具有肋条和锥形梳齿的微机电系统（MEMS）扫描镜的尺寸技术方案

本发明专利技术涉及一种微机电系统（ＭＥＭＳ）反射镜装置，其包括一反射镜、结合衬垫、弹簧和连接到所述反射镜的横梁。所述反射镜具有大于１０００且小于１２００微米的宽度、大于４０００且小于５５００微米的长度和大于２４０微米的厚度。每个横梁包括复数个可旋转梳齿且通过复数个弹簧连接到所述结合衬垫。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统(MEMS)装置，且更特定而言涉及MEMS扫描镜。
技术介绍
已提议了用于MEMS扫描镜的多种静电梳致动器设计。此等装置的广泛应用包括条码读取器、激光印刷机、共焦显微镜、投影显示器、背投TV和可穿戴显示器。MEMS扫描镜通常以其主谐振来驱动以达成大的扫描角度。为了确保稳定操作，确保反射镜和其相关联的活动结构将以最低且主谐振频率以所要的振形振动是极重要的。在多种应用中，反射镜尺寸必须较大且镜面必须平坦以确保高的光学分辨率。对于多种应用反射镜振动/扫描速度亦必须为快速的。已知当反射镜尺寸和扫描速度增加时，反射镜动态平整度劣化。若没有平坦镜面，则扫描镜对多种应用几乎没有用途。另外，此主频率必须远离其它结构振动频率以避免所要振形与不当振形之间的潜在耦合。不当的结构振动将增强反射镜动态变形且导致下降的光学分辨率。此外，某些结构振动模式可导致可旋转活动的梳齿与固定的梳齿接触并同时中断致动器。具有接近谐振频率的两个或两个以上结构振动模式可耦合而产生导致铰链故障的高振幅。因此，在MEMS扫描镜的设计中需要有效改进谐振的振动稳定性并确保此等装置的光学分辨率的一种设备和一种方法。
技术实现思路
在本专利技术的一个实施例中，一个微电子机械系统(MEMS)反射镜装置包括一反射镜、结合衬垫、弹簧和连接到所述反射镜的横梁。所述反射镜具有大于1000且小于1200微米的宽度、大于4000且小于5500微米的长度和大于240微米的厚度。每个横梁包括复数个可旋转梳齿并通过复数个弹簧连接到结合衬垫。附图说明图1A、1B、1C、1D、1E、1F和1G说明本专利技术的一个实施例中的一个MEMS装置。图1H、1I、1J和1K说明在本专利技术的实施例中具有不同功率方案的图1A的MEMS装置。图2说明在本专利技术的一个实施例中用于制造图1A的装置的方法。图3、4、5、6、7和8说明本专利技术的另一实施例中的MEMS装置。图9说明在本专利技术的一个实施例中用于制造图3、4、5、6、7和8的装置的方法。图10说明在本专利技术的另一实施例中用于支撑MEMS装置的反射镜的另一肋条结构。在不同图中使用相同的参考数字指示类似或同一元件。具体实施例方式图1A说明本专利技术的一个实施例中的一MEMS扫描镜装置400。装置400包括一结合到底层404上但与其电绝缘的顶层402。图1B与图1C详细说明顶层402。顶层402包括一呈椭圆形的顶部反射镜层406。顶部反射镜层406在其顶面上包括沟槽/槽408。沟槽408减小了顶部反射镜层406的质量，并继而使得整体动态变形得以最小化。通过最小化整体动态变形可改进装置400的光学分辨度。尽管沟槽408被展示为环绕整个顶面，但是当将其置于沿着顶部反射镜层406的远离旋转轴线414的外周边时，其可为最有效。如下文所述，沟槽408可通过控制其宽度使其不会蚀刻穿透顶部反射镜层406而与其它组件同时蚀刻。或者，在蚀刻期间可使用一荫罩来保护顶部反射镜层406以防止其被沟槽408蚀刻穿透。沟槽408的位置及数量可通过有限元分析来确定。间隙409A和409B将顶层402中的顶部反射镜层406同周围组件分隔开。如下文所述，将间隙409A和409B的宽度设计为大于环绕较易损坏组件的间隙的宽度，从而使得在蚀刻过程中，任何捕集的气体均可从顶部反射镜层406周围而非易损坏组件周围逃逸。顶部反射镜层406的相对侧经由复数个支撑附件410而连接到横梁状结构412A和412B的最近端。通过将顶部反射镜层406在复数个位置上连接到横梁412A和412B，可使得顶部反射镜层406的动态变形最小化。支撑附件410的位置和数量可通过有限元分析来确定。绕旋转轴线414的横梁412A和412B的相对侧连接到可旋转梳齿416。每个可旋转梳齿416都具有一个由端部矩形部分组成的锥形体，所述端部矩形部分的横截面小于基底矩形部分的横截面。通过减小可旋转梳齿416在其端部处的尺寸并因而减小重量，可减小整个结构的惯性。通过减小结构惯性，可提高扫描速度和/或减小驱动电压。在一实施例中，可旋转梳齿416提供用于通过调谐活动结构的模态频率来提高其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，可旋转梳齿416提供用于驱动反射镜的静电驱动力。在又一实施例中，可旋转梳齿416提供静电偏压力与静电驱动力两者。横梁412A和412B经由螺旋形弹簧而连接到安装于底层404上的结合衬垫。具体而言，横梁412A具有一经由螺旋形弹簧422-1而连接到结合衬垫424的远端，及一经由螺旋形弹簧422-2及422-3而连接到横梁412A内所形成的结合衬垫426的中间部分。类似地，横梁412B具有一经由螺旋形弹簧428-1而连接到结合衬垫430的远端，及一经由螺旋形弹簧428-2及428-3而连接到横梁412B内所形成的结合衬垫432的中间部分。因而，横梁412A和412B经由弹簧沿顶部反射镜层406的旋转轴线414以分布方式而连接。横梁412A和412B可包括孔433以减小其质量。通过仔细调整弹簧硬度及位置的分布，可将活动结构的所有模态频率有效地分隔开且可在最低谐振频率设计所要可旋转模式。由于主谐振频率为最低且远离其它结构模态频率，因而反射镜旋转可不激发任何其它不当的振动模式。通过使用复数个弹簧，每个弹簧上的最大应力和张力低于仅由一对扭转横梁所支撑的常规扫描反射镜设计。由于每个弹簧上的应力和张力减小，因而每个弹簧的可靠性得以改进且可旋转角度增大。顶层402可包括与可旋转梳齿416面内相互交叉的固定梳齿434。固定梳齿434可具有类似可旋转梳齿416的锥形体。在一实施例中，固定梳齿434提供用于通过调谐活动结构的模态频率而增加其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，固定梳齿434提供用于驱动顶部反射镜层406的静电驱动力。在又一实施例中，固定梳齿434提供静电偏压力与静电驱动力两者。固定梳齿434被连接到安装于底层404上的结合衬垫436。图1D、图1E、图1F和图1G详细说明底层404。底层404包括一个具有从椭圆形板464凸出的凸出部462的底部反射镜层460。间隙465将底层404中的底部反射镜层460同周围组件分隔开。如图1F所示，板464的底面用作反射面并且其它结构可通过使用底层404的底面上的组合对准标记466而与反射镜对准。底部反射镜层460的顶面467与顶部反射镜层406的底面相结合以形成最终反射镜。如图1G所示，所述最终反射镜具有一I横梁状结构，其中顶部反射镜层406形成顶部凸缘，凸出部462形成梁腹且板464形成底部凸缘。所述I横梁状结构移除了大部分反射镜质量并且使反射镜结构强劲。因此，其最小化底部反射镜面的动态变形。通过最小化底部反射镜面的整体动态变形可改进装置400的光学分辨率。所述I横梁状结构的形状可通过有限元分析来确定。底层404包括数个用于锚定顶层402中活动结构的结合衬垫的表面。具体而言，锚定衬垫(anchoring pad)468和470提供数个用于安装相应的结合衬垫426和432的表面，且锚定衬垫472提供一用于安装结合衬垫424、430和436的表面。底层404包括与可旋转梳齿416面外相互交指的固定梳齿474。换句话说，当从上方看去或当最终反射镜旋转时，两者呈相互交指状态。固本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电系统（ＭＥＭＳ）反射镜装置，其包含：一反射镜，其包含一大于１０００且小于１２００微米的宽度、一大于４０００且一小于５５００微米的长度和一大于２４０微米的厚度；连接到所述反射镜的横梁，每个横梁包含复数个可旋转梳齿；　 　结合衬垫；和弹簧，其中每个横梁通过多个弹簧连接到所述结合衬垫。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅冶中，
申请(专利权)人：先进奈米系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]