专利名称：具有可调固有频率的mems系统扫描镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电系统(MEMS)，且更具体而言，本发明涉及MEMS扫描镜。
背景技术：
已提议用于MEMS扫描镜的各种静电设计。其应用包括条形码读取器、激光打印机、共焦显微镜、光纤网络组件、用于投影仪的投影显示器、背投电视、节目电脑显示器(wearable display)和军用激光跟踪和导向系统。通常，在其主共振下驱动MEMS扫描镜以达到高扫描角度。制造过程总是生产具有空间差异(inconsistency)的MEMS扫描镜，所述空间差异改变个别装置的固有频率。若少数MEMS扫描镜的主固有频率过低或过高，则在为大多数MEMS扫描镜选择的的交流电(AC)驱动电压下，所述少数装置不产生适当的扫描速度和适当的扫描角度。因此，需要一种设备和方法以调谐MEMS扫描镜的主固有频率，以改良这些装置的制造产量。
发明内容
在本发明的一实施例中，MEMS结构包括一第一电极、一第二电极和一移动元件。所述第一电极耦合到一第一电压源。所述第二电极耦合到一第二电压源。所述移动元件包括一耦合到一第三电压源(例如，电接地)的第三电极。所述第一电极与所述第三电极之间的一稳定电压差用以将所述结构的固有频率调谐成一应用的扫描频率。在所述应用的扫描频率下在所述第二电极与所述第三电极之间的一振荡电压差用以使所述移动元件振荡。在一个实施例中，所述移动元件为一镜面。
图1A和图1B分别说明一个实施例中的MEMS结构100的装配和分解图。
图1C、1D和1E说明一个实施例中的MEMS结构100的层的俯视图。
图1F说明本发明的一个实施例中的用于配置和操作MEMS结构100的方法。
图1G、1H、1I和1J说明不同实施例中的MEMS结构100的各种层的俯视图。
图2A和2B分别说明一个实施例中MEMS结构200的装配和分解图。
图2C和2D说明一个实施例中的MEMS结构200的层的俯视图。
图3A和3B分别说明一个实施例中的MEMS结构300的装配及分解图。
图3C、3D、3E、3F和3G说明一个实施例中的MEMS结构300的层的俯视图。
图4说明本发明一个实施例中的MEMS系统。
图5说明本发明的一个实施例中用以使MEMS结构振荡的直流电压和交流电压。
具体实施例方式
图4说明本发明一个实施例中的MEMS系统400。MEMS系统400包括具有移动元件的MEMS结构(例如，MEMS结构100、200或300)，所述移动元件可在电压源402所提供的电压下静电地移动。电压源402在移动元件的固定电极与移动电极之间提供一电压差以将MEMS结构100的固有频率调整到理想扫描频率。在所述理想扫描频率下，电压源402也在移动元件的另一个固定电极与所述移动电极之间提供一交流电压差来以理想扫描角度使移动元件振荡。
移动元件的移动(例如，扫描频率和扫描角度)通过传感器404来测量并被反馈给控制器406。控制器406将经测量的移动与所述移动元件的理想移动相比较，并接着指示电压源402提供适当的电压以达到理想移动。尽管已展示为个别组件，但是MEMS结构100、电压源402、传感器404和控制器406可建构在相同的芯片上或不同的芯片上。
图1A和1B分别说明一个实施例中的MEMS结构100的装配和分解图。MEMS结构100可用于需要单轴运动(例如，单向扫描镜)的任何应用中。MEMS结构100包括导电层105、绝缘层107和导电层109。在一个实施例中，导电层105和109由掺杂硅制成，而绝缘层107由二氧化硅(SiO2)制成。绝缘层107使导电层105和109上的组件绝缘。绝缘层107也用以将导电层105和109物理地结合在一起。
图1C说明导电层105的一个实施例的俯视图。导电层105包括扫描镜101和偏垫(bias pad)112。扫描镜101包括反射区域124，所述反射区域分别通过扭转铰链102A和102B连接到锚栓(anchor)108A和108B。镜面101绕轴122旋转。
在一个实施例中，扭转铰链102A和102B包括内孔114以降低结构100的旋转模态频率。所述旋转模态频率是确保扫描镜101绕轴122旋转而不与其它不需要的旋转和平移结构振动耦合的最低模态频率。
镜面101包括在旋转轴122不同侧上的移动齿104A和104B(共同称作“移动齿104”)。移动齿104A和104B分别自杆106A和106B延伸。杆106A和106B连接到反射区域124，且平行于扭转铰链102A和102B。
偏垫112包括在旋转轴122不同侧上的固定齿103A和103B(共同称作“固定齿103”)。当偏垫112与镜面101处于相同平面时(例如，当镜面101不旋转时)，固定齿103A和103B分别与移动齿104A和104B互相交叉。
在一个实施例中，锚栓108A耦合到地面116，且偏垫112耦合到直流(DC)电压源118。直流电压源118向偏垫112提供直流偏压。所述直流偏压在固定齿103与移动齿104之间造成一稳定的电压差。固定齿103与移动齿104之间的稳定电压差造成一静电转矩(electrostatic torque)，所述静电转矩使镜面101旋转，直到静电转矩等于处于平衡位置的恢复转矩。事实上，固定齿103与移动齿104之间的稳定电压差造成一非线性静电系统，其改变MEMS结构100的固有频率。因此，可通过增加或减少固定齿103与移动齿104之间的稳定电压差来调整(例如，调谐)MEMS结构100的固有频率。
在一个实施例中，直流电压源118建构在与结构100相同的芯片上。或者，直流电压源118建构在与结构100分离的芯片上。在一个实施例中，直流电压源118在操作期间受伺服控制(servo-controlled)来产生一直流偏压值，其产生结构100的理想固有频率。
图1D说明居中层107的一个实施例的俯视图。绝缘层107具有与导电层105相同的形状(但仅对镜面101而言)，以便将层101上的组件电绝缘。绝缘层107界定十字形开口121用于镜面101的扫描运动。
图1E说明导电层109的一个实施例的俯视图。导电层109包括一驱动垫126，其界定十字形开口111。驱动垫126包括在旋转轴122不同侧上的固定齿110A和110B(共同称作“固定齿110”)。类似于开口121，开口111是为镜面101的扫描运动保留的自由空间。当镜面101在第一方向(例如，顺时针方向)上旋转时，固定齿110A与移动齿104A互相交叉，且当镜面101在第二方向(例如，逆时针方向)上旋转时，固定齿110B与移动齿104B互相交叉。齿110A和110B经电连接。当在垫112与126之间施加一交流驱动电压时，若所述移动结构关于轴122对称，则最初产生一平移合力(translational resultant force)。此平移合力不用于旋转运动。实际上，归因于制造公差(manufacturing tolerance)所述结构并不完全对称，且将开始振荡。所述结构一旦开始振荡，所述转矩增加且平移合力减少。可通过使所述力或所述结构相对于轴122略微不对称或来解决较小初始转矩的潜在问题。例如，可使齿110A和110B的长度略微不同以产生相对较大的初始转矩。镜面形状可相对于轴122略微不对称以产生相同的效果。
在一个实施例中，固定齿110和移动齿104形成静电制动器(electrostatic actuator)(例如，垂直梳状驱动制动器)，其使扫描镜101振荡。在这一个实施例中，驱动垫126耦合到交流电压源120，且锚栓108A耦合到地面116。当启动时，交流电压源120向驱动垫126提供交流驱动电压，其在固定齿110与移动齿104之间造成振荡电压差。通常，交流驱动电压具有等于结构100的固有频率的频率以达到最大的扫描角度。齿110与104之间的振荡电压差引起静电转矩，造成镜面101的扫描运动。
在一个实施例中，交流电压源120建构在与结构100相同的芯片上。或者，交流电压源120建构在与结构100分离的芯片上。在一个实施例中，交流电压源120在操作期间受伺服系统控制而产生交流驱动电压，其产生理想扫描速度和扫描角度。
图1F说明一个实施例中用于配置和操作MEMS结构100的方法150。结构100一般为来自一批批量生产的结构100中的装置。如下所述，在制造结构100期间发生动作151和152，及在使用结构100期间发生动作153、154、156和160。
在动作151中，设计者判定应用的扫描频率和扫描角度(例如，条形码读取器的1kHz和5-10度)，并修改结构100的基本设计以达到等于扫描频率的特定固有频率。设计者通过改变铰链的刚性(例如，铰链的几何结构)或改变所述结构的惯性(例如，镜面的几何结构)来修改设计。动作151之后为动作152。
在动作152中，设计者预置此结构100的直流电压差和交流电压差的特性。设计者预置直流偏压的振幅(图5)以将此结构100的固有频率调谐为应用的扫描频率。设计者预置交流驱动电压的振幅和频率(图5)以达到此结构100的理想扫描角度。设计者也可预置交流驱动电压的垂直偏移(图5)以达到发生振荡的理想中间扫描位置。由于归因于制造差异每个结构100与其它有些许不同，所以这些步骤是必需的。接着将这些特性存储到此结构100的控制器406中作为直流偏压和交流驱动电压的初始/缺省特性。
在动作153中，最终用户可将直流偏压和交流驱动电压的不同特性存储到控制器406中。最终用户希望这样做以改变理想扫描频率、理想扫描角度和理想中间扫描位置。
在动作154中，控制器406指示电压源402施加直流偏压和交流驱动电压。电压源402表示各种直流和交流电压源(例如，直流电压源118和交流电压源120)。
所述直流偏压初始化为储存在控制器406中的缺省值，且接着受伺服系统控制以确保旋转固有频率为扫描频率。由于归因于温度变化、材料老化或任何其它的原因，结构100的固有频率可能偏离理想值，因而在操作阶段伺服系统控制直流偏压是必需的。
所述交流驱动电压初始化为存储在控制器406中的缺省值，且接着受伺服系统控制以确保达到理想扫描频率和扫描角度。由于归因于温度变化、材料老化或任何其它的原因，扫描频率、扫描角度和中间扫描位置可能偏离理想值，因而在操作阶段交流驱动电压的伺服系统控制是必需的。动作154之后为动作158。
在动作158中，传感器404用以监视所述扫描镜的运动(例如，扫描频率、扫描角度和扫描中间位置)并将所测量的信息输出到控制器406。动作158之后为动作160。
在动作160中，控制器406接收来自传感器404的运动信息。控制器406计算所需的直流偏压和所需的交流驱动电压并将其提供给电压源402。通过干扰直流偏压的振幅和感测扫描角度的变化来完成直流偏压的伺服系统控制。若直流偏压增加且同时扫描角度也增加，那么固有频率不断接近扫描频率，且反之亦然。若波德图(Bode plot)显示主固有频率的高Q因子，则通过以直流偏压变化控制固有频率来维持扫描振幅一般更为有效。
交流驱动电压的伺服系统控制是通过干扰交流驱动电压的振幅、频率和垂直偏移并感测扫描角度、扫描频率和扫描中间位置的变化而完成。增加交流驱动电压的振幅以增加旋转的角度，且反之亦然。增加交流驱动电压的频率以增加扫描频率，且反之亦然。改变交流驱动电压的垂直偏移以最优化所述扫描中间位置。动作160之后为动作154，且所述方法继续在反馈循环中。
图1G说明结构100的导电层105的另一个实施例的俯视图。图1C与图1G之间的相同或相似部件由相同的参考数字指示。在此实施例中，反射区域124连接到杆128A和128B。移动齿104A及104B自杆128A和128B的相对边缘延伸。通过扭转铰链130A和130B，杆128A和128B的端部分别连接到锚栓108A和108B。扭转铰链130A和130B中的每一个具有螺旋形状，此形状增加铰链102A和102B的平移刚性，但维持铰链102A和102B的扭转挠性(torsional flexibility)。类似于上文的描述，直流电压源118耦合到偏垫112，且地面116耦合到锚栓108A。上文所描的方法150可用以配置和操作图1G的具有导电层105的结构100。
图1H说明导电层109的另一个实施例的俯视图。图1E与图1H之间相同或类似部件由相同的参考数字指示。在此实施例中，驱动垫126仅包括固定齿110B。这种配置提供较大的初始转矩以激发所述镜面的旋转振荡。固定齿110B与移动齿104B之间的振荡电压差单独地造成镜面101的扫描运动。然而，由于此实施例中的层109以固定齿110仅在所述相对侧中的一个上施加了力，所以可增加振荡电压差来匹配图1E中的上述实施例的响应振幅。上文所述的方法150可用以配置和操作图1H的具有导电层109的结构100。
图1I说明导电层109的另一个实施例的俯视图。图1E与图1I之间相同或类似的部件由相同的参考数字指示。在此实施例中，导电层109划分成两个驱动垫132A及132B(共同称作“驱动垫132”)，其一起界定开口121。固定齿110A和110B分别自驱动垫132A和132B的相对边缘延伸。驱动垫132A耦合到交流电压源134A，而驱动垫132B耦合到另一个交流电压源134B。交流电压源134A和134B具有相同的频率但有180度的相位差以提供最高的扭转致动力和初始的激发转矩。因此，固定齿110与移动齿104之间的振荡电压差造成镜面101的扫描运动。上文所描述的方法150可用以配置和操作图1I的具有导电层109的结构100。
图1J说明导电层109下方的额外层136的俯视图，所述额外层136将驱动垫132A和132B电绝缘。在一个实施例中，绝缘层136由本征硅制成。绝缘层136可包括为镜面101的扫描运动保留的自由空间。
图2A和2B分别说明一个实施例中的MEMS结构200的装配和分解图。类似于MEMS结构100，MEMS结构200可用于需要单轴扫描镜的任何应用中。MEMS结构200包括一导电层205、一隔离层和结合层207和一结构锚定层209。在一个实施例中，导电层205由掺杂硅制成，而隔离层207由SiO2制成以电绝缘导电层205的元件。层209为两个上层提供一支承结构。如果层209由不导电的本征硅制成，则层207将仅用作结合层并可视情况用于这一配置。
图2C说明导电层205的一个实施例的俯视图。导电层205包括扫描镜201、偏垫212和驱动垫232A和232B。类似于镜面101，镜面201包括反射区域224，所述反射区域通过扭转铰链202A和202B分别连接到锚栓208A和208B。镜面201绕轴222旋转。
在一个实施例中，扭转铰链202A和202B包括内孔214以降低旋转模态频率。镜面201也包括一组移动齿204A和204B(共同称作“移动齿204”)。移动齿204A和204B自杆206A和206B延伸，位于轴222的不同侧上。杆206A和206B连接到反射区域224，并平行于扭转铰链202A和202B。
内部移动齿204B更靠近反射区域224并与固定齿210A和210B互相交叉(随后描述)。外部移动齿204A距反射区域224较远并与固定齿203A和203B互相交叉(随后描述)。
在一个实施例中，由于其一般为移除了一或一个以上角的正方形，所以镜面201不对称。因此，镜面201的重心转移到轴222的一侧。当应用需要镜面201在某一初始的旋转位置开始或快速到达某一初始的旋转位置时，优选此设计。
偏垫212包括在轴222的不同侧上的固定齿203A和203B(共同称作“固定齿203”)。当偏垫212和镜面201处于相同平面内时(例如，当镜面201不旋转时)，固定齿203A和203B分别与外部移动齿204A互相交叉。
驱动垫232A和232B(共同称作“驱动垫232”)分别包括固定齿210A和210B(共同称作“固定齿210”)。当驱动垫232和镜面201处于相同平面内时，固定齿210A和210B与内部移动齿204B互相交叉。
在一个实施例中，锚栓208A耦合到地面216，且偏垫212耦合到直流电压源218。直流电压源218向偏垫212提供直流偏压，其在固定齿203与外部移动齿204A之间造成稳定的电压差。类似于上文的描述，固定齿203与移动齿204A之间的稳定的电压差造成静电力，其改变结构200的固有频率。因此，可通过改变固定齿203与移动齿204A之间的稳定的电压差来调谐MEMS结构200的固有频率。
在一个实施例中，固定齿210和移动齿204B形成静电制动器(例如，梳状驱动制动器)，其使扫描镜201振荡。在此实施例中，驱动垫232耦合到交流电压源220。当启动时，交流电压源220向驱动垫232提供交流驱动电压，其在固定齿210与内部移动齿204B之间造成振荡电压差。固定齿210与内部移动齿204B之间的振荡电压差引起静电转矩，造成镜面201的扫描运动。
类似于上文的描述，在一个实施例中，直流电压源218和交流电压源220可建构在与结构200相同的芯片上。或者，电压源218和220可建构在与结构200分离的一个或一个以上的芯片上。这些一个或一个以上的芯片接着经过电线耦合到偏垫212和驱动垫232。在一个实施例中，直流电压源218在操作过程中受到伺服系统控制而产生一直流偏压值，其产生结构100的理想固有频率，且交流电压源220在操作过程中受到伺服系统控制而产生交流驱动电压，其产生理想扫描速度和扫描角度。
图2D说明隔离层207的一个实施例的俯视图。隔离层207界定十字形开口221。类似于开口121，开口221是为镜面201的扫描运动保留的自由空间。
上文描述的方法150(图1F)可用于操作结构200。
图3A和3B分别说明一个实施例中的MEMS结构300的装配及分解图。MEMS结构300可用于需要相对于两个旋转轴(例如，双向扫描镜)旋转运动的任何应用中。MEMS结构300包括结构锚定层301、绝缘层304、导电层302、绝缘层305和导电层303。在一个实施例中，层301由本征硅或掺杂硅制成，导电层302和303由掺杂硅制成，且绝缘层304和305由二氧化硅(SiO2)制成。绝缘层304和305将层301、302和303上的组件电绝缘。绝缘层304也用以将层301和302物理地结合。类似地，绝缘层305也用以将导电层302和303物理地结合。
图3C说明导电层303的一个实施例的俯视图。导电层303包括扫描镜316、驱动垫306和309、接地垫307和偏垫308。扫描镜316包括反射区域352，其通过螺旋形扭转铰链315A和315B分别连接到锚栓328和329。镜面316经由铰链315A和315B绕Y轴旋转。铰链315A和315B判定以Y轴的镜面扫描频率/速度。
镜面316包括在Y轴不同侧上的移动齿314A和314B(共同称作“移动齿314”)。驱动垫306通过螺旋形扭转铰链324连接到梳齿388。梳齿388具有固定齿313，当梳齿388与镜面316处于相同的平面时(例如，当镜面316不绕Y轴旋转时)，固定齿313与若干移动齿314A互相交叉。类似地，驱动垫309通过螺旋形扭转铰链326连接到梳齿390。梳齿390具有固定齿311，当镜面316不绕Y轴旋转时，固定齿311与若干移动齿314B互相交叉。
偏垫308通过螺旋形扭转铰链325连接到梳齿323B。梳齿323B通过杆330A连接到梳齿323A。梳齿323A和323B分别具有固定齿310A和310B(共同称作“固定齿310”)。当镜面316不绕Y轴旋转时，固定齿310A和310B分别与若干移动齿314A和314B互相交叉。
接地垫307通过螺旋形扭转铰链327连接到L形杆330B。因此，接地垫307连接到镜面316和移动齿314。
在一个实施例中，接地垫307耦合到地面354，且偏垫308耦合到直流电压源356。直流电压源356向偏垫308提供直流偏压。所述直流偏压在固定齿310与移动齿314之间造成稳定的电压差。类似于上文的描述，固定齿310与移动齿314之间的稳定的电压差造成一非线性静电系统，其改变MEMS结构300绕Y轴的固有频率。因此，MEMS结构300绕Y轴的固有频率可通过改变固定齿310与移动齿314之间的稳定的电压差而改变(例如，调谐)。
类似于上文的描述，直流电压源356可建构在与结构300相同的芯片上。或者，直流电压源356可建构在与结构300分离的芯片上。在一个实施例中，直流电压源356在操作期间受到伺服系统控制以产生一直流偏压值，其产生结构300绕Y轴的理想固有频率。
在一个实施例中，(1)固定齿311和移动齿314B，以及(2)固定齿313和移动齿314A形成两个静电制动器(例如，梳状驱动制动器)，其使扫描镜316绕Y轴振荡。在此实施例中，驱动垫306和309耦合到交流电压源360，且接地垫307耦合到地面354。当启动时，交流电压源360在(1)固定齿311和移动齿314B之间，以及(2)固定齿313和移动齿314A之间造成振荡电压差。通常，交流驱动电压具有等于结构300的固有频率的频率，从而达到最大的扫描角度。齿之间的振荡电压差产生静电转矩，其造成镜面316绕Y轴的扫描运动。
类似于上文的描述，在一个实施例中，交流电压源360可建构在与结构300相同的芯片上。或者，交流电压源360建构在与结构300分离的芯片上。在一个实施例中，交流电压源360在操作期间受到伺服系统控制以产生交流驱动电压，其产生绕Y轴的理想扫描速度和扫描角度。
在一个实施例中，导电层303进一步包括位于X轴的不同侧上的驱动垫/梳齿317A和317B。梳齿317A和317B分别包括固定齿318A和318B。固定齿318A和318B用以使镜面316绕X轴旋转(随后将参考层302描述)。梳齿317A和317B耦合到交流电压源374(随后描述)。
图3D说明绝缘层305的一个实施例的俯视图。除镜面316之外，绝缘层305具有与导电层303相同的形状，以便将层303上的组件电绝缘。绝缘层305界定一为镜面316的扫描运动保留的开口358。
图3E说明导电层302的一个实施例的俯视图。导电层302包括旋转框架364和偏垫/梳齿319A和319B。旋转框架364界定一用于镜面316的扫描运动的开口358。旋转框架364包括在X轴的不同侧上的梳齿322A and322B。旋转框架364通过螺旋形扭转铰链332A和332B分别连接到接地垫/锚栓331A和331B。旋转框架364可通过铰链332A和332B绕X轴旋转。镜面316安装在旋转框架364的顶上。具体而言，镜面316的锚栓328和329分别安装在旋转框架364的锚栓安装件336和337顶上。此允许镜面316使用铰链315A和315B绕Y轴旋转，且使用铰链332A和332B绕X轴旋转。
梳齿322A和322B分别包括移动齿321A和321B(共同称作“移动齿321”)。梳齿319A和319B分别包括固定齿320A和320B(共同称作“固定齿320”)。当梳齿322A、梳齿322B和旋转框架364处于相同的平面时(例如，当旋转框架364不绕X轴旋转时)，固定齿320A和320B分别与移动齿321A和321B互相交叉。
在一个实施例中，锚栓331A耦合到地面368，梳齿319A和319B耦合到直流电压源370。直流电压源370向梳齿319A和319B提供直流偏压。所述直流偏压在固定齿320与移动齿321之间产生一稳定的电压差。类似于上文的描述，固定齿320与移动齿321之间的稳定的电压差产生一非线性静电系统，其改变MEMS结构300绕X轴的固有频率。因此，可通过改变固定齿320与移动齿321之间的稳定的电压差来改变(例如，调谐)MEMS结构300绕X轴的固有频率。
类似于上文的描述，在一个实施例中，直流电压源370建构在与结构300相同的芯片上。或者，直流电压源370建构在与结构300分离的芯片上。在一个实施例中，直流电压源370在操作期间受到伺服系统控制以产生直流偏压值，其产生结构300绕X轴的理想固有频率。
如上文的描述，梳齿317A和317B(图3C)分别具有固定齿318A和318B(图3C)。当镜面316(图3C)在第一方向上旋转时，旋转框架364(图3E)的移动齿321A(图3E)与固定齿318A互相交叉，且当镜面316在相反的方向上旋转时，旋转框架364的移动齿321B(图3E)与固定齿318B互相交叉。
在一个实施例中，(1)固定齿318A和移动齿321A，以及(2)固定齿318B和移动齿321B形成两个静电制动器(例如，梳状驱动制动器)，其使扫描镜面316绕X轴振荡。在此实施例中，梳齿317A和317B耦合到交流电压源374(图3C)，且接地垫331A(图3E)耦合到地面368(图3E)。当启动时，交流电压源374在固定齿318A与移动齿321A之间和在固定齿318B与移动齿321B之间造成振荡电压差。通常，所述交流驱动电压具有等于结构300的固有频率的频率以达到最大的扫描角度。齿之间的振荡电压差引起静电转矩，其造成镜面316绕X轴的扫描运动。
类似于上文的描述，在一个实施例中，交流电压源374建构在与结构300相同的芯片上。或者，交流电压源374建构在与结构300分离的芯片上。在一个实施例中，交流电压源374在操作期间由伺服系统控制以产生交流驱动电压，其产生绕X轴的理想扫描速度和扫描角度。
图3F说明绝缘层304的一个实施例的俯视图。绝缘层304具有与导电层302相同的形状(但仅对旋转框架364而言)，以便将层302上的组件电绝缘。绝缘层304界定为镜面316和旋转框架364的扫描运动保留的开口358。
图3G说明结构锚定层301的一个实施例的俯视图。层301包括框架378，其界定开口358用于镜面316和旋转框架364的扫描运动。旋转框架364安装在框架378的顶上。具体而言，旋转框架364的锚栓331A和331B分别安装在框架378的锚栓安装件380和382顶上。导电层302的梳齿319A和319B分别安装在梳齿安装件384和386顶上。
在一个实施例中，上文描述的方法150(图1F)可经修改以配置和操作MEMS结构300。结构300一般为来自一批批量生产的结构300的装置。
在动作151中，设计者判定应用的两个旋转轴的扫描频率和扫描角度，且修改结构300的基本设计以达到等于扫描频率的特定固有频率。设计者通过改变铰链的刚性(例如，铰链的几何结构)或改变结构的惯性(例如，镜面的几何结构)修改设计。动作151之后为动作152。
在动作152中，设计者预置两个旋转轴的直流电压差的特性，从而将此结构300的固有频率调谐到扫描频率。设计者也预置两个旋转轴的交流电压差的特性，从而达到振荡发生的理想扫描角度和理想中间扫描位置。接着将这些特性存储到此结构300的控制器406中，作为直流偏压和交流驱动电压的初始/缺省特性。
在动作153中，最终用户可将直流偏压和交流驱动电压的不同特性存储在控制器406中。最终用户希望这样做来改变理想扫描频率、理想扫描角度和理想中间扫描位置。
在动作154中，控制器406指示电压源402施加直流偏压和交流驱动电压。电压源402表示各种直流和交流电压源(例如，直流电压源356和370，和交流电压源360和374)。
所述直流偏压初始化为储存在控制器406中的缺省值，且接着受到伺服系统控制以确保旋转固有频率为扫描频率。
所述交流驱动电压初始化为存储在控制器406中的缺省值，且接着受到伺服系统控制以确保达到理想扫描频率、理想扫描角度和理想扫描中间位置。动作154之后为动作158。
在动作158中，传感器404用以监视扫描镜的运动并将所测量的信息输出到控制器406。动作158之后为动作160。
在动作160中，控制器406接收来自传感器404的扫描频率和角度信息。控制器406计算所需的直流偏压和所需的交流驱动电压并将其提供给电压源402。动作160之后为动作154，且所述方法继续在反馈循环环中。
所揭示的实施例的各种其它的特性的修改和组合在本发明的范畴内。随附权利要求书涵盖许多实施例。
权利要求
1.一种MEMS结构，其包含一第一电极，其耦合到一第一电压源；一第二电极，其耦合到一第二电压源；一移动元件，其包含一耦合到一第三电压源的第三电极；其中，所述第一电极与所述第三电极之间的一稳定电压差将所述结构的所述固有频率改变为至少近似等于一应用的扫描频率，且在所述应用的所述扫描频率下，在所述第二电极与所述第三电极之间的一振荡电压差使所述移动元件振荡。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一电压源为一直流电压源，所述第二电压源为一交流电压源，且所述第三电压源为地面。
3.根据权利要求2所述的结构，其中所述第一电极包含第一复数个固定齿，且所述第二电极包含第二复数个固定齿，且所述第三电极包含复数个移动齿。
4.根据权利要求2所述的结构，其中所述直流电压源和交流电压源位于与所述结构相同的芯片上。
5.根据权利要求2所述的结构，其中(1)所述直流电压源和(2)所述交流电压源中的至少一个位于与所述结构不同的芯片上。
6.根据权利要求2所述的结构，其中所述移动元件为一绕一轴旋转的扫描镜。
7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述扫描镜进一步包含一耦合到一扭转弹簧的反射区域，其中所述复数个移动齿从一耦合到所述反射区域的杆上伸出。
8.根据权利要求7所述的结构，其中所述扭转弹簧包括内孔。
9.根据权利要求7所述的结构，其中当所述扫描镜处于一第一位置时，所述第一复数个固定齿与所述复数个移动齿互相交叉。
10.根据权利要求9所述的结构，其中当所述扫描镜处于一第二位置时，所述第二复数个固定齿与所述复数个移动齿互相交叉。
11.根据权利要求10所述的结构，其中所述第一电极和所述移动元件包含一上层，且所述第二电极包含一下层，所述上层和所述下层通过一电绝缘材料的中间层相分离。
12.根据权利要求6所述的结构，其中所述镜面进一步包含一通过一杆耦合到一螺旋形扭转弹簧的反射区域，其中所述复数个移动齿从所述杆上伸出。
13.根据权利要求1所述的结构，其进一步包含一耦合到一第四电压源的第四电极。
14.根据权利要求13所述的结构，其中所述第一电压源为一第一直流电压源，所述第二电压源为一第一交流电压源，所述第三电压源为地面，所述第四电压源为一第二交流电压源。
15.根据权利要求14所述的结构，其中所述第一交流电压源和所述第二交流电压源提供异相(out of phase)电压。
16.根据权利要求7所述的结构，其中所述第一电极、所述第二电极和所述移动元件包含一个层。
17.根据权利要求16所述的结构，其中所述第一复数个固定齿与来自所述复数个移动齿的第一组移动齿互相交叉，且所述第二复数个固定齿与来自所述复数个移动齿的第二组移动齿互相交叉。
18.一种MEMS结构，其包含一包含一第一驱动垫的第一层，所述第一驱动垫界定一第一开口，所述第一驱动垫包含第一复数个固定齿，所述第一驱动垫电耦合到一提供一交流电压的交流电压源；一在所述第一层顶上的第二层，所述第二层界定一与所述第一开口重叠的第二开口，所述第二层包含一电绝缘材料；一在所述第二层顶上的第三层，所述第三层包含一偏垫，其界定一与所述第二开口重叠的第三开口，所述偏垫包含第二复数个固定齿，所述偏垫电耦合到一提供一直流偏压的直流电压源；一在所述第三开口中的镜面，其包含一反射区域；一耦合到所述反射区域的扭转铰链；一锚栓，其耦合到所述扭转铰链并安装在所述第二层顶上使得所述镜面可旋转，所述锚栓电耦合到地面；耦合到所述反射区域的复数个移动齿，所述复数个移动齿与所述第二复数个固定齿互相交叉；其中，所述复数个移动齿与所述第二复数个固定齿之间的一稳定电压差将所述结构的所述固有频率改变成一应用的扫描频率，且在所述应用的所述扫描频率下所述复数个移动齿与所述第一复数个固定齿之间的一振荡电压差使所述扫描镜振荡。
19.一种MEMS结构，其包含一包含电绝缘材料的第一层；一在所述第一层顶上的第二层，所述第二层包含一第一驱动垫，所述第一驱动垫包含第一复数个固定齿，所述第一驱动垫电耦合到一提供一第一交流电压的第一交流电压源；一第二驱动垫，所述第二驱动垫包含第二复数个固定齿，所述第二驱动垫电耦合到一提供一第二交流电压的第二交流电压源，所述第二交流电压与所述第一交流电压异相，其中所述第一驱动垫和所述第二驱动垫界定一第一开口；一在所述第二层顶上的第三层，所述第三层界定一与所述第一开口重叠的第二开口，所述第三层由电绝缘材料组成；一在所述第三层顶上的第四层，所述第四层包含一偏垫，其界定一与所述第二开口重叠的第三开口，所述偏垫包含第三复数个固定齿，所述偏垫电耦合到一提供一直流电压的直流电压源；一在所述第一和所述第二开口上方的镜面，其包含一反射区域；一耦合到所述反射区域的扭转铰链；一锚栓，其耦合到所述扭转铰链并安装在所述第三层顶上使得所述镜面可旋转，所述锚栓电耦合到地面；耦合到所述反射区域的复数个移动齿，所述复数个移动齿与所述第三复数个固定齿互相交叉；其中，所述复数个移动齿与所述第三复数个固定齿之间的一稳定电压差将所述结构的所述固有频率改变成一应用的扫描频率，且在所述应用的所述扫描频率下所述复数个移动齿与所述第一和所述第二复数个固定齿之间的一振荡电压差使所述扫描镜振荡。
20.一种MEMS结构，其包含一界定一开口的第一层，所述第一层由电绝缘材料组成；一第二层，其包含一第一驱动垫，其包含第一复数个固定齿，所述第一驱动垫电耦合到一提供一交流电压的交流电压源；一第二驱动垫，其包含第二复数个固定齿，所述第二驱动垫电耦合到所述交流电压源；一偏垫，其包含第三复数个固定齿，所述偏垫电耦合到一提供一直流电压的直流电压源；一在所述开口上方的镜面，其包含一反射区域；一耦合到所述反射区域的扭转铰链；一锚栓，其耦合到所述扭转铰链并安装在所述第一层顶上使得所述镜面可旋转，所述锚栓电耦合到地面；耦合到所述反射区域的第一复数个移动齿，所述第一复数个移动齿与所述第一和第二复数个固定齿互相交叉；耦合到所述反射区域的第二复数个移动齿，所述第二复数个移动齿与所述第三复数个固定齿互相交叉；其中，所述第二复数个移动齿与所述第三复数个固定齿之间的一稳定电压差将所述结构的所述固有频率改变成一应用的扫描频率，且在所述应用的所述扫描频率下所述第二复数个移动齿与所述第一和所述第二复数个固定齿之间的一振荡电压差使所述扫描镜振荡。
21.一种用于控制一具有一移动元件的MEMS结构的方法，其包含判定在所述移动元件的一第一固定电极与一移动电极之间的一直流电压差的振幅，所述直流电压差引起所述结构的一固有频率至少近似等于一应用的一扫描频率；记录所述直流电压差的所述振幅以用于所述应用；和记录所述扫描频率作为所述移动元件的一第二固定电极与所述移动电极之间的一交流电压差的频率以用于所述应用，所述交流电压差引起所述移动元件的一振荡。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述判定所述直流电压差的一值包含将一直流偏压施加到所述第一固定电极；将耦合到所述移动元件的所述移动电极接地；和调整所述直流偏压的所述振幅，直到所述结构的所述固有频率至少近似等于所述扫描频率。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述记录所述直流电压差包含把所述直流偏压的所述振幅编程到一控制器中以用于操作所述MEMS结构。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述记录所述扫描频率作为一交流电压差的频率包含将所述扫描频率编程到所述控制器中。
25.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含将所述移动电极接地；将一直流偏压施加到所述第一固定电极以在所述第一固定电极与所述移动电极之间引起所述直流电压差；和将一交流驱动电压施加到所述第二固定电极以在所述第二固定电极与所述移动电极之间引起所述交流电压差。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包含记录所述扫描频率作为所述移动元件的一第三固定电极与所述移动电极之间的一第二交流电压差的频率以用于所述应用，所述第二交流电压差与所述第一交流电压差异相；和将一第二交流驱动电压施加到所述第三固定电极以在所述第二固定电极与所述移动电极之间引起所述交流电压差。
27.一种用于控制一具有一移动元件的MEMS结构的方法，其包含在所述移动元件的一第一固定电极与一移动电极之间施加一直流电压差，所述直流电压差引起所述结构的一固有频率至少近似等于一应用的理想扫描频率；和在所述理想扫描频率下在一第二固定电极与所述移动电极之间施加一交流电压差，所述交流电压差引起所述移动元件振荡。
28.根据权利要求27所述的方法，其进一步包含测量所述移动元件的一扫描频率和一扫描角度；将所述经测量的扫描频率和所述扫描角度与所述理想扫描频率和一理想扫描角度相比较；和调整所述直流电压差的振幅以将所述结构的所述固有频率改变成至少近似等于所述应用的理想扫描频率。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包含调整所述交流电压差的一振幅、一频率和一垂直偏移中的至少一个以改变所述扫描频率、所述扫描角度和一中间扫描位置中的至少一个。
30.根据权利要求27所述的方法，其中所述施加一直流电压差包含将一直流偏压施加到所述第一固定电极；和将所述移动电极接地。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述施加一交流电压差包含将一交流电压施加到所述第二固定电极。
32.一种MEMS结构，其包含一第一电极，其耦合到一第一电压源；一第二电极，其耦合到一第二电压源；一可旋转框架，其包含一耦合到一第三电压源的第三电极，所述框架安装到一支承层以绕一第一轴旋转；一第四电极，其耦合到一第四电压源；一第五电极，其耦合到一第五电压源；一可旋转元件，其包含一耦合到一第六电压源的第六电极，所述可旋转元件安装到所述框架上以绕一第二轴旋转；其中所述第一电极与所述第三电极之间的一第一稳定电压差将所述结构绕所述第一轴的所述固有频率改变成至少近似等于一应用绕所述第一轴的一扫描频率；所述第四电极与所述第六电极之间的一第二稳定电压差将所述结构绕所述第二轴的所述固有频率改变成至少近似等于所述应用绕所述第二轴的一扫描频率；所述第一扫描频率下的所述第二电极与所述第三电极之间的一第一振荡电压差使所述可旋转元件绕所述第一轴振荡；和所述第二扫描频率下的所述第五电极与所述第六电极之间的一第二振荡电压差使所述可旋转元件绕所述第二轴振荡。
33.根据权利要求32所述的MEMS结构，其中，所述第一电压源为一第一直流电压源，所述第二电压源为一第一交流电压源，且所述第三电压源为地面。
34.根据权利要求33的MEMS结构，其中所述框架进一步包含一安装在所述支承层顶上的扭转弹簧，且所述第三电极包含从所述框架伸出的第一复数个齿。
35.根据权利要求34所述的MEMS结构，其中所述第一电极包含安装在所述支承层顶上且于所述框架不旋转时与所述第一复数个齿互相交叉的第二复数个齿。
36.根据权利要求35所述的MEMS结构，其中所述第二电极包含在所述第二复数个齿上方的第三复数个齿，当所述框架旋转时所述第三复数个齿与所述第一复数个齿互相交叉。
37.根据权利要求33所述的MEMS结构，其中所述第四电压源为一第二直流电压源，所述第五电压源为一第二交流电压源，且所述第六电压源为地面。
38.根据权利要求37所述的MEMS结构，其中所述可旋转元件为一包含一反射区域的扫描镜，所述反射区域耦合到一安装在所述框架顶上的扭转弹簧，且所述第六电极包含从所述反射区域延伸出的第一复数个齿。
39.根据权利要求38所述的MEMS结构，其中所述第四电极包含第二复数个齿，当所述框架不旋转时所述第二复数个齿与所述第一复数个齿中的至少一部分互相交叉。
40.根据权利要求39所述的MEMS结构，其中所述第五电极包含第三复数个齿，当所述框架不旋转时所述第三复数个齿与所述第一复数个齿中的至少一部分互相交叉。
41.根据权利要求37所述的MEMS结构，其中所述第一直流电压源、所述第二直流电压源、所述第一交流电压源和所述第二交流电压源位于与所述结构相同的芯片上。
42.根据权利要求33所述的MEMS结构，其中所述第一直流电压源、所述第二直流电压源、所述第一交流电压源和所述第二交流电压源中的至少一个位于与所述结构不同的芯片上。
43.一种MEMS结构，其包含一包含一电绝缘材料的第一层；一在所述第一层顶上的第二层，所述第二层包含一包含从所述框架的一个或一个以上边缘延伸出的第一复数个齿的框架，所述框架通过一第一扭转铰链耦合到一第一锚栓以绕一第一轴旋转，所述第一锚栓电耦合到地面；一包含第二复数个齿的第一偏垫，所述第一偏垫耦合到一第一直流电压源，当所述框架不旋转时所述第一和所述第二复数个齿互相交叉；一在所述第二层顶上的第三层，所述第三层包含所述电绝缘材料；一在所述第三层顶上的第四层，所述第四层包含一包含从所述镜面的一个或一个以上边缘延伸出的第三复数个齿的镜面，所述镜面通过一第二扭转铰链耦合到一第二锚栓以绕一第二轴旋转，所述第二锚栓电耦合到地面，所述第二锚栓安装到所述第三层顶上的框架上；一包含第四复数个齿的第二偏垫，所述第二偏垫耦合到一第二直流电压源，当所述镜面不旋转时，所述第三和所述第四复数个齿互相交叉；一包含第五复数个齿的第一驱动垫，所述第一驱动垫耦合到一第一交流电压源，当所述镜面不旋转时所述第三和所述第五复数个齿互相交叉；一包含第六复数个齿的第二驱动垫，所述第二驱动垫耦合到一第二交流电压源，当所述镜面绕所述第二轴旋转时所述第一和所述第六复数个齿互相交叉；其中所述第一与所述第二复数个齿之间的一第一稳定电压差将所述结构绕所述第一轴的所述固有频率改变成至少近似等于一应用绕所述第一轴的一第一扫描频率；所述第三与所述第四复数个齿之间的一第二稳定电压差将所述结构绕所述第二轴的所述固有频率改变成至少近似等于所述应用绕所述第二轴的一第二扫描频率；所述第一扫描频率下的所述第三与所述第五复数个齿之间的一第一振荡电压差使所述扫描镜绕所述第二轴振荡；和所述第二扫描频率下的所述第一与所述第六复数个齿之间的一第二振荡电压差使所述扫描镜绕所述第一轴振荡。
44.一种用于控制一MEMS结构的方法，所述MEMS结构具有一安装在一可旋转框架上的可旋转元件，所述方法包含判定在所述可旋转元件的一第一电极与一第二电极之间的一第一直流电压差，所述第一直流电压差引起所述结构绕一第二轴的一第一固有频率至少近似等于一应用绕所述第二轴的一第一扫描频率；判定在所述可旋转框架的一第三电极与一第四电极之间的一第二直流电压差，所述第二直流电压差引起所述结构绕一第一轴的一第二固有频率至少近似等于所述应用绕所述第一轴的一第二扫描频率；记录所述第一和所述第二直流电压差以用于所述应用；和记录所述第一扫描频率作为所述可旋转元件的一第五电极与所述第二电极之间的一第一交流电压差的一第一驱动频率以用于所述应用，所述第一交流电压差引起所述移动元件绕所述第二轴振荡；和记录所述第二扫描频率作为所述可旋转框架的一第六电极与所述第四电极之间的一第二交流电压差的一第二驱动频率以用于所述应用，所述第二交流电压差引起所述可旋转框架绕所述第一轴振荡。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述判定所述第一直流电压差包含将一第一直流偏压施加到所述第一电极；将所述可旋转元件的所述第二电极接地；和调整所述第一直流偏压的一振幅，直到所述第一固有频率至少近似等于所述第一扫描频率。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述判定所述第二直流电压差包含将一第二直流偏压施加到所述第三电极；将所述可旋转框架的第四电极接地；和调整所述第二直流偏压的一振幅，直到所述第二固有频率至少近似等于所述第二扫描频率。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述记录所述第一和所述第二直流电压差包含将所述第一直流偏压和所述第二直流偏压编程到一控制器中以用于操作所述MEMS结构。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述记录所述第一和所述第二扫描频率包含将所述第一和所述第二扫描频率编程到所述控制器中。
49.根据权利要求44所述的方法，其进一步包含将所述第二电极接地；将所述第一直流偏压施加到所述第一电极以引起所述第一直流电压差；在所述第一扫描频率下将一第一交流驱动电压施加到所述第五电极以引起所述第一交流电压差；将所述第四电极接地；将所述第二直流偏压施加到所述第三电极以引起所述第二直流电压差；和在所述第二扫描频率下将一第二交流驱动电压施加到所述第六电极以引起所述第二交流电压差。
50.一种用于控制一MEMS结构的方法，所述MEMS结构具有一安装在一可旋转框架上的可旋转元件，所述方法包含在所述可旋转元件的一第一电极与一第二电极之间施加一第一直流电压差，所述第一直流电压差引起所述结构绕一第一轴的一第一固有频率至少近似等于一应用绕所述第一轴的一第一理想扫描频率；在所述可旋转框架的一第三电极与一第四电极之间施加一第二直流电压差，所述第二直流电压差引起所述结构绕一第二轴的一第二固有频率至少近似等于所述应用绕所述第二轴的一第二理想扫描频率；在所述第一理想扫描频率下在所述可旋转元件的一第五电极与所述第二电极之间施加一第一交流电压差，所述第一交流电压差引起所述可旋转元件绕所述第一轴振荡；和在所述第二理想扫描频率下在所述可旋转框架的一第六电极与所述第四电极之间施加一第二交流电压差，所述第二交流电压差引起所述可旋转元件绕所述第二轴振荡。
51.根据权利要求50所述的方法，其进一步包含测量所述可旋转元件绕所述第一轴的一第一扫描频率和一第一扫描角度；将所述经测量的第一扫描频率和所述经测量的第一扫描角度与所述第一理想扫描频率和一第一理想扫描角度相比较；和调整所述第一直流电压差的所述振幅以将所述第一固有频率改变成至少近似等于所述第一理想扫描频率。
52.根据权利要求51所述的方法，其进一步包含调整所述第一交流电压差的一振幅、一频率和一垂直偏移中的至少一个以改变所述可旋转元件的所述第一扫描频率、所述第一扫描角度和一第一中间扫描位置中的至少一个。
53.根据权利要求51所述的方法，其进一步包含测量所述可旋转框架绕所述第二轴的一第二扫描频率和一第二扫描角度；将所述经测量的第二扫描频率和所述经测量的第二扫描角度与所述第二理想扫描频率和一第二理想扫描角度相比较；和调整所述第二直流电压差的所述振幅以将所述第二固有频率改变成至少近似等于所述第二理想扫描频率。
54.根据权利要求53所述的方法，其进一步包含调整所述第二交流电压差的一振幅、一频率和一垂直偏移中的至少一个以改变所述可旋转元件的所述第二扫描频率、所述第二扫描角度和一第二中间扫描位置中的至少一个。
55.根据权利要求50所述的方法，其中所述施加所述第一直流电压差包含将一直流偏压施加到所述第一电极；和将所述第二电极接地。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述施加所述第一交流电压差包含将一交流电压施加到所述第五电极。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述施加所述第二直流电压差包含将一直流偏压施加到所述第三电极；和将所述第四电极接地。
58.根据权利要求57所述的方法，其中所述施加所述第二交流电压差包含将一交流偏压施加到所述第六电极。
全文摘要
在本发明的一个实施例中，一MEMS结构包括一第一电极、一第二电极和一移动元件。所述第一电极耦合到一第一电压源。所述第二电极耦合到一第二电压源。所述移动元件包括一耦合到一第三电压源的第三电极。所述第一电极与所述第三电极之间的一稳定电压差用以将所述结构的固有频率(natural frequency)调谐到一应用的扫描频率。在所述应用的扫描频率下，在所述第二电极与所述第三电极之间的一振荡电压差用以使所述移动元件振荡。在一个实施例中，所述移动元件为一镜面。
文档编号G02B6/35GK1739053SQ200380108793
公开日2006年2月22日 申请日期2003年11月10日 优先权日2002年11月22日
发明者傅冶中, 郭廷栋 申请人:先进奈米系统公司