CN1738349A - 扫描设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种扫描设备，包括形成在基片上，使得以一个轴为中心可旋转，以便调整反射光的方向的反射器单元；形成在反射器单元的一个表面上，用于防止反射器单元的动扰度，并且支撑反射器单元的支撑框架；和提供在基片上，并且驱动反射器单元的驱动单元。因此，当反射器单元以旋转轴为中心旋转的时候，不会出现动扰度现象。因此，可以稳定运行，并且反射器单元的旋转角可以被准确地调整，使得该扫描设备可以有效地在高速精密扫描系统中使用。

Description

扫描设备及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够使用光来读取诸如图像这样的信息的扫描设备及其制造方法，并且更为具体的说，涉及一种扫描设备及其制造方法，该扫描设备具有构造去改善结构稳定性和光学性能的微反射器。

背景技术

近来，已经开发了使用光作为介质用于传送形形色色信息的各种各样的信息传输技术。用于扫描信息的技术在使用光的信息传输技术的领域中是一种重要的技术，想要的扫描信息是通过将来自光源的光束注入其中记录信息的介质中来读取的。

光束扫描技术被应用于各种各样的设备，例如，条形码扫描器、通过使用激光扫描方法具有高分辨率的出色的彩色再现性能的投影显示系统、HMD(头戴式显示器)系统和激光打印机。

在上述的光束扫描技术中，按照应用该技术的应用例子，不同的扫描速度和扫描范围是性能的重要因素。具体地说，在要求高空间分辨率的系统中，需要一种能够增加产生的入射光束的角位移和实现高扫描速度的扫描反射器设备。

作为一个现有的扫描反射器设备的例子，存在一种具有多边形形状反射器的多边形反射器设备，该反射器被可旋转地安装在以枢轴为中心旋转的电动机上，并且能够实现高达几千赫(kHz)的高扫描速度。在该多边形反射器设备中，来自光源的输入光穿过包括多个透镜的光学系统，并且由该多边形反射器在多边形反射器以枢轴为中心旋转的方向上反射。

但是，在使用现有的多边形反射器的扫描设备的情况下，因为电动机的旋转速度的限制，取决于电动机的旋转速度，该多边形反射器的角速度也受到限制。因此，很难提高扫描速度。此外，安装在该电动机上的扫描反射器的结构增加了整个系统的体积，使得难以降低用于电动机操作的功率，产生具有来自电动机旋转的机械摩擦噪音的问题，并且由于其复杂的结构，增加了生产成本。

因此，近来已经开发了具有微米结构的扫描设备，其整个的系统是很小的，并且其是使用能够实现高达数十千赫(kHz)的扫描速度的MEMS技术，或者使用现有的微机械加工技术来制造的。在该扫描设备中，反射光的路径是按照以形成在该微米结构两侧上的抗扭梁(torsion beam)为中心从一侧到另一侧的预定的角度的旋转来变化的。

但是，在使用微米结构的扫描设备的情况下，由于与其面积相比微米的结构是非常薄的，当该微米结构以数十千赫(kHz)的高速工作的时候，该微米结构颤动，也就是说，出现动扰度(dynamic deflection)现象。因此，该微米结构的反射面的形状是扭曲的，并且使反射光线的特性恶化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种通过改善微反射器的结构稳定性，能够防止微反射器颤动的动扰度，并能够实现宽的扫描角度和高的扫描速率的扫描设备。

此外，本发明的另一目的是提供一种具有结构稳定性的微反射器结构的扫描设备的制造方法，并且所述扫描设备通过使用半导体成批处理和微机械加工技术有助于更轻更小的光扫描设备。

为了实现这些和其他的优点，以及按照本发明的目的，如在此处具体地和广泛地描述的，提供了一种扫描设备，其包括：形成在基片上，使得以一个轴为中心可旋转以调整反射光的方向的反射器单元；形成在该反射器单元的一个表面上的支撑框架，其用于防止反射器单元的动扰度，并且支撑该反射器单元；和提供在基片上，并且驱动该反射器单元的驱动单元。

为了实现这些和其他的优点，以及按照本发明的目的，如在此处实施和广泛地描述的，提供了一种扫描设备的制造方法，该扫描设备包括在基片上形成、使得围绕一个轴可旋转的反射器单元，以及用于驱动该反射器单元的驱动单元，该制造方法包括：通过蚀刻处理，在反射器单元的一个表面形成支撑框架图形，以便防止反射器单元的动扰度。

从下面结合附图的详细说明中，本发明的上述和其他的目的、特点、方式以及优点将变得更加清晰可见。

附图说明

该附图被包括以提供对本发明进一步的理解，并且被结合进和构成本说明书的一部分，其举例说明本发明的实施例，并且与该说明书一起可以起解释本发明原理的作用。

在附图中：

图1是按照本发明实施例的扫描设备的透视图；

图2是举例说明图1的扫描设备的下表面的透视图；

图3是图1的扫描设备的分解透视图；

图4是图1的扫描设备的正视图；

图5是沿着图4的V-V线截取的剖视图；

图6和7是举例说明按照本发明实施例的扫描设备的微反射器的工作的纵向剖视图；

图8至11是举例说明按照本发明的微反射器的支撑框架的各种各样例子的透视图；和

图12至18是举例说明制造如图1所示的按照本发明一个实施例的扫描设备的顺序处理过程的图。

具体实施方式

在下文中将参考在附图中举例说明的一个实施例详细地描述本发明的扫描设备。

图1至5举例说明按照本发明一个实施例的扫描设备。

如在其中举例说明的，按照本发明一个实施例的扫描设备包括：形成在基片上，使得其以一个轴为中心可旋转，以调整反射光的方向的反射器单元110；形成在反射器单元110的一个表面上的支撑框架111，其使得防止反射器单元110的动扰度，并且支撑反射器单元110；和提供在该基片上，并且驱动反射器单元110的驱动单元。在这里，由于该反射器单元110是以微米为单位的精密结构，在下文中该反射器单元110将被称为微反射器单元。

下面将更详细地描述按照本发明一个实施例的扫描设备的结构。

该基片是通过纵向地相互层压和粘结上基片100和下基片200构成的。该上基片100具有穿透形成的第一中心空白部分101，使得该微反射器单元100可旋转地安装在其内部中心上。一对弹性旋转支撑元件140被形成在微反射器单元110的两端上，从而相对于上基片100支撑微反射器单元110。

由于该微反射器单元110的两个端部通过一对弹性旋转支撑元件140被连接到上基片100，该微反射器单元110可以以该弹性旋转支撑元件140作为旋转轴而上下旋转一定角度。

在这里，作为用于将微反射器单元110连接到上基片100的弹性旋转支撑元件140，除了在该图中举例说明的抗扭梁之外，可以适用悬臂或者各种各样使其变形的弹性结构。在下文中，将通过使用如图中所示实施例中将抗扭梁作为弹性旋转支撑元件140的情况来进行描述。

下基片200包括两个电极固定单元230，其是相互电分离的。此外，对应于上基片100的第一中心空白部分101，在下基片200的中心上穿透地形成第二中心空白部分201，经由该第二中心空白部分201光入射到微反射器单元110的反射面115上，并且从其反射的反射光可以穿过第二中心空白部分201。

该驱动单元包括提供在上基片100上的可活动的梳电极120，和提供在下基片200上的固定的梳电极220，并且梳电极220通过静电力与可活动的梳电极120相互作用。第一侧空白部分102被沿着抗扭梁140的轴线方向穿透地形成在上基片100的两个内侧上，以便与第一中心空白部分101互通。该可活动的电极120从微反射器单元110的两侧延伸，以便被安排在抗扭梁140的左侧和右侧上。此外，该可活动的梳电极120可以在第一侧空白部分102利用抗扭梁140作为轴，而以某个角度与微反射器单元110一起旋转。

与第二中心空白部分201互通的第二侧空白部分202被穿透地形成在下基片200的两个内侧上，以便对应于第一侧空白部分102。固定的梳电极220被形成在第二侧空白部分202的内侧表面上，使得固定的梳电极220和可活动的梳电极120在抗扭梁140的轴线方向相互交替。也就是说，由于固定的梳电极220被分别地形成在二个电极固定单元230上，它们相互电分离。此外，该可活动的梳电极120和固定的梳电极220像在图中那样相互隔开预定的距离，或者可以局部地相互重叠。

此外，当前的实施例示出一种结构，即，可活动的梳电极120和固定的梳电极220作为一对用于微反射器单元110的工作，将它们相对于微反射器单元110形成在两端上。但是，按照设计，该可活动的梳电极120和固定的梳电极220可以被仅仅形成在微反射器单元110的一侧上。

同时，由于上基片100和下基片200被连接到外部电源，电压被施加于可活动的梳电极120和固定的梳电极220。在这里，用于电绝缘的绝缘层210形成在上和下基片100和200之间。

在下文中，将描述微反射器单元110和在其上形成的支撑框架111。

支撑框架111被以这样的方式构成，即，多个钻石形状的突起部分112和多个三角形状的凹槽部分113被交替地和周期地形成。该钻石形突起部分112的厚度与支撑框架111的面积相比是非常小的。在这里，该支撑框架111应该相对于微反射器单元110为中心旋转的轴具有对称的结构，以便微反射器单元110可以以精确的角度从一侧到另一侧旋转。此外，支撑框架111从微反射器单元110的旋转轴朝着两端的方向质量降低，以便降低当微反射器单元110以该旋转轴为中心旋转的时候产生的转动惯量。

此外，具有均匀厚度的薄膜形状的反射层115在微反射器单元110的另一个表面上形成，即，面对第二中心空白部分201的表面，以便反射输入光。在这里，由于微反射器单元110的面积大于支撑框架111的面积，具有在其中形成的微反射器单元111的反射层115的表面面积大于支撑框架111的表面面积。因此，改善了反射效率。

多个凹口114被形成在每个突起部分112上，以便降低支撑框架111的质量。上述的凹口按照设计可以具有各种各样的形状，但是优选地，它们具有六边形的形状，以在结构稳定方面整个地形成蜂窝形状。

在这里，优选地，凹口114的整个体积不大于支撑框架111的体积很多，以便改善支撑框架111的强度和微反射器单元110的结构稳定性。也就是说，可以按照该扫描设备的设计来改变支撑框架111的空隙比。

同时，除了按照本发明一个实施例的那个之外，支撑框架111可以具有各种各样的形状。

图8至11示出形成在反射器单元上的各种各样形状的支撑框架。为了简明的目的，反射器单元和支撑框架的附图标记与在以上所述的本发明一个实施例中的是相同的。

参考图8，支撑框架111被在微反射器单元110的一个表面形成为六面体，其上表面是菱形形状。在这里，形成支撑框架111对角线上相对的顶点以连接抗扭梁140，这样获得一种支撑框架111的结构，其中质量朝着相对于微反射器单元110的旋转轴的两端的方向降低。参考图9，从在图8中举例说明的支撑框架111的形状中，四个侧面被朝着支撑框架中心的方向弯曲，从而降低支撑框架111的质量。此外，图10示出按照本发明一个实施例的支撑框架111的形状，其中没有形成多个凹口。如在图11中举例说明的，该支撑框架111具有与本发明的一个实施例相同的形状，并且在厚度方面从旋转轴朝着末端的方向逐渐地降低。

除了所述的各种各样形状的支撑框架之外，就该支撑框架的形状而言，改善微反射器单元的结构稳定性和降低旋转的转动惯量和质量的任何的形状都是可允许的。

在下文中，将描述通过半导体成批处理和微制造技术，即所谓的MEMS技术来制造按照本发明一个实施例的扫描设备的方法。

图12和18举例说明按照本发明一个实施例的扫描设备的制造方法的顺序处理过程。在该附图中，为了简明的目的，举例说明一个设备的制造。但是，在实际的制造过程中，多个扫描设备被在半导体晶片水平上使用MEMS技术同时大量地制造。

首先，如在图12中举例说明的，在后续的蚀刻过程中用作蚀刻掩模的第一、第二和第三蚀刻掩模301、302和303被形成在硅材料的下基片200的上和下表面上，然后被形成图形。在这里，第二蚀刻掩模302应该相对于硅(即下基片200的材料)具有高蚀刻选择性，并且适合于后续的半导体晶片粘结处理。由绝缘材料，诸如感光的溶液、金属或者氧化硅、氮化硅等等组成的薄膜被用作蚀刻掩模。

此后，如在图13中举例说明的，下基片200的上表面是由第一和第二蚀刻掩模301和302的两层形成的，其是通过使用反应离子蚀刻(RIE)或者硅深度RIE技术，以预定的深度各向异性地蚀刻的。然后，第二蚀刻掩模302被除去。

此后，如在图14中举例说明的，该上基片100被粘结到下基片200的上表面，在下基片200上已经执行蚀刻过程。此时，由于诸如微反射器110和抗扭梁140的结构稍后被形成在上基片100上，该上基片100必须被处理以具有预定的厚度。在这里，该上基片100可以首先被处理以具有预定的厚度然后被粘结，或者该上基片100可以被首先粘结，然后处理以具有预定的厚度。上和下基片100和200可以经由类似公知的粘结处理的各种各样的方法相互粘结，诸如熔接、阳极粘结、低共熔的粘结、烧结粘结等等，或者使用粘合剂的粘结处理。

在上和下基片100和200被相互粘结之后，如在图15中举例说明的，第四蚀刻掩模401被形成在上基片100上，然后被形成图形，以在上基片100上形成可活动的梳电极120和微反射器单元110的支撑框架111。然后，第五掩模402被形成在其中微反射器单元110被形成在第四蚀刻掩模401上的部分上，然后被形成图形。在这里，该第五蚀刻掩模402应该相对于硅、上和下基片100和200和第四蚀刻掩模401的材料、上基片100和下基片200的粘结表面的材料具有蚀刻选择性。然后，在其中已经形成第三蚀刻掩模303的图形的下基片200的表面被各向异性地蚀刻预定的深度，以这样地形成第二中心空白部分201和第二侧空白部分202。

然后，如在图16中举例说明的，上基片100的表面被蚀刻预定的深度，这里在上基片100的表面上已经形成第四和第五蚀刻掩模401和402的图形。在这里，微反射器单元110被形成的部分没有被蚀刻，其被第五蚀刻掩模掩盖。仅仅形成可活动的梳电极120的部分被以某个深度蚀刻。该微反射器单元110的厚度可以被保证与该蚀刻深度差不多。

然后，如在图17中举例说明的，第五蚀刻掩模402被除去，并且使用该第四蚀刻掩模401，上基片100被以预定的深度各向异性地蚀刻，使得该微反射器单元110具有预定的厚度，并且支撑框架111被形成在微反射器单元上。

然后，如在图18中举例说明的，该第四蚀刻掩模401被除去，并且除了起扫描设备的框架的作用的上和下基片100和200的外缘部分之外，内部粘结表面被蚀刻，从而悬挂可活动的梳电极120和微反射器单元110，以及在微反射器单元110的下表面上形成反射层115。

上和下基片100和200具有由绝缘层210电隔离的结构，以便施加电压用于微反射器单元110的操作。除了通过类似以上所述的制造方法相互粘结来制造二个基片之外，可以通过使用SOI(在绝缘体上的硅)基片制造来获得上述的结构。

同时，使用静电力作为驱动源的扫描设备是如上所述的，但是按照其设计和制造，其他应用，诸如电磁力作为驱动源也是可允许的。

此外，虽然在该图中没有举例说明，可以安排具有以上描述结构的“M×N”数量的扫描微反射器设备。

在下文中，将描述按照本发明一个实施例的如上所述构成和制造的扫描设备的工作。

图6和7是举例说明按照本发明的一个实施例的扫描设备的工作的剖视图。

如在其中举例说明的，为了操作按照本发明的扫描设备，电压被经由下基片200的两个电极固定单元230施加在固定的梳电极220和可活动的梳电极120之间。也就是说，在图6中举例说明的初始状态下，电位差被形成在可活动的梳电极120和固定的梳电极220之间，从而产生静电力。在这里，当该电压被顺序地施加于固定的梳电极220的时候，固定的梳电极220被相对于抗扭梁140的旋转轴形成在两侧上，微反射器单元110是以旋转轴为中心以某个角度从一侧到另一侧旋转的。因此，如在图7中举例说明的，反射光相对于入射光的方向被从操作前的方向L1调节到操作后的方向L2，从而执行扫描功能。

同时，当可活动的梳电极120和固定的梳电极220被仅形成在抗扭梁140(即旋转轴)的一侧上的时候，可以执行双向操作，因为当电压被施加，然后被移去的时候，通过抗扭梁140的回复力在相反的方向操作微反射器单元110。

在这里，由于具有以上所述结构的支撑框架111被形成在微反射器单元110的一个表面上，当微反射器单元110是以旋转轴为中心从一侧到另一侧旋转的时候，不存在微反射器单元110颤动的动扰度，但是微反射器单元110在结构上稳定地旋转。

如描述的，当反射器单元是以旋转轴为中心旋转的时候，按照本发明的扫描设备可以如同不存在动扰度现象一样地，稳定地操作和精密地调整反射器单元的旋转角，这是因为支撑框架被形成在反射器单元的一个表面上。

此外，由于支撑框架相对于反射器单元的旋转轴具有对称结构，并且朝着反射器单元两端的方向质量降低，在旋转期间转动惯量降低，使得获得反射器单元的结构稳定性，并且改善反射器单元的操作灵敏度和光学性能。

此外，当使用MEMS处理过程制造的时候，与反射器单元同时有效地形成支撑框架，因此，要求高精确度的额外的安装过程不是必要的。因此，可以提高整个的生产能力，并且防止生产成本不必要的增加。

因此，与具有现有的微反射器结构的扫描设备相比较，本发明可以实现结构上稳定的高的扫描速度，并且执行宽的扫描范围操作。最后，对高性能扫描系统的各种各样的应用是可允许的。

由于本发明可以不脱离其精神或者基本的特性以若干形式实施，此外应该理解，除非另作说明的，以上所述的实施例不受先前描述的任何细节的限制，而是应该广泛地解释为在所附的权利要求限定的其精神和范围内，因此，所有的落在权利要求的范围内，或者这样的范围的等价变化和修改因此被该所附的权利要求所包含。

Claims (22)

1.一种扫描设备，其包括：

反射器单元，其形成在基片上，使得以一个轴为中心以预定的角度可旋转，以调整反射光的方向；

支撑框架，其形成在反射器单元的一个表面上，用于防止反射器单元的动扰度，并且支撑反射器单元；和

驱动单元，其被提供在基片上，并且驱动反射器单元。

2.如权利要求1所述的设备，其中，该支撑框架是相对于旋转轴对称地形成的。

3.如权利要求1所述的设备，其中，该支撑框架在质量方面从旋转轴朝着其两端的方向减少。

4.如权利要求1所述的设备，其中，多个凹口被形成在支撑框架上。

5.如权利要求4所述的设备，其中，多个凹口是相对于支撑框架的旋转轴对称地形成的。

6.如权利要求4所述的设备，其中，多个凹口分别地具有六边形的形状，并且以蜂窝形状聚集在一起。

7.如权利要求1所述的设备，其中，该反射器单元的面积大于支撑框架的面积。

8.如权利要求1所述的设备，其中，该支撑框架在厚度方面从旋转轴朝着其两端的方向减少。

9.如权利要求1所述的设备，其中，该支撑框架被以这样的方式构成，即，多个钻石形状的突起部分和三角形状的凹槽部分交替地和周期地形成。

10.如权利要求1所述的设备，其中，该支撑框架被形成为六面体，其上表面是菱形形状，并且其对角线上相对的顶点被设置在旋转轴上。

11.如权利要求9所述的设备，其中，该支撑框架的四个侧面被朝着支撑框架中心的方向弯曲。

12.如权利要求1所述的设备，其中，该反射器单元被通过形成在其两个端部的一对弹性旋转支撑元件连接到基片。

13.如权利要求12所述的设备，其中，该弹性旋转支撑元件是抗扭梁。

14.如权利要求1所述的设备，其中，该驱动单元包括形成在基片上、由在两个电极之间产生的静电力驱动的可活动的梳电极和固定的梳电极。

15.如权利要求14所述的设备，其中，该可活动的梳电极和固定的梳电极被形成在相对于反射器单元的两侧或者一侧上。

16.如权利要求15所述的设备，其中，该可活动的梳电极从反射器单元延伸，使得其被设置在旋转轴的右侧和左侧上。

17.如权利要求14所述的设备，其中，该可活动的梳电极和固定的梳电极在基片的纵向上彼此分开预定的距离。

18.一种扫描设备，其包括：

上和下基片，其相互粘结；

反射器单元，其被可旋转地安装在上基片的中间空白部分之内；

支撑框架，其形成在反射器单元的一个表面，并且防止反射器单元的动扰度；

反射层，其被形成在反射器单元的另一个表面上，并且反射输入光；

弹性旋转支撑元件，其将反射器单元的两端连接到上基片并且支撑反射器单元，使得该反射器单元相对于上基片是可旋转的；和

驱动单元，其具有与反射器单元整体地形成在上基片上、使得反射器单元以枢轴可旋转的可活动的梳电极，和固定地形成在下基片上、并且与可活动的梳电极产生静电力的固定的梳电极。

19.一种扫描设备阵列，其包括：以M×N矩阵排列的多个单元扫描设备，每个单元扫描设备包括形成在基片上、使得相对于一个轴可旋转以调整反射光的方向的反射器单元；形成在反射器单元的一个表面上，以防止反射器单元的动扰度，并且支撑反射器单元的支撑框架；提供在基片上，并且驱动反射器单元的驱动单元。

20.一种扫描设备的制造方法，该扫描设备包括在基片上形成，从而围绕一个轴可旋转的反射器单元，以及用于驱动反射器单元的驱动单元，该方法包括：

通过蚀刻处理，在反射器单元的一个表面形成支撑框架图形，以便防止反射器单元的动扰度。

21.如权利要求20所述的方法，其进一步包括：

在基片的一个表面上形成具有支撑框架的图形形状的支撑框架蚀刻掩模；

在支撑框架蚀刻掩模上形成具有反射器单元的图形形状的反射器单元蚀刻掩模；

蚀刻基片以将基片蚀刻掉反射器单元的厚度；

除去反射器单元蚀刻掩模；和

蚀刻基片以同时形成反射器单元和支撑框架。

22.如权利要求20所述的方法，其中，该支撑框架和反射器单元是通过各向异性干蚀刻处理来形成的。

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