜将在某个时间点跨过零位置。跨过零位置的这些实例可以被称为在过零时间发生的过零事件。

图3示出了根据一个或多个实施例的MEMS设备1的示例的示意图。MEMS设备300也可以被称为MEMS半导体芯片。参考图3，现在解释诸如MEMS扫描微镜的MEMS设备300的示例。

MEMS设备300包括镜体20、镜框架40以及沿旋转轴线13而设置在镜体20相对两端处的两个机械悬架组件30。镜框架40、机械悬架组件30和镜体20被一体集成在一件式整体结构中，从而形成MEMS半导体芯片。镜框架40、机械悬架组件30和镜体20经由蚀刻和/或其他半导体处理技术，由单个半导体材料块(即，半导体衬底)形成。

镜体20包括镜12，一起形成振荡结构。镜体20被布置在镜框架40中。框架40限定平面，即，图3中的(x，y)平面。具体地，镜框架40具有限定芯片平面的上部主表面41。镜框架40的主表面41和沉积有镜12的镜体20的主表面可以由相同的衬底表面形成。框架凹部42被形成到镜框架40的主体中(即，从主表面41形成到半导体衬底中)并且将镜框架40与镜体20分离，使得镜体20可以围绕旋转轴线13振荡，同时镜框架40保持旋转固定。类似地，悬架组件30的顶部(主)表面由与镜框架40的主表面41和镜体20的主表面相同的衬底表面形成。

镜体20可以围绕在由框架40限定的平面中延伸的旋转轴线13旋转。每个悬架组件30包括框架界面30a和镜体界面30b，框架界面30a被耦合到镜框架40并且与镜框架40集成，镜体界面30b被耦合到镜体20并且与镜体20集成。每个悬架组件30还包括支撑梁，支撑梁也可以被称为扭力梁，支撑梁沿旋转轴线13而被连接在镜体20与框架40之间(即，从框架支撑件30a延伸到镜支撑件30b)。镜体界面30b经由支撑梁与框架40的连接来支撑镜体20。因此，镜体界面30b可以被称为镜支撑结构30b。每个悬架组件30的支撑梁中的一个支撑梁与旋转轴线13共线。该支撑梁可以被称为中央支撑梁31。中央支撑梁31将镜体20的各部分连接至框架40的各部分并且允许镜体20围绕旋转轴线13旋转。

本领域技术人员将理解，镜12的形状可以是针对特定应用被期望的任何形状，例如，圆形、椭圆形、正方形、矩形或其他形状。镜可以具有至少5mm的尺寸D1，D1在X-Y平面(即，由主(顶部)芯片表面限定的芯片平面)中限定其最大尺寸。相反，悬架组件30的长度可以具有尺寸D2。在该示例中，尺寸D2的长度可以是1.7mm，但是该尺寸可以基于应用而增加或减小。

镜框架40附加地限定了框架凹部42，镜体20被布置在框架凹部42中。镜框架40还可以被构造为限定另外的凹部，其他部件(诸如致动器和悬架组件)可以被布置在另外的凹部中。例如，悬架组件凹部43被限定在镜框架40与每个悬架组件30之间，以允许悬架组件在镜体20围绕旋转轴线13旋转时旋转或扭曲。另外的凹部或腔在悬架组件30的支撑梁结构之间形成。

围绕旋转轴线13的扭转刚度可以使用悬架组件30来设置。中央支撑梁31对在腔(即，框架凹部42)内将镜体20竖直地(即，垂直于框架40的表面41)支撑在旋转轴线13处，同时提供了围绕目标轴线13的高扭转刚度来进行操作并减小了机械应力。悬架组件30还允许使用表现得像弹簧的内部支撑梁33进行选择性的刚度调试。内部支撑梁33可以被用于通过适配其厚度或适配其数量来调节围绕目标轴线13的扭转刚度。内部支撑梁33还增加了对不期望平移和旋转模式的刚度，并且实现了良好的模式分离，从而使得围绕旋转轴线13的第一模式的操作频率远低于所有其他不期望的模式。

例如，内部支撑梁33可以提供从中央支撑梁31到镜体20的柔性耦合。结果，内部支撑梁33相对于围绕旋转轴线13的旋转方向具有相对较低的扭转/旋转刚度。内部支撑梁33在其他旋转和平移方向上具有相对较高的刚度。

镜体20的固有频率可以基本上由中央支撑梁31来确定。本文所限定的固有频率是镜体20(即，镜12)围绕其旋转轴线13的无阻尼频率。内部支撑梁33可以针对对应的动态模式和对应的谐振频率来限定平面外摇摆和竖直模式刚度。围绕旋转轴线13的扭转刚度可以与平面外摇摆和竖直模式刚度解耦，使得在不影响扭转模式刚度和谐振频率的情况下，平面外摇摆和竖直模式频率可以被设置为期望值，诸如更高的值。如本文中所限定的，当镜12静止时，Y轴线沿旋转轴线13，X轴线垂直于镜平面上的Y轴线，并且当镜12静止时，Z轴线垂直于镜平面并且在镜平面之外。X、Y和Z轴线是三维笛卡尔坐标系的轴线。

悬架组件被配置为使得MEMS扫描仪能够满足以下要求：大镜直径(≥5mm)、大机械倾斜角(≥10°)、高谐振频率(≥2kHz)。具体地，当镜体20振荡时，中央支撑梁31围绕旋转轴线13扭曲并且具有3GPa或更小的机械应力水平，而镜体20以至少2kHz的谐振频率、以至少为10°的最大偏转角围绕旋转轴线13振荡。更具体地，在镜体20的最大偏转角高达11.5°的情况下，中央支撑梁31的机械应力水平为2GPa或更小，并且在镜体20的最大偏转角高达15°的情况下，中央支撑梁31的机械应力水平为3GPa或更小。在悬架组件的一些布置中，在镜体20的最大偏转角高达11°的情况下，中央支撑梁31可以具有1GPa或更小的机械应力水平。

当中央支撑梁31中的每一个扭曲时，每个悬架组件30的一侧浸入框架凹部43中，而另一侧从框架凹部43中提起。当镜体20围绕旋转轴线13振荡时，这两侧在框架凹部43中进出振荡。镜12围绕旋转轴线13旋转的谐振频率可以主要由镜体20的惯性和悬架组件30的刚度来限定，镜体20的惯性和悬架组件30的刚度通过中央支撑梁31和内部支撑梁33的弯曲刚度以及内部支撑梁33的扭转和平移刚度来限定。中央支撑梁31的弯曲刚度可以由长度、宽度和尤其是中央支撑梁31的厚度来限定。中央支撑梁31和内部支撑梁33在X方向上的组合刚度可以防止镜体20在操作期间垂直于旋转轴线13(在X方向上)移动。同样地，中央支撑梁31和内部支撑梁33在Z方向上的组合刚度可以防止镜体20在操作期间垂直于旋转轴线13(在Z方向上)移动。

中央支撑梁31可以具有矩形截面，作为垂直于旋转轴线13的矩形棱柱，矩形的长轴线平行于旋转轴线13，而短轴线垂直于旋转轴线13。

MEMS设备300还可以包括致动器结构50，致动器结构50利用半导体衬底来提供并且与半导体衬底集成。致动器结构可以是悬架组件30的延伸并且驻留于悬架组件凹部43的延伸中。致动器结构50从MEMS驱动器25接收驱动信号，并且提供用于围绕旋转轴线13来驱动镜体20的扭矩。在一个示例中，致动器结构50可以由梳状驱动器来驱动，梳状驱动器包括附接到镜体20的镜梳，附接到镜体20的镜梳与附接到框架40的镜框梳交织。在交织的镜梳和框架梳之间施加电势差在镜梳和框架梳之间创建驱动力，驱动力在镜体20上创建围绕旋转轴线13的扭矩。振荡电势可以被施加来以固有频率驱动镜设备。

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，微镜可以被“浸没”在磁场中，并且通过导电路径的交流电可以创建围绕旋转轴线13的振荡扭矩。压电致动器可以被集成在板簧中，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扭矩。

MEMS镜12由于由悬架组件30引起的围绕旋转轴线13的扭转刚度而呈现出非线性行为，使得镜12的振荡频率随着振荡振幅θ(即，偏转角振幅)的增加而以非线性方式增加。因此，随着镜旋转，中央支撑梁31的刚度导致MEMS镜12更强烈地非线性。

图4A-图4H图示了根据一个或多个实施例的在MEMS设备300中实现的各种悬架组件30。图4A至图4H中所示的悬架组件30中的每一个包括框架界面30a和镜体界面30b(即，镜支撑结构)，框架界面30a被耦合至镜框架40并且与镜框架40集成，镜体界面30b被耦合至镜体20并且与镜体20集成。此外，悬架组件30中的每一个包括沿旋转轴线延伸的中央支撑梁31、中央支撑梁31的相对侧上布置的两个外部支撑梁32以及内部支撑梁33，内部支撑梁33被直接耦合至中央支撑梁31并且被直接耦合至对应的外部支撑梁32。

注意，如图4G所示，中央支撑梁31可以被直接耦合到镜框架40并且与镜框架40集成。在该意义上，中央支撑梁31的对应的纵向端部表示框架界面30a。中央支撑梁31的厚度和/或宽度提供了围绕旋转轴线13的高扭转/旋转刚度，从而克服了镜体20达到或超过5mm的尺寸带来的高惯性，从而实现了高谐振频率操作(≥2kHz)。对于10°至15°或更大的大机械倾斜角，中央支撑梁31的均匀厚度(即，在Z维度上)和/或宽度(即，在X维度上)还将机械应力水平限制到3GPa或更小，优选为2.5GPa或更小，并且更优选为2GPa或更小。例如，中央支撑梁31的厚度可以在10μm-100μm的范围内，并且中央支撑梁31的宽度可以在20μm-500μm的范围内。更具体地，在镜体20的最大偏转角高达11.5°的情况下，中央支撑梁31的机械应力水平为2GPa或更小，并且在镜体20的最大偏转角高达15°的情况下，中央支撑梁31的机械应力水平为3GPa或更小。

还应注意，悬架组件30中的每一个包括至少两个内部支撑梁33，内部支撑梁33从中央支撑梁31沿相对的方向朝向不同的外部支撑梁32延伸。内部支撑梁33的厚度和宽度尺寸可以比中央支撑梁31的厚度和宽度尺寸小很多，可以小显著的量。例如，内部支撑梁33的厚度可以在10μm-100μm的范围内，并且内部支撑梁33的宽度可以在10μm-40μm的范围内，并且可以被配置为在中央支撑梁31的厚度的2％至60％的范围内。

内部支撑梁33可以一起形成弹簧状腹板，弹簧状腹板提供围绕旋转轴线13的较小的扭转/旋转刚度以及在其他(即，至少一个)旋转和/或平移方向上提供较大的刚度。内部支撑梁33的备选命名法包括：弹簧支撑梁、腹板支撑梁、成角度的支撑梁和/或撑杆支撑梁。

外部支撑梁32提供了用于将内部支撑梁33连接至镜体界面30b和/或镜体20的结构。

转向图4A，提供了悬架组件30A。中央支撑梁31的纵向尺寸在镜框架40与镜体20之间沿旋转轴线13延伸。在该示例中，中央支撑梁31与框架界面30a和镜体界面30b直接集成并且与其耦合。然而，可以设想，中央支撑梁31与镜框架40和镜体20直接集成并且与其耦合。

外部支撑梁32各自具有平行于旋转轴线13延伸的纵向尺寸，并且在一个端部处被连接到镜体界面30b。然而，可以设想，外部支撑梁32可以与镜体20直接集成并且与镜体20耦合。

悬架组件30a还包括相对于中央支撑梁31和旋转轴线13对称布置的两对成角度的内部支撑梁33a、33b、33c和33d。成角度的内部支撑梁33a、33b、33c和33d以预定角度从中央支撑梁31分支。成角度的内部支撑梁33a平行于33c，并且成角度的内部支撑梁33b平行于33d。

第一对成角度的内部支撑梁33a和33b在其连接点35处被对称地连接到中央支撑梁31，并且在连接点36处被对称地连接到其对应的外部支撑梁32。因此，第一对成角度的内部支撑梁33a和33b形成对称的V形，其中其连接点35在平行于旋转轴线13的方向上与镜框架40的横向距离D3小于其相应的连接点36的横向距离D4。换言之，每个成角度的内部支撑梁与中央支撑梁之间形成的角度大于0°且小于90°。因此，“V”的开口面向镜体20，而“V”的顶点指向镜框架40，并且可以说成角度的内部支撑梁33朝向镜体20成角度。

类似地，第二对成角度的内部支撑梁33c和33d在其连接点35处被对称地连接至中央支撑梁31，并且在连接点36处被对称地连接至其对应的外部支撑梁32。类似于第一对，第二对成角度的内部支撑梁33c和33d形成对称的V形，并且可以说成角度的内部支撑梁33朝向镜体20成角度。

成角度的内部支撑梁33a、33b、33c和33d也可以被布置为使得第一对33a和33b的连接点36与第二对33c和33d的连接点35在垂直于旋转轴线13的方向上对准。

腔34(包括腔34a、34b、34c和34d)被形成在悬架组件30的相应支撑结构之间并且由这些支撑结构之间的区域来限定。当镜体20围绕旋转轴线13振荡时，腔34允许成角度的内部支撑梁33a、33b、33c和33d围绕旋转轴线13的旋转移动。

成角度的内部支撑梁33的行为类似于弹簧的集合，弹簧经由外部支撑梁32将中央支撑梁31连接到镜体20，外部支撑梁32在垂直于旋转轴线13的方向上与旋转轴线13横向间隔开。在某些设计中，可以仅存在第一对或第二对成角度的内部支撑梁。在其他设计中，可以添加附加的一对或多对成角度的内部支撑梁。这样，相对于镜体20围绕旋转轴线13的旋转方向的扭转/旋转刚度可以被微调。换言之，每对成角度的内部支撑梁可以增加由中央支撑梁31提供的相对于镜体20围绕旋转轴线13的旋转方向的扭转/旋转刚度。此外，成角度的内部支撑梁的对数调整悬架组件30相对于镜体20的不期望模式和运动的刚度。

图4B示出了类似于图4A所示的悬架组件30A的悬架组件30B，不同之处在于悬架组件30B包括相对于中心支撑梁31和旋转轴线13对称地布置的附加的成对的成角度的内部支撑梁。成角度的内部支撑梁的数量增加，从而创建更致密的腹板并且对于不期望的模式和运动到达更高的刚度，同时在围绕旋转轴线13的期望旋转运动中具有对刚度的小影响或可以忽略的影响。

图4C图示了类似于图4A所示的悬架组件30A的悬架组件30C，不同之处在于成角度的内部支撑梁33相对于中央支撑梁31和旋转轴线13非对称地布置。此处，连接点35a、35b、35c和35d沿旋转轴线13的方向交织，使得它们沿旋转轴线13与镜框架40(或镜体20)以不同的横向距离来布置。类似地，连接点36、36b、36c和36d交织并且沿旋转轴线13与镜框架40(或镜体20)以不同的横向距离来布置。此处，在对称和非对称情况下，相对于围绕期望轴线的旋转的刚度相似，而不期望的模式和不期望的运动的刚度可以通过改变对称性或不对称性而被调整或微调(例如，对于较高模式频率)。

图4D图示了包括正交的内部支撑梁33的悬架组件30D，其中正交意味着正交于中央支撑梁31和旋转轴线13。正交的内部支撑梁33相对于中央支撑梁31和旋转轴线13对称地布置，使得每对正交的内部支撑梁33在其连接点35处被对称地连接至中央支撑梁31，并且在连接点36处被对称地连接到其对应的外部支撑梁32。在该情况下，成对正交的内部支撑梁33的所有连接点35和36与镜框架40(或镜体20)具有相同的横向距离。正交的内部支撑梁33一起用于弹簧状腹板。

将理解，正交的内部支撑梁33可以以与图4C所示的相似的方式，相对于中央支撑梁31和旋转轴线13不对称地布置，使得连接点35沿旋转轴线13交错。

图4E图示了包括正交的内部支撑梁33和倾斜的外部支撑梁32的悬架组件30E。如参考悬架组件30D类似地描述的，正交的内部支撑梁33相对于中央支撑梁31和旋转轴线13对称地布置。但是，在悬架组件30A-30D中，外部支撑梁32平行于旋转轴线13和中心支撑梁31延伸。在悬架组件30E的情况下，倾斜的外部支撑梁32以倾斜角度延伸，其既不平行也不垂直于旋转轴线13。在该情况下，外部支撑梁32均具有两个端部32a和32b，其中中央支撑梁31和端部32b之间的横向距离小于中央支撑梁31和端部32a之间的横向距离。因此，倾斜的外部支撑梁32的长度随着远离镜体20并且更靠近镜框架40的移动而增加。使得外部支撑梁成一定角度，能够相互独立地调整内部支撑梁的长度。这对于独立调节每个梁的刚度/应力可能很有用。该原理也可以应用于图4B和图4C的布置中所示的设计。

将理解，正交的内部支撑梁33可以以与图4C所示类似的方式相对于中央支撑梁31和旋转轴线13不对称地布置，使得连接点35沿旋转轴线13交错。

图4F图示了类似于悬架组件30A的悬架组件30F，但是更详细地示出了镜体界面30b(即，镜支撑结构)的一个实现方式。镜体界面30b具有被直接耦合到镜体20的中央部分37。中央部分37在垂直于旋转轴线13的尺寸大于中央支撑梁31在相同方向(即，在X方向)上的宽度，而它们在Z方向上的相应厚度可以相等。镜体界面30b的其余部分包括在垂直于旋转轴线13的方向上纵向延伸的支撑结构38(例如，支撑结构38在X方向上纵向延伸)。支撑结构的每个相对端部被耦合至外部支撑梁32中的一个。外部支撑梁32被形成为从镜体界面30b延伸的悬臂并且经由内部支撑梁33而被连接至中央支撑梁31。如图所示的镜体界面30b的结构可以被应用于本文所述的任何实施例。

图4G图示了根据一个或多个实施例的在MEMS设备中实现的另一悬架组件30G。悬架组件30G类似于悬架组件30A，不同之处在于，首先，中央支撑梁31在框架界面30a处被直接耦合至镜框架40并且与镜框架40集成，并且其次，其包括外部支撑梁42和内部支撑梁43(即，43a-43d)的附加层，附加层限定了附加的腔44(即，44a-44d)。

附加的外部支撑梁42以大于外部支撑梁32的距离，被对称地布置在中央支撑梁31的相对侧上。附加的外部支撑梁42平行于旋转轴线从镜体界面30b纵向延伸并且部分地朝向框架40延伸。因此，附加的外部支撑梁42被形成为从镜体界面30b延伸的悬臂，并且经由其相应的附加内部支撑梁43而被连接到其相应的附加外部支撑梁42。如图所示，附加外部支撑梁42在平行于旋转轴线13的方向上的长度(即，其纵向尺寸)可以小于外部支撑梁32的长度。备选地，附加外部支撑梁42的长度可以等于或大于外部支撑梁32的长度。

改变附加外部支撑梁42的长度可以允许附加的内部支撑梁43朝向镜体20成角度、远离镜体20成角度或者正交于旋转轴线(即，正交于中央支撑梁31、外部支撑梁32和附加外部支撑梁42)延伸。

附加的内部支撑梁43将附加外部支撑梁42耦合到其相应的外部支撑梁32，并且将附加外部支撑梁42间接耦合到中央支撑梁31。因此，类似于外部支撑梁32，当镜体20振荡时，附加外部支撑梁42在悬架组件凹部43中进出振荡。

注意，附加外部支撑梁42和附加内部支撑梁43可以根据本文所提供的关于外部支撑梁32和内部支撑梁33的任何布置来配置并且具有根据本文所提供的关于外部支撑梁32和内部支撑梁33的任何布置的性质。因此，附加内部支撑梁43a和43c可以与附加内部支撑梁43b和43d对称或不对称。此外，附加内部支撑梁43可以远离镜体20成角度，而内部支撑梁33可以朝向镜体20成角度，反之亦然。此外，虽然附加外部支撑梁42被示出为与旋转轴线13平行，但是它们可以如图4E类似所述，替代地相对于外部支撑梁32倾斜地延伸。

附加内部支撑梁43可以被用于通过适配其厚度或适配其数量来适配围绕目标轴线13的扭转刚度。附加内部支撑梁43还增加了对不期望的平移和旋转模式的刚度，并且实现了良好的模式分离，其中围绕旋转轴线13的第一模式的操作频率远低于所有其他不期望的模式。

图4H图示了根据一个或多个实施例的在MEMS设备中实现的另一悬架组件30H。悬架组件30H类似于悬架组件30A，不同之处在于布置被倒置。因此，外部支撑梁32从框架40(即，从框架界面30a)部分地朝向镜体20延伸，并且内部支撑梁33朝向框架40成角度(即，远离镜体20成角度)。此外，中央支撑梁31在镜体界面30b处与镜体20直接耦合并且与镜体20集成。

注意，图4B至图4G中提供的任何变型也可以以类似的方式倒置。因此，悬架组件30H可以根据这些变型中的任一个进行适配。

根据悬架组件30A-30H，通过适当地确定中央支撑梁31的尺寸，针对围绕旋转轴线13的期望旋转运动实现了高刚度。此外，内部支撑梁(包括图4G的附加内部支撑梁)对相对于围绕旋转轴线13的旋转运动的刚度提供了较小的贡献，从而允许针对机械应力优化、模式分离(刚度)和MEMS镜12的非线性(即，镜的振荡频率随着振荡振幅(即，偏转角振幅θ)的增加而非线性地增加)来进行分离的设计调试(几何形状和弹簧数量)。

刚度和应力可以通过调整中央支撑梁31、外部支撑梁32和内部支撑梁33的尺寸和几何形状来调节。中央支撑梁31的适当设计还使得能够对悬架系统的非线性(所施加的力与所获得的机械倾斜角之间的非线性关系)进行调试。在可以通过调整频率来控制角度的某些应用中，非线性弹簧系统可能是感兴趣的。

此外，悬架组件30A-30H具有紧凑的结构并且不需要薄的扭杆，薄的扭杆在某些情况下可能损害可靠性。

尽管本文描述的实施例涉及具有镜的MEMS设备，但是应理解，其他实现方式可以包括除MEMS镜设备之外的光学设备，包括其他非线性振荡结构，包括与LIDAR不相关的光学设备。对于本领域技术人员明显的是，执行相同功能的其他部件可以被适当地替换。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行结构或逻辑上的改变。应提到的是，即使在未明确提及的特征中，参考特定附图解释的特征也可以与其他附图的特征组合。对总体发明构思的这样的修改旨在由所附权利要求及其合法等同物覆盖。

此外，以下权利要求据此被并入具体实施方式中，其中每个权利要求可以作为独立的示例实施例而独立存在。尽管每个权利要求可以单独作为单独的示例实施例，但是应注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中指代与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施例也可以包括从属权利要求与每个其他的从属或独立权利要求的主题的组合。除非指出不意图特定的组合，否则在本文中提出了这样的组合。此外，意图是将权利要求的特征也包括到任何其他独立权利要求中，即使该权利要求没有直接从属于独立权利要求也是如此。

此外，尽管已在装置的上下文中描述了一些方面，但是很明显，这些方面也表示对应方法的描述，其中框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的各方面也表示对应框或对应装置的项或特征的描述。例如，本公开中描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实现，包括计算系统、集成电路和非暂态计算机可读记录介质上的计算机程序的任何组合。例如，所描述的技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，一个或多个处理器包括一个或多个微处理器、DSP、ASIC或任何其他等效的集成或分立逻辑电路装置以及这样的部件的任何组合。

此外，应理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开内容可以不被解释为在特定顺序内。因此，除非出于技术原因这些动作或功能不可互换，否则多个动作或功能的公开内容将不会将它们限制为特定的顺序。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括或可以分解成多个子动作。除非明确排除，否则这样的子动作可以被该单个动作包括并且是该单个动作的公开内容的一部分。

Claims (27)

1.一种微机电系统MEMS设备，包括：

振荡器结构，被配置为围绕旋转轴线振荡；

可旋转地固定的框架，所述框架包括框架凹部，所述振荡器结构被悬置在所述框架凹部内；以及

悬架组件，被机械地耦合到所述振荡器结构和所述框架并且位于所述振荡器结构与所述框架之间，所述悬架组件被配置为将所述振荡器结构悬置在所述框架凹部内，

其中所述悬架组件包括：

中央支撑梁，沿所述旋转轴线在长度方向上延伸，所述中央支撑梁被机械地耦合到所述振荡器结构和所述框架并且位于所述振荡器结构与所述框架之间；

第一外部支撑梁，被机械地耦合到所述振荡器结构，并且在与所述旋转轴线正交的第一方向上，从所述中央支撑梁横向移位；

至少一个第一内部支撑梁，被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第一外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第一外部支撑梁之间；

第二外部支撑梁，被机械地耦合至所述振荡器结构，并且在与所述旋转轴线正交的第二方向上，从所述中央支撑梁横向移位，其中所述第二方向与所述第一方向相对；以及

至少一个第二内部支撑梁，被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第二外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第二外部支撑梁之间。

2.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述振荡器结构、所述框架和所述悬架组件形成由半导体材料制成的一件式整体构造。

3.根据权利要求2所述的MEMS设备，其中所述振荡器结构、所述框架和所述悬架组件共享公共主表面。

4.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述悬架组件还包括振荡器结构界面，所述振荡器结构界面将所述中央支撑梁、所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁机械地耦合至所述振荡器结构。

5.根据权利要求4所述的MEMS设备，其中：

所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁两者平行于所述旋转轴线、从所述振荡器结构界面部分地朝向所述框架延伸。

6.根据权利要求4所述的MEMS设备，其中：

所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁两者从所述振荡器结构界面部分地朝向所述框架倾斜地延伸。

7.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁中的每一个从所述中央支撑梁倾斜地延伸到所述第一外部支撑梁，以及

所述至少一个第二内部支撑梁中的每一个从所述中央支撑梁倾斜地延伸到所述第二外部支撑梁。

8.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁中的每一个具有到所述中央支撑梁的第一连接点和到所述第一外部支撑梁的第二连接点，其中每个第一连接点具有距所述框架的第一对应横向距离，并且每个第二连接点具有距所述框架的第二对应横向距离，所述第二对应横向距离大于所述第一对应横向距离，以及

所述至少一个第二内部支撑梁中的每一个具有到所述中央支撑梁的第三连接点和到所述第二外部支撑梁的第四连接点，其中每个第三连接点具有距所述框架的第三对应横向距离，并且每个第四连接点具有距所述框架的第四对应横向距离，所述第四对应横向距离大于所述第三对应横向距离。

9.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁与所述至少一个第二内部支撑梁关于所述旋转轴线对称。

10.根据权利要求9所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁中的每一个与所述至少一个第二内部支撑梁中的不同一个对准，来形成内部支撑梁，其中每个内部支撑梁对形成V形。

11.根据权利要求7所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁与所述至少一个第二内部支撑梁关于所述旋转轴线不对称。

12.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁中的每一个在所述第一方向上，从所述中央支撑梁正交地延伸到所述第一外部支撑梁，以及

所述至少一个第二内部支撑梁中的每一个在所述第二方向上，从所述中央支撑梁正交地延伸到所述第二外部支撑梁。

13.根据权利要求12所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁与所述至少一个第二内部支撑梁关于所述旋转轴线对称。

14.根据权利要求12所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁与所述至少一个第二内部支撑梁关于所述旋转轴线不对称。

15.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中：

所述中央支撑梁、所述第一外部支撑梁和所述至少一个第一内部支撑梁在它们之间限定至少一个第一腔，以及

所述中央支撑梁、所述第二外部支撑梁和所述至少一个第二内部支撑梁在它们之间限定至少一个第二腔。

16.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中：

所述至少一个第一内部支撑梁包括多个第一内部支撑梁，每个第一内部支撑梁被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第一外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第一外部支撑梁之间；以及

所述至少一个第二内部支撑梁包括多个第二内部支撑梁，每个第二内部支撑梁被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第二外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第二外部支撑梁之间。

17.根据权利要求1所述的MEMS设备，还包括：

驱动器，被配置为驱动所述振荡器结构围绕所述旋转轴线的振荡，

其中所述振荡器结构包括尺寸为至少5毫米的主表面，所述主表面与所述框架凹部相对布置，以及

其中所述悬架组件使得所述驱动器能够以至少2kHz的谐振频率、以至少为10°的最大偏转角来驱动所述振荡，并且同时将所述中央支撑梁的机械应力水平限制到3GPa或更小。

18.根据权利要求17所述的MEMS设备，其中所述尺寸是所述振荡器结构的所述主表面的直径或长度。

19.根据权利要求1所述的MEMS设备，还包括：

驱动器，被配置为驱动所述振荡器结构围绕所述旋转轴线的振荡，

其中所述振荡器结构包括尺寸为至少5毫米的主表面，所述主表面与所述框架凹部相对布置，以及

其中所述中央支撑梁具有厚度尺寸和宽度尺寸，所述中央支撑梁的厚度尺寸和宽度尺寸在围绕所述旋转轴线的所述振荡的旋转方向上提供旋转刚度，所述旋转刚度足以使得所述驱动器以至少2kHz的谐振频率、以至少为10°的最大偏转角来驱动振荡，同时将所述中央支撑梁的机械应力水平限制到3GPa或更小。

20.根据权利要求1所述的MEMS设备，还包括：

驱动器，被配置为驱动所述振荡器结构围绕所述旋转轴线的振荡，

其中所述振荡器结构包括尺寸为至少5毫米的主表面，所述主表面与所述框架凹部相对布置，以及

其中所述中央支撑梁具有厚度尺寸和宽度尺寸，所述中央支撑梁的厚度尺寸和宽度尺寸在围绕所述旋转轴线的所述振荡的旋转方向上提供旋转刚度，所述旋转刚度足以使得所述驱动器以至少2kHz的谐振频率、以至少为10°的最大偏转角来驱动振荡，同时将所述中央支撑梁的机械应力水平限制到2GPa或更小。

21.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述悬架组件还包括框架结构界面，所述框架结构界面将所述中央支撑梁、所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁机械地耦合至所述框架。

22.根据权利要求21所述的MEMS设备，其中：

所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁两者平行于所述旋转轴线、从所述框架结构界面部分地朝向所述振荡器结构延伸。

23.根据权利要求21所述的MEMS设备，其中：

所述第一外部支撑梁和所述第二外部支撑梁两者从所述框架结构界面部分地朝向所述振荡器结构倾斜地延伸。

24.根据权利要求1所述的MEMS设备，其中所述悬架组件还包括：

第一附加外部支撑梁，被机械地耦合到所述振荡器结构并且在所述第一方向上，从所述中央支撑梁以及从所述第一外部支撑梁横向移位，所述第一附加外部支撑梁在所述第一方向上与所述中央支撑梁的间隔比与所述第一外部支撑梁的间隔更远；

至少一个第一附加内部支撑梁，被直接耦合到所述第一附加外部支撑梁和所述第一外部支撑梁并且位于所述第一附加外部支撑梁与所述第一外部支撑梁之间；

第二附加外部支撑梁，被机械地耦合到所述振荡器结构并且在所述第二方向上，从所述中央支撑梁以及从所述第二外部支撑梁横向移位，所述第二附加外部支撑梁在所述第二方向上与所述中央支撑梁的间隔比与所述第二外部支撑梁的间隔更远；以及

至少一个第二附加内部支撑梁，被直接耦合到所述第二附加外部支撑梁和所述第二外部支撑梁并且位于所述第二附加外部支撑梁与所述第二外部支撑梁之间。

25.一种振荡器系统，包括：

振荡器结构，被配置为以至少2kHz的谐振频率、以至少10°的最大偏转角围绕旋转轴线振荡，其中所述振荡器结构包括主表面，所述主表面的尺寸至少为5毫米；

可旋转地固定的框架，所述框架包括框架凹部，所述振荡器结构被悬置在所述框架凹部内；以及

悬架组件，被机械地耦合到所述振荡器结构和所述框架并且位于所述振荡器结构与所述框架之间，所述悬架组件被配置为将所述振荡器结构悬置在所述框架凹部内，

其中所述悬架组件包括：

中央支撑梁，沿所述旋转轴线在长度方向上延伸，所述中央支撑梁被机械地耦合到所述振荡器结构和所述框架并且位于所述振荡器结构与所述框架之间，其中所述中央支撑梁随着所述振荡器结构的振荡而围绕所述旋转轴线扭转并且当所述振荡器结构以至少2kHz的谐振频率、以至少10°的最大偏转角围绕所述旋转轴线振荡时，具有3GPa或更小的机械应力水平；

第一外部支撑梁，被机械地耦合到所述振荡器结构，并且在与所述旋转轴线正交的第一方向上，从所述中央支撑梁横向移位；

至少一个第一内部支撑梁，被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第一外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第一外部支撑梁之间；

第二外部支撑梁，被机械地耦合至所述振荡器结构，并且在与所述旋转轴线正交的第二方向上，从所述中央支撑梁横向移位，其中所述第二方向与所述第一方向相对；以及

至少一个第二内部支撑梁，被直接耦合到所述中央支撑梁和所述第二外部支撑梁并且位于所述中央支撑梁与所述第二外部支撑梁之间。

26.根据权利要求25所述的振荡器系统，其中所述振荡器结构是微机电系统MEMS镜，并且所述主表面是反射表面。

27.根据权利要求25所述的振荡器系统，其中所述中央支撑梁随着所述振荡器结构的振荡而围绕所述旋转轴线扭转并且当所述振荡器结构以至少2kHz的谐振频率、以至少10°的最大偏转角围绕所述旋转轴线振荡时，具有2GPa或更小的机械应力水平。