具有旋轉(zhuǎn)性增強(qiáng)的mems鉸鏈的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明整體涉及控制彈性結(jié)構(gòu)諸如微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)中的彈性鉸鏈的屬 性。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)中，可通過蝕刻硅襯底以形成窄長梁來制造旋轉(zhuǎn)鉸鏈。 在MEMS的上下文中以及在本說明書和權(quán)利要求中，"窄長"元件具有小于梁的長度十分之 一的橫向尺寸（即橫向于元件的縱向軸線測量的尺寸）。此類鉸鏈特別用于掃描微鏡中， 諸如例如在美國專利7, 952, 781中所述的那些，該美國專利的公開內(nèi)容以引用方式并入本 文。本專利介紹了可結(jié)合在掃描設(shè)備中的光束掃描方法和制造方法。
[0003] 又如，美國專利申請(qǐng)公布2012/0236379介紹了使用MEMS掃描的LADAR系統(tǒng)。掃 描鏡包括被圖案化以包括鏡區(qū)域、圍繞鏡區(qū)域的框架、和圍繞框架的基部的襯底。一組致動(dòng) 器操作以使鏡區(qū)域相對(duì)于框架圍繞第一軸線旋轉(zhuǎn)，并且第二組致動(dòng)器使框架相對(duì)于基部圍 繞第二軸線旋轉(zhuǎn)。
[0004] 作為另外一個(gè)實(shí)例，美國專利申請(qǐng)公布2013/0207970介紹了通過適當(dāng)?shù)匚g刻半 導(dǎo)體襯底以將微鏡與支撐部開并將支撐部與其余襯底分開來制造微鏡，該美國專利申請(qǐng)公 布的公開內(nèi)容以引用方式并入本文中。在蝕刻之后，微鏡（適當(dāng)?shù)姆瓷渫繉颖煌糠蟮轿㈢R） 能夠相對(duì)于軸體上的支撐部在Y方向上旋轉(zhuǎn)，而支撐部相對(duì)于另外的軸體上的襯底在X方 向上旋轉(zhuǎn)。（此類支撐部也被稱為萬向節(jié)，軸體是一種類型的鉸鏈）。微鏡和支撐部安裝在 懸于磁芯的相應(yīng)氣隙中的一對(duì)轉(zhuǎn)子上。通過纏繞在所述芯上的線圈驅(qū)動(dòng)的電流在氣隙中生 成磁場，該磁場與轉(zhuǎn)子的磁化交互作用以使轉(zhuǎn)子在氣隙中旋轉(zhuǎn)或以其它方式運(yùn)動(dòng)。
[0005] 作為對(duì)上述被蝕刻娃鉸鏈的種類的另選形式，F(xiàn)ujita等人在"Dual-Axis MEMS Mirror for Large Deflection-Angle Using SU-8 Soft Torsion Beam'，，Sensors and Actuators A 121 (2005)，第16-21頁中介紹了由聚合物材料制成的鉸鏈。這篇文章介紹了 具有雙萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的MEMS檢電鏡，該雙萬向節(jié)結(jié)構(gòu)具有由感光環(huán)氧樹脂SU-8制成的軟的 扭轉(zhuǎn)梁。該方法據(jù)說針對(duì)小的驅(qū)動(dòng)功率而給出大的偏轉(zhuǎn)角（超過±40° )。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 下文中介紹的本發(fā)明的實(shí)施例提供了彈性微型設(shè)備和制造此類設(shè)備的方法。
[0007] 因此根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種機(jī)械設(shè)備，其包括由剛性的彈性材料制成的 窄長元件、和剛性框架，該剛性框架被配置為錨定元件的與框架附接的至少一個(gè)端部，并被 配置為限定在梁和框架之間沿元件縱向地延伸的間隙，使得元件在間隙內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)。不 同于剛性的彈性材料的固體填充材料填充位于元件與框架之間的間隙的至少一部分，以允 許元件在間隙內(nèi)的第一運(yùn)動(dòng)模式，而抑制不同的第二運(yùn)動(dòng)模式。
[0008] 在一些實(shí)施例中，窄長元件包括梁，該梁被構(gòu)造為鉸鏈，以便相對(duì)于框架圍繞梁的 縱向軸線旋轉(zhuǎn)，而填充材料抑制梁的橫向變形。在一個(gè)實(shí)施例中，梁包括比鉸鏈寬的錨定 件，其將鉸鏈連接到框架。此外或另選地，設(shè)備包括鏡，其中梁的第一端部附接到框架，而梁 的第二端部附接到鏡，使得鏡相對(duì)于框架在鉸鏈上旋轉(zhuǎn)。
[0009] 在另一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)備包括傳感器，該傳感器被配置為感測框架和鉸鏈之間的 相對(duì)旋轉(zhuǎn)。傳感器可被配置為響應(yīng)于該相對(duì)旋轉(zhuǎn)來感測設(shè)備的加速度。另選地，設(shè)備包括 能量獲取組件，其被耦接以獲取由框架和鉸鏈之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)生成的能量。
[0010] 在另一個(gè)實(shí)施例中，窄長元件被構(gòu)造為螺旋彈簧。
[0011] 通常，框架和窄長元件包括半導(dǎo)體晶片的部分，其中在框架和窄長元件之間蝕刻 間隙。
[0012] 在一些實(shí)施例中，填充材料具有比窄長元件高至少50%的泊松比，和比窄長元件 低至少50%的楊氏模量。通常，填充材料選自由聚合物和粘合劑組成的材料組。
[0013] 在另選的實(shí)施例中，填充材料包括納米管陣列。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例還提供了用于制造機(jī)械設(shè)備的方法。該方法包括由剛性的彈 性材料形成窄長元件，該窄長元件具有附接到剛性框架的至少一個(gè)端部，在梁和框架之間 具有沿該元件縱向延伸的間隙，使得元件在間隙內(nèi)自由地運(yùn)動(dòng)。用不同于剛性的彈性材料 的固體填充材料來填充間隙的至少一部分，以便允許元件在間隙內(nèi)的第一運(yùn)動(dòng)模式，而抑 制不同的第二運(yùn)動(dòng)模式。
[0015] 在所公開的實(shí)施例中，剛性的彈性材料包括半導(dǎo)體晶片，并且形成窄長元件包括 蝕刻半導(dǎo)體晶片以限定框架和窄長元件兩者，在框架和窄長元件之間具有該間隙。在一個(gè) 實(shí)施例中，填充間隙的至少一部分包括：在蝕刻間隙之后，用填充材料涂覆晶片使得填充材 料填充間隙，然后移除間隙外多余的填充材料。
[0016] 結(jié)合附圖由下文中對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)描述將更完全地理解本發(fā)明，在附圖 中：
【附圖說明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的MEMS掃描鏡組件的示意性圖解；
[0018] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性鉸鏈的示意性細(xì)部圖；
[0019] 圖3A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性鉸鏈在扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)下的示意性圖解；
[0020] 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖3A所示的彈性鉸鏈的示意性細(xì)部圖，示出了由 于鉸鏈的扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的鉸鏈中填充材料的變形；
[0021] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性鉸鏈的示意性細(xì)部圖，示出了由于平面內(nèi)偏轉(zhuǎn) 而導(dǎo)致的鉸鏈中填充材料的變形；
[0022] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的彈性鉸鏈的示意性細(xì)部圖，示出了由于平面外偏轉(zhuǎn) 所導(dǎo)致的鉸鏈中填充材料的變形；
[0023] 圖6A-6F是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在制造由填充材料強(qiáng)化的彈性鉸鏈的過程的 連續(xù)階段的穿過半導(dǎo)體晶片的示意性剖面圖；
[0024] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的慣性傳感器的示意性側(cè)視圖；
[0025] 圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的能量獲取設(shè)備的示意性側(cè)視圖；
[0026] 圖9A是根據(jù)本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的陀螺儀傳感器的示意性圖解；
[0027] 圖9B是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖9A所示的傳感器中彈性鉸鏈的示意性細(xì)部圖；
[0028] 圖10是根據(jù)本發(fā)明的另選的實(shí)施例的彈性鉸鏈組件的示意性細(xì)部圖；
[0029] 圖IlA是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的彈性鉸鏈組件的示意性圖解；
[0030] 圖IIB是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的圖IIA所示的組件在偏轉(zhuǎn)下的示意性圖解；和
[0031] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的共振徑向彈簧的示意性俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 歷
[0033] 由于其高彈性（楊氏模量E蘭丨50 GPa )，所以結(jié)晶硅可在MEMS設(shè)備中使用來制 造優(yōu)良的鉸鏈和其他種類的彈簧。此類鉸鏈被良好地適配，例如，以支撐掃描鏡，如上所述。 硅鉸鏈的扭轉(zhuǎn)屬性確定掃描鏡圍繞鉸鏈軸線的旋轉(zhuǎn)的共振頻率和運(yùn)動(dòng)范圍。
[0034] 在一些應(yīng)用中，希望減小鉸鏈的扭轉(zhuǎn)剛度（其通常以扭轉(zhuǎn)彈簧常數(shù)K41來表述）， 以便增大運(yùn)動(dòng)范圍和/或減小驅(qū)動(dòng)該運(yùn)動(dòng)所需要的力和共振頻率。剛度可通過減小鉸鏈的 橫向尺寸（厚度）和/或增大鉸鏈的長度來減小。然而，這些相同的尺寸變化也將降低鉸 鏈對(duì)偏轉(zhuǎn)的抵抗性（以橫向彈簧常數(shù)K#PK Y來表述，其作為長度的立方反比和厚度的立方 來衡量）。因此，鉸鏈將更容易由于例如震動(dòng)或振動(dòng)而斷裂。
[0035] 下文中所述的本發(fā)明的實(shí)施例提供了在期望的運(yùn)動(dòng)模式中具有增強(qiáng)的順從性 (即降低的剛度）、而對(duì)其他不期望的運(yùn)動(dòng)模式保持強(qiáng)的抵抗性的混合鉸鏈和其他彈性結(jié) 構(gòu)。在所公開的實(shí)施例中，這些原理應(yīng)用于制造以降低的扭轉(zhuǎn)剛度和對(duì)橫向偏轉(zhuǎn)的穩(wěn)健性 兩者為特征的鉸鏈中。因此，此類鉸鏈與現(xiàn)有技術(shù)中已知的具有可比較的橫向剛度的鉸鏈 相比具有增大的運(yùn)動(dòng)角范圍并且需要更少的旋轉(zhuǎn)力。另選地，本發(fā)明的原理可類似地應(yīng)用 于制造對(duì)拉伸或期望的彎曲模式具有降低的抵抗性的彈簧中。
[0036] 在下文中所述的實(shí)施例中，混合鉸鏈包括窄長梁，其由高彈性的相對(duì)剛性的