用于壓電驅(qū)動(dòng)共振微鏡的壓電式位置傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明實(shí)施例關(guān)于一種對(duì)微鏡進(jìn)行共振勵(lì)磁和提供取決于所述微鏡偏轉(zhuǎn)的傳感器信號(hào)的裝置和方法。進(jìn)一步實(shí)施例關(guān)于一種所述裝置的生產(chǎn)方法。部分實(shí)施例關(guān)于用于壓電驅(qū)動(dòng)共振微鏡的壓電式位置傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]探測(cè)共振驅(qū)動(dòng)或移動(dòng)MEMS裝置(MEMS表示微機(jī)電系統(tǒng))，例如共振驅(qū)動(dòng)微鏡的位置的可能性有限?；旧现v，可以探測(cè)驅(qū)動(dòng)微鏡的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)或直接探測(cè)微鏡的運(yùn)動(dòng)。微鏡位置測(cè)量最常用的傳感器原理基于壓阻式或金屬應(yīng)變測(cè)量條(應(yīng)變計(jì))或電容或光學(xué)方法。
[0003]壓阻式應(yīng)變測(cè)量條、金屬應(yīng)變測(cè)量條和電容測(cè)量原理經(jīng)常只能探測(cè)到所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，而探測(cè)不到所述微鏡的實(shí)際位置，而光學(xué)方法可以測(cè)量微鏡的實(shí)際位置。但是，上述測(cè)量方法均有不足，具體如下。
[0004]集成壓阻式傳感器需要特定的生產(chǎn)材料，例如摻雜多晶硅，才能在設(shè)備內(nèi)機(jī)械張力的作用力下產(chǎn)生電阻變化。這就限制了這一方案的可執(zhí)行性[C.Zhang、G.Zhang和Z.You，‘‘A two-dimens1nal micro scanner integrated with a piezoelectric actuatorand piezoresistors, ” Sensors,第 9 期，第 1 卷，第 631-644 頁(yè)，2009 年]。此外，半導(dǎo)體材料制成的壓電電阻器對(duì)入射光線和溫度變化也較為敏感，這一特點(diǎn)大大限制了這類傳感器在微型裝置中的應(yīng)用。
[0005]金屬應(yīng)變測(cè)量條利用眾多金屬都有壓縮電阻的性能這一特點(diǎn)，例如在發(fā)生形變時(shí)相應(yīng)的電阻也發(fā)生變化。金屬應(yīng)變測(cè)量結(jié)構(gòu)的執(zhí)行簡(jiǎn)易度大大高于半導(dǎo)體材料制成的壓電電阻器，但是敏感度卻差很多。因此，使用金屬應(yīng)變測(cè)量結(jié)構(gòu)需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)和微鏡之間的執(zhí)行機(jī)構(gòu)或彈簧結(jié)構(gòu)具有足夠大的應(yīng)變[M.Cueff、E.Defay、G.Le Rhun、P.Rey、F.Perruchot、
A.Suhm和M.Aid,Integrated metallic gauge in a piezoelectric cantilever, ^Sens.Actuators Phys.，第 172 期，第 1 卷，第 148-153 頁(yè)，2011 年 12 月]。
[0006]最終，電阻變化量明確取決于MEMS設(shè)備的設(shè)計(jì)。但是，很多MEMS設(shè)計(jì)缺乏適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，一方面要有較大的形變量，另一方面可以要提供足夠的空間用于應(yīng)變測(cè)量條[U.Baran, D.Brown, S.Holmstrom, D.Balma, ff.〇.Davis, P.Muralt, and H.Urey, “ResonantPZT MEMS Scanner for High-Resolut1n Displays,，，J.Microelectromechanical Syst.,第21期，第6卷，第1303-1310頁(yè)，2012年12月]。因此，在此類MEMS設(shè)備中，使用應(yīng)變測(cè)量條同時(shí)會(huì)伴有敏感度低和分辨率低等問(wèn)題。
[0007]靜電驅(qū)動(dòng)使用具有不同電壓水平且相互吸引的區(qū)域作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。相反，這些電極區(qū)也可以用作電容式傳感器組件，所述電容式傳感器組件的傳感器信號(hào)接著會(huì)提供關(guān)于所述電極距離的信息，最終提供關(guān)于微鏡位置的說(shuō)明[H.G.XU、T.0no和M.Esashi，“Precise mot1n control of a nanoposit1ning PZT microstage using integratedcapacitive displacement sensors,，，J.Micromechanics Microengineering，第 16 期，第 12 卷，第 2747 頁(yè)，2006 年 12 月]、[T_von Wantoch、C.Mallas、U.Hofmann、J.Janes、
B.Wagner和W.Benecke，‘‘Analysis of capacitive sensing for 2D-MEMS scanner laserproject1n, ,y in Proc.SPIE 8977，MOEMS and Miniaturized Systems XIII，2014 年，第897707頁(yè)]。這種情況下，可以直接探測(cè)所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置或所述微鏡的位置。
[0008]但是，不利因素在于信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較低且串?dāng)_會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾。尤其是電極面積相對(duì)較大而且距離較小，會(huì)大大增加快速移動(dòng)的微鏡的空氣動(dòng)力摩擦，通常會(huì)大大降低共振微鏡的最大偏轉(zhuǎn)。
[0009]光學(xué)測(cè)量可以直接探測(cè)鏡板的運(yùn)動(dòng)。但是，需要有外部光源、光束處理和探測(cè)器(激光二極管)，這將犧牲設(shè)備的緊湊性[S.Richter、M.Stutz、A.Gratzke、Y.Schleitzer、G.Krampert、F.Hoeller、U.Wolf、L.Riedel 和 D.Doering，“Posit1n sensing andtracking with quasistatic MEMS mirrors, ” 2013 年，第 86160D 頁(yè)]，最終會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜昂貴。
[0010]此外，微鏡及其生產(chǎn)方法是已知的[S.Gu-stoppel、J.Janes、H.J.Quenzer、U.Hofmann 和 W.Benecke, “Two-dimens1nal scanning using two single-axis lowvoltage PZT resonant micromirrors，，，Proc.SPIE 8977，MOEMS and MiniaturizedSystems XIII，897706(2014 年 3 月 7 日)]。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]根據(jù)實(shí)施例，裝置(100)可以包括:微鏡(102);勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)
(104)包含或支持所述微鏡(102)以及包括至少一個(gè)壓電式傳感器(106_1:106_n)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)的配置可以對(duì)所述微鏡(102)進(jìn)行共振勵(lì)磁，從而使所述微鏡(102)發(fā)生偏轉(zhuǎn)；以及至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m),提供取決于所述微鏡(102)偏轉(zhuǎn)的傳感器信號(hào)(122)，所述壓電式傳感器(108_1:108_m)以機(jī)械方式連接至所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)，從而在所述微鏡(102)的共振勵(lì)磁過(guò)程中所述的傳感器信號(hào)(122)和所述微鏡(102)的偏轉(zhuǎn)之間可以形成固定的相互間的相位關(guān)系；所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)包括支持所述微鏡(102)并與至少一個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1:106_n)相連接的彈簧結(jié)構(gòu)(130);所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)包括兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)和設(shè)置在所述兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)之間的所述彈簧結(jié)構(gòu)(130);所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)連接至所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)，從而使之隨所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)移動(dòng)；以及所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)延伸并至少部分跨過(guò)所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)。
[0012]根據(jù)其他實(shí)施例，生產(chǎn)如權(quán)利要求1所述的裝置的方法(200)可以包括下述步驟:提供半導(dǎo)體基板(204);將絕緣層施加至半導(dǎo)體基板上(206);將壓電層施加至絕緣層上(208);以及對(duì)所述壓電層、所述絕緣層和所述半導(dǎo)體基板進(jìn)行圖形化(210)，從而得到所述微鏡(102)和所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)支持所述微鏡(102)而且包括至少一個(gè)所述的壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1:106_n)，以對(duì)所述微鏡(102)進(jìn)行共振勵(lì)磁，從而使所述微鏡(102)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所述勵(lì)磁機(jī)構(gòu)(104)包括支持所述微鏡(102)并連接至所述至少一個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1:106_n)的彈簧結(jié)構(gòu)(130)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)包括兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)和設(shè)置在所述兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)之間的所述彈簧結(jié)構(gòu)(130);因而得到至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)，提供取決于所述微鏡(102)偏轉(zhuǎn)的傳感器信號(hào)(122)，所述壓電式傳感器(108_1:108_m)連接至所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)，從而在所述微鏡(102)的共振勵(lì)磁過(guò)程中所述傳感器信號(hào)(122)和所述微鏡(102)的偏轉(zhuǎn)之間可以形成固定的相互間的相位關(guān)系，所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)連接所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)從而使之隨所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)移動(dòng)，所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)延伸并至少部分跨過(guò)所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)。
[0013]根據(jù)另一實(shí)施例，方法(300)可以包括下述步驟:利用勵(lì)磁機(jī)構(gòu)(104)對(duì)微鏡
(102)進(jìn)行共振勵(lì)磁(302)，從而使所述微鏡(102)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)支持所述微鏡(102)并包括至少一個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1:106_n)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)包括支持所述微鏡(102)并與至少一個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1:106_n)相連接的彈簧結(jié)構(gòu)(130)，所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)包括兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)和設(shè)置在所述兩個(gè)壓電式執(zhí)行機(jī)構(gòu)(106_1、106_2)之間的所述彈簧結(jié)構(gòu)(130);以及通過(guò)壓電式傳感器(108_1:108_m)提供取決于所述微鏡(102)偏轉(zhuǎn)的傳感器信號(hào)(122) (304)，所述壓電式傳感器(108_1:108_m)連接至所述勵(lì)磁結(jié)構(gòu)(104)，從而在所述微鏡(102)的共振勵(lì)磁過(guò)程中所述的傳感器信號(hào)(122)和所述微鏡(102)的偏轉(zhuǎn)之間可以形成固定的相互間的相位關(guān)系，所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)連接所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)從而使之隨所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)移動(dòng)，所述至少一個(gè)壓電式傳感器(108_1:108_m)延伸并至少部分跨過(guò)所述彈簧結(jié)構(gòu)(130)。
[0014]另一實(shí)施例可以包括執(zhí)行如權(quán)利要求13所述方法的計(jì)算機(jī)程序，其中所述的計(jì)算機(jī)程序在計(jì)算機(jī)或微處理器上執(zhí)行。
[0015]本發(fā)明實(shí)施例提供一種裝置，所述裝置