CN116893504A - 具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件 - Google Patents

具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件 Download PDF

Info

Publication number
CN116893504A
CN116893504A CN202310372761.9A CN202310372761A CN116893504A CN 116893504 A CN116893504 A CN 116893504A CN 202310372761 A CN202310372761 A CN 202310372761A CN 116893504 A CN116893504 A CN 116893504A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tiltable structure
magnet arrangement
tiltable
pair
magnet
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
CN202310372761.9A
Other languages
English (en)
Inventor
N·博尼
R·卡尔米纳蒂
M·默利
C·L·佩瑞里尼
T·阿菲菲·阿菲菲
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.)
STMicroelectronics SRL
Original Assignee
STMicroelectronics SRL
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 STMicroelectronics SRL filed Critical STMicroelectronics SRL
Publication of CN116893504A publication Critical patent/CN116893504A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • G02B26/085—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 means being moved or deformed by electromagnetic 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
    • G02B26/0816—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
    • G02B26/0858—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 means being moved or deformed by piezoelectric means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/007—For controlling stiffness, e.g. ribs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00642—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for improving the physical properties of a device
    • B81C1/0065—Mechanical properties
    • B81C1/00658—Treatments for improving the stiffness of a vibrating element
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

本公开涉及具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件。一种微机电镜器件在半导体材料的管芯中具有：限定腔体的固定结构；承载反射区域的可倾斜结构，弹性地悬置在腔体上方并且具有在水平面中的主延伸部；承载相应压电结构的至少一对第一驱动臂，压电结构可以被偏置以生成驱动力，该驱动力引起可倾斜结构围绕平行于水平面的第一水平轴的旋转轴的旋转；弹性悬置元件，在旋转轴处将可倾斜结构弹性地耦合到固定结构，并且对于离开水平面的运动是刚性的并且对于围绕旋转轴的扭转是柔顺的。特别地，第一对中的驱动臂磁性地耦合到可倾斜结构，以便在相应压电结构的偏置之后通过磁性相互作用使其围绕旋转轴旋转。

Description

具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年4月11日提交的意大利专利申请No.102022000007121的优先权，其内容在法律允许的最大范围内通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及一种利用微机电系统(MEMS)技术而制造的具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件。
背景技术
众所周知，微机电镜器件用在例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、PDA等便携式设备中，其用于光学应用，特别是用于以期望的图案引导由光源(例如，激光源)生成的光辐射束。由于尺寸小，这些器件能够满足在面积和厚度方面对空间占用的严格要求。
例如，微机电镜器件用在光电子设备中，诸如小型投影仪(所谓的微型投影仪(picoprojector))，其能够在一定距离处投影图像并且生成期望光图案。
微机电镜器件通常包括可倾斜结构，该可倾斜结构承载适当的反射(或反射镜)表面，该表面弹性地支撑在腔体上方并且从半导体材料的本体开始获取，以便可移动，例如，随着倾斜或旋转离开主延伸部的对应平面的运动，用于以期望方式引导入射光束。
反射镜器件的旋转通过致动系统来控制，该致动系统例如可以是静电型、电磁型或压电型。
静电致动系统通常具有利用高操作电压的缺点，而电磁致动系统通常需要高功耗；因此提出了用压电致动来控制可倾斜反射镜结构的运动。
具有压电致动的反射镜器件的优点是所利用的致动电压和功耗水平低于具有静电或电磁致动的器件。
图1是基于MEMS技术的已知类型的微机电镜器件的示意图，由附图标记1表示；该器件通常具有美国专利公开No.2020/0192199(对应于EP 3666727A1)中描述的结构，该专利通过引用整体并入本文。
微机电镜器件1被形成在半导体材料(特别是硅)的管芯1'中，并且被设置有可倾斜结构2，该可倾斜结构2具有在水平面xy中的主延伸部，并且被布置为围绕旋转轴X旋转，旋转轴X平行于前述水平面xy的第一水平轴x。
前述旋转轴表示微机电镜器件1的第一对称中轴；上述微机电镜器件1的第二对称中轴Y平行于第二水平轴y，第二水平轴y与第一水平轴x正交并且与第一水平轴x一起限定水平面xy。
可倾斜结构2悬置在设置在管芯1'中的腔体3之上，并且限定支撑结构，该支撑结构在其顶表面2a(与腔体3相对)上承载反射区域2'，例如，反射区域2'由铝或金制成(取决于投影是在可见光中还是在红外线中)，以限定反射镜结构。
可倾斜结构2弹性地耦合到固定结构4，该固定结构4被限定在管芯1'中。特别地，固定结构4在水平面xy中形成框架4'，该框架4'界定并且围绕前述腔体3，并且还具有第一支撑(或锚固)元件5a和第二支撑(或锚固)元件5b，这些元件在可倾斜结构2的相对侧(沿着第一水平轴x)上在腔体3内从上述框架4'开始沿着第一对称中轴X纵向延伸。
可倾斜结构2由第一支撑元件5a和第二支撑元件5b支撑，可倾斜结构2通过第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b分别弹性耦合至第一支撑元件5a和第二支撑元件5b，对于离开水平面xy(沿着横向于该水平面xy的正交轴z)的运动具有高刚度，并且对于围绕第一水平轴x的扭转具有柔顺性。第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b作为整体沿着第一旋转轴X在第一支撑元件5a以及第二支撑元件5b与可倾斜结构2的面对侧之间延伸，第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b在对应中央部分处耦合到该面对侧。在所示实施例中，第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b是线性型的。
第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b将可倾斜结构2耦合到固定结构4，使得可倾斜结构能够围绕第一旋转轴X旋转，并且为离开平面的运动提供高刚度，从而提供离开水平面xy的伪(spurious)运动频率与围绕第一旋转轴的旋转频率之间的高比率。
微机电镜器件1还包括致动结构10，该致动结构10耦合到可倾斜结构2并且被配置为使其围绕第一旋转轴X旋转；致动结构10被插置于可倾斜结构2与固定结构4之间，并且进一步有助于将可倾斜结构2支撑在腔体3之上。
该致动结构10包括由第一驱动臂12a和第二驱动臂12b形成的第一对驱动臂，第一驱动臂12a和第二驱动臂12b布置在第一旋转轴X和第一支撑元件5a的相对侧并且相对于第一旋转轴X和第一支撑部件5a对称，并且具有平行于第一水平轴x且平行于前述第一支撑部件5a的纵向延伸部。
在图1所示的实施例中，驱动臂12a、12b具有大致梯形(或“鳍状”)形状，其主侧平行于第二水平轴y定向，整体耦合到固定结构4的框架4'，并且其副侧平行于上述第二水平轴y定向，弹性地耦合到可倾斜结构2。因此，每个驱动臂12a、12b具有整体耦合到固定结构4的框架4'的相应第一端，以及通过相应第一弹性驱动元件14a和第二弹性驱动元件14b机械地耦合到可倾斜结构2的相应第二端。
每个驱动臂12a、12b悬置在腔体3之上，并且在其顶表面12'(与上述腔体3相对)处承载相应压电结构13(特别地包括锆钛酸铅PZT)，例如，该压电结构13在水平面xy上具有与驱动臂12a、12b基本相同的延伸部。
该压电结构13(以未详细示出的方式)通过以下各项的叠加而形成：布置在对应驱动臂12a、12b上的、适当导电材料的底部电极区域；布置在前述底部电极区域上的压电材料区域(例如，由PZT薄膜构成)；以及布置在压电材料区域上的顶部电极区域。
前述第一弹性驱动元件14a和第二弹性驱动元件14b对于离开水平面xy(沿着正交轴z)的运动具有高刚度，并且对于扭转(围绕平行于第一水平轴x的旋转轴)是柔顺的。第一弹性驱动元件14a和第二弹性驱动元件14b在第一驱动臂12a以及第二驱动臂12b与可倾斜结构2的同一面对侧之间延伸。
第一弹性去耦元件14a和第二弹性去耦元件14b在相应耦合点处耦合到可倾斜结构2，该耦合点位于第一旋转轴X附近，与上述第一旋转轴X相距较短距离。
在该示例中，第一弹性驱动元件14a和第二弹性驱动元件14b是折叠型的，即，它们由多个臂形成，这些臂具有平行于第一水平轴x的纵向延伸部，通过连接元件成对地连接，该连接元件具有平行于第二水平轴y的延伸部(在不同实施例中，弹性去耦元件14a、14b可以替代地为线性型)。
前述致动结构10还包括由第三驱动臂12c和第四驱动臂12d形成的第二对驱动臂，第三驱动臂12c和第四驱动臂12d相对于第一旋转轴X并且此时相对于第二支撑元件5b布置在相对侧，并且具有平行于第一水平轴x和前述第二支撑元件5b的纵向延伸部(应当注意，第二对驱动臂12c、12d因此以相对于第二对称中轴Y与第一对驱动臂12a、12b对称的方式布置)。
类似于已经针对第一对驱动臂12a、12b所讨论的，第二对驱动臂中的每个驱动臂12c、12d在其顶表面12'处承载相应压电结构13(特别地包括锆钛酸铅PZT)，并且具有整体耦合到固定结构4的框架4'的相应第一端，以及通过相应第三弹性驱动元件14c和第四弹性驱动元件14d(布置在第一弹性驱动元件14a和第二弹性驱动元件14b的相对于第二对称中轴Y的相对侧)机械地耦合到可倾斜结构2的相应第二端。
如前述图1所示，第三弹性驱动元件14c和第四弹性驱动元件14d在相应耦合点处耦合到可倾斜结构2，该耦合点位于第一旋转轴X附近；此外，第三弹性驱动元件14c和第四弹性驱动元件14d是折叠型的。
微机电镜器件1还包括多个电接触焊盘18，电接触焊盘18由固定结构4在框架4'处承载，通过电连接轨道电连接(在上述图1中未详细示出)到驱动臂12a-12d的压电结构13，以使得能够通过来自微机电镜器件1外部的电信号(例如，由其中集成有微机电镜器件1的电子设备的偏置器件提供)对其进行电偏置。
在微机电镜器件1的操作期间，向第一驱动臂12a的压电结构13施加偏置电压(相对于第二驱动臂12b的压电结构13的偏置具有正值，其例如可以连接到地参考电势)引起围绕第一旋转轴X的正角度的旋转。以对应方式，向第二驱动臂12b的压电结构13施加偏置电压(相对于第一驱动臂12a的压电结构13的偏置具有正值)引起围绕上述第一旋转轴X的负角度的对应旋转。
应当注意，上述偏置电压可以有利地施加到第一驱动臂12a和第三驱动臂12c两者的压电结构13，并且类似地，为了引起相对旋转，相同偏置电压可以有利地施加到第二驱动臂12b和第四驱动臂12d两者的压电结构13，以便以对应方式引起可倾斜结构2围绕第一旋转轴X的旋转(从前面的描述中可以清楚地看出)。
在存在低偏置电压值(例如，<40V)的情况下，可倾斜结构2可以以这种方式达到宽的打开角度(例如，包括在8°到12°之间)。
弹性驱动元件14a-14d沿着正交轴z的由驱动臂12a-12d的压电效应引起的位移与沿着第一旋转轴的可倾斜结构2的随后旋转弹性地解耦。
这些弹性驱动元件14a-14d具有薄并且细长的构造，以便降低其扭转刚度，并且以很清楚的方式受到机械应力的作用，该机械应力随着可倾斜结构2的打开角度的增加而增加。
在这点上，为了获取最终光电子器件的更大的小型化，减小微机电镜器件的尺寸的一般需求是已知的。
特别地，前述压电结构13的效率的提高(例如，使用对应压电材料的多层物理气相沉积(PVD)技术)可以使致动结构10所占据的表面减小，并且从而使微机电镜器件1的管芯1'所占据的面积减小。
例如，发明人已经发现，在给定的相同的光学性能的情况下，希望将前述管芯1'的面积占用减少20％。
然而，发明人已经发现，压电结构13的面积占用的减少和/或前述效率的提高通常伴随着弹性驱动元件14a-14b所承受的机械应力的增加；例如，在前述减少管芯1'的面积占用的示例中，这种增加甚至可以达到20％。
因此，存在弹性驱动元件14a-14b损坏或失效的可能性，并且在任何情况下，前述考虑因素对这些弹性驱动元件14da-14b的尺寸构成约束，并且通常对管芯1'的尺寸减小到超过某个值构成约束。
鉴于此，还需要进一步的发展。
本领域需要提供一种能够克服先前强调的问题的微机电镜器件。
发明内容
本文中公开了一种微机电镜器件，该微机电镜器件在半导体材料的管芯中，包括：限定腔体的固定结构；承载反射区域的可倾斜结构，弹性地悬置在腔体上方并且具有在水平面中的主延伸部；承载相应压电结构的至少第一对驱动臂，压电结构被偏置以生成驱动力，从而引起可倾斜结构围绕平行于水平面的第一水平轴的旋转轴的旋转；以及弹性悬置元件，被配置为在旋转轴处将可倾斜结构弹性地耦合到固定结构，弹性悬置元件对于离开水平面的运动是刚性的并且对于围绕旋转轴的扭转是柔顺的。第一对中的驱动臂磁性地耦合到可倾斜结构，以便在相应压电结构的偏置之后通过磁性相互作用使其围绕旋转轴旋转。
第一对中的驱动臂中的每个驱动臂可以以悬臂方式悬置在腔体上方，并且可以具有整体耦合到固定结构的第一端和在一定距离处面对可倾斜结构的第二端，该第二端与可倾斜结构机械地去耦。
第一对中的驱动臂中的每个驱动臂可以承载相应第一磁体装置，并且用于每个第一磁体装置的相应第二磁体装置可以耦合到可倾斜结构。每个第一磁体装置可以磁性地耦合到相应第二磁体装置，以便生成磁性相互作用力，该磁性相互作用力被设计为将由相应驱动臂生成的驱动力传递到可倾斜结构。
磁性相互作用力可以是磁性吸引力。
第一磁体装置可以包括耦合到相应驱动臂的底表面、面对腔体的至少一个相应磁体。第二磁体装置可以包括在水平面中在面对第一磁体装置的相应磁体的位置中耦合到可倾斜结构的相应底表面的至少一个相应磁体。
第一对中的驱动臂可以在与底表面相对的顶表面上承载相应压电结构。
第一磁体装置和第二磁体装置可以具有梳指状构造。
延伸元件可以耦合到可倾斜结构，第一对中的驱动臂中的每个驱动臂具有一个延伸元件。每个延伸元件可以从可倾斜结构开始朝向相应驱动臂延伸，并且被配置为在相对于可倾斜结构的远端处在下面承载相应第二磁体装置的相应磁体。
每个延伸元件的远端可以布置在开口内，该开口设置在其相应驱动臂的第二端中。第一磁体装置可以包括相对于第二磁体装置的相应磁体侧向布置的一对磁体，以获取磁体的最终梳指状构造。
每个延伸元件的远端可以具有指状形状，该指状形状的每个指状物相对于该延伸元件横向延伸并且承载第二磁体装置的下面的相应磁体。相应驱动臂的第二端可以具有对应指状形状，其每个指状物在下面承载第一磁体装置的相应磁体，以获取磁体的最终梳指状构造。
固定结构可以在水平面中形成界定并且围绕腔体的框架，并且具有在可倾斜结构的相对侧从框架开始在腔体内沿着旋转轴纵向延伸的第一支撑元件和第二支撑元件。弹性悬置元件可以在可倾斜结构与第一支撑元件和第二支撑元件中的相应一个支撑元件之间延伸。
第二对驱动臂可以耦合到可倾斜结构，并且承载相应压电结构，相应压电结构被偏置以生成驱动力，从而引起可倾斜结构围绕旋转轴的旋转。第二对中的驱动臂可以相对于水平面的与第一水平轴正交的第二水平轴布置在与第一对中的驱动臂相对的侧。
本文中还公开了一种用于制造微机电镜器件的方法，该方法包括：在半导体材料的管芯中形成：限定腔体的固定结构；承载反射区域的可倾斜结构，弹性地悬置在腔体上方并且具有在水平面中的主延伸部；承载相应压电结构的至少第一对驱动臂，压电结构被偏置以生成驱动力，从而引起可倾斜结构围绕平行于水平面的第一水平轴的旋转轴的旋转；以及弹性悬置元件，被配置为在旋转轴处将可倾斜结构弹性地耦合到固定结构，弹性悬置元件对于离开水平面的运动是刚性的并且对于围绕旋转轴的扭转是柔顺的。该方法还包括将第一对驱动臂磁性地耦合到可倾斜结构，以便在相应压电结构的偏置之后通过磁性相互作用使可倾斜结构围绕旋转轴旋转。
磁性耦合可以包括形成由每个驱动臂承载的相应第一磁体装置和由可倾斜结构承载的用于每个第一磁体装置的相应第二磁体装置。每个第一磁体装置可以磁性地耦合到相应第二磁体装置，以便生成磁性相互作用力，磁性相互作用力被设计为将由相应驱动臂生成的驱动力传递到可倾斜结构。
形成第一磁体装置和第二磁体装置可以包括从管芯的背面进行管芯的机器加工。
附图说明
为了更好地理解，现在参考附图，仅仅通过非限制性示例的方式描述其优选实施例，在附图中：
图1示出了已知类型的微机电镜器件的示意性俯视图；
图2是根据本公开的一个实施例的微机电镜器件的示意性简化俯视图；
图3是沿着图2的微机电镜器件的截面线III-III截取的示意性简化截面图；
图4A-图4C以简化方式示出了本公开的微机电镜器件中的磁体装置的示例性制造方法的连续步骤；
图5-图6是根据本公开的另外的实施例的微机电镜器件的示意性简化俯视图；以及
图7是使用本公开的微机电镜器件的光电子设备(例如，微型投影仪)的一般框图。
具体实施方式
如将在下文中详细描述的，本公开的一个方面设想用磁性类型的耦合代替微机电镜器件的致动结构与可倾斜结构之间的弹性机械耦合(在已知实施方式中由弹性驱动元件14a-14d实施，参见前述图1和先前讨论)。
因此，驱动力通过磁性相互作用力从致动结构的驱动臂传递到可倾斜结构，而没有机械耦合，特别是弹性类型的机械耦合。
因此，这种磁性耦合的使用允许避免所讨论的尺寸的挑战以及弹性驱动元件(在这种情况下，弹性驱动元件不存在于微机电镜器件中)的可能故障或损坏。
图2是根据本公开的可能实施例的微机电镜器件的示意图，总体上用附图标记20表示。
该微机电镜器件20通常具有与参考图1描述的器件类似的结构和配置，并且因此包括：
可倾斜结构2，可倾斜结构2在顶部处在对应顶表面2a之上承载反射区域2'，可倾斜结构2悬置在由固定结构4的框架4'限定的腔体3内，并且通过第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b弹性地耦合到固定结构4的第一支撑元件5a和第二支撑元件5b(第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b将可倾斜结构2耦合到固定结构4，使得其能够围绕旋转轴X旋转，同时提供关于离开水平面xy的运动的高刚度)；以及
致动结构10，其被插置于固定结构4的框架4'与可倾斜结构2之间，并且被配置为驱动上述可倾斜结构2围绕旋转轴X旋转。
与先前参考前述图1所述的不同，在这种情况下，致动结构10没有机械地耦合到可倾斜结构2，并且不能有助于将上述可倾斜结构2支撑在腔体3之上。
在这种情况下，致动结构10还包括由第一驱动臂12a和第二驱动臂12b形成的第一对驱动臂，第一驱动臂12a和第二驱动臂12b在这里以悬臂方式悬置在腔体3上方，在它们的第一端(主侧)整体地耦合到固定结构4的框架4'，并且它们的第二端(副侧)自由，与可倾斜结构2机械地去耦、以一定分离距离(间隙)面对上述可倾斜结构2。
同样在这种情况下，前述第一驱动臂12a和第二驱动臂12b在相应顶表面12'处承载相应压电结构13，并且布置在第一旋转轴X和第一支撑元件5a的相对侧并且相对于第一旋转轴X和第一支撑元件5a对称，具有平行于第一水平轴x和前述第一支撑元件5a的纵向延伸部。
致动结构10还包括由第三驱动臂12c和第四驱动臂12d形成的第二对驱动臂，第三驱动臂12c和第四驱动臂12d相对于第一旋转轴X和第二支撑元件5b布置在相对侧，并且具有平行于第一水平轴x并且平行于前述第二支撑部件5b的纵向延伸部(以相对于第二对称中轴Y与第一对驱动臂12a、12b对称的方式)。
第二对中的驱动臂12c-12d以悬臂方式悬置在腔体3上方，并且在相应顶表面12'处承载相应压电结构13。
根据本公开的一个方面，在这种情况下，每个驱动臂12a-12d在相应第二端处磁性地耦合到可倾斜结构2。
为此，每个驱动臂12a-12d在对应底表面12”(也参见随后的图3)处与承载相应压电结构13的顶表面12'相对地承载下方的第一磁体装置22。
例如，第一磁体装置22可以包括相应磁体22'，该磁体22'具有基本上平行六面体的形状，整体地耦合到相应驱动臂12a-12d，并且从底表面12”开始朝向腔体3竖直延伸。
此外，可倾斜结构2在底表面2b(与承载反射表面2'的顶表面2a相对)处承载第二磁体装置24。
例如，该第二磁体装置24包括相应磁体24'，该磁体24'具有基本上平行六面体的形状，从底表面2b开始朝向腔体3竖直延伸。
特别地，第一磁体装置22和第二磁体装置24在水平面xy中以一定分离距离布置在彼此面对的位置，从而在其间具有间隙。
该间隙的值取决于由布局约束定义的最小值与基于磁场和最终耦合力的减小而确定的最大值之间的折衷；例如，该间隙可以在50μm到100μm之间，优选地等于50μm。
彼此面对的每个第一磁体装置22和第二磁体装置24以这种方式形成相应磁对(magnetic pair)25，该磁对25因此与致动结构10的每个驱动臂12a-12d相关联。
特别地，由于相关联的磁偏置，每个磁对25被配置为在相应第一磁体装置22与第二磁体装置24之间(并且因此在相应驱动臂12a-12d与可倾斜结构2之间)建立磁性吸引力。
在操作期间，作为由相应磁对25施加的磁性相互作用力的结果，由于对应压电结构13的电偏置而引起的每个驱动臂12a-12d的竖直位移(沿着前述正交轴z)因此引起可倾斜结构2的对应竖直位移，该磁性相互作用力将来自上述驱动臂12a-12d的压电驱动力传递到可倾斜结构2。
发明人进行的模拟已经证明了通过这种磁性相互作用获取用于驱动可倾斜结构2的力的可能性，该力与通过传统方法可以获取的弹性力(例如，参见图1，在存在弹性驱动元件14a-14d的情况下)完全相当。
更详细地，在微机电器件20的操作期间，向第一驱动臂12a的压电结构13施加偏置电压(相对于可以例如连接到地参考电势的第二驱动臂12b的压电结构13的偏置具有正值)导致可倾斜结构2围绕旋转轴X的具有正角度的旋转，这要归功于由相应磁性对25实施的前述磁性耦合。
以对应方式，向第二驱动臂12b的压电结构13施加偏置电压(相对于第一驱动臂12a的压电结构13的偏置具有正值)引起偏置结构2围绕上述旋转轴X的具有负角度的对应旋转。
相同的偏置电压可以有利地被施加到第一驱动臂12a和第三驱动臂12c两者的压电结构13，并且类似地，为了引起相对旋转，被施加到第二驱动臂12b和第四驱动臂12d两者的压电结构13，以便以对应方式引起可倾斜结构2围绕旋转轴X的旋转。
图3示出了前述微机电镜器件20的示意性截面图。
特别地，该截面图(平行于第一水平轴x)示出了驱动臂12a-12d(以及，以未示出的方式，弹性悬置元件6a、6b)的厚度(沿着正交轴z)对应于可倾斜结构2的厚度，例如，等于20μm，该厚度在下文中称为第一厚度t1(前述元件基本上形成在管芯1'前面)。
加固结构28进一步耦合在可倾斜结构2下面，具有用于可倾斜结构2的机械加固的功能(并且进一步被设计为在静止条件下保证上述可倾斜结构2在水平面xy中的平面性或平坦性)；该加固结构28具有沿着正交轴z的第二厚度t2，该第二厚度t2大于第一厚度，例如，等于140μm；例如，加固结构28可以具有环形形状(如图2所示)，并且可以布置在可倾斜结构2的外围(该加固结构21基本上形成在管芯1'的背面上)。
微机电器件2的固定结构4(特别是框架4')沿着正交轴z的厚度基本上等于前述第一厚度t1和第二厚度t2之和。
如上述图3所示，基体29耦合在固定结构4下面，并且在腔体3下面和移动结构2处具有凹部29'，以使移动结构2能够旋转。特别地，框架4'通过适当的接合材料区域30耦合到该支承体29。
第一磁体装置22和第二磁体装置24分别耦合在对应驱动臂下面(例如，图3中所示为第一驱动臂12a和第三驱动臂12c)和可倾斜结构2下面，并且因此设置在管芯1'的背面上。
在图3所示的实施例中，前述第一磁体装置22和第二磁体装置24各自包括相应磁体22'、24'，磁体22'和24'具有沿着正交轴z的第三厚度t3，厚度t3在第一厚度t1与第二厚度t2之间，例如等于100μm，并且磁体22'和24'分别耦合到对应驱动臂12a、12c，通过半导体材料的连接部分34耦合到可倾斜结构2。
因此，在第一磁体装置22的情况下，该连接部分34被插置于相应驱动臂12a、12c的底表面12”与相应磁体22'之间，并且在第二磁体装置24的情况下，该连接部分34被插置于可倾斜结构2的底表面2b与相应磁体24'之间。
有利地，第一磁体装置22和第二磁体装置24可以使用与用于制造MEMS结构的工艺兼容的制造技术来获取，该MEMS结构用于从管芯1'开始获取微机电镜器件20。
例如，第一磁体装置22和第二磁体装置24可以使用基于通过原子层沉积(ALD)使微米尺寸的磁性材料的粉末团聚的技术来制造。可用于该目的的材料例如可以包括由钕(NdFeB)、钐钴(SmCo)或铁(Fe)组成的烧结粉末。
如图4A中示意性地所示，该技术可以设想通过从管芯1'的背面(此处示出为倒置)机器加工形成竖直壁40，竖直壁40在它们之间限定一个或多个微腔42，特别是在驱动臂12a-12d的第二端处，以及在可倾斜结构2的面对部分处(为了简化说明，此处未示出)。
接下来，如图4B所示，这些微腔42可以填充有适当磁性材料的粉末44。
然后，如图4C所示，该材料在微腔42内经历ALD工艺以固化；然后使固化材料经受磁场以引起磁极化，从而限定第一磁体装置22和第二磁体装置24以及对应磁体22'、24'。
以未示出的方式，竖直壁40可以移除，以便在管芯1'的背面上仅留下前述第一磁体装置22和第二磁体装置24。
图5示出了微机电镜器件20的可能的另一实施例，其不同之处在于，存在与每个驱动臂12a-12d和可倾斜结构2相关联的第一磁体装置22和第二磁体装置24的梳指状构造。
特别地，在这种情况下，延伸元件50耦合到可倾斜结构2，每个驱动臂12a-12d有一个延伸元件50；以前述图5中未示出的方式，这些延伸元件50例如具有沿着正交轴z的前述第一厚度t1。
每个延伸元件50从可倾斜结构2开始朝向相应驱动臂12a-12d延伸，在该示例中沿着第一水平轴x延伸，并且被配置为在可倾斜结构2的远端处在下面承载第二磁体装置24，这里，第二磁体装置24包括相应磁体24'。
在图5所示的实施例中，延伸元件50的前述远端插入到开口52中，开口52设置在相应驱动臂12a-12d的第二端中。在这种情况下，第一磁体装置22包括相对于前述开口52和第二磁体装置24的相应磁体24'侧向(沿着第二水平轴y)布置的一对磁体22'，以获取上述磁体22'、24'的最终梳指状构造。
在另一实施例中，如图6所示，延伸元件50的前述远端具有指状形状50'(在该示例中，具有两个指状物)，每个指状物相对于延伸元件50横向延伸(沿着第二水平轴y)，并且在下面承载第二磁体装置24的相应磁体24'。在这种情况下，多个开口52设置在相应驱动臂12a-12d的第二端中，以容纳延伸元件50的前述指状物50'。
类似地，相应驱动臂12a-12d的第二端(这里，其具有沿着第二水平轴y的主延伸部)具有对应指状形状56(在该示例中，具有三个指状物)，各自在下面承载第一磁体装置22的相应磁体22'，以获取磁体22'、24'的最终梳指状构造。
第一磁体装置22和第二磁体装置24的梳指状构造通常允许通过致动结构10获取用于驱动微机电镜器件20的可倾斜结构2的最终磁性耦合力的增加。
如图7所示，微机电镜器件20可以有利地用在光电子器件(诸如微型投影仪60)中，该器件被设计为在功能上耦合到便携式电子设备61(诸如智能手机或增强现实护目镜)。
详细地，光电子器件60包括光源62，例如激光类型的光源，光源62被设计为生成光束63；微机电镜器件20，用作反射镜，并且被设计为接收光束63并且将其引导向屏幕或显示表面65(在外部并且设置在与微型投影仪60相距一定距离处)；第一驱动电路66，其被设计为根据待投影的图像，将适当的控制信号提供给光源62以用于光束63的生成；第二驱动电路68，其被设计为向微机电镜器件20的致动结构10提供适当的控制信号；以及接口69，其被设计为从控制单元70接收用于控制第一驱动电路66的第一控制信号Sd1和用于控制第二驱动电路68的第二控制信号Sd2，在这种情况下，控制单元70是外部的，例如，被包括在便携式设备61中。
本公开的优点可以从以上描述中清楚地看出。
在任何情况下，再次强调，所描述的用于通过磁性耦合来驱动可倾斜结构2的技术能够增加微机电镜器件20的抗应力性，从而防止其可能的故障或损坏。
致动结构10实际上与可倾斜结构2机械地去耦。
特别地，由于在致动结构10与可倾斜结构2之间无弹性耦合元件(这里不存在，并且实际上由磁性相互作用代替)，可以减小管芯1'的尺寸和/或提高致动结构10的压电结构13的效率，而不必与弹性耦合元件的抗应力性达成折衷。
总体上，本公开能够利用压电致动(即，使用具有较低能耗的较低偏置电压来获取大位移)和反射镜致动的压阻检测的优点，同时与已知方法相比具有改进的机械和电气性能。
最后，很明显，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对已经描述和说明的内容进行修改和变化。
例如，上述技术也可以应用于微机电镜器件的双轴实施例的情况(以类似于在与欧洲专利申请3666727A1相对应的前述美国专利公开No.2020/0192199中详细描述的方式)，即，可倾斜结构2能够围绕第一旋转轴(与平行于第一水平轴x的第一旋转轴X重合)和围绕第二旋转轴(与平行于第二水平轴y的第二对称中轴Y重合)两者执行旋转运动的情况。
此外，关于形成微机电镜器件20的元件的形状，例如，可倾斜结构2(和对应反射区域2')的不同形状，或者驱动臂12a-12d的不同形状和/或布置，可以设想一般变型。
此外，第一弹性悬置元件6a和第二弹性悬置元件6b可以替代地为折叠型或弯曲型，而不是线性型。
以未详细示出的方式，前述第一磁体装置22和第二磁体装置24还可以包括布置为阵列或栅格的多个相应磁体22'、24'，它们共同用于在相应驱动臂12a-12d与可倾斜结构2之间提供磁性耦合。
此外，可以设想可倾斜结构2的不同类型的运动，例如准静态或谐振运动。

Claims (20)

1.一种微机电镜器件，在半导体材料的管芯中，所述微机电镜器件包括：
固定结构，限定腔体；
可倾斜结构，承载反射区域，其中所述可倾斜结构弹性地悬置在所述腔体上方并且具有在水平面中的主延伸部；
至少第一对驱动臂，承载相应压电结构，所述压电结构被配置为被偏置以生成驱动力，从而引起所述可倾斜结构围绕旋转轴的旋转，所述旋转轴平行于所述水平面的第一水平轴；以及
弹性悬置元件，被配置为在所述旋转轴处将所述可倾斜结构弹性地耦合到所述固定结构，其中所述弹性悬置元件对于离开所述水平面的运动是刚性的并且对于围绕所述旋转轴的扭转是柔顺的；
其中所述第一对驱动臂中的驱动臂磁性地耦合到所述可倾斜结构，以便在所述相应压电结构的偏置之后通过磁性相互作用使所述可倾斜结构围绕所述旋转轴旋转。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的每个驱动臂以悬臂方式悬置在所述腔体上方并且具有第一端和第二端，所述第一端整体耦合到所述固定结构，所述第二端在一定距离处面对所述可倾斜结构并且与所述可倾斜结构机械地去耦。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的每个驱动臂承载相应第一磁体装置，并且其中用于每个第一磁体装置的相应第二磁体装置耦合到所述可倾斜结构；并且其中每个第一磁体装置磁性地耦合到相应第二磁体装置，以便生成磁性相互作用力，所述磁性相互作用力被配置为将由相应的所述驱动臂生成的所述驱动力传递到所述可倾斜结构。
4.根据权利要求3所述的器件，其中所述磁性相互作用力是磁性吸引力。
5.根据权利要求3所述的器件，其中所述第一磁体装置包括耦合到相应的所述驱动臂的底表面并且面对所述腔体的至少一个相应磁体；并且其中所述第二磁体装置包括在所述水平面中在面对所述第一磁体装置的所述相应磁体的位置中耦合到所述可倾斜结构的相应底表面的至少一个相应磁体。
6.根据权利要求5所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的所述驱动臂在与所述底表面相对的顶表面上承载所述相应压电结构。
7.根据权利要求3所述的器件，其中所述第一磁体装置和所述第二磁体装置具有梳指状构造。
8.根据权利要求7所述的器件，还包括耦合到所述可倾斜结构的延伸元件，针对所述第一对驱动臂中的每个驱动臂具有一个延伸元件；其中每个延伸元件从所述可倾斜结构开始朝向相应驱动臂延伸，并且被配置为在相对于所述可倾斜结构的远端处在下面承载所述相应第二磁体装置的相应磁体。
9.根据权利要求8所述的器件，其中每个延伸元件的所述远端布置在开口内，所述开口设置在所述延伸元件的相应驱动臂的所述第二端中；并且其中所述第一磁体装置包括相对于所述第二磁体装置的相应磁体侧向布置的一对磁体，以获取所述磁体的最终梳指状构造。
10.根据权利要求8所述的器件，其中每个延伸元件的所述远端具有指状形状，其中每个指状物相对于所述延伸元件横向延伸，并且承载所述第二磁体装置的下面的相应磁体；并且其中所述相应驱动臂的所述第二端具有对应指状形状，其中每个指状物在下面承载所述第一磁体装置的相应磁体，以获取所述磁体的最终梳指状构造。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述固定结构在所述水平面中形成界定并且围绕所述腔体的框架，其中所述固定结构具有在所述可倾斜结构的相对侧从所述框架开始、在所述腔体内沿着所述旋转轴纵向延伸的第一支撑元件和第二支撑元件；并且其中所述弹性悬置元件在所述可倾斜结构与所述第一支撑元件和所述第二支撑元件中的相应一个支撑元件之间延伸。
12.根据权利要求1所述的器件，还包括第二对驱动臂，所述第二对驱动器臂耦合到所述可倾斜结构并且承载相应压电结构，所述压电结构被配置为被偏置以生成驱动力，从而引起所述可倾斜结构围绕所述旋转轴的旋转；并且其中所述第二对驱动臂中的所述驱动臂相对于所述水平面的与所述第一水平轴正交的第二水平轴布置在与所述第一对驱动臂中的所述驱动臂相对的侧。
13.一种用于制造微机电镜器件的方法，包括：
在半导体材料的管芯中形成限定腔体的固定结构；
将可倾斜结构弹性地悬置在所述腔体上方，所述可倾斜结构承载反射区域并且具有在水平面中的主延伸部；
在所述半导体材料的管芯中形成至少第一对驱动臂，所述第一对驱动臂承载相应压电结构，所述压电结构被偏置以生成驱动力，从而引起所述可倾斜结构围绕旋转轴的旋转，所述旋转轴平行于所述水平面的第一水平轴；以及
使用弹性悬置元件在所述旋转轴处将所述可倾斜结构弹性地耦合到所述固定结构，所述弹性悬置元件对于离开所述水平面的运动是刚性的并且对于围绕所述旋转轴的扭转是柔顺的；以及
将所述第一对驱动臂磁性地耦合到所述可倾斜结构，以便在所述相应压电结构的偏置之后通过磁性相互作用使所述可倾斜结构围绕所述旋转轴旋转。
14.根据权利要求13所述的方法，其中磁性地耦合包括形成由每个驱动臂承载的相应第一磁体装置和由所述可倾斜结构承载的用于每个第一磁体装置的相应第二磁体装置；其中每个第一磁体装置磁性地耦合到相应第二磁体装置，以便生成磁性相互作用力，所述磁性相互作用力被设计为将由相应的所述驱动臂生成的所述驱动力传递到所述可倾斜结构。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第一磁体装置和所述第二磁体装置包括从所述管芯的背面进行所述管芯的机器加工。
16.一种微机电镜器件，在半导体材料的管芯中，所述微机电镜器件包括：
固定结构，限定腔体；
可倾斜结构，承载反射区域，其中所述可倾斜结构弹性地悬置在所述腔体上方；
至少第一对驱动臂，承载相应压电结构，所述压电结构被配置为被偏置以生成驱动力，从而引起所述可倾斜结构围绕旋转轴旋转；以及
弹性悬置元件，被配置为在所述旋转轴处将所述可倾斜结构弹性地耦合到所述固定结构；
其中所述第一对驱动臂中的驱动臂磁性地耦合到所述可倾斜结构。
17.根据权利要求16所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的每个驱动臂以悬臂方式悬置在所述腔体上方并且具有第一端和第二端，所述第一端整体耦合到所述固定结构，所述第二端在一定距离处面对所述可倾斜结构并且与所述可倾斜结构机械地去耦。
18.根据权利要求17所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的每个驱动臂承载相应第一磁体装置，并且其中用于每个第一磁体装置的相应第二磁体装置耦合到所述可倾斜结构；并且其中每个第一磁体装置磁性地耦合到相应第二磁体装置。
19.根据权利要求18所述的器件，其中所述第一磁体装置包括耦合到相应的所述驱动臂的底表面并且面对所述腔体的至少一个相应磁体；并且其中所述第二磁体装置包括在面对所述第一磁体装置的所述相应磁体的位置中耦合到所述可倾斜结构的相应底表面的至少一个相应磁体。
20.根据权利要求19所述的器件，其中所述第一对驱动臂中的所述驱动臂在与所述底表面相对的顶表面上承载所述相应压电结构。
CN202310372761.9A 2022-04-11 2023-04-10 具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件 Pending CN116893504A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102022000007121A IT202200007121A1 (it) 2022-04-11 2022-04-11 Dispositivo microelettromeccanico di specchio ad attuazione piezoelettrica con migliorata resistenza allo stress
IT102022000007121 2022-04-11
US18/131,085 US20230324674A1 (en) 2022-04-11 2023-04-05 Microelectromechanical mirror device with piezoelectric actuation having improved stress resistance
US18/131,085 2023-04-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116893504A true CN116893504A (zh) 2023-10-17

Family

ID=82100615

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202320769023.3U Active CN219916077U (zh) 2022-04-11 2023-04-10 微机电镜器件
CN202310372761.9A Pending CN116893504A (zh) 2022-04-11 2023-04-10 具有抗应力性改进的压电致动的微机电镜器件

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202320769023.3U Active CN219916077U (zh) 2022-04-11 2023-04-10 微机电镜器件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230324674A1 (zh)
EP (1) EP4261592A1 (zh)
CN (2) CN219916077U (zh)
IT (1) IT202200007121A1 (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040004775A1 (en) * 2002-07-08 2004-01-08 Turner Arthur Monroe Resonant scanning mirror with inertially coupled activation
EP3666727A1 (en) 2018-12-14 2020-06-17 STMicroelectronics S.r.l. Microelectromechanical device with a structure tiltable by piezoelectric actuation having improved mechanical and electrical characteristics

Also Published As

Publication number Publication date
IT202200007121A1 (it) 2023-10-11
CN219916077U (zh) 2023-10-27
EP4261592A9 (en) 2023-11-29
US20230324674A1 (en) 2023-10-12
EP4261592A1 (en) 2023-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101710334B1 (ko) 편향가능 구조를 포함하는 디바이스
JP5460872B2 (ja) 微小電気機械発電器およびそれを用いた電気機器
CN212334582U (zh) 微机电设备和微型投影仪装置
US8208192B2 (en) MEMS device with independent rotation in two axes of rotation
CN106809796B (zh) 具有双轴致动的微机械结构及对应的mems设备
CN214795413U (zh) 微机电装置和微型投影仪设备
US20140240810A1 (en) MEMS Drive and Beam-Steering Apparatus
CN215006226U (zh) 微机电系统镜设备和微型投影仪装置
CN219916077U (zh) 微机电镜器件
US11604347B2 (en) Force-balanced micromirror with electromagnetic actuation
WO2009044324A2 (en) Mems scanning micromirror manufacturing method
JP2006154315A (ja) 静電櫛歯型揺動体装置、及びその作製方法
JP5039431B2 (ja) 可動構造体、同構造体を用いた光走査ミラー素子、及び可動構造体の製造方法
US20110310451A1 (en) Biaxial scanning mirror for image forming apparatus and method for operating the same
CN218099782U (zh) 微机电反射镜器件和微型投影仪设备
CN220467578U (zh) 包括微机电镜设备的设备及微机电镜设备
CN221101146U (zh) 微机电系统反射镜器件
JP2013114935A (ja) Ｍｅｍｓスイッチ
US20230194790A1 (en) Silicon beam-steering apparatus and method for manufacturing
JP2006130587A (ja) 揺動体装置、及びその作製方法
JP2006136084A (ja) 揺動体装置、及びその作製方法
JP2006133387A (ja) 揺動体装置、及びその作製方法
CN117023504A (zh) 一种二维mems微镜和制备方法
JP4175272B2 (ja) アクチュエータ
CN117420672A (zh) 具有压电致动的mems反射镜器件及其制造方法

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