具有可拉伸回复力件的微加工反射器的制作方法

专利名称：具有可拉伸回复力件的微加工反射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于光学转换、操控和扫描系统的微加工反射器，更具体地是涉及用于光学数据跟踪、储存和检索系统的微加工反射器。
静电拉入是一种限制静电驱动可偏斜微加工装置的工作范围的现象。通常，拉入现象发生在非线性静电驱动胜过装置的机械悬挂能力而实现与静电力平衡时。在一扭转反射器中，诸如是1999年1月13日提交的待批美国专利申请No.09/231,317中所描述类型的，静电驱动会造成反射器片绕扭转铰链悬架所限定的轴线转动。当由两个扭转铰链所提供的回复扭力与由驱动电极所提供的静电吸引扭力相平衡时，可实现平衡角偏斜。扭转铰链悬架可提供与反射器片的转动角度成比例的回复扭力。然而，当驱动电极与接地反射器片之间的分离因反射器片转动而减小时，静电扭力会非线性地增大。在某些角偏斜值下，静电扭力会变得大于铰链的线性回复扭力所能平衡的扭力。在此拉入角度下，反射器片的外周边会自发地横穿静电间隙的其余部分而偏斜，从而将反射器的有用角度工作范围限制成小于会导致拉入现象的角度。
静电拉入问题已在若干出版物中提出和分析过。例如，Seeger和Crary在1997年6月的变换器‘97会刊(伊利诺伊州芝加哥)第1133-1136页的《静电驱动机械装置的稳定》中提出一种在平移静电致动器中防止发生拉入现象的方法。它们的方法是将一反馈电容器与装置串联，它实质上是修改了系统对在可动片朝驱动电极驱动时不存在不稳定工作点的位置的势能函数。虽然该方法可用于扭转静电装置的稳定工作范围，但却不适当地导致了必须显著增大驱动电压以给反馈电容器充电。
平移微加工反射器的静电拉入问题在1997年9月的SPIE会刊(德克萨斯州奥斯丁)的第3226栏中Burns和Bright的《静电驱动微反射器的稳定偏斜的非线性挠曲》中进行过讨论。在该文献中，提出了用于具有非线性偏斜性能的挠曲的论点。然而，并没有提出可提供非线性性能的设计。相反，揭示了一种用于复合挠曲的设计，该复合挠曲包括一主挠曲和一副挠曲，其中在主挠曲的一定偏斜以外，副挠曲所提供的回复力额外与主挠曲的回复力相组合。这样，该挠曲设计是分段的线性，而不是真正的非线性。
平移和扭转静电驱动微加工装置的悬挂装置通常模拟为细梁或薄膜。对于较小的偏斜和转动，这些结构可表现为线性。因此，作用于结构上的载荷与其偏斜成比例，比例常数等于具体对该变形方向的弹簧常数。对于较大的偏斜或转动，这些结构就不再线性响应于所施加的载荷了。非线性的形式大部分取决于悬架几何结构的细节，但通常呈现这样一种关系，它基本上是小偏斜线性项与一立方项的重叠，该立方项对于较大的偏斜和转动来说占主导地位。在Jerman的《微加工起皱硅隔膜的制造和使用》，传感器和致动器，A21-A23(1990)第988-992页中以及在授予Jerman的名为“使用起皱支承件的半导体变换器或致动器”的美国专利No.5,116,457中，给出了这种关系的一个实例，其中使用薄膜来支承微加工结构的中央突起部分。然而，在这些文献中，Jerman没有在生产上使用这些隔膜的非线性偏斜特性。
需要一种改进的微结构反射器组件，它具有与反射器的偏斜角一起非线性增大的回复扭力，用以补偿反射器组件的非线性静电装置驱动力。这种反射器组件可较佳地增大拉入角，从而增加反射器的有效偏斜范围。
为便于进一步理解本发明的目的和优点，必须结合附图参看以下的详细描述，附图中相同的部分用相同的标号表示。图8-12和16所示的垂直尺度被夸大，以便于理解附图。


图1-3故意被省去。
图4是本发明磁光储存系统的一较佳实施例的稍带示意性的俯视图。
图5是图4的磁光储存系统的磁光系统滑动头的立体图，它上面安装有可操控微加工反射器组件的一实施例。
图6是图5的磁光系统滑动头的剖视图。
图7是图5的磁光系统滑动头沿图6的7-7线剖开的放大剖视图。
图8是适合与图5的光学头一起使用的微加工反射器组件的另一实施例的立体图。
图9是图8的微加工反射器组件沿图8的9-9线截取的一部分的俯视图。
图10是图8的微加工反射器组件的一部分的局部切去的立体图。
图11是本发明的微加工反射器组件的一实施例与一未拴系的微加工反射器组件相比，其驱动电压对偏斜角度的由分析得出的曲线图。
图12是对于一拴系的和未拴系的微加工反射器组件，图11的驱动电压数据的平方对偏斜角度的由分析得出的曲线图。
图13是对于本发明的微加工反射器组件的另一实施例，其驱动电压对偏斜角度的由分析得出的曲线图。
图14是图8的微加工反射器组件的线性和非线性悬挂件的一部分的放大图。
图15是表示图11和13中所分析的微加工反射器组件的实施例的线性和非线性悬挂件的由分析得出的尺寸的表。
图16是图11和13中所分析的微加工反射器组件的实施例的线性和非线性悬挂件的角偏斜作为所施加力矩的一个函数，由分析得出的曲线图。
图17是图8的微加工反射器组件的一部分沿图9的17-17线剖开的剖视图。
图18是图17的该部分微加工反射器组件处于偏斜状态的剖视图。
下面详细参见附图，附图中相同的部分用相同的标号表示，在图4可看到一表示磁光数据储存和检索系统的图。在一较佳实施例中，磁光(MO)数据储存和检索系统100包括一组温彻斯特型飞行头106，它们适合与一组双面磁光盘107一起使用，每个飞行头用于一个磁光盘表面。磁光盘107可旋转地由一支承体108支承成叠状，为简化起见，图4中仅示出一个盘。在一较佳实施例中，成叠地设置有一组六个盘107。盘107的每个面具有一平面的储存表面109，该表面上具有许多同心设置的数据磁道110。为简化起见，图4中仅示出几条数据磁道110，并相对于盘107的尺寸经放大，以便看清楚。
该组飞行头或飞行磁光头106通过一致动器臂105连接于一旋转致动器磁体和线圈组件120，从而设置在磁光盘107的各平坦的储存表面109上方。每个致动器臂105具有一可枢转地安装于支承体108上的刚性近端105a，从而允许一远端或柔性悬架105b在图4中实线所示的一第一位置与图4中虚线所示的一与第一位置隔开的第二位置之间枢转。应予理解，图4中所示的两个位置仅仅是示例性的，臂105可以相对于支承体108移动到任意个其它位置。飞行磁体106安装于臂105的悬架105b。
在工作中，该组磁光盘107由一主轴电机195转动，从而在该组飞行磁光头106之间产生气动提升力，并将该组飞行磁光头106保持于一与各储存表面109相邻的飞行状态。更具体地说，每个飞行头位于该组磁光盘107的各上表面或下表面109上方小于或等于约15微英寸处。该提升力由该组悬架105b所施加的相等和相反的弹簧力来对抗。在不工作时，该组飞行头106静止地保持于一离开该组磁光盘107的表面的储放状态或位置(未示出)。
系统100还包括安装在支承体108上的一激光光学组件101和一光学开关104以及臂105所带的一组单模偏振保持(PM)光学元件或光纤102。光纤102包括在由臂105的悬架105b所携带的光发射器和接受器中。在示例性的实施例中，该组单模偏振保持光纤102各具有一连接于光学开关104的近端102a和一分别通过该组致动器臂105和悬架105b中相应的一个而连接于该组飞行头106中相应的一个的远端，用于在支承体108与飞行头106之间传送激光束191、192。组件101具有一合适的激光源111，诸如线性偏振激光源，它最好是一法布里珀罗(Fabry-Perot)或分布式反馈(DFB)激光源，用于产生出射激光束。激光源111选定为在635-685毫微米的范围内工作，但也可使用其它波长的激光源。光学开关104、飞行头106组和单模偏振保持光纤102组的用法描述于1997年4月18日提交的、经普通转让的美国专利申请No.08/844,208中，该专利的整个内容援引在此供参考。光学开关104通过电线113电气连接于一控制器112，用于对光学开关提供电气指令信号。控制器112通过电线114电气连接于光学开关104。
每个飞行头106包括一滑动件本体244、一空气支承表面247、一四分之一波片251、一表面微加工可操控发射器组件(μMM)200、目标光学元件246、一磁性线圈260和一磁轭262(见图2-4)。飞行头106和滑动件本体244的尺寸制成可容纳目标光学元件246、单模偏振保持光纤102和反射基底或反射器组件200之间的工作距离。虽然滑动件本体244可包括工业标准“小型”、“微型”、“毫微型”或“微微型”滑动件，但也可以使用其它尺寸的滑动件本体244，由与飞行磁光头106一起使用的元件的上述尺寸限制所确定的。因此，在较佳实施例中，滑动件本体244包括一小型滑动件高度(889微米)和一与毫微型滑动件的足印面积(1600×2032微米)相当的平面足印面积。
单模偏振保持光纤102沿一轴向切口243连接于滑动件本体244，目标光学元件246沿一竖直转角切口211连接于滑动件本体244。虽然在较佳实施例中，轴向切口243沿滑动件本体的一个边缘而设置，竖直切口211设置在滑动件本体244的一个转角处，但轴向切口243和竖直切口211也可设置在飞行头106上的其它位置处，例如设置在该边缘与一中心轴线之间或沿本身的中心轴线而设置。本技术领域的技术人员可以认识到，不是沿中心轴线、而是将光纤102和目标光学元件246设置在其它位置，也可以起作用而影响磁光头106的重心，从而影响其飞行动力学特性。因此，飞行磁光头106连接悬架的点可能需要调节，以补偿磁光头106的重心的偏心变化。较佳的是，切口243和211可以设计成沟槽、v形槽或任何其它合适的结构，用于将单模光纤102和目标光学元件246连接和对准于飞行头106。
反射器组件200在图5中表示为连接于滑动件本体244。如下面详细讨论的，反射器组件200包括一小反射镜面220，它在图5中表示为位于反射器组件200的可见侧的背侧，因而是用虚线表示。在较佳实施例中，出射激光束191和入射或返回激光束192穿过一光路而到达和离开磁光盘107的表面109上的表面记录层249，该光路包括单模偏振保持光纤102、反射器组件200、四分之一波片251和目标光学元件246。出射激光束191作为一高斯束从光纤远端102b射出。
在写信息的过程中，出射激光束191由光学开关104选择性地经一定路线发送到磁光盘107，以通过将一选定的目标点248基本加热到记录/储存层249的居里点，从而降低记录/储存层249的矫顽性。较佳的是，出射激光束191的光强保持恒定，同时由线圈260产生一随时间变化的竖直偏置磁场，以限定一垂直于磁光盘107的“上”或“下”形式的磁畴。该技术称为磁场调制(MFM)。而后，随着选定目标点248的冷却，信息以代码记录于各旋转盘107的记录/储存层249内。
在读取信息的过程中，出射激光束191(光强与写过程相比较小)选择性地经一定路线发送到磁光盘107，使得在任何给定的目标点248，克尔效应(在出射激光束191从记录/储存层249反射出来后)使一反射的激光束192具有一顺时针或逆时针方向的旋转偏振，该方向取决于目标点248处的磁畴极性。
上述的光路实质上是双向的。因此，反射激光束192通过飞行头106接收，并进入单模偏振保持光纤102的远端102b。反射激光束192沿单模偏振保持光纤102传播而从其近端102a射出，并由光开关104选择性地经一定路线发送传递至激光光学元件组件101，用于随后转换成电信号。
微加工反射器组件或反射器组件200可以是1998年11月13日提交的待批美国专利申请No.09/192,006[文档号A-66166-1]揭示的那种类型，其整个内容援引在此供参考。反射器组件200的尺寸和形状类似于一半导体芯片，具有微米尺寸。反射器组件200具有第一和第二端或端部200a和200b，并具有形成端部200a和200b端面的第一和第二平行的侧面296和297以及延伸于端部200a和200b之间的第三和第四平行的侧面298和299(见图8)。这里，第一端部200a称作工作区域200a，第二端部称作滑动件连接区域200b。反射器组件200在侧面296和297之间的长度可以是500到3000微米，最好约为1850微米，其在侧面298和299之间的宽度可以是300到1000微米，最好约为650微米，其在顶面和底面之间的高度可以是75到600微米，最好约为175微米。
反射器组件200具有一平坦的基部301。平面反射器220平行于该平基部301并与其隔开，它具有第一和第二端部220a和220b以及一延伸于这两个端部之间的中心纵轴线303(见图8-10)。纵轴线303延伸通过反射器220的中心并垂直于反射器组件200的纵轴线。反射器还包括对称地设置在纵向或旋转轴线303上的第一和第二半部。
第一和第二扭转件306和307分别固定于反射器220的第一和第二端部220a和220b。扭转件或铰链件306和307沿纵轴线303延伸，并允许反射器220相对于平基部301绕纵轴线303在第一和第二偏斜位置之间摇动。当反射器220在其第一和第二偏斜位置之间移动时，它通过其原在或平面位置，如图8-10中所示。如下面将更详细讨论的，反射器组件200中包括有固定装置，用于将第一和第二铰链件或铰链306和307固定于平基部301。
平基部301具有一第一或基底层311，它用作反射器组件200的层状结构的刚性支承。基底311呈平行六面体状。基底311的长度和宽度限定反射器组件200的长度和宽度，其厚度为75到600微米，最好约为175微米。相对较厚的基底可以由任何合适的材料形成，诸如硅、石英和其它相对较高温度的玻璃，在一较佳实施例中，基底311由N型硅形成晶片状。
基底311上覆盖有一个由至少一层介电材料形成的层，它包括于平基部301中(见图10)。在反射器组件200的一较佳实施例中，介电层314是一层压物，它包括一设置在基底311顶部的二氧化硅薄层316和一覆盖二氧化硅层316的、由任何合适的抗酸蚀介电材料制成的薄层317，该抗酸蚀介电材料最好是一耐氢氟酸介电材料，诸如氮化硅。二氧化硅层316的厚度为300到500毫微米，最好约为300毫微米。氮化硅层317的厚度为200到300毫微米，最好约250毫微米。介电层314也可以单由一层氮化硅构成。在反射器组件200的其它实施例中，介电层314可由一或多个任何其它合适介电材料的层构成。
在介电层314的顶部设置有一由任何合适的导电材料、诸如多晶硅制成的图案层319(见图10)。平坦的多晶硅层319的厚度为100到300毫微米，最好约为250毫微米。图案层319中有间隔，尤其用以形成第一和第二驱动电极322和323，它们在最终反射器组件200中位于反射器220下方并与其隔开。第一和第二电极322和323在俯视图中合起来的形状为八边形，并近似于反射器220的八边形。驱动电极322和323的合起来的八边形形状小于反射器220的八边形。在平基部301上由多晶硅层319形成第一和第二导电盘331和332以及第一和第二导电迹线333和334。第一电迹线333从第一导电盘331延伸到第一驱动电极322，第二电迹线从第二导电盘332延伸到第二驱动电极323。在第一和第二导电盘331和332之间由多晶硅层319形成一第三导电盘336。
反射器220的工作区域200a包括一反射器平台341，它由位于平基部301上方并与其隔开和平行的材料上层342形成(见图8-10)。第一和第二铰链306和307也由片层342形成，其一端均固定于反射器平台341，其另一端均固定于框架346的内缘。由上层342形成的边缘部分或框架346围绕反射器平台341而延伸。框架346设置在工作区域200a中，它具有延伸通过其中的、基本呈C形的第一和第二孔347和348，用于形成反射器平台341以及第一和第二铰链306和307。更具体地说，孔347和348的形状类似括号。孔347和348绕中心纵轴线303对称地设置。上层342由任何合适的导电材料制成，诸如多晶硅，其厚度为1.5到2.5微米，最好约为2.0微米。框架346垂直于反射器轴线303而测量的长度为400到700微米，最好约为580微米，其宽度为400到650微米，最好约为650微米。
导电反射器平台341用作一额外的或接地电极，它在俯视图中的形状大致呈椭圆形，更具体地说是呈八边形。反射器平台341和反射器220的细长八边形至少与图9中虚线所示的、在反射器220于激光束191、192路线中设置成45°时所产生的区域一样大。反射器平台沿中心纵轴线303在其中心处的长度为170到250微米，最好约为220微米，在其中心处垂直于纵轴线303延伸的宽度为140到200微米，最好约为170微米。第一和第二铰链306和307沿纵轴线303测量的长度为15到60微米，最好约为50微米，其宽度为1到8微米，最好约为3微米。
在片层342和平基部301的图案部分之间设置有至少一个图案层，它由任何合适的牺牲材料制成，诸如磷硅玻璃(PSG)。这种磷硅玻璃或分隔层356设置在层319的顶部，其厚度为8到13微米，最好约为10微米。在反射器平台341和一部分框架346的下方的磷硅玻璃层356被去掉，以在反射器组件200内提供一空间或腔室358(见图10)。腔室358延伸到多晶硅层319和平基部301在这些区域中的暴露部分。这样，反射器平台341与介电层314隔开，并在第一和第二驱动电极322和323上方与其隔开。驱动电极暴露于反射器平台341的底部。
反射器组件200中包括用于将框架346以及使框架346和反射器平台341相互连接的第一和第二铰链306和307固定于平基部301的装置。为此，有多个杆柱361垂直延伸于框架的下侧与平基部之间，用于将片层342固定于平基部301。图10中示出了这种杆柱361中的一根。各杆柱361由任何合适的材料制成，在所示的实施例中是由一导电材料制成。更具体地说，杆柱361由多晶硅制成，并固定于片层342。每根杆柱361搁置于由多晶硅层319形成的一搁置盘362上，并通过一导电迹线363电气连接于接地导电盘336，该迹线也由多晶硅层319形成。接地迹线363的第一和第二部分363a和363b分别沿第一和第二驱动电极322和323的外侧的长度而延伸。迹线363的一第三部分363c垂直延伸于部分363a和363b之间，并与驱动电极322和323的第二底部322b和323b相邻。将框架346固定或定位于平基部301的装置还包括多个延伸于片层342与平基部301之间的壁状件或壁371(图8和10)。壁371均由任何合适的材料制成，诸如导电材料。更具体地说，壁371由多晶硅制成，并固定于片层342。每个壁座落于多晶硅层319的一图案部分上。
片层342和壁371还用于形成多个接触平台381、382和383，分别用于对各导电或互连盘331、332和336提供电信号。通过任何合适的方法在平台381-383的顶部涂覆一至少为一种导电材料的薄层，以分别在上面提供第一和第二接触盘391和392以及接地接触盘393。每个这样的接触或焊接盘最好由一设置在片层342上的、厚度约为10毫微米的铬薄层以及一设置在该铬层顶部的、厚度约为500毫微米的较厚金层构成。接地接触盘393用于使反射器平台341接地。
在反射器平台341的顶部设置或覆以一薄层396，用于提供一光学特性表面。薄层396由一或多个薄层材料构成，它们相组合而在激光波长下产生高反射率。具体地说，薄层396包括一厚度约为5毫微米的铬薄层，它通过任何合适的方法覆于反射器平台341的顶部。薄层396中还包括一厚度约为100毫微米的较厚的金层，它通过任何合适的方法覆于铬层的顶部。
反射器组件200的滑动件连接区域200b占据了反射器组件200的约一半(见图8)。滑动件连接区域具有一纵向和横向排齐的槽或永久沟槽397的格栅，以提供多个高台或凸台398。片层342的另一部分或其余部分399形成凸台398的顶面，壁371形成凸台的侧面。凸台398从俯视图看均制成合适的形状和尺寸，并在所示的实施例中呈方形，其尺寸约为150微米×150微米。
反射器平台341的底部固定有多个肋条411，用于为反射器220提供刚性。肋条411由任何合适的材料制成，最好是由形成杆柱361和壁371的相同的导电材料制成。因此，肋条411由多晶硅制成。肋条411垂直于平台341的底部而朝平基部301延伸，并最好在反射器平台341与平基部301之间至少延伸一半距离。围绕八边形的反射器平台341的整个周边延伸有一周边肋条411。在周边肋条411内可选择地设置有一或多个额外的肋条。在反射器组件200的一较佳实施例中，另外还设置有交叉的内部肋条411，这种类型的肋条揭示和描述于1998年11月13日提交的待批美国专利申请No.09/192,006[文档号A-66166-1]中。反射器平台341的底面与第一和第二驱动电极322和323的顶面隔开一段4到12微米、最好约为10微米的距离，以在肋条411与电极322和323之间提供一个气隙。每个肋条411的宽度为2到6微米，最好约为4微米，深度为4到8微米，最好约为6微米。
反射器组件200具有提供机械回复力的装置，包括线性和非线性悬架429，该回复力响应于第一和第二驱动电极322和323所提供的静电力。悬架429的线性装置或构件包括第一和第二扭转铰链306和307，用于对这种机械回复力提供一个分量，它随第一和第二铰链306和307以及反射器220的偏斜角一起线性增大。悬架429还包括一非线性装置或悬架，它是一种可提供随第一和第二铰链306和307以及反射器220的偏斜角一起线性增大的回复力的任何类型的悬架。为此，第一和第二扭转铰链306和307中至少一个固定有一第一和第二系链件431和432。更具体地说，第一和第二扭转铰链306和307最好各固定有一组第一和第二可拉伸的或系链件或系链431和432(见图9和10)。回复扭力的非线性分量相对于线性分量的大小基本上是系链件431和432的长度、宽度和厚度的一个函数。
每个挠曲件或系链431和432最好与片层342形成一体。这样，每个细长系链431和432的外端433连接于框架346。通过这种方式，框架346包括于反射器组件200的用于将各系链431和432固定于平基部301的装置之中。每个细长系链431和432的相对的内端434分别连接于各铰链306和307。如图9和10中最清楚表示的，每个扭转铰链306和307形成有一细长部分441，它沿纵轴线303延伸于反射器平台341与框架346之间，并可选择地形成有一与细长部分441形成一体并横穿它而延伸的凸缘部分或凸缘442。凸缘442具有一朝外与细长部分441隔开的第一端442a和一朝外与细长部分隔开并与第一端442a相对的第二端442b。第一系链431的内端434固定于凸缘442的第一端442a，第二系链432的内端434固定于凸缘的第二端442b。由于形成这样，凸缘442以及固定于它的第一和第二系链431和432沿一条横穿细长部分441、最好是垂直于细长部分441和纵轴线而设置的轴线或线延伸。
每个凸缘442的尺寸和形状制成基本上成刚性，因而在反射器220绕纵轴线303枢转的过程中不会相对于细长部分441而弯曲。每个基本为刚性的凸缘442最好具有平行六面体的形状，更具体地说，从细长部分441的一侧测量的一半长度为20到100微米，平行于轴线303测量的宽度为4到8微米，从片层342的上表面朝下延伸测量的深度为4到10微米。凸缘442最好与反射器平台341隔开一段4到10微米的距离，更好是一段约5微米的距离。细长部分441在凸缘442与框架346之间部分的横截面尺寸和形状可以不同于细长部分441在凸缘442与反射器平台341之间部分的横截面尺寸和形状。每个系链431和432的垂直于纵轴线303而测量的长度为40到100微米，宽度大致对应于或窄于凸缘442的宽度，深度为0.2到1.0微米。系链的横截面形状使其具有弹性，并可沿它们长度的至少一部分而弯曲，最好是沿它们的整个长度而弯曲。
虽然悬架429的第一和第二系链431和432表示为连接于第一和第二扭转铰链306和307，但应予理解，也可以提供一个具有一单组仅连接于一个铰链306或307的系链431和432的悬架429。或者，可以提供第一和第二系链，一根连接于第一铰链306，另一根连接于第二铰链307，并相对于纵轴线303沿相反方向平行于第一系链而延伸。或者，可以提供其它结构的系链，用以调节或限制反射器220绕纵轴线303的枢转运动。还应予理解，可以提供一或多根系链，没有凸缘，它们与铰链306或307的细长部分441连接成一体或以其它方式直接固定于细长部分，这也在本发明的范围之内。在有或没有扭转铰链存在的情况下提供非线性回复扭力的、用诸如系链之类的挠曲件、包括用不一定要垂直于反射器纵轴线而展开的系链来悬挂反射器220的其它结构，也落在本发明的范围之内。例如，可以提供一或多个系链状件，用于将反射器220可枢转地固定于框架346和对反射器提供非线性回复力。在这种结构的一个实施例中，可以提供四个这样的挠曲或系链件，这些系链相对于轴线303而对称设置，每个这样的系链相对于轴线303以45°或其它倾斜角延伸。
导出以下的公式，以便更好地理解作为反射器220绕纵轴线303的偏斜角的一个函数的第一和第二驱动电极322和323的驱动电压之间的关系，从而提供一反射器组件200，它具有一带有非线性力构件的悬架。悬架429的旋转角θ与在反射器220端侧处所施加的扭力Ts成以下形式
Ts=k1θ+k3θ3(1)式中，k1是悬架429的线性旋转弹簧常数，k3是悬架429的立方弹簧常数。θ是以弧度为单位，例如，2度约等于0.035弧度。在形成反射器220的角偏斜时，Ts与通过在驱动电极322和323的任一侧施加电压V所产生的静电扭力T。相平衡。假定反射器220相对较为刚硬，反射器的角偏斜相当于公式(1)中的θ。静电扭力由以下公式表示Te=V22∂C∂θ----(2)]]>式中，C是反射器220与驱动电极322和323之间的电容。这种结构的电容通常是电极间的初始气隙g、驱动电极宽度b/2、驱动电极长度a、偏斜角度、反射器220的具体几何结构以及自由空间介电常数ε0的一个非线性函数。当反射器220的几何结构相对较复杂时，对于任何给定的反射器几何结构，可以用有限元法来确定作为偏斜角度的一个函数的电容。然而，对于长度等于驱动电极322和323长度、半宽度等于驱动电极宽度的平矩形反射器片平台341的简单场合，可获得电容的闭型关系。对于假定仅经历旋转运动、反射器片220不会因从电极322和323施加电压而发生平移的这种装置，电容由以下公式表示C=-ϵ0αθ1n(1-bθ2g)----(3)]]>通过有限元法已分析出反射器220的电容能够曲线拟合于以下公式C=-Aϵ0αθ1n(1-Bbθ2g)----(4)]]>式中，A和B是拟合参数，它们取决于给定设计的反射器220的具体的肋条411和反射器平台341的几何结构。对于在1998年11月13日提交的待批美国专利申请No.09/192,006[文档号A-66166-1]中所描述的和其图10中所表示类型的一标准交叉肋条反射器，发现A和B分别对于0.8525和1.311。
在确定驱动电压V与反射器220的角度偏斜θ之间的关系时，可以用公式(3)和(4)来计算公式(2)的静电扭力Te。然后，可以用关系式Te=2Ts来使公式(2)与公式(1)相关。为求出驱动电压V，导出以下公式V=4θ(k1+k3θ2)ϵ0αA[1n(1-Bbθ2g)+Bbθ2g1-Bbθ2g]----(5)]]>关于公式(5)，由各扭转铰链306和307以及相应的系链431和432所提供的悬架429的设计问题需要设定k1和k3的相对大小，以在角度偏斜与驱动电压之间提供最有效的函数关系。反射器220的另一个设计约束是其谐振频率fres，它由以下公式表示fres=12πkIm----(6)]]>式中，k是扭转模式的有效弹簧常数，Im是反射器220的质量惯性矩。由于悬架429的固有非线性，该谐振频率将是偏斜角度θ的一个函数。然而，对于反射器角度位置所使用的伺服回路控制，就足以设计谐振频率，假定k=2k1，其中因数2也是考虑两个悬架429的存在，分别位于反射器平台341的两端。经过对多晶硅带交叉肋条的反射器进行的有限元分析确定，Im=5.36E-13kg mm2。对于30kHz的扭转谐振设计值，则将k1确定为0.0095mNmm(毫牛顿毫米)。
如果假定反射器220的拉入力产生在偏斜角约1.5度时，则由铰链306和307以及系链431和432形成的悬架429的设计方法需要确保公式(1)的立方项在1.5度的偏斜角时变得显著，从而防止拉入。在该角度下使立方项为线性项的20％要求k3应约为290乘k1。假如k1的值为上段中所得出的，则计算出k3为2.77mN mm。在该设计中，这里称作设计1，驱动电极322和323与平台341下表面之间的初始间隙假定约为10微米。对于具有上述k1和k3值、a=200微米并且b=140微米的带交叉肋条的反射器220，对公式(5)进行了计算，所得到的关系标于图11中。标绘于图11中相同轴上的是相同的关系，但k3=0，它表示没有系链431和432的悬架429的性能。从图11可以看出，随着k3=0的曲线的斜率趋向于零，拉入越来越成问题。从图11可以清楚，带系链的悬架429在偏斜角高达至少2度的情况下可更好地防止拉入。
设计1在角度偏斜与驱动电压之间给出了一种基本为二次的关系。假定光学数据储存系统中的伺服回路控制可以使用二次关系来校正反射器的角度位置，以纠正在磁道跟踪过程中的出轨位置误差，则这是一种非常有用的方法。在图12中，对图11中的相同电压数据进行平方，并相对于偏斜角度θ而进行标绘。注意，不带系链的反射器在约1度的偏斜时就开始显示出显著偏离于线性，而带系链的反射器则基本上保持线性，这可以通过将它与其最小二乘回归线相比较而看出。
在另一种设计中，这里称作设计2，使驱动电压V与角度偏斜θ之间的关系尽可能为线性。对于这种设计，我们假定反射器的谐振频率可以略有降低，而不会不利影响反射器位置的伺服回路控制。设计2的有利点进一步在于，反射器平台341下表面与第一和第二驱动电极322和323之间的初始间隙可减小到10微米以下。这种设计考虑可降低使反射器22绕纵轴线303枢转所必需的驱动电压V。允许稍低的谐振频率，可以使k1降低至例如0.0080mN mm。将k3设定为2500乘k1，也就是20.0mN mm，并将初始气隙减小至约7微米，在偏斜角高达至少2度的情况下，可提供接近所需的线性关系，如图13所示。图13中的虚线表示对1度偏斜角计算的公式(5)的斜率。对于这种计算，公式(5)的系数A和B假定与设计1的10微米初始间隙的情况相同。
为了确定对设计1和2给出k1和k3值的几何结构，用SDRC I-deas MasterSeries 6软件进行非线性有限元分析。可以变化而给出所需值的几何参数表示于图14中。图15的表给出该分析的k1和k3结果以及设计1和2所需的几何结构。尺寸单位是微米，弹簧常数单位为mN mm。取160 GPa的杨氏模量和0.3的泊松比，它们对于用于构制悬架的多晶硅片层342来说是常用的值。图15表示，所列出的几何结构能合理地适应于前面讨论中所指定的设计目标。
图16表示系链悬架设计的角度偏斜作为由第一和第二驱动电极322和323提供的静电力矩的一个函数的曲线。非线性有限元分析的结果与多项式曲线拟合一起标绘，这些拟合仅包括具有以上所列k1和k3系数的线性和立方项。曲线与有限元分析结果相匹配，这基本上准确地表明系链起公式(1)的作用的假设实际上是正确的。
反射器组件200的的制造方法描述于1998年11月13日提交的待批美国专利申请No.09/192,006[文档号A-66166-1]。如该申请中更充分描述的，第一和第二扭转铰链306和307的细长部分441由片层342形成。第一和第二系链431和432也可以由片层342形成。系链431和432的所需的深度或厚度可以通过在所需的系链位置利用蚀刻或其它方法将片层342的上部弄细掉而获得。或者，可以在系链431和432的位置将片层342完全蚀刻掉，并涂覆另外一任何合适材料、诸如片层342的多晶硅材料的层，经图案形成和蚀刻而形成系链。还有一种方法是，系链431和432可以由另外的一层氮化硅或低应力富硅氮化硅构成，该层经适当涂覆、形成图案和蚀刻而形成系链。凸缘442在片层342平面内的部分以与细长部分441相同的方式形成，而凸缘442靠于片层342下面的部分可以用与肋条411相同的方式形成。在反射器组件200的实施例中，诸如设计2，其中肋条411与平基部301之间的相对较小的间隙导致肋条411不良地接触平基部301，在平基部中可以蚀刻出或用其它方式形成合适深度和尺寸的沟槽(未示出)，以在反射器220绕纵轴线303运动时容纳肋条411。
各反射器组件200通过将反射器组件的滑动件连接区域200b粘附于滑动件本体444的倾斜表面202而连接于一飞行头100。如图2中最清楚表示的，其中可以看到基底311的底面，反射器组件200对准在滑动件本体444上，使反射器220在光纤102的端部102b与目标物体446之间反射激光束191、192。在所示的实施例中，反射器220相对于入射光束传播方向所限定的轴线通过一个约90°的角而反射激光束。较佳的是，激光束191、192均接触反射器220的中央。各反射器组件200可以在将其连接于飞行头106之前和/或之后进行测试。接触盘391-393通过相应的电线电气连接于控制器112，如图2中所示。
在系统100的操作和使用中，伺服控制器112的输出将控制电压施加于第一和第二驱动电极322和323中的一个，从而使反射器220绕铰链306和307沿相反的第一或第二方向在其第一和第二偏斜位置之间枢转。驱动电压通过第一和第二接触盘391和392输送给第一和第二电极322和323。最大驱动电压为100到200伏，更好是约为135伏。驱动电极322或323与通过基底接触盘393接地的相应反射器半部220c或220d之间的静电力使反射器220绕旋转轴线303枢转。
反射器220在从其原在位置朝其完全偏斜位置移动时，从其原在位置沿任一方向绕反射器轴线303通过0到2.5°、最好约为2°而枢转。控制器112以约19kHz的尼奎斯特速率对第一和第二驱动电极322和323提供驱动信号。反射器220的谐振频率为25到50kHz，最好为25到30kHz。反射器组件200在光纤102的远端102b与盘107的储存表面109之间反射激光束191、192，以允许在储存表面109的数据磁道110上进行信息的光学记录和/或读取。
反射器220在该转动过程中受悬架429的回复扭力的约束。如以上讨论的，悬架429包括一线性构件，诸如第一和第二扭转铰链306和307的细长部分441，以及一包括凸缘442和第一和第二系链431和432的非线性构件。如图17中所示，当反射器220处于其未偏斜位置时，系链431和432以及相应的凸缘442设置在片层342的平面内。当反射器220绕轴线303枢转时，系链431和432弯曲和伸长，从而限制反射器220枢转到一预定的角度以外(见图18)。基本为刚性的凸缘442在反射器运动过程中不会弯曲或拉伸。然而，系链内端434连接于凸缘442的第一和第二端442a和442b可增强系链431和432的弯曲和拉伸。更具体地说，由与枢转轴线303相隔开位置处的端部442a和442a的间隔造成的力矩臂使系链431和432的升降运动和弯曲运动比系链直接固定于铰链306和307的细长部分441场合下的更大。
系链431和432设计成，对于较小的角度偏斜，它们可提供一线性的回复力矩，该力矩加到但小于铰链306和307所提供的回复扭力。线性回复扭力由系链的弯曲来提供。随着反射器220角度偏斜的增大，系链受力拉伸而适应角度偏斜。系链的拉伸是非线性的，更具体地说，它是反射器偏斜角度的一个立方函数。通过这种方式，具有非线性构件的悬架429允许反射器220的稳定角度偏斜范围通过增大反射器的拉入角而增大。系链431和432连接于扭转铰链306和307可以在反射器绕纵轴线303的枢转过程中防止反射器220因系链的力而产生不希望有的弯曲。
细跟踪和短程查找一系列附近的磁道110可以通过绕旋转轴线303转动反射器220，使得出射激光束191的传播角在传递到目标光学元件246之前改变来实现。因此，反射器220使聚焦的光点248沿磁光盘107的径向方向移动，以便进行信息的储存和/或检索、磁道跟踪，并从一条数据磁道110查找到另一条数据磁道。粗跟踪可以通过调节一输送到旋转致动器磁体和线圈组件120的电流来维持(见图4)。用于跟踪磁光盘107的具体磁道110的磁道跟踪信号可以用在技术上众所周知的组合粗、细跟踪伺服技术导出。例如，可以用一采样扇区伺服格式来限定磁道。该伺服格式可包括刻入磁光盘107中的模压坑或类似于数据标记而读取的磁畴取向。
不管该组致动器臂105如何运动，都可以用本发明的一组反射器组件200来独立地操作进而实现磁道跟踪和查找，从而在任何给定时间用一个以上的磁光盘表面109来读和/或写信息。用一组同时工作的反射器组件200进行独立磁道跟踪和查找最好需要一组分离的各自的读取沟槽和细磁道电子线路以及反射器驱动线路。反射器组件200的较小尺寸和质量有利于将飞行头106设计成具有较小的质量和较小的外形。
这里所描述的光发射器和接收器可包括一由读和/或写头所携带的、紧靠反射器组件的激光源。在一个这样的实施例中，光发射器和接收器包括一激光源和一或多个合适的偏振感应检测器。这种系统可以也可以不需要光纤元件来将激光束传递到或离开反射器组件。
以上所描述的反射器组件可以用于除飞行磁光头以外的其它场合。例如，反射器组件220可以用于任何合适的光学记录和/或读取系统中。一个应用场合是使用物理记录方法(例如以物理凹坑或凹陷形式记录有数据的CD-ROMS，这些凹坑用于反射和调制入射光束的相位或强度)从介质检索光学信息。本发明的微加工反射器组件也可应用于从具有数据储存位置的介质检索光学数据，这些数据储存位置可在没有磁场的情况下提供光学相位调制。另外，这里所揭示的微加工反射器组件在需要较小可偏斜反射器的场合可用于数据记录和/或检索系统的外面。例如，反射器组件220可用于条形码扫描或电讯中的光学切换或其它领域。这里也可以想到具有两个以下驱动电极或没有驱动电极的反射器组件220，诸如用作传感器。
虽然以上的详细描述已经描述了本发明的微加工反射器组件的若干实施例，但应予理解，以上描述仅仅是示例性的，而并不限制所揭示的发明。可以理解，在本发明的范围和精神内，可以对本发明各构件的尺寸、形状和外观以及制造方法进行修改，或可以加入或去除不同的构件。就此而言，应予理解，使用任何反射器220的悬架，只要它包括一个乃是反射器偏斜角度的非线性函数的回复扭力构件，无论这种构件是连接于一个还是多个扭转铰链、连接于反射器本身还是它们的任何组合，均在本发明的范围之内。
由以上可以看出，提供了一种改进的微加工反射器组件，它具有一个随反射器偏斜角一起非线性增大的回复扭力，以基本补偿反射器组件的非线性静电驱动力。这种反射器组件增大拉入角，从而增大反射器的有效偏斜范围。在一个实施例中，该反射器组件具有一或多个系链，它们与固定于反射器的扭转铰链相连。这些系链在反射器枢转运动过程中拉伸，以对反射器提供非线性回复扭力。扭转铰链最好具有基本为刚性的凸缘，系链连接于这些凸缘。凸缘用于增强系链的拉伸。
权利要求
1．一种用于使一光束转向的微米尺寸的反射器组件，它包括一平基部；一与该平基部隔开并基本平行于该平基部而设置的平反射器，该平反射器具有第一和第二端部以及一延伸于第一和第二端部之间的纵轴线；沿该纵轴线延伸并分别连接于第一和第二端部、相对于平基部绕该纵轴线在第一和第二位置之间摇动的第一和第二扭转件；将第一和第二扭转件固定于平基部的装置；反射器至少一部分是由导电材料制成；由平基部所携带的、用于在第一和第二位置之间驱动反射器的、隔开的第一和第二电极；一相对于纵轴线而横向延伸的、固定于第一扭转件的系链件；以及将系链件固定于平基部的装置，以使该系链件可调节反射器的摇动。
2．如权利要求1所述的反射器组件，其特征在于，将第一和第二扭转件固定于平基部的装置和将系链件固定于平基部的装置包括一围绕反射器延伸的框架件，第一和第二扭转件以及系链件固定于该框架件，并且该框架件固定于平基部并与其隔开。
3．如权利要求1所述的反射器组件，其特征在于，该系链件具有一个长度，系链件的至少一部分沿该长度具有弹性，第一扭转件包括一沿纵轴线延伸的细长部分和一相对于该细长部分横向延伸的基本为刚性的凸缘部分，该凸缘部分具有一朝外与细长部分隔开的端部，系链件固定于凸缘部分的第一端，因而凸缘部分在反射器于第一和第二位置之间摇动过程中增强系链件的拉伸。
4．一种用于使一光束转向的微米尺寸的反射器组件，它包括一平基部；一与该平基部隔开并基本平行于该平基部而设置的平反射器，该平反射器具有第一和第二端部以及一延伸于第一和第二端部之间的纵轴线；沿该纵轴线延伸并分别连接于第一和第二端部、以允许反射器相对于平基部绕该纵轴线在第一和第二位置之间摇动的第一和第二扭转件；将第一和第二扭转件固定于平基部的装置；反射器至少一部分是由导电材料制成；由平基部所携带的、用于在第一和第二位置之间驱动反射器的、隔开的第一和第二电极；相对于纵轴线而横向延伸的、固定于第一和第二扭转件中至少一个的第一和第二系链件；以及将第一和第二系链件固定于平基部的装置，以使第一和第二系链件可调节反射器的摇动。
5．如权利要求4所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二系链件各具有一个长度，第一和第二系链件各至少一部分沿该长度具有弹性。
6．如权利要求4所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二扭转件中的至少一个包括一沿纵轴线延伸的细长部分和一相对于该细长部分横向延伸的基本为刚性的凸缘部分，该凸缘部分具有一朝外与细长部分隔开的第一端部，第一系链件固定于凸缘部分的第一端部，因而凸缘部分在反射器于第一和第二位置之间摇动过程中增强第一系链件的拉伸。
7．如权利要求6所述的反射器组件，其特征在于，该凸缘部分具有与第一端部相对的、朝外与细长部分隔开的第二端部，第二系链件固定于凸缘部分的该第二端部。
8．如权利要求6所述的反射器组件，其特征在于，该凸缘部分垂直于该细长部分而延伸。
9．如权利要求4所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二扭转件中的至少一个包括一沿纵轴线延伸的细长部分和一垂直于该细长部分延伸的基本为刚性的凸缘部分，该凸缘部分具有朝外与细长部分隔开的第一和第二端部，第一系链件固定于凸缘部分的第一端部，第二系链件固定于凸缘部分的第二端部，因而凸缘部分在反射器于第一和第二位置之间摇动过程中增强第一和第二系链件的拉伸。
10．如权利要求4所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二系链件固定于第一扭转件。
11．如权利要求10所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二系链件沿一相对于纵轴线而横向延伸的轴线延伸。
12．如权利要求11所述的反射器组件，其特征在于，第一和第二系链件沿一垂直于纵轴线而延伸的轴线延伸。
13．如权利要求10所述的反射器组件，其特征在于，它还包括另外的一组第一和第二系链件，该组另外的第一和第二系链件固定于第二扭转件。
14．一种用于使一光束转向的微米尺寸的反射器组件，它包括一平基部；一与该平基部隔开并基本平行于该平基部而设置的平反射器，该平反射器具有第一和第二端部以及一延伸于第一和第二端部之间的纵轴线；反射器至少一部分是由导电材料制成；至少一个相对于纵轴线而横向延伸的、固定于反射器的可拉伸件；将该可拉伸件固定于平基部的装置，以使该反射器可绕纵轴线在第一和第二位置之间摇动，并且该可拉伸件在反射器摇动过程中对反射器提供一非线性回复力。
15．如权利要求14的反射器组件，其特征在于，它还包括至少一个由平基部携带的、用于使反射器绕纵轴线摇动的电极。
16．如权利要求14的反射器组件，其特征在于，它还包括沿纵轴线延伸的、分别连接于第一和第二端部的第一和第二扭转件以及将第一和第二扭转件固定于平基部的装置。
17．如权利要求16的反射器组件，其特征在于，该可拉伸件通过扭转件中的一个而固定于反射器。
18．一种光学数据储存系统，它包括一支承体；一可旋转地安装于该支承体并具有一平储存表面的光学盘，该储存表面具有多个同心设置的数据磁道；一具有近端和远端的臂，臂的近端可枢转地安装于支承体上而使臂的远端可相对于储存表面在第一和第二位置之间枢转；一安装于臂远端上的、在光学盘于支承体上旋转过程中气动悬浮于储存表面附近的飞行光学头；由该臂携带的一发射激光束的光学发射器和接收器；以及由光学头携带的一微米尺寸的反射器组件，用于在光发射器和接收器与光学盘的储存表面之间反射激光束，以允许记录和/或读取储存表面的数据磁道上的信息，该反射器组件具有一平基部和一与该平基部隔开并基本平行于该平基部而设置的平反射器，该平反射器具有第一和第二端部以及一延伸于第一和第二端部之间的纵轴线，该反射器组件包括沿该纵轴线延伸并分别连接于第一和第二端部的第一和第二扭转件以及将第一和第二扭转件固定于平基部以使反射器可相对于平基部绕纵轴线在第一和第二位置之间摇动的装置，反射器至少一部分是由导电材料制成，该反射器组件具有由平基部所携带的、用于在第一和第二位置之间驱动反射器的、隔开的第一和第二电极，该反射器组件具有相对于纵轴线而横向延伸的、固定于第一和第二扭转件中至少一个的第一和第二系链件以及将第一和第二系链件固定于平基部以使第一和第二系链件可调节反射器摇动的装置。
19．如权利要求18所述的数据储存系统，其特征在于，第一扭转件包括一沿纵轴线延伸的细长部分和一垂直于细长部分延伸的基本为刚性的凸缘部分，该凸缘部分具有朝外与细长部分隔开的、相对的第一和第二端部，第一系链固定于凸缘部分的第一端部，第二系链固定于凸缘部分的第二端部，因而凸缘部分在反射器于第一和第二位置之间摇动过程中增强第一和第二系链件的拉伸。
20．如权利要求19所述的数据储存系统，其特征在于，第一和第二系链件固定于第一扭转件，并还包括另外的一组第一和第二系链件，该组另外的第一和第二系链件固定于第二扭转件。
全文摘要
一种用于使一光束转向的微米尺寸的反射器组件(200)。该反射器组件包括一平基部(301)和一与该平基部隔开并基本平行于该平基部而设置的平反射器(220)。该平反射器具有第一和第二端部(220a,220b)以及一延伸于第一和第二端部之间的纵轴线(303);第一和第二扭转件(306,307)沿该纵轴线延伸并分别连接于第一和第二端部,以允许反射器相对于平基部绕纵轴线在第一和第二位置之间摇动。第一和第二扭转件固定于平基部。反射器至少一部分是由导电材料制成。平基部携带有隔开的第一和第二电极(322,323),用于在第一和第二位置之间驱动反射器。相对于纵轴线而横向延伸有一系链件(431),它固定于第一扭转件并连接于平基部。该系链件调节反射器的摇动。
文档编号G02B7/182GK1325530SQ99812840
公开日2001年12月5日 申请日期1999年9月17日 优先权日1998年9月18日
发明者J·D·德雷克, J·H·杰曼, J·D·格雷德 申请人:西加特技术有限责任公司