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具有可倾斜结构和改善的控制的MEMS器件的制作方法

具有可倾斜结构和改善的控制的mems器件
1.优先权要求
2.本技术要求2021年4月16日提交的意大利专利申请no.102021000009635的优先权，该申请的内容在法律允许的最大程度上通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开涉及一种具有可倾斜结构和改善的控制的mems器件。具体地，本公开涉及一种mems器件，一种包括该mems器件的电子装置，以及一种使用该mems器件的方法。更详细地，本公开涉及一种微反射镜，该微反射镜具有压电控制的可倾斜结构，并且包括压电传感器，该压电传感器被配置相位相反的差分感测信号。

背景技术：

4.已知mems器件具有使用半导体材料技术制成的反射镜结构。
5.这些微机电(mems)器件例如用在便携式器件中，例如便携式计算机，膝上型计算机，笔记本(包括超薄笔记本)，pda，平板和智能电话。这些mems器件用于光学应用，特别是用于以期望的方式引导由屏幕上或lidar型显示器应用中的光源产生的光辐射束。
6.由于它们的小尺寸，这些器件允许在面积和厚度方面符合关于空间占用的严格要求。
7.例如，微机电反射镜器件被用在小型化投影仪模块(所谓的微微投影仪)中，其能够产生期望的光图案，例如在一定距离处投影图像。
8.微机电反射镜器件通常包括悬置在腔上并由半导体材料体制成的反射镜元件，以便可移动，通常具有倾斜或旋转运动，从而以期望的方式引导入射光束。通常，镜元件由压电或电容类型的致动器控制和旋转。
9.为了允许更好地控制反射镜元件，并且因此更好地控制由此引导的光束，已知的是将被配置成感测反射镜元件的位置的一个或多个传感器耦合到反射镜元件。这允许例如通过根据镜元件的感测位置操作致动器以闭环模式控制镜元件。结果，传感器的使用允许更准确地控制反射镜元件的位置。
10.为此，已知使用压阻传感器或单端读出压电传感器。
11.具体地，压阻传感器包括半导体材料(例如，硅)的感测元件，其电阻根据这些感测元件的机械变形。结果，当致动器产生镜元件的运动时，它们也引起感测元件的机械变形，该机械变形被感测为感测元件两端的电压/电流变化。然而，压阻传感器具有降低的测量灵敏度(例如，低于约3mv/度)，利用额外的制造步骤并因此具有较高的生产成本和时间，并且高度依赖于温度变化(例如，－0.25％/℃)。因此，压阻传感器的使用涉及复杂的校准过程以平衡这些传感器可能受到的热效应，并且通常导致测量准确度受到限制。
12.相反，压电传感器包括绝缘材料(例如，锆钛酸铅，pzt或氮化铝，aln)的相应感测元件，当经受由致动器产生的机械变形以控制镜元件时，所述感测元件偏置，从而在其间产生电势差。沿着这些线的已知方法包括以单端模式获取该电势差，即，放大该电势差，通过
adc转换器将其转换为相应的数字信号，以及使用该数字信号来确定反射镜元件的位置和/或控制闭环中的位置。然而，由此获得的数字信号对mems器件的机械模式敏感，并且取决于电干扰和测量噪声，因此这种类型的感测具有降低的信噪比。
13.在本领域中需要一种mems器件，一种包括该mems器件的电子器件，以及一种使用该mems器件的方法，它们各自克服了现有技术的缺点。

技术实现要素：

14.在一个实施例中，mems器件包括：半导体主体，其限定腔并形成锚定部段；可倾斜结构，其弹性地悬置在腔上；以及第一支撑臂和第二支撑臂，其沿着可倾斜结构的旋转轴线在锚定部段和可倾斜结构的相对侧之间延伸。mems器件还包括第一和第二压电致动结构，其面向第一支撑臂的相对侧，在锚定部段和第一支撑臂的相对侧之间或在锚定部段和可倾斜结构之间延伸，并且可偏置以机械地变形，从而产生可倾斜结构围绕旋转轴线的旋转。第一和第二压电致动结构承载相对于旋转轴线彼此相对的第一和第二压电型位移传感器。当可倾斜结构由于第一和第二压电致动结构而围绕旋转轴线旋转时，第一和第二位移传感器经受各自的机械变形，并产生彼此相位相反的第一和第二感测信号，该第一和第二感测信号表示可倾斜结构围绕旋转轴线的旋转。第一和第二感测信号被配置成以差分方式获取。
15.本文还公开一种使用上文所描述的mems器件的方法。该方法包括偏置第一和第二压电致动结构以产生可倾斜结构围绕旋转轴线的旋转，并以差分方式获取由第一和第二位移传感器产生的第一和第二感测信号。
附图说明
16.为了更好地理解，现在参照附图仅通过非限制性示例描述优选实施例，其中：
17.图1示意性地示出了具有可倾斜结构的mems器件的悬置部分的横向截面图；
18.图2至图4是图1的mems器件的各个实施例的顶视图；
19.图5是示意性地示出包括图1的mems器件的电子器件的框图；以及
20.图6是示意性地示出图5的电子器件的差分获取电路的电路。
具体实施方式
21.下文所述的本公开的不同实施例共有的元件用相同的附图标记表示。
22.图1在轴线x、y、z的笛卡尔(三轴线)参考系的横向截面图中示意性地示出了mems器件20。mems器件20可以是反射镜器件。
23.mems器件20形成在半导体主体21中。例如，半导体主体21可以是半导体材料的管芯，特别是单晶硅或多晶硅，或例如由一个soi(绝缘体上硅)晶片形成的双结构层。
24.mems器件20设置有可倾斜结构22，该可倾斜结构22具有在xy水平面中的主延伸部，该xy水平面由x和y轴线限定，并且被布置成围绕与x轴线平行的旋转轴线a旋转。
25.旋转轴线a还表示mems器件20的第一对称轴线，因此也用a表示；mems器件20的第二对称中轴线c平行于y轴线并穿过可倾斜结构22的中心o。
26.可倾斜结构22通过半导体主体21的固定结构24悬置在半导体主体21中形成的腔23之上。可倾斜结构22在其顶部承载反射表面22'，以便限定反射镜结构。反射表面22'由合
适的材料制成，例如铝或金，这取决于投影是否在可见光还是在红外线中。
27.可倾斜结构22通过包括第一和第二支撑臂(图1中未示出)的支撑结构弹性地耦接到锚固结构，该锚固结构在此由固定结构24的框架部分24'形成，该第一和第二支撑臂在腔23上方，在固定结构24的框架部分24'与可倾斜结构22之间，从其相对部分沿第一中间对称轴线a纵向地延伸。支撑臂彼此相等并且相对于第二对称轴线c对称地布置。
28.mems器件20还包括多个致动结构30，如在图2中更详细地示出的，致动结构30在固定结构24的框架部分24'与支撑结构之间延伸，在支撑结构的侧面上沿着y轴线彼此相对并且具有面向其的相应致动结构30。特别地，致动结构30具有相对于第一对称轴线a对称的结构。
29.致动结构30悬置在腔23上方并且在其顶表面30'(不面向腔23)处承载相应的压电致动器元件(图1中未示出)，这些压电致动器元件是电可控的以便引起致动结构的机械变形，该机械变形引起支撑臂围绕第一中间对称轴线a的扭转并且因此引起镜结构的位移(详细地，可倾斜结构22围绕第一中间对称轴线a的旋转)。此外，mems器件20包括多个压电类型的位移传感器(在图1中用附图标记41a1和41a2表示，如下面更好地描述的)，这些位移传感器相对于压电致动器元件电绝缘，由致动结构30以相对于第一对称中轴线a对称的方式承载(具体地，它们在致动结构30的顶表面30'上延伸)，并且悬置在腔23上。
30.详细地，每个位移传感器包括相应的压电层42a(详细地，由压电材料制成，更详细地，由绝缘和压电材料制成，例如pzt或铝)，所述压电层42a沿z轴线(即，正交于其上布置有位移传感器的相应致动结构30的顶表面30')插入在相应的顶电极42b和相应的底电极42c之间，所述底电极42c与相应致动结构30的顶表面30'接触并在其上布置有位移传感器。换句话说，对于每个位移传感器，压电层42a具有沿z轴线彼此相对的第一和第二表面，其中顶电极42b与第一表面接触，底电极42c与第二表面接触。因此，每个位移传感器形成相应的电容器，其中顶电极42b和底电极42c(例如都是诸如铂的金属材料)是电容器的框架或板。在使用中，对于每个位移传感器，由压电致动器元件引起的致动结构30的机械变形在位移传感器中产生对应的机械变形，并且因此，由于直接压电效应，在压电层42a的第一和第二表面处产生相反符号的电荷累积(具体地，在晶格经受压缩的情况下在与底部/顶电极的界面处的正电荷和在晶格经受膨胀的情况下在与顶/底电极的界面处的负电荷)，并且因此在顶电极42b和底电极42c之间产生电势差。结果，每个位移传感器产生相应的感测信号(即，这样的电势差)，该感测信号与可倾斜结构22围绕旋转轴线a的旋转相关并且被提供在mems器件20的外部，如以下参考图5更好地讨论的。
31.更详细地，mems器件20包括至少第一位移传感器41a1和第二位移传感器41a2，它们从相对于第一对称轴线a彼此相对的部分布置在致动结构30上。由于第一和第二位移传感器41a1，41a2相对于第一中间对称轴线a对称地布置，因此它们经受沿z轴线的彼此相反的变形运动：例如，如果第一位移传感器41a1的压电层42a的第一表面受到晶格的压缩并且第一位移传感器41a1的压电层42a的第二表面受到晶格的膨胀，则第二位移传感器41a2的压电层42a的第一表面受到晶格的膨胀并且第二位移传感器41a2的压电层42a的第二表面受到晶格的压缩。结果，对于第一和第二位移传感器41a1，41a2，在压电层42a的第一和第二表面上的电荷积累是相反的，并且由此产生的相应感测信号彼此相位相反(反相)，并且可以以差分方式获取，如以下参考图6更好地描述的。
32.作为前述内容的替代方案，例如如图3所示，致动结构30可以在固定结构24的框架部分24'和可倾斜结构22之间延伸，以便沿着y轴线面向彼此相对的支撑结构的所述侧面。特别地，致动结构30相对于第一中间对称轴线a和第二中间对称轴线c具有对称结构。因此，在这种情况下，致动结构30直接耦接到可倾斜结构22，而不是直接耦接到支撑结构。
33.图2示意性地示出了根据类似于图1所示的实施例的mems器件20，并且其中mems器件20被设计成以动态制度(即，在高于10khz的可倾斜结构22的旋转频率谐振)操作。
34.mems器件20形成在半导体主体21中并且设置有可倾斜结构22。
35.可倾斜结构22悬置在腔23上方，并在其顶部承载反射表面22'，在所示实施例中，反射表面22'在xy平面中具有大致圆形的形状(尽管其它形状也是可能的，从椭圆形到多边形，例如正方形或矩形)。
36.可倾斜结构22通过包括第一和第二支撑臂的支撑结构弹性地耦接到固定结构24的框架部分24'，在图2中用附图标记25a，25b表示。支撑臂25a，25b在腔23上方，在固定结构24的框架部分24'和可倾斜结构22之间，从其相对部分沿第一对称轴线a纵向延伸。支撑臂25a，25b彼此相等并且相对于第二中间对称轴线c对称地布置。
37.详细地，第一支撑臂25a具有刚性地耦接到可倾斜结构22的第一端25a'和刚性地耦接到固定结构24的框架部分24'的第二端25a"，并且包括第一扭转弹簧27a和第二扭转弹簧28a。第一和第二扭转弹簧27a，28a具有线性形状，在可倾斜结构22的第一侧和固定结构24的框架部分24'的第一侧之间沿着第一中间对称轴线a彼此连续地延伸。
38.第二支撑臂25b具有刚性耦接到可倾斜结构22的第一端25b'和刚性耦接到固定结构24的框架部分24'的第二端25b"，并且包括第三和第四扭转弹簧27b，28b。第三和第四扭转弹簧27b，28b在可倾斜结构22的与第一侧相对的第二侧和固定结构24的框架部分24'的与第一侧相对的第二侧之间沿着第一中间对称轴线a彼此连续地延伸。
39.详细地，扭转弹簧27a、27b、28a、28b每个都具有线性梁形状，该线性梁形状对于xy平面之外的运动是刚性的并且对于围绕第一中间对称轴线a的扭转是屈服的。
40.在第一支撑臂25a中，第一扭转弹簧27a和第二扭转弹簧28a在第一约束结构29a处彼此连接，该第一约束结构是刚性的；在第二支撑臂25b中，第三和第四扭转弹簧27b，28b在刚性的第二约束结构29b处彼此连接。
41.mems器件20还包括谐振型的多个致动结构30，特别是至少一个第一致动结构30a1和第二致动结构30a2，它们分别在第一支撑臂25a的第一和第二侧上在固定结构24的框架部分24'和第一约束结构29a之间延伸，并且具有相对于第一对称轴线a对称的结构。详细地，第一致动结构30a1通过第一致动结构30a1的耦接区域35a1耦接到第一约束结构29a，该耦接区域沿相对于第一致动结构30a1的其余部分的主延伸方向横向的主延伸方向延伸；类似地，第二致动结构30a2通过第二致动结构30a2的耦接区域35a2耦接到第一约束结构29a，该耦接区域沿相对于第二致动结构30a2的其余部分的主延伸方向横向的主延伸方向延伸。
42.多个致动结构30还包括分别在第二支撑臂25b的第一和第二侧上在固定结构24的框架部分24'和第二约束结构29b之间延伸的第三和第四致动结构30b1和30b2。第三和第四致动结构30b1和30b2具有相对于第一中间对称轴线a彼此对称的结构。详细地，第三致动结构30b1通过第三致动结构30b1的耦接区域35b1耦接至第二约束结构29b，该耦接区域沿相对于第三致动结构30b1的其余部分的主延伸方向横向的主延伸方向延伸；类似地，第四致
动结构30b2通过第四致动结构30b2的耦接区域35b2耦接到第二约束结构29b，第四致动结构30b2的耦接区域35b2沿着相对于第四致动结构30b2的其余部分的主延伸方向横向的主延伸方向延伸。
43.致动结构30a1，30a2，30b1和30b2悬置在腔23上方，并且在其顶表面30'处承载相应的压电致动器元件，在图2中用附图标记38a1、38a2、38b1、38b2表示。具体地，压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2基于反向压电效应并且具有类似于位移传感器的结构(因此它们中的每一个以图2中未示出的方式包括相应的压电层42a，相应的顶电极42b和相应的底电极42c)，并且因此在此不再进一步描述。
44.此外，mems器件20包括多个位移传感器，并且具体地包括第一和第二位移传感器41a1和41a2。第一位移传感器41a1和第二位移传感器41a2例如分别在第一致动结构30a1和第二致动结构30a2上延伸(可选地并且以未示出的方式，它们分别在第三致动结构30b1和第四致动结构30b2上延伸)，特别是在其顶表面30'上延伸。例如，第一和第二位移传感器41a1和41a2在固定结构24的框架部分24'处延伸。
45.可选地，多个位移传感器还包括分别在第三和第四致动结构30b1，30b2上，特别是在其顶表面30'上延伸的第三和第四位移传感器41b1和41b2。例如，第三和第四位移传感器41b1和41b2在固定结构24的框架部分24'处延伸。
46.此外，mems器件20可选地包括多个电接触焊盘40，该电接触焊盘40由固定结构24的框架部分24'承载并且电连接到压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2，以允许通过来自mems器件20外部的致动信号的电偏置(在下文中参考图5更好地讨论)，并且电连接到第一和第二位移传感器41a1和41a2(可选地，还电连接到第三和第四位移传感器41b1和41b2，如果存在的话)，以允许感测相应的电势差。特别地，焊盘40包括：第一致动器40a1'的第一焊盘通过第一致动器43a1'的第一导电通孔电连接到压电致动器元件38a1和38b1的顶电极42b；第一致动器40a1”的第二焊盘通过第一致动器43a1”的第二导电通孔电连接到压电致动器元件38a1和38b1的底电极42c；第一传感器40c1'的第一焊盘通过第一传感器43c1'的第一导电通孔电连接到第一位移传感器41a1的顶电极42b；第一传感器40c1”的第二焊盘通过第一传感器43c1”的第二导电通孔电连接到第一位移传感器41a1的底电极42c；第二致动器40a2'的第一焊盘通过第二致动器43a2'的第一导电通孔电连接到压电致动器元件38a2和38b2的顶电极42b；第二致动器40a2”的第二焊盘通过第二致动器43a2”的第二导电通孔电连接到压电致动器元件38a2和38b2的底电极42c；第二传感器40c2'的第一焊盘通过第二传感器43c2'的第一导电通孔电连接到第二位移传感器41a2的顶电极42b；第二传感器40c2”的第二焊盘通过第二传感器43c2”的第二导电通孔电连接到第二位移传感器41a2的底电极42c。
47.可选地，mems器件20还包括集成在半导体主体21中，例如在固定结构24中的第一和第二集成电容器65a和65b。在图2中未示出的方式中，每个集成电容器65a，65b包括相应的顶板，相应的底板(例如，金属材料的底板)和沿z轴线插入在底板和顶板之间的相应的介电层。例如，在这种情况下，焊盘40还包括：第一电容器40d1'的第一焊盘，其电连接到第一集成电容器65a的顶板；第一电容器40d1”的第二焊盘通过第一电容器43d1”的导电通孔电连接到第一集成电容器65a的底板；第二电容器40d2'的第一焊盘电连接到第二集成电容器65b的顶板；第二电容器40d2”的第二焊盘通过第二电容器43d2”的导电通孔电连接到第二
集成电容器65b的底板。下面参照图6描述集成电容器65a和65b的使用。
48.图3示意性地示出了根据另一实施例的mems器件20，其中mems器件20被设计为以准静态(即，以低于约200hz的可倾斜结构22的旋转频率)操作。特别地，图3的mems器件的结构类似于图2的mems器件的结构，因此这里不再详细描述。
49.然而，在图3中，致动结构30在可倾斜结构22的沿x轴线彼此相对的侧面上在固定结构24的框架部分24'和可倾斜结构22之间延伸。因此，致动结构30直接耦接到可倾斜结构22上，而不是直接耦接到支撑结构上，如参照图2所述。
50.图4示意性地示出了根据另一实施例的mems器件20。特别地，图4的mems器件的结构类似于图2的mems器件的结构，因此这里不再详细描述。
51.然而，在图4中，也存在分别与第一和第二位移传感器41a1和41a2串联电布置的第三和第四位移传感器41b1和41b2。换言之，由第一和第三位移传感器41a1和41b1形成的电容器彼此串联，由第二和第四位移传感器41a2和41b2形成的电容器彼此串联。特别地，第一位移传感器41a1的底电极42c通过传感器43e'的第一公共导电通孔电连接到第三位移传感器41b1的顶电极42b，类似地，第二位移传感器41a2的底电极42c通过传感器43e"的第二公共导电通孔电连接到第四位移传感器41b2的顶电极42b。
52.此外，在图4中，不存在第一传感器40c1”的第二焊盘，第一传感器43c1”的第二导电通孔，第二传感器40c2”的第二焊盘和第二传感器43c2”的第二导电通孔。替代地，焊盘40包括：第三传感器40c3'的第一焊盘通过第三传感器43c3'的第一导电通孔电连接到第三位移传感器41b1的底电极42c；第四传感器40c4'的第一焊盘通过第四传感器43c4'的第一导电通孔电连接到第四位移传感器41b2的底电极42c。
53.图5示出了电子器件50(例如，用于“虚拟视网膜显示器”的激光投影仪，vrd)，其包括根据前述实施例中的任一个的mems器件20，以及耦合到mems器件20的控制单元52(例如，诸如asic专用集成电路的电子处理电路)。
54.特别地，控制单元52包括差分获取模块54，其电耦合到位移传感器41a1、41a2、41b1、41b2，以从其接收相应的感测信号并以差分方式处理后者。详细地，感测信号由差分获取模块54以差分方式获取，该差分获取模块54基于感测信号指示在输出处感测的可倾斜结构22的位移的相应位移信号。
55.可选地，控制单元52还包括电耦合到压电致动器元件38a1、38a2、38b1、38b2的偏置模块56，以向其发送相应的致动信号，从而控制可倾斜结构22的旋转。
56.例如，根据闭环控制技术，根据由差分获取模块54产生的位移信号来产生致动信号。
57.另外地或可选地，位移信号可以用于验证mems器件20的正确操作(即，可倾斜结构22相对于目标位置的正确位置)。这允许控制由可倾斜结构22偏转的光束，从而确保由mems器件20执行的正确的角扫描；此外，在vrd应用中，这防止了在可倾斜结构22不移动时产生入射在可倾斜结构22上的光束，这可能导致光发射超过人眼的安全阈值。
58.图6示出了包括在差分获取模块54中并电耦合到mems器件20的差分获取电路58。
59.具体地，mems器件20由等效电路表示，该等效电路包括：第一电压发生器62a和第一电容器64a的第一串联电路，其在第一节点60a和第二节点60b之间延伸；以及第二电压发生器62b和第二电容器64b的第二串联电路，其在第三节点60c和第四节点60d之间延伸。考
虑图2和图3的情况，节点60a、60b、60c和60d分别对应于第一传感器40c1'的第一焊盘，第一传感器40c1”的第二焊盘，第二传感器40c2'的第一焊盘和第二传感器40c2”的第二焊盘。考虑图4的情况，节点60a、60b、60c和60d分别对应于第一传感器40c1'的第一焊盘，第三传感器40c3'的第一焊盘，第二传感器40c2'的第一焊盘和第四传感器40c4'的第一焊盘。
60.在图2和图3的实施例中，其中感测信号由第一和第二位移传感器41a1，41a2产生，第一电压发生器62a产生等于由第一位移传感器41a1产生的电势差(下文用v
a1
表示)的电压v
sense1
，第二电压发生器62b产生等于由第二位移传感器41a2产生的电势差(下文用v
a2
表示)的电压v
sense2
，第一电容器64a具有等于第一位移传感器41a1的电容c
a1
的电容c
ps1
，并且第二电容器64b具有等于第二位移传感器41a2的电容c
a2
的电容c
ps2
。
61.在图4的实施例中，其中感测信号由位移传感器41a1、41a2、41b1和41b2产生，第一电压发生器62a产生电压v
sense1
，该电压v
sense1
等于由第一位移传感器41a1产生的电位差v
a1
和由第三位移传感器41b1产生的电位差(下文中用v
b1
表示)之和，第二电压发生器62b产生电压v
sense2
，该电压v
sense2
等于由第二位移传感器41a2产生的电位差v
a2
和由第四位移传感器41b2产生的电位差(下文中用v
b2
表示)之和。第一电容器64a具有的电容c
ps1
等于第一位移传感器41a1的电容c
a1
和第三位移传感器41b1的电容c
b1
的串联(即，等于倒数总和的倒数)，并且第二电容器64b具有的电容c
ps2
等于第二位移传感器41a2的电容c
a2
和第四位移传感器41b2的电容c
b2
的串联。
62.此外，在图6中，第二和第四节点60b和60d彼此短路，中间节点60e存在于其间。可选地，由于下文中描述的原因，共模电压v
cm
被施加到中间节点60e，并且表示分别通过第一传感器40c1”的第二焊盘和第二传感器40c2”的第二焊盘提供给位移传感器41a1和41a2(例如，考虑图2和3的情况)的直接共模电压。相反考虑图4的情况，共模电压v
cm
表示通过第三传感器40c3'的第一焊盘和第四传感器40c4'的第一焊盘提供给位移传感器41a1、41a2、41b1、41b2的直接共模电压。例如，该直接共模电压由控制单元52(例如，由偏置模块56)提供。
63.差分获取电路58包括差分类型的运算放大器，特别是全差分放大器(fda)58'，例如全差分电荷放大器。详细地，fda58'具有差分输入和输出，具体地，其具有正输入66a，负输入66b，负输出66c和正输出66d。正输入66a耦合到第一节点60a，并且还通过第一反馈电阻器68a和第一反馈电容器67a的第一并联电路耦合到负输出66c。负输入66b耦合到第三节点60c，并且还通过第二反馈电阻器68b和第二反馈电容器67b的第二并联电路耦合到正输出66d。特别地，反馈电阻器68a和68b用于确保fda58'的操作，即使当在dc状态下操作时。根据本公开的一个方面，第一和第二反馈电容器67a和67b具有彼此相等的第一和第二反馈电容c
fb1
和c
fb2
，第一和第二反馈电阻器68a和68b具有彼此相等的第一和第二反馈电阻r
fb1
和r
fb2
，并且第一和第二电容器64a和64b的电容c
ps1
和c
ps2
彼此相等(更详细地，例如考虑图4的情况，c
a1
＝c
a2
＝c
b1
＝c
b2
)。在这种情况下，fda58'的增益与c
psx
/c
fb
比率成比例，其中c
psx
＝c
ps1
＝c
ps1
并且c
fb
＝c
fb1
＝c
fb2
。
64.根据本发明的一方面，第一和第二反馈电容器67a和67b分别是第一和第二集成电容器65a和65b，且因此集成在mems器件20中。
65.在使用中，由于可倾斜结构22的位移，mems器件产生感测信号。由于这些感测信号，在负输出66c和正输出66d之间产生与位移信号相关的差分电压v
diff
(或差分信号)。
66.实际上，通过信号处理技术从差分电压v
diff
获得位移信号。例如，以未示出的方
式，差分获取模块54还包括模数转换器(adc)和可选的滤波模块，以将差分电压v
diff
转换成数字形式并在频域中对该信号进行滤波，从而获得位移信号。此外，以未示出的方式，直接偏置电压被提供给fda58'，以便偏置后者。此外，由于位移传感器41a1，41a2(以及41b1，41b2，如果在图4的情况下)通常具有相应的泄漏电阻器(未示出，并且作为示例，分别与第一和第二电容器64a，64b并联布置)，所以可以施加共模电压v
cm
以稳定fda58'的输入共模电压(未示出，并且存在于fda58'的正输入66a和负输入66b之间)。实际上，在没有共模电压v
cm
的情况下，如果泄漏电阻器具有可与第一反馈电阻r
fb1
和第二反馈电阻r
fb2
相比的相应电阻(例如，它们具有与反馈电阻r
fb1
和r
fb2
相同的数量级)，则fda58'的输入共模电压可能受到变化，使得它们损害fda58'的最佳操作。另一方面，当共模电压v
cm
存在并且泄漏电阻器的电阻与第一和第二反馈电阻r
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和r
fb2
相当时，fda58'的输入共模电压还取决于可以被施加以控制fda58'的输入共模电压的共模电压v
cm
。
67.从对器件的特征的理解，本公开的器件的优点是明显的。
68.特别地，压电型和差分型获取的位移传感器41a1，41a2，41b1，41b2允许准确地感测可倾斜结构22的位移，这也是由于它们相对于第一对称轴线a的相对部分的放置，这导致感测信号以彼此相反的相位产生。因此，可以比使用现有技术更准确地控制可倾斜结构22的运动。
69.压电类型的位移传感器41a1，41a2，41b1，41b2利用比压阻传感器更低的功耗。
70.此外，由于相对于压电致动器元件38a1，38a2，38b1，38b2的制造，位移传感器41a1，41a2，41b1，41b2的制造可以同时发生(即，利用相同的制造步骤并修改已经使用的掩模)，因此简化了制造mems器件20的过程。换句话说，不需要额外的制造步骤，且这降低了mems器件20的总成本。
71.此外，mems传感器20和差分获取模块54允许以相对于现有技术更高的灵敏度感测可倾斜结构22的运动，实现甚至高于大约12mv/度的测量灵敏度。此外，mems传感器20和差分获取模块54的使用允许获得不受温度变化影响的可倾斜结构22的位移的测量。
72.如图4所述，串联使用第一和第三位移传感器41a1，41b1以及第二和第四位移传感器41a2，41b2允许由于更大的电容器总面积而增加电荷的总累积，同时保持电容的总值减小(c
ps1
等于c
a1
和cb1的串联，c
ps2
等于c
a2
和cb2的串联)。
73.此外，集成在半导体主体21中的第一和第二集成电容器65a和65b的存在允许更好地控制反馈电容器67a和67b的制造公差，因为其允许使用与制造位移传感器41a1，41a2，41b1，41b2的mems技术制造工艺相同的mems技术制造工艺(代替两个不同的工艺，mems工艺和电子工艺，制造公差彼此不相关)来制造反馈电容器67a和67b。此外，反馈电容器67a和67b在半导体主体21中的集成具有进一步的优点，即有效地并且不需要额外的成本地利用半导体主体21的区域，否则该区域将仍然存在但未使用。
74.最后，显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述和示出的器件进行修改和变化。
75.例如，考虑图2和3的实施例，位移传感器41a1，41a2可以不相对于相应的压电致动器元件38a1，38a2电绝缘。实际上，第一位移传感器41a1和第一压电致动器元件38a1的底电极42c以及第二位移传感器41a2和第二压电致动器元件38a2的底电极42c可以彼此电接触。通过考虑顶电极42b而不是底电极42c，可以进行类似的考虑。
76.此外，如图4所示的位移传感器41a1，41a2，41b1，41b2的使用不限于图4所示的mems器件20的结构，而是可以类似地应用于图3所示的mems器件20的结构。

技术特征：

1.一种mems器件，包括：半导体主体，限定腔并且形成锚定部段；可倾斜结构，弹性地悬置在所述腔上方；第一支撑臂和第二支撑臂，在所述锚定部段和所述可倾斜结构的相对侧之间沿着所述可倾斜结构的旋转轴线延伸；以及第一压电致动结构和第二压电致动结构，面向所述第一支撑臂的相对侧，并且在所述锚定部段与所述mems器件的一部分之间延伸，其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构可偏置以机械地变形，从而产生所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的旋转；其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构承载压电型的第一位移传感器和第二位移传感器，并且所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构相对于所述旋转轴线彼此相对；其中当所述可倾斜结构由于所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的致动而围绕所述旋转轴线旋转时，所述第一位移传感器和所述第二位移传感器经受相应的机械变形，并且产生第一感测信号和第二感测信号，所述第一感测信号和所述第二感测信号彼此相位相反，并且指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转；以及其中所述第一感测信号和所述第二感测信号被配置成以差分方式获取。2.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述mems器件的所述部分包括所述第一支撑臂的所述相对侧。3.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述mems器件的所述部分包括所述可倾斜结构。4.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器电耦合到差分获取模块，所述差分获取模块被配置为：以差分方式获取所述第一感测信号和所述第二感测信号；并且基于所述第一感测信号和所述第二感测信号产生指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转的差分信号。5.根据权利要求4所述的mems器件，其中所述差分获取模块包括差分获取电路，所述差分获取电路包括：全差分放大器，具有正输入、负输入、负输出和正输出，所述正输入电耦合到所述第一位移传感器，并且所述负输入电耦合到所述第二位移传感器；第一并联电路，包括第一反馈电阻器和第一反馈电容器，所述第一并联电路耦合在所述正输入和所述负输出之间；以及第二并联电路，包括第二反馈电阻器和第二反馈电容器，所述第二并联电路耦合在所述负输入和所述正输出之间；其中响应于所述可倾斜结构由于所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的致动而围绕所述旋转轴线的旋转，在所述负输出和所述正输出之间产生差分电压，所述差分电压是所述差分信号。6.根据权利要求5所述的mems器件，其中所述第一反馈电容器和所述第二反馈电容器集成在所述半导体主体中。7.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器在所述第一压电致动结构和所述第
二压电致动结构的相应顶表面上延伸；以及其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器中的每个位移传感器包括相应压电层，所述相应压电层与所述相应顶表面正交地插入在相应顶电极和相应底电极之间，所述相应底电极与所述第一压电致动结构或所述第二压电致动结构的所述相应顶表面接触。8.根据权利要求1所述的mems器件，进一步包括第三压电致动结构和第四压电致动结构，所述第三压电致动结构和所述第四压电致动结构面向所述第二支撑臂的相对侧、在所述锚定部段与所述第二支撑臂的所述相对侧之间或在所述锚定部段与所述可倾斜结构之间延伸，并且所述第三压电致动结构和所述第四压电致动结构可偏置以机械地变形，从而产生所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转；其中所述第三压电致动结构和所述第四压电致动结构承载压电型的第三位移传感器和第四位移传感器，压电型的所述第三位移传感器和所述第四位移传感器相对于所述旋转轴线彼此相对；以及其中当所述可倾斜结构由于所述第一压电致动结构、所述第二压电致动结构、所述第三压电致动结构和所述第四压电致动结构的致动而围绕所述旋转轴线旋转时，所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第三位移传感器和所述第四位移传感器经受相应的机械变形，并且分别产生所述第一感测信号、所述第二感测信号、第三感测信号和第四感测信号，所述第三感测信号和所述第四感测信号彼此相位相反，并且指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转。9.根据权利要求8所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第三位移传感器彼此串联电连接，并且其中所述第二位移传感器和所述第四位移传感器彼此串联电连接。10.根据权利要求9所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器在所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的相应顶表面上延伸；其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器中的每个位移传感器包括相应压电层，所述相应压电层与所述相应顶表面正交地插入在相应顶电极和相应底电极之间，所述相应底电极与所述第一压电致动结构或所述第二压电致动结构的所述相应顶表面接触；其中所述第三位移传感器和所述第四位移传感器在所述第三压电致动结构和所述第四压电致动结构的相应顶表面上延伸；其中所述第三位移传感器和所述第四位移传感器中的每个位移传感器包括相应压电层，所述相应压电层与所述相应顶表面正交地插入在相应顶电极和相应底电极之间，所述相应底电极与所述第三压电致动结构或所述第四压电致动结构的所述相应顶表面接触，其中所述第一位移传感器的所述底电极电耦合到所述第三位移传感器的所述顶电极，并且其中所述第二位移传感器的所述底电极电耦合到所述第四位移传感器的所述顶电极。11.根据权利要求9所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器电耦合到差分获取模块，所述差分获取模块被配置为：以差分方式获取所述第一感测信号和所述第二感测信号；并且基于所述第一感测信号和所述第二感测信号产生指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转的差分信号；以及
其中所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第三位移传感器和所述第四位移传感器电耦合到所述差分获取模块，所述差分获取模块被配置为：以差分方式获取所述第一感测信号与所述第三感测信号的和、以及所述第二感测信号与所述第四感测信号的和；并且基于所述第一感测信号与所述第三感测信号的和以及基于所述第二感测信号与所述第四感测信号的和来产生所述差分信号。12.根据权利要求10所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器电耦合到差分获取模块，所述差分获取模块被配置为：以差分方式获取所述第一感测信号和所述第二感测信号；并且基于所述第一感测信号和所述第二感测信号产生指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转的差分信号；以及其中所述第一位移传感器、所述第二位移传感器、所述第三位移传感器和所述第四位移传感器电耦合到所述差分获取模块，所述差分获取模块被配置为：以差分方式获取所述第一感测信号与所述第三感测信号的和、以及所述第二感测信号与所述第四感测信号的和；并且基于所述第一感测信号与所述第三感测信号的和以及基于所述第二感测信号与所述第四感测信号的和来产生所述差分信号。13.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构包括压电型的第一压电致动元件和第二压电致动元件，所述第一压电致动元件和所述第二压电致动元件相对于所述旋转轴线彼此相对；其中第一位移传感器和所述第一压电致动器元件彼此电流绝缘；以及其中所述第二位移传感器和所述第二压电致动器元件彼此电流绝缘。14.根据权利要求7所述的mems器件，其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构包括压电型的第一压电致动元件和第二压电致动元件，所述第一压电致动元件和所述第二压电致动元件相对于所述旋转轴线彼此相对；其中所述第一压电致动器元件和所述第二压电致动器元件在所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的所述相应顶表面上延伸；其中所述第一压电致动器元件和所述第二压电致动器元件中的每个压电致动器元件包括相应压电层，所述相应压电层与相应顶表面正交地插入在相应顶电极和相应底电极之间，所述底电极分别与所述第一压电致动结构或所述第二压电致动结构的所述相应顶表面接触；以及其中所述第一位移传感器和所述第一压电致动器元件的所述底电极或所述顶电极彼此电耦合，并且其中所述第二位移传感器和所述第二压电致动器元件的所述底电极或所述顶电极彼此电耦合。15.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构是共振型的；其中所述可倾斜结构具有在由彼此垂直的第一水平轴线和第二水平轴线限定的水平平面中的主延伸部，所述第一水平轴线平行于所述旋转轴线；其中所述第一支撑臂包括第一扭簧和第二扭簧，所述第一扭簧和所述第二扭簧对于在
所述水平面之外的运动是刚性的并且对于围绕所述旋转轴线的扭转是屈服的，所述第一扭簧联接至所述可倾斜结构，所述第二扭簧联接至所述锚定部段，所述第一扭簧和所述第二扭簧在第一约束区域处相互联接；以及其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构在所述第一支撑臂的相应的所述相对侧上在所述锚定部段与所述第一约束结构之间延伸。16.根据权利要求1所述的mems器件，其中所述第一位移传感器和所述第二位移传感器被配置为用直接共模电压偏置。17.一种电子器件，包括根据权利要求1所述的mems器件和根据权利要求4所述的差分获取模块。18.根据权利要求17所述的电子器件，进一步包括耦合到所述差分获取模块、以及所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的偏置模块，所述偏置模块被配置为：从所述差分获取模块接收与所述差分信号相关的位移信号；基于所述位移信号产生致动信号；以及通过所述致动信号偏置所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构。19.一种使用mems器件的方法，所述mems器件包括：半导体主体，所述半导体主体限定腔并且形成锚定部段；可倾斜结构，所述可倾斜结构弹性地悬置在所述腔上；第一支撑臂和第二支撑臂，所述第一支撑臂和第二支撑臂沿所述可倾斜结构的旋转轴线在所述锚定部段和所述可倾斜结构的相对侧之间延伸；以及第一压电致动结构和第二压电致动结构，所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构面向所述第一支撑臂的相对侧在所述锚定部段和所述第一支撑臂的所述相对侧之间、或在所述锚定部段和所述可倾斜结构之间延伸，并且所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构可偏置以机械地变形，从而产生所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的旋转；其中所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构承载压电型的第一位移传感器和第二位移传感器并且相对于旋转轴线彼此相对，所述方法包括：偏置所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构以产生所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的旋转；以及以差分方式获取由所述第一位移传感器和所述第二位移传感器产生的第一感测信号和第二感测信号。20.根据权利要求19所述的方法，其中使用差分获取模块获取所述第一感测信号和所述第二感测信号，所述差分获取模块基于所述第一感测信号和所述第二感测信号产生指示所述可倾斜结构围绕所述旋转轴线的所述旋转的差分信号。21.根据权利要求20所述的方法，还包括：当所述可倾斜结构由于所述第一压电致动结构和所述第二压电致动结构的致动而围绕所述旋转轴线旋转时，在具有正输入、负输入、负输出和正输出的全差分放大器的负输出和正输出之间产生差分电压，所述正输入电耦合到所述第一位移传感器，并且所述负输入电耦合到所述第二位移传感器。

技术总结

本公开的实施例涉及具有可倾斜结构和改善的控制的MEMS器件。一种MEMS器件，包括：半导体主体，其具有腔并且形成锚定部段；可倾斜结构，弹性地悬置在所述腔上方；第一支撑臂和第二支撑臂，支撑所述可倾斜结构；以及第一压电致动结构和第二压电致动结构，可偏置以机械地变形，从而产生所述可倾斜结构围绕旋转轴线的旋转。压电致动结构承载第一压电位移传感器和第二压电位移传感器。当可倾斜结构围绕旋转轴线旋转时，位移传感器受到相应的机械变形，并且产生彼此相位相反的相应感测信号，指示可倾斜结构的旋转。感测信号被配置成以差分方式获取。取。取。