用于使微机电系统反射镜倾斜的电极配置的制作方法

1.本公开涉及一种包括反射镜结构和一个或多个铰链以使反射镜结构围绕倾斜轴线倾斜的微机电系统(mems)设备，并且涉及一种使用单个驱动通道和/或单个可控驱动电压来增加反射镜结构的角倾斜范围的电极配置。


背景技术：

2.微机电系统(micro-electro-mechanical systems：mems)设备是具有电子和机械部件以及物理尺寸的微尺寸结构，其范围可以从几毫米到小于一微米。例如，mems设备可以包括反射镜，该反射镜可以用于在各种应用中反射或以其他方式引导光(例如，激光束)，例如光检测和测距(lidar)应用、感测应用和/或光通信应用等。在操作中，mems驱动器电路可以促动mems设备，这可以导致反射镜围绕一个或多个轴线倾斜，以便改变光被反射镜引导的方向。例如，促动微机电系统装置以倾斜反射镜可以导致落在反射镜上并在一个方向反射的光束在不同的方向被反射。


技术实现要素：

3.在一些实施方式中，一种微机电系统(mems)设备包括：反射镜结构，从第一铰链和第二铰链悬挂，第一铰链和第二铰链被布置成使得反射镜结构能够围绕倾斜轴线倾斜，其中反射镜结构包括位于倾斜轴线的相反侧的第一促动器和第二促动器；固定电极，其联接到第一促动器，以基于施加到固定电极的固定电压，使反射镜结构围绕倾斜轴线在第一方向上倾斜；和驱动电极，其联接到第二促动器，以基于施加到驱动电极的驱动电压，使反射镜结构围绕倾斜轴线在与第一方向相反的第二方向上倾斜。
4.在一些实施方式中，一种方法包括：向包括反射镜结构的mems设备的固定电极施加固定电压；其中反射镜结构包括位于倾斜轴线的相反侧的第一促动器和第二促动器，并且其中向固定电极施加固定电压导致第一促动器使得反射镜结构围绕倾斜轴线在第一方向上倾斜；和向mems设备的驱动电极施加驱动电压，基于施加到驱动电极的驱动电压，驱动电压导致第二促动器使得反射镜结构围绕倾斜轴线在与第一方向相反的第二方向上倾斜。
5.在一些实施方式中，一种mems设备包括：反射镜结构，被配置为围绕倾斜轴线倾斜；第一促动器，位于倾斜轴线的第一侧，被配置为基于施加到第一促动器的预倾斜电压，使反射镜结构围绕倾斜轴线在第一方向上倾斜第一角度；和驱动通道，包括位于倾斜轴线的第二侧上的第二促动器，该第二促动器被配置为基于施加到设置在驱动通道中的驱动电极的驱动电压，使反射镜结构围绕倾斜轴线在与第一方向相反的第二方向上倾斜第二角度，其中反射镜结构具有基于预倾斜电压和驱动电压最大值的倾斜范围。
附图说明
6.图1a-1b是包括倾斜反射镜结构的微机电系统(mems)设备的一个或多个示例性实施例的示意图。
7.图2是与本文描述的mems设备的反射镜结构相关联的倾斜角和驱动效率之间的示例关系的曲线图。
8.图3是与本文描述的mems设备的反射镜结构相关联的倾斜角和驱动电压之间的示例关系的曲线图。
9.图4是与对包括倾斜反射镜结构的mems设备进行促动相关的示例过程的流程图。
具体实施方式
10.示例实施方式的以下详细描述参考了附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
11.在光检测和测距(lidar)系统中，可以通过用光束(例如，激光束)照射物体并测量反射光束的特性来检测物体。诸如半自动或全自动车辆的车辆可以使用lidar系统来检测车辆路径中的物体(例如，其他车辆、行人和/或道路杂物等)。典型的lidar系统包括使得投射光束和反射光束偏转的光束偏转单元。然而，光束偏转单元原地旋转，因此除了其他例子之外，还会由于摩擦和/或磨损而受到机械磨损。因此，对于许多应用，例如自动车辆应用，需要更鲁棒的固态lidar系统。
12.在一些情况下，固态lidar系统可以使用一个或多个mems设备，该设备包括相应的反射镜，以受控的方式反射、偏转或以其他方式引导投射光束和反射光束。例如，一个或多个mems设备可以联接到可以促动mems设备(一个或多个)的mems驱动电路，这可以导致反射镜(一个或多个)围绕一个或多个轴线倾斜，以控制光被反射镜引导的方向。为了在这样的lidar系统中提供长距离和宽视野，lidar系统的mems设备应该能够使反射镜具有宽的倾斜范围，以提供宽的偏转角。例如，增加反射镜倾斜范围通常是可取的，因为更宽的倾斜范围允许访问与lidar系统相关联的更大量端口。例如，在lidar系统和/或另一种合适的感测系统中，光束可以落在mems设备的反射镜上，该反射镜可以倾斜到不同的角度，以便将光导向不同的端口。因此，因为转向的量与端口的数量成比例，所以更大的反射镜倾斜范围可以允许光束以更大的角度被转向，从而访问更大数量的端口，这可以提高感测性能(例如，增加感测范围和/或感测精度)。
13.本文所述的一些实施方式涉及一种电极配置，该电极配置使得包括反射镜结构的mems设备能够具有宽的角倾斜范围，以基于反射镜结构围绕倾斜轴线倾斜的角度来反射光。例如，在一些实施方式中，反射镜结构可以悬挂在一个或多个铰链上，这些铰链使得反射镜结构能够围绕倾斜轴线倾斜，并且反射镜结构可以包括位于倾斜轴线相反侧的第一促动器和第二促动器。因此，当第一电压被施加到联接到第一促动器的第一电极时，第一电压可以产生使得反射镜结构在第一方向上围绕倾斜轴线倾斜的力，并且当第二电压被施加到联接到第二促动器的第二电极时，反射镜结构可以在第二方向上围绕倾斜轴线倾斜。这样，相对于单电极设计，反射镜结构的倾斜范围可以增加(例如，加倍(double，两倍))。此外，在一些实施方式中，第一电极可以是固定电极，第二电极可以是驱动电极，这可以使得能够利用单个驱动电压和/或单个驱动通道来实现增加的倾斜范围，这降低了mems设备的成本，因为只需要单个可控电压来增加倾斜范围。
14.图1a-1b是包括倾斜反射镜结构110的mems设备的一个或多个示例性实施例100的示意图。在一些实施方式中，如本文所述，mems设备可以是微型光学设备，其被配置为基于
反射镜结构110围绕倾斜轴线125倾斜的角度来偏转落在反射镜结构110上的光束。例如，反射镜结构110的至少一部分可以涂有反射涂层(例如，金属反射材料，例如金或另一种合适的材料)，用于使得光束反射。此外，如本文进一步详细描述的，mems设备可以包括电极配置，以增加反射镜结构110的角倾斜范围(例如，相对于具有单个电极的mems设备)。例如，如图1a-1b所示并在本文中进一步详细描述的，mems设备可以包括具有两(2)个电极的电极配置，以相对于具有单个电极的mems设备增加(例如，加倍)反射镜结构110的角倾斜范围。例如，如图1a所示，mems设备可以包括两个分开控制的驱动电极。可选地，如图1b所示，mems设备可以包括固定电极和驱动电极，以使用单个驱动通道(driving channel)和/或单个可控驱动电压来实现反射镜结构110的角倾斜范围的类似增加。
15.在一些实施方式中，如图1a和图1b所示，反射镜结构110可以通过一对铰链120、122悬挂，铰链120、122被布置为或以其他方式被配置为使反射镜结构110围绕mems设备的倾斜轴线125(例如，图1a-1b所示的x轴线)倾斜(或允许或使反射镜结构110倾斜)。例如，铰链120、122可以沿着倾斜轴线125对准，以允许反射镜结构110围绕倾斜轴线125在第一方向(例如，顺时针方向)和第二方向(例如，逆时针方向)上倾斜。如图1a-1b进一步所示，铰链120、122可以通过各自的锚固件124、126机械安装。例如，在一些实施方式中，锚固件124、126可以安装到外壳或壳体上，或者安装到外壳或壳体内的一个或多个机械元件上，以在镜子结构110在铰链120、122上围绕倾斜轴线125倾斜时稳定镜子结构110。
16.在一些实施方式中，如图1a和图1b所示，mems设备可以包括位于倾斜轴线125相反侧的第一促动器130和第二促动器140。例如，在图1a和图1b中，第一促动器130位于相对于倾斜轴线125的负y方向上，倾斜轴线125在x方向上对齐，第二促动器140位于相对于倾斜轴线125的正y方向上。在一些实施方式中，如图1a和图1b所示，第一促动器130和第二促动器140可以是梳状驱动促动器，其被配置成产生静电扭矩(也称为驱动力或驱动扭矩)以使反射镜结构110围绕倾斜轴线125倾斜。例如，梳状驱动促动器可以包括一组定子(例如，静止的或固定的)梳和一组转子梳，每个梳包括各种齿，这些齿相互啮合以产生静电扭矩来倾斜反射镜结构。例如，当电压施加到定子梳组时，转子梳和定子梳之间的电压差产生静电场，该静电场导致(例如，拉动)转子梳的齿，以与定子梳的齿啮合。静电场可以在垂直于倾斜轴线125(例如，图1a和图1b所示的z轴线)的方向上产生线性静电力和/或围绕倾斜轴线125的静电扭矩(例如，在图1a和图1b中显示为弯曲箭头)，这导致反射镜结构110围绕倾斜轴线125倾斜。或者，在一些实施方式中，第一促动器130和第二促动器140可以是一对静电平行板，包括静止或固定的第一板和能够基于施加到静止或固定板的电压而朝向或远离第一板移动的第二板。
17.在一些实施方式中，如图1a所示，mems设备可以包括分开控制的第一驱动电极132和第二驱动电极142，以便相对于具有单个电极的mems设备增加(例如，加倍)反射镜结构110的角倾斜范围。例如，第一驱动电极132可以联接到第一促动器130(例如，联接到第一促动器130的静止或固定，例如一组定子梳或第一平行板)，由此向第一驱动电极132施加驱动电压能够在倾斜轴线125的右侧产生驱动力134(例如，相对于在x方向定向的倾斜轴线125在负y方向)。驱动力134导致反射镜结构110围绕倾斜轴线125在第一方向上(例如，顺时针方向)倾斜第一角度(正θ)。类似地，第二驱动电极142可以联接到第二促动器140(例如，联接到第二促动器140的静止或固定部分，例如一组定子梳或第一平行板)，由此向第二驱动
电极142施加驱动电压在倾斜轴线125的左侧(例如，相对于倾斜轴线125在正y方向上)产生驱动力144。以这种方式，驱动力144导致反射镜结构110围绕倾斜轴线125在第二方向(例如，逆时针)倾斜第二角度(负θ)，导致
±
θ的总倾斜范围，或者是用单个电极可以实现的倾斜范围的两倍。
18.在一些实施方式中，为了向第一驱动电极132和第二驱动电极142提供两个驱动电压，如图1a所示的mems设备可以包括两个驱动通道，这两个驱动通道具有输入/输出(i/o)端口，以连接到提供两个驱动电压的数模(dac)转换器。换句话说，为了使用不同的驱动电极132、142分别控制第一促动器130和第二促动器140，需要两个可控驱动电压来使反射镜结构110的角倾斜范围加倍，这也使用于实现加倍的角倾斜范围的驱动通道、i/o端口和/或dac转换器的数量加倍。在mems设备用于lidar系统、波长选择开关等的情况下，可以有包括大量mems设备和相应反射镜结构(例如，100个或更多)的阵列。因此，将驱动通道、i/o端口和/或dac转换器的数量加倍会显著增加成本，以实现更宽的倾斜范围。此外，使用两个独立的驱动通道会增加设计的复杂性。例如，如上所述，mems设备可以机械安装到密封外壳或壳体上，或者安装到密封外壳或壳体内的一个或多个机械元件上。因此，每个驱动通道可能需要一个i/o端口来访问驱动电极和一个dac转换器，以控制相应的驱动电极，这可能导致微尺寸mems设备的机械复杂性。
19.因此，如图1b所示，mems设备可以包括一种电极配置，其使用单个驱动通道和/或单个可控驱动电压来实现角倾斜范围的类似增加。例如，如图1b所示，第二促动器140可以联接到固定电极150，并且固定电压被施加到固定电极150以产生固定力154，使得反射镜结构110在朝向固定电极150的方向上(例如，在围绕倾斜轴线125的逆时针方向上)倾斜。当没有电压施加到驱动电极132时，固定电压导致镜结构110朝向固定电极150倾斜一固定的预倾斜角(θ
pre
)。附加地或替代地，负偏置电压可以施加到反射镜结构110的膜，以增加促动角度和/或降低需要施加到固定电极150的固定电压。例如，在这种情况下，导致镜结构110倾斜所述预倾斜角的有效预倾斜电压可以是施加到镜结构110的膜的负偏置电压和施加到固定电极150的固定电压的总和。可选地，负偏置电压可以在没有固定电压的情况下施加到反射镜结构110的膜，以减小预倾斜角的值。在任一种情况下，驱动电压可以以与上面参照图1a描述的类似方式施加到驱动电极132，并且驱动电压可以产生驱动力134，以使反射镜结构110朝向驱动电极132倾斜。在这种情况下，驱动力134可以相对于预倾斜角单调地使反射镜结构110朝向驱动电极132倾斜(例如，顺时针方向)，直到到达基于驱动电压的最大值的最大角度。这样，可以使用单个可控驱动电压来增加反射镜结构110的倾斜范围，从而减少实现全部倾斜范围所需的驱动通道、i/o端口和/或dac的数量。
20.在一些实施方式中，驱动电极132的驱动效率可以根据固定的预倾斜角而变化，在该预倾斜角处，反射镜结构110被施加到固定电极150的固定电压所倾斜。例如，驱动电极132的驱动效率可以随着固定预倾斜角的值增加而降低。因此，在一些实施方式中，可以通过优化mems设备的一个或多个参数来限制固定预倾斜角的值，从而提高驱动效率。例如，在一些实施方式中，可以增加固定电压的值以增加预倾斜角(以降低驱动效率为代价)，或者减少固定电压的值以降低预倾斜角(从而提高驱动效率)。附加地或替代地，铰链120、122中的一个或多个的刚度可以被优化，以提高驱动效率(例如，降低铰链120、122中的一个或多个的刚度可以降低将反射镜结构110倾斜到整个倾斜范围内的期望角度所需的驱动电压)。
附加地或替代地，可以调节第一促动器130和/或第二促动器140的位置和/或几何结构，以增加驱动效率。
21.如上所述，图1a-1b被提供作为一个或多个示例。其他示例可以与针对图1a-1b描述的不同。
22.图2是与本文描述的mems设备的反射镜结构相关联的倾斜角和驱动效率之间的示例关系的曲线图200。例如，曲线200示出了包括第一促动器(例如，静电梳或平行板)的mems设备中的驱动效率，该第一促动器联接到倾斜轴线的第一侧上的固定电极，由此施加到固定电极的固定电压导致第一促动器围绕倾斜轴线旋转或以其他方式使镜子结构倾斜一预倾斜角。当驱动电压被施加到与倾斜轴线的第二侧上的驱动电极联接的驱动电极时，施加到该驱动电极的驱动电压导致第二促动器使得反射镜结构围绕倾斜轴线单调地旋转或倾斜，远离预倾斜角。
23.因此，由于曲线200通常示出驱动效率随着预倾斜角的增加而降低，因此可以优化mems设备的一个或多个设计参数来限制预倾斜角，从而提高驱动效率。例如，预倾斜角的值可以基于固定电压的值、使反射镜结构能够围绕倾斜轴线倾斜的一个或多个铰链的刚度、第一促动器的位置和/或第二促动器的位置(例如，与倾斜轴线的距离)、和/或第一促动器和/或第二促动器的几何形状(例如，静电定子梳和/或静电转子梳的数量或配置、静电平行板的尺寸和/或形状)。
24.如上所述，图2被提供作为一个或多个示例。其他示例可以与针对图2描述的不同。
25.图3是与本文描述的mems设备的反射镜结构相关联的倾斜角和驱动电压之间的示例关系的曲线图300。例如，曲线310示出了与mems设备中的反射镜结构相关联的倾斜角和驱动电压之间的关系，该mems设备包括单个驱动通道，以在标称设计中(例如，当固定电压没有施加到固定电极时)围绕倾斜轴线使得反射镜结构倾斜。在这种情况下，反射镜结构可以具有大约4.6度的倾斜范围，最大驱动电压为170伏。如曲线320所示，当没有施加驱动电压时，向固定电极施加75伏的固定电压导致反射镜结构预倾斜大约1度，在给定170伏的最大驱动电压的情况下导致5.45度的总倾斜范围(例如，4.45度加上1度的预倾斜)。类似地，如曲线330所示，施加大约100伏的更大固定电压将预倾斜角扩大到大约2度，导致基于170伏的最大驱动电压的大约6.35度的总倾斜范围(例如，4.35度加上2度的预倾斜)。因此，具有一个固定电极和一个驱动电极的电极配置通常可以降低实现给定倾斜范围所需的最大驱动电压。例如，在75伏的固定电压下，实现4.6度总倾斜范围(例如，如曲线310所示的标称设计中)的必要电压约为150伏，或比标称设计小20伏。此外，在大约100伏的固定电压下，实现4.6度总倾斜范围(例如，如曲线310所示的标称设计中)所需的电压约为135伏，或比标称设计小35伏。
26.如上所述，图3被提供作为一个或多个示例。其他示例可以与针对图3描述的不同。
27.图4是与促动包括倾斜反射镜结构的mems设备相关的示例过程400的流程图。在一些实施方式中，图4的一个或多个处理框可以由mems驱动电路(例如，可以导致一个或多个电压被施加到mems设备的一个或多个电极的mems驱动电路)来执行。在一些实施方式中，图4的一个或多个处理框可以由与mems驱动电路分离或包括mems驱动电路的另一个设备或一组设备来执行。
28.如图4所示，过程400可以包括向包括反射镜结构的mems设备的固定电极施加固定
电压，其中反射镜结构包括位于倾斜轴线相反侧的第一促动器和第二促动器，并且其中向固定电极施加固定电压导致第一促动器使得反射镜结构围绕倾斜轴线在第一方向上倾斜(框410)。例如，如上参考图1a-1b所述，mems设备可以包括可以围绕倾斜轴线125倾斜的反射镜结构110。此外，反射镜结构110可以包括位于倾斜轴线125相反侧的促动器130、140。
29.因此，在一些实施方式中，mems驱动器电路可以向mems设备的固定电极150施加固定电压，其中固定电极150联接到促动器140。在一些实施方式中，向固定电极150施加固定电压导致促动器140使得反射镜结构110围绕倾斜轴线125在第一方向上(例如，朝向固定电极150)倾斜。
30.如图4中进一步所示，过程400可以包括向mems设备的驱动电极施加驱动电压，该驱动电压导致第二促动器基于施加到驱动电极的驱动电压使得反射镜结构在与第一方向相反的第二方向上围绕倾斜轴线倾斜(框420)。例如，mems驱动电路可以向mems设备的驱动电极132施加驱动电压，其中驱动电极132联接到促动器130。在一些实施方式中，如上所述，基于施加到驱动电极132的驱动电压，驱动电压导致促动器130使得反射镜结构110围绕倾斜轴线125在与第一方向相反的第二方向上(例如，朝向驱动电极132)倾斜。
31.过程400可以包括额外的实施方式，例如下面描述的和/或结合本文别处描述的一个或多个其他过程的任何单个实施方式或实施方式的任何组合。
32.在第一实施方式中，向固定电极150施加固定电压导致反射镜结构110围绕倾斜轴线125倾斜第一角度，该第一角度的值基于固定电压的值。
33.在第二实施方式中，单独或与第一实施方式相结合，将驱动电压施加到驱动电极132导致反射镜结构110围绕倾斜轴线125倾斜第二角度，该第二角度的值基于驱动电压的值。
34.在第三实施方式中，单独或与第一和第二实施方式中的一个或多个相结合，反射镜结构110的倾斜范围基于以下中的一个或多个：固定电压值、驱动电压最大值、使反射镜结构110能够围绕倾斜轴线125倾斜的一个或多个铰链120、122的刚度、一个或多个促动器130、140的一个或多个位置、或者一个或多个促动器130、140的一个或多个几何结构。
35.在第四实施方式中，单独或与第一至第三实施方式中的一个或多个相结合，过程400包括将负偏置电压施加到镜结构110的膜，其中施加到固定电极150的有效电压基于固定电压和负偏置电压。
36.在第五实施方式中，单独或与第一至第四实施方式中的一个或多个相结合，促动器130、140包括各自的静电平行板和/或静电梳的组。
37.在第六实施方式中，单独或与第一至第五实施方式中的一个或多个结合，mems设备包括单个驱动通道，以接收施加到驱动电极132的驱动电压。
38.尽管图4示出了过程400的示例框，但是在一些实施方式中，过程400可以包括与图4中所示的那些框相比额外的框、更少的框、不同的框或不同排列的框。附加地或替代地，过程400的两个或更多个框可以并行执行。
39.前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制于所公开的精确形式。可以根据上述公开进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，本文描述的任何实施方式都可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不能被组合的理由。
40.显然，本文描述的系统和/或方法可以以不同形式的硬件、固件或硬件和软件的组合来实现。用于实现这些系统和/或方法的实际专用控制硬件或软件代码并不限制这些实施方式。因此，本文描述的系统和/或方法的操作和行为没有参考特定的软件代码——应当理解，可以基于这里的描述设计软件和硬件来实现系统和/或方法。
41.即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求以及权利要求集中的每个其他权利要求。如这里所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一个”意在涵盖a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同项目的多个的任意组合。
42.除非明确描述，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用此外，如本文所用，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目或相关和不相关项目的组合)，并且可以与“一个或多个”互换使用当只打算使用一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如本文所用，术语“具有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”意在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包括在内，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了图中所示的方向之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的设备、装置和/或元件的不同方向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。
43.相关申请的交叉引用
44.本技术要求2020年9月25日提交的，题为“electrode configuration for tilting microelectromechanical system(mems)mirror”的美国临时专利申请第63/198,047号的优先权，其内容通过引用整体结合于此。