CN117250749A - 具有压电致动和优化尺寸的微机电镜面设备 - Google Patents

Abstract

一种微机电器件具有在由第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平面中延伸的第一可倾斜镜面结构，并且包括限定界定腔体的框架的固定结构、承载反射区域的可倾斜元件，该可倾斜元件弹性地悬置在腔体上方并且具有第一中间对称轴线和第二中间对称轴线，通过位于第二水平轴线的相对侧的第一耦合结构和第二耦合结构弹性地耦合到框架。第一可倾斜镜面结构具有驱动结构，该驱动结构耦合到可倾斜元件以引起围绕第一水平轴线的旋转。第一可倾斜镜面结构相对于第二水平轴线是非对称的，并且沿着第一水平轴线在第二水平轴线的第一侧具有第一延伸，并且在第二水平轴线的与第一侧相对的第二侧具有大于第一延伸的第二延伸。

Description

具有压电致动和优化尺寸的微机电镜面设备

相关申请的交叉引用

本申请要求于2022年6月17日提交的第102022000012884号意大利专利申请的优先权权益，其内容在法律允许的最大范围内通过引用而整体并入本文。

技术领域

本公开涉及一种具有优化尺寸的微机电镜面设备(使用微机电系统MEMS技术制造)。

背景技术

微机电镜面设备用于便携式设备，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、PDA，以及用于光学应用，特别是引导由光源(例如，激光器)生成的具有期望图案的光辐射束。由于它们的小尺寸，这些器件允许在面积和厚度方面对空间占用提出严格要求。

例如，微机电镜面设备用于光电子设备，诸如小型投影仪(所谓的微型投影仪)，其能够从远处投影图像并且生成期望的光图案，例如用于增强现实或虚拟现实应用。

微机电镜面设备通常包括承载适当反射(或反射镜)表面的可倾斜结构，该可倾斜结构被弹性地支撑在腔体上方并且由半导体材料主体制成以便可移动，例如通过倾斜或旋转运动离开对应主延伸平面，以便以期望的方式来引导入射光束。

特别地，在具有双轴投影的微机电镜面设备的情况下，需要光束沿着两个轴偏转，这种偏转可以由两个单轴可倾斜结构提供。

在这方面，图1示意性地示出了微型投影仪1，微型投影仪1包括光源2，例如激光源，光源2生成光束，光束被微机电镜面设备3朝向屏幕4偏转。

在前述图1示意性地示出的示例中，微机电镜面设备3包括：第一可倾斜镜面结构3a，其为单轴类型，第一可倾斜镜面结构3a被控制为使得其以谐振运动围绕旋转轴线A旋转，以生成快速水平扫描；以及第二可倾斜镜面结构3b，也是单轴类型，第二可倾斜镜面结构3b被控制为使得其以线性或准静态运动(即，以远低于谐振运动的频率的频率)地围绕相应旋转轴线A'旋转，以生成例如锯齿型的缓慢垂直扫描。上述相应旋转轴线A'是横向的，例如相对于旋转轴线A是正交的或以特定非零角度倾斜。

第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b协作以在屏幕4上生成扫描图案，该扫描图案在图1中示意性地示出并且由5指示。特别地，围绕旋转轴线A旋转的第一可倾斜镜面结构3a在第二可倾斜镜面结构3b上“画出”水平线；并且围绕相应旋转轴线A'旋转的上述第二可倾斜镜面结构3b将投影引导到屏幕4上的期望矩形表面上。

可倾斜镜面结构3a、3b的旋转由相应致动系统控制，该致动系统例如可以为静电型、电磁型或压电型。

静电致动系统通常具有需要高操作电压的缺点，而电磁致动系统一般需要高功耗；因此提出了利用压电致动来控制可倾斜镜面结构的运动。

与具有静电或电磁致动的器件相比，具有压电致动的微机电镜面设备具有需要降低的致动电压和功耗的优点。此外，可以容易地提供压阻(PZR)传感器元件，该PZR传感器元件用于感测反射镜的驱动条件(根据所施加的应力或假定的位移或位置)并且用于提供反馈信号以允许对相同驱动进行反馈控制。

一般要求是减小上述微机电镜面设备的可倾斜镜面结构的尺寸，以便获取减小的总面积占用。例如，当反射镜器件在用于虚拟现实或增强现实应用的眼镜或耳机中使用时，这种需求尤其明显。

在具有双轴投影的微机电镜面设备的情况下，尺寸减小不仅需要单个可倾斜镜面结构的尺寸减小，而且需要上述结构的适当相互布置，以便总体上优化占用体积。

在这方面，图2示意性地示出了具有双轴投影的微机电镜面设备，该微机电镜面设备再次用3表示，其中对应第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b的可能装置被放置在闭合位置，以便减少占用体积。

微机电镜面设备3的类似配置可能出现的问题表现为由第二可倾斜镜面结构3b反射的输出光束(OUT)被第一可倾斜镜面结构3a的本体拦截(即使是部分地)，因此产生光投影的削波的可能性。

因此，本领域需要提供一种微机电镜面设备，该微机电镜面设备能够克服先前强调的问题，并且具有减小的占用面积、具有优化的尺寸。

发明内容

本文中公开了一种电子设备，该电子设备包括在第一半导体材料管芯中具有第一可倾斜镜面结构的微机电镜面设备，该第一半导体材料管芯在由第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平面中延伸。第一可倾斜镜面结构的特征在于限定界定腔体的框架的固定结构、承载反射区域的可倾斜元件、以及驱动结构，反射区域弹性地悬置在腔体上方，具有平行于第一水平轴线和第二水平轴线的第一中间对称轴线和第二中间对称轴线，驱动结构耦合到可倾斜元件以便以谐振运动围绕第一水平轴线旋转。第一可倾斜镜面结构相对于第二水平轴线是非对称的，并且在第二水平轴线的相对侧沿着第一水平轴线具有不同延伸尺寸。

该电子设备包括在第二水平轴线的第一侧的第一耦合结构，该第一耦合结构具有连接到可倾斜元件和框架的单个扭簧，该单个扭簧沿着第一水平轴线线性地延伸。第二耦合结构的特征在于第一扭簧和第二扭簧，弹簧之间具有约束元件，弹簧沿着第一水平轴线连接到可倾斜元件、约束元件和框架。

第一耦合结构的单个扭簧具有沿着第二水平轴线的第一宽度，该第一宽度小于第二耦合结构的第一扭簧的相应第二宽度。

第一耦合结构的单个扭簧具有第一扭转刚度，并且第二耦合结构的第一扭簧具有第二扭转刚度，第一扭转刚度与第二扭转刚度之间的比率在0.55至0.65之间。

驱动结构完全定位在第二水平轴线的第二侧，与第二耦合结构在同一侧。

驱动结构包括由相对于第一水平轴线和第二耦合结构对称地布置的第一驱动臂和第二驱动臂形成的耦合到可倾斜元件的单对驱动臂。第一驱动臂和第二驱动臂一体地耦合到固定结构的框架，悬置在腔体上方，并且在其与腔体相对的顶表面上承载相应压电结构。

驱动结构的特征还在于第一位移传递结构和第二位移传递结构，第一位移传递机构和第二位移传递机构相对于第一水平轴线对称地布置并且介于第一驱动臂和第二驱动臂的第二端与第二耦合结构的约束元件的相应端部之间。每个位移传递结构被配置为将第一驱动臂或第二驱动臂的驱动传递到约束元件的相应端部。

第一位移传递结构和第二位移传递结构中的每个包括第一臂和第二臂，第一臂沿着第一水平轴线线性地延伸并且耦合在对应驱动臂的第二端与靠近可倾斜元件的刚性连接元件之间，第二臂平行于第一臂沿着第一水平轴线线性地延伸，并且耦合在靠近可倾斜元件的刚性连接元件与第二耦合结构的约束元件的相应端部之间。

第一耦合结构的单个扭簧的第二端通过第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件连接到框架，第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件平行于第二水平轴线横向于单个扭簧从第二端朝向框架的相应长边延伸。

第一耦合结构的单个扭簧的第二端通过第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件连接到框架，第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件是折叠型的并且具有沿着第一水平轴线的总体延伸，该总体延伸将单个扭簧的第二端连接到框架的第一短边。

该电子设备具有第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件、以及在在第一短边处设置在框架中的凹部内延伸的单个扭簧的一部分。

加强结构耦合在第一可倾斜镜面结构的可倾斜元件下方，作为可倾斜元件的机械加强件。

该设备还包括具有可倾斜元件的第二可倾斜镜面结构，该可倾斜元件以线性或准静态运动围绕旋转轴线旋转。第二可倾斜镜面结构与第一可倾斜镜面结构的可倾斜元件协作以引导入射光束。第二可倾斜镜面结构设置在具有固定结构的第二半导体材料管芯中，该固定结构限定界定容纳可倾斜元件的腔体的框架。框架限定具有凹入图案形状的第二管芯的外侧表面，以形成容纳第一可倾斜镜面结构的第一管芯的至少一部分的凹部。

第二可倾斜镜面结构被布置为使得其水平面相对于第一可倾斜镜面结构的水平面成小于90°的特定角度。

凹部具有盆形，并且由平行于第一水平轴线延伸的基部和相对于基部倾斜或正交的壁部界定。

第二可倾斜镜面结构还包括致动结构，该致动结构耦合到可倾斜元件并且被配置为使其围绕旋转轴线旋转。致动结构的特征在于第一对驱动臂和第二对驱动臂，每对驱动臂由相对于旋转轴线对称布置的第一驱动臂和第二驱动臂形成。每个驱动臂具有一体地耦合到框架的第一端和通过相应去耦弹性元件弹性地耦合到可倾斜元件的第二端。在沿着第一水平轴线的整个延伸过程中，外侧表面相对于驱动臂和可倾斜元件以减小的分离间隙布置在闭合位置。

电子设备是包括用于生成光束的光源的光电子设备。微机电镜面设备充当具有双轴投影的镜面模块，该镜面模块用于接收光束并且将其引导到与光电子设备相距一定距离的外部屏幕或显示表面。

附图说明

为了更好地理解，现在参考附图纯粹通过非限制性示例的方式描述优选实施例，在附图中：

图1示意性地示出了由一对可倾斜镜面结构提供的现有技术的微型投影仪；

图2示意性地示出了具有双轴投影和对应可倾斜镜面结构的可能布置的现有技术的微机电镜面设备；

图3示出了根据本公开的一个方面的具有谐振运动的微机电镜面设备的可倾斜镜面结构的示意性平面图；

图4示出了在对应旋转运动期间图3的可倾斜镜面结构；

图5A和图5B分别以平面图和截面图示意性地示出了根据本公开的另一方面的可倾斜镜面结构；

图6A-图6C示出了根据本公开的一个方面的可倾斜镜面结构的另外的变体的示意性平面图；

图7A和图7B示出了根据本公开的一个方面的具有线性或准静态运动的微机电镜面设备的另一可倾斜镜面结构的相应变体的示意性平面图；

图8A-图8B示意性地示出了根据本公开的一个方面的微机电镜面设备的可倾斜镜面结构的可能的组合布置；

图9和图10示出了根据本公开的一个方面的其中提供有可倾斜镜面结构的半导体材料晶片的布局的示意图；以及

图11是使用本文中公开的微电子反射镜器件的光电子装置(例如，微型投影仪)的示意性框图。

具体实施方式

图3示出了基于MEMS技术的可倾斜镜面结构，总体上用10表示；该可倾斜镜面结构10被设计为提供谐振快速扫描运动(因此，例如，对应于图1的微型投影仪1的上述微机电镜面设备3的第一可倾斜镜面结构3a)。

如以下将详细描述的，根据本公开的一个方面，可倾斜镜面结构10沿着其主延伸轴具有非对称配置，以便获取沿着上述主延伸轴的尺寸减小。

可倾斜镜面结构10形成在半导体材料、特别是硅的管芯11中，并且具有可倾斜元件12，该可倾斜元件12具有(在静止时)在水平面xy中的主延伸，并且被布置为使得其围绕第一轴A谐振地以快速移动进行旋转，第一轴A平行于上述水平面xy的第一水平轴线x(该第一水平轴线x在这种情况下表示可倾斜镜面结构10的上述主延伸轴)。

第一轴A表示可倾斜元件12的中间对称轴，并且通常表示可倾斜镜面结构10的中间对称轴。

与上述第一轴A正交并且在水平面xy中的可倾斜元件12的几何中心O处与上述第一轴A相交的第二轴B表示上述可倾斜元件12中的另一中间对称轴。该第二轴B平行于第二水平轴线y，与第一水平轴线x正交，并且与上述第一水平轴线x一起限定水平面xy。

如前所述，并且如将在面详细描述的，根据本公开的一个方面，可倾斜镜面结构10通常相对于该第二轴B(以及相对于第二水平轴线y)是非对称的，并且沿着第一水平轴线x具有：在上述第二轴B的第一侧的第一延伸尺寸d1；以及在上述轴B的与第一侧相对的第二侧的大于第一延伸尺寸d1的第二延伸尺寸d2(可倾斜镜面结构10沿着上述第一水平轴线x的总延伸由d表示，其中d＝d1+d2)。

纯粹作为示例，上述第一延伸尺寸d1可以等于3.5mm，上述第二延伸尺寸d2可以等于4.5mm(总延伸d等于8mm)；通常，第一延伸尺寸d1在该示例中可以在3mm至4.5mm之间(下限与弹性元件可承受的机械应力极限有关)。

上述可倾斜元件12悬置在腔体13上方，腔体13设置在管芯11中并且限定支撑元件，支撑元件承载反射区域12'(例如，由铝或金制成，取决于投影是在可见光区域还是在红外区域)，以限定反射镜元件。

可倾斜元件12弹性地耦合到固定结构14，固定结构14形成在上述管芯11中，并且在水平面xy上限定框架14'；该框架14'在上述水平面xy中具有大致矩形形状，并且界定和包围上述腔体13。

特别地，可倾斜元件12通过第一耦合结构15a和第二耦合结构15b弹性地耦合到框架14'，第一耦合结构15a和第二耦合结构15b沿着第一水平轴线x纵向延伸，悬置在腔体13上方，在框架14'与可倾斜元件12之间，在上述可倾斜元件12的关于第二轴B的相对侧。

详细地说，布置在第二轴B的上述第一侧的第一耦合结构15a在这种情况下由单个扭簧16a形成，该扭簧16b具有耦合到可倾斜元件12的第一端和耦合到框架14'(特别是对应第一短边)的第二端。在所示实施例中，该扭簧16a具有沿着第一水平轴线x延伸的线性梁形状。

相反，第二耦合结构15b包括第一扭簧16b'和第二扭簧16a”、以及介于上述第一扭簧16b'和第二扭簧16b”之间的约束元件18，第一扭簧16b'和第二扭簧16a”具有沿着第一水平轴线x延伸的线性梁形状。

详细地说，第一扭簧16b'具有耦合到可倾斜元件12的第一端和耦合到约束元件18的第二端。第二扭簧16b”具有耦合到约束元件18的第一端(沿着第一水平轴线x在相对于第一扭簧16b'的相对侧)和耦合到框架14'的第二端(特别是耦合到与上述第一短边相对的对应第二短边)；第二扭簧16b”沿着第一水平轴线x的长度比第一扭簧16b'的对应长度小，特别是小得多。

通常，上述扭簧16a、16b'、16b”具有较高刚度以沿着水平面xy的第一水平轴线x和第二水平轴线y弯曲，并且屈服于围绕轴A的扭转，从而允许可倾斜元件12旋转。

上述约束元件18是刚性的并且在该示例中在水平面xy中具有大致矩形形状，该大致矩形形状的宽度(在平行于第二水平轴线y的方向上)相对于扭簧16b'、16b”大得多，并且该大致矩形形状的长度(在平行于第一水平轴线x的方向上)在该示例中与第二扭簧16b”的长度相当。上述约束元件18横穿第一轴A，具有沿着第二水平轴线y布置在上述第一轴A的相对侧的第一端部和第二端部。

可倾斜镜面结构10还包括驱动结构20，驱动结构20耦合到可倾斜元件12并且被配置为使其围绕第一轴A旋转；该驱动结构20整体布置在第二轴B的上述第二侧，即与第二耦合结构15b在同一侧。

根据本公开的一个方面，可倾斜镜面结构10不包括布置在第二轴B的上述第一侧的驱动结构，该驱动结构与第一耦合结构15a在同一侧。

详细地说，上述驱动结构20包括由第一驱动臂22a和第二驱动臂22b形成的单对驱动臂，第一驱动臂22a和第二驱动臂22b布置在第一轴A和第二耦合结构15b的相对侧并且相对于第一轴A和第二耦合结构15b对称，并且具有平行于第一水平轴线x的纵向延伸。

在图1所示的实施例中，驱动臂22a、22b具有大致矩形形状，该大致矩形形状的第一端整体耦合到固定结构14的框架14'，驱动臂22a、22b悬置在腔体13上方，并且在相应顶表面(与上述腔体13相对)承载相应压电结构23(特别地包括锆酸铅-钛酸铅PZT)，例如在水平面xy上相对于对应驱动臂22a、22b具有大致相同的延伸。

该压电结构23(以未详细示出的方式)通过叠加底部电极区域而形成，该底部电极区域由合适的导电材料制成，布置在对应驱动臂22a、22b上方；布置在上述底部电极区域上的压电材料区域(例如，由PZT薄膜形成)；以及布置在压电材料区域上的顶部电极区域。

上述驱动结构20还包括第一位移传递结构25a和第二位移传递结构25b，第一位移传递结构25a和第二位移传递结构25b相对于第一轴A彼此对称布置，并且分别介于第一驱动臂22a和第二驱动臂22b的第二端与第二耦合结构15b的约束元件18的相应端部之间。

第一位移传递结构25a和第二位移传递结构25b中的每个包括第一臂26，该第一臂26具有沿着第一水平轴线x的线性延伸并且耦合在对应驱动臂22a、22b的第二端与刚性连接元件27之间，该刚性连接元件27布置在可倾斜元件12附近；以及第二臂28，该第二臂28也具有沿着第一水平轴线x的线性延伸，第二臂28平行于第一臂26，并且耦合在靠近可倾斜元件12的上述刚性连接元件27与耦合结构15b的约束元件18的第一端部或第二端部之间。因此，该第二臂28介于第二耦合结构15b的第一扭簧16b'与上述第一臂26之间。

可倾斜镜面结构10还包括压阻(PZR)传感器30，该PZR传感器30被适当地布置为使得其提供与可倾斜元件12围绕第一轴A的旋转相关联的感测信号；该感测信号可以在微机电镜面设备1外部提供，以实现用于驱动上述可倾斜元件12的反馈控制。

在图3所示的实施例中，该压阻传感器30(例如，通过掺杂原子的表面扩散)在上述框架14'与第二耦合结构15b的第二扭簧16b”的耦合区域处设置在框架14'中。该压阻传感器30被布置为使得其感测与上述第二扭簧16b”的扭转相关联的应力，并且因此提供与可倾斜元件12的旋转运动相关的指示。

可倾斜镜面结构10还包括多个电接触焊盘32，这些电接触焊盘32由固定结构14在框架14'处承载，通过相应电连接轨道电连接(在上述图3中未详细示出)到驱动臂22a、22b的压电结构23，以允许通过来自微机电镜面设备1外部的电信号对其进行电偏置(例如，由其中集成有可倾斜镜面结构10的电子装置的偏置器件提供)。上述电接触焊盘32也连接到压阻传感器30，以输出上述感测信号。

在可倾斜镜面结构10的操作期间，如图4示意性地所示，向第一驱动臂22a的压电结构23施加偏置电压(相对于第二驱动臂22b的压电机构23的偏置具有正值，例如，其可以连接到地参考电势)可以引起围绕第一轴A的正角度旋转。

相应地，向第二驱动臂22b的压电结构23施加偏置电压(相对于第一驱动臂22a的压电机构23的偏置具有正值，其例如在这种情况下可以连接到地参考电势)可以引起围绕上述第一轴A的对应负角度旋转。

特别地，第一驱动臂22a沿着正交轴z在第一方向上(例如，向下，如前述图4所示)的驱动通过第一位移传递结构25a传递到约束元件18的第一端部；类似地，第二驱动臂22a在上述正交轴z的第二方向(例如，向下)上的驱动通过第二位移传递结构25b传递到约束元件18的第二端部，从而引起第一扭簧16b'的扭转和可倾斜元件12的随后旋转。

更详细地说，根据本公开的一个方面，第一耦合结构15a的扭簧16a具有沿着第二水平轴线y的第一宽度t1，该第一宽度t1小于第二耦合结构15b的第一扭簧16b'的对应第二宽度t2。

特别地，扭簧16a的扭转刚度k1甚至比第一扭簧16b'的对应扭转刚度k2低40％；在图3所示的实施例中，这种不同的扭转刚度主要是由于不同的宽度，因为上述扭簧的长度基本相同(以保持相似的应力分布)。

通常，上述扭转刚度之间的比率(k1/k2)优选地在0.55至0.65之间；换言之，单个扭簧16a的扭转刚度k1在第一扭簧16b'的扭转刚度k2的55％至65％之间。

图5A和图5B示意性地示出了可倾斜镜面结构10的不同实施例，其设想了在可倾斜元件12下方耦合的加强结构33的存在，该加强结构33用作上述可倾斜元件12的机械加强件(并且还用于确保其在静止状态下在水平面xy中的平坦性)；该加强结构33可以具有例如环形，并且布置在可倾斜元件12的外围(加强结构33基本上形成在管芯11的背面上)。

特别地，在图5B所示的实施例中，管芯11为SOI(绝缘体上硅)型，其中可倾斜元件12、第一耦合结构15a和第二耦合结构15b设置在管芯11的有源层34a中，上述加强结构33设置在上述管芯11的支撑层34b中。在这种情况下，上述框架14'设置在管芯11的有源层34a和支撑层34b中，也设置在对应绝缘层34c中，该绝缘层34c介于上述有源层34a和支撑层34b之间。

例如通过接合而耦合的支撑晶片37也存在于管芯11下方。

在该实施例中，由于上述加强结构33的存在，可以进一步减小可倾斜镜面结构10的尺寸，特别是减小第一耦合结构15a和对应扭簧16a的长度(即，第一延伸尺寸d1)，同时保持相同操作频率。

在所示示例中，可倾斜镜面结构10的上述第一延伸尺寸d1例如等于2.5mm，上述第二延伸尺寸d2等于4mm(总延伸d等于6.5mm)，具有与参考图3描述的结构相同的光学性能(特别是相同的打开角)。

在该实施例中，框架14'也可以以另一非对称方式设置，具有沿着第一水平轴线x具有不同宽度的上述第一短边和第二短边(即，沿着第二水平轴线y被引导的在上述第二轴B的相对侧的部分)。特别地，耦合到第一耦合结构15a的侧部(前述第一短边)在这种情况下的宽度w1小于耦合到第二耦合结构15b的侧部(前述第二短边)的宽度w2。

参考图6A-图6C，现在示出了可倾斜镜面结构10的另外的变体实施例，旨在减小上述可倾斜镜面结构的尺寸和对应面积占用。

特别地，在图6A所示的实施例中，第一耦合结构15a的单个扭簧16a的第二端没有直接耦合到框架14'。相反地，该第二端通过第一耦合弹性元件40a和第二耦合弹性元件40b耦合到上述框架14'，该弹性元件是线性的，其平行于第二水平轴线y横向于上述扭簧16a，从上述第二端朝向框架14'的相应长边延伸(应当注意，在这种情况下，上述扭簧16a因此没有耦合到上述框架14'第一短边)。

有利地，该变体实施例允许减小第一耦合结构15a的扭簧16a的长度。

在图6B所示的变体实施例中，上述第一耦合弹性元件40a和第二耦合弹性元件40b是折叠型的，并且具有沿着第一水平轴线x的总体延伸，将第一耦合结构15a的扭簧16a的上述第二端再次耦合到框架14'的第一短边。

由于上述第一耦合弹性元件40a和第二耦合弹性元件40b的折叠型配置，可以在第二轴B的第一侧获取可倾斜镜面结构10的第一延伸尺寸d1的甚至更大的减小；通常，管芯的空间占用被优化。

在图6C的变体实施例中，上述第一耦合弹性元件40a和第二耦合弹性元件40b同样具有折叠型配置，此外，第一耦合结构15a的大部分扭簧16a在在对应第一短边处设置在框架14'中的凹槽45内延伸。以这种方式，可以在第二轴B的第一侧获取可倾斜镜面结构10的第一延伸尺寸d1的甚至更大的减小。

如前所述，可倾斜镜面结构10可以用作微机电镜面设备3(例如，定义了具有微型投影仪的双轴投影的镜面模块)中的第一可倾斜镜面结构3a(参见前述图1和图2)，该第一可倾斜镜面结构3a被谐振驱动以生成快速扫描，该微机电镜面设备3还包括第二可倾斜镜面结构3b，第二可倾斜镜面结构3b被控制以便以线性或准静态运动围绕相应旋转轴线旋转以生成慢速扫描。

如详细讨论的，对于第一可倾斜镜面结构3a而获取的尺寸减小有助于减小微机电镜面设备3的总体体积占用。

然而，已经认识到，为了这种体积减小的目的，建议也优化第二可倾斜镜面结构3b的尺寸，并且还提供上述第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b的优化的接合布置。

因此，本公开的另一方面提供了具有双轴投影的微机电镜面设备3，该微机电镜面设备3包括先前描述的可倾斜镜面结构10(用作第一可倾斜镜面结构3a)，以优化相关联的第二可倾斜镜面结构3b的尺寸和布置。

如下面将详细讨论的，本公开的这一方面设想了一种适当的管芯图案化，其中形成有第二可倾斜镜面结构3b，其目的不仅在于减小尺寸，而且在于促进与第一可倾斜镜面结构3a的相互定位。

现在参考图7A，描述了可倾斜镜面结构50的实施例，其可以用作微机电镜面设备3中的上述第二可倾斜镜面结构3b。

通常，该可倾斜镜面结构50例如如美国专利公开第2020/0192199号(对应于欧洲专利申请EP366672A1)中详细描述的那样提供，该专利公开通过引用并入本文。

可倾斜镜面结构50具有相对于相应水平面x'y'的第一水平轴线x'和第二水平轴线y'完全对称的形状，并且在相应半导体材料、特别是硅管芯51中制成。

可倾斜镜面结构50设置有相应可倾斜元件52，该可倾斜元件52被布置为使得其围绕相应旋转轴线A'(平行于第一水平轴线x')旋转(以准静态运动)，并且承载反射表面52'。在所示示例中，可倾斜元件52在水平面x'y'中具有矩形形状，该矩形形状沿着相应旋转轴线A'伸长。

特别地，管芯51包括限定框架54'的固定结构54，框架54'界定并且围绕腔体53，可倾斜元件52容纳在腔体53中；与框架54'成一体的第一支撑(或锚定)元件55a和第二支撑(或锚定)元件55b在相对于可倾斜元件52的相对侧在腔体53内沿着上述相应旋转轴线A'从上述框架54'延伸。

可倾斜元件52通过第一悬置弹性元件56a和第二悬置弹性元件56b弹性地耦合到第一支撑元件55a和第二支撑元件55b，第一悬置弹性元件56a和第二悬置弹性元件56b对于水平面外的运动具有高刚度，并且对于围绕相应旋转轴线A'的扭转具有屈服。这些第一悬置弹性元件56a和第二悬置弹性元件56b也沿着相应旋转轴线A'延伸，作为第一支撑元件55a和第二支撑元件55b的延伸。

可倾斜镜面结构50还包括致动结构60，该致动结构60耦合到可倾斜元件52并且被配置为使其围绕相应旋转轴线A'旋转；致动结构60介于可倾斜元件52与固定结构54之间，并且有助于将可倾斜元件50支撑在腔体53上方。

该致动结构60包括第一对驱动臂和第二对驱动臂，每对驱动臂由第一驱动臂62a和第二驱动臂62b形成，第一驱动臂62a和第二驱动臂62b布置在相应旋转轴线A'以及第一支撑元件55a和第二支撑元件55b中的相应一个的相对侧并且相对于其是对称的。

每个驱动臂62a、62b悬置在腔体53上方并且承载相应压电结构63(尤其包括PZT)；在线性类型的示例中，每个驱动臂62a、62b具有一体地耦合到框架54'的第一端和通过相应去耦弹性元件64a、64b弹性地耦合到可倾斜元件52的第二端(相对于水平面外的运动具有高刚度并且相对于扭转具有屈服)。

根据本公开的一个特定方面，限定上述管芯51的外侧表面51'的管芯51的框架54'在其平行于相应旋转轴线A'的纵向延伸处具有适当的图案化形状。换言之，上述框架54'在水平面x'y'中不具有矩形或正方形轮廓。

特别地，该外侧表面51'以凹入的方式被图案化，使得其在可倾斜元件52相对于第一水平轴线x'的两侧上限定相应凹部66。

在前述图7A所示的实施例中，每个凹部66具有盆形，并且由以下各项界定：基部66a，其沿着第一水平轴线x'延伸，在可倾斜元件52外部；以及相对于基部66a倾斜(呈“V”形)的壁部66b。

在图7B所示的不同实施例中，上述凹部66在水平面x'y'上具有“U”形，基部66a沿着第一水平轴线x'延伸，在这种情况下，壁部66b沿着第二水平轴线y'正交延伸。

在这两个实施例中，外侧表面51'相对于驱动臂62a、62b和可倾斜元件52通过沿着第一水平轴线x'的整个延伸以较小或最小分离间隙设置在非常接近的位置，以便优化在水平面x'y'中的面积占用。

换言之，可倾斜镜面结构50由此使非有源区域(即，在上述结构中不具有特定功能的空的空间)的延伸最小化。

应当注意，在图7B所示的实施例中，上述驱动臂62a、62b沿着第二水平轴线y'(而不是沿着第一水平轴线x')延伸，以使可倾斜镜面结构50在水平面x'y'中具有整体的“H”形状。

如图8A(相对于图7A的实施例)和图8B(相对于图7B的实施例)中示意性地所示，根据本公开的特定方面，微机电镜面设备3的组装提供了第一可倾斜镜面结构3a(即，上述可倾斜镜面结构10)至少部分容纳在可倾斜镜面结构50的凹部66中(如前所述，其提供了第二可倾斜镜面结构3b)，以便优化总体积占用并且还获取相同的第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b之间的非常紧密的布置。

特别地，第二可倾斜镜面结构3b被布置为使得相应水平面x'y'相对于第一可倾斜镜面结构3a的水平面xy成特定角度(小于90°)。

以这种方式，可以获取非常紧凑的最终组件，并且还可以减小对于相同的第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b具有相同的光学要求(例如，在打开角方面)的第一可倾斜镜面结构3a和第二可倾斜镜面结构3b的尺寸。

从制造的角度来看，在对对应外侧表面51'进行图案化的情况下，可倾斜镜面结构50的管芯51的制造需要在半导体材料的晶片上限定不平行的划线。为此，可以使用隐形划片技术和/或在划片之前在管芯51之间提供“伪”结构(非功能性)。

例如，图9示出了半导体材料、特别是硅晶片70的一部分，其中提供了多个管芯51，每个管芯集成了对应可倾斜镜面结构50(根据前面参考图7A讨论的实施例)。除了由LT表示的划线是不平行的之外，虚设管芯被突出显示，由72表示，在这种情况下，虚设管芯沿着第二水平轴线y'介于管芯51之间。

为了优化制造成本，可以提供晶片70中的管芯51的替代布置，其不需要存在上述虚设管芯72。

例如，图10示出了相应半导体材料、特别是硅晶片70，其中提供了多个管芯51，每个管芯集成了对应可倾斜镜面结构50(这次是根据前面参考图7B讨论的实施例)。除了由LT指示的非平行划线之外，在这种情况下，在给定管芯51的连续和相邻布置的情况下，突出显示了上述虚设管芯72的不存在。

如图11所示，微机电镜面设备3可以有利地用于光电子设备，例如微型投影仪80，例如在功能上耦合到便携式电子装置81(诸如智能手机或增强现实或虚拟现实眼镜或头戴式耳机)。

具体地，光电子设备80包括用于生成光束83的光源82，例如激光类型的光源；微机电镜面设备3，其用作具有双轴投影的镜面模块并且用于接收光束83并且将光束83引导向屏幕或显示表面85(在外部并且放置在与上述光电子设备80相距一定距离处)；第一驱动电路86，用于向光源82提供合适的控制信号，以根据待投影的图像生成光束83；第二驱动电路88，用于向微电子反射镜器件3的致动结构提供合适的控制信号；以及接口89，用于从控制单元90接收用于控制第一驱动电路86的第一控制信号和用于控制第二驱动电路88的第二控制信号，在这种情况下，控制单元90是外部的，例如被包括在便携式电子装置81中。

控制单元90还通过接口89接收由微机电镜面设备3提供的反馈信号，以对上述可倾斜结构2的驱动进行反馈控制。

这些优点从前面的描述中很清楚。

在任何情况下，再次强调的是，所描述的可倾斜镜面结构10(3a)的非对称实施例允许获取相同的可倾斜镜面结构10的减小的面积占用，特别是第二轴B的第一侧的上述第一延伸尺寸d1的减小。

因此，如参考现有技术所述，由于具有双轴投影的微机电镜面设备3的可倾斜镜面结构3a、3b之间的紧密布置，该实施例允许避免光投影的剪裁。

此外，可倾斜镜面结构50(3b)的管芯51的成形以及具有所得到的微机电镜面设备3的优化的体积占用的所得到的组件(由于可倾斜镜面结构3a、3b的紧密布置)也是有利的。

通常，本公开允许利用压电致动(即，使用具有降低的能量消耗的降低的偏置电压来获取高位移)和反射镜致动压阻感测的优点，同时相对于已知的解决方案具有改进的机械和电气性能。

最后，很明显，在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对已经描述和说明的内容进行修改和变化。

例如，要强调的是，所描述的可倾斜镜面结构10的非对称实施例还可以发现对于相同的可倾斜镜面结构10的不同配置的有利应用，例如在具有准静态运动的结构的情况下，因此旨在在对应投影屏幕上提供慢速扫描，例如锯齿扫描。例如，在所需要的打开角不高并且减少微机电镜面设备的总体空间占用是重要的情况下，这可以是有利的。

Claims (21)

1.一种包括微机电镜面设备的电子设备，所述微机电镜面设备包括设置在第一半导体材料管芯中的第一可倾斜镜面结构，所述第一可倾斜镜面结构在由第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平面中具有主延伸，其中所述第一可倾斜镜面结构包括：

固定结构，所述固定结构限定框架，所述框架界定腔体；

可倾斜元件，所述可倾斜元件承载反射区域，弹性地悬置在所述腔体上方，并且具有分别平行于所述第一水平轴线和所述第二水平轴线的第一中间对称轴线和第二中间对称轴线，所述可倾斜元件通过位于所述第二水平轴线的相对侧的第一耦合结构和第二耦合结构被弹性地耦合到所述框架；以及

驱动结构，所述驱动结构被耦合到所述可倾斜元件，并且被配置为使所述可倾斜元件以谐振运动围绕所述第一水平轴线旋转；

其中所述第一可倾斜镜面结构相对于所述第二水平轴线是非对称的，并且沿着所述第一水平轴线具有：

第一延伸尺寸，所述第一延伸尺寸在所述第二水平轴线的第一侧；和

第二延伸尺寸，所述第二延伸尺寸大于所述第一延伸尺寸，所述第二延伸尺寸在所述第二水平轴线的第二侧，并且与所述第一侧相对。

2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一耦合结构被布置在所述第二水平轴线的所述第一侧，并且包括单个扭簧，所述单个扭簧具有耦合到所述可倾斜元件的第一端和耦合到所述框架的第二端并且具有沿着所述第一水平轴线的线性延伸；并且其中所述第二耦合结构包括：第一扭簧和第二扭簧，具有沿着所述第一水平轴线的延伸；以及插入所述第一扭簧与所述第二扭簧之间的约束元件；所述第一扭簧具有耦合到所述可倾斜元件的第一端和耦合到所述约束元件的第二端，并且所述第二扭簧具有：沿着所述第一水平轴线在相对于所述第一扭簧的相对侧耦合到所述约束元件的第一端，以及耦合到所述框架的第二端。

3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一耦合结构的所述单个扭簧具有沿着所述第二水平轴线的第一宽度，所述第一宽度小于所述第二耦合结构的所述第一扭簧的对应第二宽度。

4.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一耦合结构的所述单个扭簧具有第一扭转刚度，并且所述第二耦合结构的所述第一扭簧具有第二扭转刚度；并且其中所述第一扭转刚度与所述第二扭转刚度之间的比率在0.55至0.65之间。

5.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述驱动结构被完全布置在所述第二水平轴线的所述第二侧，与所述第二耦合结构在同一侧。

6.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述驱动结构包括由第一驱动臂和第二驱动臂形成的耦合到所述可倾斜元件的单对驱动臂，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被布置在所述第一水平轴线和所述第二耦合结构的相对侧并且相对于所述第一水平轴线和所述第二耦合结构对称布置；其中所述第一驱动臂和所述第二驱动臂中的每个驱动臂具有一体地耦合到所述固定结构的所述框架的第一端，所述第一驱动臂和所述第二驱动臂被悬置在所述腔体上方，并且在与所述腔体相对的相应顶表面处承载相应压电结构。

7.根据权利要求6所述的电子设备，其中所述驱动结构还包括第一位移传递结构和第二位移传递结构，所述第一位移传递结构和所述第二位移传递结构相对于所述第一水平轴线彼此对称布置并且被插入在所述第一驱动臂和所述第二驱动臂的第二端与所述第二耦合结构的所述约束元件的相应端部之间；每个位移传递结构被配置为将所述第一驱动臂或所述第二驱动臂的驱动传递到所述约束元件的相应端部。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述第一位移传递结构和所述第二位移传递结构中的每个位移传递结构包括：

第一臂，所述第一臂具有沿着所述第一水平轴线的线性延伸，并且被耦合在对应驱动臂的所述第二端与刚性连接元件之间，所述刚性连接元件被布置在所述可倾斜元件附近；和

第二臂，所述第二臂具有沿着所述第一水平轴线的线性延伸，所述线性延伸平行于所述第一臂并且耦合在在所述可倾斜元件附近的所述刚性连接元件与所述第二耦合结构的所述约束元件的相应端部之间。

9.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一耦合结构的所述单个扭簧的所述第二端通过线性类型的第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件被耦合到所述框架，所述第一耦合弹性元件和所述第二耦合弹性元件具有从所述第二端朝向所述框架的相应长边的横向于所述单个扭簧的平行于所述第二水平轴线的延伸。

10.根据权利要求2所述的电子设备，

其中所述第一耦合结构的所述单个扭簧的所述第二端通过第一耦合弹性元件和第二耦合弹性元件被耦合到所述框架；并且

其中所述第一耦合弹性元件和所述第二耦合弹性元件是折叠型，并且具有沿着所述第一水平轴线的总体延伸，所述总体延伸将所述单个扭簧的所述第二端耦合到所述框架的第一短边。

11.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一耦合弹性元件和所述第二耦合弹性元件、以及所述单个扭簧的一部分在设置在所述框架中所述第一短边处的凹部内延伸。

12.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一可倾斜镜面结构还包括加强结构，所述加强结构耦合在所述可倾斜元件下方，作为所述可倾斜元件的机械加强件。

13.根据权利要求1所述的电子设备，还包括第二可倾斜镜面结构，所述第二可倾斜镜面结构设置有可倾斜元件，所述可倾斜元件被配置为以线性或准静态运动围绕旋转轴线旋转并且被布置为与所述第一可倾斜镜面结构的所述可倾斜元件协作以引导入射光束；

其中所述第二可倾斜镜面结构被设置在第二半导体材料管芯中，所述第二可倾斜镜面结构在由第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平面中具有主延伸并且具有限定框架的固定结构，所述框架界定腔体，所述可倾斜元件被布置在所述腔体中；所述框架限定具有凹入图案形状的所述第二管芯的外侧表面，以限定至少部分容纳所述第一可倾斜镜面结构的所述第一管芯的凹部。

14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第二可倾斜镜面结构被布置为使得所述水平面相对于所述第一可倾斜镜面结构的所述水平面以小于90°的特定角度布置。

15.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述凹部具有盆形，并且由平行于所述第一水平轴线延伸的基部和相对于所述基部倾斜或正交的壁部界定。

16.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第二可倾斜镜面结构还包括致动结构，所述致动结构被耦合到所述可倾斜元件并且被配置为使所述可倾斜元件围绕所述旋转轴线旋转；所述致动结构包括第一对驱动臂和第二对驱动臂，每对驱动臂由第一驱动臂和第二驱动臂形成，所述第一对驱动臂和所述第二对驱动臂布置在所述旋转轴线的相对侧并且相对于所述旋转轴线对称布置，每个驱动臂具有一体地耦合到所述框架的第一端和通过相应去耦弹性元件弹性地耦合到所述可倾斜元件的第二端；其中在沿着所述第一水平轴线的整个延伸过程中，所述外侧表面相对于所述驱动臂和所述可倾斜元件以减小的分离间隙布置在闭合位置。

17.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电子设备是光电子设备，所述光电子设备包括用于生成光束的光源，其中所述微机电镜面设备充当具有双轴投影的镜面模块，所述镜面模块用于接收所述光束并且将所述光束引导向与所述光电子设备相距一定距离的外部屏幕或显示表面。

18.一种电子设备，包括在第一半导体材料管芯中具有第一可倾斜镜面结构的微机电镜面设备，所述第一可倾斜镜面结构在由第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平面中延伸，其中所述第一可倾斜镜面结构包括：

封闭腔体的固定框架；

可倾斜反射元件，具有平行于所述第一水平轴线和所述第二水平轴线的第一中间对称轴线和第二中间对称轴线，所述可倾斜反射元件通过位于所述第二水平轴线的相对侧的第一耦合机构和第二耦合机构弹性地连接到所述框架；以及

驱动机构，链接到所述可倾斜反射元件以使用谐振运动引起围绕所述第一水平轴线的旋转；

其中所述第一可倾斜镜面结构关于所述第二水平轴线是非对称的，并且沿着所述第一水平轴线具有变化的延伸尺寸；

其中定位在所述第二水平轴线的第一侧的所述第一耦合机构包括连接到所述可倾斜反射元件和所述框架的单个扭簧，所述单个扭簧沿着所述第一水平轴线线性地延伸；

其中所述第二耦合机构包括沿着所述第一水平轴线延伸的第一扭簧和第二扭簧、以及在所述第一扭簧与所述第二扭簧之间的约束组件，其中所述第一扭簧和所述第二扭簧连接到所述可倾斜反射元件、所述约束组件和所述框架。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述第一耦合机构的所述单个扭簧具有沿着所述第二水平轴线的第一宽度，所述第一宽度小于所述第二耦合机构的所述第一扭簧的对应第二宽度。

20.根据权利要求18所述的电子设备，其中

所述第一耦合机构的所述单个扭簧具有第一扭转刚度，并且所述第二耦合机构的所述第一扭簧具有第二扭转刚度；

所述第一扭转刚度与所述第二扭转刚度之间的比率在0.55至0.65之间。

21.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述驱动机构被完全定位在所述第二水平轴线的第二侧，与所述第二耦合机构在同一侧。