CN220467578U - 包括微机电镜设备的设备及微机电镜设备 - Google Patents

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Abstract

公开了包括微机电镜设备的设备及微机电镜设备。包括微机电镜设备的设备具有限定界定腔的外部框架的固定结构、布置在腔上方并限定窗口的内部框架、具有反射表面并被布置在窗口中的可倾斜结构。通过第一和第二耦接弹性元件弹性地耦接到内部框架。致动结构耦接到内部框架使得可倾斜结构绕第一和第二轴旋转。致动结构具有第一对和另一对驱动臂，第一对驱动臂弹性地耦接到内部框架并承载压电材料区域以使得可倾斜结构绕第一轴旋转，另一对驱动臂承载压电材料区域使得可倾斜结构绕第二轴旋转并插入固定结构和内部框架之间，另一对驱动臂通过第一和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到固定结构和内部框架。本公开的方案提供了具有改进特性的微机电镜设备。

Description

包括微机电镜设备的设备及微机电镜设备
技术领域
本解决方案涉及具有压电致动的双轴微机电镜设备(制成MEMS-微机电系统)。
背景技术
微机电镜设备用于便携式设备中，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、PDA，用于光学应用，特别是以期望的方式引导由光源(例如激光器)产生的光辐射束。由于它们的小尺寸，这些设备允许在面积和厚度方面符合关于空间占用的严格要求。
例如，微机电镜设备用于能够从远处投影图像并特别在屏幕或类似显示表面上产生期望的光图案的小型化投影仪设备(所谓的微微投影仪)中。
微机电镜设备通常包括可倾斜结构，该可倾斜结构承载合适材料(例如铝或金，取决于光束是在可见光光谱中还是在红外光谱中)的反射面或镜面，弹性支撑在腔上方并由半导体材料主体制成，以便可移动，例如在对应的主延伸平面之外倾斜或旋转运动，以便以期望的方式引导入射光束。
可倾斜结构的旋转通过致动系统来控制，该致动系统可以是例如静电、电磁或压电类型的致动系统。
静电致动系统通常具有需要高工作电压的缺点，而电磁致动系统通常需要高功耗；因此，已经提出用压电致动来控制镜可倾斜结构的运动。
具有压电致动的微机电镜设备具有相对于具有静电或电磁致动的设备需要降低致动电压和功耗的优点。此外，可以提供压阻传感器元件用于检测镜的驱动条件并提供反馈信号以允许对相同驱动进行反馈控制。
典型地，光束需要沿两个轴的偏转，这可以由两个单轴类型的微机电镜设备或者由一个双轴类型的微机电镜设备来提供。
在双轴装设备的情况下，可倾斜结构可被配置为以共振运动绕第一轴旋转，以在屏幕或显示表面上产生快速水平扫描，并且还以线性或准静态运动(即，以远低于共振运动频率的频率)绕第二水平轴旋转，以在同一屏幕或显示表面上产生慢速垂直扫描，例如锯齿扫描。可选地，绕第二旋转轴的旋转也可以在共振频率下发生，以在这种情况下产生垂直的快速扫描，并且作为一个整体在屏幕或显示表面上形成所谓的“李萨如(Lissajous)”扫描图案。
通常，双轴微机电镜设备可以是优选的，因为它们允许减小尺寸和简化电连接。
然而，这些双轴设备可能受到绕两个轴的扫描运动之间的不期望的耦接(所谓的交叉轴耦接或通常的串扰现象)以及由此产生的非线性的影响；实际上，在微机械结构中，在镜面可倾斜结构绕第一水平轴和第二水平轴的旋转运动之间可能产生不希望的耦接。
这些交叉轴耦接也可以在例如通过压阻或压电检测元件检测(例如为了反馈控制的目的)镜可倾斜结构的旋转时发生。
在美国专利第9,843,779号和欧洲专利第3,712,676号中描述了双轴型和具有压电致动的微机电镜设备的一些示例，这两个专利的内容通过引用的方式全部结合。
已经发现，具有压电致动的微机电镜设备的已知解决方案具有一些限制，这些限制不允许充分利用这些设备的优点，特别是由于在镜可倾斜结构的致动运动和/或在相同运动的检测中的前述交叉轴耦接方面。
为了解决这些问题，需要进一步开发以提供具有改进特性的压电型致动的双轴微机电镜设备。
实用新型内容
鉴于上述微机电镜设备所面临的问题，本公开的实施例旨在提供具有改进性能的微机电镜设备。
根据本方案，提供了一种双轴微机电镜设备。
例如，本文公开了一种包括微机电镜设备的设备。微机电镜设备包括：固定结构，限定外部框架，外部框架在内部界定腔；内部框架，被布置在腔中并在内部限定窗口；可倾斜结构，承载反射表面，反射表面在水平面中具有主延伸部，可倾斜结构被布置在窗口内部并且通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件弹性地耦接到内部框架；以及致动结构，耦接到内部框架，并且被配置为以解耦的方式使可倾斜结构绕彼此正交并属于水平面的第一旋转轴和第二旋转轴旋转。
致动结构包括：至少第一对驱动臂，弹性地耦接到所述内部框架并且承载被偏置以使得可倾斜结构绕第一旋转轴旋转的相应压电材料区域；以及另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，该相应压电材料区域被偏置以使得可倾斜结构绕第二旋转轴旋转，另一对驱动臂的驱动臂被插入固定结构和内部框架之间，驱动臂通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到固定结构和内部框架，第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件屈服于绕第一旋转轴的扭转。
第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件可以屈服于绕第二旋转轴的扭转，并且在相对于可倾斜结构的相对侧上，从可倾斜结构直到内部框架的相应侧，沿着第二旋转轴具有线性延伸。
固定结构可以包括位于可倾斜结构的相对侧上的第一支撑元件和第二支撑元件，第一支撑元件和第二支撑元件从外部框架沿第一旋转轴在腔内延伸。另一对的驱动臂可以分别在第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件以及第一支撑元件和第二支撑元件之间延伸。
第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件可以具有沿着正交于水平面的垂直轴的第一厚度。第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件可以具有沿垂直轴大于第一厚度的第二厚度。
固定结构可以被设置在半导体材料的管芯中，该管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层。第一厚度可以由上层限定，且第二厚度可以由底层限定。
第一厚度可以在10μm和50μm之间，且第二厚度可以在50μm和200μm之间。
第一对的驱动臂可以通过第一弹性元件和第二弹性元件弹性地耦接到内部框架，第一弹性元件和第二弹性元件平行于第一旋转轴延伸并且在第一旋转轴的相对侧上，并且相对于绕平行于第一旋转轴的旋转轴的扭转而屈服。第一对的驱动臂、另一对的驱动臂以及第一弹性元件和第二弹性元件可以具有第一厚度。
内部框架可以具有通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件耦接到可倾斜结构的短侧和通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件耦接到另一对的驱动臂的长侧。外部框架、可倾斜结构和内部框架的长侧可以具有等于第一厚度和第二厚度之和的第三厚度，并且内部框架的短侧可以具有第二厚度。
可倾斜结构可以被配置为以准静态运动绕第一旋转轴旋转，并且以共振运动绕第二旋转轴旋转。
第一检测元件和第二检测元件可以被配置为以解耦的方式提供指示可倾斜结构分别绕第一旋转轴和绕第二旋转轴的旋转的检测信号。第一检测元件可以耦接到第一对的驱动臂，用于检测可倾斜结构绕第一旋转轴的旋转，第二检测元件可以耦接到另一对的驱动臂，用于检测可倾斜结构绕第二旋转轴的旋转。
第一检测元件和第二检测元件可以包括被布置在相应驱动臂处的相应扩散压电电阻器或相应压电传感器。
第一检测元件和第二检测元件中的每一个可以包括相应机械放大结构，该机械放大结构具有连接到对应驱动臂的杠杆机构。杠杆机构可以包括具有纵向延伸的杠杆臂，以及通过刚性连接元件连接到对应驱动臂的第一端和通过扭转弹性元件连接到与固定结构一体的锚定元件的第二端，其中一对扩散压电电阻器被设置在靠近锚固元件的扭转弹性元件中。
每个机械放大结构的扩散压电电阻器可以形成相应检测惠斯通电桥的第一半，其第二半由耦接到相对于第一旋转轴或第二旋转轴对称布置的驱动臂的机械放大结构的相应扩散压电电阻器形成。
第二对驱动臂可以相对于第二旋转轴与第一对驱动臂对称地布置。第二对的驱动臂可以承载相应压电材料区域，并且可以屈服于绕第一旋转轴的扭转，通过相应弹性元件在相对侧并且靠近第一旋转轴弹性地耦接到可倾斜结构。
该设备可以是微型投影仪装置，包括：微机电镜设备；光源，被配置为产生照射在微机电镜设备上的光束；第一驱动电路，被配置为向光源提供第一驱动信号，以使光源根据要投影的图像产生光束；以及第二驱动电路，被配置为向微机电镜设备提供第二驱动信号，以引起微机电镜设备的移动，从而以扫描图案扫描光束。
一种微机电镜设备，包括：固定结构，限定外部框架，外部框架在内部界定腔；内部框架，被布置在腔中并且在内部限定窗口；可倾斜结构，承载反射表面，反射表面在水平面中具有主延伸部，可倾斜结构被布置在窗口内部并且弹性地耦接到内部框架；以及致动结构，耦接到内部框架并且被配置为引起可倾斜结构的旋转；其中致动结构包括：第一对驱动臂，弹性地耦接到内部框架并且承载相应压电材料区域；以及另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，另一对驱动臂中的驱动臂被插入固定结构和内部框架之间，驱动臂通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到固定结构和内部框架。
第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件具有沿正交于水平面的垂直轴的第一厚度；并且其中第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件具有沿垂直轴的第二厚度，第二厚度大于第一厚度。
固定结构被设置在半导体材料的管芯中，半导体材料的管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层；并且其中第一厚度由上层限定，并且第二厚度由底层限定。
第一对中的驱动臂通过平行于第一旋转轴并且在第一旋转轴的相对侧延伸的第一弹性元件和第二弹性元件被弹性地耦接到内部框架；并且其中第一对中的驱动臂、另一对中的驱动臂以及第一弹性元件和第二弹性元件具有第一厚度。
内部框架具有：短侧，通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件耦接到可倾斜结构；以及长侧，通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件耦接到另一对中的驱动臂；并且其中外部框架、可倾斜结构和内部框架的长侧具有等于第一厚度和第二厚度之和的第三厚度，并且内部框架的短侧具有第二厚度。
本公开的方案提供了具有紧凑尺寸和高性能以及良好电特性的双轴微机电镜设备。
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实施例，其中：
图1示出了根据本解决方案的实施例的微机电镜设备的示意性平面图；
图2示出了沿同一图1的剖面线II-II截取的图1的设备的示意性横截面；
图3和图4是图1的设备在不同操作条件下的示意性透视平面图；
图5是图1的设备的平面图，其中示意性地突出显示了用于检测相应可倾斜结构的旋转的检测结构；
图6A、图6B是图5的检测结构的更详细的平面图；
图7是与图5的检测结构相关的等效电气图；
图8是根据不同实施例的具有突出显示的检测结构的图1的设备的平面图；以及
图9是使用微电子镜设备的微型投影仪电子装置的示意性框图。
具体实施方式
图1示意性地示出了使用MEMS技术制造的双轴型微机电镜设备，一般用1表示。
微机电镜设备1形成在半导体材料，特别是硅的管芯1'中，并设置有可倾斜结构2，该可倾斜结构2在水平面xy中具有主延伸部分(例如具有圆形或椭圆形)，并被布置成绕平行于上述水平面xy的第一水平轴x的第一旋转轴和平行于同一水平面xy的第二水平轴y的第二旋转轴旋转。
在一个实施例中，前述第一旋转轴是具有准静态旋转的慢速旋转轴(慢速轴-SA)，而前述第二旋转轴是处于共振频率的快速旋转轴(快速轴-FA)。上述第一旋转轴和第二旋转轴，在这里用SA、FA表示，也表示微机电镜设备1的第一中间对称轴和第二中间对称轴。
可倾斜结构2悬挂在腔3上方，腔3设置在管芯1'中并限定承载结构，该承载结构承载面朝上的镜面2'。
可倾斜结构2弹性地耦接到限定在管芯1'中的固定结构4上。具体地，固定结构4在水平面xy中形成外部框架4'，该外部框架4'限定并包围上述腔3，并且在可倾斜结构2的相对侧上还具有第一支撑(或锚固)元件5a和第二支撑(或锚固)元件5b，它们从同一外部框架4'在腔3内沿着第一旋转轴SA纵向延伸。
微机电镜设备1还包括内部框架7，该内部框架7在水平面xy中具有主延伸部，在示例中沿着第二水平轴y延伸；在所示的实施例中，该内部框架7具有大致矩形的形状，短侧沿着第一水平轴x布置，长侧沿着第二水平轴y布置。
内部框架7内部限定窗口8；可倾斜结构2被布置在该窗口8内，并且通过第一耦接弹性元件9a和第二耦接弹性元件9b弹性地耦接到内部框架7，屈服于绕第二旋转轴FA的扭转。
在所示的实施例中，第一耦接弹性元件9a和第二耦接弹性元件9b在相对于可倾斜结构2的相对侧上沿着第二旋转轴FA具有线性延伸，从同一可倾斜结构2一直延伸到内部框架7的相应短侧。
如下面将要讨论的，内部框架7耦接到前述第一支撑元件5a和第二支撑元件5b，以便悬挂在腔3内。
微机电镜设备1还包括致动结构10，该致动结构10耦接到可倾斜结构2并被配置为以基本上解耦的方式使其绕第一旋转轴SA和第二旋转轴FA旋转。
致动结构10通常设置在固定结构4的内部框架7和外部框架4'之间，并且还有助于在腔3内支撑相同的内部框架7。
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被布置在第一旋转轴SA和第一支撑元件5a的相对侧并且相对于第一旋转轴SA和第一支撑元件5a对称，并且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。
在图1所示的实施例中，第一对的驱动臂12a、12b具有大致矩形的形状，沿着第一水平轴x具有更大的延伸。
第一驱动臂12a和第二驱动臂12b具有与固定结构4的外部框架4'整体耦接的相应第一端和通过第一弹性元件14a和第二弹性元件14b弹性耦接到内部框架7的相应第二端。
每个驱动臂12a、12b悬挂在腔3上方，并在其顶面(与同一腔3相对)承载相应的压电结构13(特别地，包括PZT-锆钛酸铅)，该压电结构13在水平面xy中相对于驱动臂12a、12b具有例如基本相同的延伸。
该压电结构13(以未详细示出的方式)通过叠加以下方式形成：由合适的导电材料制成的底部电极区域，被布置在相应的驱动臂12a、12b上；压电材料区域(例如由PZT薄膜制成)，被布置在上述底部电极区域上；以及顶部电极区域，被布置在压电材料区域上。
上述第一弹性元件14a和第二弹性元件14b相对于水平面xy之外的运动(沿着正交轴z)具有高刚度，并且相对于扭转(绕平行于第一旋转轴SA的旋转轴)屈服。第一弹性元件14a和第二弹性元件14b平行于第一水平轴x延伸，在第一驱动臂12a和第二驱动臂12b和内部框架7的相同长侧之间，靠近第一旋转轴SA，与相同的第一旋转轴SA相距很小的距离。
在图1所示的实施例中，第一弹性元件14a和第二弹性元件14b是具有平行于第一水平轴x的纵向延伸的线性类型(在不同的实施例中，弹性元件14a、14b可以替代地是折叠类型)。
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，第二对驱动臂被布置在相对于第一旋转轴SA的相对侧上，并且这次被布置在相对于第二支撑元件5b的相对侧上，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(注意，第二对驱动臂12c、12d因此相对于第二旋转轴FA对称地布置于第一对驱动臂12a、12b)。
类似于已经对第一对驱动臂12a、12b所讨论的，第二对驱动臂12c、12d的每个驱动臂在其顶面处承载相应的压电结构13(包括PZT)，并且具有相应的第一端和相应的第二端，第一端一体地耦接到固定结构4的外部框架4'上，第二端通过相应的第三弹性元件14c和第四弹性元件14d弹性地耦接到内部框架7上。
上述第三弹性元件14c和第四弹性元件14d相对于水平面xy之外的运动(沿着正交轴z)也具有高刚度，并且相对于扭转(绕平行于第一水平轴x的旋转轴)屈服。此外，在该示例中，第三弹性元件14c和第四弹性元件14d也是线性类型的。
如下面还将讨论的，第一对驱动臂12a-12b和第二对驱动臂12c-12d可操作以使得可倾斜结构2绕第一旋转轴SA的旋转，在这种情况下具有准静态运动。
根据本解决方案的一个方面，致动结构10还包括由第五驱动臂12e和第六驱动臂12f形成的另一对(第三)驱动臂，第五驱动臂12e和第六驱动臂12f可操作以使得可倾斜结构2绕第二旋转轴FA以共振运动旋转。
这些第五驱动臂12e和第六驱动臂12f插入在第一支撑元件5a和第二支撑元件5b和内部框架7之间，它们通过第一悬挂弹性元件14e和第二悬挂弹性元件14f弹性地耦接到内部框架7，第一悬挂弹性元件14e和第二悬挂弹性元件14f相对于水平面xy之外的运动(沿着正交轴z)具有高刚度，并且相对于绕第一旋转轴SA的扭转屈服。
在所示实施例中，第五驱动臂12e和第六驱动臂12f具有大致矩形的形状，沿着第一水平轴x具有更大的延伸。
前述第五驱动臂12e和第六驱动臂12f具有与第一支撑元件5a和第二支撑元件5b(它们是第一支撑元件5a和第二支撑元件5b的延伸部分)整体连接的相应的第一端和通过第一悬挂弹性元件14e和第二悬挂弹性元件14f弹性连接到内部框架7的相应的第二端。
特别地，第一悬挂弹性元件14e和第二悬挂弹性元件14f在上述第五驱动臂12e和第六驱动臂12f的第二端和内部框架7的相应长侧之间沿着第一旋转轴SA延伸，它们在相应的中心部分偶接到内部框架7的相应长侧。
在所示的实施例中，第一悬挂弹性元件14e和第二悬挂弹性元件14f是线性类型的(或者，它们可以是折叠类型的)。
与已经讨论的第一对和第二对驱动臂类似，第三对驱动臂的每个驱动臂12e、12f在其顶面处承载相应的压电结构13。
以未示出的方式，微机电镜设备1还包括多个焊盘，由外部框架4'处的固定结构4承载，通过电连接轨道电连接到驱动臂12a-12f的压电结构13，以允许通过来自同一机电设备1外部的电信号对其进行电偏置(例如由集成了微机电镜设备1的电子装置的偏置设备提供)。
如图2的横截面所示，本解决方案的一个特定方面设想微机电镜设备1的结构元件被制成三种不同的厚度(沿着垂直轴z考虑)，特别是利用制成管芯1'的两个不同的层：顶层20a，具有第一厚度t1并限定管芯的顶表面，在该顶表面处提供由可倾斜结构2和前述压电结构13承载的前述反射表面2'；以及底层20b，具有比第一厚度t1大得多(甚至高达十倍)的第二厚度t2，被布置在顶层20a之下并限定管芯1'的后表面。
因此，在微机电镜设备1中，限定了上述第一厚度t1和第二厚度t2以及等于相同的第一厚度t1和第二厚度t2之和的第三厚度t3。
在微机电镜设备1的可能实施例中，第一厚度t1包括在10μm和50μm之间，例如等于30μm；第二厚度t2包括在50μm和200μm之间，例如等于110μm；并且第三厚度例如等于140μm。
具体地，外部框架4'、第一支撑元件5a和第二支撑元件5b、内部框架7的至少一部分(在示例中，对应的长侧)以及可倾斜结构2具有第三厚度t3，因此设置在顶层20a、20b两者中；第一、第二和第三对的驱动臂12a-12f、相应弹性元件14a-14d和悬挂弹性元件14e-14f具有第一厚度t1，因此设置在仅顶层20a中；并且第一耦接弹性元件9a和第二耦接弹性元件9b和内部框架7的剩余部分(在示例中是相应的短侧)具有第二厚度t2，因此设置在仅底层20b中。
制造具有第一厚度t1的弹性元件14a-14f对于实现可倾斜结构2的准静态旋转是特别有利的；相反，制造具有第二厚度t2的第一耦接弹性元件9a和第二耦接弹性元件9b允许在高频下实现相同可倾斜结构2的共振旋转，同时减少可能的可靠性问题(例如与两个不同材料层的叠加有关)。
如同一图2所示，支撑晶片(或盖)24也通过合适的接合区域25连接在管芯1'下方，并且在腔3下方以及可倾斜结构2处具有凹槽26，以允许相同的可倾斜结构2旋转。
如图3所示，在微机电镜设备1的操作期间，向第一(和第三)驱动臂12a(12c)的压电结构13施加偏置电压，该偏置电压具有相对于第二(和第四)驱动臂12b(12d)的压电结构13的偏压的正值，该偏置电压可以例如是接地参考电位，使得内部框架7和耦接的可倾斜结构2绕第一旋转轴SA旋转正角度(导致悬挂弹性元件14e、14f的扭转变形)。
相应地，向第二(和第四)驱动臂12b(12d)的压电结构13施加偏置电压，该偏置电压相对于第一(和第三)驱动臂12a(12c)的压电结构13的偏压具有正值，使得内部框架7和耦接的可倾斜结构2绕相同的第一旋转轴SA相应地旋转负角度。
在绕第一旋转轴SA的旋转期间，可倾斜结构2整体地连接到内部框架7(由于耦接弹性元件9a、9b相对于该运动的刚性)，以便在相同的旋转中被拖动并使得反射表面2'相对于第一旋转轴SA的期望运动。换言之，耦接弹性元件9a、9b不会由于内部框架7绕第一旋转轴SA的旋转而发生变形。
在可倾斜结构2绕第一旋转轴SA的旋转期间，最大的应力量出现在将内部框架7连接到固定结构4的悬挂弹性元件14e、14f处。
如图4所示，向第五驱动臂12e和第六驱动臂12f中的至少一个的压电结构13施加偏置电压(在致动两个臂的情况下，偏置是相位相反的)反而使得可倾斜结构2以共振频率绕第二旋转轴FA旋转。
具体地，通过偏置前述驱动臂12e、12f的压电结构13而产生的沿着垂直轴z的力通过内部框架7传递，以产生可倾斜结构2绕第二旋转轴FA的共振旋转，这是由耦接弹性元件9a、9b的扭转变形所允许的。
相反，第一对和第二对的驱动臂12a-12d和相应弹性元件14a-14d不受前述可倾斜结构2绕第二旋转轴FA的旋转的影响。
因此，内部框架7的存在和所述弹性元件的布置有利地使前述可倾斜结构2绕第一旋转轴SA和第二旋转轴FA的旋转解耦。
现在描述本解决方案的另一个方面，其涉及检测元件的实现，该检测元件被配置为提供指示可倾斜结构2绕第一旋转轴SA和绕第二旋转轴FA旋转的信号，可倾斜结构2绕第一旋转轴SA和FA旋转的信号有利地以解耦的方式(即，没有相互影响，交叉轴类型)进行。
如图5示意性地所示，第一检测元件28适当地耦接到第一对和第二对的驱动臂12a-12d(用于检测可倾斜结构2绕第一旋转轴SA的旋转，而不受绕第二旋转轴FA的旋转的影响)；第二检测元件29适当地耦接到第三对12e-12f的驱动臂(用于检测可倾斜结构2绕第二旋转轴FA的旋转，而不受绕第一轴SA的旋转的影响)。
具体地，还参考图6A和图6B(通过示例的方式，其分别示出了与第一驱动臂12a和第二驱动臂12b相关联的第一检测元件28以及与第五驱动臂12e相关联的第二检测元件29)，至少一个机械放大结构30耦接到驱动臂12a-12f中的每一个驱动臂，该机械放大结构30被配置为最大化对可倾斜结构2的旋转的检测灵敏度。
注意，在图6B所示的实施例中，被布置在相对于第一检测轴SA的相反侧的两个机械放大结构30耦接到第五驱动臂12e(并且类似地，以未示出的方式，耦接到第六驱动臂12f)。
上述机械放大结构30中的每一个都包括耦接到对应驱动臂12a-12f的杠杆机构32。
具体地，该杠杆机构32包括具有纵向延伸部分(沿着第一水平轴x)的杠杆臂33和通过刚性连接元件34耦接到对应驱动臂12a-12f的第一端，以及通过扭转弹性元件35(在示例中具有沿着第二水平轴y的延伸部分)耦接到与固定结构4一体的锚固元件36的第二端。以未详细示出的方式，该锚固元件36可以具有例如前述第三厚度t3，并且向下耦接到支撑晶片24。
机械放大结构30还包括：一对扩散压阻传感器(或压电电阻器，PZR)38，被设置在靠近前述锚固元件36的扭转弹性元件35中。
在操作期间，沿着相应的驱动臂12a-12f的垂直轴z的运动(在相应的压电材料结构13的偏置之后)确定了在杠杆臂33的水平面xy(沿着相同的垂直轴z)之外的运动，特别是对应的第一端的运动，因此产生该扭转弹性元件35的扭转。
扩散压电电阻器38以这样的方式布置，以检测(以相反的符号)由上述扭转弹性元件35的旋转产生的应力，该应力因此指示可倾斜结构2的旋转(由相应的驱动臂12a-12f的致动引起的)。
特别地，杠杆机构32的存在允许放大由前述扩散压电电阻器38检测到的应力。
如图7的等效电气图所示，每个机械放大结构30的扩散压电电阻器38可以形成检测惠斯通电桥的前半部分，用40表示，其后半部分可以由机械放大结构30的相应扩散压电电阻器38形成，该扩散压电电阻器38耦接到相对于第一旋转轴SA对称布置的驱动臂(在第一和第二对的驱动臂12a-12d的情况下)或相对于第二旋转轴FA对称布置的驱动臂(在第三对的驱动臂12a-12d的情况下)。
具体地，第一驱动臂12a和第三驱动臂12c以及第二驱动臂12b和第四驱动臂12d的扩散压电电阻器38连接到相应的检测惠斯通电桥40，用于检测可倾斜结构2绕第一旋转轴SA的旋转；类似地，第五驱动臂12e和第六驱动臂12f的扩散压电电阻器38连接到相应的检测惠斯通电桥40，用于检测可倾斜结构2绕第二旋转轴FA的旋转。
具体地，在检测惠斯通电桥40中，与相应对的第一驱动臂相关联的扩散压电电阻器38的公共端电连接到相同惠斯通电桥的第一输出(在示例中是正输出)(在前述图7中用“Out+”表示)；而不共同的端部电连接到第一和第二偏置电压(例如正的“Bias+”和负的“Bias-”偏置电压)。类似地，与同一对的第二驱动臂相关联的扩散压电电阻器38的公共端电连接到惠斯通电桥的第二输出(在示例中是负输出)(用“Out-”表示)；而不共同的端部电连接到相同的第一和第二偏置电压(正的“Bias+”偏置电压和负的“Bias-”偏置电压)。
有利地，检测惠斯通电桥40的完全对称的两半的存在允许检测相应的杠杆机构32的彼此相反的位移，从而使检测对称并最大化在输出处提供的结果检测信号。因此，该实施例有利地允许检测灵敏度最大化，从而确保对微机电镜设备1的更有效的控制(例如通过其中集成了相同的微机电镜设备1的电子装置)。
如前所述，检测元件28、29的布置和相应的检测惠斯通电桥40的配置使得它们基本上消除了绕第一旋转轴SA和第二旋转轴FA的旋转的检测中的串扰效应。
例如，由申请人执行的模拟已经提供了第一检测元件28对于绕第一检测轴SA的期望旋转的灵敏度值等于5.5mV/V/deg，而在绕第二检测轴FA的不期望旋转(由于串扰效应)的检测中的灵敏度值等于0.015mV/V/deg，因此大约低两个数量级。
在可选实施例中，如图8示意性示出的，前述第一检测元件28和第二检测元件29可以包括被布置在驱动臂12a-12f处的压电(特别是PZT)传感器45，而不是扩散压电电阻器38。
这些PZT传感器45可以由与布置在相同驱动臂12a-12f上的压电结构13分离的相应PZT结构形成，例如布置在锚固到固定结构4的相同驱动臂12a-12f的区域处。
在图8所示的示例中，至少第一对PZT传感器45被布置在第一对的驱动臂12a-12b处，以差动方式检测可倾斜结构2绕第一检测轴SA的旋转；并且至少第二对PZT传感器45被布置在第三对的驱动臂12e-12f处，以差分方式检测可倾斜结构2绕第二检测轴FA的旋转。
由于微机电镜设备1的制造确保了关于可倾斜结构2的致动的良好的模态分离，该实施例还提供了良好的检测性能，减少了交叉轴干扰。
从前面的描述中可以清楚地看出本解决方案的优点。
在任何情况下，再次强调的是，所描述的解决方案允许获得具有紧凑尺寸和高性能以及良好电特性的双轴微机电镜设备1，尤其包括在可倾斜结构2的旋转的致动和检测中减少的交叉轴干扰。特别地，对于第一旋转轴SA和第二FA，对同一可倾斜结构2的旋转的致动和检测被有效地解耦。
半导体材料的管芯1'的两个叠加的顶层和底层20a、20b的处理(具有相关的不同厚度的结构元件)允许绕第一检测轴SA(例如在准静态模式下)和绕第二检测轴FA(例如在共振模式下)的旋转运动的特定实现。
一般而言，本解决方案允许利用压电致动的优点(即，使用降低的偏置电压和降低的能量消耗以获得高位移)，同时相对于已知解决方案具有改进的机械和电气性能。
有利地，微机电镜设备1因此可以用在微型投影仪50中，微型投影仪50在功能上耦接到便携式电子装置51(例如智能手机或增强现实眼镜)，如参考图9示意性示出的。
具体地，微微投影仪50包括：光源52，例如激光类型，用于产生光束53；微电子镜设备1，用作镜，用于接收光束53并将其导向屏幕或显示表面55(外部并放置在与同一微型投影仪50相距一定距离处)；第一驱动电路56，用于向光源52提供合适的驱动信号，以根据要投影的图像产生光束53；第二驱动电路58，用于向微电子镜设备1的致动结构提供驱动信号；以及通信接口59，用于从例如包括在便携式装置51中的外部控制单元60接收关于要生成的图像的信息，例如以像素矩阵的形式。该信息被提供作为用于驱动光源52的输入。
最后，很明显，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对已经描述和示出的内容进行修改和变化。
一般来说，可以预见关于形成微机电镜设备1的元件的形状的变化，例如可倾斜结构2(和相应的反射表面2')的不同形状，或者驱动臂12a-12f的不同形状和/或布置。
此外，以明显的方式，可倾斜结构2的前述旋转可以通过以协调和联合的方式对第一、第二和第三对的驱动臂12a-12f的压电结构13的适当偏置而彼此组合。
在变型实施例中，可倾斜结构2绕第一旋转轴SA的旋转也可以在共振频率下发生，以产生针对屏幕或显示表面的水平和垂直方向的快速扫描。

Claims (21)

1.一种包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述微机电镜设备包括：
固定结构，限定外部框架，所述外部框架在内部界定腔；
内部框架，被布置在所述腔中并且在内部限定窗口；
可倾斜结构，承载反射表面，所述反射表面在水平面中具有主延伸部，所述可倾斜结构被布置在所述窗口内部并且通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件弹性地耦接到所述内部框架；以及
致动结构，耦接到所述内部框架，并且被配置为以解耦方式使所述可倾斜结构绕第一旋转轴和绕第二旋转轴旋转，所述第一旋转轴和所述第二旋转轴彼此正交并且属于所述水平面；
其中所述致动结构包括：
至少第一对驱动臂，弹性地耦接到所述内部框架并且承载相应压电材料区域，所述相应压电材料区域被配置为被偏置以使得所述可倾斜结构绕所述第一旋转轴旋转；以及
另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，所述相应压电材料区域被配置为被偏置以使得所述可倾斜结构绕所述第二旋转轴旋转，所述另一对驱动臂中的驱动臂被插入所述固定结构和所述内部框架之间，所述驱动臂通过屈服于绕所述第一旋转轴扭转的第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到所述固定结构和所述内部框架。
2.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一耦接弹性元件和所述第二耦接弹性元件屈服于绕所述第二旋转轴的扭转，并且在相对于所述可倾斜结构的相对侧上，从所述可倾斜结构直到所述内部框架的相应侧，沿着所述第二旋转轴具有线性延伸。
3.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述固定结构包括在所述可倾斜结构的相对侧上沿着所述第一旋转轴在所述腔内从所述外部框架延伸的第一支撑元件和第二支撑元件；并且其中所述另一对中的驱动臂分别在所述第一悬挂弹性元件和所述第二悬挂弹性元件以及所述第一支撑元件和所述第二支撑元件之间延伸。
4.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一悬挂弹性元件和所述第二悬挂弹性元件具有沿正交于所述水平面的垂直轴的第一厚度；并且其中所述第一耦接弹性元件和所述第二耦接弹性元件具有沿所述垂直轴的第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度。
5.根据权利要求4所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述固定结构被设置在半导体材料的管芯中，所述半导体材料的管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层；并且其中所述第一厚度由所述上层限定，并且所述第二厚度由所述底层限定。
6.根据权利要求4所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一厚度被包括在10μm和50μm之间；并且其中所述第二厚度被包括在50μm和200μm之间。
7.根据权利要求4所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一对中的驱动臂通过第一弹性元件和第二弹性元件弹性地耦接到所述内部框架，所述第一弹性元件和所述第二弹性元件平行于所述第一旋转轴延伸并且在所述第一旋转轴的相对侧上，并且相对于绕平行于所述第一旋转轴的旋转轴的扭转而屈服；并且其中所述第一对中的驱动臂、所述另一对中的驱动臂以及所述第一弹性元件和所述第二弹性元件具有所述第一厚度。
8.根据权利要求4所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述内部框架具有：短侧，通过所述第一耦接弹性元件和所述第二耦接弹性元件耦接到所述可倾斜结构；以及长侧，通过所述第一悬挂弹性元件和所述第二悬挂弹性元件耦接到所述另一对中的驱动臂；并且其中所述外部框架、所述可倾斜结构和所述内部框架的所述长侧具有等于所述第一厚度和所述第二厚度之和的第三厚度，并且所述内部框架的所述短侧具有所述第二厚度。
9.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述可倾斜结构被配置为以准静态运动绕所述第一旋转轴旋转，并且以共振运动绕所述第二旋转轴旋转。
10.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，还包括第一检测元件和第二检测元件，所述第一检测元件和所述第二检测元件被配置为以解耦的方式提供指示所述可倾斜结构分别绕所述第一旋转轴和绕所述第二旋转轴的旋转的检测信号；其中所述第一检测元件被耦接到所述第一对中的驱动臂以检测所述可倾斜结构绕所述第一旋转轴的旋转，并且所述第二检测元件被耦接到所述另一对中的驱动臂以检测所述可倾斜结构绕所述第二旋转轴的旋转。
11.根据权利要求10所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一检测元件和所述第二检测元件包括被布置在相应驱动臂处的相应扩散压电电阻器。
12.根据权利要求10所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一检测元件和所述第二检测元件包括被布置在相应驱动臂处的相应压电传感器。
13.根据权利要求10所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述第一检测元件和所述第二检测元件中的每个检测元件包括相应机械放大结构，所述相应机械放大结构具有杠杆机构，所述杠杆机构耦接到对应驱动臂；并且其中所述杠杆机构包括具有纵向延伸的杠杆臂和通过刚性连接元件耦接到对应驱动臂的第一端，以及通过扭转弹性元件耦接到与所述固定结构一体的锚固元件的第二端，其中一对扩散压电电阻器被设置在靠近所述锚固元件的所述扭转弹性元件中。
14.根据权利要求13所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，每个机械放大结构的所述扩散压电电阻器形成检测惠斯通电桥的第一半，所述相应检测惠斯通电桥的第二半由耦接到相对于所述第一旋转轴或所述第二旋转轴对称布置的所述驱动臂的所述机械放大结构的所述相应扩散压电电阻器形成。
15.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，还包括相对于所述第二旋转轴与所述第一对驱动臂对称地布置的第二对驱动臂；并且其中所述第二对中的所述驱动臂承载相应压电材料区域，并且屈服于绕所述第一旋转轴的扭转，通过相应弹性元件在相对侧并且靠近所述第一旋转轴弹性地耦接到所述可倾斜结构。
16.根据权利要求1所述的包括微机电镜设备的设备，其特征在于，所述包括微机电镜设备的设备包括微型投影仪装置，所述微型投影仪装置包括：
所述微机电镜设备；
光源，被配置为产生照射在所述微机电镜设备上的光束；
第一驱动电路，被配置为向所述光源提供第一驱动信号，以使通过所述光源根据要投影的图像产生所述光束；以及
第二驱动电路，被配置为向所述微机电镜设备提供第二驱动信号，以引起所述微机电镜设备的移动，从而以扫描图案扫描所述光束。
17.一种微机电镜设备，其特征在于，包括：
固定结构，限定外部框架，所述外部框架在内部界定腔；
内部框架，被布置在所述腔中并且在内部限定窗口；
可倾斜结构，承载反射表面，所述反射表面在水平面中具有主延伸部，所述可倾斜结构被布置在所述窗口内部并且弹性地耦接到所述内部框架；以及
致动结构，耦接到内部框架并且被配置为引起所述可倾斜结构的旋转；
其中所述致动结构包括：
第一对驱动臂，弹性地耦接到所述内部框架并且承载相应压电材料区域；以及
另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，所述另一对驱动臂中的驱动臂被插入所述固定结构和所述内部框架之间，所述驱动臂通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到所述固定结构和所述内部框架。
18.根据权利要求17所述的微机电镜设备，其特征在于，所述第一悬挂弹性元件和所述第二悬挂弹性元件具有沿正交于所述水平面的垂直轴的第一厚度；并且其中所述第一耦接弹性元件和所述第二耦接弹性元件具有沿所述垂直轴的第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度。
19.根据权利要求17所述的微机电镜设备，其特征在于，所述固定结构被设置在半导体材料的管芯中，所述半导体材料的管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层；并且其中所述第一厚度由所述上层限定，并且所述第二厚度由所述底层限定。
20.根据权利要求17所述的微机电镜设备，其特征在于，所述第一对中的驱动臂通过平行于第一旋转轴并且在第一旋转轴的相对侧延伸的第一弹性元件和第二弹性元件被弹性地耦接到所述内部框架；并且其中所述第一对中的驱动臂、所述另一对中的驱动臂以及所述第一弹性元件和第二弹性元件具有所述第一厚度。
21.根据权利要求17所述的微机电镜设备，其特征在于，所述内部框架具有：短侧，通过所述第一耦接弹性元件和所述第二耦接弹性元件耦接到所述可倾斜结构；以及长侧，通过所述第一悬挂弹性元件和所述第二悬挂弹性元件耦接到所述另一对中的所述驱动臂；并且其中所述外部框架、所述可倾斜结构和所述内部框架的所述长侧具有等于所述第一厚度和所述第二厚度之和的第三厚度，并且所述内部框架的所述短侧具有所述第二厚度。
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