[发明专利]具有旋转性增强的MEMS铰链

说明书

技术领域

本发明整体涉及控制弹性结构诸如微电子机械系统(MEMS)中的弹性铰链的属性。

背景技术

在微电子机械系统(MEMS)中，可通过蚀刻硅衬底以形成窄长梁来制造旋转铰链。在MEMS的上下文中以及在本说明书和权利要求中，“窄长”元件具有小于梁的长度十分之一的横向尺寸(即横向于元件的纵向轴线测量的尺寸)。此类铰链特别用于扫描微镜中，诸如例如在美国专利7,952,781中所述的那些，该美国专利的公开内容以引用方式并入本文。本专利介绍了可结合在扫描设备中的光束扫描方法和制造方法。

又如，美国专利申请公布2012/0236379介绍了使用MEMS扫描的LADAR系统。扫描镜包括被图案化以包括镜区域、围绕镜区域的框架、和围绕框架的基部的衬底。一组致动器操作以使镜区域相对于框架围绕第一轴线旋转，并且第二组致动器使框架相对于基部围绕第二轴线旋转。

作为另外一个实例，美国专利申请公布2013/0207970介绍了通过适当地蚀刻半导体衬底以将微镜与支撑部开并将支撑部与其余衬底分开来制造微镜，该美国专利申请公布的公开内容以引用方式并入本文中。在蚀刻之后，微镜(适当的反射涂层被涂敷到微镜)能够相对于轴体上的支撑部在Y方向上旋转，而支撑部相对于另外的轴体上的衬底在X方向上旋转。(此类支撑部也被称为万向节，轴体是一种类型的铰链)。微镜和支撑部安装在悬于磁芯的相应气隙中的一对转子上。通过缠绕在所述芯上的线圈驱动的电流在气隙中生成磁场，该磁场与转子的磁化交互作用以使转子在气隙中旋转或以其它方式运动。

作为对上述被蚀刻硅铰链的种类的另选形式，Fujita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页中介绍了由聚合物材料制成的铰链。这篇文章介绍了具有双万向节结构的MEMS检电镜，该双万向节结构具有由感光环氧树脂SU-8制成的软的扭转梁。该方法据说针对小的驱动功率而给出大的偏转角(超过±40°)。

发明内容

下文中介绍的本发明的实施例提供了弹性微型设备和制造此类设备的方法。

因此根据本发明的实施例提供了一种机械设备，其包括由刚性的弹性材料制成的窄长元件、和刚性框架，该刚性框架被配置为锚定元件的与框架附接的至少一个端部，并被配置为限定在梁和框架之间沿元件纵向地延伸的间隙，使得元件在间隙内自由地运动。不同于刚性的弹性材料的固体填充材料填充位于元件与框架之间的间隙的至少一部分，以允许元件在间隙内的第一运动模式，而抑制不同的第二运动模式。

在一些实施例中，窄长元件包括梁，该梁被构造为铰链，以便相对于框架围绕梁的纵向轴线旋转，而填充材料抑制梁的横向变形。在一个实施例中，梁包括比铰链宽的锚定件，其将铰链连接到框架。此外或另选地，设备包括镜，其中梁的第一端部附接到框架，而梁的第二端部附接到镜，使得镜相对于框架在铰链上旋转。

在另一个实施例中，设备包括传感器，该传感器被配置为感测框架和铰链之间的相对旋转。传感器可被配置为响应于该相对旋转来感测设备的加速度。另选地，设备包括能量获取组件，其被耦接以获取由框架和铰链之间的相对旋转生成的能量。

在另一个实施例中，窄长元件被构造为螺旋弹簧。

通常，框架和窄长元件包括半导体晶片的部分，其中在框架和窄长元件之间蚀刻间隙。

在一些实施例中，填充材料具有比窄长元件高至少50％的泊松比，和比窄长元件低至少50％的杨氏模量。通常，填充材料选自由聚合物和粘合剂组成的材料组。

在另选的实施例中，填充材料包括纳米管阵列。

根据本发明的实施例还提供了用于制造机械设备的方法。该方法包括由刚性的弹性材料形成窄长元件，该窄长元件具有附接到刚性框架的至少一个端部，在梁和框架之间具有沿该元件纵向延伸的间隙，使得元件在间隙内自由地运动。用不同于刚性的弹性材料的固体填充材料来填充间隙的至少一部分，以便允许元件在间隙内的第一运动模式，而抑制不同的第二运动模式。

在所公开的实施例中，刚性的弹性材料包括半导体晶片，并且形成窄长元件包括蚀刻半导体晶片以限定框架和窄长元件两者，在框架和窄长元件之间具有该间隙。在一个实施例中，填充间隙的至少一部分包括：在蚀刻间隙之后，用填充材料涂覆晶片使得填充材料填充间隙，然后移除间隙外多余的填充材料。