微型扫描面镜的制作方法

1.本发明是有关于一种微机电系统(micro electronical mechanical systems,mems)元件，且特别是有关于一种微型扫描面镜。背景技术：2.反射式微型面镜主要应用于光学投影、光通讯与光学测距雷达应用等。其中以微机电系统(micro electro-mechanical systems,以下简称mems)结合半导体制程整合制造技术所设计的微型面镜元件，相对于精密加工所制造的微型面镜，可实现批量生产节省成本、微型化与电子电路集成整合等优势。微型面镜为一个被动的元件，需要借助外部的驱动力量来带动微型面镜，使微型面镜产生转动的行为，外部驱动方式主要可分为三大类型，包含：静电驱动、电磁驱动与压电驱动。目前市售采用半导体制造的微型面镜元件多以静电式与电磁式为主，主要原因在于相对材料取得容易、半导体制程技术及外部组装技术成熟，但相对所需付出的代价则是旋转角度小、大驱动电压、电磁生热与抵抗外力冲击不足等问题。3.其中，静电驱动方式是以多组的平行交错电容板，借助电场在平行电容板的边缘效应(fringe effect)，所产生的静电力量来带动微型面镜。当外在震动或冲击力时，梳状结构体若彼此碰触，将快速造成短路，进而元件失效，且制程良率不佳，将失去元件生产成本竞争优势。4.另一方面，电磁驱动方式则是在微型面镜上铺设电磁线圈，并在微型面镜外围铺设永久磁铁或铁磁材料。当外部给予交流电施加在线圈上时，借由电流的磁效应所产生的洛伦兹力，来带动微型面镜。然而，电磁驱动形式需要在微镜上方电镀线圈以及组装外部磁体，因此不利于组装以及元件微型化的趋势。5.压电驱动方式则是借助压电材料特性，当外部施加电压在压电材料上，使压电材料产生应变的力量，再经由材料应变的力量，带动结构体产生的形变量，以带动微型面镜的转动行为。压电材料相对前两者的机电转换效率是最高的一种选择。6.然而，目前的压电驱动方式中的微型面镜的直径尺寸多以1mm为主，其主要被应用为投影与激光打印机的扫描面镜应用，但此种面镜尺寸将对应用距离有所限制。以光学测距雷达的应用，近则数十公尺，远则达数百公尺的应用情境，其对于激光源与光强度反射就有较大的强度上的需求，小尺寸的微型面镜则难以应用此情境中。但若增大微型面镜的尺寸，则需考量到压电驱动方式中的驱动力是否足够带动大尺寸的微型面镜来进行扭转转动并达到±15度以上的机械旋转角。[0007]“背景技术”段落只是用来帮助了解本技术实现要素：，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成本领域技术人员所知道的已知技术。在“背景技术”段落所公开的内容，不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题，在本发明申请前已被本领域技术人员所知晓或认知。发明内容[0008]本发明提供一种微型扫描面镜，能够带动大尺寸的微型面镜以适当的旋转角度转动，且具有良好的可靠度。[0009]本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。[0010]为达上述之一或部份或全部目的或是其他目的，本发明的一实施例提出一种微型扫描面镜。微型扫描面镜包括固定基板、镜片以及多个悬臂。固定基板具有开口。镜片位于开口，具有平行于固定基板表面的中心轴，中心轴通过镜片的中心。多个悬臂位于开口且相对中心轴而呈线对称设置，各悬臂包括一压电材料结构以及多个第一驱动电极与多个第二驱动电极。压电材料结构包括连接部、折绕部以及固定部。连接部沿着平行于中心轴的方向连接镜片。折绕部具有弯折区域与多个驱动电极区域。固定部连接固定基板，且折绕部连接连接部与固定部。多个第一驱动电极与多个第二驱动电极，分别位于折绕部中对应的驱动电极区域上，且第一驱动电极与第二驱动电极自连接部的一侧往固定部的一侧彼此间隔排列，且位于中心轴的一侧的各悬臂上的第一驱动电极所在的驱动电极区域与位于中心轴的另一侧的各悬臂上的第二驱动电极所在的驱动电极区域以中心轴而呈线对称设置。[0011]基于上述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，微型扫描面镜能够通过各悬臂的压电结构的连接部、折绕部以及固定部的配置，可节省悬臂的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜的镜片尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角。并且，微型扫描面镜通过镜片的肋补强结构的设置，可以增加镜片的结构强度，并强化镜片的平整度。此外，微型扫描面镜的镜片通过转轴结构与固定基板的连结，在镜片旋转时，可达到抗震效果，并使镜片在转动过程减少向下的偏移。[0012]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。附图说明[0013]图1a是本发明的一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。[0014]图1b是图1a的微型扫描面镜的底视示意图。[0015]图2a是施加于图1a的第一驱动电极与第二驱动电极的一种驱动电压的波形示意图。[0016]图2b与图2c是图2a的微型扫描面镜分别在第一时刻与第二时刻时的旋转情形示意图。[0017]图2d是图2a的第一驱动电极或第二驱动电极的驱动电压与微型扫描面镜的旋转角度的关系曲线示意图。[0018]图2e是图1a的微型扫描面镜的旋转角度与感测电极的感测电压的关系曲线示意图。[0019]图3是施加于图1a的第一驱动电极与第二驱动电极的另一种驱动电压的波形示意图。[0020]图4是本发明的另一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。[0021]图5是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。[0022]图6是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。[0023]图7是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。具体实施方式[0024]有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。[0025]图1a是本发明的一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。图1b是图1a的微型扫描面镜的背视示意图。请参照图1a与图1b，本实施例的微型扫描面镜100包括固定基板110、镜片120以及多个悬臂130。固定基板110具有开口op。举例而言，在本实施例中，固定基板110的材质例如为硅(silicon)，但本发明不限于此。[0026]如图1a与图1b所示，在本实施例中，镜片120位于开口op中，具有平行于固定基板110表面的一中心轴s，并具有一第一表面s1与一第二表面s2。中心轴s通过镜片120的中心o，第一表面s1与第二表面s2彼此背离，且镜片120的第一表面s1设有反射层121，镜片120的第二表面s2设有肋补强结构122，其中肋补强结构122为环状。如此，通过肋补强结构122的设置，可以增加镜片120的结构强度，并强化镜片120的平整度。[0027]另一方面，如图1a所示，在本实施例中，多个悬臂130位于开口op中且相对中心轴s而呈线对称设置，各悬臂130包括压电材料结构131以及多个第一驱动电极de1与多个第二驱动电极de2。进一步而言，如图1a所示，在本实施例中，压电材料结构131包括连接部131a、折绕部131b以及固定部131c。连接部131a沿着平行于中心轴s的方向连接镜片120。折绕部131b具有弯折区域zg与多个驱动电极区域dr。固定部131c连接固定基板110，且折绕部131b连接连接部131a与固定部131c。举例而言，如图1a所示，在本实施例中，各悬臂130的连接部131a与镜片120的连接处与镜片120的中心形成连心线p，且连心线p与中心轴s形成的夹角θ角度小于5度。由前述可知各悬臂130的连接部131a邻近中心轴s设置。[0028]另一方面，具体而言，如图1a所示，在本实施例中，折绕部131b的宽度尺寸自固定部131c的一侧往连接部131a的一侧逐渐渐缩。更具体而言，折绕部131b具有第一部分131b1与第二部分131b2，折绕部131b的弯折区域zg连接第一部分131b1与第二部分131b2，折绕部131b的第一部分131b1连接连接部131a，第二部分131b2连接固定部131c。举例而言，如图1a所示，在本实施例中，折绕部131b的第一部分131b1为圆弧状，并沿着镜片120的圆周方向r1延伸，折绕部131b的第二部分131b2为梯形状，固定部131c与固定基板110的开口op的边e1连接，第二部分131b2与开口op的边e1正交，且沿着与开口op的边e1相邻的另一边e2延伸。[0029]并且，如图1a所示，在本实施例中，多个第一驱动电极de1与多个第二驱动电极de2分别位于折绕部131b中对应的驱动电极区域dr上，且第一驱动电极de1与第二驱动电极de2自连接部131a的一侧往固定部131c的一侧彼此间隔排列。举例而言，如图1a所示，在本实施例中，折绕部131b的第一部分131b1与第二部分131b2上分别至少设置有一个第一驱动电极de1与一个第二驱动电极de2。并且，如图1a所示，位于中心轴s的一侧的各悬臂130上的第一驱动电极de1所在的驱动电极区域dr与位于中心轴s的另一侧的各悬臂130上的第二驱动电极de2所在的驱动电极区域dr以中心轴s而呈线对称设置。此外，如图1a所示，第一驱动电极de1与第二驱动电极de2自连接部131a的一侧往固定部131c的一侧是以交错排列的方式设置。[0030]另一方面，如图1a所示，在本实施例中，微型扫描面镜100还包括转轴结构123。转轴结构123位于开口op中，并连接镜片120与固定基板110，其中中心轴s通过转轴结构123。更具体而言，转轴结构123位于悬臂130中位于中心轴s一侧的其中一悬臂130的连接部131a与相邻且位于中心轴s另一侧的另一悬臂130的连接部131a之间，且各悬臂130的连接部131a邻近转轴结构123设置。如此，镜片120通过转轴结构123与固定基板110的连结，在镜片120旋转时，可达到抗震效果，并使镜片120在转动过程减少向下的偏移。[0031]此外，如图1a所示，在本实施例中，各悬臂130上的压电材料结构131的固定部131c具有感测电极区域sr，且微型扫描面镜100还包括多个感测电极se，各感测电极se分别对应地位于感测电极区域sr上。在本实施例中，感测电极se可用以感测压电材料结构131的固定部131c受第一驱动电极de1或第二驱动电极de2驱动时的电荷变化，进而反推微型扫描面镜100的镜片120绕中心轴s旋转时的位移变化或角度变化。[0032]以下将搭配图2a至图3，针对微型扫描面镜100绕中心轴s旋转时的过程进行进一步地解说。[0033]图2a是施加于图1a的第一驱动电极与第二驱动电极的一种驱动电压的波形示意图。图2b与图2c是图2a的微型扫描面镜分别在第一时刻与第二时刻时的旋转情形示意图。图2d是图2a的第一驱动电极或第二驱动电极的驱动电压与微型扫描面镜的旋转角度的关系曲线示意图。图2e是图1a的微型扫描面镜的旋转角度与感测电极的感测电压的关系曲线示意图。具体而言，在本实施例中，施加于各悬臂130上的第一驱动电极de1的驱动电压彼此相同，施加于各悬臂130上的第二驱动电极de2的驱动电压彼此相同。并且，如图2a所示，在本实施例中，施加于各悬臂130上的第一驱动电极de1的驱动电压与施加于第二驱动电极de2的驱动电压的大小与波形彼此相同，且具有180度的相位差。值得说明的是，在本实施例中，图2a所示的驱动电压的波形虽以正弦波为例示，但本发明不限于此，在其他的实施例中，驱动电压的波形也可为方波、三角波或是任何具有周期性的波形。[0034]进一步而言，如图2a与图2b所示，在第一时刻t1中，通过给定一电压源信号以对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2施加驱动电压，并且，如图1a所示，位于中心轴s的一侧的各悬臂130上的第一驱动电极de1所在的驱动电极区域dr与位于中心轴s的另一侧的各悬臂130上的第二驱动电极de2所在的驱动电极区域dr以中心轴s而呈线对称设置。如此，在压电材料结构131分别被第一驱动电极de1与第二驱动电极de2驱动时，可使位于中心轴s的两侧的压电材料产生形变后，各悬臂130上的应变力可形成第一扭矩，并带动镜片120以中心轴s为旋转轴进行旋转。如图2b所示，微型扫描面镜100产生沿中心轴s的逆时针方向转动，而可使面镜形成为具机械倾角角度的型态，而可将投射至镜片120的光束反射至特定角度。[0035]另一方面，如图2a与图2c所示，在第二时刻t2中，对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2所施加的驱动电压为第一时刻t1的驱动电压的大小与波形彼此相同，且具有180度的相位差。如此，在第二时刻t2中，各悬臂130上的应变力可形成与第一时刻t1的第一扭矩方向相反的第二扭矩，而可使微型扫描面镜100产生沿中心轴s的顺时针方向转动。如此，通过施加具有周期性的波形的驱动电压，可依此使微型扫描面镜100重复往返的动作，以达到所设定的机械旋转角度目的。[0036]进一步而言，如图2d所示，在本实施例中，对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2所施加的驱动电压大小与微型扫描面镜100的机械旋转角度具有正向的相关性，因此，可依据需求，通过调节对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2所施加的驱动电压值，来改变机械旋转角度。[0037]并且，如图2e所示，在本实施例中，当各悬臂130通过应变力而产生形变的同时，各悬臂130的固定部131c的感测电极区域sr也会基于压电材料的特性，当边界应力产生变化时应变力随着扭转角度的不同，将产生不同程度的电荷量，而使配置在感测电极区域sr上的感测电极se同步接受到感测信号，且感测信号的波形相位将与驱动电压的状态近似。如此，如图2e所示，可通过感测信号的波形来判断目前的机械旋转角度是否已达到需求。并且，若以微型面镜的中心轴s进行划分的话，当左侧感测电极se受到为压缩应力所产生电荷时，右侧的感测电极se将接收到伸张应力的电荷，将两侧的感测电极se信号相加，可提高感测信号的灵敏度。[0038]如此一来，通过各悬臂130的压电结构的连接部131a、折绕部131b以及固定部131c的配置，可节省悬臂130的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜100的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜100的镜片120尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角。[0039]图3是施加于图1a的第一驱动电极与第二驱动电极的另一种驱动电压的波形示意图。值得注意的是，在前述的实施例中，各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2是被同时且连续地施加大小与波形彼此相同且具有180度的相位差的驱动电压，但本发明不限于此。如图3所示，在另一实施例中，也可分别于不同时刻中，对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2施加驱动电压，只要对各悬臂130上的第一驱动电极de1与第二驱动电极de2施加驱动电压的电压大小与波形彼此相同，且分时驱动即可。如此，也可使微型扫描面镜100达到前述的效果与优点，在此就不再赘述。[0040]图4是本发明的另一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。请参照图4，图4的微型扫描面镜400与图1a的微型扫描面镜100类似，而差异如下所述。如图4所示，在本实施例中，折绕部431b的第一部分431b1与折绕部431b的第二部分431b2为圆弧状，并沿着镜片120的圆周方向r1延伸，且折绕部431b的第二部分431b2相较于折绕部431b的第一部分431b1更远离镜片120。并且，如图4所示，在本实施例中，折绕部431b的第一部分431b1与折绕部431b的第二部分431b2的宽度尺寸相同，换言之，折绕部431b的宽度尺寸自固定部431c的一侧往连接部431a的一侧不变。如图4所示，位于中心轴s两侧的各悬臂430上的固定部431c邻近转轴结构123以及连接部431a设置。[0041]如此，微型扫描面镜400也可通过各悬臂430的压电材料结构431的连接部431a、折绕部431b以及固定部431c的配置，可节省悬臂430的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜400的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜400的镜片120尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角，进而使微型扫描面镜400也能达到与前述的微型扫描面镜100类似的效果与优点，在此就不再赘述。[0042]图5是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。请参照图5，图5的微型扫描面镜500与图1a的微型扫描面镜100类似，而差异如下所述。如图5所示，相较于图1a的微型扫描面镜100，微型扫描面镜500省略了转轴结构123，在本实施例中，折绕部531b的第一部分531b1的宽度自邻近连接固定部531c的一端往邻近连接连接部531a的一端逐渐渐缩。折绕部531b的第二部分531b2的宽度自邻近连接固定部531c的一端往邻近连接连接部531a的一端逐渐渐缩，或者，也可为等宽。如图5所示，位于中心轴s两侧的各悬臂530上的固定部531c邻近中心轴s以及连接部531a设置，因此可由固定部531c来取代转轴结构123，用以在镜片120旋转时，可达到抗震效果，并使镜片120在转动过程减少向下的偏移。[0043]如此，微型扫描面镜500也可通过各悬臂530的压电结构的连接部531a、折绕部531b以及固定部531c的配置，可节省悬臂530的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜500的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜500的镜片120尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角，进而使微型扫描面镜500也能达到与前述的微型扫描面镜100类似的效果与优点，在此就不再赘述。[0044]图6是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。请参照图6，图6的微型扫描面镜600与图5的微型扫描面镜500类似，而差异如下所述。如图6所示，在本实施例中，折绕部631b的第一部分631b1为梯形状，折绕部631b的第二部分631b2为梯形状或是四边形，固定部631c与固定基板160的开口op的边e1连接，且第一部分631b1与第二部分631b2沿着开口op的边e1延伸。折绕部631b的第一部分631b1的宽度自邻近连接固定部631c的一端往邻近连接连接部631a的一端逐渐渐缩。折绕部631b的第二部分631b2的宽度自邻近连接固定部631c的一端往邻近连接连接部631a的一端逐渐渐缩，或也可为等宽。[0045]如此，微型扫描面镜600也可通过各悬臂630的压电结构的连接部631a、折绕部631b以及固定部631c的配置，可节省悬臂630的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜600的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜600的镜片120尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角，进而使微型扫描面镜600也能达到与前述的微型扫描面镜500类似的效果与优点，在此就不再赘述。[0046]图7是本发明的又一实施例的一种微型扫描面镜的正视示意图。请参照图7，图7的微型扫描面镜700与图5的微型扫描面镜500类似，而差异如下所述。如图7所示，在本实施例中，悬臂730中位于中心轴s一侧的其中一悬臂730的连接部731a与相邻且位于中心轴s另一侧的另一悬臂730的连接部731a以彼此相连的方式与镜片120连接。[0047]如此，微型扫描面镜700也可通过各悬臂730的压电结构的连接部731a、折绕部731b的第一部分731b1与第二部分731b2以及固定部731c的配置，可节省悬臂730的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜700的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜700的镜片120尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角，进而使微型扫描面镜700也能达到与前述的微型扫描面镜500类似的效果与优点，在此就不再赘述。[0048]综上所述，本发明的实施例至少具有以下其中一个优点或功效。在本发明的实施例中，微型扫描面镜能够通过各悬臂的压电结构的连接部、折绕部以及固定部的配置，可节省悬臂的配置空间，进而提高晶片使用面积，并同时兼顾微型扫描面镜的微型化与生产成本。并且，在上述的配置下，微型扫描面镜的镜片尺寸可达到直径3mm以上，且能够达到±15度以上的机械旋转角。并且，微型扫描面镜通过镜片的肋补强结构的设置，可以增加镜片的结构强度，并强化镜片的平整度。此外，微型扫描面镜的镜片通过转轴结构与固定基板的连结，在镜片旋转时，可达到抗震效果，并使镜片在转动过程减少向下的偏移。[0049]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即所有依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修改，都仍属本发明专利覆盖的范围。另外本发明的任一实施例或权利要求不需达成本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，摘要和发明名称仅是用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。[0050]附图标记说明[0051]100、400、500、600、700：微型扫描面镜[0052]110：固定基板[0053]120：镜片[0054]121：反射层[0055]122：肋补强结构[0056]123：转轴结构[0057]130、430、530、630、730：悬臂[0058]131、431、531、631、731：压电材料结构[0059]131a、431a、531a、631a、731a：连接部[0060]131b、431b、531b、631b、731b：折绕部[0061]131b1、431b1、531b1、631b1、731b1：第一部分[0062]131b2、431b2、531b2、631b2、731b2：第二部分[0063]131c、431c、531c、631c、731c：固定部[0064]de1：第一驱动电极[0065]de2：第二驱动电极[0066]se：感测电极[0067]dr：驱动电极区域[0068]zg：弯折区域[0069]sr：感测电极区域[0070]op：开口[0071]o：中心[0072]p：连心线[0073]s：中心轴[0074]s1：第一表面[0075]s2：第二表面[0076]t1：第一时刻[0077]t2：第二时刻[0078]r1：圆周方向[0079]e1、e2：边[0080]θ：夹角。