具有静电微型致动器的光学微型开关及其使用方法

专利名称：具有静电微型致动器的光学微型开关及其使用方法
技术领域：
本发明一般涉及光开关，尤其涉及具有多块可移动镜子的光学开并。
背景用于在光纤之间切换光或将自由空间光束切换到一条或多条光纤的开关，尤其对通信和数字数据网络，一直深受关注。各种开关结构都令人感兴趣，包括1×2、1×n和n×m的结构，其中n是从2到约64的某个数。各种各样的原理都已应用于现有技术的开关，包括电光效应和机电致动器，而且应用这些技术的操作开关目前已有市售。现有技术的开关极为昂贵，而且尺寸很大。
现有技术的1×n机电光纤开关，通常或是移动输入光纤以便与所需的输出光纤联系，或是移动单块镜子使输入光耦合至所需的输出光纤，或者移动一折射光学元件直到获得期望的耦合。通常，对每条光纤安置准直透镜，用机电致动器切换准直光束。Minowa等人在美国专利No．4，322，126中描述了一例这样的开关，其中使棱柱状结构在输入与输出之间移动。Riza等人在美国专利No．5，208，880中描述了另一种现有技术的方法，即单块镜子经平移而将准直光束偏转进入多条输出光纤。许多方法都使用单块旋转镜子使光纤耦合入多条输出光纤，诸如美国专利No．5，647，030所描述的那样。
现有技术的大多数方法都用单个机电致动器(直线或角形致动器)偏转输入光束，因为现有技术的机电致动器体大且价贵。单个机电致动器通常有一种精确地控制镜子位置的机构，以便将光精确地耦合入输出光纤。这种镜子精密定位也增大了现有技术致动器的尺寸和成本，特别对于输出光纤数多于两根且不便用简单的方法获得所需位置分辨率的情况更是如此。
大多数现有技术的光开关设计用于通信场合，这里使用的光波长一般为1．5或1．3微米(红外)。而且，许多现有技术的开关设计成与所谓的多模光纤联用，尤其是应用于红外光谱，这种光纤用于传播光的中心纤心相当大。实现高度光耦合必需的定位精度为光纤中心纤心直径的1／5的量级。大多数应用于红外的多模光纤，纤心直径约50微米，所以耦合的定位精度只须在约10微米以内，应用常规技术就能实现。
在许多光学系统中，最好应用一种所谓的单模光纤，它能实现更大的光学带宽。这类光纤的纤心直径，应用于红外的约为8微米，与红光联用的约为4微米。这样，这类系统要求的定位精度减至小于1微米，这比现有技术的多模光开关小了约10倍。
对于各种传感与驱动应用，已经开发了利用硅集成电路处理技术制造的微结构。在这些和其它应用领域中，与常规的现有技术方案相比，微结构在成本、可靠性和性能方面均占优。从成本、可靠性与便于组装的观点来看，集成型致动器，即同时用机构结构制造致动器的微结构占有优势。
各种驱动方法都已应用于集成型致动器即微结构，其中包括静电、电磁、热和热气(thermo pneumatic)。热技术可提供大的力，但是响应时间较慢。电磁技术较为复杂，因为难以在平面结构中提供有足够匝数的集成线圈，而且产生所需磁场必要的大电流导致高的功耗。静电驱动对小尺寸规模很有吸引力，因为力随着元件之间空隙的减小而增大。静电元件消耗的功率容易减小，且操作速度通常只受制于该结构的机构响应特性。
在现有技术的静电致动器中，驱动力一般仅用两类驱动电极中的一类产生所谓的梳状驱动指或平行板，平行板电容器产生的力正比于驱动电压的平方，反比于板间间隙的平方。这一特点限制了这类致动器的有效移动范围，因为在大间隙时，静电力不能克服致动器支承的回复弹力，而在间隙小于初始间隙约2／3时。若静电力压倒直线回复力，致动器就不稳定了。对于实际的微结构元件，平行板致动器的有效移动范围小于10微米。诸如在授予Tang等人的美国专利No．5，025，346所描述的梳状驱动致动器，其特点是有一系列叉指型电极，其电容可用来在大约等于梳状指长度的移动范围内提供相对恒定的动力，该长度可以做成大于100微米。每根指产生的力较小，所以实用的梳状驱动致动器一般用10-200根指对微结构装置产生适量的力。
现有技术的梳状驱动装置的一个难题是装置的最大移动受制于所谓的机电侧向不稳定性。在理想情况下，对每根指加的侧力精确地平衡，然而，如果指未被约束成沿精确的间隙中心移动，电极将产生侧力。虽然正向动力随着增大偏转几乎保持恒定，但是侧力随着侧边偏转而迅速增大。当侧力相对侧边位移的导数大于横向机械弹性常数时，就出现不稳定性。如果该导数超过电机支承结构的侧向弹性常数，梳状驱动将突然咬住(snap)断侧边，使驱动电极短路，中断致动器正向移动。现有技术装置的这种现象可见之于Legtenberg、Groeneveld和Elwenspoek撰写的论文“大位移梳状驱动致动器”(载于《J．Micromech．Microeng》，Vol．6(1996)，pp．320-329)。他们的设计具有约40微米的最大位移。该论文中的设计技术描述了常规梳状驱动致动器的最大位移，但是未描述更大偏转的设计。
早期的梳状驱动致动器应用由所谓的表面微机构加工工艺提供的多晶硅薄层来制造梳状指和可动的横向驱动元件。该多晶硅一般为1-2微米厚。由于这类装置的横向特征尺寸相当于材料厚度，所以部件对平面外偏转的抗偏离能力极低。随着深度反应离子蚀刻(DRIE)的出现，允许在厚度一般为100微米的单晶硅中制作类似的结构。Klassen、Petersen、Noworolski、Logan、Maluf、Brown、Storment、Mccully和Kovacs在论文“硅熔融键合与深度瓜离子蚀刻一种微结构新技术。”(载于Proceedings of Transducers’95(1995)，pp．556-559)中描述了DRIE。这些更厚的结构可以提供更大的垂直电极区，并且平面外偏转的抗偏离能力要高得多。最近，其它一些制造技术已用来增大厚度，并由此提高梳状驱动结构的平面外抗偏离能力，这些制造技术中包括在光刻限定的模具中制造的较厚表面微机构加工多晶硅或电镀金属结构。这些制造技术本身都未被用来改进现有技术梳状驱动结构有限的偏转。
总之，本发明的一个目的是提供一种克服上述诸缺点的光学微型开关。
本发明的另一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，它应用至少一个静电微型致动器其中具有至少一个梳形驱动组件。
本发明的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中把静电微型致动器梳状驱动组件的侧向不稳定性力减至最小。
本发明的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中设置了将静电微型致动器接到或耦合到外部装置的装置。
本发明的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中静电微型致动器中梳状驱动组件的谐振特性被用于获得大的偏转。
本发明的再一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，其中多个静电微型致动器沿着微型开关的至少一条过道(hall)对准。
本发明还有一目的是提供一种上述特征的光学微型开关，它应用了磁光数据存储系统。
发明概述本发明提供开关和应用大偏转高速微型致动器的光开关。光开关可应用于各种系统，诸如磁光数据存储系统、通信系统或数据传输系统。微型致动器改进了悬挂设计、梳状驱动元件、动态电气驱动控制、正向位置停止动与位置检测等。微型致动器可应用于各种设计或各种其它场合中的光开关，例如，横向谐振器、力平衡式加速度计或超小型夹具。高的平面外抗偏离能力和／或较大的电极区可用来形成产生大的力与位移的微结构。
附图简述诸附图在许多场合中都是示意图并结合入和构成本说明书的一部分，这些附图表示本发明的若干实施例，配合描述以说明本发明的原理。


图1示出配用本发明的光学微型开关的磁光数据与检索系统。
图2示出图1的磁光数据存储与检索系统的激光器-光学组件。
图3示出一条代表性光路，它包括使用一个与图1的磁光数据存储与检索系统联用的激光源。
图4a-4g示出图1中磁光数据存储与检索系统的扫描光头，分别是透视图、侧面剖视图、扩展剖视图、侧视图、正视图、底视图和后视图。
图5是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器实施例的放大平面图。
图6是图5的静电微型致动器的平面图，其中的镜子处于缩回状态。
图7是图5的静电微型致动器的平面图，其中的镜子处于伸出状态。
图8是应用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器另一实施例的平面图。
图9是沿图8中直线9-9截取的图8静电微型致动器的剖视图。
图10是沿图8中直线10-10截取的图8静电微型致动器的剖视图。
图11是用于本发明的光学微型天关的静电微型致动器再一个实施例的平面图。
图12是本发明的光学微型开关在制作中或操作状态之前的平面图。
图13是图12的光学微型开关的平面图，一块镜子伸出，其余镜子完全缩回。
图14是本发明光学微型开关再一个实施例的平面图。
图15是本发明光学微型开关另一个实施例的平面图。
图16是本发明光学微型开关再一个实施例的平面图。
图17是本发明光学微型开关另一个实施例的平面图。
图18是本发明光学微型开关再一个实施例的平面图。
图19是本发明光学微型开关又一个实施例的平面图。
图20是本发明光学微型开关的静电微型致动器另一个实施例的平面图。
图21包含了一些曲线图，它们使图20的静电微型致动器的往复位置与特定驱动电压相关。
图22是用于本发明光学微型开关的静电微型致动器另一个实施例的平面图。
图23是图22的静电微型致动器的侧向抗偏离能力安全边际与偏转的关系曲线图。
图24是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器再一个实施例的平面图。
图25是图24的静电微型致动器的侧向抗偏离能力安全边际与偏转的关系曲线图。
图26是图24的静电微型致动器的夹持力与夹持电极间距的关系曲线图。
图27是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器另一个实施例的平面图。
图28是用于本发明不接镜子的光学微型开关的静电微型致动器又一实施例的平面图。
图29是图28接有镜子的静电微型致动器的平面图。
图30是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器又一个实施例的平面图。
图31是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器再一个实施例的平面图。
图32是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器又一个实施例的平面图。
图33是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器另一个实施例的平面图。
图34是用于本发明的光学微型开关的静电微型致动器再一个实施例的平面图。
图35是用于本发明的光学微型开关另一个实施例的平面图。
发明描述现在参照附图，图1是一平面图，示出磁光(MO)数据存储与检索系统的某些基本元件。在该图和图2至4中标出少量特定的细节，用来描绘适用于本发明的某一功能系统的一些基本元件。本发明不限于仅应用于一个具体的MO数据存储系统和下述的MO数据存储系统，还可应用于通信或其它系统。
参照图1，系统95包括一组浮动头106(其详细情况在下面介绍)，这些扫描头适于同多个(N个)MO盘107联用。在一较佳实施例中，N为6，所以把6张盘107置成一堆(未示出)。每张盘107有两面，设置有第一与第二相对的平面表面108。每个MO盘面108设置一只浮动头106，头106利用悬架130和位于MO盘107表面上方的致动器臂105耦合到旋转致动器磁铁与线圈组件120。操作时，MO盘107由主轴电机(未示出)转动以在浮动头106与转动的盘之间产生空气动力学提升力，使每个浮动头MO头106在每张MO盘的数据记录表面上方保持浮动(flying)状态。提升力和悬架130提拱的反向弹力相反而相等。在不操作期间，每个浮动MO头静止地保持在存储状态，离开MO盘107的表面，通常位于盘面附近的夹具(未示出)上。当然，头可以在非数据存储区中登陆在盘面上；然而，这种方法并非是最佳方式。
系统95还包括激光器-光学组件96，利用至少一个输入光传播元件或光纤98耦合到组件96的光开关或微型开关104，以及多组单模保偏(PM)光纤97。在示例性实施例中，每组单模PM光纤或输出光传播元件97，通过各自的一组致动器臂105和悬架130，耦合到各自的一组浮动MO头106。相应地，至少6组两条PM光纤97各自在一端光耦合到光开关104。每组这样的PM光纤97在另一端耦合到一组的两个浮动MO头。应该理解，附图中只示出示例性的PM光纤数。控制器111利用导线112电气耦合到光开关104，向光开关提供电气指令信号。控制器111可以是任何一种常规类型，并且包括输入端，用于接收一个或多个控制信号；一系列放大器与电压发生器，用于下述的每个致动器与梳状驱动组件；可选机构，用于检测梳状驱动组件的位置；以及输出端，用于发送输出信号。
图2示出图1中磁光数据存储与检索系统的激光器-光学组件96。正如现在参照图2和3要说明的那样，在每张盘107表面上进行读取与存储信息，都要求通过光纤将激光器输出传送到浮动头，使光输出在盘面上精确地成像，并利用支承在盘面附近浮动头106上的线圈产生磁场。图2和3简明地归纳了提供光源与磁场以便有选择地在盘面上存取数据的理由。在图2中，示出的激光器-光学组件96包括一个工作于可见光或近紫外频率区域的线性偏振的二极管激光器源231，它发射的光能足以利用该组MO盘107进行读写。在第一实施例中，激光器二极管源可以是RF调制式激光源。在第二实施例中，线性偏振式激光源231可以是分布反馈式(DFB)激光源。在一示例性实施例中，线偏振式激光源231选择成工作于635-685nm范围内；然而，其它波长的激光源也可使用。激光器-光学组件96还包括准直透镜234、低波长色散漏泄分束器232和耦合透镜233。激光器-光学组件96引导线偏振输出激光束191(图1所示)(从线偏振式激光源231)射向光开关104。激光器-光学组件96还包括1／4波板238、镜子235、偏振分束器239和一组光电二极管或检测器236。在第一实施例中，MO盘107表面108反射的线偏振激光束192(图1所示)被光开关104导向耦合透镜233，并由漏泄分束器232传送到差分检测器，后者包括1／4波板238、镜子235和偏振分束器239。在第二实施例中，光隔离器298设置在激光源231与准直透镜234之间。正如本领域众所周知的，这类差分检测法测量了反射的激光束192中两个正交偏振分量中的光能，差分信号是一组MO盘107表面上由克耳效应引起的偏振旋转的敏感量度。在这两个实施例中，经检测器236转换后，该差分信号经差分放大器237处理而作为信号294输出。本发明并不限于上述的光学元件和光源设置，因为在本领域中，引导输出激光束191和检测反射激光束192的其它技术是众所周知的。
图3表示包括应用DFB激光源的代表性光路。在一较佳实施例中，图3的代表性光路包括光开关104、一组单模PM光纤97和一组浮动MO头106。光开关104(下面再详述)提供足够的选择性，引导输出激光束191(参照激光源231)进入各条单模PM光纤97各自的近端。输出激光束191再经单模PM光纤97引导从各个远端出射，从而通过浮动MO头106射在各块MO盘每个表面108下面的记录／存储层349上。
输出激光束191由任一合适的激光源提供，较佳地由属于分布式反馈(DFB)激光源的线偏振式激光源231提供。在写信息期间，输出激光束191被光开关104有选择地传到MO盘107，从而通过将选择的有关点340加热到接近记录／存储层349的居里点，减小记录／存储层349的矫顽力。较佳地，使输出激光束191的光强保持不变，同时用时变垂直偏置磁场限定垂直于MO盘107的“上”或“下”磁畴图案。该技术称之为磁场调制(MFM)。接着，随着选择的有关点340的冷却，信息在各块旋转盘107的记录／存储层349内被编码。
在读出信息期间，输出激光束191(强度比写时低)有选择地发送到MO盘107，因而在任一给定的有关点340，根据该点340的磁畴极性，克耳效应(根据来自记录／存储层349的输出激光束191的反射)使反射的激光束192具有顺时针或逆时针方向363旋转的偏振。
上述光路在本质上是双向的。相应地，反射的激光束192通过浮动MO头106而接收并进入单模PM光纤97的远端。反射的激光束192沿着单模PM光纤97传播并在其近端发射，接着由光开关有选择地发送到激光器-光学组件96，再转换为信号294。
图4a-4g表示磁光数据存储的扫描磁光头，是透视图、侧面剖视图、扩展剖视图、侧视图、正视图、底视图和后视图。在图4a中，浮动MO头106在一组MO盘107的记录／存储层349上方使用。浮动MO头106包括滑块体444、空气支承表面447、1／4波板(未示出)、反射基板400、物镜446、磁性线圈460和磁轭462。滑块体444的可以包括工业界标准的“小型”、“微型”、“毫微型”或“微微型”滑块，但是也或使用另外尺寸的滑块体444(由同浮动MO头106联用的诸元件的上述尺寸限制确定)。相应地，在该较佳实施例中，滑块体444包括小型滑块高度(889μm)毫微型滑块(1600×2032μm)对应的平面覆盖(footprint)区域。
单模PM光纤97沿轴向切口443耦合到滑块体444，物镜446沿垂直角形切口411耦合到滑块体444。在较佳实施例中，虽然轴向切口443位于滑块体周边，垂直切口411位于滑块体444的拐角，但是轴向切口443和垂直切口411也可位于浮动MO头106上的其它位置，例如位于周边与中心轴之间，或沿着中心轴本身设置。若光纤97和物镜446不沿着中心轴定位，会影响磁光头106的质量中心，由此影响其扫描动力学特性。相应地，浮动MO头106与悬架的连接点可能要作调整，以便补偿磁光头106质量中心的偏离中心变化。较佳地，切口443和411可设计成沟道、V形槽或任一其它适合的装置，使单模光纤97和物镜446同浮动MO头106相耦合对准。在该较佳实施例中，激光束191和192横过光路(进入和离开MO盘107的记录／存储层349)，该光路包括单模PM光纤97、反射基板400、1／4波板493和物镜446。在该例中，单模PM光纤97和物镜446位于其各自的切口内，使输出激光束191在有关点340内(见图3)作为聚焦光点448实现聚焦。单模PM光纤97和物镜446以后可用紫外固化树脂等粘合剂固定在原位。
对于本发明，尤其要关注图4c和4b。这两张图示出的物镜446用于将光点聚焦在盘面349上的尺寸448内。光点通过磁轭462和低平的磁性线圈460聚焦，磁轭和线圈包括在支承结构461里安装在浮动MO头底部或靠近物镜446表面，不影响浮动MO头106的空气动力学浮动质量。
本发明的光开关或微型开关利用微型致动器平移光学镜子。在这种微型开关或其它应用中的每个微型致动器至少包括一对为致动器提供动力的相对的梳状驱动件。用于微型开关104一类的光学微型开关的一种简型横向梳状驱动致动器如图5所示，它是致动器101的顶视平面图。致动器101的往复装置109包括相互连接一起移动的第一和第二可动电极组件208、209。致动器10l还包括第一和第二分开的固定组件210。230，组件垂向延伸到致动器101的纵向中心线并位于该中心线的中央。第一可动组件208包括第一、第二和第三梳状驱动件208a、208b、208c，每个驱动件垂直于组件208、209的移动方向延伸。第二可动组件209包括第一、第二和第三梳状驱动件209a、209b、209c，每个驱动件垂直于组件208、209的移动方向延伸。致动器101与可动组件208、209及其固定组件210、230均利用诸如DRIE等合适的方法用硅片制造，其中熔融键合到某一区域内的衬底213的单晶硅薄层经蚀刻而形成可动组件208、209和固定组件210、230。单晶硅层与衬底213由厚的二氧化硅层电气隔离，因而可动电极组件208、209与固定电极组件210、230电气隔离。其它制造技术包括在局部牺牲层上方的绝缘衬底上对金属结构作高纵横比电镀。这种工艺可参见Putty与Eddy的美国专利No．5，450，751，标题为“振动陀螺仪微结构”。得到的结构包括相对窄而高的悬簧结构、衬底的固定连接点和对结构的电气连接能力。另外，例如在掺二氧化硅的局部牺牲层上淀积、形成图案和蚀刻相对厚的多晶硅层，可以制作所需的结构。B．Wenk等人撰写的论文“以力反馈操作的基于厚多晶硅的表面微机械加工的容性加速度计”(载于SPIE Proceedings，Vol．2642，标题《微机械加工的器件与元件》，Octiber，1995，pp．84-94．)描述了一例这样的工艺。
可动电极组件208、209用细长的刚性框件或沿移动方向作纵向延伸的连接杆216互连。第一可动电极组件208在纵向间隔开的位置上接至连接杆216的一个端部，第二可动电极组件209在纵向间隔开的位置上接至连接杆216相对(或另一个)端部。延伸件218和托件或托架219包括在致动器101的连接装置内，将镜子103牢固地接至往复件109，由此接至可动电极组件208、209。托架219和镜子130与往复件109和可动电极组件208、209的移动方向倾斜一个角度。
梳状致动器208a、208b、208c、209a、209b、209c中的每一个都有一根接至连接杆216一端的杆或梁221，并从杆垂向伸出跨过致动器。每根杆221的长度范围为200-2000微米，较佳地为700-1200微米，更佳地为接近800微米，它限定了各梳状驱动件的长度。多个或一连串等长的梳状件或指211平行于移动方向延伸，接至每条杆221。指211沿着每根梳状驱动杆221的长度均匀地间隔开，每根指的长度范围为5-200微米，较佳地为60-130微米，更佳地为接近90微米。指211的间隔距离范围为3-25微米，较佳地为6-15微米，更佳地为接近10微米。梳状驱动件208a、208b、208c的梳状指211向耦合到致动器的镜子103延伸，而梳状驱动件109a、209b、209c的梳状指211同时离开镜子延伸。
第一固定电极组件210包括第一、第二和第三梳状驱动件210a、210b、210c，第二固定电极组件230包括第一、第二和第三梳状驱动件230a、230b、230c，每个梳状驱动组件垂直于可动电极组件208、209的移动方向延伸。每个梳状驱动件210a、210b、210c、230a、230b、230c都有一根装在衬底213上的杆或梁222，且延伸通过致动器101。每根杆222的长度与杆221的长度相似，它限定了各梳状驱动件的长度。尺寸和形状与梳状驱动指211大体相同的多个或一连串梳状件或指212，以沿着杆222的长度间隔开的位置固定到梳状驱动杆222。梳状驱动件210a、210b、210c的梳状指212离开镜子103延伸，与梳状驱动件208a、208b、208c的梳状驱动指211相对，而梳状驱动件230a、230b、230c的梳状指212向镜子延伸，与梳状驱动件209a、209b、209c的梳状驱动指211相对。
梳状驱动指211交错设置在指212内。致动器101每组相对的梳状驱动件形成一个静电驱动的梳状驱动装置或组件。每个这样的梳状驱动组件的梳状驱动件208a、208b、208c、209a、209b、209c，相对于第一位置的各个梳状驱动件210a、210b、210c、230a、230b、230c可移动，在图6中关于梳状驱动件208a、210a、208b、210b和208c、210c所示，其中各根梳状驱动指相互间隔开；第二位置在图5中相对于梳状驱动件208a、210a、208b、210b、208c、210c、209a、230a、209b、230b和209c、230c示出，其中梳状驱动指211、212不是叉指状，但是在其间加上电压电势时就处于静电接合状态；对于第三位置，如图7中关于梳状驱动件208a、210a、208b和208c、210c所示，其中各根梳状驱动指都相互呈叉指状且处于静电接合状态。当相对的梳状驱动件处于第二位置时，梳状驱动指211、212、的自由端基本上结束沿一条直线垂直于往复件109移动方向的延伸。选择指211、212之间的间距，确保在致动器101的最大允许驱动电压下在整个偏转范围内的横向稳定性。
固定组件210、230各自固定地接到衬底213，并用于驱动在第一或缩回位置与第二或伸出位置之间的第一和第二可动电极组件208、209。第一位置示于图6，其中第一梳状驱动件208、210处于间隔开位置，而第二梳状驱动件209、230处于叉指状位置；第二位置示于图7，其中第一梳状驱动件208、210处于叉指状位置，而第二梳状驱动件209、230处于间隔开位置。
往复件109和可动电极组件208、209由一组设置于电极组件208、209每一端的弹簧或折叠悬臂梁214、217悬挂在衬底213上方。弹簧214在致动器101一端与第一梳状驱动件208a间隔开，弹簧217在致动器101相对的另一端与第二梳状驱动件209c间隔开。每组弹簧214、217都包括第一和第二间隔开的弹性部分224、225，当它们处于松开位置并由折叠部分245接合在一端时，就垂直于移动方向延伸(见图5)。弹性部分或梁224、225以间隔开的关系沿基本上梳状驱动杆221、222的全长延伸且平行于梳状驱动杆。弹性部分224、225各自具有相等的截面，基本上呈矩形。刚性支承或细长支杆的一端接合到每个弹簧214、217的折叠部分245。每个弹簧214、217的第一端243接合到衬底213，而弹簧214、217的第二端244接合到梳状驱动件208a、209b相对连接器杆216的梳状驱动杆221各自的端部。
致动器101的悬挂部分使用高纵横比技术设计，并且包括可动电极组件208、209、往复件109、弹簧214、217和刚性支承131，从衬底213平面外测得的高度范围为20-300微米，较佳地为60-150微米，更佳地为接近80微米。
电气连接装置包含在致动器101内，让控制器111电气耦合到可动电极组件208、209和固定电极组件210、230。具体而言，设置了电接合片240、241、242形式的电气连接装置。电接合片242利用引线或线条271形式的引线装置电气耦合到第一和第二可动电极组件208、209。电接合片240、241通过各自引线或线条272、273形式的引线装置电气耦合到第一固定电极组件210和第二固定电极组件230。
在本发明中，弹簧最好呈现出横向／正向弹性常数的高比值。在现有技术中，这是运用设置在对称可动电极部分四个角上的4只相对的弹簧或折叠式悬臂梁实现的(见美国专利5，025，346中的图1)。然而，在该现有技术设计中，随着可动电极部分偏转，大大削弱了弹簧的横向抗偏离能力。
本发明认为不需要现有技术致动器设计的双侧对称性和4只弹簧。相反地，本发明只包括2只弹簧或折叠式悬臂梁214、217，它们在第一端243耦合到衬底213，在第二端244耦合到可动电极组件208、209。弹簧利用在其间延伸的悬挂刚性支承131接在其折叠部分245。上述结构设计成用DRIE一类的高纵横比技术制造，使它们设计成比现有技术更高的高度或型面(profile)。弹性部分224、225相当大的高度和矩形截面使弹簧214、217呈现较之现有技术更高的平面外抗偏离能力，即衬底213平面外的抗偏离能力。这种平面外抗偏离能力能阻止可动电极组件208、209在固定电极、平面外不希望有的弯曲，尽管可动电极组件只在弹簧214、217的端部243紧固到衬底213。
致动器101具有限制往复前后移动并允许控制器111监视往复件109的位置，特别是监视往复件处于其图6所示的完全缩回位置还是图7所示的完全伸出位置的装置。机械止动块261牢固地形成在衬底上，设置在第一或正向限制器262和延长部218上的第二或反向限制器263之间。往复件109的正向移动受到止动块261与正向限制器262接合的限制，而其反向移动受到止动块与反向限制器253接合的限制。止动块261利用衬底213上形成的导线或线条274电气连接到同样在衬底213上形成的电接合片264。电接合片264允许止动块261电气耦合到控制器111。止动块261与一个限制器262或263接合，就闭合了电接合片264和242间的电路。
在操作本发明的致动器101的一种方法中，控制器111通过一组致动器101中的各个电接合片240或241，将相对于加给电接合片242的电位的电压有选择地加给固定电极组件219或230的梳状指212，以便静态地偏转可动电极组件208、209，从而偏转在图6所示的缩回位置与图7所示的伸出位置之间的延伸部分218和相关联的致动器101的镜子103。在接合梳状驱动件之间的静电吸引力通过叉指结构接近恒定。
通过断开固定电极组件230上的恒定电压，使镜子103相对正向限制器262朝延伸位置摆动，可在致动器101中实现延伸状态。之后将恒定电压加到另一固定电极组件210，使镜子103保持在延伸位置293。接着，去除固定电极组件210上的恒定电压，再对固定电极组件230加上固定电压，镜子103就可缩回。
在往复件109的每个半行程中，往复件首先被弹簧214、217从其偏转位置拉回到它的松开位置，见图5，之后被电极组件208、210或209、230之间的协同静电接合拉到它的另一个偏转位置。
横向梳状致动器101的性能依赖于若干因素，其中包括弹簧214、217的正向与侧向抗偏离能力及梳状驱动指211、212的相对尺寸。在致动器101的允许工作电压和尺寸同镜子102所产生的位移和切换速度之间存在着性能上的折衷。以低的工作电压实现大偏转的传统方法，是将电极间的间距减至最小以产生最大的正向力，并运用低正向抗偏离能力的弹簧产生大的正向位移。此法常用于薄的多晶硅致动器，其中平面外低的抗偏离能力阻止了使用大的工作电压。然而，在使用相对较厚的结构时，这类设计并非最佳。当电极间的间距减小时，虽然每个指的正向力增大了，但是横向力增大得更快。在设计一种大偏转或大的力的高速致动器时，较佳的设计方法是先确定该结构能支持的最大电压，然后选择在最大电压时导致最小横向不稳定性的电极间距。接着，由弹簧抗偏离能力和移动元件的质量限定致动器的最大位移与速度。
本发明解决了上述诸问题，同时将致动器的尺寸以及光学微型开关104上致动器占用的空间减至最小。在现有技术中，梳状指未被限制成足以防止相对微型开关104中心轴的平行移动，即垂直于致动器101的移动方向的平行移动，因而在指间产生的足够大的侧向力使可动电极组件突然朝侧边撞击而不是继续向伸出或缩回位置移动。当相对于侧向位移的侧向力在导数大于弹簧的横向机械弹性常数时，这种不稳定性就产生了。
弹性部分或梁状构件224、225可比梳状驱动杆221、222更长或更短。具体而言，弹性部分224、225的长度范围为200-2000微米，较佳地为800-1200微米，宽度范围为3．5-5．5微米，较佳地为3．75-4．25微米。图5所示的弹性部分224、225的长度至少等于致动器101的梳状驱动杆221、222的长度。致动器101的长度接近800微米，宽度接近2500微米，高度接近80微米。
图5示出的梁或弹簧214、217处于不偏转或松开位置，其中每个梁状构件或梁224、225以垂直于往复件109运行的方向直线延伸。当各块镜子103处于缩回位置时，梁224、225都能沿电极组件209的一个移动方向移动到图6所示的第一偏转位置。当各块镜子103处于伸出位置时，梁214、217也能以与电极组件209移动相反的方向移动到图7所示的第二偏转位置。当梁214、217处于其各自的第一和第二偏转位置时，它们就处于非直线即弯曲的位置。具体地说，当各个弹簧214、217从直线或松开位置移到偏转或弯曲位置时，每根梁224、225的相对端沿相反方向移动，每个这样的方向平行于往复件109的移动方向。在弹簧处于其不偏转或松开位置时(图5所示，在图2和3分别示出的缩回和伸出位置的中间)，就出现梁或弹簧214、217的最大侧向抗偏离能力，即垂直于往复件109移动方向的方向中的抗偏离能力。可以看出，当如图5那样不偏转时，弹簧214、217就处于直线状态。
由桁架216组成的往复件109还提高了致动器101对横向负载的整个刚度和挠曲，减小了往复件109的总质量。本发明固有的抗偏离能力不要求以现有技术应用的双向对称性来设计致动器101，可使致动器101的宽度减小将近一半。宽度减小后，可把成组致动器101相互更紧密地装在微型开关104里，从而在给定的激光束191长度内，允许微型开关里有更多的致动器。
本发明另一个致动器实例包括用于改进图8所示致动器性能的附加特点。在图8的致动器101和180中，同样的标号表示同样的元件。致动器180包括图4和5所示的第一与第二牺牲杆246和247，它们相对于弹簧214设置在每个弹簧或梁部分224、225的旁边，以确保均匀的蚀刻和所需的梁部分的矩形截面。每根牺牲杆的高度接近毗邻梁部分的高度，沿着梁部分的每边提供一条窄槽248。梁部分与各牺牲杆之间的间距(即每条槽248的宽度)相当于器件中最小的蚀刻特征。在致动器180中，梁部分与每条牺牲杆之间的间距接近8微米。通过限制侧面226、227的倒蚀刻(retrograde)，牺牲杆246、247有利于形成平行的平面侧面226、227。具体而言，槽248的宽度禁止除了以平行于槽的方向移动的离子以外的离子进入该槽而参与蚀刻侧面226、227。
在致动器180的示例性操作方法中，致动器101的第一与第二可动电极组件208、209起初是静态，位于伸出与缩回位置的中间，如图8所示。在伸出位置中，延伸部分218靠着正向限制器262，第一和第二可动电极组件208、209靠着至少一个，并且如图8所示，三个第一固定止动块293接到衬底213。对每个梳状驱动件208a、208b和209c都设置一个止动块293。止动块261向接至延伸部分218的正向限制器261接合。在缩回位置中，延伸部分218靠着反向限制器263，第一第二可动电极组件208、209靠着至少一个，而且如图8所示，三块第二固定止动块292接至衬底213。对每个梳状驱动件209a、209b、209c都设置一块止动块292。止动块261接合接至延伸部分218的反向限制器263。止动块292、293有助于镜子103在光学微型开关104中定位的重复性。
致动器101和108可以应用某种工艺制造，该工艺类似于Klassen、Petersen、Noworolski、Logan、Maluf、Brown、Storment、McCully和Kovacs等人在Proceedings of Transducers’95(1995)，pp．556-559中描述的工艺，其中底部硅片或衬底213中的浅腔可形成悬挂的或可动的弹簧214、217、梳状驱动件208、209等。如图9所示，在希望有移动结构的区域中，在底部硅片或衬底213内蚀刻出深度在5-50微米(较佳地为10微米)的浅凹槽170。第二块即顶部硅片173利用二氧化硅层171熔融键合到衬底213，所述二氧化硅层171的厚度为0．1-2．0微米，更佳地为1．0微米。然后可把顶部硅片173研磨抛光到所需的厚度。在顶部硅片的顶表面176上形成金属层174，用于电接合片240、241、242、246、目视指示器、等等。最后运用深度反应离子蚀刻技术蚀刻顶部硅片173，得到需要的高纵横比结构。最后的DRIE硅蚀刻在出现二氧化硅层171的地方中止，并继续蚀刻到没有层171的衬底213。该工艺形成诸如弹簧214、217、可动电极组件208、209、刚性支承131和连接器桁架216等悬挂在衬底213上方的可动单晶硅结构，并通过具有浅腔170厚度的气隙172与衬底电气隔离。诸如引线装置286、287和止动块292、292等附加结构则固定地接到衬底213，但通过二氧化硅层171与衬底电气隔离，并由气隙175与周围部件电气隔离。
在诸如切换一类的某些应用中，独立地验证镜子103的位置很重要。当致动器180中的镜子103处于伸出位置时，可动电极部分208的正向限制器262处于同止动块261接合和电接触。止动块261利用引线274电气耦合到电接合片264，后者可以电气耦合到控制器111。同样地，当镜子103子保持在缩回位置时，反向限制器263处于同止动块261接合和电接触，这样由引线274电气耦合到电接合片264。因此，控制器111能以电学方式检测可动电极组件208、往复件109和镜子103的位置，以便确认和／或监视微型开关104的状态。限制器262、263和止动块261、292、293都包含在致动器180的移动止动装置里。
用于监视往复件109和可动电极组件208、209位置的其它装置，都可设置在本发明的致动器中，例如，利用包含在控制器里的常规算法测量可动梳状驱动件的梳状驱动指211与协同互接合静止梳状驱动件210a、210b、210c、230a、230b、230c的梳状驱动指212之间的电容，控制器111就能确定可动梳状驱动件208a、208b、208c和209a、209b、209c的位置。例如，控制器111可以将从送给梳状驱动件的驱动信号中分离出来的信号发送给致动器，用于测量这种电容。这种方法无须在诸如上述的移动止动装置等电极之间作物理接触。或者，在形成致动器以在弹性部分中形成压电电阻器期间，可以沿着一个或多个弹性部分或悬架224、225的第一与第二相对的垂直侧边掺杂硅材料。可以用设置在控制器111里的常规算法，测量出在弹簧214、217偏转期间该压电电阻器的电阻变化(对应于悬架224、225的应力变化)，以确定往复件108与镜子103相对于衬底213与固定电极组件210、230的位置。
本发明的再一个致动器实施例示于图11，致动器601基本上类似于致动器101，用同一标号表示同样的元件。与致动器101中一样，致动器601包括接合在一起而联动的第一与第二可动电极组件208、209及第一与第二分离的固定电极组件210、230。电极组件208、209、210、230垂直于致动器的纵向中心线延伸且位于该中心线的中央。致动器601与致动器101的不同之处在于，第一可动组件208只包括第一梳状驱动件208a，它垂直于组件208、209的移动方向延伸。第二可动组件209只包括第一梳状驱动件209a，它垂直于组件208、209的移动方向延伸。由于致动器只包括单个梳状驱动件208a、209a，而致动器101包含梳状驱动件208a、208b、208c、209a、209b、209c，所以致动器101提供的动力将近致动器601的3倍。为实现所需要偏转，设计致动器601的悬挂时必须考虑到这一动力的减小。正如下面将要描述的，应用单对梳状驱动件208、209缩短了致动器601的总长度，从而制得更紧凑的光学微型开关。
图12示出按本发明制作的光开关104的第一实施例的顶视平面图。开关104包括一个做成微芯片100形式的基本上平面的组件或设备，它包括图示的至少一个或12个横向梳状驱动致动器180，装载于厚度接近500微米的硅片或衬底213。每个静电驱动的致动器或电动机180有一个耦合至镜子103的往复装置或往复件109，镜子103相对于衬底或本体213垂直设置。由输入光纤98传送的激光束191被引导通过开关104的输入端或入口150，在沿开关104的纵向中心轴113的通路继续传播之前，通过准直透镜102。与光开关104联用的典型激光束191、192可以具有约100至200微米的直径。如图12所示，在输入口150除去输入光纤98的护套，之后包层光纤98沿着在其中形成的入口槽156伸入微芯片100。准直透镜102置于光纤98末端旁边。在图12的较佳实施例中，透镜102是一种普通的超小型渐变折射率准直透镜。或者，透镜102可以是普通的超小型模制透镜或普通的球形透镜，这些都在本发明的范围内。光纤98的末端位于开关104内，从而处于准直透镜102的焦点上。透镜102在光束191进入微芯片100的主通道或过道157之前先对它准直。应该理解，可以在过道入口设置不带透镜102的光开关104。另外，可将准直的输入激光束191通过自由空间导入输入口150，即不必使用入口光纤98，这也在本发明的范围内。
在图12中，示出的致动器或微电动机180制作在静止的或原来的位置上，在伸出与缩回位置中间。致动器180分成第一组6只致动器180a和第二组6只致动器180b，第一组致动器180a沿着第一间隔开的虚线间隔开且平行于微芯片100的纵向中心轴113，第二组致动器180b沿着第二间隔开的虚线间隔开且平行于微芯片100的中心轴113。致动器180a和180b置于中心轴113的相对两侧，因此相互相对。致动器180的镜子103相对于轴113倾斜45度角，通常面对输入口150。第一致动器180a的镜子103引导光束191通过90度的角度，使光束191沿垂直于中心轴的第一方向延伸而朝向设备的右侧。第二致动器180b的镜子103引导光束191通过90度的角度，使光束191沿垂直于中心轴的第二方向延伸而朝向设备的左侧。这样，第一致动器180a的镜子103沿与第二致动器180b的镜子相对的方向引导光束191。
与第一致动器180a的镜子103对准的第一组6个输出口或出口151设置在微芯片100的右侧，与第二致动器180b的镜子103对准的第二组6个输出口151设置在微芯片100的左侧。出口槽161从每个端口151向内延伸到过道157，把各条输出光纤97送到接近镜子103的某一点。每条光纤97的护套(未示出)起始于出口151。应当理解，可以设置相对于光开关轴线有不同倾斜角度的镜子。透镜102设在镜子103与各条输出光纤97的进入面之间，用于将光束191聚集入光纤97。虽然图中把光开关104表示成耦合到单模PM光纤97，但是开关104可同任一合适的光纤耦合，这也在本发明的范围内。
一对透镜102沿着纵向轴线113串行设置在过道157的中央或中间。第一或上透镜102设置得比输出光纤97附近的透镜102约低4毫米，用于再聚焦激光束191。位于过道157中间的第二或下透镜102，隔开从透镜102上方出射的光束191的两倍焦点，对沿着过道157下半部中的纵向轴线113传播的激光束191重新准直。
如图13所示，操作时，一块特定的镜子103a在控制器111引导下，靠各自的致动器180b完全伸出到光束191光路中的某一位置，而其余的镜子103b在控制器111指导下，完全缩入光束191光路外的某一位置。光束191从该特定伸出的镜子103a反射，于是被镜子103a有选择地导向各自的输出口151和与其耦合的输出光纤97。从输出口151出射的光束191可以导向通过自由空间，或被第二光纤和／或透镜97导向目的地。光束192也可从任一输出口151导向输入口150。在上例中，可以看到，每块镜子103能在全部缩回与全部伸出位置之间位移的距离至少是光束191的宽度。与光开关104联用的典型激光束191的直径范围约为100-200微米，要求致动器180实现镜子103至少达到这一直线位移。如前所述，现有技术的致动器在适当的切换速度下，一般只能作40微米位移。
由于本发明用镜子103耦合输入口150与特定输出口151之间的光束191，因此使用的镜子的质量很重要。为了把吸收、散射和散焦造成的光损失减至最小，镜子103表面必须具有反射性、光滑而平坦，对于少数关键的应用，可在器件制造期间在适当位置把镜子103形成为蚀刻表面的垂直壁。镜子103可用极薄的硅片单独制作，然后在延伸部分218上与托架219对准，并用任何合适的粘合剂688粘牢，如图10相对于致动器601所示，粘合剂有NorlandNEA 123M，这是一种紫外激发的粘合剂，由位于新泽西州New Brunswick的Norland Products公司出售。镜子103可以用薄硅片691制作，其由金等任何合适的反射性金属组成的层692用薄粘合层693固定到硅片691，薄粘合层693用铬或任何其它合适材料制成。制作层692的其它合适的反射性材料包括铝和银，制作粘合层693的另一种适合的材料包括钛。硅片691的厚度范围为20-300微米，最好接近80微米，反射层的厚度范围为0．05-0．30微米，最好接近0．15微米。粘合层的厚度接近0．005微米。金属层以在室温下将其剩余内应力减至最小的方式淀积。硅厚度与金属厚度之比大，也可将涂层与硅的热膨胀速率不同所造成的镜子弯曲减至最小。得到的镜子具有金或其它反射性金属的高反射率和抛光硅的低表面粗糙度与高平坦度的特点。
其它的层或涂层可选地淀积在反射层692上，以增大镜子103的反射率。在图10所示的镜子103中，把多个介质对696设置在反射层顶部，每对696层包括淀积在较低折射率层698上的较高折射率层697。在镜子103应用于诸如微型开关180的光学微型开关的场合，层698的厚度都相当于激光束191、192的1／4波长。层697合适的材料包括氧化铈与氧化钛，层698使用的材料包括氟化镁与二氧化硅。
可以提供具有其它微型致动器布局的本发明的光开关，用于有选择地重新引导已被输入光纤98导入该开关的激光束191。图14示意性表示的光学微型开关830用微芯片831形成，而微芯片831用上述相对于开关104描述的任何合适的方法制作。用同一标号表示微型开关104与830中的同一元件。光开关830包括一个耦合到进入光纤98的入口832和多个出射口或出口833，其中出口833沿着开关830的一侧间隔开且耦合到各个输出光纤97。沿着开关830的中央通道或过道837，纵向中心轴线836平行于入口832且垂直于出口833而延伸。第一组8只致动器或微型致动器180a沿着第一虚线纵向间隔开，所述第一虚线与光开关830的中心轴线836平行延伸且间隔开。第二组4只致动器或微型致动器180b沿着第二虚线纵向间隔开，而第二虚线与轴线836平行延伸且间隔开。纵向轴线836在第一组致动器180a与第二组致动器180b之间延伸。这样，致动器或微型致动器180a与180b相对。
致动器180a包括装在托架219a上的镜子103a，致动器180b包括装在托架219b上的镜子103b，镜子103a、103b都大体上类似于上述的镜子103。镜子103a、103b一般面对输入口832。透镜102置于每块镜子与槽838之间，槽838将光纤97送到各个出口833。镜子103a、103b相对于纵向轴线836倾斜45度，将射在其上的激光束191再通过90度的角度。在每个致动器180a中形成托架219a，从而装在其上的镜子103a以相对于致动器180a的正方向偏转激光束191。在每个致动器180b中形成托架219b，从而装在其上的镜子103b以朝致动器180b的方向偏转激光束191。这样，镜子103a、103b都以多个平行方向偏转激光束191，因而是单方向，激光束总是从光开关830的一侧出射。
微型致动器180a沿着微芯片831的第一虚线以四组背-背对设置。这样，每对相邻的致动器180a的延伸部分218a、托架219a与镜子103a都沿着这种致动器180a的毗邻侧设置。致动器180a在微芯片831中的这种布局使两个最远端的镜子103a更靠近微型开关830的中心，从而缩短激光束191、192在微型开关内的路长。结果，输入准直透镜102可以更加向微型开关830内部定位。致动器180a的背-背布局还允许两块中心透镜102设置在最中央的两个致动器180a的前面，进一步缩短了激光束191、192的路长。
输入激光束191从入口832沿纵向中心轴836传播，直到它与控制器111选择的镜子103a、103b接合。第一致动器180a的镜子和往复件109可从第一或缩回位置(其中镜子103偏出激光束191的光路)移动到第二或伸出位置(其中镜子的反射面置于激光束的光路中)，从而引导激光束通过各自的出口833。第二致动器180b的镜子103和往复件109可从第一或缩回位置(其中镜子103b偏出激光束191的光路)移动到第二或伸出位置(其中镜子的反射面置于激光束191的光路中)。
每个致动器180b的延伸部分218和托架219如此构成，即在镜子103b处于其缩回或离开光路位置时，它们就离开激光束191。为了使镜子103b和托架210如此缩回而离开激光束191的光路，致动器180b要求比致动器180a更大的移动或偏转，因为镜子103b和托架219b是相对于进入的激光束191对准的。例如，与致动器180a相比，图13中的致动器180b要求附加偏转50微米。因此，致动器的梳状驱动组件中的梳状驱动指211、212，要比致动器180a中对应的元件更长。尺寸增大要求对致动器180b有更大的驱动电压。激光束191的方向从光开关830沿多个平行方向向外，于是为单方向，减小了其中装有开关830的光学数据存储系统95的复杂性。
有选择地将输入激光束191从光开关一侧沿单方向向外引导的另一种光开关示于图15。这里的光学微型开关851与光学微型开关104和830相似，用同样的标号表示光学微型开关104、830和851中同样的元件。细长的光开关851用微芯片852形成，在其一端有一个入口853，在其一侧有12个间隔开的出口754。沿着光开关的通道或过道857，纵轴平行于入口853且垂直于出口854延伸。开关851的两组透镜对102置于过道857内，随着激光束191通过过道857向上传播，对光束191再聚焦和再准直。两组透镜对102将过道分为三段，每段约长4毫米。
沿着与纵轴856平行延伸且间隔开的虚线，把12个致动器180设置在纵向间隔开的位置中。每个致动器180的镜子103相对于纵轴856倾斜45度，以重新引导激光束191通过90度的角度。每个致动器180的镜子103装在托架219上，这样通过致动器180背端附近的各个出口854，将激光束191向后朝致动器180引导。入口光纤98耦合至入口853，出口光纤97耦合至每个出口854。透镜102置于每个镜子与槽858之间，槽858将光纤97送到各个出口854。每块镜子103利用各自致动器180的往复件109可在第一或缩回位置(其中镜子103偏出激光束191的光路)和第二或伸出位置(其中镜子103处于激光束191的光路中)之间移动。应当理解，光开关830可以配备致动器180，将激光束191向致动器的前面引导，这包括在本发明的范围内。在其利用衬底213的表面积方面，光开关851的设计是有效的。
图16示出本发明的再一个光开关的实施例，其中输出激光束191只从光开关的单侧出射。这里的光开关901用微芯片902形成，其单个输入口903耦合到微芯片902一侧上的输入光纤98。微芯片902中设置的槽906用于承载来自入口903的输入光纤98。像入口903那样，耦合到PM光纤97的12个出口904在微芯片902的同一侧间隔开。
与上述镜子103基本上类似的第一与第二定向镜907、908包括在光开关901装置中，用于分别沿着微芯片902的向下延伸通道或过道911或向上延伸通道或过道912交替地引导激光束191。过道911、912沿着间隔开且相互平行延伸到微芯片902侧边的各条纵轴913、914延伸。镜子907、908相对于轴913、914倾斜45度，通常各自面向入口903。横轴916从入口903垂直于轴913、914延伸通过微芯片902。
第一定向镜907接至致动器601，在光开关901内可从第一或缩回位置(其中镜907处于向上位置，偏出沿横轴916延伸的激光束191的光路)和第二或伸出位置(其中镜907处于向下位置，在激光束191的光路内)向上和向下移动，这样使激光束偏转通过90度角度，使光束191沿着第一光路向下延伸，而第一光路沿着开关的第一纵轴913延伸。
第二定向镜908置于第一镜907后面，并用从微芯片902蚀刻出的托架917牢固地装到微芯片902。当第一镜907处于其缩回位置时，输入激光束191与镜908接合。第二镜908引导光束191向上通过90度角度，使光束沿着第二光路和微芯片902第二纵轴行进。
多个第一致动器180a沿着第一虚线纵向间隔开，第一虚线平行于第一纵轴913延伸，而在同样平行于纵轴913延伸的第二虚线上设置了至少一个第二致动器，图示为单个180b。4个致动器180a基本上与第二致动器180b相对，纵轴913在致动器180a与180b之间延伸。第一致动器180a包括四个致动器841、842、843和844，它们按从下过道837的顶部到底部的顺序沿第一虚线纵向间隔开。致动器841、842沿着第一虚线并排设置，从而其延伸部分218相互平行地沿致动器841、842的邻边延伸。致动器843、844同样沿着第一虚线并排设置，使其延伸部分218相互平行地沿致动器843、844的邻边延伸。
多个第三致动器180c沿第三虚线纵向间隔开，第三虚线平行于第二纵轴914延伸，而且在同样平行于第二纵轴914延伸的第四虚线上设置至少一个第四致动器，图示为单个致动器180b。总之，第一与第二致动器或微型致动器180a和180b设置在横轴916的一侧，从而在一半微芯片902上，而第三和第四致动器或微型致动器180c和190d设置在横轴916的另一侧，故在另一半微芯片902上。具体地说，上纵轴914的致动器布局就是下纵轴913的致动器布局的镜像。这样，四个致动器180c基本上与第四致动器108d相对，纵轴914在致动器180c与180d之间延伸。第三致动器180c的四个致动器841-844按从上过道912底部到顶部的顺序，沿第三虚线纵向间隔开。
致动器180a-180d的镜子103可以在偏离激光束191光路的第一或缩回位置(因为激光束191被第一定向镜907重新引导偏转到第三与第四致动器180c、180d，或被第二定向镜908引导偏转到第一与第二致动器180a、180b)和第二或伸出位置(其中镜子103的反射面置于激光束191光路中)之间移动。每块这种镜子103通常面对定向镜907、908，并各自相对于其第一纵轴913或第二纵轴914倾斜45度角度，通过反射引导激光束191通过相对轴约90度角。具体而言，每块镜倾斜某一角度，有选择地引导激光束沿单一方向通过光学微型开关901一侧上的各个出口904。准直透镜102接收偏转的激光束，然后把它射入一条输出光纤97。槽927设置在微芯片902中，用于将光纤97送至各出口904。
如上所述，以光学微型开关830的微型致动器180a同样的方法，沿着各自的过道911、912把微型致动器180a与180c设置在两组背-背对中。致动器180a、180c在微芯片902中的这种布局让上下过道中致动器844的镜子103位于更靠近各自的定向镜907、908，缩短了激光束191、192在微型开关901中的路长，由此提高了开关901的耦合效率。致动器180a、180c的背-背布局还允许致动器601定位在致动器841的前面，进一步缩短了激光束191、192在开关内的路长。
利用从下过道911下端的微芯片902蚀刻出来的托架932，将镜子931牢固地装到微芯片901。镜931置于第一与第二致动器180a、180b的镜子103下面和最低的致动器180a的前面。镜931相对于纵轴913倾斜45度角。当第一与第二致动器180a、180b的镜子103都处于缩回位置时，激光束191被僮931偏转通过90度角，从而沿离开第一致动器180a的方向通过准直透镜102传播进入经输出口904延伸的输出光纤97。在第三致动器180c前面的上过道顶部的托架，把类似的镜943牢固地装到微芯片902。镜943的操作方法基本上与镜931一样，当第一与第二致动器180c、180d的镜子03都处于缩回位置时，其作用是把激光束191偏转通过各自的输出口904。镜103、931、943沿多个平行方向偏转激光束，因而是单方向，从而激光束191总是从光学微型开关901的一侧出射，利用固定安装的镜931、943代替另外的微型致动器与伴随的可动镜子，进一步缩小了过道911、912的长度和激光束191、192的路长。可以看出，光开关901可用来有选择地将激光束191导向12根输出光纤97之一。
光学微型开关901的优点是缩短了激光束191或192必须通过光开关传播的最大路程。定向镜907、908偏转激光束191通过过道911、912之一。每条过道均在长度上短于开关104的过道157、开关830的过道837和开关851的过道857。这样缩短的路长提高了开关901的耦合效率。应该理解，本发明其它的光开关实施例可进一步设有致动器的分部，用于将激光束191、192的最大行程减到最小。
类似于上述任一开关的光学微型开关可以设有类似于上述激光器-光学组件96的集成到光开关微芯片的光学组件。图17所示的光学微型开关1051由微芯片1052形成，后者用上述针对开关104的任何合适的装置制造。光学微型开关1051类似于上述的开关104和830，用同样的标号表示开关104、830和1051的同样元件。光学微型开关1051包括一个入口1053和多个沿开关1051两侧间隔开的出射口或出口1054。出口1054耦合到各输出光纤97，其一部分示于图17。每根输出光纤97通过各自的出口1054延伸到微芯片1052中设置的通路或槽1056。纵向中心轴1061从入口1053沿着中央通路或过道1062延伸，而过道1062通过微芯片1052的中心作纵向延伸。
第一组致动器或微型致动器180a沿着第一虚线纵向间隔开，第一虚线与中心轴1061平行延伸且间隔开。第二组致动器或微型致动器180沿第二虚线(与轴1061平行延伸且间隔开)纵向间隔开。纵向中心轴1061在第一致动器180a与第二致动器180b之间延伸，这样，第一致动器180a相对于纵轴1061与第二致动器180b相对。虽然可以设置单个或任意多个致动器180，但是在开关1051中设置了五个第一致动器180a和六个第二致动器180b。
多个第一致动器180a和多个第二致动器180b都包括一块装在托架219上的镜子103。镜子103相对于纵轴倾斜45度角，从而通常面对入口1053，引导激光束191相对于轴1061通过90度角。经引导的激光束191沿着一条从致动器180向前延伸的通路从每块镜子103反射，从各自的出口1054出射。镜子103由各自的致动器180的往复件109带动，可在第一或缩回(其中镜子偏出激光束191的光路)和第二或伸出位置(其中镜子置于激光束从入口1053开始延伸的光路中)之间移动。镜1067用过道1062顶部的托架1068牢固地装到微芯片1102。当第一与第二致动器180a、180b均处于缩回位置时，镜1067使激光束191偏转通过各自的输出口1054。镜1067无需光开关1051中的一个致动器，从而减少了开关1051和激光束通过开关1051传播的准直光路的复杂程度。
包括激光微型光学(micro-optics)组件1071的激光微型光学装置，装在入口1053前面的微芯片1052底部的衬底213上。像激光器-光学组件96一样，微型光学组件1071包括一块基本上类似于准直光学元件234的准直光学透镜1072，用于接收来自线偏振激光源231的激光束，还包括聚焦透镜(未示出)。组件1071还包括一个低波长色散漏泄的分束器1073，基本上类似于上述的分束器232。组件1071具有基本上类似于上述1／4波板238的1／4波板1083、可选的半波板1084、偏振分束器1086和光电检测器1087。光电检测器将接收的光信号转换成电信号。微型光学组件1071的每个元件可用合适的方法装到衬底213。例如，可在衬底213中设置凹口或容器，诸如准直光学透镜1072的容器1088，用于接纳组件1071的每个元件，诸元件可用任意合适的方法如粘合剂和／或弹簧1089紧固于各自的凹口内。微芯片1052内设有多条槽1091，有利于激光束通过微型光学组件1071传播。
如在现有技术中确认的，波板1083、1084、偏振分束器1086和检测器1087的差分检测方法用来测量反射激光束192相对于输入光束191的两个正交偏振分量，而差分信号则是克耳效应在MO盘107各自表面108上引起的偏振旋转的敏感的量度。该差分信号可用差分放大器237处理而作为电信号输出。
在微芯片1052上配置微型光学组件1071，简化了组件1071相对于透镜102、镜子103和开关1051的其它光学元件的对准。在衬底上用于对准微型光学组件1071诸元件的凹口或衬底213的其它装置，可用精密方法以ORIE蚀刻。
类似于组件1071的微光学组件可以设置在其它开关上，这包括在本发明范围内。例如，这种组件可以设置在图16所示的光学微型开关9011的微芯片902上。图18是一种用微芯片1097形成的光学微型开关1096，基本上与光学微型开关901相同。图18中用同一标号表示光学微型开关901和1096的同一元件。微型光学组件1071装在第二与第四致动器180b、180d之间的微芯片1097上，位于接到第一定向镜907的定向微型致动器601的前面。
光学微型开关1096有利地提供了从微芯片1097同侧出射的输出光纤97，并且包括微芯片1097上的微型光学组件1071。光学微型开关1096的双过道设计和将镜子103紧密地装在每条过道内，提供了耦合效率提高的开关1096。
图19是类似于组件1071的另一种具有微型光学组件的光学微型开关。这里的光学微型开关1101用微芯片1102形成，该微芯片用诸如上述针对光学微型开关104的任何合适方法制造，与这里的光学微型开关901与1096的许多方面相似。光学微型开关1101的装置或组件内包括大体上类似于上述镜子103的第一与第二定向镜1106、1107，用于交替地引导激光束191沿着微芯片1102的通道或过道1111向下延伸或者沿着通道或过道1112向上延伸。过道1111、1112沿着间隔开的各根纵轴1113、1114延伸，并且相互平行延伸到微芯片1102的两侧。镜1106、1107相对于各自的轴1113、1114倾斜45度角。横轴1116垂直于轴1113、1114延伸穿过微芯片1102的中心。第一定向镜1106接到致动器601，其操作基本上与致动器901中的第一定向镜907相同。当第一定向镜1106处于其缩回位置时，输入激光束191与第二定向镜1107接合，大体上类似于致动器901的第二定向镜908。第二定向镜107用由微芯片1102蚀刻出的托架1117牢固地装到微芯片1102，以与第二定向镜908同样的方式操作，引导激光束191通过90度角，从而光束沿着第二通路和微芯片1102的第二纵轴1114行进。
多个第一致动器601a沿着下纵轴1113一侧设置，多个第二致动器601b沿着轴1113的相对侧设置，从而经第一定向镜1106偏转的激光束191在第一与第二致动器601a、601b之间延伸。这样，第一与第二致动器601a、601b相对于纵轴1113相对。具体而言，第一致动器601a包括多个沿轴1113纵向间隔开的致动器。如图所示，第一致动器601a包括沿纵轴1113纵向间隔开的第一与第二组致动器1123，每个致动器对1123包括沿虚线(垂直于纵轴1113延伸)并排设置的第一与第二致动器1123a与1123b。相对于轴1113，第一致动器1123a置于第二致动器1123b后面。这样，第二致动器1123b的延伸部分218向致动器1123a旁边的致动器1123b延伸，从而中止于接近等于第一致动器1123延伸部分218的中止点的某一点。
第一和第二致动器1123a、1123b的镜子103沿轴1113在纵向间隔开的位置上设置成相互紧靠。利用该致动器，第一和第二致动器1123a、1123b的镜子103都可从偏出激光束191光路的第一或缩回位置移动到镜子103处于激光束191光路中的第二或伸出位置。托架219相对于轴1113倾斜45度，从而引导激光束191通过90度角。偏转的激光束向致动器延伸，从而被准直透镜102接收，再将它射入一条输出光纤97。通道1126设置在微芯片1102中，用于接纳输出光纤97。通道1126延伸到置于微芯片1102侧边上的输出口1127。第一致动器601a的第二致动器对1123置于第一致动器601a的第一致动器对1123的下面。
第二致动器601b包括单个致动器对1123，它设置在与第一致动器601a的上致动器对1123相关的准直透镜102和与第一致动器601a的下致动器对1123相关的准直透镜之间。一对准直透镜102设置得与第二致动器601b的镜子103相对，将各个激光束191射入各自的输出光纤97。这些光纤97从对应于第一致动器601a的输出口1127通过各自的通路1126延伸到设置在微芯片1102相对侧上的各自的输出口1127。利用从微芯片1102蚀刻出的托架1132，把镜1131牢固地装到微芯片1102。镜1131设置在下过道1111的端部，位于第一与第二致动器601a、601的镜子103下面和第一致动器601a的下致动器对1123前面。镜1131相对于纵轴1113倾斜45度角。当第一与第二致动器601、601b的镜子103都处于缩回位置时，激光束191被镜1131偏转通过90度角，沿离开第一致动器601a的方向通过准直透镜102进入经输出口1127延伸的输出光纤97。
多个第三致动器601c在上纵轴1114的一侧设置在第一致动器601a上方，多个第四致动器601d在上纵轴1114的相对侧设置在第二致动器601b上方。第三与第四致动器601c、601d各包括一个具有第一与第二微型致动器1123a、1123b的单致动器或微型致动器对1123。经第二定向镜1107偏转的激光束191在第三与第四致动器601c、601d之间延伸，这样，第三与第四致动器601c、601d相对于上纵轴1114相互相对。在第三致动器601c前面，镜1143用上过道1112顶部的托架1144牢固地装到微芯片1102。镜1143工作时大体上与镜1131一样，当第一与第二致动器601c、601d的镜子103都处于缩回位置时，用于将激光束191偏转通过各自的输出口1127。可以看出，光开关1101可用于有选择地把激光束191导入12条输出光纤97之一。
微型光学组件1071装在微芯片1102上，处于第一与第三致动器601a、601c之间以及被接至第一定向镜1106的致动器601的前面。在光学微型开关1101上配备微型光学组件是有利的，理由与上述针对光开关1051所述的相同。应该理解，诸如光学微型开关1101的光学微型开关可以不配备微型光学组件1071，这包括在本发明范围内。
光学微型开关1101的致动器对1123允许每个上下过道1111、1112中的镜子103沿着各自的轴1113、1114设置成沿纵向紧靠在一起，从而缩短了激光束191、192的准直光路。镜1131与1143牢固地装在各自的过道1111、1112的端部，消除了光开关1101中的两个静电微型致动器。因此，镜1131、1143也缩短了通过开关1101传播的激光束的准直光路。
应该理解，除了上述的静电微型致动器101、180、601以外，范围广泛的静电微型致动器也可同这里的光开关联用。例如，本发明的另一个静电微型致动器实施例可以同图20的本发明的任何光学微型开关联用。图示的致动器301基本上类似于致动器180。致动器301中的第一可动电极组件208只配备第一与第二梳状驱动件208a、208b，第二可动电极组件209只配备第一与第二梳状驱动件209a、209b。致动器301中的第一固定电极组件210只配备第一与第二梳状驱动件210a、210b，第二固定电极组件230只配备第一与第二梳状驱动件230a、230b。致动器301还包括两组细长的电容夹持电极或夹具420和一组相对的电容夹持电极或夹具421，前者耦合到固定梳状驱动件210a、230b的梳状驱动杆222的垂直平表面，后者接到可动梳状驱动件208b、209a的梳状驱动杆221的垂直平表面。在梳状驱动件210a背面的电极或夹具420和梳状驱动件209b背面的电极或夹具421，可以在某个间隔开的位置(当梳状驱动件208a、208b的梳状驱动指211和梳状驱动件210a、210b的梳状驱动指212为叉指关系时出现)和所述夹具420、421相互靠近的位置(当梳状驱动件208a、208b的梳状驱动211和梳状驱动件210a、210b的梳状驱动指212相互间隔开时出现)之间移动。类似地，在梳状驱动件230b背面的电极或夹具420和在梳状驱动件209a背面的电极或夹具421，可以在间隔开的位置(当梳状驱动件209a、209b的梳状驱动指211和梳状驱动件230a、230b的梳状驱动指212处于叉指关系时出现)和所述夹具420、421相互靠紧的位置(当梳状驱动件209a、209b的梳状驱动指211和梳状驱动件230a、230b的梳状驱动指212相互间隔开时出现)之间移动。当处于这种相互靠紧时，夹具420、421最好间隔开约5微米。
致动器301的移动止动装置与镜监视装置不包括止动块261和限制器262与263。而是，致动器301配备了接合托架219以限制往复件109向后移动的后向止动块292和接合托架219以限制往复件109向前移动的前向止动块293。后向止动块292通过引线或线条302电气耦合到电接合片298，前向止动块293通过引线或线条303电气耦合到电接合片299。电接合片298与299可电气耦合到控制器111，以监视处于其缩回与伸出位置的往复件109。对于第二梳状驱动件208b和第一梳状驱动件209a的每一端，都设置了附加的后向止动块292和前向止动块293。
在致动器301的操作方法中，在致动器起动期间，控制器111对第一和第二固定电极组件210、230交替施加脉冲电压，使第一和第二可动电极组件208、209谐振，实现往复件109最大的振荡位移。在电极组件208的半行程期间，控制器111包含的常规装置在相对的梳状驱动件之间施加这种脉冲电压电位，其中这种相对的梳状驱动件正在相互向前移动，促使这些相对的梳状驱动件的梳状驱动指211、212进到其第三或全叉指位置。在较佳的谐振程度下，稳定电压通过电接合片240加在固定第一梳状驱动件210a上的夹具420和通过电接合片242加在可动第二梳状驱动件208b上的夹具421之间，将电极组件208、209移到其缩回位置，并将镜子103保持在该缩回位置。
当镜子103保持在伸出位置时，首先去除梳状驱动件210a与208b之间的电压，在弹簧214的前向弹力的作用下，第一与第二可动电极组件208、209就向其第二位置(其中镜子103处于伸出位置)摆动。然后，可将电压脉冲加到第一与第二梳状驱动件210a、210b的梳状驱动指212，将各自的第一与第二梳状驱动件208a、208b组件的梳状驱动指211相互朝前拉，从而使可动电极组件208、209的夹具421移向固定电极组件210、230的夹具420。接着，将稳定电压通过电接合片241加在固定梳状驱动件230b上的夹具420和通过电接合片242加在可动梳状驱动件209a上的相对夹具421之间，使可动电极组件208、209和镜子103保持在紧靠止动块293的伸出位置。机械止动块292与293较佳地限定了伸出与缩回位置，并防止可动电极组件208、209上夹具421触碰固定电极组件210、230上的夹具420。
现在针对静电微型致动器描述起动和操作本发明的致动器的另一种方法。控制器111提供图21下面两张图所示的输入驱动电压，使往复件109如图21上图所示的那样移动。起始，控制器111通过电接合片240将五个45伏的脉冲都加到第一与第二返回梳状驱动件230a、230b，使致动器或微型电动机101振动幅度提高到100微米。在该起动步骤中，电接合片241与242保持恒定的零伏。在最后一个这样的45伏脉冲之后，45伏立即加到第一与第二梳状驱动件210a、210b，从而在第一梳状件210a上的夹具或夹持电极420与第二梳状驱动件208b上的夹具或夹持电极421之间的静电力使往复件109保持在其缩回位置，离开图20所示的其静态位置约100微米。在往复件109的全缩回位置，夹具420、421相隔约5微米，因而施加的电压将往复件109保持在这一缩回位置。45伏一旦加到第一固定电极组件210，可动电极组件208的梳状驱动指211与固定电极组件210的梳状驱动指212就相隔约100微米。故在其间未加吸引力。
在图21中可看出，去除加到固定电极组件210的45伏约11毫秒。随着往复件109开始偏向其伸出位置，将45伏短脉冲加到固定电极组件210。此时，夹持电极420、421间隔得足够远，其间不存在静电力，而是，加到组件210的脉冲电压促使电极组件208的梳状驱动指211移向电极组件210相对的梳状驱动指212。脉冲电压补偿了半行程期间受到的能量损失，从而使往复件109偏向其全伸出位置。此时把45伏电位加到第二固定电极组件230，从而在第二梳状驱动件230b背面设置的夹具420与第二梳状驱动件209b背面设置的相对夹具421之间提供了静电力。该力将往复件109保持在其伸出位置。在约12毫秒后，往复件松开其伸出位置，之后将45伏脉冲加到第二固定电极组件230，促动相对的第二可动电极组件209，使往复件109移到其缩回位置，在此由加到第一固定电极组件210的45伏保持往复件。应该理解，在起动振动期间，脉冲电压可以连续地加到各种布局的第一电极组件210和／或第二固定电极组件230中的一个或两者，以在往复件109中实现谐振。还应该理解，控制器111可以对本发明的致动器提供方波以外的致动器电压用于操作致动器。
如上所述，致动器301应用DRIE技术设计，允许各种结构更高，因而其垂直表面比现有技术的同类结构更大。因此，夹具420、421包括更大垂直表面积的固定电极组件210、230和可动电极组件208、209，这样对于夹具之间任意给定的距离，在相对的夹具430，421之间形成的吸引力比现有技术的更大。
如果利用梳状驱动指211、212的内接合将可动电极组件208、209保持在其全偏转位置，则为了保持可动电极组件208、209在其全偏转位置而必须对固定电极组件210、230施加的电压，约比必须加到固定电极组件的电压小4倍。或者，为了提供同样的夹持力，可对更少数量的梳状驱动指或齿211、212施加满电压。
在致动器301中，电极或夹持电极420与421都包括多个小的指状延伸部分422，它们沿着梳状驱动杆间隔开并且垂直于梳状驱动杆延伸。延伸部分422的长度范围为3至35微米，较佳地为5至15微米，更佳地为约13微米。当电极420、421相互靠紧而增大在指状电极420、421之间施加吸引力的表面积时，延伸部分或齿218至少部分地叉指。夹具420、421可以没有延伸部422，而是扁平的，或者具有其它构造，这些都包括在本发明范围内。
如果可动电极组件208b从缩回位置被各自的梳状驱动件210a、208b的夹具420、421松开，可动电极组件208、209就在静止位置附近来回摆动，当致动器101的Q值为14时，其幅值每半周期减小10％。相应地，当电极组件208、209离静态位置的初始缩回距离为100微米时，除非利用可动电极组件209与固定电极组件230的静电互作用对系统作附加的功，否则相对的夹持电极421、420必须在其间显现出足够的吸引力，以在其向伸出位置最大偏移90微米的情况下抓住可动电极组件208、209。
在图22所示的另一个静电微型致动器实施例中，致动器501由硅片形成，其弹簧214、217设计成非直线的，因为当处于静态的不偏转状态时，为“弯曲”状态。致动器501基本上类似于致动器101、180、301，同样的标号代表致动器101、180、301、501的同样元件。当往复件109在其缩回与伸出位置中间处于其静态状态时，致动器501中每个弹簧214、217的弹性部分224、225相互弯曲。本例中，由于往复件109从其原来位置移到其缩回位置，而且第二可动电极组件209和第二固定电极组件230的梳状指211、212静电接合后重叠，弹簧217就从其预弯曲的原来位置拉直成直线位置。同样地，由于往复件从其原来位置移到其伸出位置，而且第一或动电极组件208和第一固定电极组件210的梳状指211、212接合后重叠，因而弹簧214从其预弯曲的原来位置拉直成直线位置。在每一种情况中，在垂直于各个梳状驱动指211的方向，各弹簧的弹性部分224、225的侧向抗偏离能力提高了，因此弹性部分沿这个方向变成直线了。这样，各弹簧的侧向抗偏离能力和这种弹簧对这种梳状驱动指211施加的侧向回复力的增大是梳状驱动指211、212之间重叠量的函数。这样，弹簧214、217促使工作梳状驱动组件的梳状驱动指211进入相邻梳状驱动指212之间中间的稳定位置，因此梳状驱动指211、212变成叉指状。虽然弹簧214、217在沿一个方向偏转时拉直了，但是当往复件109反向移动时，弹性部分224、225相互从其静态位置变得更弯了。
尺寸与组成大体上类似于弹簧214、217的第二组折叠式悬臂梁或弹簧561、562设置于致动器501。每个弹簧561、562在其第一端563耦合到衬底213，在其第二端564耦合到可动电极组件208、209。每组弹簧561、562包括被折叠部分568连接的第一与第二间隔开的平行弹性部分566、567。弹簧561、562在其折叠部分568连接在其部延伸且平行于刚性支承131的悬挂刚性支承567。支承131、569可以如图22那样刚性互连。弹簧561、562处于松开位置时，基本上垂直于电极组件208、209的移动方向延伸。具体地说，当往复件109在其缩回与伸出位置中间处于其静止状态时，弹性部分566、567相互弯曲离开，如图22所示。当第一可动电极组件208和第一固定电极组件210的梳状指211、212的重叠增大且往复件109移到其伸出位置时，弹簧562设计成拉直到直线位置。同样地，当第二可动电极组件209和第二固定电极组件230的梳状指211、212的重叠增大且往复件109移到其缩回位置时，弹簧561设计成拉直到直线位置。虽然弹簧561、562在沿一个方向偏转时拉直，但是当往复件109反向移动时，弹性部分566、567相互弯曲和离其静止位置更远。弹簧561、562的操作与上述弹簧214、217的操作方式相同。
在这个四弹簧实施例中，致动器501每一端的一个弯曲弹簧对214或561和217或562最好是直的，而另一个弯曲弹簧对在可动电极组件208、209每个偏转极点应是弯曲的。为了像两个弯曲弹簧致动器101那样保持同样的正向抗偏离能力，致动器501中弹簧214、217、561、562的长度增加了26％。
图23是一曲线图，表示诸如致动器5014四弹簧214、217、561、562设计一类的四弹簧设计的组合侧向稳定性与弹簧偏转的相互关系。图23所指的侧向稳定性就是组合侧向抗偏离能力与组合侧的静电力的比值。在图23的曲线中，侧向稳定性值小于1为不稳定，大于1为稳定。图23中的“直梁”线指上述致动器101中弹簧214、217一类的梁。图23中的“预弯”线指致动器501中弹簧214、217、561、562一类的梁。弹簧214、217、561、562设计成在所有位置使侧向稳定性最大的位置是直的。最好是侧向稳定性的值在任何时候都至少为10。在致动器501中，每个弹簧214、217、561、562的初始弯曲为43微米，即每个弹性部分224、225、566、567的可动端离开弹性部分处于垂直于移动方向的直线位置的位置43微米，把最小侧向稳定性提高为10，如图23中曲线组4所示。为了从其在缩回与伸出位置中间的原来位置或松开位置将镜子103偏转100微米的距离，致动器501需要154伏电压。从图23可看出，当镜子103从其原来位置移动约90微米时，弹簧214、217、561、562提供的侧向稳定性约为100，弹性部分243、244、566、567在这一镜子位置是直的。
致动器501能以类似于上述致动器101、180、301的操作方法操作。随着梳状驱动件208、209的侧向偏转，弹簧214、217、561、562提供的稳定的侧向力增大得比叉指型梳状驱动指211、212之间产生的静电侧向力更快。在图23的例子中，稳定的侧向力随着侧向偏转增大得至少比静电侧向力快10倍。
在致动器或电机501的一种较佳操作方法中，如图22所示，当梳状驱动指211、212处于其第二位置(部分电气接合，更佳地只是电气接合)时，脉冲电压在任一特定的半行程期间加到操作的梳状驱动组件，即其梳状驱动指211、212在这种半行程期间进入叉指的梳状驱动组件。由于对于给定的电压，梳状驱动指之间的侧向不稳定性力正比例于它们的接合量，所以当在梳状驱动指211、212的第二与第三位置之间的第一接合部分期间(较佳地在第三位置完全接合梳状驱动指之前，更佳地在梳状驱动指211、212从0到25％接合的时间间隔内)施加电压时，侧向不稳定性力可以减至最小。
正向或伸出移动限制装置或限制器571和反向或缩回移动限制装置或限制器572设置在可动电极组件208、209的延伸部分218上，当电极组件208、209处于其伸出与缩回位置时，用于接合固定止动块573。止动块573电气耦合到电接合片264和控制器111，因而该控制器能监视致动器501以至开关104位置。应该理解，致动器501可以配备致动器301所揭示类型的夹具420、421和／或针对致动器101、180、301所述的其它装置，这些都包括在本发明范围内。
图24示出本发明另一致动器实施例。在该较佳实施例中，配置的致动器602有单个的固定电极组件210，用于吸引单个可动电极组件208。致动器602类似于上述的致动器101与501，用同一标号代表致动器101、501、602的同一元件。可动电极组件208只包括第一梳状驱动件208a，固定电极组件210只包括第一梳状驱动件210a。仅设置了图22所示针对致动器501的弹簧214、562。弹簧214、562。用基本上类似于上述支承131和569的悬挂刚性支承606互连。致动器602的单个固定电极设计仅在镜子103的伸出位置中呈现侧向不稳定性，因为固定电极210和可动电极208的梳状驱动指211、212之间的弯折侧向力只有在电极组件208以这一方向移动且梳状驱动指211、212变成叉指时才产生。结果，需要只在可动电极组件208处于伸出位置时才拉直的预弯曲弹簧214、562。夹持电极420设置在梳状驱动件210a的梳状驱动杆222上，相对的夹具421垂直于电极组件208的移动方向伸出，并通过桁架部216刚性连接到梳状驱动件208a。致动器602的可动件或往复件607包括第一梳状驱动件208a、夹持电极421、桁架216、延伸部分218和托架219。
在图24的示例性致动器602实施例中，弹簧214、562预弯曲46微米。梳状齿的间距最好是18微米。夹具420、421的平表面最好是800微米长、80微米高。当夹持电极421抵住反向止动块292且反向止动块680与止动块682接合时，夹具420、421分开5微米。虽然图24中的夹具420、421是扁平的，但是应该理解，它们也可包括图30所示的延伸部分422。
与图20的致动器301相反，图24的致动器602应用了不对称设计，其中的伸出位移略大于缩回位移。例如，图24的致动器602的伸出距离为112微米，缩回距离为100微米。起初将电压施加于固定电极210，在梳状驱动指212、211的静电吸引力作用下，将可动电极部分208偏转到伸出位置保持不动。在切换期间，若希望将镜子103缩回偏出激光束191的光路，就去除固定电极组件210上的静态电压，可动电极组件208和往复件607就偏向缩回位置，并被夹具420、421之间的静电力保持在那里。在往复件607从其伸出位置反偏期间，弹簧214、562对其提供初始机械缩回力。在图24示例性的致动器602实施例中，可动电极组件209保持在离静止位置112微米的伸出位置上，然后松开，则组件209将偏过其原来位置100微米朝向缩回位置，被夹具420俘获。
图25的曲线表示，致动器602的侧向稳定性是偏转的函数，图26的曲线表示，致动器602中夹持电极420、421的夹紧力是夹持电极之间分隔距离的函数。如这些曲线图所示，在196伏和最小安全边际为20的条件下，致动器602向后偏转112微米。例如，以适当的Q值14，即使没有夹具420、421的拉动，可动电极部分208仍将一直偏移到反向止动块680。这样，致动器602更大的正向伸出距离允许往复件607与镜子103反向偏移到全缩回位置，无须将附加的功输入致动器。在缩回位置中，悬架或弹簧214、562对可动电极部分208加一97μN拉力，如图26中标为“要求的夹力”的水平实线所示。如图26中标为“平行板夹具”的虚线所示，当夹具间隔距离为15微米时，该力可用夹具420、421克服。从图26可看出，当夹具保持离止动块680与292的距离为5微米时，夹具420、421的实际保持力为900μN。止动块680和292用于防止夹持电极420、421间的接触。
上述较佳实施例使用单侧固定电极设计从可动电极组件208的原来位置或中间位置移动+／-100微米距离。此外，减小该较佳实施例的面积和质量，可降低成本与切换速度。如下面要讨论的，缩短致动器602的长度，可以并排设置两个致动器。
在切换应用中，独立地验证镜子103的位置很重要。在静电微型致动器602中，附加电极可以配入机械止动块。当致动器602中的镜子103处于伸出位置时，可动电极部分208的正向限制器681处于接合状态并与止动块682电接触。止动块682经引线686电气耦合到电接合片687，后者可以电气耦合到控制器111。同样地，当镜子103保持在缩回位置时，反向限制器680处于接合并与止动器电接触。这样，控制器111能以电学方式检测可动电极组件208与镜子103的位置，确认致动器602和任何开关或配有一个或多个致动器602的其它装置的状态。限制器680、681和止动器682都包含在致动器602的移动止动装置里。
图24的致动器602可以扩展包含一组以上的协同内接合梳状驱动件208a、210a。例如，基本上类似于致动器602的不对称致动器603示于图27，同一标号代表致动器602和603的同一元件。致动器603的可动电极组件208配备了四个纵向间隔开的梳形驱动件208a。致动器603的固定电极组件210配备了四个纵向间隔开的梳状驱动件210a。致动器603配有四组协同操作的夹持电极420、421。随着电极组件208、210数量的增加，每组电极组件208、210的宽度减小了，因而对于伸缩镜子103必需的任一给定的力，致动器603的宽度也会减小。这样，激光束191、192因沿着这里揭示类型的光学微型开关的中心传播而必须保持光学准直的距离缩短了。
图28-29示出的一种致动器或静电微型致动器701像图24所示的致动器602一样，其致动器501的某些元件示于图22，但是仅有单个固定电极组件和单个可动电极组件。用同一标号表示致动器701、501、602中同样的元件。致动器701的可动电极组件209仅包括梳状驱动件209a，固定电极组件230只包括梳状驱动件230。致动器501的悬臂弹簧561、217设置在致动器701中，弹簧561、217由基本上类似于上述支承606的悬挂刚性支承711互连。像致动器602一样，致动器701仅在可动电极组件209的一个极端位置上呈现侧向不稳定性。具体而言，只有在可动组件209移到其缩回位置时(其中梳状驱动指211、212变成叉指状)，才在可动电极组件209的梳状驱动指211与固定电极组件230的梳状驱动指212之间产生侧向力。当可动电极组件209处于其缩回位置时，弹簧561、217的各弹性部分566、567和224、225便拉直到在致动器701的横向具有最大抗偏离能力的直线位置。夹持电极420设置在固定梳状驱动件230a的梳状驱动杆222上。相对的夹具421垂直于移动方向伸出，并在一端由托架部218刚性连接到梳状驱动件209a。弹性部分564的第二或自由端567固定到夹具421的另一端。致动器701的可动件或往复件712包括第一梳状驱动件209a、夹持电极421、桁架216、延伸部分218和托架219。
致动器701的工作方式基本上类似于致动器602，不同之处在于，当镜子在弹簧561、217的正向弹性力作用下移到伸出位置后，利用协同内接合梳状驱动件209a、230a把镜子103移到缩回位置，并利用相对的夹具420、421将可动电极组件209与镜子103保持在伸出位置。致动器701的不对称设计提供的缩回距离大于正向伸出距离。因此，往复件712可从其缩回位置摆动到伸出位置，足以使夹具420、421接合而无需对系统输入附加的功。
如图28-29所示，通过将容器776和矩形凹口或插座777DRIE蚀刻到托架219里并将栓部778加到镜子103，可以实现将镜子103精密地装在托架219上。镜子栓部778一旦插入插座777，就能用诸如粘胶688等任何合适的粘接方法把镜子103粘合在容器776的适当位置上。托架可选地包含一个蚀刻的弹性部分779，使镜子103在粘合前保持对准。不含弹性部分779的镜子组件示于图22，配上弹性部分779的镜子组件示于图29。
另一种装置也可把镜子103固定于托架219。例如，类似于致动器701的用硅片形成的致动器801示于图30，其电极组件的布局类似于致动器603。用同一标号表示致动器701和801的同一元件。致动器801的可动电极组件209有四个纵向间隔开的梳状驱动件209a，固定电极组件230有四个纵向间隔开的梳状驱动件230a。致动器801配有四组协同操作的夹持电极420、421。致动器801的托架219通过DRIE蚀刻形成，提供的容器802在其每一端具有直立的肩部803。镜子103通过粘胶688等任何合适的粘合方法保持在容器802内。配备的保持装置或保持件采取悬挂的拇指形柱804的形式，它用致动器801的硅片经DRIE蚀刻而成，用于在粘合期间将镜子103对准并保持在容器802内。柱804牢固地连接至硅片一部分805，并通过颈部806连接到衬底213。不对称致动器801的缩回距离大于致动器的正向伸出距离。
在致动器801的操作使用中，往复件712反抗弹簧561、217的回复力向后缩回，将镜子103放在托架219上。之后当往复件712松开时，镜子103就向前伸出，直到镜子的反射面与柱804的自由端接合。弹簧5611、217的回复对镜子103施加约50μN的力，在粘胶施加和固化期间，该力足以将镜子垂直于衬底213的表面对准并把镜子保持在适当位置。在这样把镜子103连接到托架219后，使柱804上宽度减小的颈部806断裂，去除柱804。
在本发明另一个致动器或静电微型致动器实施例中，致动器951配有致动装置或致动器952，用于把镜子以机械方式锁定在其全伸出和全缩回两个位置上(见图31)。致动器951基本上类似于致动器602，用同一标号代表致动器951与602的同一元件。锁定机构或辅助电动机952基本上类似于致动器951的主电动机，它包括第一梳形驱动件208a与第一梳状驱动件210a。辅助或闩锁电动机950在硅片或衬底213上用DRIE等任何合适的方式形成，它包括往复件956，可在第一或缩回位置与第二或伸出位置之间以垂直于往复件607移动方向的方向移动。往复件956包括用多个梳状驱动件958形成的可动电极组件957，驱动件958沿着细长框架部961的长度纵向间隔开。框架部961平行于闩锁电机052的移动方向延伸。每个梳状驱动件958有一在其一端固定到框架部061的梳状驱动杆962，且垂直于框架部延伸。多个梳状驱动指963从梳状驱动杆962的一侧延伸，在杆962上纵向间隔开。
致动器951的梳状驱动组件还包括一个与可动电极组件957协同内接合的固定电极组件966。固定电极组件966包括多个装在衬底213上的梳状驱动件967。每个梳状驱动件967在一对相邻的梳状驱动件962之间间隔开，它用置成与梳状驱动杆962平行的梳状驱动杆968形成。多个梳状驱动指969与梳状驱动杆968形成一体，并向梳状驱动指963延伸以与其协同内接合。可动与固定电极组件957、966电气连接到类似于上述电接合片240-242的电接合片(未示出)，让闩锁电动机952电气连接到控制器111。
往复件956利用置于往复件956一端的弹性件或弹簧976和置于往复件相对端的弹性件或弹簧977悬挂在衬底213上方。弹簧976与977分别与弹簧214与562大体相同。用同一标号表示弹簧976、977和214、562的同一元件。基本上类似于刚性支承606的刚性支承978悬在衬底213上方，在弹簧976与977的折叠端之间延伸。
协同内接合梳状驱动件958与967的梳状形驱动组件的操作方法与上述梳状驱动组件相同，但是梳状驱动件958、967可在第一或静态位置(其中梳状驱动指963、969在梳状驱动指963、969的端部处于垂直于往复件956移动方向延伸的直线中的位置上间隔开)与梳状驱动指963、969叉指的第二位置之间移动。往复件956被梳状驱动件958、967之间的静电力向后拉，并被弹簧967、977的机械力向前推。闩锁电机952通常在其图31所示的第一位置上常闭合。
往复件956具有一个带销982的延伸部分981，可在伸出与缩回位置之间移动。销982一般处于其伸出位置。致动器951的托架219配有第一与第二间隔开的止动块984与983，在其间形成一凹口，当往复件607处于其松开位置时接纳销982。
在操作使用中，当希望将镜子103移到其缩回位置时，就启动闩锁电动机952，从而在梳状驱动件958、967之间的静电力使往复件956向后缩回拉动销982。现在由于镜子103缩回了，第二止动块984可以绕过销982。接着对闩锁电动机952去激励，因而弹簧976、977促使往复件956进到其常闭位置(其中销982接合第二止动块984的底端)，从而阻碍托架219和镜子103延伸。以同样的方法，可由闩锁电动机952将销982缩回，让镜子103伸出。闩锁电动机952一旦去激励，销982就延伸而接合第一止动块顶端，并把镜子103锁在其伸出位置。往复件956一旦缩回，每个弹簧976与977就从其静态弯曲位置移到直线位置，这样就对可动梳状驱动指963提供一侧向稳定力，因为它们与固定梳状驱动指969叉指在一起。
闩锁电动机952允许镜子103锁定在其全伸出或全缩回位置，无须向致动器951加电压，这有利于将致动器951应用于通信或网络系统。在图示的实施例中，当配上200伏输入信号时，闩锁电动机952具有4微米偏转，并具有8KHz谐振频率。尽管致动器951没有上述任一类型的静电夹持电极，但是应该理解，致动器951能配备这类夹持电极，这也包括在本发明范围内。
在另一实施例中，配备的致动器具有第一组将镜子保持在其缩回位置的静电夹持电极和第二组将镜子保持在其全伸出位置的静电夹持电极。图32所示的致动器1001基本上类似于上述的致动器701，用同一标号表示致动器701与1001的同一元件。致动器1001的梳状驱动组件包括可动梳状驱动件209a与固定梳状驱动件230a。可动梳状驱动件109a包括梳状驱动杆221和多个沿杆221长度纵向间隔开的细长梳状驱动指1002。每根梳状驱动指1002有一固定到梳状驱动杆221的近端部分1002a与一离开杆221设置的远端或自由端部分。
每根梳状驱动指1002的近端部分1002a比梳状驱动指的其余部分更宽，因而梳状驱动指远离近端部分1002a而缩小。具体地说，每根梳状驱动指1002的近端部1002a的宽度范围为梳状驱动指均衡宽度的100％-300％，较佳地为130％-190％，更佳地约为165％。展宽的近端部分1002a的长度范围是梳状驱动指长度的1％-30％，较佳地为5％-15％，更佳地为8％。
固定梳状驱动件230a的尺寸与形状基本上类似于梳状驱动件209a，并由多根基本上类似于梳状驱动指1002的梳状驱动件指1004形成。具体而言，每根梳状驱动指1004有一与近端部分1002a一样的展宽近端部分1004a和一个自由端部分1002b一样的变窄远端或自由端部分1004b。
第一夹持电极420设置在梳状驱动杆222的背面与梳状驱动指1004相对。第二夹持电极421连接成垂直于桁架部分216，平行于梳状驱动杆222延伸。每根电极420与421配有沿其纵向间隔开的指状延伸部分422。
梳状驱动件209a、230a可在第一位置、第二位置和第三位置之间移动。在第一位置中，梳状驱动指1002、1004间隔开，夹持电极420、421相互靠紧；在图32所示的第二位置中，梳状驱动指1002、1004正在静电互作用，且其自由端沿垂直于梳状驱动指延伸的一条直线设置；在第三位置中，梳状驱动指1002、1004为叉指状态，因而一组梳状驱动指的远端部紧靠另一组梳状驱动指的展宽或扩大的近端部分。具体地说，当梳状驱动件209a、230a处于第三位置时，梳状驱动指的自由端部就在相对组梳状驱动指的扩大近端部分之间延伸。
在操作使用中，致动器1002的起动步骤如上所述。通常，控制器111将脉冲电压电位加在梳状驱动件109a、230a两端，使往复件712以其谐振频率振动。最好在梳状驱动件处于其第二位置时加脉冲信号，使梳状驱动指1002、1004之间的侧向不稳定性最小。在反向半行程期间，静电梳状驱动件209a、230a使往复件712从其图32所示的松开或中间位置缩回。在正向半行程期间，弹簧217、561的回复力使往复件712从其缩回位置伸出。往复件一旦移动到图32所示的其松开位置后面的伸出位置，弹簧217、561还帮助往复件缩回。
往复件712一旦振动到其最小幅值，可用致动器1001的第一与第二组静电夹持电极将往复件保持在其全缩回或全伸出位置。当往复件处于其全缩回位置时，可在全叉指的梳状驱动指1002、1004两端加一电压电位，使梳状驱动指的扩大近端部分1002a、1004a相对于相对的梳状驱动指的自由端部分1004b、1002b起到夹持电极的作用。当往复件712处于其全伸出位置时，可在梳状驱动件209a、230a两端加一电压电位，在夹具420、421之间提供静电吸引力，将往复件712与镜子103保持在其全伸出位置。最好在往复件712靠近其极端位置之一且最好在其极端位置5％以内时对致动器1001的夹持电极施加电压电位。相应地，对于向其全缩回与全伸出位置偏转100微米从而总行程长度为200微米的往复件712，在行程的最后5微米将电压电位加在相对的夹持电极之间。
可以提供本发明的致动器实施例，其中至少有一梳状驱动件具有长度变化的梳状驱动指。图33中的致动器1021是个例子。致动器1021基本上类似于致动器602与1001，用同一标号表示致动器602、1001与1021的同一元件。致动器1021中可动电极组件209的梳状驱动件209a具有多根沿梳状驱动杆221的长度纵向间隔开的细长梳状驱动指1021。指1022基本上类似于上述的指212，但是指的长度有变化。具体而言，指1022的长度穿过梳状驱动杆221呈线性增大。最长的梳状驱动指1022基本上与相对的固定梳状驱动件238中的每根驱动指211的长度相同。最短的梳状驱动指1022的长度范围是最长梳状驱动指1022长度的0％到略小于100％，较佳地为5％-50％，更佳地为约10％。
往复件712可从第一位置移动到第二和第三位置。在第一位置中，梳状驱动件209a与230a间隔开，夹具420与421不处于协同静电接合；在图33示出的第二位置中，梳状驱动指211与最长梳状驱动指1022沿垂直于梳状驱动指延伸的直线设置；在第三位置中，梳状驱动指211与1022处于全协同叉指状。
在操作使用中，梳状驱动指1022变化的长度提供的静电吸引力从最长梳状驱动指1022开始与梳状驱动件指211协同静电接合的点到最短梳状驱动指1022开始与梳状驱动指211协同静电接合的点，近似呈线性增大。结果，在相对的梳状驱动指之间的静电吸引力增大到大于弹簧217、561的相对的正向弹力后，往复件712的进一步偏转使静电吸引力进一步增大，从而迅速地将镜子103移到其全缩回位置。梳状驱动指1022允许较大的静电吸引力，可设置较大正向弹力的弹簧217、561，从而提高了致动器1021的缩回频率。
虽然梳状驱动指1022的长度示出为从梳状驱动件209a的一端到另一端呈线性增加，但是应该理解，可以设置梳状驱动指尺寸其它变化结构的梳状驱动件。另外，应该理解，与梳状驱动件230a相对的梳状驱动指211也可配以不同的长度，这也包括在本发明范围内。
本发明的致动器可以配备更大的结构以提供更大的力。这方面提供了一种基本上类似于致动器501的静电微型致动器1201，其中央的刚性驱动杆1202基本上类似于连接器桁架216(见图34)。驱动杆1202沿着致动器1201的纵向中心轴1203在衬底213上方移动。用同一标号表示致动器501与1201的同一元件。在致动器1201中，包含的四个梳状驱动组件208、210用于将驱动杆1202从其原来位置或静止位置(图34)缩回到缩回位置，包含的四个不同的梳状驱动组件209、230用于将驱动杆1202从其静止位置伸出到伸出位置。在图34中，致动器1201向下移到其缩回位置，向上移到其伸出位置。
梳状驱动组件208、210设置在驱动杆1202与梳状驱动组件209、230相对的一侧。第一可动电极组件208的四个梳形驱动件208a、208b、208c、208d与可动驱动杆1202形成一体，并与驱动杆垂直地延伸，第二可动电极组件209的四个梳状驱动件209a、209b、209c、209d与该驱动杆形成一体，并沿梳状驱动件208a、208b、208c、208d的反方向与驱动杆垂直地延伸。第一固定电极组件210的四个梳状驱动件210a、210b、210c、210d装在衬底213上，与各梳状驱动件208a、208b、208c、208d协同接合，第二电极组件230的四个梳状驱动件230a、230b、230c、230d装在衬底213上，与各梳状驱动件209a、209b、209c、209d协同接合。
致动器1201用硅片形成，配有第一与第二弹簧214、217，它们被设计成非线性因而在处于静态不偏转状态下呈“弯曲”状。每个弹簧214、217在其第一端243耦合至衬底213，在其第二端224耦合到往复件109。当往复件109在其缩回与伸出位置的中间处于其静止状态时，致动器1201中每个弹簧214、217的弹性部分224、225相互弯曲。在本例中，随着往复件109从其原来位置移到其伸出位置，并且第二可动电极组件209与第二固定电极组件230的梳状驱动指211、212静电接合后相重叠，弹簧217从其预弯曲的的原来位置拉直到直线位置。同样地，随着往复件109从其原来位置移到其缩回位置，并且第一可动电极组件208与第一固定电极组件210的梳状指211、212接合后相重叠，弹簧214从其预弯曲的原来位置拉直到直线位置。在每一种情况下，各弹簧弹性部分224、225的侧向抗偏离能力在垂直于各梳状驱动指211的方向增强了，这样弹性部分就在该方向变成直线。以这种方法，各弹簧的侧向抗偏离能力和弹簧对梳状驱动指211施加的侧向回复力随着梳状驱动指211、212之间的重叠量而增大。因此，弹簧214、217促使操作的梳状驱动组件的梳状驱动指211进入相邻梳状驱动指212之间的中间稳定位置，从而梳状驱动指211、212变为叉指状。虽然弹簧214、217沿一个方向偏转时被拉直，但是当往复件109反向移动时，弹性部分224、225就从其静止位置变得相互更弯曲了。
设置在致动器1201中的第二组折叠式悬臂梁或弹簧561、562基本上在尺寸与组成方面类似于弹簧214、217。每个弹簧561、562在其第一端563耦合至衬底213，在其第二端564耦合至往复件109。每组弹簧561、562包括用折叠部分568连接的第一与第二间隔开的平行弹性部分566、567。弹簧561、562处于松开位置时，基本上垂直于电极组件208、209的移动方向延伸。具体地说，如图34所示，当往复件109处于其缩回与伸出位置中间的静止状态时，弹性部分566、567相互弯曲离开。随着第一可动电极组件208与第一固定电极组件210的梳状指211、212重叠的增大，并且往复件109移到其缩回位置，弹簧562设计成拉直到直线位置。同样地，随着第二可动电极组件209与第二固定电极组件230的梳状指211、212重叠的增大，并且往复件109移到其伸出位置，弹簧561设计成拉直到直线位置，但是当往复件109反向移动时，弹性部分566、567从其静止位置变得相互更弯曲而离开。弹簧561、562的操作方法与上述弹簧214、217相同。
弹簧217、561设置在驱动杆1202一侧梳状驱动组件209、230的相对端，弹簧214、562设置在驱动杆1202另一侧梳状驱动组件208、210的相对端。弹簧214、217、561、562的第一端部243、563固定到衬底213紧靠纵向中心轴1203。弹簧217、561用悬挂刚性支承1210连接在其各个折叠部分245、568，支承1210基本上类似于在其间延伸且平行于驱动杆1202的刚性支承131。弹簧214、562用悬挂刚性支承1212连接在其各折叠部分245、568，支承1212基本上类似于在其间延伸且平行于驱动杆1202的刚性支承131。在致动器1201的四弹簧实施例中，致动器501每一端的一个弯曲弹簧对214或561和217或562最好是直的，而另一弯曲的弹簧对在可动电极组件208、209和往复件109每一端偏转极处是弯的。如上所述，弹簧214、217、561、562和往复件109都具有高的平面外抗偏离能力。
致动器1201能以上述致动器501同样的方法操作。正向或上端或驱动杆1202用于对适当的目标施加力或推动。随着梳状驱动件208、209的侧向偏转，弹簧214、217、561、562、提供的稳定侧向力比叉指的梳状驱动指211、212之间产生的静电侧向力增大得更快。在图34例中，随侧向偏转的稳定的侧向力增大得比静电侧向力至少快10倍。设置在驱动杆1202两侧的梳状驱动组件增大了致动器1201的力，无需增大致动器的长度与驱动杆1202的长度。
反向或缩回移动限制装置或限制器1216设置在驱动杆1202的后端，在往复件109处于其缩回位置时用来接合装在衬底213上的固定止动块1216。应该理解，致动器1201可以配备或不配备针对本文的致动器上述的夹具420、421和／或其它装置，这包括在本发明范围内。
图35示出应用本发明微型致动器的另一个光学微型开关实施例。图示的光学微型开关1301用微芯片1302形成，微芯片的单一输入口1303耦合到微芯片1302上至少一个输入光携带元件或光纤98。沿微芯片1302一侧设置的三个出口1304耦合到诸如单模保偏(PM)光纤97等各个合适的光学元件。图35只示出了光纤97、98部分。微芯片1302配有在输入口1303开的用于接纳输入光纤98的沟道或槽1307，以及微芯片1301在出口1304侧开的用于接纳各输出光纤97的沟道或槽1308。纵轴1311沿着光开关1301的通道或过道1312平行于入口1303而垂直于出口1304延伸。
两个致动器1001沿着虚线设置成纵向间隔开的位置，虚线与纵轴1311平行延伸并与之间隔开。第一与第二致动器1001的镜子103都相对于纵轴1311倾斜45度角，以再引导诸如由入口光纤98提供的线偏振激光束191等合适的输入激光束通过90°角。各致动器1001的镜子103装在托架219上，引导致动器1001的激光束向前通过相对于纵轴1311置成与致动器1001相对的各出口1304。通过各致动器1001的往复件712，每块镜子103可在镜子103偏出激光束191光路的第一或缩回位置与镜子103处于激光束191光路中的第二或伸出位置之间移动。固定止动块292、293限制往复件712移动以确定镜子103的缩回与伸出位置。应该理解，光开关830可以配备致动器1001，用于引导激光束191退向该致动器，这包括在本发明范围内。
基本上类似于镜子103的镜1316，用第一与第二致动器1001镜子103后面过道1312顶部的托架1317牢固地装到微芯片1302。镜1316的操作方法基本上与镜子103一样，当第一与第二致动器1001的镜子103均处于缩回位置时，用于使激光束191偏转通过第三输出口1304。诸如常规超小型渐变折射率准直透镜102等合适的透镜设置在输入口1303的内侧，透镜102设置在每块镜子103、1316与各槽1303的入口之间。以上述对致动器采用的同样方法，用具有衬底213的硅片形成光学微型开关1301及其致动器1001。
虽然把光学微型开关描述成应用两个静电微型致动器1001，但是应该理解，可以提供类似于光学微型开关1301或本文所述的任一其它开关并且具有少于两个或多于两个本文所述类型的静电微型致动器的开关，这也包括在本发明范围内。
从上述描述可以看出，已经提供的光开关或光学微型开关应用了至少一个其中具有至少一个梳状驱动组件的静电微型致动器。在一个简单的实施例(未示出)中，其光学微型开关配有单个静电微型致动器。梳状驱动组件中的侧向不稳定性力被减到最小，梳状驱动组件的谐振特性用来实现大的偏转。在若干实施例中，多个静电微型致动器沿着至少一条微型开关过道对准。该光开关可应用于磁光数据存储系统。
虽然已参照梳状驱动微型致动器的特定实施例和应用梳状驱动微型致动器的光学微型开关的特定实施例描述了本发明，但是本发明范围宽广得足以包括对上述揭示内容进行修改、变更与替代的各种实施例。某些实施例的特点能与其它实施例的特点相结合，这包括在本发明范围内。另外，上述的夹持电极、抗偏离弹簧与其它相关的元件可以单独地或联合起来应用于不止一个致动器。本文揭示的微型开关可使用不带梳状驱动组件的致动器。此外，本文揭示的任何一种微型开关均能与各种其它微型致动器联用。上述所有内容都可应用于磁光数据存储与检索系统或各种包括通信系统与网络系统的其它系统。
权利要求
1．一种与沿一条路径延伸的激光束一起使用的光学微型开关，包括本体，它具有一个适用于接收所述激光束的输入端口和多个输出端口；由本体携带的至少一个镜子和至少一个微型电动机；连接装置，用于把至少一个镜子耦合到至少一个微型电动机，由此至少一个微型电动机移动至少一个镜子从激光束路径外的第一位置到激光束路径内的第二位置，以将激光束引至输出端口之一，至少一个微型电动机具有至少一个静电直线致动器，用于移动至少一个镜子至第一和第二位置之一；以及控制器，它在电气上耦合到至少一个微型电动机，用于对微型电动机提供控制信号。
2．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，它与多个磁光盘表面、多个浮动头和多个输出光携带元件相组合，每个浮动头可在一个磁光盘的表面上方移动，并且输出光携带元件之一耦合至每个浮动头。
3．如权利要求2所述的光学微型开关，其特征在于，多个磁光盘表面包括磁光盘的叠层，每个磁光盘具有至少一个磁光盘表面。
4．如权利要求2所述的光学微型开关，其特征在于，激光束由磁光盘表面之一反射，以产生具有偏振旋转的反射激光束，所述光学微型开关还包括一个由本体携带的光学微型组件，用于测量所述反射激光束的偏振旋转。
5．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，多个镜子和多个微型电动机包括第一组多个镜子和相应的微型电动机以及第二组多个镜子和相应的微型电动机，激光束的路径可在第一组多个微型电动机和第二组多个微型电动机之间延伸，从而第一组多个微型电动机相对于激光束的路径面对第二组多个微型电动机。
6．如权利要求5所述的光学微型开关，其特征在于，第一组多个镜子和相应的微型电动机沿第一假想直线直线地设置，而第二组多个镜子和相应的微型电动机沿第二假想直线直线地设置，第二假想直线平行于第一假想直线和激光束的路径延伸。
7．如权利要求5所述的光学微型开关，其特征在于，第一组多个微型电动机包括沿第一假想直线并排设置的至少两个微型电动机，第一假想直线垂直于激光束的路径延伸，而第二组多个微型电动机包括沿第二假想直线并排设置的至少两个微型电动机，第二假想直线垂直于激光束的路径延伸。
8．如权利要求5所述的光学微型开关，其特征在于，第一组和第二组多个镜子的每个反射镜都倾向于沿单个方向引导激光束。
9．如权利要求5所述的光学微型开关，其特征在于，多个镜子和多个微型电动机包括第三组多个镜子和相应的微型电动机以及第四组多个镜子和相应的微型电动机，激光束的路径可在第三组多个微型电动机和第四组微型电动机之间延伸，从而第三组多个微型电动机相对于激光束的路径面对第四组多个微型电动机；以及包括一个附加镜子和相应的附加微型电动机的装置，用于有选择地引导激光束沿在第一组多个微型电动机和第二组多个微型电动机之间延伸的第一路径以及在第三组多个微型电动机和第四组多个微型电动机之间延伸的第二路径。
10．如权利要求9所述的光学微型开关，其特征在于，第一组和第二组多个镜子以及第三组和第四组多个镜子都倾向于沿单个方向引导激光束。
11．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，多个镜子和多个微型电动机包括至少一个第一镜子和相应的第一微型电动机以及至少一个第二镜子和相应的第二微型电动机，激光束的路径可在至少一个第一微型电动机和至少一个第二微型电动机之间延伸，从而至少一个第一微型电动机相对于激光束的路径面对至少一个第二微型电动机，并且多个镜子和多个微型电动机还包括至少一个第三镜子和相应的第三微型电动机以及至少一个第四镜子和相应的第四微型电动机，激光束的路径可在至少一个第三微型电动机和至少一个第四微型电动机之间延伸，从而至少一个第三微型电动机相对于激光束的路径面对至少一个第四微型电动机，以及包括一个附加镜子和相应的附加微型电动机的装置，用于有选择地引导激光束沿在至少一个第一微型电动机和至少一个第二微型电动机之间延伸的第一路径以及在至少一个第三微型电动机和至少一个第四微型电动机之间延伸的第二路径。
12．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，多个微型电动机包括沿垂直于激光束的路径延伸的一条假想直线并排设置的至少两个微型电动机。
13．如权利要求6所述的光学微型开关，其特征在于，设置至少12个镜子和相应的微型电动机，用于有选择地沿多个平行的方向引导激光束。
14．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，每个镜子包括硅层和附着于所述硅层的反射物质层，由此所述硅层提供低粗糙度和高度平坦的表面。
15．如权利要求14所述的光学微型开关，其特征在于，每个镜子还包括至少一对覆盖反射物质层的电介质层，至少一对电介质层包括低介电材料的第一层和高介电材料的第二层。
16．如权利要求1所述的光学微型开关，其特征在于，至少一个微型电动机包括用于限制在第二位置处的相应镜子移动的移动止动装置，用移动止动装置来提高所述光学微型开关工作的重复性。
17．如权利要求16所述的光学微型开关，其特征在于，还包括引线装置，用于在电气上把移动止动装置连至控制器，这样，移动止动装置允许控制器监视何时镜子在第二位置。
18．一种与沿一条路径延伸的激光束一起使用的光学微型开关，包括具有多个输出口的本体；由本体携带的多个镜子；耦合至每个所述镜子的装置，用于以静电方式在激光束路径外的第一位置与激光束路径内的第二位置之间驱动镜子，以将激光束有选择地引至输出口之一；以及控制器，它在电气上耦合至用于对其提供控制信号的装置。
19．如权利要求18所述的光学微型开关，其特征在于，它与设置在本体的各个输出口处用于有选择地接收激光束的多个输出光携带元件、多个浮动头和多个光盘表面相组合，浮动头可在各自的光盘表面上方移动。
20．一种静电微型致动器，其特征在于，它包括衬底；至少一个梳状驱动组件，其第一与第二梳状驱动件都配有梳状驱动指，第一梳状驱动件装在衬底上；第一与第二间隔开的梁状弹性件，至少一个梳状驱动组件设置在第一与第二梁状弹性件之间，第二梳状驱动件覆盖衬底，每个第一与第二梁状弹性件的第一端部固定到衬底，第二端部固定到第二梳状驱动件，将第二梳状驱动件悬挂在衬底上方，第二梳状驱动件可在第一与第二梳状驱动件的梳状驱动指完全不叉指的第一位置与所述梳状驱动指基本上叉指的第二位置之间移动。
21．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，第一与第二梁状弹性件在与第二梳状驱动件移动方向垂直的方向上都具有抗偏离能力，每个第一与第二梁状弹性件可在第一与第二位置之间移动，在第一位置中，当第二梳状驱动件处于第一位置时，梁状弹性件为非直线结构，在第二位置中，当第二梳状驱动件处于第二位置时，梁状弹性件为垂直于移动方向延伸的直线结构，因而当第二梳状驱动件处于第二位置时，第一与第二梁状弹性件在与移动方向垂直的方向上的抗偏离能力变得最大。
22．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，第二梳状驱动件仅用第一与第二梁状弹性件固定到衬底。
23．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，第二梳状驱动件在第一与第二梁状弹性件力的作用下，可从第二位置移到第一位置，微型致动器没有附加的梳状驱动组件，所述梳状驱动组件的第一与第二梳状驱动件有各自的梳状驱动指，其中所述附加梳状驱动组件的第二梳状驱动件可移动到某一位置，其中当首先命名的梳状驱动组件的梳状驱动指间隔开时，所述附加梳状驱动组件的梳状驱动指叉指。
24．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括垂直于第二梳状驱动件移动方向延伸的第一与第二静电夹持电极，第一与第二夹持电极可在第一与第二位置之间移动，在第一位置中，当第二梳状驱动件处于第二位置时，夹持电极间隔开，在第二位置中，当第二梳状驱动件处于第一位置时，夹持电极靠紧，因此当将电压电位加在置于相互靠紧的第二位置中的夹持电极时，夹持电极有助于将第二梳状驱动件保持在第一位置。
25．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括附加梳状驱动组件，它设置在第一和第二梁状弹簧件之间，并且具有第一和第二梳状驱动件，附加梳状驱动组件的每个第一和第二梳状驱动件设置有梳状驱动指，附加梳状驱动组件的第一梳状驱动件安装在衬底上，附加梳状驱动组件的第二梳状驱动件叠置在衬底上，并且通过第一和第二梁状弹簧件悬挂在衬底上方，梳状驱动组件的所第二梳状驱动件可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，附加梳状驱动组件的第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指彼此间隔开，在第二位置中，附加梳状驱动组件的第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指彼此交错，当首先命名的梳状驱动组件的第二梳状驱动件在第一位置时，附加梳状驱动组件的第二梳状驱动件处于第二位置。
26．如权利要求25所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括第一和第二静电夹持电极组，它们沿与第二梳状驱动件移动方向垂直的方向延伸，每个第一和第二夹持电极组具有可在第一位置和第二位置之间移动的第一和第二夹持电极，在第一位置中，夹持电极彼此间隔开，而在第二位置中，夹持电极相互靠近，当首先命名的梳状驱动组件的第二梳状驱动件在第一位置时，第一夹持电极组相互靠近，而当附加梳状驱动组件的第二梳状驱动件在第一位置时，第二夹持电极组相互靠近，由此当在处于第二位置相互靠近的所述夹持电极之间电压电位时，每组夹持电极便于保持第二梳状驱动件在它们的第一位置中。
27．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括微型电动机，它是正常闭合的，用于把第二驱动件锁定在其第一和第二位置。
28．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，每个第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指具有近端部分和远端部分，每个近端部分和远端部分都具有宽度，并且每个远端部分的宽度小于有关的近端部分的宽度。
29．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，至少一个第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指具有不同的长度。
30．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括将第二梳状驱动件的移动限制到第二位置的移动止动装置，因而移动止动装置有利于微型驱动器操作的重复性。
31．如权利要求30所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括控制器和引线装置，用于电气连接移动止动装置至控制器，由此移动止动装置允许控制器监视何时第二梳状驱动件处于第二位置。
32．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，第二梳状驱动件的梳状驱动指可在从第一位置至第二位置的半程内移动，在第一位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指间隔开，在第二位置中，所述梳状驱动指部分叉指，并且第二梳状驱动件的梳状指可在从第一位置至第三位置的半程内移动，在第三位置中，所述梳状驱动指完全叉指，控制器包括当只在半程的一部分期间用于在第一和第二梳状驱动件之间提供电压电位的装置，以促使第二梳状驱动件的梳状驱动指至第三位置。
33．如权利要求34所述的静电微型致动器，其特征在于，控制器包括当所述梳状驱动指部分接合而在所述梳状驱动件完全接合之前用于在第一和第二梳状驱动件之间提供电压电位的装置。
34．如权利要求32所述的建点微型致动器，其特征在于，还包括镜子和用于把镜子耦合到至少一个梳状驱动组件连接装置，连接装置包括在其内有凹口的托件，镜子具有在其上设置的用于安排在凹口中的栓部，以便于镜子在托件上的对准。
35．如权利要求20所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括镜子和用于把镜子耦合到至少一个梳状驱动组件连接装置，连接装置包括设有容纳镜子的容器的托件、用于把镜子固定在容器内的粘合装置、以及可卸地安装在衬底上的保持件，用于在固定是把镜子把持在容器中。
36．一种用于操作梳状驱动组件的方法，梳状组件具有第一和第二梳状驱动件，而第一和第二梳状驱动件带有各自的梳状驱动指，其中，第二梳状驱动件可相对于第一梳状驱动件在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指是间隔开的，在第二位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指是叉指的，其特征在于，包括下述步骤在谐振时振荡第二梳状驱动件，以把第二梳状驱动件移至第二位置，以及在固定期间把镜子保持在容器内。
37．如权利要求36所述的方法，其特征在于，保持步骤包括用静电力把第二梳状驱动件保持在第二位置中。
38．如权利要求37所述的方法，其特征在于，保持步骤包括用机械力把第二梳状驱动件保持在第二位置中。
39．如权利要求38所述的方法，其特征在于，还包括从第二位置释放第二梳状驱动件，以允许第二梳状驱动件移至第一位置的步骤。
40．一种静电微型致动器，其特征在于，它包括衬底；至少一个梳状驱动组件，其第一与第二梳状驱动件都配有梳状驱动指，第一梳状驱动件装在衬底上，而第二梳状驱动件覆盖衬底；以及至少一个梁状弹性件，它具有固定到衬底的第一端部和固定到第二梳状驱动件的第二端部，第二梳状驱动件可以沿在第一位置和第二位置之间的方向移动，在第一位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指实质上不完全叉指，而在第二位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指实质上完全叉指，至少一个梁状弹性件沿与第二梳状驱动件的移动方向垂直的方向具有抗偏离能力，并且可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，至少一个梁状弹性件处于非直线结构状态，并且当第二梳状驱动件在第一位置时出现，而在第二位置中，至少一个梁状弹性件处于沿垂直于移动方向延伸的直线结构状态，并且当第二梳状驱动件在第二位置时出现，由此当第二梳状驱动件从其第一位置移动到其第二位置时，提高了至少一个梁状弹性件沿与移动方向垂直的方向的抗偏离能力。
41．如权利要求40所述的静电微型致动器，其特征在于，第二梳状驱动件可以沿第一位置和第二位置之间的方向移动，在第一位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指是间隔开的，在第二位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指实质上完全叉指。
42．如权利要求41所述的静电微型致动器，其特征在于，还具有附加梁状弹性件，它具有固定到衬底的第一端部和固定到第二梳状驱动件的第二端部，附加梁状弹性件具有沿与第二梳状驱动件移动方向垂直的方向的抗偏离能力，并且可在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，附加梁状弹性件处于非直线结构状态，并且当第二梳状驱动件在第一位置时出现，而在第二位置中，附加梁状弹性件处于沿垂直于移动方向延伸的直线结构状态，并且当第二梳状驱动件在第二位置时出现。
43．如权利要求41所述的静电微型致动器，其特征在于，还包括垂直于第二梳状驱动件移动方向延伸的第一和第二静电夹持电极，第一和第二夹持电极可以在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，夹持电极间隔开，并且当第二梳状驱动件在第二位置时出现，在第二未知中，夹持电极相互靠近，并且当第二梳状驱动件在第一位置时出现，由此当在第二位置中相互靠近的夹持电极之间施加电压电位时，夹持电极便于使第二梳状驱动件保持在第一位置。
44．一种静电微型致动器，其特征在于，它包括衬底；至少一个梳状驱动组件，其第一与第二梳状驱动件都配有梳状驱动指，第一梳状驱动件装在衬底上，而第二梳状驱动件覆盖衬底，并且可沿在第一位置和第二位置之间的方向延伸，在第一位置中，第一和第二梳形驱动件的梳形驱动指实质上不完全叉指，而在第二位置中，第一和第二梳状驱动件的梳状驱动指实质上完全叉指；以及具有固定至衬底的第一端部和固定至第二梳状驱动件的第二端部的弹性装置，用于提供沿与第二梳状驱动件的移动方向垂直的方向的抗偏离能力，当第二梳状驱动件从其第一位置移动至其第二位置时，该抗偏离能力增大。
45．如权利要求44所述的静电微型致动器，其特征在于包括离开第一和第二梳状驱动件的装置，用于以静电方式把第二梳状驱动件固定在第一位置。
46．如权利要求45所述的静电微型致动器，其特征在于包括原理，用于以静电方式把第二梳状驱动件固定在第一位置的装置包括第一和第二夹持电极，它们可以在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中，夹持电极间隔开，并且当第二梳状驱动件在第二位置时出现，在第二位置中，夹持电极相互靠近，并且当第二梳状驱动件在第一位置时出现。
全文摘要
静电微型致动器(101)包括衬底(213)和至少一个具有第一与第二梳状驱动件(210a、208a)的梳状驱动组件,每个梳状驱动件配有梳状驱动指(212、211),第一驱动件装在衬底上,第二驱动件覆盖衬底。还包括第一与第二间开隔的梁状弹性件(214、217),至少一个驱动组件置于两个弹性件之间。弹性件第一端部(243)固定到衬底,第二端部(244)固定到第二驱动件。第二驱动件可在第一与第二位置之间移动。
文档编号G11B7/135GK1292945SQ99803875
公开日2001年4月25日 申请日期1999年1月12日 优先权日1998年1月13日
发明者J·H·杰曼, J·D·格雷德, J·D·德雷克 申请人:西加特技术有限责任公司