微机电设备和微型投影仪装置的制作方法

本公开涉及一种具有可倾斜的受压电控制的结构(特别地，微反射镜)谐振微机电系统(mems)设备。该微反射镜可以是单轴的。

背景技术：

mems设备是已知的，其具有使用半导体材料技术而获得的反射镜结构。

这样的mems设备例如在针对光学应用的便携式装置使用，诸如，便携式计算机、膝上型电脑、笔记本计算机(包括超薄笔记本计算机)、pda、平板计算机、移动电话以及智能电话，特别地用于以期望的图案引导由光源生成的光辐射束。

由于mems设备的小尺寸，这种设备可以满足关于空间占用的严格要求，空间占用与面积和厚度两者相关。

例如，微机电反射镜设备在小型化的投影仪模块(例如，微型投影仪)中使用，其能够在一定距离处投影图像或生成期望的光图案。

mems反射镜设备通常包括反射镜元件，反射镜元件悬挂在腔之上并且从半导体主体获得，以便通常通过倾斜或旋转而可移动，来以期望的方式引导入射光束。

例如，图1示意性地示出了包括光源2(通常地，激光源)的微型投影仪1，光源2生成由三个单色束组成的光束3，每个单色束针对一个基色，光束3穿过示意性地图示的光学系统4而由反射镜元件5朝向屏幕6偏转，在屏幕6处光束产生扫描7。在所图示的示例中，反射镜元件5包括两个微反射镜8、9，它们沿着光束3的路径依次布置并且是绕其自身的轴线可旋转的；即，第一微反射镜8绕垂直轴线a是可旋转的，并且第二微反射镜绕垂直于垂直轴线a的水平轴线b是可旋转的。如图1的细节中图示的，第一微反射镜8绕垂直轴线a的旋转生成快速的水平扫描。第二微反射镜9绕水平轴线b的旋转生成缓慢的垂直扫描。

在图2中图示的图1的系统的变型中，由1'标示的微型投影仪包括二维类型的反射镜元件5'，反射镜元件5'被控制以绕垂直轴线a和水平轴线b旋转，来生成与图1中的扫描图案相同的扫描图案7。

在这两种情况下，绕垂直轴线a的运动通常是谐振类型并且较快，并且绕水平轴线b的运动通常是线性类型并且较慢。

微反射镜系统的另一应用由3d手势识别系统来表示。3d手势识别系统通常使用微型投影仪和图像捕获设备，诸如相机。在此，光线可以在可见光范围内、在不可见范围内或在任何有用的频率处。针对该应用的微型投影仪可以类似于图1和图2的微型投影仪1或1'，并且由微反射镜5、5'偏转的光束3被用来在两个方向上对物体进行扫描。例如，微型投影仪可以在物体上投影小条带；物体的可能的凸出或凹入区域(由于其深度)创建光射线中的变形，这些变形可以由相机检测，并且由适用的电子器件处理以检测三维尺寸(即深度)。

在两种应用中，利用所考虑的技术，反射镜元件5、5'的旋转通过总体上是静电、磁性或压电类型的致动系统来控制。

静电致动系统通常利用高操作电压，而电磁致动系统通常带来高功率消耗。

因此，已经提出以压电方式来控制扫描运动以便生成强的力，从而使用较低的致动电压并且实现较低的功率消耗。

例如，在美国专利公开号2011/0292479(通过引用被并入)中描述的反射镜设备中，悬挂框架通过弹簧元件而连接到固定结构，该弹簧元件具有蛇形或折叠形状，其由彼此平行、并且并排设置的多个臂形成。每个臂承载压电带，并且相邻的压电带通过具有相反极性的电压来偏置。由于压电材料的特性，该偏置导致相邻的臂在相反方向(向上和向下)上的变形，并且从而导致悬挂框架在第一方向上绕水平轴线b的旋转。通过施加相反的偏置，框架在与第一方向相反的第二方向上旋转。垂直扫描因此可以通过对臂施加双极性ac电压来获得。

类似的致动系统可以控制绕垂直轴线a的旋转，从而也控制水平扫描。

另一经压电致动的反射镜设备在美国专利号10175474(ep3178783)中描述，其在法律允许的最大范围内通过引用被并入。该反射镜设备具有：绕水平轴线b可旋转的可倾斜结构；固定结构；以及压电类型的致动结构，其耦合在可倾斜结构与固定结构之间。致动结构由具有螺旋形状的弹簧元件形成。弹簧元件均由多个驱动臂形成，该驱动臂横切(transverse)于水平轴线b延伸，每个驱动臂承载压电材料的相应压电带。驱动臂被划分为以相反的相位驱动的两个集合，以获得可倾斜结构绕水平轴线b的在相反方向上的旋转。

为了降低对杂散运动的敏感性并且提供更耐冲击的结构，美国专利申请号16/704,484(于2018年12月14日提交的it102018000011112、以及ep19165958.0)描述了一种反射镜设备，其在法律允许的最大范围内通过引用被并入，该反射镜设备具有线性类型的压电致动结构，该压电致动结构由成对的驱动臂形成，成对的驱动臂通过解耦合螺旋弹簧而被耦合到可倾斜结构，其对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于(complaintto)绕旋转轴线的扭转。

通过引用并入的美国专利申请公开号2007/268950公开了一种具有压电致动的反射镜扫描器，该反射镜扫描器具有致动器臂，其直接耦合在可倾斜结构的扭转支撑臂与锚固框架之间。

当前市场要求针对高分辨率投影系统(例如，具有1440投影行，其具有增加的孔径角)的高频谐振驱动解决方案。

然而，为了获得增加的孔径角，大面积的致动结构被涉及，而这牵涉高消耗。

本领域存在对提供一种具有可倾斜结构的mems设备的需要，该mems设备能够在高频率下执行宽的振荡运动。

技术实现要素：

本申请人已经发现，常规的微机电设备涉及大面积的致动结构。

为了克服上述问题，本实用新型因此提供了一种微机电设备。

在一个方面中，提供了一种微机电设备，其特征在于，包括：裸片，具有被限定在裸片中的腔；锚固部分，由裸片形成；可倾斜结构，被弹性地悬挂在腔之上，并且可倾斜结构具有在水平平面中的主延伸部，水平平面由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定；第一支撑臂和第二支撑臂，在锚固部分与可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构，被配置成被偏置并且引起可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，旋转轴线平行于第一水平轴线；其中第一支撑臂包括第一扭转弹簧和第二扭转弹簧，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕旋转轴线的扭转，第一扭转弹簧被耦合到可倾斜结构，第二扭转弹簧被耦合到锚固部分，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧在第一约束区域处被耦合在一起；并且其中第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构相应地在第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在锚固部分与第一约束区域之间延伸。

在一些实施例中，其中第一约束区域对于扭转和挠曲是刚性的。

在一些实施例中，其中第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，第一制动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，第一致动臂和第二致动臂被耦合到锚固部分，并且第一致动臂和第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从水平平面离开的运动，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁被耦合到第一约束区域，并且顺从于绕旋转轴线的扭转。

在一些实施例中，其中第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，第一制动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，第一致动臂和第二致动臂被耦合到锚固部分，并且第一致动臂和第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从水平平面离开的运动，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁被耦合到第一约束区域，并且顺从于绕旋转轴线的扭转。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂相对于旋转轴线对称地被布置，并且具有在与第一水平轴线平行的方向上的第一长度、以及在与第二水平轴线平行的方向上的第一宽度；并且其中第一位移传递梁和第二位移传递梁相对于第一支撑臂对称地被布置，并且具有在与第一水平轴线平行的方向上的第二长度、以及在与第二水平轴线平行的方向上的第二宽度，其中第一宽度大于第二宽度。

在一些实施例中，其中第一位移传递梁和第二位移传递梁延伸相应地作为第一致动臂和第二致动臂的延长，并且相应地与第一致动臂和第二致动臂对齐。

在一些实施例中，其中第一位移传递梁和第二位移传递梁平行于第一水平轴线延伸。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂侧向于第二扭转弹簧延伸，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁侧向于第一约束区域延伸。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂侧向于第二扭转弹簧延伸，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁侧向于第一约束区域延伸。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂侧向于第二扭转弹簧、侧向于第一约束区域以及部分地侧向于第一扭转弹簧而延伸；第一位移传递梁和第二位移传递梁相应地侧向于第一致动臂和第二致动臂延伸，第一位移传递梁被布置在第一致动臂与第一扭转弹簧的一部分之间，并且第二位移传递梁被布置在第二致动臂与第一扭转弹簧的一部分之间；并且第一长度大于第二长度。

在一些实施例中，其中第一扭转弹簧和第二扭转弹簧具有线性形状、沿着第一旋转轴线延伸，并且第一扭转弹簧和第二扭转弹簧相应地具有在与第二水平轴线平行的方向上的第三宽度和第四宽度，第三宽度和第四宽度小于第一宽度。

在一些实施例中，其中第一约束区域具有在与第二水平轴线平行的方向上的第五宽度，第五宽度大于第三宽度和第四宽度。

在一些实施例中，其中锚固部分由框架部分形成，框架部分具有内部大致多边形的形状，并且包括第一侧、第二侧、第三侧和第四侧，第一侧和第二侧彼此面对，第三侧和第四侧彼此面对；第一支撑臂被耦合到框架部分的第三侧；第一致动臂和第二致动臂相对于旋转轴线对称地被布置，并且相应地被耦合到框架部分的第一侧和第二侧；并且第一致动臂和第二致动臂侧向于第一扭转弹簧延伸。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂在大致平行于第一水平轴线的方向上延伸；并且第一位移传递梁和第二位移传递梁相对于第一支撑臂对称地被布置，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁在第一水平轴线的横切方向上，侧向于第二扭转弹簧延伸。

在一些实施例中，该微机电设备还包括位移传感器，位移传感器被布置在第二扭转弹簧的被耦合到锚固部分的一端。

在一些实施例中，该微机电设备还包括：第三谐振压电致动结构和第四谐振压电致动结构，被配置成被偏置、并且引起可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，第三谐振压电致动结构和第四谐振压电致动结构包括相应地第三致动臂和第四致动臂、以及相应地第三位移传递梁和第四位移传递梁；其中旋转轴线为第一中间对称轴线；其中第三谐振压电致动结构被布置与第一谐振压电致动结构相对于第二中间对称轴线对称，第二中间对称轴线与第一中间对称轴线垂直、并且穿过可倾斜结构的中心；其中第四谐振压电致动结构被布置与第二谐振压电致动结构相对于第二中间对称轴线对称，并且与第三谐振压电致动结构相对于第一中间对称轴线对称；并且其中第二支撑臂被布置与第一支撑臂相对于第二中间对称轴线对称，并且第二支撑臂包括第三扭转弹簧、第四扭转弹簧以及约束区域，约束区域被耦合到第三谐振压电致动结构和第四谐振压电致动结构。

在一些实施例中，该微机电设备还包括第一耦合臂和第二耦合臂，其中第一耦合臂在第一谐振压电致动结构与第三谐振压电致动结构之间延伸，并且第一耦合臂被耦合到第一谐振压电致动结构和第三谐振压电致动结构，并且第二耦合臂在第二谐振压电致动结构与第四谐振压电致动结构之间延伸，并且第二耦合臂被耦合到第二谐振压电致动结构和第四谐振压电致动结构。

在一些实施例中，其中可倾斜结构承载反射表面并且形成反射镜结构。

在另一方面中，提供了一种微型投影仪装置，其特征在于，包括：光源，被配置成被驱动并且根据待生成的图像生成光束；微机电设备，包括：裸片，具有被限定在裸片中的腔；锚固部分，由裸片形成；可倾斜结构，被弹性地悬挂在腔之上，并且具有在水平平面中的主延伸部，水平平面由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定；第一支撑臂和第二支撑臂，在锚固部分与可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构，被配置成被偏置、并且引起可倾斜结构绕旋转轴线的旋转，旋转轴线平行于第一水平轴线；其中第一支撑臂包括第一扭转弹簧和第二扭转弹簧，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧对于从水平平面离开的运动是刚性的、并且顺从于绕旋转轴线的扭转，第一扭转弹簧被耦合到可倾斜结构，第二扭转弹簧被耦合到锚固部分，第一扭转弹簧和第二扭转弹簧在第一约束区域处被耦合在一起；并且其中第一谐振压电致动结构和第二谐振压电致动结构相应地在第一支撑臂的第一侧和第二侧上，在锚固部分与第一约束区域之间延伸；以及驱动电路，被配置成供应电驱动信号并且引起可倾斜结构的旋转。

在一些实施例中，其中第一约束区域对于扭转和挠曲是刚性的。

在一些实施例中，其中第一谐振压电致动结构包括第一致动臂，第一制动臂承载第一压电致动器元件和第一位移传递梁，并且第二谐振压电致动结构包括第二致动臂，第二致动臂承载第二压电致动器元件和第二位移传递梁，第一致动臂和第二致动臂被耦合到锚固部分，并且第一致动臂和第二致动臂对于扭转是刚性的、并且顺从于从水平平面离开的运动，并且第一位移传递梁和第二位移传递梁被耦合到第一约束区域，并且顺从于绕旋转轴线的扭转。

在一些实施例中，其中第一致动臂和第二致动臂相对于旋转轴线对称地被布置，并且具有在与第一水平轴线平行的方向上的第一长度、以及在与第二水平轴线平行的方向上的第一宽度；并且其中第一位移传递梁和第二位移传递梁相对于第一支撑臂对称地被布置，并且具有在与第一水平轴线平行的方向上的第二长度、以及在与第二水平轴线平行的方向上的第二宽度，其中第一宽度大于第二宽度。

在一些实施例中，其中第一位移传递梁和第二位移传递梁延伸相应地作为第一致动臂和第二致动臂的延长，并且相应地与第一致动臂和第二致动臂对齐。

本公开的实施例能够以小面积实现高频谐振。

附图说明

为了更好地理解，现在仅通过非限制性示例的方式参考附图描述一些实施例，其中：

图1是具有两个一维反射镜元件的微型投影仪的一个实施例的示意表示；

图2是具有二维反射镜元件的微型投影仪的另一实施例的示意表示；

图3是具有可倾斜结构的mems设备的一个实施例的俯视图；

图4是沿图3的截线iv-iv截取的，图3的mems设备的可能实现的横截面；

图5是沿图3的截线iv-iv截取的，图3的mems设备的另一实现的横截面；

图6是图3的mems微反射镜设备的示意图示，其中可倾斜结构处于旋转位置；

图7是具有可倾斜结构的mems设备的不同实施例的俯视图；

图8是具有可倾斜结构的mems设备的另一实施例的俯视图；

图9是图3、图7或图8的mems设备的示意图示，其中可倾斜结构处于旋转位置；

图10是具有可倾斜结构的mems设备的又一实施例的俯视图；

图11是使用本mems设备的微型投影仪的框图；以及

图12和图13示出了图11的微型投影仪与便携式电子装置之间的耦合的变型。

具体实施方式

图3示意性地示出了mems设备20，特别地是反射镜设备。

mems设备20形成在由21标示的半导体材料(特别地，硅)的裸片中，并且包括可倾斜结构22，可倾斜结构22具有在笛卡尔坐标系xyz的水平平面xy中的主延伸部、并且被布置以便绕旋转轴线旋转，该旋转轴线平行于水平平面xy的第一水平轴线x。特别地，旋转轴线对应于图1和图2中所图示类型的微型投影仪装置的快速垂直轴线a，并且因此再次由a标示。

旋转轴线a也是mems设备20的第一中间对称轴线，因此也由a标示；mems设备20的第二中间对称轴线c平行于第二水平轴线y，第二水平轴线y与第一水平轴线x正交，第二水平轴线y延伸通过可倾斜结构22的中心o，并且与第一水平轴线x一起限定水平平面xy。

可倾斜结构22被悬挂在腔23之上，腔23被形成在裸片21中，可倾斜结构22由固定结构24承载，并且在所图示的实施例中具有大致圆形的形状。然而，其他形状也是可能的，从椭圆形到多边形，例如正方形或矩形。可倾斜结构22在其顶部承载反射表面22'，以便限定反射镜结构。根据光投影是在可见光谱中还是在红外光谱中，反射表面22′由适当的材料(例如，铝或金)制成。

可倾斜结构22通过支撑结构弹性地耦合到锚固结构，支撑结构包括第一支撑臂25a和第二支撑臂25b，在此，锚固结构由固定结构24的框架部分24'形成。支撑臂25a、25b在可倾斜结构22的相对侧上、在固定结构24的框架部分24'与可倾斜结构22之间，在腔23之上沿着第一中间对称轴线a纵向延伸。

在本实施例中，在俯视图中，框架部分24'具有由70、71指示的第一较长侧和第二较长侧、以及由72、73指示的第一较短侧和第二较短侧所形成的大致矩形形状，第一较长侧和第二较长侧在此平行于第一水平轴线x延伸，第一较短侧和第二较短侧平行于第二水平轴线y延伸。

支撑臂25a、25b具有相同的形状，并且相对于第二中间对称轴线c对称地被布置；组成支撑臂25a、25b的部分因此根据该部分是属于第一支撑臂25a还是属于第二支撑臂25b，而由相同的附图标记以及字母a或b标示。

详细地，第一支撑臂25a具有刚性地耦合到可倾斜结构22的第一端25a'、以及刚性地耦合到固定结构24的框架部分24'的第一较短侧72的第二端25a”，并且第一支撑臂25a包括第一扭转弹簧27a和第二扭转弹簧28a。第一扭转弹簧27a和第二扭转弹簧28a在可倾斜结构22的第一侧与固定结构24的框架部分24'的第一侧之间，沿着第一中间对称轴线a，作为彼此的延长延伸。

第二支撑臂25b具有刚性地耦合到可倾斜结构22的第一端25b'和刚性地耦合到固定结构24的框架部分24'的第二较短侧73的第二端25b”，并且包括第三扭转弹簧27b和第四扭转弹簧28b。第三扭转弹簧27b和第四扭转弹簧28b在可倾斜结构22的第二侧(与第一侧相对)与固定结构24的框架部分24'的第二侧(与第一侧相对)之间，沿着第一中间对称轴线a延伸作为彼此的延长。

扭转弹簧27a、27b、28a、28b沿着第一水平轴线x(在下文中被称为“长度”的维度)被成形为线性梁，并且在第二水平轴线y的方向(在下文中被称为“宽度”的维度)上较薄；而且，在所图示的实施例中，扭转弹簧27a、27b、28a、28b具有大于宽度的厚度(在与笛卡尔坐标系xyz的垂直轴线z平行的方向上)；因此，扭转弹簧27a、27b、28a、28b沿着水平平面xy的第一水平轴线x和第二水平轴线y具有增加的挠曲刚度，并且顺应于绕第一中间对称轴线a的扭转。

在第一支撑臂25a中，第一扭转弹簧27a和第二扭转弹簧28a在第一约束结构29a处被连接在一起；在第二支撑臂25b中，第三扭转弹簧27b和第四扭转弹簧28b在第二约束结构29b处被连接在一起。第一约束结构29a和第二约束结构29b是刚性的，并且在此具有大致矩形的形状，其具有比扭转弹簧27a、27b、28a、28b大得多的宽度(在平行于第二水平轴线y的方向上)，并且具有与扭转弹簧27a、27b、28a、28b可比较的长度(在平行于第一水平轴线x的方向上)。

mems设备20还包括至少第一致动结构30a1和第二致动结构30a2，它们相应地在第一支撑臂25a的第一侧和第二侧上，在固定结构24的框架部分24'与第一约束结构29a之间延伸，并且具有相对应第一中间对称轴线a的对称结构。

第一致动结构30a1包括第一致动臂31a1和第一位移传递梁32a1。

在图3的实施例中，第一致动臂31a1在其第一端处刚性地耦合到固定结构24的第一较短侧72，并且平行于第二扭转弹簧28a、并且沿着第二扭转弹簧28a一侧延伸大致等于第二扭转弹簧28a的长度(在平行于第一水平轴线x的方向上)。而且，第一致动臂31a1在其第二端处被耦合到第一位移传递梁32a1。在此，第一位移传递梁32a1在第一致动臂31a1与第一约束结构29a之间延伸作为第一致动臂31a1的延长、并且平行于第一致动臂31a1，并且第一位移传递梁32a1通过第一耦合区域35a1耦合到第一约束结构29a。在实践中，第一位移传递梁32a1遍及第一约束结构29a的整个长度(在平行于第一水平轴线x的方向上)侧向(laterally)于第一约束结构29a而延伸。

同样地，在第二致动结构30a2中，第二致动臂31a2耦合在固定结构24的第二较短侧73与第二位移传递梁32a2之间，其与第二扭转弹簧28a平行、并且沿着第二扭转弹簧28a一侧。第二位移传递梁32a2在第二致动臂31a2与第一约束结构29a之间延伸作为第二致动臂31a2的延长、并且平行于第二致动臂31a2，并且第二位移传递梁32a2通过第二耦合区域35a2耦合到第一约束结构29a。在此同样地，第二位移传递梁32a2遍及第一约束结构29整个长度侧向于第一约束结构29a而延伸。

在所图示的实施例中，mems设备20还包括第三致动结构30b1和第四致动结构30b2，第三致动结构30b1和第四致动结构30b2相应地在第二支撑臂25b的第一侧和第二侧上，在固定结构24的框架部分24'与第二约束结构29b之间延伸。第三致动结构30b1和第四致动结构30b2相对于第一中间对称轴线a彼此对称，并且相应地与第一致动结构30a1和第二致动结构30a2相对于第二中间对称轴线c对称。

因此，第三致动结构30b1包括第三致动臂31b1和第三位移传递梁32b1，并且第四致动结构30b2包括第四致动臂31b2和第四位移传递梁32b2。

在第三致动结构30b1中，第三致动臂31b1耦合在固定结构24与第三位移传递梁32b1之间，第三致动臂31b1与第四扭转弹簧28b平行、并且沿着第四扭转弹簧28b一侧。第三位移传递梁32b1在第三致动臂31b1与第二约束结构29b之间延伸作为第三致动臂31b1的延长、并且平行于第三致动臂31b1，并且第三位移传递梁32b1通过第三耦合区域35b1耦合到第二约束结构29b。第三位移传递梁32b1遍及第二约束结构29b的整个长度侧向于第二约束结构29b而延伸。

此外，第四致动臂31b2耦合在固定结构24与第四位移传递梁32b2之间，第四致动臂31b2与第四扭转弹簧28b平行、并且沿着第四扭转弹簧28b的一侧。第四位移传递梁32b2在第四致动臂31b2与第二约束结构29b之间延伸作为第四致动臂31b2的延长、并且平行于第四致动臂31b2，并且第四位移传递梁32b2通过第四耦合区域35b2耦合到第二约束结构29b。在此同样地，第四位移传递梁32b2遍及第二约束结构29b的整个长度相对于第二约束结构29b侧向地延伸。

在图3中图示的实施例中，致动臂31a1、31a2、31b1、31b2具有基本矩形的形状，具有比位移传递梁32a1、32a2、32b1、32b2大得多的宽度(在平行于第二水平轴线y的方向上)。此外，致动臂31a1、31a2、31b1、31b2悬挂在腔23之上，并且在其顶部表面(不面对腔23)上承载相应的压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2，压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2在水平平面xy中基本具有与相应的致动臂31a1、31a2、31b1、31b2相同的面积。

如图3中示意性地图示的，mems设备20还包括多个电接触焊盘40，电接触焊盘40由固定结构24的框架部分24'承载，并且以未详细示出的方式而被电连接到压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2，以使得通过从mems设备20外部馈送的电信号(例如，由电子装置的偏置设备来供应，该电子装置集成了mems设备20)能够对压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2进行电偏置。

此外，mems设备20包括位移传感器41，在此，位移传感器41是压阻(pzr)类型的，其例如通过掺杂剂原子的表面扩散而形成，并且被布置在固定结构24的框架部分24'中，邻近第一支撑臂25a的第二端25a”，并且悬挂在腔23之上，以便供应与可倾斜结构22绕旋转轴线a的旋转有关的检测信号。位移传感器41电耦合到相应的电接触焊盘40，以便将电检测信号供应到mems设备20的外侧，例如到未图示的电子处理电路(诸如，asic(专用集成电路)。

图4示出了沿图3的截面轴线iv-iv截取的mems设备20的纵向截面，截面轴线iv-iv在一定程度上与第一中间对称轴线a重合，但是延伸穿过第一致动臂31a1，以示出第一压电致动元件38a1的结构。特别地，图4示出了mems设备20，当mems设备20具有形成在单个结构层45(通常是单晶硅或多晶硅)中的悬挂部分时，其被限定为具有图3中可见的几何形状，其中可倾斜结构22、支撑臂25a、25b和致动结构30a1、30a2、30b1、30b2通过沟槽46(在图4中部分可见)与固定结构24的框架部分24'分离。

详细地，在图4中，处理晶片46(例如也是单晶硅或多晶硅)通过粘合剂层44耦合在结构层45下方并且形成腔23。

图4进一步示出了压电致动器元件38a1的结构(其他压电致动器元件38a2、38b1、38b2以相同的方式形成)。详细地，压电致动器元件38a1包括层的堆叠，该层的堆叠包括导电材料的底部电极47、(例如，pzt-锆钛酸铅的)压电区域48和顶部电极49。电介质材料的钝化层50形成在结构层45之上作为覆盖，并且具有用于路由金属区域51的接触开口，以用于电耦合到相应的电接触焊盘40(在此不可见)。

在图5的实施例中，mems设备20(以与图4相同的截面来表示)具有形成在双结构层55中的悬挂部分，双结构层55例如由soi(绝缘体上硅)晶片形成。在这种情况下，soi晶片的有源层56形成了由沟槽46分离的可倾斜结构22、支撑臂25a、25b和致动结构30a1、30a2、30b1、30b2，并且支撑层57已经被选择性地去除以形成腔23'的一部分以及形成增强元件60，增强元件60平行于垂直轴线z在可倾斜结构22下方延伸。增强元件60具有对可倾斜结构22进行机械增强的功能，并且在腔23'中突出。而且，支撑层57限定了固定结构24的框架部分24'的形状。电介质层58在有源层56与支撑层57之间延伸，并且随着支撑层57而被选择性地去除。处理晶片46在支撑层下方延伸并且也被选择性地去除以形成腔23'的底部部分。

在图3-图5的mems设备20中，扭转弹簧27a、27b、28a和28b被设计以便具有对于从水平平面xy离开(沿着垂直轴线z)的运动的刚度、并且以便顺应于扭转(绕第一中间对称轴线a)。致动臂31a1、31a2、31b1、31b2被设计以便对于从平面离开的变形(由相应的压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2来控制)是柔性的并且对于扭转是刚性的。位移传递梁32a1、32a2、32b1、32b2被设计以便使得沿着其纵轴(平行于第一中间对称轴线a)能够将扭转解耦合(decouple)。特别地，成对的梁相应地由第一位移传递梁32a1和第三位移传递梁32b1、以及由第二位移传递梁32a2和第四位移传递梁32b2形成，成对的梁以彼此一致、并且相对于其他对不一致的旋转方向进行旋转。此外，位移传递梁32a1、32a2、32b1、32b2被设计以便具有挠曲刚性(以便将致动臂31a1、31a2、31b1、31b2的运动传递到支撑臂25a、25b，从而引起支撑臂25a、25b的旋转，并且将挠曲运动与扭转运动解耦合)。约束结构29a、29b和耦合区域35a1、35a2、35b1、35b2被设计对于挠曲类型的变形和扭转类型的变形均基本是刚性的，以便与位移传递梁32a1、32a2、32b1、32b2在挠曲/扭转解耦合中进行配合。

例如，整个悬挂的结构(包括可倾斜结构22、支撑臂25a、25b和致动结构30a1、30a2、30b1、30b2)具有大于80μm的厚度(例如，200μm)；第一扭转弹簧27a和第三扭转弹簧27b具有被包括在大约150μm至200μm之间的宽度(在与第二水平轴线y平行的方向上)，并且具有被包括在大约2mm至4mm之间的长度(在与第一水平轴线x平行的方向上)；第二扭转弹簧28a和第四扭转弹簧28b具有被包括在在大约100μm至200μm之间的宽度，并且具有被包括在大约0.3mm至1mm之间的长度；约束结构29a、29b具有被包括在大约0.8mm至2mm之间的宽度，并且具有被包括在大约0.2mm至1mm之间的长度；位移传递梁32a1、32a2、32b1、32b2具有被包括在大约100μm至200μm之间的宽度，并且具有被包括在大约1mm至2mm之间的长度；并且耦合区域35a1、35a2、35b1、35b2具有被包括在大约300μm和600μm之间的宽度，并且具有被包括在大约500μm至800μm之间的长度。

从而，在mems设备20的操作期间，如图6中所图示的，将偏置电压v施加到第一压电致动器元件38a1(并且在此，也施加到第三压电致动器元件38b1)引起绕第一中间对称轴线a旋转一个正角度，该偏置电压v具有相对于第二压电致动器元件38a2(并且可能地，相对于第四压电致动器元件38b2，其可以例如连接到地基准电位)的正值。

相反，将偏置电压v施加到第二压电致动器元件38a2(并且可能地，施加到第四压电致动器元件38b2)引起绕第一中间对称轴线a旋转一个负角度，这与图6中的图示相反，该偏置电压v具有相对于第一压电致动器元件38a1(并且可能地，相对于可以例如连接到地基准电位的第三压电致动器元件38b1)的正值。

由于在每个支撑臂25a、25b中存在两个扭转弹簧、并且由于在每个支撑臂25a、25b中的中间位置将致动结构30a1和30a2耦合到约束结构29a、29b，可倾斜结构22可以通过相对于其他谐振mems设备更宽的角度来进行旋转，在低于30v(例如20v)的偏置电压v处达到增加的倾角(多达14°)。

从而，mems设备20能够以高频率(例如，60khz)工作，具有大面积(例如，具有1.1mm的直径)的反射镜、以及等于例如6.5mm²的压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2的面积(尽管具有减小的耗散(与偏置电压的平方成比例))，并且具有裸片21的小尺寸(例如，13×2.6mm²)。

此外，位移传感器41(被布置在第一支撑臂25a的第二端25a”的邻近处)靠近固定结构24的框架部分24'，并且因此靠近电接触焊盘40。因此，将位移传感器41耦合到相应的电接触焊盘40的连接线(未图示)较短，并且在裸片21的非应力区域中延伸，从而因此更鲁棒并且确保了良好的敏感度。

图7示出了mems设备120，其中致动臂(在此由131a1、131a2，131b1、131b2标示)沿着第二扭转弹簧(在此由128a标示)或相应地第四扭转弹簧(在此由128b标示)的一侧、以及沿着第一扭转弹簧(在此由127a标示)或相应地第三扭转弹簧(在此由127b标示)的一定范围二者而延伸，并且位移传递梁(在此由132a1、132a2、132b1、132b2标示)在相应的致动臂131a1、131a2、131b1、131b2与相应的第一扭转弹簧127a或第三扭转弹簧127b之间延伸。

详细地，在mems设备120中，第一致动臂131a1和第二致动臂131a2沿着第二扭转弹簧128a、并且沿着第一扭转弹簧127a的长度的大约三分之二而延伸，并且第一致动臂131a1和第二致动臂131a2通过自己的反c形的中间耦合区域142a1、142a2而被连接到相应的位移传递梁132a1、132a2。反之亦然，第三致动臂131b1和第四致动臂131b2沿着第四扭转弹簧128b、并且沿着第三扭转弹簧127b的长度的大约三分之二而延伸，并且第三致动臂131b1和第四致动臂131b2通过自己的c形的中间耦合区域142b1、142b2而被连接到相应的位移传递梁132b1、132b2。

在此，由138a1、138a2、138b1、138b2标示的压电致动器元件在相应的致动臂131a1、131a2、131b1、131b2的一部分上延伸。

位移传递梁132a1、132a2、132b1、132b2在约束结构(在此由129a、129b标示)处被连接到扭转弹簧127a、127b、128a、128b，并且约束结构具有相比于图3中小的尺寸。

此外，在图7的实施例中，在俯视图中，致动臂131a1、131a2、131b1、131b2不再具有规则的矩形形状，而是具有这样的部分，该部分靠近中间耦合区域142a1、142a2、142b1和142b2，并且具有梯形形状，该梯形形状具有朝向中间耦合区域142a1、142a2、142b1和142b2减小的宽度。同样，在此由123标示的腔的外周不再是矩形的，而是遵循致动臂131a1、131a2、131b1、131b2的轮廓。在此，可倾斜结构由122标示。

例如，在图7的实施例中，致动臂131a1、131a2、131b1、131b2具有被包括在大约2mm至3mm之间的长度，并且具有被包括在400mm至800mm之间的宽度；位移传递梁132a1、132a2、132b1、132b2具有被包括在大约1mm至2mm之间的长度；第一扭转弹簧127a和第三扭转弹簧127b具有被包括在大约2mm至4mm之间的长度；并且第二扭转弹簧128a和第四扭转弹簧128b具有被包括在大约300μm至600μm之间的长度。

由于位移传递梁132a1、132a2、132b1、132b2的位置，mems设备120具有比图3-图5的mems设备20小的长度(在平行于旋转轴线a的方向上)。

图8示出了类似于图7的mems设备120的mems设备220，其中在此由231a1、231a2、231b1、231b2标示的致动臂通过第一耦合臂243a和第二耦合臂243b而被连接在一起。

详细地，在图8中，在此由231a1、231a2、231b1、231b2标示的致动臂具有在俯视图中基本矩形的细长形状，并且相应地延伸大致等于第一扭转弹簧(在此由227a标示)和第三扭转弹簧(在此由227b标示)的长度的三分之二的长度。

在此，致动臂231a1、231a2、231b1、231b2也通过其自己的中间耦合区域(在此由242a1、242a2、242b1和242b2标示)连接到相应的位移传递梁(在此由232a1、232a2、232b1、232b2标示)，中间耦合区域具有例如等腰梯形的形状，其中底侧与相应的致动臂231a1、231a2、231b1、231b2的面向框架部分的一侧(在此由224'标示)对齐。

此外，第一致动臂231a1和第三致动臂231b1通过第一耦合臂243a而被耦合在一起，第一耦合臂243a延伸作为致动臂的延长并且作为中间耦合区域242a1、242b1的延长，第一耦合臂243a的朝向框架部分224'的一侧与相关联的致动臂231a1、231b1的对应的一侧、以及与相关联的中间耦合区域242a1、242b1的对应的一侧对齐。

同样地，第二致动臂231a2和第四致动臂231b2通过第二耦合臂243b而被耦合在一起，第二耦合臂243b相对于第一中间对称轴线a与第一耦合臂243a对称地被布置和配置。

第一耦合臂243a和第二耦合臂243b具有小于致动臂231a1、231a2、231b1、231b2的宽度(在平行于第二水平轴线y的方向上)，从而它们可以在mems设备220旋转期间变形。例如，耦合臂243a、243b可以具有被包括在大约100μm和200μm之间的宽度。

由于耦合臂243a、243b的存在，图8的mems设备220能够去除可能有问题的杂散机械模式。实际上，由于实际结构的不理想性，在一些情况下，约束结构129a、129b可能在相反的方向上旋转，并且被布置在旋转轴线x的相同侧的致动臂231a1、231b1(或231a2、231b2)、以及对应的位移传递梁232a1和232b1(或232a2和232b2)可能倾向于在相反的方向上运动。耦合臂243a、243b防止这种不期望的相反运动。

mems设备120和220与mems设备20类似地操作。例如，图9示出了当第二压电致动器元件和第四压电致动器元件(由图8中的238a2和238b2标示)通过偏置电压v被偏置时，图8的mems设备220的旋转，该偏置电压v相对于第一压电致动器元件和第三压电致动器元件(在此由238a1和238b1标示)以及地是正。特别地，图9示出了图8中由222标示的可倾斜结构的负旋转，其通过针对在25khz的频率处的电压v＝30v的16°的角度。由本申请人进行的研究表明，在这种条件下，与已知的解决方案相比，mems设备220具有可接受的应力水平、以及降低了一半的功率消耗，其具有减小了30％的在图8中由221标示的裸片的面积。

图10示出了具有在此由422表示的可倾斜结构的mems设备420，其中第一致动臂和第二致动臂(在此由431a1、431a2标示)沿着第一扭转弹簧(在此由427a标示)一侧与第一扭转弹簧大致平行地延伸，并且第三致动臂和第四致动臂(在此由431b1、431b2标示)沿着第三扭转弹簧(在此由427b标示)一侧与第三扭转弹簧大致平行地延伸。此外，第一位移传递梁和第二位移传递梁(在此由432a1、432a2标示)在第一约束结构429a与相应的致动臂431a1、431a2之间，横切于第一支撑臂(在此由425a标示)延伸；并且第三位移传递梁和第四位移传递梁(在此由432b1、432b2标示)在第二约束结构429b与相应的致动臂431b1、431b2之间，横切于第二支撑臂(在此由425b标示)延伸。

此外，在mems设备420中，第一致动臂431a1、第二致动臂431a2、第三致动臂431b1和第四致动臂431b2被固定到在此由424'标示的框架部分的与图3-图9的实施例不同的侧上。虽然在图3-图9的实施例中，支撑臂(图3中的25a、25b)和致动臂(图3中的30a1、30a2、30b1、30b2)二者均被固定到框架部分24的较短侧(图3中的72、73)，但在图10中，支撑臂425a、425b被固定到框架部分424'的较短侧(在此由472、473标示)，并且致动臂431a1、431a2被固定到框架部分424'的较长侧(在此由470、471标示)。

而且，在图10的实施例中，在此由430a1、430a2、430b1、430b2标示的第一致动结构、第二致动结构、第三致动结构和第四致动结构通常是s形的，其具有在每个致动臂431a1、431a2、431b1、431b2与相应的位移传递梁432a1、432a2、432b1、432b2之间平滑的挠曲连接，并且致动臂431a1、431a2、431b1、431b2从相应的位移传递梁432a1、432a2、432b1、432b2向后弯朝向可倾斜结构422。

此外，第一致动结构430a1、第二致动结构430a2、第三致动结构430b1和第四致动结构430b2具有可变的宽度，其从相应的约束结构429a、429b朝向框架部分422'增加。

类似于图3-图9的实施例，在此由438a1、438a2、438b1、438b2标示的压电致动器元件在相应的致动臂431a1、431a2、431b1、431b2上延伸。

而且，在此同样地，压阻(pzr)类型的位移传感器441被布置在固定结构424的框架部分424'中与第一支撑臂425a的端部邻近，第一支撑臂425a固定到框架部分424'并且悬挂在腔(在此由423标示)之上。

在实践中，在mems设备420中，第一扭转弹簧427a和第三扭转弹簧427b形成主扭转弹簧以用于允许可倾斜结构422的旋转，并且第二扭转弹簧428a和第四扭转弹簧428b形成次级扭转弹簧以允许对可倾斜结构422的旋转角度的感测。在此，第一扭转弹簧427a和第三扭转弹簧427b比第二扭转弹簧428a和第四扭转弹簧428b更长。

由于致动臂431a1、431a2、431b1、431b2和相应的压电致动器元件438a1、438a2、438b1、438b2侧向于第一扭转弹簧427a和第三扭转弹簧427b的上述布置，图10的mems设备420具有沿着第一水平轴线x的较短的长度，并且因此在裸片面积方面具有高度紧凑的大小。

此外，由于致动结构430a1、430a2、430b1、430b2的可变宽度，其刚度因此可以根据不同部分的特定任务来区分和优化。特别地，位移传递梁432a1、432a2、432b1、432b2的较低宽度允许它们更好地传递运动并且最小化由于变形所引起的应力，并且致动臂431a1、431a2、431b1、431b2的较大宽度允许布置较大的压电致动器元件438a1、438a2、438b1、438b2，其因此利用较大的力来操作。因此，该结构非常高效。

mems设备20、120、220、420可以用在微型投影仪301中，该微型投影仪301被适配为功能性地耦合到如在下文中参考图11-图13所图示的便携式电子装置300。

详细地，图11的微型投影仪301包括：光源302，其例如激光类型的，旨在生成光束303；mems设备20、120、220，旨在接收光束303，并且将光束引导向屏幕或显示表面305(在微型投影仪301外部并且设置距其一定距离设置处)；第一驱动电路306，旨在向光源302供应适当的控制信号，以用于根据待投影的图像来生成光束303；第二驱动电路308，旨在提供驱动信号，以用于使mems设备20、120、220的可倾斜结构22、122、222(图4、图8和图9)旋转；以及通信接口309，旨在从(例如，被包括在便携式装置300中的)外部控制单元310接收关于待生成的图像的光信息，该光信息例如以像素的阵列的形式。光信息被输入以用于驱动光源302。

此外，控制单元310可以包括用于控制mems设备的20、120、220的可倾斜结构22、122、222的角度位置的单元。为此，控制单元310可以通过接口309接收由位移传感器41、141、241(图4、图8和图9)生成的信号，并且相应地控制第二驱动电路308。

微型投影仪301可以是与相关联的便携式电子装置300(例如，移动电话或智能手机)分离的独立附件，如图12中所示。在这种情况下，微型投影仪301通过适当的电气和机械连接元件(未详细图示)耦合到便携式电子装置300。在此，微型投影仪301具有其自己的壳体341，其具有对来自mems设备20、120、220的光束303透明的至少一部分341'，并且微型投影仪301的壳体341以可释放的方式耦合到便携式电子装置300的相应壳体342。

备选地，如图13中所图示的，微型投影仪301可以被集成在便携式电子装置300内，并且被布置在便携式电子装置300的壳体342内侧。在这种情况下，便携式电子装置300具有对从mems设备20、120、220出射的光束303透明的相应部分342'。在这种情况下，微型投影仪301例如耦合到便携式电子装置300的壳体342内的印刷电路。

本文描述的mems设备具有许多优点。通过在支撑结构中的两个扭转弹簧以及通过致动结构在两个扭转弹簧之间的连接，可以在pzt致动器的挠曲运动与可倾斜结构之间获得双重解耦合。与已知的解决方案相比，本公开实施例支持获得特别宽的旋转角度，对于谐振运动(绕第一中间对称轴线a)也是如此。

此外，通过上述几何形状，第二扭转弹簧和第四扭转弹簧可以在固定结构的框架部分的邻近处传递应力(间接测量旋转角度)。因此，可以将位移传感器(pzr传感器)定位在靠近框架部分的悬挂区域中，从而减小了传感器与接触焊盘之间的导电路径的长度，并且尤其是，接触焊盘不会在由于扭转运动和/或挠曲运动所导致的高应力区域之上延伸。因此，mems设备更可靠并且较少遭受可能危害mems设备正常操作的故障和电气中断。

最后，清楚的是，在不脱离如所附权利要求限定的本实用新型的范围的情况下，可以对本文描述和图示的mems设备进行修改和变化。例如，所描述的各种实施例可以被组合以便提供进一步的解决方案。

而且，如果需要的话，mems设备可以包括驱动结构，该驱动结构沿着第二中间对称轴线，在锚固部分与固定结构的其余部分之间。

同样地，图3-图5的结构还可以被提供有类似于耦合臂243a、243b的耦合臂，并且这些耦合臂相应地将第一位移传递梁32a1与第三位移传递梁32b1、以及将第二位移传递梁32a2与第四位移传递梁32b2连接在一起。

此外，本文中图示和描述的尺寸和形状可以变化；例如，扭转弹簧27a、27b、28a、28b；127a、127b、128a、128b；227a、227b、228a和228b可以具有等于或大于宽度的厚度。通常，尺寸以及尺寸比率可以按照设计者已知的方式根据期望的机械特性和弹性特性来设计。