关于两个轴线振荡并且具有位置检测系统的特别是压阻型的MEMS器件的制作方法

本发明涉及一种关于两个轴线的振荡并且具有位置检测系统的mems(微电子机械系统)器件，特别地是压阻型的。特别地，mems器件形成微镜。

背景技术：

已知微机械器件具有使用半导体技术而制造的微镜结构。

这些微机械器件被使用在便携式装置中用于光学应用，特别地用于引导由具有期望形态的光源所生成的光辐射束，便携式装置诸如例如便携式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机(包括超薄笔记本计算机)、pda、平板计算机和智能电话。

借助于其小尺寸，这些器件可以满足关于体积的严格要求，包括面积和厚度二者。

例如，微机械镜器件被用于小型化投影仪模块(所谓的微小投影仪)，其能够在一定距离处投影图像或生成期望的光图案。

例如，这种投影仪模块结合图像捕获模块形成针对三维成像的三维(3d)照相机或摄像机。备选地，投影仪模块可以使用在3d场景重建系统中，其测量由微小投影仪所发射以撞击表面并且朝向接收器被向后反射的单色射线所用的时间(所谓的飞行时间方法)。另一应用测量探测器阵列上的例如红外类型的反射线或束的位置，其中反射线或束的位置取决于反射面的距离(所谓的结构化光变形方法)。

微镜器件一般地包括悬挂在腔上并且由半导体主体形成的镜元件以便例如利用滚动和倾斜运动可移动，以根据期望来引导入射光束。

例如，图1示意性地示出了包括诸如激光源的光源1的微小投影仪9，生成三个单色束的光束2，三个单色束的每个针对每个基色，通过仅示意性地被示出的光学系统3，由镜元件5使得光束2朝向屏幕6偏斜。镜元件5为二维类型，其被控制以便关于垂直轴a和水平轴b转动。镜元件5关于垂直轴a的旋转在屏幕6上生成快速的水平扫描，如图2中所图示的。镜元件5关于垂直于垂直轴a的水平轴b的旋转生成缓慢的垂直扫描，整体上生成锯齿扫描。

相反，在图3的场景重建系统中，源11(例如，单色红外源)生成光射线12，其通过仅示意性地示出的光学聚焦系统13由镜元件5朝向物体14偏离并且由后者反射到检测器15上。连接到源11、镜元件5和检测器15的控制器16确定被用于场景重建的飞行时间。备选地，如所提到的，可以经由结构化光变形方法来重建场景。

经由致动系统来控制镜元件5的旋转，该致动系统当前具有静电、电磁或压电类型。

例如，图4示出了具有电磁致动的镜元件5。此处，芯片20包括被悬挂在衬底上(不可见)的平台21，其具有反射面(未图示)并且通过第一对臂22(第一扭转弹簧)由悬挂式框架23所支撑。第一臂22从平台21的相对侧延伸并且定义镜元件5的旋转轴a。悬挂式框架23经由第二对臂26(第二扭转弹簧)被连接到芯片20的固定外围部分25，其支持悬挂式框架23和平台21关于水平轴b的旋转。第一臂22和第二臂26耦合到静电类型的相应致动组件28a、28b。此处，每个致动组件28a、28b包括面向相应第二电极30的第一电极29。

详细地，第一电极29关于相应臂22、26被固定并且关于第二电极30形成梳齿(comb-fingered)以便生成电容耦合。由于每个致动组件28a、28b的电极29、30的布置，驱动结构还被定义为梳驱动结构。

通过应用第一电极29与第二电极30之间的适当的电压，生成它们之间的吸引/排斥力并且因此引起第一电极29关于第二电极30的旋转以及臂22、26关于相应轴线a、b的扭转是可能的。以这种方式，获得平台21(以及未示出的反射面)关于轴线a、b的受控旋转并且因此在水平方向和垂直方向上扫描。

在以上应用中，特别地对于场景或手势识别而言，要求镜元件5的高定位精确度(即，其位置的精确的知识)。

因此，位置获取系统在专用于mems器件的研究之下并且基于被集成在镜元件5中的位置传感器。

例如，美国专利申请2011/0199284描述了一种压阻传感器，该压阻传感器由布置在平台与框架之间的第一扭转弹簧(被称为“弯曲部分”)附近的至少一个桥元件形成，使得输出信号的扭转分量被放大并且非扭转分量衰减或甚至被消除。

上文已知方案支持归因于不期望的影响(干扰)的输出信号的分量(例如，归因于材料特性的过程扩散和变化的部件)的消除，其引起除由致动系统控制的变形外的扭转弹簧的变形(特别地，扭转弹簧弯曲)。

然而，例如，当(在图4的实施例中)第二臂26的致动引起悬挂式框架23和对应的扭转弹簧22的扭转变形时，它不支持包含扭转弹簧的假扭转的结构的变形的辨别。而且，利用以上专利中所描述的传感器，控制这两个角位置是不可能的并且必须具有相应传感器。

技术实现要素：

本发明的目标是提供克服现有技术方案的限制的位置检测系统。

根据本发明，提供了mems微镜器件和对应的位置检测方法，如附图中所定义的。

附图说明

为了本发明的更好理解，现在仅以非限制性示例的方式参考附图来描述由此的优选实施例，其中：

-图1是微小投影仪的示意性表示；

-图2示出了由图1的微小投影仪所生成的图像在屏幕上的投影方案；

-图3示出了使用mems微镜的场景或手势检测系统的基本图；

-图4是具有静电致动的微镜器件的示意性俯视图；

-图5是本mems微镜器件的实施例的俯视图；

-图6和图7分别是包括图5的微镜器件的系统的侧视图和俯视图；

-图8和图9在透视图中示出了两个不同的驱动条件的图5的微镜器件；

-图10a和图10b示出了图8的驱动条件中的图5的微镜器件的两个细节的电等效；

-图11a和图11b示出了图9的驱动条件中的图5的微镜器件的两个细节的电等效；

-图12a和图12b示出了图8的驱动条件中的图5的微镜器件的两个细节的备选实施例的电等效；

-图13a和图13b示出了图9的驱动条件中的图5的微镜器件的两个细节的备选实施例的电等效；

-图14和图15示出了本mems微镜器件的不同的实施例；以及

-图16示出了使用图5、图14或图15的微镜器件的微小投影仪的框图。

具体实施方式

图5示出了mems器件40(此处是微镜)，其包括固定结构41和悬挂结构42。悬挂结构42在由固定结构41外部所划定的腔43内延伸。固定结构41包括衬底(不可见)，其在腔43和悬挂结构42下面延伸。以对mems结构所共有的未图示的方式，固定结构41、悬挂结构42和腔43使用已知的半导体制造技术由例如硅的半导体材料的管芯44形成，半导体制造技术诸如以本身已知的方式生长、沉积和/或选择性移除。

悬挂结构42包括可定向结构45，其通过由也被悬挂并且围绕可定向结构45的框架48的第一对臂或扭转弹簧46(在下文中，还被称为“弹性连接元件”)所承载。进而，框架48经由第二对臂或扭转弹簧49(在下文中还被称为“弹性悬挂元件”)由固定结构41所承载。

第一臂46具有线性形状、沿着第一旋转轴a延伸并且被配置为支持可定向结构45关于第一旋转轴a转动。

此处，第二臂49具有蛇形形状并且被配置为使得框架48主要关于第二旋转轴b并且在较小的程度上关于第一旋转轴a转动，如在下文中更详细解释的。

第二臂49各自具有经由相应锚固部分50被连接到框架48的第一端49a和被连接到固定结构41的第二端49b。第二臂49的第一端和第二端二者(并且因此锚固部分50)关于第二轴线b偏移。详细地，第二臂49的第一端49a被布置在第二旋转轴b(在以下附图中)的相同第一面上，并且第二臂49的第二末端49b被布置在第二旋转轴b(在以上附图中)的相同第二面上。而且，第二臂49整体上关于第二轴线b被中心布置，从而悬挂结构42的质心至少近似地与第一轴线a与第二轴线b之间的交点一致。mems器件40整体上关于第一旋转轴a也是对称的。

在所考虑的情况中，第一轴线a在下文中也被称为“快轴”，并且关于该第一轴线a的旋转引起悬挂结构42的差别(differentiated)快速运动(共振运动)，如在下文中解释的。第二轴线b在下文中也被称为“慢轴”，并且关于该第二轴线b的旋转引起整个悬挂结构42的同相缓慢运动。

在图示的实施例中，此处具有压阻类型的两个传感器51、52各自被布置在锚固部分50处或其附近的相应第二臂49上，如图5的放大细节中所示。例如，传感器51、52可以被布置以下区域中：在该区域中的应力相对于其中具有最大值的区域(最大应力区域)的至少80％的区域中。传感器51、52被布置在关于第一旋转轴a的对称位置中。因此，由于锚固部分50的偏移位置，传感器51、52也对于第二旋转轴b被偏移布置。

特别地，每个传感器51、52此处包括两个压阻电阻器53、54，以及相应地以半桥配置连接并且被布置在关于第二旋转轴b的±45°处。例如，压阻电阻器53-56被制造为形成悬挂结构42和固定结构41的顶部部分的硅层内的植入或扩散区(例如，具有n类型，在框架48和p型的内部部分41a的情况下)。

在图示的示例中，第一传感器51的第一压阻电阻器53具有第一端子，其被连接到第一节点sb1 ，进而耦合到位置处理单元60(还参见图16)，并且第二端子被连接到第二节点s01，也耦合到处理单元60。第一传感器51的第二压阻电阻器54具有被连接到第三节点sb1-的第一端子，也耦合到处理单元60，以及被连接到第二节点s01的第二端子。

同样地，第二传感器52的第一压阻电阻器55具有第一端子，其被连接到第四节点sb2 ，进而耦合到处理单元60，并且第二端子连接到第二节点s02，耦合到处理单元60。第二传感器52的第二压阻电阻器56具有连接到第五节点sb2-的第一端子，也耦合到处理单元60，以及被连接到第五节点s02的第六端子。

在图5的实施例中，第一节点sb1 、第三节点sb1-、第四节点sb2和第六节点sb2 沿着平行于旋转轴b并且与旋转轴b不一致的直线相互对齐，并且第二节点和第三节点被布置在关于第二旋转轴的偏移位置中。两个压阻电阻器53、54和相应地55、56因此关于平行于第一旋转轴a的对称轴相互对称地布置，并且传感器51、52关于第一旋转轴a对称地布置。

在图示的实施例中，可定向结构45的运动通过包括线圈和磁性结构的致动结构47而电磁地发生。特别地，在图示的示例中，框架48具有一般地矩形环形形状，其具有两两平行于旋转轴a、b的四个边。线圈65在框架48的上面延伸，其中，其形成至少一个转动，此处是多个转动。磁性结构可以通过例如管芯44的外部的磁性元件而被形成。特别地，磁性元件与管芯44之间的相互布置关于生成磁场，该磁场在关于轴a、b近似45°处倾斜以用于允许在这两个轴a、b周围驱动。

例如，图6和图7示出了可能的布置，其中，c形磁性元件80具有被布置在距彼此一定距离处并且由例如铁磁性或甚至非磁性材料的支持83所承载的第一磁极81和第二磁极82。管芯44由磁极81、82之间的支持83承载，并且被布置在关于由磁性元件80生成的磁场的方向40°处，如特别地在图7中可见的。

利用所描述的方案，通过在预设频率处提供交流电，关于两个轴a、b来旋转可定向结构是可能的。特别地，通过同时地利用具有适当的幅度的两个电流并且在不同的频率处馈送线圈65，其中的一个接近于谐振频率，这些生成磁场，该磁场通过感应引起框架48关于第二轴线b的旋转以及可定向结构45关于第一轴线a的旋转。

详细地，供应给线圈65的、在第一频率f1(例如，诸如60hz的低频率)处并且具有第一幅度(例如，100ma)的交流电引起具有可定向结构45(滚动运动)的框架48关于期望值(并且在频率f1处)的第二旋转轴b的同相旋转。同时提供给线圈65的高于第一并且接近谐振频率(例如，20khz)并且具有例如100ma的第二幅度的第二频率f2处的交流电引起框架48关于第一旋转轴a的小旋转。该小旋转通过由可定向结构45造成的共振效应而被放大，而且由于第一弹簧46的特性，因此获得可定向结构45关于期望值的第一旋转轴a的旋转(并且在频率f2处)(即，可定向结构45的共振运动，在下文中也被称为悬挂结构42的“倾斜”的运动)。

还参考图8、图9、图10a至图10b，如在下文中所描述的，通过传感器51和52检测和辨别框架48关于每个旋转轴a、b的旋转，利用由第二臂49上的每个旋转引起的不同的应力。这些附图示出了归因于由致动组件47所引起的悬挂结构42的旋转的锚固部分50上的应力，这利用叠加原理。

详细地，图8示出了当仅关于第二旋转轴b旋转时的悬挂结构42(在附图中由箭头r所指示的低速滚动运动)。在对应于框架48的预设角θ(例如，10°)的旋转r的图8的仿真中，箭头sr1和sr2指示在相同方向上的第二臂49的对应旋转。在图8中，具有降低的灰度级的阴影表示从负值到正值(例如，从-200μm到 200μm)的结构的位移。

如可以注意的，对于图8的旋转而言，该仿真示出第二臂49的锚固部分50经受相等幅度的应力τ1、τ2并且在相同方向上定向。在该条件中，通过在第三节点sb1-与第一节点sb1 之间并且相应地在第六节点sb2-与第四节点sb2 之间使具有直流电压(例如，1v)的传感器51、52偏置，在第二节点so1和第五节点so2上呈现的电压是相同的(图8a和图8b)。因此，以在低频f1处的正弦方式被控制的有效运动引起第二节点so1和第五节点so2上的同相输出电压。

因此，这些信号的相加产生信号，其幅度提供有效旋转角θ的值的指示。相反，这些信号之间的减法产生零信号。

实际上，倾斜运动(悬挂结构42关于第一旋转轴a的旋转)引起相反电压，如图9、图11a和图11b中所示。详细地，图9示出了当关于仅第一旋转轴a(箭头p)旋转时的悬挂结构42。在图9中，由悬挂结构42的预设角α(例如，10°)旋转p所引起在相反方向上的第二臂49的扭转，如由箭头sp1和sp2所指示的。而且，在图9的仿真中，具有降低的灰度级的阴影表示从负值到正值(例如，从-200μm到 200μm)的结构的位移。

如可以注意的，对于图9中的旋转而言，仿真示出第二臂49的锚固部分50经受相同幅度的应力τ1、τ2，但是在相反方向上定向。在该条件中，通过在第三节点sb1-与第一节点sb1 之间并且相应地在第六节点sb2-与第四节点sb2 之间使得具有直流电压(例如，1v)的传感器51、52偏置，在第二节点so1和第五节点so2上的电压是相反的(图9a和图9b)。因此，以在高频f2处的正弦方式所控制的有效运动引起第二节点so1和第五节点so2上反相的的输出电压。

如果将这些信号相加，因此获得零信号。实际上，如果将这些信号供应相减，则获得非零信号，其幅度指示有效旋转角α的值。

因此，一般而言，在关于轴a、b的旋转的情况下，由传感器51、52所供应的信号的总和产生滚动角(关于第二旋转轴b)的指示，并且它们的差产生倾斜角(关于第一旋转轴a)的指示。

如所提到的，在第二节点so1和第五节点so2上所供应的信号(为简单起见，被指派为相同名字so1、so2)可以被供应给位置处理单元，如在下文中参考图16所解释的。

特别地，每个信号soi，以及i＝1,2，由以下等式给出：

soi＝(∑∏kσk，i)vbiasi＝1，2(1)

其中：

∏k[pa^-1]是表示压敏电阻器53-56(掺杂硅)的材料的压阻系数的张量的分量；

σk[pa]是应力张量的分量；并且

vbias是等于sbi-与sbi 之间的电位差的偏置电压。

等式(1)可以被重写如下，突出由所测量的应力状态所引起的旋转：

soiroll＝grollθvbias(针对滚动运动)

soipitch＝gpitchαvbias(针对倾斜运动)

其中：

groll,gpitch[mv/℃/v]是针对相应滚动运动和倾斜运动的传感器的灵敏度；并且

θ和α是寻找角。

因此，输出处的信号soi的符号依赖于sbi-与sbi 之间的偏置并且依赖于剪应力τ的方向，剪应力τ的方向归因于与所考虑的传感器51、52相关联的第二臂或弹簧49的扭转。

因此，所获得的角θ和α的值可以被处理用于控制悬挂结构42的位置，如在下文中所讨论的。

图12a、图12b、图13a和图13b示出了传感器51、52的不同的实施例的电等效。此处，详细地，每个传感器51、52包括四个压阻电阻器，并且精确地，除了图5中所示出的电阻器53-56之外，第一传感器51包括两个另外的压阻电阻器70、71(仅经由电等效所表示、但是与压敏电阻器53-54类似)，并且第二传感器52包括两个另外的压阻电阻器72、73(与压阻电阻器55-56类似)以便形成两个全桥结构。而且，电阻器70-71和72-73被布置在关于第二旋转轴b±45°处、被连接在节点sb1 、sb1-与相应地sb2-、sb2 之间并且定义中间节点so1 和so2-。在图12a至图13b中，通过so1-和so2 指派压阻电阻器53-56之间的中间节点。

而且，在这种情况下，中间节点so1-、so1 之间以及相应地中间节点so2 、so2-之间的信号s1和信号s2是一致的，并且对于滚动运动是同相的，并且对于倾斜运动反相的。因此，在这种情况下，它们的加法和减法还支持关于相应角θ和α的信息的辨别。

图12a、图12b、图13a和图13b的方案支持灵敏度的加倍，以归因于另外的两个输出so1 和so2-的存在而造成的较大的复杂性和面积占用为代价。

图14示出了mems器件140的实施例，其中，此处由149指派的第二臂是l形的。在该附图中，通过相同附图标记指派等于图5中的那些元件的元件。

详细地，在图14中，每个第二臂149包括第一部分150和第二部分151，第一部分150平行于第二旋转轴b从框架48向内延伸，并且第二部分151从相应第一部分150平行于第一旋转轴a延伸直至相应锚固部分50的。

如在图5中的，mems器件140具有被布置在远离第二旋转轴b的位置中的锚固部分50处或其附近的传感器51、52。如在图5的细节中或在图12a至图13b的变型中所表示地制造传感器51、52。

而且，由于锚固部分50的偏移布置和附近的传感器51、52的布置，因而图14的实施例支持滚动角θ和倾斜角α的测量。

图15示出了mems器件240的实施例，其中，此处由249指派的第二臂从框架48朝向其外部延伸并且在250中直接被锚固到固定结构41。

而且，在图15的实施例中，mems器件240具有被布置在远离第二旋转轴b的锚固部分250处或其附近的传感器51、52。

如所提到的，mems器件40、140、240可以是mems微镜系统60的一部分，mems微镜系统60诸如例如图16中所图示的那个。此处，处理单元61(例如，逻辑电路和/或单元)将信号so1、so2相加和相减并且处理和信号与差信号以获得角θ和α的值，如上文所描述的。因此，所测量的角θ和α的值可以供应给位置校正单元62，其根据计算值θ和α和(在图16中由θ1和α1所指派的)期望角度值，可以生成针对mems器件40的驱动信号d。例如，逻辑单元62可以是简单差分放大器级。

微镜系统60可以是图1中或图3的场景识别系统中所图示的类型的微小投影仪系统63的一部分。为此目的，在图16中，微小投影仪系统63包括光源64并且可以包括控制器65。如果存在的话，则控制器65可以包括位置校正单元62的功能。

最后，显然，在不脱离如附图中定义的本发明的范围的情况下，可以对在本文中已经描述和说明的mems器件做出修改和变型。例如，可以组合所描述的各种实施例以提供另外的方案。

而且，如果悬挂结构经受空间倾斜和滚动运动并且期望精确地测量它们的角位置，则所描述的方案也可以适于与微镜不同的类型的mems器件。

所描述的偏置仅是指示性的并且可以在两个传感器51、52中逆转，获得输出信号的符号的反转。因此，对这些信号所执行的操作(相加、相减)取决于所选择的特定偏置。

可以经由适当的电路或经由数字处理电子地执行输出信号so1、so2、s1、s2的相加和相减操作。

假如其诸如将支持框架48关于第二旋转轴b的旋转并且其支持如所讨论的传感器51、52的偏移布置，则第二臂49；149；249的形状可以与所图示的那个形状不同。

传感器51、52可以具有不同的类型，例如压电类型。