包括微机电镜设备的设备及微机电镜设备的制作方法

本解决方案涉及具有压电致动的双轴微机电镜设备(制成mems-微机电系统)。

背景技术：

1、微机电镜设备用于便携式设备中，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、pda，用于光学应用，特别是以期望的方式引导由光源(例如激光器)产生的光辐射束。由于它们的小尺寸，这些设备允许在面积和厚度方面符合关于空间占用的严格要求。

2、例如，微机电镜设备用于能够从远处投影图像并特别在屏幕或类似显示表面上产生期望的光图案的小型化投影仪设备(所谓的微微投影仪)中。

3、微机电镜设备通常包括可倾斜结构，该可倾斜结构承载合适材料(例如铝或金，取决于光束是在可见光光谱中还是在红外光谱中)的反射面或镜面，弹性支撑在腔上方并由半导体材料主体制成，以便可移动，例如在对应的主延伸平面之外倾斜或旋转运动，以便以期望的方式引导入射光束。

4、可倾斜结构的旋转通过致动系统来控制，该致动系统可以是例如静电、电磁或压电类型的致动系统。

5、静电致动系统通常具有需要高工作电压的缺点，而电磁致动系统通常需要高功耗；因此，已经提出用压电致动来控制镜可倾斜结构的运动。

6、具有压电致动的微机电镜设备具有相对于具有静电或电磁致动的设备需要降低致动电压和功耗的优点。此外，可以提供压阻传感器元件用于检测镜的驱动条件并提供反馈信号以允许对相同驱动进行反馈控制。

7、典型地，光束需要沿两个轴的偏转，这可以由两个单轴类型的微机电镜设备或者由一个双轴类型的微机电镜设备来提供。

8、在双轴装设备的情况下，可倾斜结构可被配置为以共振运动绕第一轴旋转，以在屏幕或显示表面上产生快速水平扫描，并且还以线性或准静态运动(即，以远低于共振运动频率的频率)绕第二水平轴旋转，以在同一屏幕或显示表面上产生慢速垂直扫描，例如锯齿扫描。可选地，绕第二旋转轴的旋转也可以在共振频率下发生，以在这种情况下产生垂直的快速扫描，并且作为一个整体在屏幕或显示表面上形成所谓的“李萨如(lissajous)”扫描图案。

9、通常，双轴微机电镜设备可以是优选的，因为它们允许减小尺寸和简化电连接。

10、然而，这些双轴设备可能受到绕两个轴的扫描运动之间的不期望的耦接(所谓的交叉轴耦接或通常的串扰现象)以及由此产生的非线性的影响；实际上，在微机械结构中，在镜面可倾斜结构绕第一水平轴和第二水平轴的旋转运动之间可能产生不希望的耦接。

11、这些交叉轴耦接也可以在例如通过压阻或压电检测元件检测(例如为了反馈控制的目的)镜可倾斜结构的旋转时发生。

12、在美国专利第9,843,779号和欧洲专利第3,712,676号中描述了双轴型和具有压电致动的微机电镜设备的一些示例，这两个专利的内容通过引用的方式全部结合。

13、已经发现，具有压电致动的微机电镜设备的已知解决方案具有一些限制，这些限制不允许充分利用这些设备的优点，特别是由于在镜可倾斜结构的致动运动和/或在相同运动的检测中的前述交叉轴耦接方面。

14、为了解决这些问题，需要进一步开发以提供具有改进特性的压电型致动的双轴微机电镜设备。

技术实现思路

1、鉴于上述微机电镜设备所面临的问题，本公开的实施例旨在提供具有改进性能的微机电镜设备。

2、根据本方案，提供了一种双轴微机电镜设备。

3、例如，本文公开了一种包括微机电镜设备的设备。微机电镜设备包括：固定结构，限定外部框架，外部框架在内部界定腔；内部框架，被布置在腔中并在内部限定窗口；可倾斜结构，承载反射表面，反射表面在水平面中具有主延伸部，可倾斜结构被布置在窗口内部并且通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件弹性地耦接到内部框架；以及致动结构，耦接到内部框架，并且被配置为以解耦的方式使可倾斜结构绕彼此正交并属于水平面的第一旋转轴和第二旋转轴旋转。

4、致动结构包括：至少第一对驱动臂，弹性地耦接到所述内部框架并且承载被偏置以使得可倾斜结构绕第一旋转轴旋转的相应压电材料区域；以及另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，该相应压电材料区域被偏置以使得可倾斜结构绕第二旋转轴旋转，另一对驱动臂的驱动臂被插入固定结构和内部框架之间，驱动臂通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到固定结构和内部框架，第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件屈服于绕第一旋转轴的扭转。

5、第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件可以屈服于绕第二旋转轴的扭转，并且在相对于可倾斜结构的相对侧上，从可倾斜结构直到内部框架的相应侧，沿着第二旋转轴具有线性延伸。

6、固定结构可以包括位于可倾斜结构的相对侧上的第一支撑元件和第二支撑元件，第一支撑元件和第二支撑元件从外部框架沿第一旋转轴在腔内延伸。另一对的驱动臂可以分别在第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件以及第一支撑元件和第二支撑元件之间延伸。

7、第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件可以具有沿着正交于水平面的垂直轴的第一厚度。第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件可以具有沿垂直轴大于第一厚度的第二厚度。

8、固定结构可以被设置在半导体材料的管芯中，该管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层。第一厚度可以由上层限定，且第二厚度可以由底层限定。

9、第一厚度可以在10μm和50μm之间，且第二厚度可以在50μm和200μm之间。

10、第一对的驱动臂可以通过第一弹性元件和第二弹性元件弹性地耦接到内部框架，第一弹性元件和第二弹性元件平行于第一旋转轴延伸并且在第一旋转轴的相对侧上，并且相对于绕平行于第一旋转轴的旋转轴的扭转而屈服。第一对的驱动臂、另一对的驱动臂以及第一弹性元件和第二弹性元件可以具有第一厚度。

11、内部框架可以具有通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件耦接到可倾斜结构的短侧和通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件耦接到另一对的驱动臂的长侧。外部框架、可倾斜结构和内部框架的长侧可以具有等于第一厚度和第二厚度之和的第三厚度，并且内部框架的短侧可以具有第二厚度。

12、可倾斜结构可以被配置为以准静态运动绕第一旋转轴旋转，并且以共振运动绕第二旋转轴旋转。

13、第一检测元件和第二检测元件可以被配置为以解耦的方式提供指示可倾斜结构分别绕第一旋转轴和绕第二旋转轴的旋转的检测信号。第一检测元件可以耦接到第一对的驱动臂，用于检测可倾斜结构绕第一旋转轴的旋转，第二检测元件可以耦接到另一对的驱动臂，用于检测可倾斜结构绕第二旋转轴的旋转。

14、第一检测元件和第二检测元件可以包括被布置在相应驱动臂处的相应扩散压电电阻器或相应压电传感器。

15、第一检测元件和第二检测元件中的每一个可以包括相应机械放大结构，该机械放大结构具有连接到对应驱动臂的杠杆机构。杠杆机构可以包括具有纵向延伸的杠杆臂，以及通过刚性连接元件连接到对应驱动臂的第一端和通过扭转弹性元件连接到与固定结构一体的锚定元件的第二端，其中一对扩散压电电阻器被设置在靠近锚固元件的扭转弹性元件中。

16、每个机械放大结构的扩散压电电阻器可以形成相应检测惠斯通电桥的第一半，其第二半由耦接到相对于第一旋转轴或第二旋转轴对称布置的驱动臂的机械放大结构的相应扩散压电电阻器形成。

17、第二对驱动臂可以相对于第二旋转轴与第一对驱动臂对称地布置。第二对的驱动臂可以承载相应压电材料区域，并且可以屈服于绕第一旋转轴的扭转，通过相应弹性元件在相对侧并且靠近第一旋转轴弹性地耦接到可倾斜结构。

18、该设备可以是微型投影仪装置，包括：微机电镜设备；光源，被配置为产生照射在微机电镜设备上的光束；第一驱动电路，被配置为向光源提供第一驱动信号，以使光源根据要投影的图像产生光束；以及第二驱动电路，被配置为向微机电镜设备提供第二驱动信号，以引起微机电镜设备的移动，从而以扫描图案扫描光束。

19、一种微机电镜设备，包括：固定结构，限定外部框架，外部框架在内部界定腔；内部框架，被布置在腔中并且在内部限定窗口；可倾斜结构，承载反射表面，反射表面在水平面中具有主延伸部，可倾斜结构被布置在窗口内部并且弹性地耦接到内部框架；以及致动结构，耦接到内部框架并且被配置为引起可倾斜结构的旋转；其中致动结构包括：第一对驱动臂，弹性地耦接到内部框架并且承载相应压电材料区域；以及另一对驱动臂，承载相应压电材料区域，另一对驱动臂中的驱动臂被插入固定结构和内部框架之间，驱动臂通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件弹性地耦接到固定结构和内部框架。

20、第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件具有沿正交于水平面的垂直轴的第一厚度；并且其中第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件具有沿垂直轴的第二厚度，第二厚度大于第一厚度。

21、固定结构被设置在半导体材料的管芯中，半导体材料的管芯包括彼此叠加的半导体材料的上层和底层；并且其中第一厚度由上层限定，并且第二厚度由底层限定。

22、第一对中的驱动臂通过平行于第一旋转轴并且在第一旋转轴的相对侧延伸的第一弹性元件和第二弹性元件被弹性地耦接到内部框架；并且其中第一对中的驱动臂、另一对中的驱动臂以及第一弹性元件和第二弹性元件具有第一厚度。

23、内部框架具有：短侧，通过第一耦接弹性元件和第二耦接弹性元件耦接到可倾斜结构；以及长侧，通过第一悬挂弹性元件和第二悬挂弹性元件耦接到另一对中的驱动臂；并且其中外部框架、可倾斜结构和内部框架的长侧具有等于第一厚度和第二厚度之和的第三厚度，并且内部框架的短侧具有第二厚度。

24、本公开的方案提供了具有紧凑尺寸和高性能以及良好电特性的双轴微机电镜设备。