本發(fā)明涉及一種包括襯底和平臺的系統(tǒng)，所述平臺通過至少一個(gè)柔性鉸接件連接到所述襯底上并且相對于所述襯底是可移動的，并且所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)具有多個(gè)壓阻元件的位置傳感器，所述多個(gè)壓阻元件被連接以形成電橋，一個(gè)壓阻元件布置在所述至少一個(gè)柔性鉸接件上或所述至少一個(gè)柔性鉸接件處。

背景技術(shù)：

在激光加工材料時(shí)，需要越來越小和緊湊的系統(tǒng)。節(jié)省空間的一種可能性為使用僅包括一個(gè)基于mems技術(shù)(微機(jī)電系統(tǒng))的反射鏡的掃描設(shè)備。按照慣例，這些反射鏡成陣列使用以用作大偏轉(zhuǎn)反射鏡或并入簡單的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中。在該情形下，反射鏡通常不得不僅繞著一個(gè)軸線偏向并且具有較小的偏轉(zhuǎn)角。為了覆蓋適合于激光加工的工作區(qū)域，所使用的反射鏡不得不實(shí)現(xiàn)多達(dá)10°或更大的偏轉(zhuǎn)角，并且必須能在兩個(gè)空間方向上偏轉(zhuǎn)。進(jìn)一步地，這些反射鏡必須在特定的時(shí)間點(diǎn)到達(dá)一個(gè)特定的偏轉(zhuǎn)角，因而必須精確地對其進(jìn)行控制。由于借助柔性鉸接件實(shí)現(xiàn)反射鏡的偏轉(zhuǎn)，因而常存在沿著第三空間方向進(jìn)行振蕩的問題，在定位期間不得不考慮這個(gè)問題。為了精確控制反射鏡，在三個(gè)空間方向上均實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和快速的位置測定是必要的。

例如從us8,559,086b2中已知這種類型的包括位置傳感器的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，整個(gè)壓阻式傳感器，即四個(gè)壓阻元件，布置在柔性鉸接件上，因而柔性鉸接件本身必須是相對大的。由于系統(tǒng)是十分剛性的，因而僅可能以受限的方式實(shí)現(xiàn)大偏轉(zhuǎn)(+/-10°)。

柔性鉸接件理解成意味著通過彎曲允許兩個(gè)剛體區(qū)域之間的相對運(yùn)動(旋轉(zhuǎn))的部件的區(qū)域。柔性鉸接件通常形成為彈簧元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是以允許更精確位置確定的方式改進(jìn)上文所提及類型的系統(tǒng)。

上述目的通過根據(jù)本發(fā)明的包括襯底和平臺的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，所述平臺通過至少一個(gè)柔性鉸接件連接到所述襯底上并且相對于所述襯底是可移動的，并且所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)具有多個(gè)壓阻元件的位置傳感器，所述多個(gè)壓阻元件被連接以形成電橋，一個(gè)壓阻元件布置在所述至少一個(gè)柔性鉸接件上或所述至少一個(gè)柔性鉸接件處，并且至少一個(gè)壓阻元件布置在所述襯底或所述平臺上。因而，根據(jù)本發(fā)明所提供的不是整個(gè)位置傳感器布置在所述柔性鉸接件上，而是將作為位置傳感器的一部分的至少一個(gè)壓阻元件布置在所述襯底或所述平臺上，即布置在剛體區(qū)域上。這使得能夠降低位置傳感器在柔性鉸接件上的空間需求，由此能將柔性鉸接件制造得更小。另外，單個(gè)的壓阻元件可能會幾乎占據(jù)柔性鉸接件的整個(gè)寬度。因此，能將壓阻元件形成為足夠大以至于將噪聲保持在較低水平。有利地，位置傳感器的、優(yōu)選所有位置傳感器的壓阻元件形成為相同的。

尤其優(yōu)選的是剛好一個(gè)壓阻元件布置在所述至少一個(gè)柔性鉸接件上或所述至少一個(gè)柔性鉸接件處，并且三個(gè)壓阻元件布置在所述剛體區(qū)域上或所述剛體區(qū)域處且被連接以形成惠斯通電橋(wheatstonebridge)。因而，三個(gè)壓電電阻器附接至結(jié)構(gòu)的不可變形部分。當(dāng)所述平臺移動時(shí)，所述柔性鉸接件變形，這引起機(jī)械應(yīng)力的變化以及因而引起壓阻元件的變化，并導(dǎo)致電阻的改變。因而，惠斯通電橋的輸出信號發(fā)生改變?；谒鲚敵鲂盘柨纱_定位置變化?？赏ㄟ^以下方式在惠斯通電橋的兩個(gè)觸點(diǎn)處產(chǎn)生輸出信號(電壓)，即在另外兩個(gè)觸點(diǎn)處向電橋施加恒定電流、或向所述另外兩個(gè)觸點(diǎn)施加恒定電壓。

至少一個(gè)壓阻元件可由摻雜的單晶或多晶半導(dǎo)體材料制成。由此，能夠通過晶體硅的局部摻雜，例如p-型摻雜形成壓阻元件。可替換地，能通過對多晶半導(dǎo)體材料、尤其是對多晶硅摻雜制成壓阻元件。在該情形下，能通過薄膜工藝在在絕緣層上方施加多晶層，并對多晶層摻雜。多晶材料制成的壓阻元件的優(yōu)勢在于所述元件是較少依賴光的。

所述壓阻元件能通過金屬層連接到分析電子器件上。為了產(chǎn)生歐姆接觸電阻，可在壓阻元件和金屬之間的觸點(diǎn)處對半導(dǎo)體層進(jìn)行更加高度地?fù)诫s。可在蝕刻半導(dǎo)體材料之前對壓阻元件摻雜。

在半導(dǎo)體晶體中，壓阻系數(shù)是依賴于方向的。因而，所述壓阻元件優(yōu)選定位成相對于彼此成90°的角度，使得各個(gè)元件的壓阻系數(shù)盡可能地類似或相同。

至少一個(gè)壓阻元件可為u形的?？赏ㄟ^蝕刻制成所述u形的兩個(gè)臂之間的切口區(qū)域以為了避免或是穿越未摻雜區(qū)域或由于摻雜區(qū)域擴(kuò)散過寬而造成的短路。所述柔性鉸接件在u形壓阻元件的位置處可為兩個(gè)部分。

至少一個(gè)壓阻元件可由不透光層覆蓋。該不透光層例如可為反射輻射、尤其是反射激光的金屬層、或者可為吸收輻射、例如吸收激光輻射的另一層。由此，降低了所述位置傳感器的光敏性，且?guī)缀跖懦斯獾挠绊?。也能在很大程度上避免位置傳感器的受熱以及由此對溫度的依賴性?/p>

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可將至少一個(gè)溫度傳感器布置在所述襯底或所述平臺上。在該情形下，所述溫度傳感器布置成盡可能靠近位置傳感器的壓阻元件。由于壓阻元件對溫度是敏感的，因而能夠探測溫度從而隨后能補(bǔ)償溫度漂移是有利的。例如，所述溫度傳感器可形成為在所述襯底或平臺上靠近壓阻元件的金屬電阻器。

所述系統(tǒng)可布置或形成在soi襯底(絕緣硅襯底，silicon-on-insulatorsubstrate)上。特別地，所述平臺連同所述柔性鉸接件可通過蝕刻在絕緣硅晶片(silicon-on-insulatorwafer)中制成。在該情形下，通過蝕刻去除所述柔性鉸接件和所述平臺下方的層。為了進(jìn)一步改善所述元件的電絕緣，可在所述襯底和所述平臺上通過soi晶片的頂層(也稱為設(shè)備層)繞著所述壓阻元件蝕刻出溝槽。

可提供多個(gè)繞著所述平臺的周邊布置的柔性鉸接件。特別地，可設(shè)置多個(gè)柔性鉸接件以及兩個(gè)、優(yōu)選四個(gè)位置傳感器，其中所述柔性鉸接件的數(shù)量可以由二整除、優(yōu)選地由四整除，所述位置傳感器繞著所述平臺均勻地布置。特別地，當(dāng)存在數(shù)量可被四整除的多個(gè)柔性鉸接件時(shí)，可剛好提供兩個(gè)位置傳感器。因而，能夠使用壓阻式傳感器測量在三個(gè)自由度(x-傾斜、y-傾斜、z-升降)上平臺的位置。在靜止位置，所述平臺與xy-平面平行并且由布置成也與xy-平面平行的柔性鉸接件保持。當(dāng)所述平臺移動時(shí)，所述柔性鉸接件變形，引起布置在所述柔性鉸接件上的壓阻元件的機(jī)械應(yīng)力的變化，這轉(zhuǎn)而又導(dǎo)致電阻的改變。位置傳感器的壓阻元件可以以惠斯通電橋的形式互相連接。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，四個(gè)柔性鉸接件的每個(gè)可分別包括一個(gè)壓阻元件。根據(jù)該設(shè)置，優(yōu)選提供四個(gè)位置傳感器，所述位置傳感器的壓阻元件各自被連接以形成惠斯通電橋，所述柔性鉸接件上的四個(gè)壓阻元件中的每個(gè)在實(shí)心區(qū)域上分別連接至另外三個(gè)壓阻元件，從而形成惠斯通電橋?；菟雇姌虻妮敵鲂盘柨上嗷サ窒瑥亩_定所述平臺在三個(gè)自由度上的位置。

在每種情形下，所述四個(gè)柔性鉸接件優(yōu)選繞著所述平臺相互成90度地布置。這意味著在單純繞著一個(gè)軸線傾斜的情況下，相對惠斯通電橋的輸出信號均具有相同的值，而具有不同的極性符號?？苫趤碜詢蓚€(gè)傳感器對的信號確定傾斜方向。從該值中可確定出傾斜度。當(dāng)單純存在z-升降運(yùn)動時(shí)，這意味著所有四個(gè)惠斯通電橋的信號具有相同的值以及相同的極性符號。另外，惠斯通電橋應(yīng)均具有相同的布線。在同時(shí)升降和傾斜的情形下，可從惠斯通電橋的四個(gè)輸出信號確定出三個(gè)自由度上的位置。

所述柔性鉸接件上的壓阻元件的位置應(yīng)當(dāng)是相同的。橋的壓阻元件優(yōu)選相同的。有利地，所述橋也是相同的。

為了獲得精確的位置測定，在特別均勻的柔性鉸接件上的同一點(diǎn)處布置壓阻元件是有利的。

所述壓阻元件可布置在所述柔性鉸接件的平臺側(cè)或襯底側(cè)上。所述壓阻元件優(yōu)選在所述柔性鉸接件的在鉸接件變形時(shí)具有最大機(jī)械應(yīng)力的點(diǎn)處附接。該點(diǎn)通常位于所述柔性鉸接件的連接至所述平臺或襯底的端部處。最大的機(jī)械應(yīng)力也可在其它任意點(diǎn)處，例如在柔性鉸接件的中心處。這取決于所述柔性鉸接件的設(shè)計(jì)。

如果壓阻元件布置在柔性鉸接件的襯底側(cè)，則所述襯底上惠斯通電橋的其它三個(gè)壓阻元件將定位成盡可能靠近所述柔性鉸接件上的第一壓阻元件，使得所述壓阻元件的溫度盡可能地相似。

如果壓阻元件布置在柔性鉸接件的平臺側(cè)端部，則所述平臺上惠斯通電橋的其它三個(gè)壓阻元件優(yōu)選布置成盡可能靠近所述柔性鉸接件，使得所有壓阻元件的溫度盡可能地相似。

連接到布置在所述平臺上的壓阻元件的至少一根連接線能遍及柔性鉸接件地延伸。因而，如果壓阻元件布置在所述平臺上，其電連接可遍及柔性鉸接件地被引導(dǎo)。

此時(shí)，也可以想到將至少兩根連接線布置在柔性鉸接件上。當(dāng)多根線遍及柔性鉸接件地延伸時(shí)，所述系統(tǒng)將變得對電磁場沒那么敏感。

連接到在柔性鉸接件上布置的壓阻元件的連接線能遍及相鄰柔性鉸接件和所述平臺或襯底地被引導(dǎo)。壓阻元件應(yīng)制造得盡可能大。特別地，壓阻元件會占據(jù)柔性鉸接件的整個(gè)寬度或基本上整個(gè)寬度。因而，僅一根線能在柔性鉸接件上引導(dǎo)。然而，為了連接壓阻元件，需要兩根連接線。所需的第二根線可在相鄰的實(shí)心元件上以及遍及所述平臺或襯底地被引導(dǎo)。

可在所述平臺上布置反射鏡。此時(shí)，所述系統(tǒng)可用于導(dǎo)向激光束。

可在所述平臺下方布置磁體或可磁化材料，并且可在所述磁體或可磁化材料的區(qū)域中布置至少一個(gè)線圈。所述線圈能夠產(chǎn)生磁場，磁場隨后與所述磁體或可磁化材料相互作用，由此能使得所述平臺偏轉(zhuǎn)。特別地，所述平臺可在z-方向上傾斜和/或移動。

有利地，可提供測量設(shè)備和分析設(shè)備以測量和分析位置傳感器的信號。因而，能使用所述測量設(shè)備和分析設(shè)備檢測所述平臺的方位或位置。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)勢將從下文中基于附圖的對實(shí)施例的描述中以及從權(quán)利要求書中得知，其中附圖示出了本發(fā)明中非常重要的細(xì)節(jié)。在本發(fā)明的變型中，在每種情形下可單獨(dú)實(shí)施各個(gè)特征，或可以以任何所期望的組合將各個(gè)特征集合在一起。

附圖說明

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將在附圖中示意性示出，并且在下文中參照附圖進(jìn)行更詳細(xì)地描述，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意性截面圖；

圖2為通過柔性鉸接件連接至襯底的平臺的平面圖；

圖3為所述系統(tǒng)的細(xì)節(jié)的平面圖；

圖4為u形壓阻元件的詳細(xì)視圖；

圖5為布置在柔性鉸接件上的壓阻元件的詳細(xì)視圖；和

圖6示出了被溝槽包圍的u形壓阻元件。

具體實(shí)施方式

圖1為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)1的高度示意性截面圖。在由陶瓷或電路板材料制成的層2上布置間隔件3，該間隔件3可形成為電絕緣層。接著將半導(dǎo)體材料制成的襯底4布置在所述間隔件上。平臺5通過柔性鉸接件6連接到襯底4上。反射鏡7布置在平臺5上，在該反射鏡處可反射激光束8。磁體9設(shè)置在平臺5的下端處。一個(gè)或多個(gè)線圈100布置在所述磁體下方。線圈100能產(chǎn)生使得磁體9、以及因而平臺5、繼而反射鏡7移動的磁場。特別地，平臺5能由此被移動。

圖2為系統(tǒng)1的平面圖，沒有示出反射鏡7。在此可以看出，平臺5通過多個(gè)稍微彎曲的柔性鉸接件6連接至襯底4。并且可以看出，柔性鉸接件6均勻地分布在平臺5的周邊上。同樣由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的柔性鉸接件6的寬度，在10μm至100μm的范圍內(nèi)。連接件的寬度優(yōu)選在30μm至60μm的范圍內(nèi)。

從圖3中可以看出，壓阻元件10在其平臺側(cè)上、即在平臺5所緊固至的那端上設(shè)置在柔性鉸接件6上，壓阻元件10呈u形。壓阻元件10包括兩個(gè)p-型摻雜部分11和兩個(gè)高度p-型摻雜部分12、13。柔性鉸接件6上的壓阻元件10連接到其它三個(gè)壓阻元件14、15、16上以形成惠斯通電橋。附圖標(biāo)記17表示這種類型的惠斯通電橋，其包括四個(gè)壓阻元件。

在該實(shí)施例中，壓阻元件10、14-16均具有相同的大小和形狀并且相對于彼此旋轉(zhuǎn)90度，從而在每種情形下總是在晶體方向上獲得相似的壓阻系數(shù)。

連接線18、19、20、21遍及柔性鉸接件6’、6”地延伸，這些柔性鉸接件6’、6”不承載其自身的壓阻元件。因此，連接線18、19、20、21遍及與柔性鉸接件6相鄰的柔性鉸接件6’、6”地延伸。

為了具有類似的溫度，壓阻元件10、14、15、16靠得很近。由此可避免測量結(jié)果的失真。在壓阻元件10、14、15、16的區(qū)域中在平臺5上設(shè)置溫度傳感器(此處未示出)。可替換地或另外地，可在襯底4上布置溫度傳感器。

壓阻元件10、14、15、16之間的間隔優(yōu)選小于1000μm，尤其優(yōu)選小于500μm。

可在兩根連接線18、20處供給電流，同時(shí)借助測量設(shè)備(此處未示出)在兩根連接線19、21處測量輸出電壓。

在所示的實(shí)施例中設(shè)置四個(gè)惠斯通電橋17。這意味著一個(gè)壓阻元件10分別設(shè)置在四個(gè)柔性鉸接件6中的每個(gè)柔性鉸接件處。柔性鉸接件6上的四個(gè)壓阻元件10相互呈近似90°的角度。這意味著當(dāng)平臺5單純繞著一軸線傾斜時(shí)，相對惠斯通電橋的輸出信號，尤其是輸出電壓會以相同的值變化，而極性符號是不同的。因而，可使用兩個(gè)惠斯通電橋確定平臺5已發(fā)生偏轉(zhuǎn)的方向。假如平臺5僅在z-方向上移動，即上升或下降，則四個(gè)惠斯通電橋的輸出信號具有相同的數(shù)值和極性符號?；菟雇姌蚓哂邢嗤牟季€。對同時(shí)升降和傾斜的情形而言，在每種情況下可從惠斯通電橋的四個(gè)輸出信號確定出平臺5在三個(gè)自由度上的位置。

圖4示出了壓阻元件10的實(shí)施例。壓阻元件10為u形。箭頭25、26指示電流方向。

根據(jù)圖5的可替換實(shí)施例，壓阻元件10’是直的。該元件基本上占據(jù)了柔性鉸接件6的整個(gè)寬度。連接線27在柔性鉸接件6上被引導(dǎo)。然而，由于壓阻元件10’同樣不得不在另一側(cè)被接觸，所以遍及相鄰柔性鉸接件6’地引導(dǎo)另一連接線28。如果壓阻元件10’布置在平臺側(cè)，則連接線28也遍及平臺地被引導(dǎo)至壓阻元件10’。如果壓阻元件10’布置在襯底側(cè)，則連接線28同樣遍及襯底地被引導(dǎo)。

圖6為u形壓阻元件10的詳細(xì)視圖?？梢钥闯?，在壓阻元件10的周圍設(shè)置溝槽30以實(shí)現(xiàn)絕緣目的。同樣在u形壓阻元件10的臂之間設(shè)置溝槽31。