微机械传感器或致动器组件及其生产方法

专利名称：微机械传感器或致动器组件及其生产方法
微机械传感器或致动器组件及其生产方法 本发明涉及根据主权利要求的前序部分所述的具有光学功能的微
机械传感器或致动器组件，以及根据权利要求18的前序部分所述的用 于生产微机械传感器或致动器组件的方法。
例如扫描镜、扫描光栅、测辐射热4义、光电二才及管和光电二极管 阵列、CCD阵列、CMOS图像传感器或光调制器都应该被认为是具有 光学功能的微机械传感器或致动器组件。该组件必须被保护以不受例 如微粒、湿气、高能量辐射(UV、 DUV)的污染，甚至或在真空中操 作。因此，需要对它们进行不能渗透地密封。另一方面，该组件需要 至少一个光学接口 ，以使分配给微机械传感器或致动器组件的传感器 或致动器元件能够处理入射辐射。这种光学接口以已知的方法用窗口 生产，其中，该窗口对所需的辐射波长范围来说是透明的。
作为具有光学功能的微机械传感器或致动器组件的已知实例，图
1以简化的方式示意性地示出了在具有玻璃盖的标准外壳中的微机械 扫描镜。扫描镜100具有衬底结构1,且为衬底结构1分配了万向转 镜元件2，所述镜元件被配置为敷镜板且能够绕垂直于附图平面的轴 旋转或偏转。衬底结构1通过粘和层3连接至外壳底部4。在外壳的 框架5上应用了增透玻璃盖6，玻璃盖6例如通过玻璃焊接的方法或 通过粘合剂连接至框架5,且具体用于使污垢和微粒远离扫描镜100 或远离衬底结构1和镜元件2。
在外壳上/内，与电元件的电连接通过粘结垫7a和7b、接合线以 及为了简化未在附图中示出的触点产生。


图1所示的微机械组件可以根据关于覆盖的多种方法制造，即，
a) 封装分离的芯片；
b) 片接合至芯片的覆盖物；以及
c) 选择&放置。
即使在细节上有所背离，三个变体也可基本描述如下。a)首先，包括例如衬底结构1、偏转元件2和电极(未示出)以 及相应的电接触(例如，粘结垫7a、 7b)的各个芯片通过锯切、激光 切割或有意地使晶片破裂来生产，其中，该芯片或衬底结构由该晶片 来生产。然后，通过例如结合、粘合等将单独的芯片插入标准或特殊 的外壳中。随后，通过引线键合实现电连接。可选地，在芯片的背部 以球栅阵列产生电连接。最后，通过使用对应于玻璃盖6的透明盖对 外壳进行密封。利用该方法，可在实际的封装和覆盖之前，对每个芯 片在晶片级(即，分离之前)进行测试，以使得只对功能性的芯片进 行进一步处理。然而，芯片必须通过锯切、破裂等在不保护表面的情 况下从晶片上分离开，这使得过程变得复杂并且在晶片级的功能测试 之后造成额外的浪费。另一个且本质的缺点是使用相对较贵的单独外 壳。
b )用晶片结合，包含传感器或致动器芯片的晶片以这样的方式连 接至称为盖晶片的第二晶片，即，将单个衬底结构或芯片上的整个表 面的盖生产出来。因此，盖晶片是例如可见波长范围内的玻璃晶片或 用于IR波长范围的硅。如果有必要，可使用所谓的隔离件，其保证在 实际的晶片和盖晶片之间产生特定的间隔。例如如果不必限制出现在 晶片上的芯片的机械元件的移动性，则这是需要的。而且，底部晶片 可结合在实际晶片的背面。例如如果需要在真空中操作且实际的晶片 是被穿孔的，则这是必要的。该方法的优点是芯片在分离之前被覆盖， 并因此对分离和进一步的处理过程明显地更不敏感，但是随后被丟弃 的非功能性的芯片也在该方法中被覆盖。
c)通过选择&放置机器，即，使用定位机器，将单个盖以高定位 准确性和精确性放置在晶片上。这些被放置的盖可利用例如粘合剂、 焊接层的结合层连接至晶片。该方法的优点是芯片可以在覆盖之前的 晶片级进行特征化和测试，然后能够将盖仅放置在功能芯片上。如在 根据b)的方法中那样，旨在进一步处理的功能芯片因而对分离和进 一步的处理过程明显地更不敏感。
对应于本领域的上述状态，在所有的三种情况中，透明盖总是平 行于芯片表面使用。盖和芯片表面的平行一般地对于纯传感器没有什么问题。然而，如果光或辐射不但耦合进入而且再次出去，那么在光
调制器或扫描镜的情况下，由于这两个表面(即，图1中的盖6的表 面和镜元件2的表面)的平行性，因而发生分裂的反射。在盖6上面 或下面的增透层可减少该效果，但是不能完全消除该效果。在与图1 的现有技术发展水平对应的实施例中，二维偏转扫描镜元件被用作图 像投影。通过镜元件的二维偏转，定向到扫描镜100的激光束被引导 到象场上。期望的图像通过对激光强度的调制而产生，其中，激光强 度作为激光斑的位置的函数。然而，在激光束入射到扫描镜之前，其 也在盖上纟皮部分地反射。
这在图1中示意性地说明。连续的线示出了平行于芯片或衬底表 面、并因此是非偏转的或也处于其非作用状态的镜元件2。光束穿过 透明玻璃盖6且入射在镜元件2上。通过反射，产生光束9。如果镜 元件是偏转的(如图1所示，通过虚线示出的板11)，通过反射产生 光束12。光束9和12之间的角度因此是所示的镜元件2和ll之间的 角度的两倍。镜元件2向左偏转与向右偏转相同的量的情况未示出。 因此，可产生另一光束，且事实上使得光束9精确地平分该另一光束 与光束12之间的角度。因为增透层具有剩余反射，所以产生另一光束 10。事实上，其具有非常弱的强度，但在使用中表现为破裂的方式。 在玻璃盖6和镜元件2上由反射产生的其它光束未在图中示出。
如上述的图像投影，如果扫描镜关于其零位置对称地偏转，则盖 上对应于光束10的剩余反射形成了图像中心的点。为了阐明该效应的 数量级，在下文中假定激光是未调制的，即，产生最大的光象场。激 光密度I分布在例如640 x 480 = 307200个像点上。假设盖玻璃百分之 百地透射，则因此1/307200的平均密度被分配到每个像点上。假定盖 具有增透层并因此具有1 - 99.99% = 0.01%的剩余反射，那么事实上大 约1/10000的额外密度在中心被分配给像点。因此，这是剩余像点强 度的大约30倍，并因而如所述的那样令观察者不安。
因此，本发明的根本目的是生产具有光学功能的微机械传感器或 致动器组件，以及生产能够减少或甚至避免反射的这些组件的方法， 其中，该反射可削弱微机械传感器或致动器组件的功能。根据本发明，通过主权利要求的特征性质可达到此目的。 通过从属权利要求的方法可实现有利的提高和改进。 因为盖的光学主轴并不垂直于衬底的表面，且也不与不工作时的 可偏转元件的光学主轴重合，因此在盖上由入射光束反射的光束并不 聚集在一点上，从而没有产生具有高密度的像点。有利地，通常具有 透明盖元件和框架部分的盖与衬底的表面成对角地设置。这种设置产 生简单的结构。
如果衬底的表面和盖元件之间的角度、或不工作时的可偏转元件 与盖元件之间的角度大于可偏转元件的最大偏转角，那么这是特别有 利的。因此，在距离传感器或致动器组件的足够间距处，由盖或盖元 件反射的光束不再位于板反射相应入射光束的区域内。因此，由盖元 件反射的光束可通过例如孔径光阑的方法来屏蔽。
偏转元件可纟皮配置为板形的镜元件，或者也可被配置为光4册。然 而，其也可为凹镜、光学透镜或滤波器元件。
在简单的实施方式中，盖元件配置为平的、单层或多层板。如果 期望或需要在具体的应用中使用，则盖元件可由一个或更多的光学元 件构成，例如透镜或透镜阵列、棱镜等，该一个或更多的光学元件的 光学主轴不垂直于衬底表面。因此，旨在通过棱镜，光能入射在其上 的旋光表面的主轴，也可在那里产生。
有利地，盖可通过粘合(adhesion)层连接至沉底，该粘合层能够 是胶层或焊接层，但也可通过共晶或固液互扩散法(SLID)连接至衬 底。
根据需求，盖可配置为一片或多个部分，全部或部分地包括塑料 和/或作为注塑的部分。
有利地，在远离衬底的一侧，盖具有被配置为平行于衬底表面的 表面元件。该表面元件可用于通过工件来施加压力，其结果为可以施 加用于例如热压缩方法的连接方法的必要作用力。
如果衬底连接至作为底板的底部晶片，那么能够使用与应用盖相 同方法是有利的。
用于生产微机械传感器或致动器组件的方法结合了如下优点，其中，该优点部分地是现有技术发展水平公知的具有可偏转元件、电 极和电接触的各个衬底结构可在晶片级测试，并且同样可以在晶片级 封装。结果，在分离过程中保护了感光结构。盖在指定的条件下具有 任意的配置，且生产的微机械组件可全部具有经济的外壳。
本发明的实施方式在附图中示出并在随后描述中进行更详细地解 释。其中
图1是根据现有技术发展水平、配置为扫描镜的微机械传感器或 致动器组件的截面图2是根据本发明的第一实施方式、配置为扫描镜的为机械传感 器或致动器组件示意性示出的截面图3是衬底结构上部分地应用盖子的晶片的俯视图；以及
图4是根据本发明的作为微机械传感器或致动器组件的扫描镜的 另一实施方式。
在图2中，图1中的相同元件具有相同的标号，因此不再单独地 讨论。
在图2中，扫描镜200的被保护使之免于污垢的部分是由盖22 的上侧产生的，该部分实质上与被配置为镜元件2的可偏转元件相关， 盖22包括框架15、 16和应用在框架上的盖元件14。如可观察的那样， 截面中所示出的框架具有不同高度的框架部分15、 16。未示出的其它 框架部分分别成对角地配置在框架部分15和16之间。可由^皮璃、塑 料等制成的透明的盖元件14以这样一种方式应用在框架15、 16的周 围，即，^f吏其关于衬底的表面成对角地配置，并且在该实施方式中， 当镜元件不工作时，盖元件14也与镜元件的表面成对角。将盖元件 14的倾斜选为大于镜元件2所用的最大偏转。如图2所示，因为当前 盖元件和镜元件2不再平行，所以在镜元件2上反射的光束9和在盖 元件上反射的光束18同样地不再平行。另外，因为盖元件的倾斜大于 4竟元件2的最大偏转，所以，在远离镜元件2的充足空间内，由光束 18产生的反射不再位于该板使光束8产生偏转的区域内。因此，光束 18可例如通过孔径光阑的方法来屏蔽。在图l和图2中，垂直于盖的 光学主轴称为主轴。明显地，盖22、 21的主轴不垂直于衬底的表面，且因此朝向对角的倾斜角。
如可在图2中所观察的那样，盖22必须未覆盖整个扫描镜，然而， 其本质上也能够覆盖整个衬底表面。
在图2的实施方式中，衬底1的下侧由底部晶片13来密封，底部 晶片13通过粘合层3或例如也通过晶片结合而连接到衬底1。底部晶 片13不是绝对必需的，具体地，如果传感器或致动器元件具有背面开 口 ，则无需底部晶片13。
具有未示出的相应侧面部分的框架部分15、 16以及因此整个盖都 通过粘合层17a和17b连接至衬底1的表面。粘合层可包括例如粘合 剂，可表示玻璃焊接，或由阳极焊接产生。为了产生连接，也可使用 互相扩散作用。可以使用共晶体，例如Au-Si或特殊的SLID材料。
在图4中示出了微机械传感器或致动器组件的另一实施方式，其 中，盖21由例如塑料材料的单片来生产。其可配置为例如注塑的部分。 盖21在截面中具有N形形状，在远离衬底l的一侧上，盖21具有平 4亍于衬底表面的表面元件21b、 21c。在这些表面上，可通过工具在连 接点17a、 17b上的晶片合成物中施加压力，为了产生良好的连接，该 压力在例如热压缩法的连接方法中是需要的。该压力在粘合过程中也 是非常有利的。
可选地，如图4所示的N形也通过使倾冻牛的玻璃盖与由不同材料 制成的框架部分连接来生产，其中，该材料例如注塑的材料。
在图2到图4的实施方式中，盖元件21a表示为平的且为板形， 能够呈现多个层。然而，可想象的是，盖元件具有更复杂的形状。因 此，可使用例如透镜或透镜阵列、棱镜或其它光学元件。
在图3中示出了晶片19,其中，在图1、图2和图4中示出的衬 底结构由该晶片以已知的方式生产，该衬底结构具有可偏转元件以及 以标号23表示的电极或接触物。这些衬底结构23不分离地设置在晶 片19上，盖20应用在其中一些衬底结构23之上。各个衬底结构23 或芯片被提前测试。盖20只放置在功能完全并因此旨在或可进一步处 理的芯片上。在盖20的测试和应用之后，各个衬底结构23或芯片与 晶片合成物中分离，然后形成各自的微机械传感器或致动器组件。因此分离沿水平线和垂直线进行，即所谓的切割线。
如上所述，微机械组件可用于多种应用。作为扫描镜，其可用于 图像投影仪。因此，其可配置为也可适于照相的一维或二维的扫描仪。
其还可用于共焦显微镜，即，作为处理镜(transaction mirror )或OCT。 该扫描反射镜也可用于减少散斑。
根据本发明的组件在分光计中也可和光栅一起使用。
激光的波长调谐或光谱成像同样也是可能的。
使用本发明也可完成具有Fabry-Perot滤波器的配置，例如，用于 平版印刷或用于投影的微镜阵列。
也可配置衍射的一维或二维阵列(PCB、掩模、显示器)
具有光栅、镜或板的组件可以是静止的或共振偏转的。
也可提出其它的衍射光学元件。
权利要求
1. 具有光学功能的微机械传感器或致动器组件，其中，所述微机械传感器或致动器组件具有衬底和光学元件，所述光学元件能够相对于所述衬底进行偏转，所述衬底的表面和所述可偏转元件的表面由透明的盖密封，其特征在于，所述盖(22，21)的光学主轴不垂直于所述衬底(1)的所述表面。
2. 如权利要求1所述的组件，其特征在于，所述盖(22, 21)具 有透明盖元件(14，21a)和框架部分(15, 17)。
3. 如权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述盖元件(14， 21a)被配置为平的、单层或多层板，所述板优选地为无反射涂敷的。
4. 如权利要求1到3的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述盖元件由一个或多个光学元件构成，所述光学元件的光学主轴不 垂直于所述S于底表面。
5. 如权利要求1到4的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述可偏转元件(2)被配置为镜或光栅。
6. 如权利要求1到5的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述可偏转元件(2)被配置为实现绕一个或多个轴的转动。
7. 如权利要求1到5的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述可偏转元件(2)被配置为实现平动。
8. 如权利要求1到6的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 当所述可偏转元件(2)不工作时，所述可偏转元件(2)的表面和所 述盖元件(14，21a)之间的角度大于所述可偏转元件(2)的最大偏转角度。
9. 如权利要求1到8的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述盖(22, 21 )通过粘合层(17a， 17b )连接至所述衬底(1 )
10. 如权利要求1到9的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述盖被配置为一片或多个部分。
11. 如权利要求1到9的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 在远离所述衬底(1 )的一侧，所述盖(21 )具有被配置为与所述衬底(1)平行的表面元件(21b，21c)。
12. 如权利要求1到11的任一权利要求所迷的组件，其特征在于， 所述盖(21,22)被配置为至少部分地作为注塑的部分。
13. 如权利要求l到12的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述光学元件被配置为透镜、透镜阵列、棱镜、棱镜阵列等。
14. 如权利要求1到13的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述衬底设置有底板(13)，所述底板(13)被配置为晶片的一部分。
15. 如权利要求1到14的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述盖(22, 21 )和/或所述底板(13 )通过粘合层(3, 17a， 17b )或焊 接层连接至所述衬底(1 )。
16. 如权利要求l到14的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述盖和/或所述底板(13 )通过共晶或SILD材料连接至所述衬底(1 )。
17. 如权利要求1到15的任一权利要求所述的组件，其特征在于， 所述可偏转元件能够被静电致动、-兹致动、压电致动、热致动。
18. 用于生产微机械传感器或致动器组件的方法，其中，所述组 件分别具有衬底结构和可偏转元件，所述衬底结构和所述可偏转元件透明盖，并将所述透明盖连接至所述衬底表面，随后，为了生产所述 微机械传感器或致动器组件，所述衬底结构通过切割或锯切来分离， 其特征在于，所述盖以这样的方式放置在所述衬底结构上，即，使得 所述盖的光学主轴不垂直于所述衬底表面。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述盖分别胶合、 结合或焊接到所述衬底表面上。
20. 如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述盖通过静电结 合或热压缩结合而分别连接至所述衬底表面。
21. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述盖利用共晶或 SLID材料通过互扩散分别连接至所述衬底。
22. 如权利要求18到21的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，所述盖通过模板而定位。
23. 如权利要求18到22的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，多个盖被同时定位在合成物中。
24. 如权利要求18到23的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，在定位所述盖之前，对所述各个衬底结构的功能进行测试，且所 述盖只应用在功能完全的衬底结构上。
25. 如权利要求18到24的任一权利要求所述的方法，其特征在 于，包含所述衬底结构的所述晶片被连接至底部晶片上。
26.如权利要求l到17所述的组件在扫描仪、显微镜、分光计、 激光显示器、激光打印器、激光照射装置或傅立叶分光计中的显微镜 检查、光路处理、路径长度调制的用途。
全文摘要
本发明涉及具有光学功能的微机械传感器或致动器组件和生产方法。因此，衬底具有电极和电接触以及能够相对于该衬底偏转的光、电致动元件。同样提出了透明盖。本发明的目的是生产具有光学功能的微机械传感器或致动器组件和提出用于生产该组件的方法，使其减少或甚至避免反射，其中该反射可损害微机械传感器或致动器组件的功能。根据本发明，盖的光学主轴因而不垂直于衬底的表面。
文档编号B81C1/00GK101412493SQ20081021220
公开日2009年4月22日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年10月16日
发明者亚历山大·沃尔特尔, 哈拉尔德·希恩克, 希尔奥·森德尔 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司