微机电系统反射镜器件的制作方法

本公开涉及一种具有压电致动的mems(微机电系统)反射镜器件。

背景技术：

1、mems反射镜器件被用于便携式装置(诸如，智能手机、平板计算机、笔记本计算机以及pda)中以用于光学应用，从而以期望的模式引导由光源(例如，激光)生成的光辐射束。由于其尺寸小，这些器件在面积和厚度方面符合严格的空间占用要求。

2、例如，mems反射镜器件被用于微型投影仪装置(所谓的微型投影仪)中，能够从远处投影图像并且在屏幕或类似的显示器表面上生成期望的光图案。

3、mems反射镜器件通常包括可倾斜结构，可倾斜结构承载合适的材料(例如，铝或金，根据投影是可见光还是在红外线方式)的反射表面或反射镜表面。可倾斜结构可以弹性支撑在腔之上，并且由半导体主体制造，以例如利用倾斜或旋转移动而移动出主延伸平面，从而以期望的方式引导撞击光束。

4、可倾斜结构的旋转是借助致动系统来控制的，致动系统可以是例如静电型、电磁型或压电型。

5、与具有静电致动或电磁致动的器件相比，具有压电致动的mems反射镜器件具有利用降低的致动电压和功耗的优点。此外，它们允许提供压阻式传感器元件，压阻式传感器元件被配置为检测反射镜的驱动条件并提供反馈信号，以允许对同一驱动进行反馈控制。

6、通常，使用mems反射镜器件的应用提供沿两个轴的光束偏转，这可以通过一个被布置在另一个的下游(在光传播方向上)的两个单轴mems反射镜器件来实现，或者通过单个双轴mems反射镜器件来实现。

7、在双轴器件的情况下，可倾斜结构被配置为绕两个轴旋转；例如，它可以围绕具有谐振移动的第一轴旋转，以在屏幕或显示器表面上生成快速水平扫描，并以线性或准静态移动(即，以远低于谐振移动频率的频率)围绕第二轴旋转，从而生成缓慢竖直扫描。以这种方式，例如可以在同一屏幕或显示器表面上获得线或光栅扫描。

8、备选地，围绕第二旋转轴线的旋转也可以在谐振频率下发生，从而生成在该情况下是竖直的快速扫描，并且总体上，在屏幕或显示器表面上生成所谓的“李萨如”扫描图案。

9、例如在美国专利公开号2017/0155979和美国专利公开2023/0035607(对应于欧洲专利号3,712,676a1)中描述了双轴型和具有压电致动的mems反射镜器件的一些示例，两者的内容通过引用以其整体并入。

10、在各种情况下，可倾斜结构(微反射镜)由弹性结构(由也被称为“弹簧”的弹性元件形成)支撑，弹性结构将由致动系统生成的扫描移动传递到可倾斜结构并且因此，弹性变形。

11、通常，弹性结构和致动结构被形成在同一半导体层中，该半导体层与弹性结构和致动结构成一体地形成可倾斜结构。因此，它们的厚度等于可倾斜结构的厚度。

12、然而，这不是最优的，并且可能限制mems器件的性能。事实上，一方面期望可倾斜结构是刚性的，以在厚度方向上具有抗冲击的高鲁棒性(并且因此它通常在该方向上具有高厚度)，并且另一方面，期望弹性结构和致动器具有高致动效率，并且将致动移动有效地传递到可倾斜结构，这在很大程度上与它们的厚度相关。

13、此外，甚至致动结构和弹性部件的最优弹性特性也不相同：对于弹性结构，希望具有优化的刚度，以有效地传递致动、抗冲击鲁棒性并且抑制由外部激励激活的杂散模式；对于致动结构，期望具有低刚度，以改进致动效率。针对弹性结构和致动结构所表示的最优特性以不同且冲突的方式主要与相应结构的厚度相关。

14、因此，目前，可倾斜结构、弹性结构和致动结构的(相等)厚度是基于各种结构的刚度特性和效率之间的权衡来选择的。

15、在于2022年3月11日提交的意大利专利申请号102022000004745(对应于美国专利申请号18/118,333)中描述了双轴微机电反射镜器件，其内容通过引用以其整体并入本文。在该器件中，结构具有三种不同的厚度。致动结构以及与第一旋转轴线sa(形成慢速、准静态轴)相关联的弹性结构具有第一厚度，并且形成在薄的第一半导体层中，以在低工作电压下操作；可倾斜结构以及与第二旋转轴线fa相关联的弹性结构(在谐振频率下形成快速轴)具有大于第一厚度的第二厚度，并且形成在第二半导体层中，第二半导体层比第一半导体层更厚，从而具有高谐振频率。耦合框架和外部框架是使用第一和第二半导体层形成的，并且因此具有最大厚度。

16、虽然与先前的mems反射镜器件相比提供了相当大的优势，然而，在某些应用中，该方法不允许实现期望的致动效率。

17、实际上，形成与第一旋转轴线sa相关联的相同厚度的致动和弹性结构不允许获得该轴(此处为慢轴)的高致动效率。

技术实现思路

1、本公开的目的在于提供克服现有技术的缺点的器件。根据本公开，提供了一种如下所述的mems器件，该mems器件可以具有减小的尺寸和提高的鲁棒性。

2、微机电系统(mems)反射镜器件包括固定结构，该固定结构形成对腔进行界定的外部框架。延伸到腔中的是可倾斜结构，其承载反射表面，反射表面主要在水平平面中延伸。致动结构被连接在可倾斜结构和固定结构之间。该致动结构包括至少一个第一致动臂对，其被设计用于促进可倾斜结构围绕平行于水平平面的第一旋转轴线的旋转。这些致动臂借助弹性耦合元件而被弹性连接到可倾斜结构。每个致动臂包括轴承结构和压电结构。每个致动臂的轴承结构包括第一材料的第一区域。弹性耦合元件包括第二材料的轴承层，第二材料的刚度高于第一材料。

3、第二材料可以是硅。备选地或附加地，第一材料可以是诸如干膜光致抗蚀剂的聚合物材料。

4、轴承结构可以包括额外的第三材料层，第三材料的刚度等于第二材料。该附加层可以被布置在第一区域之上或之下。第三材料可以是硅氧化物、硅氮化物或金属。在另一实施例中，轴承结构可以包括附加的第三材料层，第三材料的刚度大于第一材料并且低于第二材料。

5、器件可以被配置为使得压电结构覆盖腔，并且轴承结构覆盖压电结构，或者轴承结构覆盖腔并且压电结构覆盖轴承结构。

6、器件还可以包括包围可倾斜结构的内部框架。内部框架可以被刚性连接到可倾斜结构并通过弹性耦合元件而被弹性连接到至少一个第一致动臂对。

7、致动结构还可以包括致动臂对，其被设计为有助于可倾斜结构围绕第二旋转轴线旋转，第二旋转轴线垂直于第一旋转轴线并平行于水平平面。这些致动臂可以借助致动弹性元件而弹性连接到内部框架，每个致动臂包括轴承结构和压电结构。在这样的配置中，可倾斜结构、固定结构、致动臂的轴承结构和致动弹性元件可以均由第二材料制成。

8、至少一个第一致动臂对中的致动臂可以被弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架。此外，器件可以包括相对于第二旋转轴线与至少一个第一致动臂对对称布置的第二致动臂对。第二致动臂对中的致动臂可以借助弹性元件而弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的可倾斜结构。

9、最后，可倾斜结构可以被设计为以准静态移动围绕第一旋转轴线旋转，并且以谐振移动围绕第二旋转轴线旋转。

10、本文还公开了微机电系统(mems)反射镜器件。器件包括包围腔的框架，并且在该腔内延伸反射镜元件。反射镜元件是能够旋转的，并且承载在水平平面中延伸的反射表面。器件还包括致动组件，用于在反射镜元件和框架之间建立连接。该致动组件具有至少一个致动臂对，使得反射镜元件能够围绕平行于水平平面的轴旋转。这些致动臂经由弹性耦合元件弹性连接到反射镜元件。每个致动臂包括轴承结构和压电结构。每个致动臂的轴承结构包含由第一材料制成的第一区域。弹性耦合元件包括由第二材料制成的轴承层，第二材料比第一材料更硬。

11、mems反射镜器件可以包括包围反射镜元件的内部框架。该内部框架被刚性连接到反射镜元件，并且经由弹性耦合元件弹性连接到致动臂。

12、致动组件可以具有另一致动臂对。这些臂有助于反射镜元件围绕平行于水平平面并垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转。这些臂经由致动弹性元件而被弹性连接到内部框架，每个致动臂具有轴承结构和压电结构。反射镜元件、框架、臂的轴承结构和致动弹性元件均由第二材料制成。

13、第一致动臂对中的致动臂可以被弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架。器件还包括第二致动臂对，第二致动臂对相对于第二旋转轴线与第一致动臂对对称。第二致动臂对中的致动臂借助弹性元件而弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的反射镜元件。

14、根据本公开的一个或多个方面，提供了一种微机电系统mems反射镜器件，包括：固定结构，限定对腔进行界定的外部框架；可倾斜结构，延伸到腔中；反射表面，由可倾斜结构承载，并且在水平平面中具有主延伸部；以及致动结构，被耦合在可倾斜结构和固定结构之间；其中致动结构包括至少一个第一致动臂对，至少一个第一致动臂对被配置为使得可倾斜结构围绕与水平平面平行的第一旋转轴线旋转，至少一个第一致动臂对中的致动臂借助相应的弹性耦合元件而弹性耦合到可倾斜结构，其中每个致动臂包括轴承结构和压电结构，其中至少一个第一致动臂对中的每个致动臂的轴承结构包括第一区域，并且弹性耦合元件包括轴承层，轴承层具有比第一区域更大的刚度。

15、在一个或多个实施例中，轴承层包括硅轴承层。

16、在一个或多个实施例中，第一区域包括第一聚合物区域。

17、在一个或多个实施例中，第一区域包括第一干膜光致抗蚀剂区域。

18、在一个或多个实施例中，轴承结构还包括附加层，附加层具有与轴承层相等的刚度，附加层被布置在第一区域之上或第一区域之下。

19、在一个或多个实施例中，附加层选自由硅氧化物附加层、硅氮化物附加层、金属附加层组成的组。

20、在一个或多个实施例中，轴承结构还包括附加层，附加层具有比第一区域更大且比轴承层更低的刚度，附加层被布置在第一区域之上或第一区域之下。

21、在一个或多个实施例中，压电结构覆盖腔，并且轴承结构覆盖压电结构。

22、在一个或多个实施例中，轴承结构覆盖腔，并且压电结构覆盖轴承结构。

23、在一个或多个实施例中，微机电系统反射镜器件还包括包围可倾斜结构的内部框架，内部框架被刚性耦合到可倾斜结构，并且内部框架借助弹性耦合元件而弹性耦合到至少一个第一致动臂对。

24、在一个或多个实施例中，致动结构还包括致动臂对，致动臂对被配置为使得可倾斜结构围绕第二旋转轴线旋转，第二旋转轴线横向于第一旋转轴线并且平行于水平平面，致动臂对中的致动臂借助相应的致动弹性元件而弹性耦合到内部框架，并且致动臂对中的致动臂包括相应的轴承结构和相应的压电结构。

25、在一个或多个实施例中，至少一个第一致动臂对中的致动臂被弹性耦合到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架；微机电系统反射镜器件还包括被布置为相对于第二旋转轴线与至少一个第一致动臂对对称的第二致动臂对，第二致动臂对中的致动臂借助相应的弹性元件而弹性耦合到第一旋转轴线的相对侧上的可倾斜结构。

26、在一个或多个实施例中，可倾斜结构被配置为以准静态移动围绕第一旋转轴线旋转，并且以谐振移动围绕第二旋转轴线旋转。

27、在一个或多个实施例中，可倾斜结构、固定结构、致动臂的轴承结构和致动弹性元件与轴承层由相同材料制成。

28、根据本公开的一个或多个方面，提供了一种微机电系统反射镜器件，包括：框架，包含腔；反射镜元件，延伸到腔中、能够旋转、在水平平面中承载反射表面；以及致动组件，将反射镜元件和框架耦接；致动组件包括至少一个致动臂对来促进反射镜元件围绕平行于水平平面的轴旋转，致动臂对经由弹性耦合元件而弹性耦接到反射镜元件，每个致动臂具有轴承结构和压电结构，每个致动臂的轴承结构包括第一区域，并且弹性耦合元件包括轴承层，轴承层比第一区域更硬。

29、在一个或多个实施例中，微机电系统反射镜器件还包括围绕反射镜元件的内部框架，内部框架被刚性耦接到反射镜元件，并且经由弹性耦合元件而弹性耦接到致动臂。

30、在一个或多个实施例中，致动组件包括促进反射镜元件围绕第二旋转轴线的旋转的另一致动臂对，第二旋转轴线平行于水平平面并且垂直于第一旋转轴线，致动臂经由致动弹性元件而弹性耦接到内部框架，每个致动臂具有轴承结构和压电结构。

31、在一个或多个实施例中，第一致动臂对中的致动臂被弹性耦接到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架；微机电系统反射镜器件还包括相对于第二旋转轴线与第一致动臂对对称的第二致动臂对，第二致动臂对中的致动臂借助弹性元件而弹性耦接到第一旋转轴线的相对侧上的反射镜元件。

32、在一个或多个实施例中，反射镜元件、框架、臂的轴承结构和致动弹性元件与轴承层由相同材料制成。

33、通过使用根据本公开的实施例，可以至少解决前述问题的至少一部分，并实现相应的效果，例如减小尺寸，提高鲁棒性。