利用三个驱动元件驱动双轴mems器件的方法和装置的制造方法
【专利说明】利用三个驱动元件驱动双轴MEMS器件的方法和装置
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 不适用
[0003] 关于发明是否属于联邦资助研究或开发项目的声明
[0004] 不适用
[0005] 涉及以光盘形式提交的"序列表"、表、或计算机程序列表附录
[0006] 不适用 [0007] 发明背景
[0008] 本发明涉及微机电系统（MEMS)器件的驱动，尤其涉及双轴尖端倾斜（tip-tilt) MEMS镜子的驱动。本发明可应用于静电驱动光开关，但不局限于此。
[0009] 利用四个驱动元件以静电驱动方式和磁驱动方式来驱动双轴尖端倾斜MEMS镜的 方案是众所周知的。四元件结构具有关于正交的尖端倾斜轴简明对称的优点，因此在倾斜 取向（orientation)和对各个驱动元件施加的电压或电流之间的变换函数是比较简明的。 通常的采用四个电极的驱动方法是对轴线同侧的成对电极加以驱动，以使其相对于轴线而 倾斜。
[0010] 为了实现对单个驱动元件的控制，各个元件都需要其自身的电压或电流供应线及 其相关的驱动电路。对于采用近距离分开的镜子的阵列的光开关的情形，采用大量的供应 线和驱动电路会限制系统的设计。由于封装的约束，随着阵列中MEMS器件数目的增大，则 这些供应线的布设成为对系统设计的挑战。而且，随着驱动电路数目的增大，由于需要大量 电子元件，所以系统的成本花费成比例增大。因此，需要这样一种方案，它能够减少驱动电 路和供应线的数目，从而减少相互连接问题和驱动问题。
【发明内容】
[0011] 根据本发明，提供了一种利用三个非接触驱动元件或电极来驱动双轴MEMS镜子 的方法和装置。差动双向镜控制利用偏置以适当值的三个激励驱动信号实现。利用变换函 数将双轴尖端倾斜指令映射变换（map)为用于选定电极取向和大小的三个激励驱动信号。
[0012] 这里提出的在静电驱动中利用三个电极的理论基础可应用于其它情形，包括双轴 尖端倾斜装置，其含有用于MEMS器件的电磁驱动器。因此，应当理解本发明披露的是，利用 三个电极来驱动双轴尖端倾斜装置。
[0013] 通过下面结合具体实施方案所进行的详细说明，将使本发明获得更好的理解。
[0014] 附图的简要说明
[0015] 图1是局部剖切的立体图，其描述了依照本发明的双轴MEMS镜子阵列以及三个驱 动电极的相对定位。
[0016] 图2是本发明的双轴MEMS镜以及三个驱动电极的俯视图，其中铰合装置的轴与电 极直接对准。
[0017] 图3是本发明的双轴MEMS镜以及三个驱动电极的俯视图，其中铰合装置的轴与电 极随机地对准。
[0018] 本发明的详细说明
[0019] 参照图1和图2,其中显示了位于由三个相同驱动元件1、2和3驱动的阵列10之 中的MEMS镜子4的一个实施例。在如图所示的带有双万向架的镜子的情况下，外侧铰合装 置（hinge) 5和6使得外环和镜子可环绕y轴旋转，而内侧铰合装置7和8使得镜4可环绕 X轴旋转，其中X轴和y轴都位于镜4平面内。对于本发明的这个具体实施方案而言，X旋 转轴与元件1和2之间的间隙9对准，并且方向指向元件3。在本发明的另一实施方案中， 如图3所示，驱动元件与铰合装置轴的相对取向被旋转一个任意角度。在本发明的所有实 施方案中，驱动镜子倾斜的力是由三个驱动元件1、2和3提供的。该力可通过各种装置获 得，包括静电装置和磁装置。在利用静电装置的情况下，元件1、2、3可以是扁平的金属电 极。如下文所述，通过施加电压到各电极，在电极和镜子4中（包含镜表面自身）的导电层 (未示出）之间产生静电力，致使镜4倾斜过一个可控制的角度。在利用磁装置的情况下， 元件1、2、3可以是平面的导电轨迹圆线圈。通过由电流源施加电流到各线圈，可形成与镜 子4(包含镜子材料自身）中的铁磁性区域（未示出）相互作用的磁场，从而感应产生相互 作用的磁力，致使镜4倾斜。
[0020] 驱动元件不必具有相同面积，或者说，针对相同的驱动信号它们需要产生相等大 小的力。因此，在权利要求保护范围内的本发明的另一实施例中，三个驱动元件中至少有一 个的重要（significant)参数不同于其它两个。它们可以在很多方面不同，包括但不局限 于，面积、形状、以及厚度。
[0021] 本发明的主要方面在于一种方法，通过该方法，镜的倾斜可利用三个驱动元件进 行控制。由于存在有两个独立旋转轴，所以需要两个独立的指令信号。这些指令信号被分 别定义为1和V y，其分别用于控制绕X轴和y轴的旋转。问题的关键在于确定如何来唯一 地将指令信号映射变换（map)到标示SVpVjPV 3的三个驱动信号。可以根据驱动机构的 类型来选定电压源或电流源以生成这些信号。映射变换通常可由下列线性方程组表示：
[0022] V1= AV x+BVy+Vfl,
[0023] V2= CVx+DVy+Vf2，和
[0024] V3= EVx+FVy+Vf3,
[0025] 其中，六、8、(：、04、？、^￡2和￥￡3都是与￥ ：!和￥^关的常数。可以实现任意数 目的映射变换方法。但是，并不是所有方法都可产生相同的控制特性。因此，问题受到下列 条件约束，以便下述特性通过映射变换得以保持：
[0026] (1)指令信号Vx仅与MEMS器件绕X轴的有效位移相关。
[0027] (2)指令信号Vy仅与MEMS器件绕y轴的有效位移相关。
[0028](3)指令信号￥：(是差动的（differential)，以使得对三个元件的平均驱动信号没 有变化。
[0029](4)指令信号乂￥是差动的（differential)，以使得对三个元件的平均驱动信号没 有变化。
[0030] 约束条件（1)和（2)确保在两个独立旋转方向之间不存在或很少有交叉干扰 (cross - talk)交扰。约束条件（3)和（4)使系统对指令信号VdP Vy的响应线性化。这 两种特性极大地简化了反馈电路或者在镜子的闭环（closed - loop)操作中所需的算法。
[0031] 通过施用约束条件（1)-(4)，常数A、B、C、D和E之间的相对关系受到了必要的约 束，即，它们不能再被假定为任意值。它们的值还取决于驱动元件的具体结构配置以及倾斜 轴关于驱动元件的相对取向。在图1和图2描述的实施方案中，三个元件都相同且取向如 图所示，若要使约束条件（1)总保持成立，则需A与C的和与E成线性比例。若要使约束条 件（2)总保持成立，则需B等于D。约束条件（3)隐含表明了 A、C和D的和等于零，而约束 条件（4)则隐含表明了 B、D和E的和等于零。所有这些约束条件都必须同时满足。要想同 时满足这些约束条件，则F须等于-2B，C须等于-A，且E须等于零。因此，映射变换的广义 方程组被简化成下列方程组，其标示为M 1:
[0032] V1= AVx- (F/2)Vy+Vfl,
[0033] V2 = - AV x - (F/2) Vy+Vf2，和
[0034] V3= FVy+Vf3
[0035] 方程组M1定义出了双轴指令信号如何映射变换为三个驱动信号。偏压值V fl、Vf2、 Vf3可以数值相等，或者其中一个或多个可与其它的取值不同。映射变换^被应用于下述情 况，其中三个驱动元件外形和形状都完全相同，间隔距离相等，且相对于倾斜轴的取向如图 2所示。应能理解，M 1映射变换对于如图1和图2所示的元件标记系统是唯一的，并且对在 这几幅图中所示的轴线取向的选择而言也是唯一的。元件标记和轴线取向有多种可运用这 种映射变换的排列组合，只是在驱动信号I、VjP V 3的分配以及系数A和F的正负号上有 细微的变化。
[0036] 仅当驱动元件相对于铰合装置的取向与图2所示的一致时，才可运用映射变换吣。 在通常情况下，驱动元件的取向不必与图2所示的一致。驱动元件可相对于由镜子铰合装 置轴限定的方向进行旋转。图3显示驱动元件处于任意取向，其中旋转角0定义为驱动元 件自图2所示取向位置沿逆时针方向旋转所转过的角度。不管驱动元件的相对取向如何， 为了确保约束条件（1) 一（4)成立，必须对从指令信号到驱动信号的映射变换加以修改。这 是通过变换坐标系来实现的，其中新的坐标轴相对于原始坐标轴旋转了一个角度0。最终 所得到的新的映射变换关系由一组新的线性方程描述如下，其被标示为M 3:
[0037] V1= (ACos( 0 ) + (F/2)Sin( 0 ))VX+(A Sin ( 0 ) - (F/2) Cos ( 0 )) Vy+Vfl,
[0038] V2 = (-A Cos ( 9 ) + (F/2) Sin ( 9 )) Vx+ (-A Sin ( 9 ) - (F