本公开涉及mems设备(mems＝微机电系统)以及用于制造对应mems设备的方法，其中mems设备包括经由悬置结构机械地耦合至支持件以围绕枢轴枢转的本体。
背景技术：
mems器件(诸如mems扫描镜)被用于不同领域。mems设备可包括围绕至少一个枢轴枢转以实现期望效果的本体(诸如镜体)，诸如将电磁能、可见光或不可见光反射到不同方向。例如，mems扫描镜可用于将二维图像投影到屏幕上。mems扫描镜也可用于lidar应用。lidar可以视为表示光成像、检测和测距的缩写，或者是由术语光和雷达组成的人工词。通常，lidar可以被视为测量方法，其通过利用脉冲激光照射目标并利用传感器测量反射脉冲来测量与目标的距离。mems扫描镜可用于汽车应用中的lidar。一般地，用于lidar应用的mems扫描镜可包括相对较大的尺寸和较大的扫描角度来得到高光学性能。此外，这种mems扫描镜应具有高鲁棒性，即应该对振动和热载荷不敏感，并且应产生较低的机械应力。找到满足这些目标的设计和制造处理存在挑战。
为了使mems扫描镜更强得对抗振动，该扫描镜应具有低惯性，即轻且硬的镜体。此外，除了期望的振荡模式之外，对于镜体的所有自由度(dof)，镜的悬置应具有高硬度。为了实现轻且硬的镜体，镜体可包括相对较薄的镜以及较厚的镜加强结构。镜体可以机械地耦合至支持件(诸如镜框)，从而可围绕枢轴(即，旋转轴)旋转。枢轴可延伸到镜体的彼此相对的第一和第二端部。镜可以在第一主面上具有反射面，并且与第一主面相对的第二主面设置有增强结构。
一种这样的mems设备是在围绕枢轴的一个旋转自由度(dof)的共振中进行操作。例如，x轴可视为枢轴，即，rx表示绕x轴的旋转。这种mems设备可用静电梳状驱动来激发。除期望的dof(例如，rx)外，mems设备的枢转本体(诸如mems扫描仪)可具有其他机械自由度和相关联的不需要的本征模式：tx、ty、tz、ry、rz，即x、y和z方向的平移以及围绕y和z轴的旋转。对于鲁棒设计，通常期望抑制这些不需要的模式，这可以被视为等同于通过适当的设计将它们推到高(本征)频率。
技术实现要素：
本公开的示例提供了一种mems设备，其包括围绕枢轴枢转的本体、支持件以及将本体机械地耦合至支持件的悬置结构。悬置结构包括限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴的方向上改变。第一和第二弹簧元件在枢轴方向上的延伸大于扭转元件在枢轴的方向上的延伸。
本公开的示例提供了一种mems设备，其包括围绕枢轴枢转的本体、支持件和将本体机械地耦合至支持件的悬置结构。悬置结构包括限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴的方向上改变。悬置结构包括至少将第一和第二弹簧元件或扭转元件机械地耦合至支持件的减压连杆，其中减压连杆被配置为允许第一和第二弹簧元件或扭转元件在其与减压连杆相邻的端部处沿枢轴方向的平移。
本公开的示例提供了一种mems设备，其包括围绕枢轴枢转的本体、支持件以及将本体机械地耦合至支持件的悬置结构。悬置结构包括限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴的方向上改变。扭转元件以及第一和第二弹簧元件形成在材料层堆叠的一个或多个相同材料层中。
本公开的示例允许mems设备在期望的振荡模式和不期望的振荡模式之间进行模式分离，并且可以简单的方式制造。根据本公开的示例，可以通过使用特定的悬置结构实现与板簧设计中类似的模式分离。本公开的示例允许悬置结构的扭杆和弹簧元件形成在材料层堆叠的一个或多个相同材料层中。
本公开的示例提供了用于制造这种mems设备的方法。
附图说明
将使用附图描述本公开的示例，其中：
图1示出了包括悬置结构的mems设备的示例的示意性俯视图；
图2示出了在本体的两个相对端部处包括两个悬置结构的mems设备的示例的示意性俯视图；
图3示出了悬置结构的示例，其中枢转本体包括与扭转梁机械耦合的突出部；
图4示出了悬置结构的示例，其中支持件包括与扭转梁机械耦合的突出部；
图5a至图5c示出了包括扭杆的悬置结构、包括v形弹簧的悬置结构以及包括扭杆和v形弹簧的组合的悬置结构的示意性底视图；
图6a和图6b示出了根据本公开的示例的mems镜设备的底视图和截面图；
图7a和图7b示出了图6a和图6b的mems镜设备的悬置结构的底视图和立体图；
图8a和图8b示出了图6a和图6b的mems镜设备的立体俯视图和立体底视图；
图9至图14、图15a和图15b示出了根据本公开的悬置结构示例的示意性俯视图；
图16a至图16c示出了根据本公开的示例的用于制造mems设备的方法的流程图；以及
图17示出了显示本公开的示例的模式分离的模式分离图。
具体实施方式
下文将使用附图详细描述本公开的示例。需要指出，具有相同功能的相同元件具有相同或相似的参考号，并且通常省略对具有相同或相似参考标号的元件的重复描述。因此，为具有相同或相似参考标号的元件提供的描述是可相互交换的。在下文的描述中，阐述多个细节以提供对本公开示例的更深入的解释。然而，对于本领域技术人员来说明显地，在没有这些具体细节的情况下也可以实施其他示例。在其他情况下，已知结构和设备以框图形式而没有详细示出，以避免模糊本公开的示例。此外，本公开不同示例的特征可以相互结合，除非另有特别说明。
考虑一种mems镜设备，其具有在其两个相对端部处由两个扭杆支持的镜体。扭杆沿枢轴的方向延伸，并由此限定枢轴。扭杆还用作ty和tz模式以及模式rz和ry的弯曲梁。由于弯曲和扭转刚度随长度l的比例不同，可以通过减小扭杆的长度l来抑制ty和tz。扭转刚度的标度为1/l，而弯曲刚度的标度为1/l3。然而，由于对扭杆在特定倾斜角度下的机械应力存在上限约束，因此扭杆不能任意缩短。实际上，如果施加例如1.1gpa的应力上限，则扭杆将具有ty和tz非常接近rx的长度，这对于鲁棒性来说是不利的。
为了实现高刚度悬置和抑制不同dof模式，可以使用扭杆作为支持梁以及垂直于枢轴延伸的附加板簧将镜体支持在镜框中。扭杆可由窄扭杆形成，该窄扭杆在平行于基板平面且垂直于旋转轴的方向上具有低宽度，以降低相对于rx的刚度。这种限定旋转轴的窄扭杆可以抑制模式tz和ry。在板簧原理中，恢复扭矩主要由板簧提供。当设备围绕枢轴x轴旋转时，板簧执行弯曲运动。板簧允许结构相对于rz和ty具有刚性。然而，板簧单独会产生刚度曲线，即恢复扭矩与旋转角度之间的关系，高度非线性导致不利的应力条件。此外，由于刚度的增加，最大可实现的旋转角度会受到限制。为此，通常使用安全弹簧将板簧远离镜体的端部耦合至镜框。提供安全弹簧使结构相对于ty和rz再次变软，这不利于考虑模式分离要求。因此，安全弹簧的精确刚度代表模式分离要求和必要的非线性降低之间的设计折衷。
一般地，板簧设计的基本原理可以是将不期望的旋转和平移模式推到更高的频率。为了避免与期望模式(围绕枢轴旋转)相关的刚度过高，垂直于由镜框限定的平面的方向上的板簧厚度小于支持梁的厚度。因此，提供相当薄的一层来形成板簧，因为其刚度与t3成比例，其中t是垂直于基板平面(即，镜面)的厚度。一般地，由于不同的厚度要求，镜结构、扭杆和板簧不能形成在同一层中。在与板簧相同的层中形成镜体而如果没有任何附加的加强手段会使镜体过于柔软，导致非常大的动态变形。此外，由于tz和ry的模式抑制依赖于它们的厚度高于板簧的厚度，因此扭杆不能与板簧形成在同一层中。此外，对于具有梳状驱动器的镜体的电容(静电)致动，驱动电容、以及由此能量(每次循环可注入机械振荡器中)、以及由此最大可实现的旋转角度与梳状驱动器的厚度成比例。为了实现适当的驱动电容，通常要求与板簧相比显著更大厚度的梳状驱动器。因此，板簧设计一方面要求形成用于板簧的不同层，另一方面要求用于其他结构(诸如梳状驱动器、窄扭杆和镜体的加强结构)的不同层。这使得制造更加困难，因为通常需要更多的工艺步骤。此外，将薄板簧附接至镜体导致凹入角，其中应力奇异性会影响可靠性。
图1示出了mems设备的示例，其包括围绕枢轴a枢转的本体10、支持件20和将本体10与支持件20机械地耦合的悬置结构30。有时，枢轴被称为旋转轴。
通常，mems设备可以形成在基板中。基板平面可被限定为平行于基板的至少一个主面或基板的两个相对主面。基板的主面是由与连接主面的表面相比具有更大面积的表面限定的表面。通常，在三维坐标系中，x方向和y方向可以在基板平面中，而z方向可以垂直于基板平面。枢轴可平行于基板平面。在mems镜设备的情况下，mems镜设备的镜平面可以在镜的非偏转状态下与基板平面平行。
如图1所示，mems设备可包括单个悬置结构30，其将枢转本体10的一部分机械地耦合至支持件20。在示例中，mems设备可包括多个悬置结构，它们将枢转本体的不同部分机械地耦合至支持件。图2示出了枢转本体10的两个相对端经由悬置结构30机械地耦合至支持件20的示例。支持件20可包括图2所示的框架。本体10两侧的悬置结构30可相对于垂直于枢轴a的对称平面对称。
在mems设备的操作中，枢转本体10被驱动围绕枢轴a振荡。可以向驱动本体10提供驱动器(诸如梳状驱动器)。驱动器可包括位于枢转本体10上的第一驱动结构(诸如第一梳状电极)以及位于支持件20上的第二驱动结构(诸如梳状电极)。驱动信号可应用于驱动器，以使枢转本体10围绕枢轴a振荡。
图3和图4示出了悬置结构的示例，并且可被视为代表图1和图2中的区域v的放大。
根据本公开的悬置结构30a的示例如图3所示。悬置结构30a包括扭转元件50、第一弹簧元件52和第二弹簧元件54。每个弹簧元件52、54的第一端机械地耦合至本体10，并且每个弹簧元件52、54的第二端机械地耦合至支持件20。扭杆50的第一端机械地耦合至本体10的突出部60。突出部60从本体10朝向支持件20突出。扭杆50的第二端机械地耦合至支持件20。突出部60的形状可适应弹簧元件52、54的配置。突出部60的形状可在枢轴方向上发生改变，例如在枢轴方向上变窄的形状。在一些示例中，突出部60的形状的至少一个表面基本平行于弹簧元件52、54中的一个弹簧元件的延伸。例如，突出部60可以如图所示为梯形。突出部60可允许扭杆50被缩短。应注意，突出部60比扭杆50的质量大得多，因为突出部60在垂直于枢轴的方向上具有明显大于扭杆50的延伸。因此，与扭杆50相比，突出部60基本上没有扭转。
一个或多个扭转元件限定枢轴。在示例中，扭转元件50包括细长的扭杆。在示例中，扭转元件50包括多个可彼此平行延伸的细长扭杆。在示例中，扭杆可与枢轴a共线。在示例中，扭杆元件基本沿枢轴的方向延伸。随着扭转元件基本沿枢轴方向延伸，扭转元件的最大尺寸的方向主要沿枢轴方向，即扭转元件的最大尺寸的方向与枢轴之间的角度达到45°但不超过45°。在示例中，该角度可显著小于45°，例如至多10°或至多2°。平行扭转元件或具有较小角度的一个或多个扭转元件允许避免或减少rx的平面外弯曲。在示例中，扭转元件可包括呈v形布置的扭杆，使得每个扭杆的最大尺寸方向与枢轴之间的角度小于45°。在这种示例中，枢轴可通过扭杆之间的平分线限定。在示例中，扭转元件的这种v形布置的v形可朝向与第一和第二弹簧元件的v形打开方向相反的方向打开。
第一和第二弹簧元件52和54在扭转元件50的相对侧上以相对于枢轴a的角度延伸，使得它们之间的距离沿枢轴a的方向改变。在所示示例中，第一和第二弹簧元件52和54靠近本体10的部分之间的距离大于第一和第二弹簧元件52靠近支持件20的部分之间的距离。在所示示例中，第一和第二弹簧元件52和54包括呈v形布置的直形弹簧杆。在示例中，弹簧元件可包括具有第一部分和第二部分的弹簧杆，其中第一部分彼此平行延伸，并且第二部分延伸使得它们之间的距离在枢轴方向上发生变化。在这种示例中，弹簧杆可以呈y形布置。
弹簧元件52、54沿枢轴方向的第一延伸d1可大于弹簧元件52、54在垂直于枢轴的方向上的第二延伸d2。在示例中，弹簧元件52、54或至少其部分为条形，并且条形弹簧元件或弹簧元件的条形部分的纵向之间的角度可以为5°至30°的级别或5°至25°的级别。在示例中，角度可以为10°至20°的级别。因此，在示例中，第一和第二弹簧元件的至少条形部分之间的角度可以为10°至60°的级别或10°至50°的级别，并且在示例中，第一和第二弹簧元件的至少部分之间的角度可以为20°至40°的级别。
第一和第二弹簧元件52和54在枢轴a方向上的延伸大于扭转元件50在枢轴方向上的延伸。各元件在枢轴方向上的延伸是各元件在枢轴a上的投影，即长度元件乘以元件与枢轴之间角度的余弦。
图4示出了悬置结构30b的另一示例，其中支持件20包括突出部62，扭杆50的第二端机械地耦合至该突出部。突出部62从支持件20朝向本体10延伸。突出部62的形状可适应弹簧元件52、54的配置，并且可以是如图4所示的梯形。
扭转元件50的第一和第二端以及弹簧元件52、54的第一和第二端可分别固定至本体10和支持件20。在示例中，悬置结构可包括将第一和第二弹簧元件的第二端、或扭转元件的第二端、或第一和第二弹簧元件的第二端以及扭转元件的第二端机械地耦合至支持件的减压连杆。减压连杆可被配置为允许至少第一和第二弹簧元件或扭转元件的第二端在它们与减压连杆相邻的端部处沿枢轴方向的平移。在这种示例中，第一和第二弹簧元件在枢轴方向上的延伸不必大于扭转元件在枢轴方向上的延伸。
在示例中，至少扭转元件以及第一和第二弹簧元件形成在材料层堆叠的一个或多个相同材料层中。因此，可以简单的方式制造示例。在这种示例中，第一和第二弹簧元件在枢轴方向上的延伸不必大于扭转元件在枢轴方向上的延伸。
在示例中，该mems设备包括驱动器，并且本体的驱动结构形成在材料层堆叠中与扭转元件以及第一和第二弹簧元件相同的一个或多个材料层中。在示例中，mems设备是mems镜设备，并且mems镜设备的镜形成在材料层堆叠中与扭转元件以及第一和第二弹簧元件相同的一个或多个材料层中。在示例中，mems镜设备包括加固镜的加固结构以及与扭转元件机械耦合的突出部。
在示例中，为了改善可枢转本体的振荡行为，一个或多个悬置结构相对于枢转轴对称地形成。在示例中，扭转元件通过扭杆形成。在示例中，扭转元件通过多个扭杆形成，这些扭杆可以彼此平行延伸。在示例中，第一和第二弹簧元件可通过弹簧杆形成。在示例中，第一弹簧元件可包括多个弹簧杆，这些弹簧杆可以彼此平行延伸。在示例中，第二弹簧元件可包括多个弹簧杆，这些弹簧杆可以彼此平行延伸。
在示例中，扭杆元件的扭杆的最小宽度小于第一和第二弹簧元件的弹簧杆的最小宽度。
一般地，如本文所使用的，术语“杆”可表示具有纵向的长度、垂直于纵向的宽度以及垂直于纵向和宽度方向的厚度的细长元件。一般地，在本说明书中，长度方向和宽度方向可平行于基板平面，并且厚度方向可垂直于基板平面。
在示例中，本体和悬置结构被设计为使得围绕垂直于枢轴的轴的任何平移振荡和旋转振荡包括共振频率，该共振频率不同于围绕枢轴的旋转振荡的共振频率的谐波频率。在悬置结构包括减压连杆的示例中，平移doftx变得相关。在没有减压连杆的示例中，结构相对于平移振荡tx将是刚性的，即这种振荡被偏移到非常高的频率。
现在将参照mems镜设备来描述本公开的示例。应该理解，其他示例可与包括围绕枢轴枢转的本体的其他mems设备有关。在示例中，本体可以枢转以作用于流体(诸如实现风扇效应)或者打开和关闭流体路径。
本文所述的示例实现了与板簧设计类似的模式分离，但没有使用板簧，使得一个厚度可用于所有弹簧、镜和梳状驱动器。可以使用用于实现厚的镜加强结构的一个附加加强层。模式分离可通过v形弹簧和短窄扭杆的组合来实现。这里所用术语v弹簧是指具有至少两个弹簧元件的弹簧结构，这些弹簧元件被布置为使得它们的至少一部分形成字母v的两个支路(stroke)。
图5a示出了包含简单构造的扭杆50'的悬置结构。扭杆50'在其第一端处固定至镜体10的耦合部分68。镜体10包括梳状驱动结构70。扭杆50'的第二端代表固定至支持件的锚72。在包含简单构造的扭杆的悬置结构中，所有其他模式都与rx模式竞争，尤其是ty和tz模式，因为扭杆用作用于ty和tz的弯曲梁。因此，这种结构导致较差的模式分离。
图5b示出了包括v形弹簧设计的悬置结构。第一和第二弹簧杆52'和54'以相对于枢轴(x轴)的角度延伸，使得它们的第一端处弹簧杆之间的距离不同于它们的第二端处弹簧杆之间的距离。弹簧杆52'、54'的第一端固定至镜体10的耦合部分，并且弹簧杆52'、54'的第二端经由锚72固定至支持件。v形弹簧具有抑制ty模式和rz模式的效果。然而，v形弹簧不会抑制tz模式和ry模式。
本公开的示例将v形弹簧和短窄扭杆组合在一起，以抑制所有模式ty、rz、tz和ry。这种组合的结果如图5c所示，并且包括短扭杆50以及第一和第二v形弹簧杆52、54。扭杆50的第一端固定至本体10的耦合突出部60，并且扭杆50的第二端固定至支持件，诸如经由锚72。弹簧杆52、54的第一端固定至本体10，并且弹簧杆52、54的第二端固定至支持件，诸如经由锚72。如图5c所示，扭杆50的第二端和弹簧杆52、54可通过锚72耦合。图5c中还显示了本体10的加固结构74。在本公开的示例中，扭杆50短而窄，即在枢轴方向上短于v形弹簧且窄于v形弹簧。在示例中，扭杆50的厚度与弹簧杆52、54的厚度相同。图5c示出了位于本体10的一端处的单个悬置结构。通常，在示例中，将提供一对对应的悬置结构，在本体的每一侧具有一个。
使用v形弹簧和扭杆的这种组合，可以抑制模式ty和rz，因为v形弹簧不仅受弯曲组件的应力，而且受这些模式的拉伸组件的应力。相对于拉伸载荷分量，v形弹簧非常坚硬。
通过窄短扭杆抑制tz和ry的原因是针对这些模式扭杆用作弯曲梁的事实。由于它们的短长度l(刚度～1/l3)和大z方向厚度t(例如55μm，刚度～t3)，它们对于平面外弯曲非常坚硬。相反，对于期望rx模式，扭杆非常软，因为其宽度显著小于其厚度，诸如比厚度小至少10倍。扭杆的低平面内宽度(例如，4μm)减小了它们的扭簧常数。这是因为对于具有截面矩形的高纵横比的扭杆，截面矩形的长边t(厚度)在刚度上基本为线性，即～t，而短边w(宽度)则基本为立体，即～w3。此外，长度在旋转刚度中输入为1/l。为此，与为rx增加旋转刚度相比，缩短扭杆会给模式tz和ry增加更多的刚度。
因此，在本公开的示例中，与v形弹簧的长度相比，减小扭杆的长度有助于增加模式分离。
在本公开的示例中，调整突出部60的形式可用于调整枢转本体的质量。这可用于偏移不需要的干扰振荡模式的共振频率，以使其不与所需模式的共振频率的谐波重叠。
现在参照图6至图8描述根据本公开的mems镜设备的示例，其中图6a和图6b示出了mems镜设备的示意性底视图和示意性侧视图，图7a和图7b示出了mems镜设备的悬置结构的示意性底视图和立体图，以及图8a和图8b示出了mems镜设备的立体图和俯视图。
mems镜设备包括枢转镜体10、两个悬置结构30和支持件20。在一些附图中，支持件20被示为锚，但应理解，锚可以是支持结构的一部分，诸如形成在基板中的支持框架。镜体10经由悬置结构30在其相对侧处沿枢轴a耦合至支持件20。
镜体10包括镜100和镜载体102，其中镜载体12在图8b中最佳示出。mems镜设备可进一步包括框架(图6至图8中未示出)，其中镜体和框架可形成在基板中，并且其中镜体可布置在框架中。基板(或框架)可限定平面，即图6a中的(x，y)平面。由基板限定的平面可平行于由基板的主面限定的平面。基板可包括形成镜体、悬置结构和框架的多层。
镜体10可围绕枢轴a旋转。枢轴a平行于基板平面延伸。从图8a和图8b可以看出，镜载体102可包括沿枢轴a延伸的纵向支持杆104。支持杆104可在枢轴a的方向上从镜100两侧突出。支持杆104从镜100突出的部分在镜体的突出部60下方延伸。此外，镜载体102可包括加强梁106。第一对加强梁106可从镜100的第一端部沿远离枢轴a的相互相反的方向延伸。第二对加强梁106可从镜100的相对第二端部沿远离枢轴a的相互相反的方向延伸。第一对加强梁106可以朝向第二对的相应加强梁延伸。
镜100可形成在镜载体102上。在另一示例中，镜100可附接至镜载体102。镜100与镜载体102相对的面限定镜100的镜平面。本领域技术人员应理解，镜100和镜载体102的形状是独立的，并且可以是针对特定应用期望的任何形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或其他期望形状。
mems镜设备还可包括至少一个致动器，以提供扭矩来围绕枢轴a驱动镜体10。在一个示例中，致动器可包括附接至镜体10的镜梳状驱动结构70。镜梳状驱动结构70可以与附接至支持件(诸如支持枢转镜体的框架)的支持件梳状驱动结构交错。在交错的镜梳状驱动结构和支持件梳状驱动结构之间施加电位差可以在镜梳状驱动结构和支持件梳状驱动结构之间创建驱动力，这可以在镜体10上创建围绕枢轴a的扭矩。振荡电位可以被施加以在其固有频率下驱动镜设备。在其他示例中，驱动方法可包括电磁致动和压电致动。
如图7a和图7b最佳地示出，每个悬置结构30都包括扭转元件150以及第一和第二弹簧元件52、54。在本示例中，扭转元件包括彼此平行延伸的两个扭杆150a和150b。扭杆150a、150b的第一端机械地耦合至突出部60。扭杆150a、150b的第二端机械地耦合至支持件20。扭杆150a、150b平行于枢轴a延伸。如上文详细示出的，弹簧元件52、54相对于枢轴a以一角度延伸，以形成v形弹簧。
如图6b所示，镜体10的结构可以形成在包含层堆叠的基板中。第一子堆叠160和第二子堆叠162在图6b中示出。除镜载体102之外的所有结构都形成在第一子堆叠中，并且镜载体102形成在第二子堆叠中。子堆叠160和162中的每一个都可由一个或多个材料层形成。在示例中，第一子堆叠160可包括两个硅层以及位于硅层之间的介电层(诸如氧化物)。除镜载体(加强结构)外，镜体的所有结构均形成在子堆叠160的相同层中。在示例中，第二子堆叠162可包括其中形成有镜载体102的单个硅层。
在示例中，支持件20的结构可形成在与镜体相同的基板中。在示例中，支持件20可包含支持框架。支持框架可限定其中布置有镜体10的镜凹部。镜凹部可由支持框架的凹部外围来限定。
在所示示例中，扭转元件150包括两个扭杆。使用两个扭杆而不是宽度相同的一个扭杆使得扭转元件的刚度加倍，具体地，但不仅针对不想要的模式tz和ry，尽管各个扭杆中相对于围绕枢轴的旋转的应力(模式rx)没有实质性增加，特别是不加倍。因此，可以获得相对于不想要的平移模式tz和不想要的旋转模式ry的增加刚度，而不显著加固相对于围绕枢轴的旋转的结构(想要的模式rx)，因为其rx刚度由v形弹簧控制。在其他示例中，扭转元件可包括不同数量的扭杆，诸如三个或四个。平行的短而窄的扭杆相对于z方向的弯曲要比扭转硬得多。因此，如上文所解释的，添加短且窄的扭杆可以抑制tz和ry模式，同时几乎不影响模式rx。
图17示出了模式分离图，其示出通过上文参照图6至图8描述的本公开的示例来实现模式分离。图17示出了以khz为单位的频率的模式分离，其中从底部开始数的第一行和第二行示出了使用板簧的已知方法的模式分离，从底部开始的第三行示出了不具有v形弹簧的扭杆情况下的模式分离，从底部开始的第四行示出了不具有扭杆的v形弹簧情况下的模式分离，以及顶部行示出了v形弹簧和短窄扭杆情况下的模式分离。可以看出，本公开的示例如已知的板簧设计允许在rx模式和rz模式之间存在明显更好的分离。通过调整枢转本体的质量分布，可以进一步优化分离。
仿真结果表明，与使用板簧的已知方法中的应力值相比，这种改进的模式分离可以在不增加扭杆和v形弹簧中在最大偏转角度下的应力的情况下实现。具体地，根据本文所述的方法，由于板簧端部(板簧座和板簧头)处的凹角而产生的应力奇异性不会出现。这里，凹角是指在形成mems设备的材料内角度跨越超过180°的锐角。因此，可以增加可靠性。
本公开的示例允许简化的处理和操作，因为不要求对用于生成板簧的薄层进行额外处理。此外，与板簧方法不同，由于90°的凹角而没有应力奇异性。此外，与可利用板簧方法获得的模式分离相比，示例允许更好的模式分离。
现参照图9至图15描述悬置结构的替代示例。下文概述了各悬置结构之间的差异，并且省略了相似或相同特征的重复。
在图7a所示的示例中，平行扭杆150a和150b的第二端和形成v形弹簧的弹簧杆52、54固定至支持件20，诸如支持框架。在图9所示的示例中，平行扭杆150a、150b和形成v形弹簧的弹簧杆52、54固定至锚172，并且锚172经由减压连杆174机械地耦合至支持件20(诸如支持框架)。减压连杆174可包括基本垂直于枢轴a延伸的多个安全弹簧杆。安全弹簧杆的第一端固定至锚172，并且安全弹簧杆的第二端固定至支持件20。减压连杆174被配置为允许扭杆150a、150b和弹簧杆52、54在x方向靠近支持件的端部的平移。因此，减压连杆174用于补偿x方向上的应变，例如热应变。更具体地，减压连杆可被配置为补偿热应变效应，例如由于温度差而导致的镜体的伸长，否则这种效应会导致屈曲(buckling)。其还可以补偿作用在框架上的力产生的外部应力，并且还防止这种情况下发生屈曲。
图10示出了包括扭转元件150的悬置结构的示例，扭转元件150包括相互平行布置的三个扭杆150a、150b、150c。如图所示，扭杆150a、150b、150c和弹簧杆52、54固定至锚172。锚172可以固定至支持件或者可以是支持件的一部分。备选地，如图9所示，锚172可经由减压连杆耦合至支持件。
图11示出了包括具有两个扭杆的扭转元件150且包括弹簧元件152和154的悬置结构的示例，每个弹簧元件分别包括第一和第二弹簧杆152a、152b和154a、154b。相应的第一和第二弹簧杆彼此平行布置。因此，弹簧杆可被视为以双v形布置，其中弹簧杆152a、154b形成第一v形，并且弹簧杆154a、152b形成第二v形。可使用包括可彼此平行布置的多个弹簧杆的弹簧元件改进对不需要的ty和rz模式的抑制。此外，双v形弹簧设计可使rx模式的恢复扭矩近似增加一倍，而不会显著增加各个弹簧杆中的机械应力。
图12至图15示出了关于如何实现悬置结构与本体和支持件的机械耦合的不同示例。
如图12所示，支持件20包括与扭杆150a、150b的第二端机械耦合的突出部62。扭杆150a和150b的第一端耦合至本体10。因此，在本示例中，扭转元件150布置为与支持件20相比更靠近本体10。支持件20的突出部62可形成在其中形成枢转本体10的相同基板层中。与上述突出部60类似，突出部62的形状可以在枢轴的方向上发生变化。如图12所示，突出部62的宽度可以朝着镜连续增加。
根据图13，弹簧杆52和54被布置为使得其靠近本体10的部分之间的距离小于其靠近支持件20的部分之间的距离。这里，弹簧的v形朝着支持件20打开。这种布置仍然可以提供对不需要的模式的改进抑制或分离，但可能导致围绕枢轴a旋转的刚度增加。如图13所示，在本实施例中，突出部62的宽度可以朝着镜连续减小。
根据图14，弹簧杆52和54还被布置为使得其靠近本体10的部分之间的距离小于其靠近支持件20的部分之间的距离。然而，当与图13相比时，突出部60现在形成在枢转本体10处，使得扭转元件150布置为与枢转本体10相比更靠近支持件20。
在示例中，在弹簧元件之间延伸的突出部可形成在枢转本体10和支持件20处。在这些示例中，扭转元件布置在枢转本体和支持件之间，与枢转本体和支持件的距离相同。
图15a示出了与图9所示的示例类似的示例。然而，在图15a所示的示例中，扭转元件150(即，其两个扭杆)固定至支持件20，并且弹簧元件52和54经由相应的减压连杆174a、174b耦合至支持件20。在该示例中，v形弹簧通过减压连杆与支持件分离，诸如防止由于热膨胀而发生屈曲。在扭转元件(诸如短窄扭杆150a、150b、150c)预计不会导致相当大的屈曲的情况下，为v形弹簧提供减压连杆是足够的。使用减压连杆避免扭转元件的去耦可以有效地、更好地抑制不想要的tx模式。
图15b示出了与图9和图15a所示示例类似的示例。然而，在图15b所示的示例中，弹簧元件52和54固定至支持件20，并且扭转元件150(即其两个扭杆)经由减压连杆174a、174b耦合至支持件20。在本示例中，扭转元件通过减压连杆与支持件去耦。在不期望外力经由v形弹簧对镜动力学产生强烈影响的情况下，这可能是期望的，但在这种情况下，需要保护扭转元件免受这些力的影响。
已经描述了悬置结构的不同示例。本领域技术人员应理解，可以任何方式组合不同示例的特征。仅作为示例，在图15a和图15b的示例以及在其他示例中提供不同数量的扭杆和弹簧杆，诸如图5c和图10所示的一个或三个扭杆或者图11所示每个弹簧元件具有两个弹簧杆。
上述减压连杆可设置在枢转本体一侧上的悬置结构处，或者也可以设置在枢转本体两侧上的悬置结构处。
本公开的示例可导致改进的模式分离，因此改进机械鲁棒性，特别是在设备在经受外部振动的系统中操作的情况下，诸如在汽车环境中。本公开的示例提供了用于mems设备(诸如mems镜设备)的弹簧设计，其在旋转自由度的共振下操作。弹簧设计提供了抑制枢转本体(诸如镜)的所有其他刚体模式的手段。这通过v形弹簧和短窄扭杆的组合来实现，它们都可具有相同的平面外(z方向)厚度。此外，在示例中，弹簧设计可与在x方向上提供减压的弹簧组合，并且由此可补偿热应变和/或外部应力。
通过有限元分析对弹簧设计的仿真表明，与参考板簧设计相比，示例(特别是包括具有两个窄短扭杆的扭转元件的示例)可产生更好的模式分离。这在不会不利地影响其他行为(诸如动态失真、硬化曲线、动态响应曲线和应力分布)的情况下实现。
此外，板簧方法通常要求形成薄的膜层(诸如10μm厚)，以在制造工艺流程中实现板簧。在通常几百微米到毫米的基板平面中，在膜层跨越区域中形成薄膜意味着非常精细且容易出错的处理。这种膜在处理期间可能破裂。特别地，当mems设备尚未完全结构化时，这些膜可在工艺流程期间密封材料层堆叠内的腔。膜下方的这种密封腔与外界压力之间的压力差在处理室中经常发生，并且将在膜中产生强烈的机械应力，最终导致破裂。由于本公开的示例不需要这种膜，因此简化处理和处理是可能的，并且制造可以更可靠。通常，与本公开的示例相比，板簧的形成在处理技术中要求至少一个附加层。除了处理密封腔的问题外，该附加层可导致附加的处理困难，诸如对预先结构化的晶圆表面执行晶圆接合的必要性以及随后对相同晶圆侧上的不同层执行多个深度反应离子蚀刻(drie)步骤的必要性。与接合非结构化表面相比，在预先结构化表面上接合可降低接合质量，并且相同晶圆侧上的多个drie步骤涉及稍后的drie步骤损伤在先前drie步骤中形成的蚀刻侧壁的风险。由于这种处理需求，实现可靠的制造流程通常是很有挑战性的。
此外，在板簧方法中形成薄膜层通常要求实现以可控方式形成其厚度的手段。例如，可以要求其厚度变化应不超过3％。可通过在第一绝缘体上硅(soi)晶圆的设备层中形成薄膜层来满足这种要求。然而，要求至少一个附加(第二)soi晶圆来提供用于层的两个厚度，其中形成其他特征，诸如梳状驱动器、扭杆、镜体和加强结构。因此，分别通过第二soi晶圆的设备层和处理层提供两个离散厚度。因此，可以要求两个soi晶圆以可控方式处理板簧设计。由于本公开的示例不使用板簧，因此本公开的示例可以仅使用一个soi晶圆来制造。这可以显著降低原材料成本，因为soi晶圆较昂贵。
此外，通过本公开的示例阐述的设计方法，避免在机械应力位置处出现导致不可控的机械应力条件的凹角。这些位置出现在板簧设计中，其中薄板簧与其他元件(诸如锚元件、连接元件或本体支持元件)耦合，这些元件形成有相当高的厚度。
本公开的示例提供了用于制造这种mems设备的方法。
如图16a所示，在示例中，该方法包括在基板中形成围绕枢轴枢转的本体、支持件和机械地将本体与支持件耦合的悬置结构(200)。形成悬置结构包括形成限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件(202)，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴方向上改变。第一和第二弹簧元件在枢轴方向上的延伸大于扭转元件在枢轴方向上的延伸。
如图16b所示，在示例中，该方法包括在基板中形成围绕枢轴枢转的本体、支持件和机械地将本体与支持件耦合的悬置结构(210)。形成悬置结构包括形成限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件(212)，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴方向上改变。形成将至少第一和第二弹簧元件或扭转元件机械地耦合至支持件的减压连杆(214)，其中减压连杆被配置为允许至少第一和第二弹簧元件或扭转元件在它们与减压连杆相邻的端部处沿枢轴方向的平移。
如图16c所示，在示例中，该方法包括在基板中形成围绕枢轴枢转的本体、支持件和机械地将本体与支持件耦合的悬置结构(220)。形成悬置结构包括形成限定枢轴的扭转元件以及第一和第二弹簧元件(222)，第一和第二弹簧元件在扭转元件的相对侧上以相对于枢轴的角度延伸，使得第一和第二弹簧元件的至少部分之间的距离在枢轴方向上改变。扭转元件以及第一和第二弹簧元件形成在材料层堆叠的一个或多个相同材料层中。因此，与其他设计(诸如使用板簧的设计)相比，mems设备的制造可以简化。
在示例中，可使用至少一个soi晶圆来形成mems设备。在其他示例中，mems设备可使用与soi晶圆不同的晶圆形成，该晶圆可包括在其一个表面处具有掺杂植入、外延层或隔离多晶硅层的半导体层，使得在梳状驱动器中可形成电可分离区域。在这些示例中，可进一步改进原材料成本和可靠性。
尽管一些方面已经在装置的上下文中被描述为特征，但明显地，这种描述也可以被视为对方法的对应特征的描述。虽然在方法的上下文中将一些方面描述为特征，但明显地，这种描述也可以被视为关于装置功能的对应特征的描述。
在上述详细描述中，可以看出，为了简化公开在示例中将各种特征组合到一起。本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的示例要求比每个权利要求中明确引用的更多特征的意图。相反，如下列权利要求所反映的，创造性的主题可以在单个公开的示例中不具有所有特征。因此，以下权利要求被并入详细说明中，其中每个权利要求可以作为单独的示例单独存在。在每一项权利要求可以单独作为一个示例的情况下，应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中提及与一项或多项其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括从属权利要求与其他从属权利要求的主题的组合或者每个特征与其他从属或独立权利要求的组合。除非说明不打算使用特定组合，否则本文建议使用这种组合。此外，任何其他独立权利要求还包括一项权利要求的特征，即使该权利要求不是直接依赖于该独立权利要求。
上述示例仅为本公开的原则的说明。应理解，本领域技术人员将明白对本文所述布置和细节的修改和变化。因此，其仅通过专利权利要求的范围来限制，而不通过由本文示例的描述和解释所呈现的具体细节来限制。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
