CN114114307A - 微机电系统镜结构中改进的电容感测 - Google Patents

微机电系统镜结构中改进的电容感测 Download PDF

Info

Publication number
CN114114307A
CN114114307A CN202111006682.3A CN202111006682A CN114114307A CN 114114307 A CN114114307 A CN 114114307A CN 202111006682 A CN202111006682 A CN 202111006682A CN 114114307 A CN114114307 A CN 114114307A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitance
substrate
terminals
mirror
mems
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111006682.3A
Other languages
English (en)
Inventor
洛亚·塞尔吉奥·法比安·阿尔梅达
陈兆人
周勤
王佑民
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Voyager Technology Co Ltd
Original Assignee
Beijing Voyager Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Voyager Technology Co Ltd filed Critical Beijing Voyager Technology Co Ltd
Publication of CN114114307A publication Critical patent/CN114114307A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0841—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)

Abstract

根据某些实施例，一种微机电系统(MEMS)装置具有带可转动镜的微机电系统镜结构。该镜的转动产生与转动角度对应的测得电容的变化。该微机电系统结构位于沉积在衬底上的氧化物层上。在微机电系统镜结构和衬底之间存在寄生电容。在衬底和直流电压源之间提供附加电容。附加电容比寄生电容大得多，并将寄生电容分流到地线，以最小化其对测得电容的影响。

Description

微机电系统镜结构中改进的电容感测
相关申请交叉引用
本申请要求于2020年9月1日提交的美国临时申请号17/009,513的优先权，其通过引用基于所有目的并入本文。
背景技术
现代车辆通常配备了传感器，该传感器被设计成实时检测车辆周围的物体和地形特征，以使变更车道辅助、碰撞避免和自主驾驶等技术能够得以实现。一些常用的传感器包括图像传感器(例如，红外或可见光摄像机)、声学传感器(例如，超声波泊车传感器)、无线电检测和测距(RADAR)传感器、磁力计(例如，大型含铁物体的被动感测，例如卡车、汽车或轨道车)以及光探测和测距(LiDAR)传感器。
LiDAR系统通常使用光源和光检测系统来估计至环境特征(例如，行人、车辆、结构、植物等)的距离。例如，光探测和测距(LiDAR)系统可以发射光束(例如脉冲激光束)来照射目标，然后测量发射的光束到达目标然后返回到位于发射器附近或者已知位置处的接收器所花费的时间。在一些光探测和测距(LiDAR)系统中，光源发出的光束可以根据扫描图案扫过二维或三维的关注区域，以生成包含与关注区域中目标点对应的数据点集合的“点云”。点云中的数据点可以动态和连续地被更新，并且可以用于估计例如物体相对于光探测和测距(LiDAR)系统的距离、尺寸、位置和速度。
光转向通常包括在预定方向上投射光，以便帮助实现例如物体的检测和测距、物体的照射和扫描等。光转向可以在许多不同的应用领域中使用，包括例如自动驾驶车辆、医学诊断设备等，并且可以被配置为执行光的发射和接收。例如，光转向发射器可以包括微镜，以控制光的投射方向从而对图像进行检测/成像。此外，光转向接收器也可以包括微镜，以选择该接收器要检测的入射光方向，以避免检测其它不需要的信号。微镜组件通常包括微镜和致动器。在微镜组件中，微镜可以通过连接结构(例如，扭杆、弹簧等)连接到衬底以形成枢轴点。这种类型的微镜组件可以是微电机系统(MEMS)型结构，其可用于自动驾驶车辆中的光检测和测距(LiDAR)系统，其可以被配置用于检测物体和确定这些物体与车辆的对应距离。LiDAR系统通常通过以光脉冲照射目标并测量反射的返回信号的特征来工作。返回信号通常作为点云被捕获。光脉冲的宽度范围往往从几纳秒到几毫秒。
典型的静电MEMS镜包括弹簧、镜块和梳齿(comb finger)。镜块被机械弹簧悬挂，这些机械弹簧通常锚定在SiO2/Si衬底中，并且镜块在将驱动电压(V)施加到梳齿时移动。由于梳齿中的重叠面积随着镜块的位移而变化，梳齿的电容(χBC)成比例变化，并且作为反馈来控制镜块的运动。然而，电容测量精度受阻于寄生电容。在衬底处观察到最显着的寄生电容。该电容与梳齿电容并联耦合，从而限制所感测的电压(ΔVsensed)的灵敏度。当寄生电容较大或阻抗(χ)较低时，梳齿电容的变化对感测的电压的影响最小，即当χBS+χCS＜＜χBC时，
Figure BDA0003237464340000021
较小。因此，为了提高灵敏度，寄生电容需要尽可能地小。然而，衬底是MEMS镜中的基本元件，并且电去耦极其困难和/或几乎不可能。
发明内容
本文公开的技术一般涉及可用在例如光检测和测距(LiDAR)系统或其它光束转向系统的微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)镜。更具体地而非限制地，本文公开的是包括镜块(mirror mass)的MEMS微镜，该镜块倾斜并产生可测量的电容变化。电容变化与镜的倾斜角度成比例，并由此提供反馈信号以指示镜的角度。然而，测量误差可能由寄生电容(parasitic capacitance)引起。本文描述了用于将寄生电容的影响减到最小的多种创造性实施例，包括系统、模块、设备、组件、电路、材料、方法等。
根据某些实施例，MEMS装置具有带可转动镜的MEMS镜结构。该镜的转动产生与转动角度对应的测得电容的变化。该MEMS结构位于衬底上沉积/生长的氧化物层上。在MEMS镜结构和衬底之间存在寄生电容。在衬底和直流(DC)/交流(AC)电压源之间提供附加电容。附加电容比寄生电容大得多，并将寄生电容分流到地线，以最小化其对测得电容的影响。
根据某些实施例，大的附加电容提供低阻抗元件以提高感测的电压灵敏度和降噪。附加电容(Cadd)环绕围绕MEMS镜累积和/或添加到具有附加氧化物层的衬底底部。
过往采用的术语和表述被作为描述性的术语来使用而非限制性的，并且在使用此类术语和表述时无意排斥所示和所描述的特征或其部分的任何等效物。然而，要认识到，在所要求的系统和方法的范围内多种修改是可能的。因此，应当理解，虽然本系统和方法是通过示例和可选特征来具体化公开的，但是本领域技术人员应当认识到本文公开的概念的修改和变体，并且此类修改和变体被视为属于所附权利要求定义的系统和方法的范围内。
在一个实施例中，提供一种用于自动驾驶车辆的光检测和测距(LiDAR)系统中的光束转向的MEMS装置。该装置具有镜块304，该镜块具有反射面305。有第一和第二支撑弹簧302连接到镜块304相对的两侧以支撑镜块。第一和第二公共端子310连接到第一和第二支撑弹簧302。多个第一梳齿306在第一和第二侧面上垂直于第一和第二支撑弹簧302从该镜块伸出。有与镜块304的第一和第二侧相对的第一和第二偏置端子314。一组第二梳齿312从第一和第二偏置端子伸出。第二梳齿与第一梳齿交错且部分重叠于第一梳齿。氧化物层320位于第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子下方。衬底322位于所述氧化物层下方。在公共端子(C)与锚点和偏置端子(B)之间存在感测的电容(CBC)。感测的电容(CBC)与第一梳齿和第二梳齿之间的总重叠成比例。在公共端子与衬底之间还存在第一寄生电容(CCS)，以及在偏置端子和衬底之间存在第二寄生电容(CBS)。在衬底322和电压源606之间提供附加电容Cadd。附加电容大于第一和第二寄生电容的总和数倍。
在一个实施例中，附加电容是位于第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子之外，且与第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子位于同一层中的结构602。在一个实施例中，该结构包括矩形环602，该矩形环包围第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子。
在一个实施例中，附加电容是衬底322上与第一氧化物层320相反侧上的第二氧化物层702。导体层704位于第二氧化物层702上与衬底322相对的一侧上。接地连接706的连接耦合到导体层704。
本发明内容无意要确定所要求权利主题的关键或本质特征，也无意单独地用于确定所要求权利主题的范围。主题应当参考本公开的完整说明书的相应部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解。
将在下面的说明书、权利要求和附图中更详细地描述前述内容以及其它特征和示例。
附图说明
通过下文结合附图的详细描述，上文描述的多种实施例的特征以及本发明某些实施例的其它特征和优点将更为显而易见，其中：
图1示出了根据某些实施例的具有LiDAR系统的自动驾驶车辆；
图2A示出了根据某些实施例的光投射操作的示例；
图2B示出了根据某些实施例的光检测操作的示例；
图3为含有寄生电容的现有技术MEMS镜的结构示意图；
图4是图3中沿着直线A-A’的剖视图；
图5是图3和图4的结构的等效电路图；
图6是根据某些实施例的具有寄生电容消减环结构的MEMS镜的第一实施例的示意图；
图7A是根据某些实施例的图6的结构中沿着直线A-A’的剖视图；
图7B示出了图7A的替代实施例，其中背侧是敞开的以用于开腔工序；
图8是根据某些实施例的具有寄生电容消减衬底结构的MEMS镜的第二实施例的剖视图；
图9是根据某些实施例的具有寄生电容消减平行块结构的MEMS镜的第三实施例的示意图；
图10是根据某些实施例的图6、图8和图9的结构的等效电路图；
图11是将图6的实施例的感测的电压灵敏度与典型现有技术结构相比较的曲线图；以及
图12是将图6的实施例的感测的电压降噪与典型现有技术结构相比较的曲线图。
具体实施方式
本公开的多个方面一般涉及一种光检测和测距(LiDAR)系统，以及更具体地涉及根据某些实施例减少微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)微镜装置的寄生电容。
在下文描述中，描述了基于MEMS的微镜结构的多个示例。出于解释的目的，阐述了具体的配置和细节，以便对实施例给予透彻的理解。然而，对于本领域技术人员显见的是，可以在没有公开的每个细节的情况下实施或实现某些实施例。此外，众所周知的特征可能被省略或简化以避免妨碍理解本文所述的创新功能。
下文高层面的概述旨在对附图所示以及在下文提供对应描述中对一些新颖的创新给予基本理解。本文公开的技术一般涉及可用在例如光检测和测距(LiDAR)系统或其它光束转向系统的MEMS镜。更具体且非限制性地，本文公开的是包括例如图6所示的镜块304的MEMS微镜，该镜块倾斜和产生重叠面积变化成比例的电容变化，该重叠面积变化与其倾斜角度成比例。因此，通过测量电容变化，可以测量倾斜角度。电容变化与镜的倾斜角度成比例，并由此提供反馈信号以指示镜的角度。然而，测量误差可能是由镜结构与衬底之间的寄生电容引起的。本文描述了将寄生电容的影响减到最小的多种创新性实施例。
根据某些实施例，一种MEMS装置具有带可转动镜的MEMS镜结构。该镜的转动在测得的电容中产生与转动角度对应的变化。该MEMS结构位于沉积在衬底上的氧化物层上。在MEMS镜结构和衬底之间存在寄生电容。在衬底和DC电压源之间提供附加电容。附加电容比寄生电容大得多(例如，大10到100倍)，并将寄生电容分流到地线，以最小化其对测得电容的影响。
在一个实施例中，MEMS镜结构具有从镜块伸出的梳齿，并且与来自偏置端子的梳齿交错。测量梳齿之间的电容以确定镜子倾斜的程度。镜被倾斜以反射光束，并朝不同方向快速倾斜以扫描区域。倾斜是通过连接到镜块的公共(common，COM)端子和偏置端子两端施加的电压来实现的。不同的倾斜量导致梳齿以不同的角度分开，从而改变梳齿之间的重叠面积，并由此改变梳齿之间的电容。
根据某些实施例，大的附加电容提供低阻抗元件以提高感测的电压灵敏度和降噪。在图6-7的实施例中，附加电容(Cadd)以环状结构累积在具有的MEMS镜周围。可以采用环的备选结构，令附加电容位于镜结构附近。例如，替代围绕MEMS镜结构的连续环，可以采用串联的电容区域。在图9的实施例中，附加电容(Cadd)设有两个区域，类似于位于MEMS镜结构的任一侧的块，而非上方或下方。这减少了芯片结构的总占地面积。可以采用备选几何形状来最大化附加电容，同时防止器件占地面积变得太大。
在图8的实施例中，附加电容(Cadd)增设在具有附加氧化物层702的衬底底部。在增设的氧化物层的底部上，增设金属或其它导电层704。该金属可以是铝或另一种金属或金属化合物。备选地，大部分可以采用导电材料，例如硅化物。这提供一种电容器，其中增设的氧化物层是电介质，以及金属层是电容器的两个端子。金属层连接到DC电压或地线，以将寄生电容从被测电容的感测节点分流。
通常，本发明的多个方面涉及可以在许多不同应用中使用的光转向的实现。例如，自动驾驶车辆的LiDAR模块可以并入光转向系统。光转向系统可以包括发射器和接收器系统，以朝车辆周围的不同方向转向发射的入射光，并使用顺序扫描过程接收从车辆周围物体反射的反射光，该过程可用于确定物体与车辆之间的距离以帮助实现自动驾驶导航。
光转向可以通过一个或多个微镜组件(例如，通常为阵列的一部分)来实现，每个微镜组件具有可移动的微镜和致动器(或多个致动器)。微镜和致动器可以在半导体衬底上形成为MEMS，其允许MEMS与半导体衬底上的其它电路(例如，控制器、接口电路等)集成，从而能够实现更简单、更容易、更具稳健性和更具经济效率的制造工艺。
在微镜组件中，微镜可以通过连接结构(例如扭杆、扭力弹簧、扭力梁等)机械连接(例如“锚定”)到半导体基板上以形成枢轴点和转动轴。如本文所述，“机械连接”或“连接”可以包括直接连接或间接连接。例如，微镜可以通过连接结构(例如，扭杆或扭力弹簧)间接连接到衬底上以形成枢轴/连接点。微镜可以通过致动器围绕转动轴上的枢轴/连接点(“本文称为枢轴点”)转动。在本文提出的实施例中，通常使用静电致动器；然而，可以实现任何合适类型的致动器(例如，压电、热机械等)，并且受益于本公开的本领域技术人员应认识到其许多修改、组合、变化和备选实施例。
在一些实施例中，每个微镜可以被配置为转动某个转动角度以朝向目标方向反射(和转向)光。该连接结构可以变形以适应转动，但连接结构还具有一定程度的弹簧刚度，其随着转动角度而变化并抵抗微镜的转动以设定目标转动角度。为了将微镜转动目标转动角度，致动器可以基于镜的转动惯量以及给定目标转动角度的弹簧刚度向微镜施加扭矩。可以施加不同的扭矩以在共振频率或接近共振频率下转动(例如，振荡)微镜，以实现不同的目标转动角度。致动器然后可以移除扭矩，并且连接结构可以将微镜返回其缺省方向以便进行下一次转动。基于微镜的质量和连接结构(在本公开的所有附图中示出为力杆)的弹簧常数，微镜的转动可以以振荡的形式重复，通常按微镜的谐振频率或与之接近。在本公开通篇描述的多种实施例中，按谐振频率或与之接近的频率转动微镜的引述可以表示在谐振频率的特定范围内。例如，“处于或与之接近”谐振频率可以表示在谐振频率的+/-5％以内，尽管其它容差也是可能的(例如，+/-1％、+/-2％、+/-3％、+/-10％等)，正如获益于本公开的本领域技术人员应认识到的。可以以上述方式表示“处于或与之接近”的其它术语包括“大约”、“大致”等。在一些实施例中，连接结构可以被配置在镜或万向节的相对和完全相反的两侧上。
在某些实施例中，每个微镜可以被配置为与阵列中的其它微镜一起按共同的转动角度接收入射光束，以共同地将入射光束朝目标方向(例如，在车辆前方)转向。在一些实施例中，每个微镜可以围绕两个正交轴转动以提供沿垂直维度的第一投射角度范围以及提供沿水平维度的第二投射角度范围。第一投射角度范围和第二投射角度范围可以定义投射光以检测/扫描对象所在的二维视场(field of view，FOV)。FOV还可以定义可以被物体反射并被接收器检测到的入射光的二维方向范围。不太常见的是，LiDAR系统还可以在单个轴上运行(例如，沿水平方向)。获益于本公开的本领域技术人员应认识到其许多实施方式和备选实施例。
本发明某些实施例的典型系统环境
图1示出能够实现本文描述的多种实施例的自动车辆100。自动驾驶车辆100可以包括LiDAR模块102。LiDAR模块102使得自动驾驶车辆100能够在周围环境中执行物体检测和测距。基于物体检测和测距的结果，自动驾驶车辆100可以根据道路和机动的规则驾驶，以避免与检测到的物体发生碰撞。LiDAR模块102可以包括光转向发射器104和接收器106。光转向发射器104可以采用任何合适的扫描图案在不同时间点朝各种方向(例如，入射角)投射一个或多个光信号108，而接收器106可以监视由光信号108被物体反射而产生的光信号110。光信号108和110可以包括例如光脉冲、调频连续波(FMCW)信号、调幅连续波(AMCW)信号等。LiDAR模块102可以基于接收到光信号110而检测到物体，并且可以基于光信号108和110之间的时间差来执行测距确定(例如，物体的距离)，正如获益于本公开的本领域技术人员应认识到的。例如，如图1所示，LiDAR模块102可以在时间T1处朝自动驾驶车辆100正前方发射光信号108，并且在时间T2处接收物体112(例如，另一车辆)反射的光信号110。基于接收到光信号110，LiDAR模块102可以确定物体112位于自动驾驶车辆100的正前方。而且，基于T1和T2之间的时间差，LiDAR模块102还可以确定自动驾驶车辆100与物体112之间的距离114。由此，自动驾驶车辆100可以基于LiDAR模块102的检测和测距而调节其速度(例如，减速或停车)以避免与物体112碰撞。
图2A和图2B示出了根据某些实施例的LiDAR模块200的示例的简化框图。LiDAR模块200可以是LiDAR系统102的示例，并且可以包括发射器202、接收器204和LiDAR控制器206，LiDAR控制器可以被配置为控制发射器202和接收器204的操作。发射器202可以包括光源208和准直透镜210，以及接收器204可以包括透镜214和光电探测器216。LiDAR模块200还可包括镜组件212(也称为“镜结构”)和分束器213。在一些实施例中，LiDAR模块102、发射器202和接收器204可以被配置为同轴系统以共享镜组件212以执行光转向操作，同时分束器213被配置为将由镜组件212反射的入射光反射到接收器204。
图2A示出根据某些实施例的光投射操作的示例。为了投射光，LiDAR控制器206可以控制光源208(例如，脉冲激光二极管、FMCW信号源、AMCW信号等)来发射光信号108作为光束218的一部分。光束218可以在离开光源208时发散并且可以被准直透镜210转换成准直光束218。准直光束218可以入射到镜组件212上，该镜组件可以反射准直光束218以将其沿着输出投射路径219转向到物体112。镜组件212可以包括一个或多个可转动镜。图2A示出了具有一个镜的镜组件212；然而，微镜阵列可以包括多个微镜组件，其可以共同提供本文描述的转向能力。镜组件212还可包括一个或多个致动器(图2A中未示出)以转动可转动镜。致动器可以将可转动镜围绕第一轴222转动，并且可以将可转动镜沿着第二轴226转动。围绕第一轴222转动可以相对于第一维度(例如，x轴)改变输出投射路径219的第一角度224，而围绕第二轴226转动可以相对于第二维度(例如，z轴)改变输出投射路径219的第二角度228。LiDAR控制器206可以控制致动器以产生围绕第一轴222和第二轴226的转动角度的不同组合，使得输出投射路径219的移动可以遵循扫描图案232。输出投射路径219沿x轴运动的范围234，以及输出投射路径219沿Z轴运动的范围238可以定义FOV。FOV内的物体，例如物体112，可以接收和反射准直光束218以形成反射光信号，其可以被接收器204接收并被LiDAR模块检测到，正如下文参考图2B进一步描述的。在某些实施例中，镜组件212可以包括一个或多个具有梳状电极的梳齿(参见例如图3)，正如下文进一步详细描述的。
图2B示出根据某些实施例的光检测操作的示例。LiDAR控制器206可以选择供接收器204检测入射光的入射光方向239。这种选择可以基于设置镜组件212的可转动镜的转动角度，使得只有沿着光方向239传播的光束220被反射到分束器213，然后通过准直器透镜214将光束220转移到光电探测器216中。利用这种布置，接收器204能够选择性地接收与物体112的测距/成像(或FOV内的任何其它物体)相关的信号，例如由物体112反射准直光束218生成的光信号110，而不接收其它信号。由此，可以减少环境干扰对物体测距和成像的影响，并且可以提高系统性能。
典型MEMS镜结构中的寄生电容
图3为含有寄生电容的现有技术MEMS镜的结构示意图。图3示出具有弹簧302、镜块304和梳齿306、312的典型静电MEMS镜结构300。镜块304由机械弹簧302悬挂，该机械弹簧通常锚定在SiO2/硅衬底308中并锚定在锚点和公共端子(有时简单地称为“公共”或“COM”)310。梳齿306连接到镜块304，并且与连接到锚点和偏置端子(有时简称为“偏置(bias)”)314的梳齿312交错。端子310提供镜的公共(COM)端子，两者都提供驱动电压并感测连接到镜块304的梳齿306之间的电容变化，与连接到锚点的交错梳齿312和偏置端子314之间的电容变化。锚点和偏置端子314连接到偏置电压，该偏置电压通常是AC电压。
如图所示，该结构能够实现围绕弹簧302的轴转动。在为了不使图中复杂化而未示出的另一个实施例中，可以提供附加弹簧以提供镜块304的第二正交转动轴。然后提供附加交错梳齿，连接到分设的偏置和COM锚点端子。
梳齿中还有其它可变性，可以帮助在测电容(不影响寄生电容)。例如，厚度变化，这还影响弹簧，因为它们是利用相同的Si膜制成的。存在若干权衡，但一般期望更高的电容。更大的面积重叠(更大的梳齿和其之间的间隙更小)提供更大的电容和致动力，但它也降低了其之间由空气摩擦(阻尼)导致的质量因子。梳齿间隙也受限于制造；可实现的纵横比(特征尺寸上的装置厚度)约为20。更高的电容更容易测量和提供更大的力，但是受限于制造并降低了质量因子。优化这些权衡，梳齿电容仍然没有比寄生电容大很多(因为SiO2厚度约为2μm并且具有4的相对介电常数，而空气为1)。
图4是图3中沿直线A-A’线的剖视图。从图4中可以看出，当在COM端子310和偏置端子314之间的梳齿306、312两端施加驱动电压318(V)时，镜块304倾斜。由于梳齿中的重叠面积随着镜块的位移而变化，因此梳齿的电容按成比例变化，并且被感测系统316感测到并作为反馈来控制镜块的运动。如图所示，梳齿306和312之间的重叠改变，其电容变化(ΔC)与重叠面积变化(ΔA)成比例，而该重叠面积与倾斜角β成比例。然而，电容测量精度受阻于寄生电容。
图5是寄生电容的图3和图4的结构的等效电路图。其中示出感测系统316，具有感测电源V、感测电压Vsensed和参考电容Cref。交错的梳齿之间的感测电容为CBC。在衬底两端观察到最显着的寄生电容，示出为CBS和CCS。此寄生电容CBS和CCS与梳齿电容CBC并联耦合，从而限制所感测的电压(ΔVsensed)的灵敏度。当对应于阻抗较低(χ)的寄生电容较大时，梳齿电容的变化对感测的电压的影响最小。换言之，当χBS+χCS＜＜χBC时，
Figure BDA0003237464340000101
较小。因此，为了提高灵敏度，寄生电容需要尽可能地小。然而，衬底是MEMS镜中的基本元件，并且电去耦是极其困难的。
附加电容，以减少寄生电容效应
图6是根据某些实施例的具有寄生电容消减环结构的MEMS镜的第一实施例的示意图。其结构类似于图3的结构，所不同的是增设了地线(GND)端子602，作为MEMS镜结构周围的环。该地线端子602提供附加电容，正如从图7中所示沿直线A-A’的剖视图中可以看到的。图6示出多个维度的范围。一般来说，镜结构在通过地线端子602增设附加电容之前的尺寸范围从1×1mm到最高20×20mm。因此，总芯片尺寸比镜面积大了约20％至30％，从而为附加电容提供空间。占地面积(越小越好)与电容(越大越好)之间存在权衡。通常，占地面积由镜尺寸(从1×1mm到20×20mm以及其它可能的组合例如12×18等)为主，并且在一个实施例中，该环的宽度应为约～100-200μm。该宽度与锚点和偏置端子314以及锚点和COM端子310的宽度相似，两者都在100-200μm的范围内。
图7A是根据某些实施例的图6的结构中沿着直线A-A’的剖视图。从该视图中，可以在镜块306上看到反射层305。该反射层可以是铝或任何其它反射材料。地线(GND)环602在GND端子602和Si衬底322之间提供附加电容，其中SiO2层320作为电介质。GND端子602连接到地线604。在一个实施例中，GND端子602的高度介于40-200μm之间，类似于COM端子310的高度。GND端子602和偏置端子314从同一层蚀刻，因此在一个实施例中具有相同的高度。SiO2层320的高度要小得多，至少小20倍，介于1-2μm之间。衬底层322通常为400-500μm。通常，MEMS是在SIO(绝缘体上硅)晶片上制造的，该晶片由Si装置层(镜块由该层制成，在一个实施例中，其厚度从40μm延伸到200μm)、氧化物和Si处理层或衬底组成。在一个实施例中，Si层被视为类似金属片，其对电容没有影响。因此，电容取决于由C＝(ε_r面积)/厚度给出的氧化物，其中ε_r是相对介电常数且对于不同氧化物是不同的。
在一实施例中，衬底322被DC电压606(Vdc)偏置，连接到地线608。在一个实施例中，Vdc的范围可以介于-200到+200mV之间。提供接地连接608。在一个实施例中，与Vdc的连接可以通过芯片后侧上的触点。在另一个实施例中，可以提供穿过其它层的通孔，其中金属连接被绝缘层包围，以使在芯片顶部能制造所有触点。触点可以由沉积金属焊盘制成，例如用于引线焊合的铝(Al)涂层。
衬底中的DC电压606(Vdc)将消除Si衬底322的动态电容。当镜由高达200Vpp的AC电压318驱动时，衬底上可以观察到一些电荷消耗。由于Si衬底从电荷消耗到电荷积累的转变或反之，施加驱动电压时，衬底电容会改变。为了避免这种转变和寄生电容变化，在衬底中施加DC偏置电压以仅在累积或消耗状态下工作。理论上来说，该电源可以充当衬底(假设叠加)的地线，从而消除DC噪声。但实际上，DC电源具有输出阻抗，使衬底又变为有源的。如果以其它方式处理或容忍消耗问题，则备选实施例是只需将衬底接地。
在一个实施例中，使用MEMS镜阵列。阵列中的镜机械地和电力地互连，以便它们可以同步操作。所有连接都在整个阵列周围；隔离每个镜，通过减少填充因子来影响光学性能。
图7B示出图7A的备选实施例，其中背侧是敞开的以用于开腔工序，其中使用图6的环配置。其中示出氧化物层320A和衬底层322A形成开腔(open cavity)702。
图8是根据某些实施例的具有寄生电容消减衬底结构的MEMS镜的第二实施例的剖视图。使用氧化物层702和金属层704将电容器增设到芯片的底部。金属层704连接到地线706。氧化物层702可以是任何数量的氧化物，例如SiO2、Al2O2等。氧化物层702的厚度影响总电容，但是可能引起一些非期望的应力，因此在一个实施例中相应地对厚度进行了优化。在多种实施例中，使用从0.1μm到最高2μm的厚度值范围，具体根据膜(film)和工艺而定。
如图8所示，在一个实施例中，衬底322被施加DC偏置电压708(Vdc)，连接到地线706。为了最大化电容量，氧化物层702和金属层704延伸到MEMS镜结构的整个面积直到偏置区314的边缘。在备选实施例中，它们可以进一步延伸到例如芯片边缘，其中MEMS镜结构不太可能延伸到芯片的边缘。备选地，层702和704可以仅延伸超出MEMS镜结构的一个(或多个)边界，例如在图8中向右延伸所示，两者都能实现至DC电压708的触点并提供额外的电容器区域。
底部电容器的制造可以通过多种方法实现，例如物理气相沉积(PVD)、电子束沉积、热蒸镀、DC/RF溅射沉积和/或反应式溅射沉积。在切割之前和MEMS镜工艺之后，将整个晶片放置在材料源(金属和/或氧化物)上。两种膜可以连续沉积。
图9是根据某些实施例的具有寄生电容消减平行块结构的MEMS镜的第三实施例的示意图。在该实施例中，将锚定和地线端子形成环，替代为形成两个平行块920，其具有触点端子916用于连接到地线。该结构的其余部分与环的实施例相似，还示出触点区域。可以将类似的触点区域增设到图6和8的结构中，从而提供更宽的触点区域。而且，还可以将触点区域更远地移到芯片的周边。
图9示出具有弹簧902、镜块904和梳齿906、912的静电MEMS镜结构900。镜块904由机械弹簧902悬挂，该机械弹簧通常锚定在SiO2/硅衬底908中并锚定在锚点和COM端子910。梳齿906连接到镜块904，并且与连接到锚点和偏置端子914的梳齿912交错。端子910提供镜的公共(COM)端子，两者都提供驱动电压并感测连接到镜块904的梳齿906与连接到锚点和偏置端子914的交错梳齿912之间的电容变化。锚点和偏置端子914连接到偏置电压，该偏置电压通常是地线。
本文中附图的结构是说明性的，并无意按比例绘制或限制可能的几何形状。例如，端子焊盘矩形区域910、914和916可以更远离MEMS镜结构，并且与附图所示的MEMS镜结构相比更大，以提供引线焊合的空间。
如图所示，该结构能够实现围绕弹簧902的轴转动。在为了不使图中复杂化而未示出的另一个实施例中，可以提供附加弹簧以提供镜块904的第二正交转动轴。然后提供附加交错梳齿，连接到所使用的分设的COM端子和偏置锚点端子。对于其它实施例，可以提供类似的双轴结构。
在某些实施例中示出上述和附图中的镜结构，并且可以使用其它实施例。例如，镜块可以是椭圆形而非矩形。备选地，可以将椭圆形反射表面沉积在镜块上。可以使用镜结构形状的任何数量的其它变体。
在一个替代实施例中，可以将图6-7的的环结构和图8的底部电容进行组合以提供更大的电容，同时使环形结构保持相对窄以限制芯片占用面积的增加。图10中，连接有外部电容器C_ref，该电容器的值也可以优化以获得最大灵敏度。
图10是根据某些实施例的图6、图8和图9的结构的等效电路图。与图5类似，其中示出感测系统1016，其具有感测电源V、感测到的电压Vsensed和参考电容Cref。在一个实施例中，感测系统1016使用惠斯通电桥电路。在一个实施例中，感测电压可用1-10MHz的信号驱动。交错梳齿之间的感测电容为CBC。在衬底两端观察到最显著的寄生电容，示出为CBS和CCS。此寄生电容CBS和CCS与梳齿电容CBC并联耦合，从而限制所感测的电压(ΔVsensed)的灵敏度。当对应于阻抗较低(χ)的寄生电容较大时，梳齿电容的变化对感测的电压的影响最小。换言之，当χBS+χCS＜＜χBC时，
Figure BDA0003237464340000131
较小。因此，为了提高灵敏度，寄生电容需要尽可能地小。这是通过增设的电容器1002 Cadd来实现的。电容器1002，Cadd对应于由图7中的层602、320和322、图8中的层322、702和704以及图9中的层920、908和918形成的电容。
感测节点是节点1004。增设的电容器1002将寄生电容分流到远离感测节点的地线1006。地线1006是AC的地线端子。因此，这提供了至地线的泄漏电流，而不会对感测节点以及由此对测得电容CBC有任何显著的影响。
如图10的等效电路所示，
Figure BDA0003237464340000132
其中χeq1＝χBS||χCS||χGND且χeq2＝χBC||χref||χBS(
Figure BDA0003237464340000133
和ω＝2πf)。
图11是将图6的实施例的感测的电压灵敏度与典型现有技术结构相比较的曲线图。图11和图12都是基于来自图6的环电容结构中数个数据点的模拟。图11的曲线图将ΔVsensed(灵敏度)与典型现有技术配置相比较。图11示出对应于100×CBC和10×CBC的附加电容的随梳齿电容变化(ΔCBC)的电压灵敏度
Figure BDA0003237464340000134
与寄生电容(CBS)相比较的图线。随着寄生电容越大，对于这两种情况，灵敏度都下降。正如可看到的，本发明的配置显示，根据与附加电容对应的附加阻抗χadd的值，相对于典型现有技术配置具有高达20％的改善。
图12是将图6的实施例的感测的电压降噪与典型现有技术结构相比较的曲线图。该图比较增设电容器与典型的现有技术配置的
Figure BDA0003237464340000135
(降噪)。
Figure BDA0003237464340000136
对应于信号对寄生电容的灵敏程度。正如可以看到的，该比率小于典型的现有技术情况，如图所示。这意味着在可变寄生电容的情况下，本发明的新配置不易受噪声的影响。
制造工艺
MEMS镜结构是使用半导体制造工序制造的。可以利用多种工序来实现本发明的结构。例如，一个工序为如下所示。该工序从SOI晶片开始，该SOI晶片由SI/SiO2/Si堆栈(40-120um/1-2um/400-600um)组成。蚀刻背面，然后进行Au或反射金属沉积和图案化。接下来，蚀刻正面的Si和SiO2层，形成镜结构。图7B示出备选实施例，其中背侧是敞开的以用于开腔工序，其中使用环配置。对于封闭腔，蚀刻空腔晶片正面的Si，然后将第二个晶片合并抛光至期望的MEMS结构厚度，从而形成Si膜。然后通过Si蚀刻沉积和图案化反射金属，形成MEMS镜结构。
MEMS镜阵列
本文描述的MEMS镜结构可以形成微镜阵列的一部分。微镜阵列可以包括微镜组件阵列，每个微镜组件包括微镜和致动器。在微镜组件中，微镜可以通过连接结构(例如，扭杆、弹簧等)连接到衬底以形成枢轴，并且微镜能够受致动器驱动围绕枢轴转动。每个微镜可以被转动某个转动角度，以将光从光源反射(并转向)到目标方向。每个微镜可以被致动器转动以提供沿垂直轴的第一投射角度范围以及提供沿水平轴的第二投射角度范围。第一投射角度范围和第二投射角度范围可以定义投射光以检测/扫描对象所在的二维视场(FOV)。FOV还可以定义由接收器检测的物体反射的入射光的方向。
在一些示例中，镜组件可以包括两个可转动镜阵列，以沿第一维度(例如，x轴)和第二维度(例如，z轴)执行光转向。在一个实施例中，MEMS镜阵列包括：第一可转动镜阵列，其用于接收和反射来自光源的光束；第二可转动镜，其用于接收由第一可转动镜阵列反射的光束；第一致动器阵列，其配置成转动第一可转动镜阵列的每个可转动镜；以及第二致动器，其配置成转动第二可转动镜。该控制器被配置为控制第一致动器和第二致动器的阵列，以便分别转动第一可转动镜的阵列和第二可转动镜，以设置相对于第一维度的第一光路的角度和设置与第一维度正交的第二维度的第二光路的角度，以便执行如下操作的其中之一：沿光路反射来自光源的光，或者将沿着光路传播的输入光反射到接收器。在一些方面中，该光源是激光二极管。
在一个实施例中，每个微镜将具有各自的单独附加电容。在另一个实施例中，对于图8所示的芯片底部的附加电容，该附加电容可以延伸横跨包括多个微镜的芯片的整个底部或很大部分。对于镜阵列，在一个实施例中，每个镜具有各自梳齿致动器，并且总致动电容是每个镜的电容之和。因此，感测电容是总电容。
在一个实施例中，通过每个微镜是单独半导体芯片来形成微镜阵列。在一个晶片中制造有若干个镜或一个镜阵列(一个镜阵列是一个芯片)，然后切割晶片。然后将每个器件封装。
在一个实施例中，提供一种用于自动驾驶车辆的光检测和测距(LiDAR)系统中的光束操控的MEMS装置。该装置包括以下元件：
镜块304，其具有反射表面305和至少第一和第二相应侧面；
第一和第二支撑弹簧302，其中所述第一和第二支撑弹簧的第一端分别在相对侧连接到镜块304的所述第一和第二相应侧面，以支撑镜块；
第一和第二公共端子310，其在第一和第二支撑弹簧的第二端上分别连接到所述第一和第二支撑弹簧302；
多个第一梳齿306，其在第一和第二侧面上垂直于第一和第二支撑弹簧302从该镜块伸出；
第一和第二偏置端子314，所述第一和第二偏置端子与镜块304的第一和第二侧面相对；
从第一和第二偏置端子伸出的多个第二梳齿312，多个第二梳齿312与多个第一梳齿306交错并且部分地重叠于多个第一梳齿；
氧化物层320，其位于第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子下方；
衬底322，其位于氧化物层下方；
其中在公共端子(C)与锚点和偏置端子(B)之间存在感测的电容(CBC)，其与多个第一梳齿和多个第二梳齿之间的重叠成比例；
其中在公共端子和衬底之间存在第一寄生电容(CCS)，以及在偏置端子和衬底之间存在第二寄生电容(CBS)；以及
位于衬底322与电压源606之间的附加电容Cadd，其中该附加电容比合并的所述第一和第二寄生的电容大数倍。在一个实施例中，附加电容包括位于第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子之外且与第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子位于同一层中的结构602。在一个实施例中，该结构包括矩形环602，该矩形环包围第一和第二公共端子以及第一和第二偏置端子。
在一个实施例中，该附加电容包括：
第二氧化物层702，该第二氧化物层位于衬底322上与第一氧化物层320相反的一侧上；
导体层704，其位于第二氧化物层702上与衬底322相对的一侧上；以及接地连接706，其耦合到导体层704。
其它变体是在本公开的精神范围内的。因此，虽然附图中示出其图示的某些示例，并且在上文中予以详细描述，但是根据所公开的技术容易得到多种修改和替代构造。然而，应该理解，无意将本公开限制为所公开的一种或多种具体形式，相反其目的是涵盖落入如所附权利要求定义的本公开的精神和范围内的所有修改、替代结构和等效物。例如，任何示例、替代示例等以及其概念可以应用于本公开描述的和/或其精神和范围内的任何其它示例。
例如，代替附图所示的矩形镜块，可以使用椭圆形或圆形镜块。此类镜块可以仍具有延伸梳齿。邻接偏置端子可以弯曲以匹配椭圆形，且具有相应的延伸梳齿。备选地，偏置端子可以是矩形的，并且延伸梳齿可以是不同的长度，使得它们与偏置端子的相等长度梳齿重叠相同的量。备选地，可以为不同长度的梳齿提供不同量的重叠。不需要具有相同的重叠量，因为重要的是随倾斜的电容变化，而非绝对电容量。
具有本发明的附加电容的MEMS镜结构可用于LiDAR以外的多种其它应用中。光束转向技术也可以用于其它光学系统，例如光学显示系统(例如，电视)、光学感测系统、光学成像系统等。在多种光束转向系统中，光束可以通过例如由电动机驱动的转动平台、多维度机械阶梯、电流控制的镜、谐振纤维、MEMS镜阵列或其任何组合来转向。MEMS微镜可以通过例如微电机、电磁致动器、静电致动器或压电致动器围绕枢轴或连接点转动。
具有本发明的附加电容的MEMS镜结构可以通过不同类型的致动器来驱动镜块。在一些光学转向系统中，发射或接收的光束可以由微镜阵列转向。每个微镜可以围绕枢轴或连接点转动，以使入射在微镜上的光偏转到期望的方向。微镜的性能可以直接影响光转向系统的性能，例如视场(FOV)、点云的质量和使用光转向系统产生的图像的质量。例如，为了增大LiDAR系统的检测范围和FOV，可以使用具有大转动角度和大孔径的微镜，这可能导致微镜的最大位移和惯性矩的增加。为了实现高分辨率，可以使用具有高谐振频率的装置，其可以使用具有高刚度的转动结构来实现。使用静电致动的微镜实现这种期望的性能可能不易，因为静电致动的微镜中使用的梳齿可能无法提供所需的力和力矩，并且可能在大转动角度下脱离，特别是为改善检测范围而使微镜的孔径增加时。一些压电致动器可用于实现大位移和大扫描角度，因为它们具有以相对较低的电压提供比静电致动类型大得多的驱动力的能力。
在描述所公开的示例的上下文中使用术语“一个”、“个”和“所述”及类似引述(特别是在所附权利要求的上下文中)应解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或明确相反陈述。除非另有说明，否则术语“具有”、“包含”和“包括”，否则将被解释为开放式术语(即，含义“包括但不限于”)。术语“连接”应解释为部分或全部包含在其中、连接到或连接在一起，即使其中有间接物。短语“基于”应理解为开放式的，而不是以任何方式限制，并且旨在在适当的情况下以任何方式解释或以其它方式解读为“至少部分基于”。除非本文另有说明，否则本文对数值范围的引用仅旨在个别地引述落在该范围内的每个单独数值的速记方法，并且将每个单独数值并入说明书中如同其在本文中被单独引用一样。除非在本文另有说明或以其它方式通过上下文进行相反陈述，否则本文描述的所有方法可以按任何合适的顺序执行。除非另有说明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“例如”)的使用仅旨在更好地阐明本公开的示例并且不对本公开的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未主张权利的元素对于本公开的实践是不可或缺的。

Claims (20)

1.一种用于自动驾驶车辆的光检测和测距系统(LiDAR)中的光束转向的微机电系统(MEMS)装置，所述装置包括：
镜块，所述镜块具有反射表面和至少第一和第二相应侧面；
第一和第二支撑弹簧，其中所述第一和第二支撑弹簧的第一端分别在相对侧连接到所述镜块的所述第一和第二相应侧面，以支撑所述镜块；
第一和第二公共端子，所述第一和第二公共端子在所述第一和第二支撑弹簧的第二端上分别连接到所述第一和第二支撑弹簧；
多个第一梳齿，所述多个第一梳齿在所述第一和第二侧面上垂直于所述第一和第二支撑弹簧从所述镜块伸出；
第一和第二偏置端子，所述第一和第二偏置端子与所述镜块的所述第一和第二侧面相对；
从所述第一和第二偏置端子伸出的多个第二梳齿，所述多个第二梳齿与所述多个第一梳齿交错并且部分地重叠于所述多个第一梳齿；
位于所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子下方的氧化物层；
位于所述氧化物层下方的衬底；
其中，在所述公共端子(C)与所述偏置端子(B)之间存在感测的电容(CBC)，所述感测的电容(CBC)与所述多个第一梳齿和所述多个第二梳齿之间的重叠成比例；
其中，在所述公共端子和所述衬底之间存在第一寄生电容(CCS)，以及在所述偏置端子和所述衬底之间存在第二寄生电容(CBS)；以及
位于所述衬底和电压源之间的附加电容，其中所述附加电容比合并的所述第一和第二寄生的电容大数倍。
2.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述电压源是地线。
3.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述附加电容包括在所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子之外、且与所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子位于同一层中的结构。
4.根据权利要求3所述的微机电系统装置，其中，所述结构包括矩形环，所述矩形环包围所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子。
5.根据权利要求4所述的微机电系统装置，其中，所述矩形环耦合到地线，并且所述衬底耦合到直流电压源。
6.根据权利要求4所述的微机电系统装置，其中，所述矩形环的宽度介于100-200μm之间。
7.根据权利要求1所述的微机电系统装置，其中，所述附加电容包括：
第二氧化物层，所述第二氧化物层位于所述衬底上与所述第一氧化物层相对的一侧；
导体层，所述导体层位于所述第二氧化物层上与所述衬底相对的一侧；以及
接地连接，所述接地连接耦合到所述导体层。
8.根据权利要求7所述的微机电系统装置，还包括：
贯穿所述衬底与所述第二氧化物层的通孔；以及
导电连接器，所述导电连接器延伸穿过所述通孔以连接到所述导体层以提供从所述微机电系统装置上与所述第一和第二偏置端子以及所述第一和第二公共端子相同的一侧的所述接地连接。
9.根据权利要求7所述的微机电系统装置，其中，所述第二氧化物层和所述导体层覆盖与所述镜块、所述弹簧、所述梳齿、所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子相对应的区域。
10.根据权利要求1所述的微机电系统装置，还包括在所述第一和第二公共端子中的至少一个与所述第一和第二偏置端子中的至少一个之间连接的驱动电压源。
11.根据权利要求10所述的微机电系统装置，还包括在所述第一和第二公共端子中的至少一个与所述第一和第二偏置端子中的至少一个之间连接的感测系统。
12.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
微机电系统镜结构，所述微机电系统镜结构具有可转动镜，所述可转动镜产生与转动角度对应的测得电容的变化；
位于所述微机电系统镜结构下方的第一氧化物层；
位于所述氧化物层下方的衬底；
其中，在所述微机电系统镜结构与所述衬底之间存在寄生电容；以及
位于所述衬底与电压源之间的附加电容，其中所述附加电容比所述寄生电容大数倍。
13.根据权利要求12所述的微机电系统装置，其中，所述电压源是地线。
14.根据权利要求12所述的微机电系统装置，其中，所述附加电容包括位于所述微机电系统镜结构之外、且与所述微机电系统镜结构位于相同的层中的电容器结构。
15.根据权利要求14所述的微机电系统装置，其中，所述电容器结构包括矩形环，所述矩形环包围所述微机电系统镜结构。
16.根据权利要求15所述的微机电系统装置，其中，所述矩形环耦合到所述地线，并且所述衬底耦合到直流电压源。
17.根据权利要求15所述的微机电系统装置，其中，所述矩形环的宽度介于100-200μm之间。
18.根据权利要求12所述的微机电系统装置，其中，所述附加电容包括：
第二氧化物层，所述第二氧化物层位于所述衬底上与所述第一氧化物层相对的一侧；
导体层，所述导体层位于所述第二氧化物层上与所述衬底相对的一侧；以及
接地连接，所述接地连接耦合到所述导体层。
19.一种用于自动驾驶车辆的光检测和测距系统(LiDAR)中的光束转向的微机电系统(MEMS)装置，所述装置包括：
镜块，所述镜块具有反射面以及至少第一和第二侧面；
第一和第二支撑弹簧，其中所述第一和第二支撑弹簧的第一端分别在相对侧连接到所述镜块的所述第一和第二侧面，以支撑所述镜块；
第一和第二公共端子，所述第一和第二公共端子在所述第一和第二支撑弹簧的第二端上分别连接到所述第一和第二支撑弹簧；
多个第一梳齿，所述多个第一梳齿在所述第一和第二侧面上垂直于所述第一和第二支撑弹簧从所述镜块伸出；
第一和第二偏置端子，所述第一和第二偏置端子与所述镜块的所述第一和第二侧面相对；
从所述第一和第二偏置端子伸出的多个第二梳齿，所述多个第二梳齿与所述多个第一梳齿交错并且部分地重叠于所述多个第一梳齿；
位于所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子下方的氧化物层；
位于所述氧化物层下方的衬底；
驱动电压源，所述驱动电压源连接在所述第一和第二公共端子中的至少一个与所述第一和第二偏置端子中的至少一个之间；
感测系统，所述感测系统连接在所述第一和第二公共端子中的至少一个与所述第一和第二偏置端子中的至少一个之间；
其中在锚点和公共端子(C)与所述锚点和偏置端子(B)之间存在感测的电容(CBC)，所述感测的电容(CBC)与所述多个第一梳齿和所述多个第二梳齿之间的重叠成比例；
其中在所述公共端子和所述衬底之间存在第一寄生电容(CCS)，以及在所述偏置端子和所述衬底之间存在第二寄生电容(CBS)；以及
位于所述衬底和直流电压源之间的附加电容，其中所述附加电容比合并的所述第一和第二寄生的电容大数倍；
其中，所述附加电容包括在所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子之外、且与所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子位于同一层中的结构；
其中，所述结构包括矩形环，所述矩形环包围所述第一和第二公共端子以及所述第一和第二偏置端子。
20.根据权利要求19所述的微机电系统装置，其中，所述矩形环的宽度介于100-200μm之间。
CN202111006682.3A 2020-09-01 2021-08-30 微机电系统镜结构中改进的电容感测 Pending CN114114307A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/009,513 US11789253B2 (en) 2020-09-01 2020-09-01 Capacitance sensing in a MEMS mirror structure
US17/009,513 2020-09-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114114307A true CN114114307A (zh) 2022-03-01

Family

ID=80358471

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111006682.3A Pending CN114114307A (zh) 2020-09-01 2021-08-30 微机电系统镜结构中改进的电容感测

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11789253B2 (zh)
CN (1) CN114114307A (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4336240A1 (en) * 2021-06-10 2024-03-13 Stanley Electric Co. Ltd. Optical scanning device and electronic apparatus

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6333584B1 (en) * 2000-01-05 2001-12-25 Iolon, Inc. Tiltable electrostatic microactuator and method for using same
US6744173B2 (en) * 2000-03-24 2004-06-01 Analog Devices, Inc. Multi-layer, self-aligned vertical combdrive electrostatic actuators and fabrication methods
AU7289801A (en) 2000-04-11 2001-10-23 Sandia Corp Microelectromechanical apparatus for elevating and tilting a platform
US6625341B1 (en) * 2000-06-12 2003-09-23 Vlad J. Novotny Optical cross connect switching array system with electrical and optical position sensitive detection
US20020008922A1 (en) * 2000-05-31 2002-01-24 Conant Robert A. Actuator and micromirror for fast beam steering and method of fabricating the same
DE10119073A1 (de) * 2001-04-12 2002-12-05 Schneider Laser Technologies Resonanzscanner
US7185542B2 (en) * 2001-12-06 2007-03-06 Microfabrica Inc. Complex microdevices and apparatus and methods for fabricating such devices
AU2002351289A1 (en) * 2001-12-06 2003-06-23 Memgen Corporation Complex microdevices and appparatus and methods for fabricating such devices
US6985271B2 (en) * 2002-03-12 2006-01-10 Corning Incorporated Pointing angle control of electrostatic micro mirrors
JP5133814B2 (ja) * 2008-08-13 2013-01-30 ラピスセミコンダクタ株式会社 可変容量素子
DE102013206396A1 (de) * 2013-04-11 2014-10-16 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (FHG) Mikroaktuatoranordnung zur Ablenkung elektromagnetischer Strahlung
DE102015216438A1 (de) * 2015-08-27 2017-03-02 Carl Zeiss Smt Gmbh Sensoranordnung für eine Lithographieanlage, Lithographieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Lithographieanlage
CN205151756U (zh) * 2015-11-04 2016-04-13 南京邮电大学 一种基于氮化镓的静电梳状驱动式微镜
WO2017170400A1 (ja) 2016-03-29 2017-10-05 シャープ株式会社 スイッチングミラーパネル、及び、スイッチングミラーデバイス
US10514446B1 (en) * 2018-12-07 2019-12-24 Didi Research America, Llc System and methods for controlling micro-mirror array
CN110703430A (zh) * 2019-11-28 2020-01-17 无锡微视传感科技有限公司 二维静电扫描微镜
CN111348618B (zh) * 2020-01-09 2023-07-11 西安知象光电科技有限公司 一种降低静电式微镜角度检测传感器耦合干扰的方法
CN111204701B (zh) * 2020-01-09 2023-05-23 西安知象光电科技有限公司 一种具备完全对称式差分电容角度反馈的微镜
US11555998B2 (en) * 2020-05-13 2023-01-17 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Capacitance sensing in a mirror assembly with a biased substrate
US20220324698A1 (en) * 2021-04-07 2022-10-13 Beijing Voyager Technology Co., Ltd. Photocurrent noise suppression for mirror assembly

Also Published As

Publication number Publication date
US11789253B2 (en) 2023-10-17
US20220066197A1 (en) 2022-03-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11150464B2 (en) Optical scanning device and method of adjusting optical scanning device
US6449079B1 (en) Deflectable micro-mirror
US11209641B2 (en) Micromachined mirror assembly having reflective layers on both sides
US6538802B2 (en) System and method for tilt mirror calibration due to capacitive sensor drift
CN109425981A (zh) 微机电反射器系统
US11092801B2 (en) Lever system for driving mirrors of a LiDAR transmitter
US11085995B2 (en) Non-linear springs to unify the dynamic motion of individual elements in a micro-mirror array
WO2020131130A1 (en) Micromachined mirror assembly having micro mirror array and hybrid driving method thereof
Pensala et al. Wobbling mode AlN-piezo-MEMS mirror enabling 360-degree field of view LiDAR for automotive applications
US20200218063A1 (en) Scanning unit and method for scanning light
CN114114307A (zh) 微机电系统镜结构中改进的电容感测
US11061201B2 (en) Non-linear springs to unify the dynamic motion of individual elements in a micro-mirror array
CN113805158A (zh) 使能大镜的高频率和高机械倾斜角的mems扫描仪悬架系统
US20200110260A1 (en) Scanner with two sequential scan units
US11768367B2 (en) Structures for piezoelectric actuator to increase displacement and maintain stiffness
WO2023053840A1 (ja) 光走査装置
JP6582519B2 (ja) 光偏向装置、２次元画像表示装置、光走査装置及び画像形成装置
US20220204338A1 (en) Backside coating of suspended mems mirror actuators for stress matching and thermal stability
US20220057626A1 (en) Mems scanning mirror with piezoelectric drive mechanism
US11385454B2 (en) Resonant frequency tuning of micromachined mirror assembly
US11536951B2 (en) Resonant frequency tuning of micromachined mirror assembly
JP2022144256A (ja) 光走査装置、物体検出装置及び移動体
US11815627B2 (en) Mirror assembly for light steering with reduced finger thickness
US11796638B2 (en) Mirror assembly for light steering with flexible support structure
US20220057514A1 (en) Mirror assembly for light steering

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination