專利名稱：具有分散鉸鏈和多個支撐附件的微機電系統(tǒng)掃描鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)設備，且更詳細言之是涉及MEMS掃描鏡。
背景技術(shù)：
已提出了MEMS掃描鏡的各種靜電梳狀致動器設計。這些設備的廣泛應用包括條碼閱讀器、激光打印機、共焦顯微鏡、投影顯示器、背部投影電視和可穿戴式顯示器。通常MEMS掃描鏡在其主諧振時驅(qū)動以實現(xiàn)大掃描角度。為了確保穩(wěn)定的操作，確保鏡及其相關(guān)可移動結(jié)構(gòu)將以最低及主諧振頻率在所要模態(tài)形狀內(nèi)振動是至關(guān)重要的。此外，此主頻率必須遠離其它結(jié)構(gòu)振動頻率以避免所要與非所要模態(tài)形狀之間的潛在耦合。
非所要的結(jié)構(gòu)振動將增加鏡動態(tài)變形并導致降級光學分辨率。此外，一些結(jié)構(gòu)振動模態(tài)可引起可旋轉(zhuǎn)移動和固定的梳齒相接觸并一起斷開該致動器?？神詈暇哂邢嘟C振頻率的兩個或兩個以上結(jié)構(gòu)振動模態(tài)以產(chǎn)生導致鉸鏈失效的高振幅。因此，MEMS掃描鏡的設計中需要一種裝置和方法以有效地改善諧振時的振動穩(wěn)定性，并確保這些設備的光學分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實施例中，一種MEMS掃描鏡設備包括一個掃描鏡、旋轉(zhuǎn)梳齒、固定梳齒、分散蛇形彈簧和錨。該掃描鏡和該旋轉(zhuǎn)梳齒由來自固定平面內(nèi)和/或平面外齒的靜電力驅(qū)動。通過多個支撐附件將鏡連接到該旋轉(zhuǎn)梳狀結(jié)構(gòu)。多個蛇形彈簧充當將可移動結(jié)構(gòu)鏈接到固定支撐結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈。


圖1A、1B和1C說明了在本發(fā)明的一個實施例中的MEMS設備中的層的頂視圖。
圖2A、2B和2C說明了在本發(fā)明的另一個實施例中的MEMS設備中的層的頂視圖。
圖3說明了在本發(fā)明的一個實施例中的掃描鏡的變形。
具體實施例方式
圖1A說明了本發(fā)明的一個實施例中MEMS掃描鏡設備100。設備100包括頂層100A(圖1B)和底層100B(圖1C)。
參看圖1B，頂層100A包括旋轉(zhuǎn)梳齒108，該等旋轉(zhuǎn)梳齒被連接到類梁體結(jié)構(gòu)103A和103B的相對側(cè)上。通過多個支撐附件102將梁體103A和103B的最近端連接到掃描鏡101的相對側(cè)。換言之，每一個梁體都在多個位置連接到掃描鏡101。通過有限元分析來謹慎選擇支撐附件102的位置和數(shù)目以最小化掃描鏡101的動態(tài)變形。通過以支撐附件102減少掃描鏡101的動態(tài)變形來改善設備100的光學分辨率。
通過八個蛇形彈簧/鉸鏈105A到105H來將梁體103A和103B以分散方式沿掃描鏡101的旋轉(zhuǎn)軸(例如，x-軸)附著到底層100B。詳言之，通過彈簧/鉸鏈105A將梁體103A的遠端連接到錨104A，且通過彈簧/鉸鏈105H將梁體103B的遠端連接到錨104H。沿其長度，通過彈簧/鉸鏈105B到105D將梁體103A連接到對應錨104B到104D，且通過彈簧/鉸鏈105E到105G將梁體103B連接到對應錨104E到104G。在一個實施例中，彈簧105B到105G被定位于梁體103A到103B內(nèi)。錨104A到104H安裝在底層100B(圖1C)上。
頂層100A可包括固定梳齒109。在一個實施例中，固定梳齒109提供靜電偏壓力以通過調(diào)諧其模態(tài)頻率(modal frequency)來增加可移動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動效率。在另一實施例中，固定梳齒109提供靜電驅(qū)動力以驅(qū)動掃描鏡101。在又一實施例中，固定梳齒109提供靜電偏壓力和靜電驅(qū)動力兩者。
參看圖1C，底層100B包括表面106A到106H，其充當頂層100A(圖1A)中可移動結(jié)構(gòu)的錨定表面。詳言之，錨104A到104H粘合到對應表面106A到106H。腔107容納掃描鏡101的旋轉(zhuǎn)而不接觸底層100B。在一個實施例中，固定梳齒110提供靜電驅(qū)動力以驅(qū)動掃描鏡101。在另一實施例中，固定梳齒110提供用于增加可移動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動效率的靜電偏壓力。在又一實施例中，固定梳齒110提供靜電驅(qū)動力和靜電偏壓力兩者。從上向下觀察時固定梳齒109和110與旋轉(zhuǎn)梳齒108相互交錯。
如上文所描述，彈簧105A到105H沿梁體103A和103B分布。通過仔細調(diào)整這些彈簧的扭轉(zhuǎn)和平移剛度的分布，可有效分離可移動結(jié)構(gòu)的所有模態(tài)頻率且可將所要旋轉(zhuǎn)模態(tài)設計在最低諧振頻率。由于主諧振頻率最低且遠離其它結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率，所以鏡旋轉(zhuǎn)將不激發(fā)任何其它非所要的振動模態(tài)。
使用多個彈簧，每一個別彈簧上的最大應力和張力顯著低于僅由一對扭轉(zhuǎn)梁體支撐的傳統(tǒng)掃描鏡設計。因此，分散彈簧設計顯著改善了設備的可靠性。概括而言，系統(tǒng)可靠性和伺服和光學性能都通過本發(fā)明的實施例得到了改善。
圖2A說明了在本發(fā)明的一個實施例中的MEMS掃描鏡設備200。設備200包括頂層200A(圖2B)和底層200B(圖2C)。
參看圖2B，頂層200A包括鏡201，其通過多個支撐附件202連接到梁體203A和203B。鏡201和支撐附件202與圖1B中所示的相似。旋轉(zhuǎn)梳齒208連接到梁體203A和203B的一側(cè)。
通過彈簧/鉸鏈205A到205H將梁體203A和203B以分散方式沿掃描鏡201的旋轉(zhuǎn)軸連接到頂表面200A的固定表面204。詳言之，通過彈簧/鉸鏈205A將梁體203A的遠端連接到表面204，且通過彈簧/鉸鏈205H將梁體203B的遠端連接到表面204。沿其長度，通過彈簧/鉸鏈205B到205D將梁體203A連接到表面204，且通過彈簧/鉸鏈205E到205G將梁體203B連接到表面204。
參看圖2C，底層200B包括腔207，其容納掃描鏡201的旋轉(zhuǎn)而不接觸底層200B。在一個實施例中，固定梳齒210提供靜電驅(qū)動力以驅(qū)動掃描鏡201。在另一實施例中，固定梳齒210提供用于增加移動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動效率的靜電偏壓力。在又一實施例中，固定梳齒210提供靜電驅(qū)動力和靜電偏壓力兩者。從上向下觀察時固定梳齒210與旋轉(zhuǎn)梳齒208相互交錯。
圖3展示鏡301的典型的鏡動態(tài)變形。鏡301沿x-軸旋轉(zhuǎn)，其指向頁內(nèi)或頁外。展示了整個鏡動態(tài)變形302。x-軸和y-軸形成了一個原始鏡表面所在的平面。z-軸用于描述鏡平面外運動。鏡動態(tài)變形是鏡厚度、掃描頻率、鏡尺寸和旋轉(zhuǎn)角度的函數(shù)。峰到峰動態(tài)變形必須小于波長的四分之一以防止衍射限制掃描鏡的光學性能。據(jù)估計，圖1A和2A中所示的所提出的鏡附件結(jié)構(gòu)和方法將鏡動態(tài)變形減少了高達50％。
在本發(fā)明范圍內(nèi)所揭示的該等實施例的特點的各種其它調(diào)整和組合。例如，雖然掃描鏡201由固定平面外齒210來驅(qū)動，但吾人可修改本發(fā)明的實施例使得掃描鏡201由固定平面內(nèi)齒來驅(qū)動。下列權(quán)利要求包含許多實施例。
權(quán)利要求
1.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡設備，其包含一掃描鏡；一梁體結(jié)構(gòu)，其一端連接到該掃描鏡上的復數(shù)個位置；復數(shù)個旋轉(zhuǎn)梳齒，其連接到該梁體結(jié)構(gòu)；和一彈簧，其一端連接到該梁體結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中該彈簧的另一端被連接到一粘合在一固定表面的錨。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，其中該彈簧的另一端被連接到一固定表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，還包含復數(shù)個固定梳齒，其中該等固定梳齒和該等旋轉(zhuǎn)梳齒相互交錯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備，還包含復數(shù)個彈簧，每一者的一端被連接到沿著該掃描鏡的一旋轉(zhuǎn)軸的該梁體結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中該等復數(shù)個彈簧中每一者的另一端被連接到一粘合到對應固定表面的對應錨。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設備，其中該等復數(shù)個彈簧中每一者的另一端被連接到一固定表面。
8.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)掃描鏡設備，其包含一掃描鏡；一梁體結(jié)構(gòu)，其一端連接到該掃描鏡上；復數(shù)個旋轉(zhuǎn)梳齒，其連接到該梁體結(jié)構(gòu)；和復數(shù)個彈簧，每一者的一端被連接到沿著該掃描鏡的一旋轉(zhuǎn)軸的該梁體結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中該等復數(shù)個彈簧中每一者的另一端被連接到一粘合到對應固定表面的對應錨。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中復數(shù)個彈簧中每一者的另一端被連接到一固定表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，還包含復數(shù)個固定梳齒，其中該等固定梳齒和該等旋轉(zhuǎn)梳齒相互交錯。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設備，其中該梁體結(jié)構(gòu)的該一端被連接到該掃描鏡上的復數(shù)個位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的MEMS掃描鏡，其中該MEMS掃描鏡是從由一條碼閱讀器、一打印機、一共焦顯微鏡、一顯示器、一電視和一可穿戴式顯示器構(gòu)成的群組中選出的系統(tǒng)的部分。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)掃描鏡設備，其包括一個掃描鏡、旋轉(zhuǎn)梳齒、固定梳齒、分散蛇形彈簧和錨。掃描鏡和旋轉(zhuǎn)梳齒由來自固定平面內(nèi)和/或平面外齒的靜電力驅(qū)動。通過多個支撐附件來將鏡附著到旋轉(zhuǎn)梳狀結(jié)構(gòu)上。多個蛇形彈簧充當將可移動結(jié)構(gòu)鏈接到固定支撐結(jié)構(gòu)的柔性鉸鏈。
文檔編號G02B21/00GK1740843SQ20041005696
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月24日
發(fā)明者傅冶中 申請人:先進奈米系統(tǒng)公司