具有由準靜態壓電致動可傾斜的結構的微機械設備的制作方法

本申請要求于2015年12月7日遞交的意大利專利申請號為102015000080884的優先權，其公開通過引用而被結合。

技術領域

本發明涉及具有由準靜態(quasi-static)壓電致動可傾斜的結構的微機械設備。特定地，在下文中將參照以MEMS(微機電系統)技術而獲得的微鏡，而這不暗示任何一般性損失。

背景技術：

微機械結構已知為具有利用半導體材料的技術獲得的鏡結構。

這些微機械設備被用在便攜裝置中，諸如舉例為便攜計算機、膝上型電腦、筆記本電腦(包括超薄型筆記本電腦)、PDA、平板電腦、蜂窩電話和智能電話中，以用于光學應用，特別是根據需要用于引導由光源生成的光束。

憑借它們減小的尺寸，這些設備能夠滿足關于面積和厚度的體積的嚴格要求。

例如，微機械鏡設備被用在小型化投影機模塊(所謂的微型投影機)中，其能夠以一定距離投影圖像或生成期望的光圖案。

結合圖像采集模塊，該種類的投影機模塊例如使得其能夠產生三維(3D)照片或視頻相機以用于獲得三維圖像。

微機械鏡結構通常包括在腔體上懸掛的鏡元件并且從半導體材料的本體制造來移動(例如具有傾斜或旋轉移動)以用于以任何期望的方式引導入射光束。

例如，圖1示意性地示出了微型投影機9，其包括光源1(通常是激光源)，生成由三個單色束(一個單色束用于每種基色)形成的光束2，單色束通過僅示意性表示的光學系統3而被鏡元件5在屏幕6的方向上偏轉。在所示的示例中，二維類型的鏡元件5被驅動以便于圍繞垂直軸線A和水平軸線B旋轉。鏡元件5圍繞垂直軸線A的旋轉生成快速水平掃描，如在圖2中所示。鏡元件5圍繞水平軸線B的旋轉(與垂直軸線A垂直)生成通常是鋸齒類型的較慢垂直掃描。

所獲得的掃描方案在圖2中示出并由7標記。

鏡元件5的旋轉經由致動系統而被驅動，其現在是靜電、電磁或壓電類型的。

例如，圖3示出了具有純靜電致動的鏡元件5。在此，芯片10包括在基底(不可見)之上懸掛的平臺11，其具有反射表面(未示出)并且通過第一對臂12(第一扭轉彈簧)由懸掛框架13支撐。第一壁12在平臺11的相反側上延伸并且限定鏡元件5的旋轉軸線A。懸掛框架13經由第二對臂16(第二扭轉彈簧)被連接到芯片10的固定周界部分15，該第二對臂16使得懸掛框架13和平臺11能夠圍繞水平軸線B旋轉。第一臂12和第二臂16被耦合到靜電類型的相應致動組件18A、18B。每個致動組件18A、18B在此包括面向相應的第二電極20的第一電極19。

具體而言，第一電極19相對于相應的臂12、16被固定并且與第二電極20形成梳指以用于生成容性耦合。憑借每個致動組件18A、18B的電極19、20的布置，驅動結構也被定義為“梳驅動結構”。

通過在第一電極19與第二電極20之間施加適當的電壓，可能的是在它們之間生成吸引/排斥力，因而致使第一電極19相對于第二電極20的旋轉以及臂12、16圍繞相應軸線A、B的扭轉。以此方式，獲得平臺11圍繞軸線A、B的受控旋轉，因而在水平方向以及在垂直方向掃描。

鏡元件5圍繞垂直軸線A的產生水平掃描的旋轉以通常為25kHz的諧振方式中±12°的角度而獲得，而鏡元件5圍繞水平軸線B的產生垂直掃描的旋轉以60Hz的±8°的角度而獲得，這適用于視頻信號的幀率。如提及的，由于較低的垂直掃描率，其可以以準靜態、非諧振的方式被驅動。

已經提出的是以壓電方式控制至少圍繞水平軸線B的掃描移動。例如，在美國專利申請公布文本2011/0292479中描述的設備中，懸掛的框架經由具有線圈形狀的彈簧元件被連接到固定結構，該彈簧元件由相互平行且沿著彼此布置的多個臂形成。每個臂承載壓電帶，并且相鄰的壓電帶在相反的極性電壓(例如，±20V)被偏壓。由于壓電材料的特性，該偏壓導致相鄰的臂在相反方向(向上及向下)上的形變，以及框架和平臺在第一方向上圍繞水平軸線B的旋轉。通過施加相反的偏壓，獲得了框架的和平臺在與第一方向相反的第二方向上的旋轉。垂直掃描因而可以通過向臂施加交替的雙極性電壓而被獲得。相似的致動系統在此還控制水平掃描。

然而，交替的雙極性電壓的施加減小了鏡元件5的服務壽命。

在本領域中存在提供具有克服現有技術的缺陷的壓電致動的微機械設備的需要。

技術實現要素：

在一個實施例中，一種微機械設備包括：能夠圍繞第一旋轉軸線旋轉的可傾斜結構；固定結構；以及在可傾斜結構與固定結構之間耦合的壓電類型的致動結構，其中致動結構包括具有螺旋形狀的彈簧元件。

在一個實施例中，一種用于與便攜電子裝置使用的微型投影機包括：光源，其被配置為根據待被生成的圖像生成光束；微機械設備，其包括：能夠圍繞第一旋轉軸線旋轉的可傾斜結構；固定結構；以及在可傾斜結構與固定結構之間耦合的壓電類型的致動結構，其中該致動結構包括具有螺旋形狀的彈簧元件；以及驅動電路，其被配置為供應驅動信號以旋轉所述可傾斜結構。

在一個實施例中，一種用于致動微機械設備的方法，該微機械設備包括：能夠圍繞第一旋轉軸線旋轉的可傾斜結構；固定結構；在可傾斜結構與固定結構之間耦合的致動結構，該致動結構包括具有螺旋形狀的彈簧元件，該彈簧元件由橫向于第一旋轉軸線延伸的多個致動臂形成，每個致動臂承載壓電材料的相應壓電帶，該多個致動臂包括第一組致動臂和第二組致動臂，其中在第一組致動臂的致動臂上的壓電帶被電氣耦合到彼此，其中在第二組致動臂的致動臂上的壓電帶被電氣耦合到彼此，該方法包括：向在第一組致動臂的致動臂上的壓電帶施加第一電壓；以及向在第二組致動臂的致動臂上的壓電帶施加第二電壓；其中第一電壓和第二電壓相對于彼此處于相反相位。

附圖說明

為了更好地理解本發明，其優選的實施例現在僅通過非限制性的示例以及參照所附的附圖進行描述，其中：

圖1是微型投影機的示意性表示；

圖2示出了由圖1的微型投影機在屏幕上生成的圖像的投影方案；

圖3是具有靜電致動的微電子微鏡設備的頂部平面圖；

圖4A是微電子微鏡設備的實施例的簡化頂部平面圖，其中為表達清楚起見移除了一些部分；

圖4B是圖4A的微電子微鏡設備的頂部平面圖；

圖4C是沿著圖4B的剖面IV-IV所采的橫截面；

圖5是圖4A和4B的微電子微鏡設備的橫截面；

圖6A是在第一致動步驟中微電子微鏡設備的旋轉的示意性側視圖；

圖6B是在第二致動步驟中微電子微鏡設備的旋轉的示意性側視圖；

圖7是在第一致動步驟中微電子設備的簡化透視圖；

圖8是使用微電子微鏡設備的微型投影機的框圖；以及

圖9和圖10示出了在圖8的微型投影機與便攜電子裝置之間的耦合的實施例。

具體實施方式

圖4A、圖4B和圖5是具有旋轉或可傾斜結構52的微電子設備50的示意性圖示，其能夠圍繞第一旋轉軸線B旋轉。如在圖5中可見的，可傾斜結構52被懸掛在具有底部表面53A的腔體53上，該腔體53由固定結構51形成。固定結構51因而在腔體53之下延伸并且相對于其橫向延伸。以本身已知的方式使用已知的半導體制造技術，諸如蝕刻、生長、沉積和/或選擇性移除，固定結構51和可傾斜結構51由例如為硅的半導體材料的芯片制造。

可傾斜結構52在此具有四邊形形狀尤其是矩形形狀，并且由固定結構51通過支撐及致動結構54支撐。支撐及致動結構54包括第一彈簧元件55和第二彈簧元件56，其在由第一旋轉軸線B穿過、相對于可傾斜結構52、特別是在其相對側上橫向地布置。

如在圖4A中特別明顯的是，彈簧元件55、56具有螺旋形狀并且每個均具有相應的第一端60、61以及相應的第二端64、65。彈簧元件55、56的第一端60、61在螺旋形狀的內部并且通過錨固元件62、63被錨固到腔體53的底部53A，該錨固元件62、63通過在其底部53A與垂直于其的可傾斜結構52之間的腔體53延伸(如在圖5中可見的)。彈簧元件55、56的第二端64、65在螺旋形狀的外部并且相對于可傾斜結構53被固定。在所示的實施例中，彈簧元件55、56的第一端60、61和第二端64、65在其相同側上相對于第一旋轉軸線B被偏置。

彈簧元件55、56由彼此平行的并且在與第一旋轉軸線B的橫向(特別是垂直)方向延伸的多個相應的第一臂70、71以及多個相應的第二臂72、73形成。針對每個彈簧元件55和56，第一臂70和71被定位在可傾斜結構52與垂直于第一旋轉軸線B的彈簧元件55、56的相應正中面(median plane)C、D之間。第二臂72、73在相對側上相對于彈簧元件55、56的正中面C、D延伸。

從其第一端60、61開始沿著彈簧元件55、56的螺旋形狀移動，每個螺旋形狀的最內臂由錨固到相應的錨固元件62、63的第二臂72、73(在此標記為72A、73A)形成。

從其第一端60、61開始沿著彈簧元件55、56的螺旋形狀行進，在相應的錨固元件62和63相對于第一旋轉軸線B的相對側上，每個第一臂70、71經由垂直于第一和第二臂70-73延伸的相應的第一彈簧部分66、67而被連接到之前的第二臂72、73(或連接到第二臂72A、73A)。

從其第一端60、61開始沿著彈簧元件55、56的螺旋形狀進一步行進，在相應的錨固元件62和63相對于第一旋轉軸線B的相同側上，每個第二臂72、73經由垂直于第一和第二臂70-73延伸的相應的第二彈簧部分68、69而被連接到之前的第一臂70、71。

最終，從其第一端60、61開始沿著彈簧元件55、56的螺旋形狀進一步行進，可傾斜結構52通過第一臂70A、71A被連接到彈簧元件55、56。

如在圖4B中所示，每個第一臂70、71承載壓電材料的相應的第一壓電帶74。類似地，每個第二臂72、73承載壓電材料的相應的第二壓電帶75。例如，壓電帶74、75可以是鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷。

如在圖4C中所示，每個壓電帶74、75包括由第一電極91、壓電材料層92和第二電極93形成的堆疊。絕緣層90在堆疊91-93與臂70-73之間延伸。每個壓電帶74、75可以因而被電氣表示為電容器，其第一電極91被接地并且其第二電極92如以下所述被偏壓。

第一壓電帶74被電氣連接到第一電壓源76，并且第二壓電帶75經由金屬連接件被電氣連接到第二電壓源77，這僅被示意性地表示。

如在圖5中所示，可傾斜結構52由可定向平臺80形成，該可定向平臺80通過兩個扭轉彈簧82從框架81懸掛以便于能夠圍繞第二旋轉軸線A旋轉。可定向平臺80的旋轉可以經由已知類型(例如靜電類型)的致動結構83被控制，這僅被示意性表示。以本身已知的方式，可定向平臺80承載反射表面85。

由于描述的螺旋形狀，當壓電帶74、75不被偏壓時，彈簧元件55、56和可傾斜結構52與休止面E共面并且置于該休止面E中(圖6A)。此外，由于所述的螺旋形狀，每個臂70-73實際上被錨固到之前的螺旋臂，并且當相應的壓電帶74、75被偏壓時可發生形變，以便于抬升其本身的連接到相繼的螺旋臂的端部。因此，通過交替地偏壓第一和第二臂70-73，可能的是以相反方向控制可傾斜結構52的旋轉，如在以下詳細解釋的。

在使用中，電壓源76、77以相反相位驅動。特別地，在第一步驟中，例如40V的致動電壓通過第一源76被施加到第一壓電帶74，并且0V的電壓(接地)通過第二源77被施加到第二壓電帶75。如以上提及的，在這些條件下，在第一步驟中，第一臂70、71發生形變、圍繞第一旋轉軸線B旋轉以便于將其端部帶到與接下來的第二臂72、73連接并且將第二彈簧部分68、69帶到相對于休止面E的抬升位置(圖6A)。以此方式，相對于第一旋轉面B，致動結構54被置于與錨固元件62、63相同側上的一半向上旋轉(離開腔體53)，如可由圖7中所見。由于第二臂72、73并未被偏置，它們并不發生形變，但剛性地旋轉。

如在圖6A和圖7中所示，每個第一臂70、71的旋轉角度隨這些進一步遠離錨固元件62、63而增大，直到它們達到針對第二端64、65的最大8.2°。由于第二端64、65相對于可傾斜結構52被固定，這也在與第一臂70、71相同的方向上旋轉通過8.2°。

在第二步驟中(見圖6B)，例如40V的致動電壓通過第二源77被施加到第二壓電帶75，并且0V的電壓(接地)通過第一源76被施加到第一壓電帶74。在與以上相反的方式，在該情況中第二臂72、73彎曲，在與之前的一個相反的方向上圍繞第一旋轉軸線B旋轉以便于使得致動結構54被置于與錨固元件62、63的相對于第一旋轉面B相反的側上的一半的向上旋轉(進入腔體53)。

也在該情況中的是，如在圖6B中所示，每個第二臂72、73的旋轉角度隨這些進一步遠離錨固元件62、63而增大，上至針對第二端64、65的最大8.2°。由于第二端64、65相對于可傾斜結構52被固定，這也在與臂71、73相同的方向上旋轉通過8.2°。

通過根據第一和第二步驟的次序交替地控制電壓源76、77，可能的是獲得可傾斜結構52的定向，以及因而的反射表面85的定向(根據60Hz的垂直掃描)。

微電子設備50因而可以被用在設計用來功能性地耦合到便攜電子裝置100的微型投影機101中，如在以下參照圖8-10所示。

具體地，圖8的微型投影機101包括例如為激光類型的光源102，其被配置為生成光束103；微電子設備50，其被配置為接受光束103并且向屏幕或顯示表面105(在微型投影機101外部并且被布置為相距以一定距離)發送該光束；第一驅動電路106，其被配置為向光源102供應適當的控制信號以用于根據待被投影的圖像生成光束103；第二驅動電路108，其被配置為向為電子設備50的源76、77(圖4B)供應控制信號；以及通信接口109，被設計為從例如在便攜裝置100(圖9和圖10)中所包括的外部控制單元110接受關于待被生成的圖像的信息(例如為像素陣列)。該信息被饋送到光源102以用于驅動。

微型投影機101可以被制造為相對于關聯的便攜電子裝置100(例如，圖9中所示的蜂窩電話或智能電話)的獨立類型的單獨附件。在該情況下，微型投影機101通過適當的電氣和機械連接元件(未具體示出)被耦合到便攜電子裝置100。在此，微型投影機101具有本體外殼141，其中至少一個部分141'對來自微電子設備50的光束103透明。微型投影機1的外殼141以可釋放方式耦合到便攜電子裝置100的相應殼體142。

可替代地，如在圖10中所示，微型投影機101可以在便攜電子裝置100內集成并且被布置在便攜電子裝置100的殼體142內。在該情況下，便攜電子裝置100具有對來自微電子設備50的光束103透明的相應部分142'。微型投影儀101在該情況下例如被耦合到便攜電子裝置100的殼體142內的印刷電路板。

本文中描述的微電子設備50具有許多優點。

特別地，由于僅使用相同類型的單極電壓以用于偏壓壓電帶74、75的可能性，壓電材料可以具有更長的服務壽命以及更好的穩定性。事實上，以此方式，圖4C的壓電帶74、75的壓電材料層91交替地見到零電壓和偏壓(在此是處于40V)，在任何致動步驟中其并不逆轉它們的符號。

由此，微電子設備50更加可靠。

最終，顯然的是，可以對本文描述和示出的微電子設備做出修改和變化，而不會因此脫離本發明如在所附的權利要求書中限定的范圍。例如，與具有兩個電壓源76、77不用的是，可能使用單個源，通過開關交替地連接到第一帶74和第二帶75。