專利名稱：用于使物體以二自由度傾斜的微機電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于使物體以二自由度傾斜的微機電裝置，并涉及包 括用于使物體傾斜的微機電裝置的光學掃描裝置。
背景技術(shù)：
諸如掃描儀、用于光網(wǎng)絡(luò)的光學耦合器、投影顯示器等的光學裝置往 往需要將具體為偏轉(zhuǎn)鏡的光學元件分別驅(qū)動或傾斜的裝置，如用于將光
束反射偏轉(zhuǎn)的微機電系統(tǒng)(MEMS)。
目前基本上有兩種類型的傾斜偏轉(zhuǎn)鏡裝置，即諧振型和開環(huán)控制型。 諧振型偏轉(zhuǎn)鏡裝置用于諸如顯示器等的掃描設(shè)備。反射鏡在懸起狀
態(tài)可作為彈簧上的質(zhì)點，導(dǎo)致機械自然頻率。由于這些反射鏡被彈性懸
起，其阻尼系數(shù)通常較低。這些系統(tǒng)在共振頻率下工作性能很好，能夠
以低驅(qū)動功率輸入提供大偏轉(zhuǎn)幅度。
在開環(huán)控制偏轉(zhuǎn)鏡裝置中，偏轉(zhuǎn)角外部地被測量、或者完全不加測
量，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)或者最大偏轉(zhuǎn)角的兩個受控位置。這種系統(tǒng)既不接收也不
改變位置信息。
已有二自由度偏轉(zhuǎn)鏡裝置采用兩個獨立的懸起系統(tǒng)，限制了偏轉(zhuǎn)(角 向剛度太高)并控制帶寬(質(zhì)量太大)。目前懸起裝置方案僅能滿足單自
由度受控偏轉(zhuǎn)鏡或低帶寬的二自由度偏轉(zhuǎn)鏡。
Trey Roessig等人在Analog Dialogue期刊2002年七月至八月第36 巻第4期"光開關(guān)應(yīng)用中帶有集成位置傳感電子器件的鏡子"中描述了反 饋控制回路具有位置傳感功能的可移動微機電全光交換偏轉(zhuǎn)鏡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的之一在于提供一種能夠用于使物體以二自由度傾斜的微 機電裝置，其具有高控制帶寬、且能產(chǎn)生大偏轉(zhuǎn)角。
本發(fā)明第一方面提供了一種用于使物體以二自由度傾斜的微機電裝 置，它包括承載元件和隔膜，物體通過隔膜與承載元件連接，其中物體 和承載元件分別包括至少一個電極，且物體通過物體的至少一個電極與 承載元件的至少一個電極之間的靜電力被傾斜，電壓從電壓源施加到電 極。
利用隔膜懸起物體可使物體以二自由度以較低剛度被驅(qū)動或傾斜， 則導(dǎo)致以較低衰減功率而獲得大偏轉(zhuǎn)角。在驅(qū)動方向所需的兩較低自然 頻率與較高干擾自然頻率之間可實現(xiàn)分離，其頻差系數(shù)可達20，從而改
進控制穩(wěn)定性。
在一優(yōu)選實施例中，所述隔膜為一種聚合物隔膜。該聚合物隔膜是 堅韌的、具有耐久性，能承受高應(yīng)力。隔膜可由如酰亞胺或二甲苯制成。
在另一實施例中，所述隔膜對于不同傾斜方向具有不同特征頻率。 如果需要傾斜物體在不同傾斜方向具有不同特征頻率，則將采用共振運 行模式。隔膜應(yīng)為非旋轉(zhuǎn)對稱形狀，如橢圓或矩形形狀。
在又一實施例中，物體的傾斜由帶有位置傳感的閉合反饋環(huán)路加以 控制。這將提高裝置抗沖擊和振動的性能。為了進行位置傳感，進行電 極的電容測量。
在又一實施例中，物體的至少一個電極通過橫過隔膜的至少一根導(dǎo)
線連接至電壓源，所述橫過隔膜的至少一根導(dǎo)線為z字形。在該實施例
中，沒有導(dǎo)線必須安裝到物體的運動部分上。橫過隔膜尤其在其表面上 的電導(dǎo)線將顯著影響隔膜性能，這將減小傾斜的微機電裝置的偏轉(zhuǎn)角。
即使采用薄(250納米)且窄(5微米)的導(dǎo)線仍影響隔膜的柔順性，因 為聚合物隔膜的楊氏模量比銅的楊氏模量大致低兩個量級。具有低剛度 的高柔順性聚合物隔膜易受隔膜上相對高剛度的電導(dǎo)線影響。采用Z字 形導(dǎo)線可減小導(dǎo)線應(yīng)力，這一點相當重要，因為應(yīng)力是導(dǎo)致隔膜剛度產(chǎn) 生不必要增加的主要原因。
在優(yōu)選實施例中，傾斜物體是一光學元件，具體地為一偏轉(zhuǎn)鏡。 在另一方面，本發(fā)明提供光學掃描裝置，其包括光源、偏轉(zhuǎn)鏡和用 于使所述偏轉(zhuǎn)鏡傾斜的微機電裝置，所述偏轉(zhuǎn)鏡將從光源投射的光束反 射偏轉(zhuǎn)以掃描表面。
除光學掃描裝置外，用于使物體傾斜的裝置也可用于以下裝置，諸 如噴墨打印頭、激光偏轉(zhuǎn)器、用于光網(wǎng)絡(luò)的光學耦合器、巻軸機、條碼 閱讀器、投影顯示器、自適應(yīng)光學裝置、識別系統(tǒng)等，也可用于天文成 像、跟蹤、視覺或無掩模光刻等領(lǐng)域。


通過實施例的以下詳細描述和附圖顯示，可以使本發(fā)明這些和其他 方面得到進一步體現(xiàn)。在附圖中
圖1是用于使偏轉(zhuǎn)鏡傾斜的微機電裝置的示意性側(cè)視圖2是第二實施例中用于使偏轉(zhuǎn)鏡傾斜的微機電裝置的示意性側(cè)視
圖3是光學掃描裝置的示意性側(cè)視圖，其中所述光學掃描裝置包括 圖1所示用于使偏轉(zhuǎn)鏡傾斜的微機電裝置；
圖4是用于使偏轉(zhuǎn)鏡傾斜的微機電裝置的另一實施例的透視圖； 圖5是圖4所示裝置的放大剖分示意圖；以及 圖6是圖4所示裝置進一步放大剖分的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合一種光學元件對本發(fā)明加以描述，具體是以偏轉(zhuǎn)鏡作為傾 斜物體。在又一實施例中，也可以采用其他傾斜物體或光學元件。
如圖1所示，用于使物體尤其是偏轉(zhuǎn)鏡2以二自由度傾斜的微機電 裝置1包括承載元件3，偏轉(zhuǎn)鏡2通過聚合物隔膜4與所述承載元件相連。 偏轉(zhuǎn)鏡2和承載元件3分別包括電極5、 6，其中偏轉(zhuǎn)鏡2通過偏轉(zhuǎn)鏡2 的電極5與承載元件3的電極6之間的靜電力(電場方向如箭頭7所示) 作用被傾斜，電壓由電壓源V施加至電極5 、 6。采用如聚酰亞胺或聚對 二甲苯等材料制成的聚合物隔膜懸起偏轉(zhuǎn)鏡2則可在低剛度下以二自由 度驅(qū)動偏轉(zhuǎn)鏡2或使偏轉(zhuǎn)鏡2傾斜，使其以較低衰減功率產(chǎn)生大偏轉(zhuǎn)角。
偏轉(zhuǎn)鏡2的傾斜由帶有位置傳感的閉合反饋環(huán)路加以控制。這提高
了微機電裝置抗沖擊和振動的能力。對于位置傳感，利用電極5、 6之間 電容測量(未圖示)。這種位置傳感可參見Trey Roessig等人在Analog Dialogue期刊2002年七月至八月第36巻第4期"光開關(guān)應(yīng)用中帶有集成 位置傳感電子器件的鏡子"。
在另一實施例中(未圖示)，聚合物隔膜4對不同傾斜方向可具有不 同特征頻率。如果需要傾斜物體2在不同傾斜方向具有不同特征頻率， 則將采用共振運行模式。此時聚合物隔膜4應(yīng)包括橢圓或矩形形狀、或 其它非旋轉(zhuǎn)對稱形狀。
圖2所示為用于使偏轉(zhuǎn)鏡2傾斜的微機電裝置1'的示意性側(cè)視圖。 偏轉(zhuǎn)鏡2的電極5通過導(dǎo)線8連接到電壓V,，而承載元件3的電極6連 接到電壓源的電壓V2。在該實施例中，沒有導(dǎo)線必須安裝到偏轉(zhuǎn)鏡2的 運動部分上。導(dǎo)線8的橫過聚合物隔膜4的部分8'為Z字形。聚合物隔 膜4表面上的電導(dǎo)線部分8'將顯著影響聚合物隔膜4的性能，這將減小 傾斜裝置1'的偏轉(zhuǎn)角。具有低剛度的高柔順性聚合物隔膜4易受聚合物 隔膜4上具有相對高剛度的電導(dǎo)線8'的影響。采用Z字形導(dǎo)線8'，可減 小導(dǎo)線8'的張應(yīng)力，這是重要的，因為張應(yīng)力是導(dǎo)致聚合物隔膜4剛度 產(chǎn)生不必要增加的主要原因。
圖3所示為光學掃描裝置9，其包括光源，具體為激光源10，光源 發(fā)射光束11。激光源10置于安裝在基座13上的散熱器12上。光學掃描 裝置9還包括偏轉(zhuǎn)鏡2和用于使偏轉(zhuǎn)鏡2傾斜的微機電裝置1，所述偏轉(zhuǎn) 鏡2將從有機玻璃透鏡14投射的光束11偏轉(zhuǎn)反射以掃描一個表面(未 圖示)。
在又一實施例中(未圖示)，用于使物體傾斜的裝置也可用于以下裝 置，諸如噴墨頭、激光偏轉(zhuǎn)器、用于光網(wǎng)絡(luò)的光學耦合器、巻軸機、條 碼閱讀器、投影顯示器、自適應(yīng)光學裝置、識別系統(tǒng)等，也可用于天文 成像、跟蹤、視覺或無掩模光刻等領(lǐng)域。
本發(fā)明不限于微機電系統(tǒng)(MEMS)裝置。在其它實施例中，根據(jù)本發(fā) 明裝置也可以用作較大尺寸(常規(guī))裝置。
圖4是用于使偏轉(zhuǎn)鏡2a傾斜的微機電裝置另一實施例r的透視圖， 偏轉(zhuǎn)鏡位于承載元件3a上，所述承載元件包括薄聚合物層15及其表面 上的電極6a。
圖5是裝置r的放大剖分示意圖。承載元件3a包括剖分顯示的孔 16。帶有Z字形導(dǎo)線8a'的聚合物隔膜4a是可見的。圖6是裝置T進一 步放大剖分的示意圖。
權(quán)利要求
1.一種用于使物體(2，2a)以二自由度傾斜的微機電裝置(1，1’，1″)，所述微機電裝置包括承載元件(3，3a)和隔膜(4，4a)，物體(2，2a)通過隔膜(4，4a)與承載元件(3，3a)連接，其中物體(2，2a)和承載元件(3，3a)分別包括至少一個電極(5，6，6a)，且物體(2，2a)通過物體(2，2a)的至少一個電極(5)與承載元件(3，3a)的至少一個電極(6，6a)之間的靜電力(7)被傾斜，電壓從電壓源(V)施加到電極(5，6，6a)。
2. 如權(quán)利要求1所述的微機電裝置，其特征在于，所述隔膜是聚合物 隔膜(4， 4a)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的微機電裝置，其特征在于，所述隔膜(4， 4a) 對于不同傾斜方向具有不同的特征頻率。
4. 如權(quán)利要求1、 2或3所述的微機電裝置，其特征在于，所述隔膜 (4，4a)是非旋轉(zhuǎn)對稱形狀。
5. 如權(quán)利要求1至4任一要求所述的微機電裝置，其特征在于，所述 隔膜(4,4a)為橢圓形。
6. 如權(quán)利要求1至4任一要求所述的微機電裝置，其特征在于，所述 隔膜(4，4a)為矩形。
7. 如權(quán)利要求1至6任一要求所述的微機電裝置，其特征在于，物體 (2，2a)的傾斜由具有位置傳感的閉合反饋環(huán)路控制。
8. 如權(quán)利要求1至7任一要求所述的微機電裝置，其特征在于，物體 (2， 2a)的至少一個電極(5)由橫過隔膜(4， 4a)的至少一根導(dǎo)線(8'，8a') 連接到電壓源。
9. 如權(quán)利要求8所述的微機電裝置，其特征在于，橫過隔膜(4，4a) 的至少一根導(dǎo)線(8'，8a')是Z字形。
10. 如權(quán)利要求1至9任一要求所述的微機電裝置，其特征在于，物 體是光學元件(2，2a)。
11. 如權(quán)利要求IO所述的微機電裝置，其特征在于，光學元件是偏轉(zhuǎn) 鏡(2，2a)。
12. —種光學掃描裝置(9)，包括光源(10)、偏轉(zhuǎn)鏡(2)和用于使 如權(quán)利要求11所述偏轉(zhuǎn)鏡(2)傾斜的微機電裝置(1)，所述偏轉(zhuǎn)鏡(2) 將從光源(10)投射的光束(11)反射偏轉(zhuǎn)以掃描表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于使物體(2)以二自由度傾斜的微機電裝置(1’)，其包括承載元件(3)和隔膜(4)，所述物體(2)通過隔膜(4)與承載元件(3)連接，其中物體(2)和承載元件(3)分別包括至少一個電極(5，6)。物體(2)通過物體(2)的至少一個電極(5)與承載元件(3)的至少一個電極(6)之間的靜電力(7)被傾斜，電壓從電壓源(V1，V2)施加到電極(5，6)。
文檔編號G02B26/08GK101107195SQ200680002523
公開日2008年1月16日 申請日期2006年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者D·M·布勞沃, D·范利洛普, E·C·E·范格魯斯溫, G·L·M·揚森, M·T·梅韋斯, R·J·阿斯杰斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司