具有分时致动和感测电路装置的基于压电的MEMS器件的制作方法

具有分时致动和感测电路装置的基于压电的mems器件技术领域1.本公开涉及微机电系统(mems)器件领域，并且，具体地，涉及利用具有致动器和传感器两者功能的同一压电器件在驱动电路装置与感测电路装置之间进行分时的mems器件。背景技术：2.微机电系统(mems)器件(诸如镜等)用于便携式器件(如虚拟或增强现实头戴式耳机、激光束扫描器以及距离测量器件)中。3.例如，图1是激光束扫描器9的示意图，该激光束扫描器9包括光源1，诸如生成由三个单色光束形成的组合光束2的激光源，单色光束各自对应于一个基色，该单色光束穿过光学系统3被镜装置5(其可以是一个双轴镜或者两个单轴镜)朝向出射窗6偏转。在示出的示例中，镜元件5是单轴的，被控制以绕垂直轴a和水平轴b转动。镜装置5绕垂直轴a的旋转产生水平扫描。如果镜装置5包括可绕水平轴b旋转的第二单轴镜，或者如果镜装置5是双轴镜，则镜装置5绕与垂直轴a正交的水平轴b的旋转将产生垂直扫描。4.另外参照图2，镜装置5绕垂直轴a(和水平轴b，如果镜装置5可以如此的话)的旋转可以通过压电致动实现，并且水平扫描和垂直扫描的组合用于将组合光束2以扫描图案7反射穿过出射窗6，当在被人眼察觉时，该扫描图案生成可视图像和视频。如果光源发射诸如红外激光束等不可见光，则扫描图案7将不会被人眼察觉到，但将仍然被期望以实现预期功能。还要注意的是，当镜装置5是单轴时，其用于将光以一维图案反射穿过出射窗6。5.为了确定生成的扫描图案7是否与预期和期望的扫描图案匹配，镜装置5具有与其相关联的一个或多个位置传感器，所述位置传感器允许检测镜装置5在正方向和负方向上沿垂直轴a(以及水平轴b，如果镜装置5可以如此的话)的偏转量。这些传感器所提供的信息被用于致动镜装置5的压电器件的驱动电路装置使用，或者被指示驱动电路装置的控制电路装置使用，作为反馈以调节镜装置5的驱动，从而帮助确保生成的扫描图案7与预期和期望的扫描图案匹配。6.然而，这种专用传感器的使用以及与这种传感器相关联的焊盘和电连接的供应消耗管芯上的空间，该空间将优选地用于其他部件，或者简单地消除以节约成本或者生产较小管芯。这就是说，如上所述，这种传感器所提供的反馈信息是昂贵的。因此，需要进一步开发提供在进行这种感测的同时消耗较少空间并且降低制造成本的设计。技术实现要素：7.在此公开了一种微机电(mems)器件，包括旋转体和机械耦联至旋转体的压电致动器，压电致动器电耦合在信号节点与参考节点之间。mems器件具有控制电路装置，该控制电路装置包括：被配置为在信号节点上生成用于压电致动器的驱动脉冲的镜驱动电路装置、被配置为从压电致动器接收感测信号的感测电路装置、以及多路复用电路。多路复用电路被配置为在运动周期的第一部分将被生成用于压电致动器的驱动脉冲耦合至压电致动器，以引起旋转体的偏转，并且在运动周期的第二部分期间将从压电致动器接收的感测信号耦合至感测电路装置。8.感测电路装置可以包括被配置为将感测信号转换为电压信号的电流至电压转换电路装置。9.控制电路装置还可以包括处理电路装置，该处理电路装置被配置为响应于感测信号而生成用于镜驱动电路装置的控制信号，控制信号调节用于压电致动器的驱动脉冲的性能。10.半导体主体可以具有限定于其中的腔，旋转体通过压电致动器悬置在腔上。11.压电致动器可以由锆钛酸铅(pzt)或掺杂锆钛酸铅(pzt)形成。12.在另一实施例中，mems器件可以包括：旋转体；以及第一多个压电致动器，被机械耦联至旋转体，第一多个压电致动器被电耦合在第一信号节点与共用电压节点之间。mems器件还可以包括第二多个压电致动器，被机械耦联至旋转体，第二多个压电致动器被电耦合在第二信号节点与共用电压节点之间。mems器件可以具有控制电路装置，该控制电路装置包括：镜驱动电路装置，被配置为交替地在第一信号节点上生成用于第一多个压电致动器的驱动脉冲和在第二信号节点上生成用于第二多个压电致动器的驱动脉冲；感测电路装置，被配置为交替地接收来自第二多个压电致动器的感测信号和来自第一多个压电致动器的感测信号；第一多路复用电路，被配置为将被生成用于第二多个压电致动器的驱动脉冲耦合至第二多个压电致动器，与此同时第二多路复用电路将从第一多个压电致动器接收的感测信号耦合至感测电路装置，并且第二多路复用电路可以被配置为将被生成用于第一多个压电致动器的驱动脉冲耦合至第一多个压电致动器，与此同时第一多路复用电路将从第二多个压电致动器接收的感测信号耦合至感测电路装置。13.第一多个压电致动器可以包括被机械耦联至旋转体的相对侧的第一对压电致动器；并且第二多个压电致动器可以包括也被机械耦联至旋转体的相对侧的第二对压电致动器。14.感测电路装置可以包括将感测信号转换为电压信号的电流至电压转换电路装置。15.控制电路装置还可以包括处理电路装置，处理电路装置被配置为响应于感测信号而生成用于镜驱动电路装置的控制信号，其中控制信号调节用于第一多个压电致动器的驱动脉冲和用于第二多个压电致动器的驱动脉冲的性能。16.控制电路装置可以进一步包括同步电路装置，同步电路装置被配置为控制第一多路复用电路和第二多路复用电路，以便实现：第一多路复用电路将被生成用于第二多个压电致动器的驱动脉冲耦合至第二多个压电致动器，与此同时第二多路复用电路将从第一多个压电致动器接收的感测信号耦合至感测电路装置，并且第二多路复用电路将被生成用于第一多个压电致动器的驱动脉冲耦合至第一多个压电致动器，与此同时第一多路复用电路将从第二多个压电致动器接收的感测信号耦合至感测电路装置。17.控制电路装置还可以包括共模电压生成电路装置，共模电压生成电路装置被配置为在共用电压节点处生成共模电压。18.半导体主体可以具有被限定于其中的腔，并且旋转体可以通过第一多个压电致动器和第二多个压电致动器而被悬置在腔上。19.第一多个压电致动器和第二多个压电致动器可以由锆钛酸铅(pzt)或掺杂锆钛酸铅(pzt)组成。20.在此描述的方法方面包括：在第一半周期期间，将驱动电路装置耦合至第一多个压电致动器，同时将第二多个压电致动器电耦合至感测电路装置；以及在第二半周期期间，将驱动电路装置电耦合至第二多个压电致动器，同时将第一多个压电致动器电耦合至感测电路装置。21.所述方法可以进一步包括：在第一半周期期间，使用驱动电路装置生成用于第一多个压电致动器的驱动脉冲，并且使用感测电路装置检测被机械耦联至第一多个压电致动器和第二多个压电致动器的旋转体的偏转；以及在第二半周期期间，使用驱动电路装置生成用于第二多个压电致动器的驱动脉冲，并且使用感测电路装置检测旋转体的偏转。22.所述方法可以进一步包括基于旋转体在第一半周期期间的偏转来调节用于第一多个压电致动器的驱动脉冲，并且基于旋转体在第二半周期期间的偏转来调节用于第二多个压电致动器的驱动脉冲。附图说明23.图1是现有技术的激光束扫描器的示意图。24.图2是当图1的现有技术的激光束扫描器扫描穿过出射窗的入射光束时，由其生成的扫描图案的示意图。25.图3是在此描述的用于mems器件的控制电路装置和驱动电路装置的框图。26.图4包括第一驱动信号和第二驱动信号以及第一感测信号和第二感测信号的曲线图，图3的控制电路装置和驱动电路装置使用这些信号用于驱动mems器件和感测mems器件的位置。具体实施方式27.以下公开使得本领域技术人员能够制造和使用在此公开的主题。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，在此描述的一般原理可以应用于以上所详述以外的实施例和应用。本公开不旨在限于示出的实施例，而是旨在符合与在此公开或建议的原理和特征一致的最大范围。28.现在参考图3描述微机电(mems)器件9，其包括mems镜10和用于mems镜10的控制电路装置19。如以下将详细说明，mems镜10使用与致动器和位置传感器两者相同的压电区。在一些应用中，mems镜可能缺少专用位置传感器。29.更具体地，mems镜10形成在半导体主体21中，并且包括旋转体11，该旋转体覆盖有反射材料并且具有在水平面xy中的主延伸，并且可以围绕平行于水平面xy的第一对称轴x旋转。第二对称轴y与第一对称轴x正交，并且与第一对称轴x一起限定水平面xy。30.现在将给出mems镜10的更多细节，但要注意的是，示出和描述的该mems镜10的细节并不旨在进行限制，并且在此描述的技术可以应用于具有任何形状(例如，圆形、矩形等)的旋转体和/或反射面的mems镜10。31.旋转体11悬置在限定于半导体主体26中的腔21上，并且在示出的实施例中，在水平面xy中具有大致椭圆形的形状，沿第一对称轴x被布置有主轴。旋转体11弹性地耦合至限定在同一半导体主体26中的固定结构38。具体地，固定结构38在水平面xy上形成框架，该框架界定并围绕腔21，并且此外具有第一支撑元件35a和第二支撑元件35b，该第一支撑元件和第二支撑元件在旋转体11的相对侧上从同一框架开始在腔21内沿第一对称轴x纵向延伸。32.旋转体11由第一支撑元件35a和第二支撑元件35b支撑，旋转体11通过第一弹性悬置元件36a和第二弹性悬置元件36b弹性地耦合至第一支撑元件35a和第二支撑元件35b，第一弹性悬置元件36a和第二弹性悬置元件36b具有高刚度以移出水平面xy(沿正交轴z，与水平面xy横向)并且顺应于围绕第一轴x的扭转)。第一弹性悬置元件36a和第二弹性悬置元件36b沿第一对称轴x在支撑元件35a与旋转体11的第一侧之间和支撑元件35b与旋转体11的第二侧之间延伸。33.在示出的实施例中，第一弹性悬置元件36a和第二弹性悬置元件36b是折叠型的，即，它们由多个具有平行于第一轴x的纵向延伸的臂形成，所述臂在端部处通过连接元件(具有平行于第二水平轴y的延伸)两两连接。第一弹性悬置元件36a和第二弹性悬置元件36b将旋转体11耦联至固定结构38，使其能够绕第一轴x旋转。34.驱动臂39a-39d有助于将旋转体11连接到固定结构38。驱动臂39a和39d被布置在第一轴x的相对侧上并且关于第一轴x对称；类似地，驱动臂39b和39c被布置在第一轴x的相对侧上并且关于第一轴x对称。驱动臂39a、39d和驱动臂39b、39c被布置在第二轴y的相对侧上并且关于第二轴y对称。驱动臂39a-39d各自具有平行于第一轴x并且平行于支撑元件35a和35b的纵向延伸。35.驱动臂39a-39d各自具有大致梯形(或鳍状)的形状，具有平行于第一轴x定向的主侧、具有平行于第二轴y定向的副侧，并且固定地耦联至固定结构38的框架。每个驱动臂39a-39d均悬置在腔21上并且在其与腔21相对的顶面上承载有相应的压电区12a-12d。压电区12a-12d可以由锆钛酸铅(pzt)或掺杂锆钛酸铅或其他合适的压电材料形成，并且在水平面xy中具有与驱动臂39a-39d基本相同的延伸。36.压电区12a和12b通过信号焊盘23a与共模电压焊盘24a之间的金属迹线22a电连接，并且压电区12c和12d通过信号焊盘23b与共模电压焊盘24b之间的金属迹线22b电连接。37.控制电路装置19包括电连接至信号焊盘23a的第一模拟多路复用器17a和电连接至信号焊盘23b的第二模拟多路复用器17b。镜驱动器电路14经过驱动总线接收输入，并将驱动信号作为输出提供给模拟多路复用器17a和17b。跨阻抗放大器(例如，电流至电压转换器)13接收来自模拟多路复用器17a和17b的输出作为输入，并提供至感测总线的输出。同步电路16为模拟多路复用器17a和17b以及镜驱动器14提供控制信号。共模电压生成电路15向共模电压焊盘24a和24b以及镜驱动器14和同步电路16提供共模电压。38.另外参照图4，现在将描述mems器件9的操作。在给定的时间段tmems期间，驱动信号将被交替地脉动，每个脉冲持续给定时间段的二分之一tmems/2。当第一驱动信号通过模拟多路复用器17b(响应于来自同步电路16的控制信号)脉动并馈送到压电区12c和12d以驱动所述压电区从而引起旋转体11绕x轴的偏转时，感测信号通过模拟多路复用器17a(响应于来自同步电路16的控制信号)从压电区12a和12b传递至感测总线；相反，当第二驱动信号通过模拟多路复用器17a(响应于来自同步电路16的控制信号)脉动并馈送到压电区12a和12b以驱动所述压电区从而引起旋转体11的偏转时，感测信号通过模拟多路复用器17b(响应于来自同步电路16的控制信号)从压电区12c和12d传递至感测总线。39.该操作可能是归因于：(1)压电材料的性质，当在向其施加电压时改变形状(例如，收缩)并且当在形状方面有机械变化时生成电压(例如，当因外部压力而导致收缩时)，以及(2)通过控制电路装置19对压电区12a-12d进行分时(例如，当驱动电压被施加到压电区12a和12b时，这又引起旋转体11偏转以及压电区12c和12d随后拉伸，感测信号被读取自压电区12c和12d；并且当驱动电压被施加到压电区12c和12d时，这又引起旋转体11偏转和压电区12a和12b随后拉伸，感测信号被读取自压电区12a和12b)。40.感测信号由处理电路装置25读取，并被用作反馈用于生成和调节经过驱动总线到镜驱动器14的控制信号，从而允许处理电路25帮助确保旋转体11在每个方向上的偏转程度与期望的偏转程度匹配。41.如从以上描述可以理解，mems器件9提供与利用专用位置传感器的现有技术mems器件相同的反馈(来自压电区12a-12d的感测信号)、但并不使用这种专用位置传感器，节省了半导体主体21上的空间。这也减少了引脚和布线导体的数量，进一步节省了空间。42.虽然以上已参考具有示出和描述的四个压电区12a-12d的mems器件9进行了描述，但应当理解的是，可以存在任何形状和任何布局的任何数量的压电区(例如，可以仅有一个压电区，或者可以有多个压电区)。无论如何，应用相同的原理，其中用于每个压电区的mems器件的运动周期被分成驱动阶段(在此期间压电区连接至驱动电路)和感测阶段(在此期间压电区连接至感测电路)，其中可以理解的是，在存在多个压电区的情况下，它们的驱动阶段和感测阶段可以根据它们围绕旋转体的位置而彼此同相或反相。43.还应当理解的是，这种时间共享和时间分割可以应用于其它mems器件类型，例如应用于静电致动的mems器件。在这种情况下，mems器件的运动周期仍然被分成驱动阶段(在此期间驱动电路连接至定子或旋转体)和感测阶段(在此期间感测电路连接至固定体或旋转体)。44.虽然已相对于有限数量的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域技术人员将了解的是，可以设想不脱离在此所公开的本公开的范围的其它实施例。因此，本公开的范围将仅由所附权利要求限定。