具有多面梳状电极的双轴微机电致动器的制作方法

专利名称：具有多面梳状电极的双轴微机电致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电致动器，尤指一种双轴的致动器(two-dimensional actuator)。
背景技术：
微机电镜面(MEMS mirror, Micro-Electro-Mechanical Systems mirror)在光 学应用的广大领域中具有极大潜力，包括雷射投影显示(laser projection display)、光 通讯(optical communication)，共焦显微镜(confocal microscope)、雷身寸雷达(laser radar)等。而在一些光学扫描应用如雷射扫描投影显示(scanning projection display) 中，镜面须在预定的驱动条件下以特殊频率达成大光学扫描角度。大光学扫描角度亦是光 学解析度及缩小产品材积的关键。对扫描镜面而言，设计一能产生大作动力的致动器的需 要性即深具有挑战性。目前现有的静电式双轴微机电致动器可分类为平行板电极(parallel plate electrodes)及梳状驱动电极(comb drive electrodes)。就平行板电极而言，驱动 电极一般设在可动的镜面下方，而在驱动电极之间产生电压差，其亦视为反向电极 (counter-electrode)。由于静电吸引力反比于镜面与其下方所设驱动电极之间的距离，在 实际运作中，通过平行板电极致动的镜面无法具有大光学扫描角度。另一方面，梳状驱动电 极设计成交错排列而能避免平行板电极如此限制，因此较适用于须具有大光学扫描角度的 应用上。美国专利US7, 271，946B2揭示一双轴的微镜面结构。该梳状电极驱动致动器将其 垂直梳状电极驱动致动器设计成堆迭的三层建构以容许双向转动的镜面。该堆迭的垂直梳 状电极驱动致动器需要两倍的水平梳状电极驱动致动器空间以容许双向转动的镜面。而且 相较于水平梳状电极驱动致动器，该堆迭三层建构的垂直梳状电极驱动致动器在制程中可 能须要较高的精密度。美国专利US6, 819，822B2揭示一具有环架式建构(gimbaled architecture)且由 垂直交错排列的梳状电极所驱动的双轴的微机电扫描器。该环架式建构的内部件(inner part)可通过两组垂直梳状电极的作动所独立控制以容许绕两独立转轴的转动。美国专利US7. 205，174及US7, 329，930，中国台湾发明第1253436号及中国发明 专利号ZL200410039670. 0(证书号第348867号)，乃本案的发明人所发明并取得的发明专 利，其揭示一具有水平梳状电极及垂直梳状电极的微机电梳状电极驱动致动器的设计及制 造方法。该多面梳状电极驱动设计与垂直梳状电极驱动致动器相较，能加大致动力及增加 可动件的光学扫描角度器。本发明利用多面梳状电极以将US7，329，930(即中国台湾发明 第1253436号及中国发明专利号ZL200410039670. 0)所揭示的微机电梳状电极驱动致动器 的设计延伸至双轴的微机电致动器，以达成更进一步的功效。

发明内容
本发明的目的在于提供一双轴微机电致动器，该双轴微机电致动器具有水平梳状 电极(in-plane comb electrodes)。本发明的再一目的在于提供一双轴微机电致动器，该微机电致动器具有水平梳状 电极(in-plane comb electrodes)及垂直梳状电极(vertical comb electrodes)用以力口 强致动器的动作控制(motion control)。本发明的另一目的在于提供一双轴微机电致动器，该微机电致动器具有水平梳 状电极(in-plane comb electrodes)及双边垂直梳状电极(dual-side vertical comb electrodes)用以进一步加强致动器的动作控制(motion control) 0本发明提供了一种具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其包括一第一半导体层；一第二半导体层，其具有一腔体；以及一电性绝缘层，其用于承载并隔离该第一半导体层及第二半导体层；其中，该第一半导体层包括一可动件，其通过一第一对扭转枢纽连置于一承载件，该可动件具有一第一组梳 状电极及一第二组梳状电极，该第一组梳状电极及第二组梳状电极设在一由该第一对扭转 枢纽所界定的一第一转轴的相对边上；所述的承载件通过一第二对扭转枢纽连置于一固定件，具有一第三内梳状电极及 一第四组内梳状电极设在该第一转轴的相对边上，及一第五组外梳状电极及一第六组外梳 状电极设在由该第二对扭转枢纽所界定的一第二转轴的相对边上；及一固定件内具有一第七组梳状电极及一第八组梳状电极设在该第二转轴的相对 边上；其中，该第一组梳状电极及第二组梳状电极分别与该第三组内梳状电极及第四组 内梳状电极交错排列；该第五组外梳状电极及第六组外梳状电极分别与该第七组梳状电极 及第八组梳状电极交错排列在由该第一半导体层所界定的同平面中。较佳地，该第一转轴及第二转轴相互垂直。较佳地，该第一转轴及第二转轴相互平行。较佳地，该第一组梳状电极及第二组梳状电极耦合于一第一交流电压源，该第三 内梳状电极、第四内梳状电极、第五组外梳状电极及第六组外梳状电极耦合于接地，而该第 七组梳状电极及第八组梳状电极耦合于一第二交流电压源。较佳地，该第一交流电压源的频率是该可动件的振动频率的两倍。较佳地，该第二交流电压源的频率是该承载件的振动频率的两倍。较佳地，该第二半导体层进一步具有一第九组梳状电极，该第九组梳状电极设在 该第二转轴的一边上并与该第五组外梳状电极垂直地交错排列。较佳地，该第九组梳状电极耦合于一第三交流电压源。较佳地，该第三交流电压源的频率与该承载件的振动频率相同。本发明还提供了一种具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其包括一第一半导体层；一第二半导体层；以及
一电性绝缘层，其承载并隔离该第一半导体层及第二半导体层；其中，该第一半导体层具有一可动件，其通过一第一对扭转枢纽连置于一承载件，该可动件具有一第一组梳 状电极及一第二组梳状电极，该第一组梳状电极及第二组梳状电极设在一由该第一对扭转 枢纽所界定的一第一转轴的相对边上；一承载件，其通过一第二对扭转枢纽连置于一固定件，该承载件具有一第三组内 梳状电极及一第四组内梳状电极设在该第一转轴的相对边上，及一第五组外梳状电极及一 第六组外梳状电极设在由该第二对扭转枢纽所界定的一第二转轴的相对边上；以及一固定件内具有一第七组梳状电极及一第八组梳状电极设在该第二转轴的相对 边上；该第一组梳状电极及第二组梳状电极分别与该第三组内梳状电极及第四组内梳 状电极交错排列；该第五组外梳状电极及第六组外梳状电极分别与该第七组梳状电极及第 八组梳状电极交错排列在由该第一半导体层所界定的同平面中；其中，该第二半导体层具有一腔体；及一第九组梳状电极及一第十组梳状电极其相互电性绝缘并设在该第二转轴的相 对边上；该第九组梳状电极及第十组梳状电极分别与该承载件的第五组外梳状电极及第 六组外梳状电极垂直地交错排列。较佳地，该第一转轴及第二转轴相互垂直。较佳地，该第一转轴及第二转轴相互平行。较佳地，该第一组梳状电极及第二组梳状电极耦合于一第一交流电压源，该第三 组内梳状电极、第四组内梳状电极、第五组外梳状电极及第六组外梳状电极耦合于接地，而 该第七组梳状电极及第八组梳状电极耦合于一第二交流电压源，该第九组梳状电极耦合于 一第三交流电压源，该第十组梳状电极耦合于一第四交流电压源。较佳地，该第一交流电压源的频率是该可动件的振动频率的两倍。为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例， 并配合所附图，详细说明如下


图1A、图1B、图IC分别为本发明的MEMS致动器一实施例的顶层(第一半导体层)、 中间层(电性绝缘层)及底层(第二半导体层)的上视图；图2A-2F分别为本发明的顶层(第一半导体层)的内可动件的水平梳状电极驱动 致动器的致动状态说明图；图3为本发明的顶层(第一半导体层)的内可动件绕第一枢轴的振动振幅 (oscillation amplitude)与使用电压源ACl的相位之间的关系图；图4为本发明的顶层(第一半导体层)的承载件绕第二枢轴的振动振幅 (oscillation amplitude)与使用电压源AC2的相位之间的关系图；图5为本发明的双轴微机电致动器一实施例的立体示意图；图6A、图6B、图6C分别为本发明的MEMS致动器一第二实施例的顶层(第一半导体层)、中间层(电性绝缘层)及底层(第二半导体层)的上视图；图7A-7F分别为图6A、6B、6C所示实施例的顶层(第一半导体层)的承载件的水 平梳状电极驱动致动器的致动状态说明图；图8A为本发明的顶层(第一半导体层)的承载件绕第二枢轴的振动振幅 (oscillation amplitude)与使用电压源AC2及AC3的相位及振幅之间的关系图；图8B为本发明的顶层(第一半导体层)的承载件绕第二枢轴的振动振幅 (oscillation amplitude)与使用电压源AC2及AC3的相位及振幅之间的关系图；图9为一双轴微机电致动器的标准raster扫描动作说明图；图10A、图10B、图IOC分别为本发明MEMS致动器另一实施例的顶层(第一半导体 层)、中间层(电性绝缘层)及底层(第二半导体层)的上视图；图11A-11F分别为本发明(图10A-10C所示实施例)的承载件藉水平及垂直梳状 电极驱动致动器的致动状态说明图；图12为本发明(图10A-10C所示实施例)的承载件的振动振幅与使用电压源AC2、 AC3及AC4的相位及振幅之间的关系图。附图标记说明100-顶层；110-可动件；111-梳状电极；112-扭转枢纽；120-承 载件；121、123-梳状电极；122A、122B-扭转枢纽；124-绝缘沟；130-固定件；131-梳状电 极；132-绝缘沟；140-中间层；141-开口 ； 142-固定件；150-底层；151-开口 ； 152-固定 件；610-可动件；611-梳状电极；620-承载件；621、623_梳状电极；630-固定件；631-梳状 电极；640-中间层；612、622A、622B-扭转枢纽；624、632_绝缘沟；640-中间层；641-开口 ； 643-梳状结构；650-底层；651-开口 ；651-开口 ；652-电极板；653-梳状电极；1000-顶层； 1010-可动件；1011-梳状电极；1012-扭转枢纽；1020-承载件；1022A、1022B-扭转枢纽； 1024-绝缘沟；1021、1023A、1023B-梳状电极；1030-固定件；1030A、1030B-绝缘半体；1031A、 1031B-梳状电极；1032-绝缘沟；1040-中间层；1041-开口 ； 1042-固定件；1043-梳状结构； 1050-底层；1051-开口 ； 1052AU052B-电极板；1053A、1053B_ 梳状电极；1055-绝缘沟。
具体实施例方式参阅图1A、1B、1C，其分别为本发明微机电(MEMS)致动器一实施例的顶层(第一半 导体层)100、中间层(电性绝缘层)140及底层(第二半导体层)150的上视示意图。该顶 层100如图IA所示，一环架式(gimbaled)结构，包含一可动件110、一承载件120及一固定 件130，其以导电材料制成，通常是单晶硅(single crystal silicon) 0该可动件110包含 梳状电极111，其表面可覆盖反射材，并通过一对扭转枢纽112连接至该承载件120。该可 动件110通过绝缘沟(insulation trenches) 124，通常是填满绝缘材如二氧化硅(silicon dioxide)或二氧化硅与聚硅(poly-silicon)以提供机械强度，以与该承载件120电性绝 缘。该承载件120设有内梳状电极121及外梳状电极123，并通过一对扭转枢纽122A、122B 连接至该固定件130。该承载件120通过绝缘沟(insulation trenches) 132以与该固定件 130电性绝缘。该承载件120的内梳状电极121与该可动件110的梳状电极111交错排列 (interdigitated)在由顶层100(第一半导体层)所界定的水平面上以形成一水平梳状电 极驱动致动器(in-plane comb-drive actuator)。该承载件120的外梳状电极123也是与 该固定件130的梳状电极131交错排列在由顶层100所界定的水平面上以形成另一水平梳
7状电极驱动致动器 (in-plane comb-drive actuator) 该中间层140如图IB所示，以非导电材料制成，通常是二氧化硅(silicon dioxide)以在顶层100及底层150之间提供绝缘效果；该中间层140由一开141及一固定 件142构成。该底层150如图IC所示，由一开口 151及一固定件152构成，通常是以导电材料 制成如单晶硅(single crystal silicon)。该开口 151 可为一穿孔(through hole)或一 具有特定深度的腔体(cavity)，其除了机械地承载该中间层140及顶层100的外，并提供一 空间，供该顶层100的可动件110及承载件120转动。如图IA所示，该可动件110的梳状电极111可通过扭转枢纽112及122A连接至 一第一交流电压源ACl。该固定件130的梳状电极131连接至一第二交流电压源AC2，而该 承载件120的梳状电极121、123通过扭转枢纽122B连接至接地GND (electrical ground)。 该底层150的固定件152也可连接至接地GND以最小化电性交叉会合(electrical cross talk)0在本实施例中，由梳状电极111及121构成的内梳状电极驱动致动器(inner comb-drive actuator)及由梳状电极123及131构成的外梳状电极驱动致动器(outer comb-drive actuator)两者的操作分享有相近似的致动方法。参阅图2A-2F，其以由梳状 电极111及121构成的内梳状电极驱动致动器(inner comb-drive actuator)为例说明其 操作状态。图2A图IA中顶层100沿着剖线A-A的剖视图。为说明目的，该可动件110的 梳状电极111及该承载件120的梳状电极121画成半透明状。该梳状电极111连接至一第 一交流电压源ACl而此时梳状电极121接地GND (electrical ground)以形成一水平梳状 电极驱动致动器(in-plane comb-drive actuator)。该可动件110通过由水平梳状驱动致 动器中不平衡的静电力(unbalanced electrostatic force)而以扭转枢纽112所界定的 转轴开始振动。该水平梳状驱动致动器中的不平衡力(unbalanced force)可以由制造裕 贞(manufacturing tolerances) sK^MW^ifl^ia (design features)而产生。当该可 动件110回至水平位置或当梳状电极111与梳状电极121对合在相同水平面中时如图2B 所示，第一交流电压源ACl即切换至与接地GND相同电压程度(same voltage level)以容 许该可动件110，通过由扭转枢纽112的回复扭矩(restoring torque)继续下行转动，至抵 达在顺时针方向的最大转动角如图2C所示。在该可动件110抵达最大转动角之后，第一交 流电压源ACl切换至较高电压程度，以致该可动件110通过由梳状电极111与梳状电极121 之间的静电吸引力(electrostatic attraction)回到水平位置如图2D及2E所示。当该 可动件110回至水平位置时，第一交流电压源ACl又切换至与接地GND相同电压程度以致 该可动件110可在没有致动力情况下继续转动至在逆顺时针方向的最大转动角如图2F所 示。在该可动件110抵达另一最大转动角之后，来自由梳状电极111与梳状电极121的致 动力(actuation force)将再应用到该可动件110上一直到回至水平位置而完成一振动循 环(oscillation cycle)。参阅图3，其该具有梳状电极111的可动件110的振动振幅(oscillation amplitude)与所使用相对应电压源ACl的相位及振幅之间的关图。再参阅图3所示，该 可动件110通常设计以或接近其主要振动模的共振频率来振动。电压源ACl的频率通常 是两倍的可动件110的振动频率。该承载件120的内梳状电极121连接至接地GND并与该可动件110的梳状电极111交错排列在由顶层100所界定的水平面上。第一交流 电压源ACl的波形(waveform)可为多种形状如方形、正弦曲线(sinusoidal)、半正弦曲 线(half-sinusoidal)或锯齿形(sawtooth)，以使该可动件110达成所期望的角速度 (angular velocity).通常，在已给的第一交流电压源ACl最大振幅下驱动该可动件110 至最大振动振幅，方形的波形能提供最高效率。参阅图4，其为该承载件120的振动振幅与所使用相对应电压源AC2的相位及振幅 之间的关系图。该机械连结于该承载件120的可动件110将随着该承载件120绕由扭转枢 纽122A及122B所界定的转轴而相对于该固定件130转动如图IA所示。该连接至接地GND 的固定件130的梳状电极123，与该连接至AC2的固定件130的梳状电极131交错排列在由 顶层100所界定的水平面上。该承载件120通常设计以或接近其主要振动模的共振频率来 振动。电压源AC2的频率通常是两倍的该承载件120的振动频率且通过绝缘沟(insulation trenches) 132以与ACl及接地GND信号电性绝缘。该电压源AC2的波形(waveform)可为 多种形状以使该承载件120达成所期望的角速度。本实施例中，该可动件110以扭转枢纽 112所界定的转轴而相对于该承载件120振动，而该承载件120系以扭转枢纽122A及122B 所界定的转轴而相对于该固定件130转动，其中该由扭转枢纽112所界定的转轴与该由扭 转枢纽122A及122B所界定的转轴在本实施例中是相互垂直的，如图IA所示。参阅图5，其为本实施例的可动件110以单一水平梳状电极驱动致动器(in-plane comb-drive actuator)且以扭转枢纽112所界定的转轴作双轴振动，以及扭转枢纽122A 及122B被安排在垂直方向的立体示意图。假设由扭转枢纽112所界定的转轴，及扭转枢纽 122A及122B通过电压源ACl及AC2为同一驱动频率而沿着同一轴对合，则本实施例亦容许 该可动件110以单一水平梳状驱动电极(in-plane comb-drive electrodes)的实质较大 的振动振幅。参阅图6A、6B、6C，其分别本发明微机电(MEMS)致动器一第二实施例的顶层、中 间层及底层的上视图。该顶层600如图6A所示，一环架式(gimbaled)结构，包含一可动 件610、一承载件620及一固定件630，其以导电材料制成，通常是单晶硅(single crystal silicon)。该包含梳状电极611的可动件610的表面可覆盖反射材，并通过一对扭转枢纽 612连接至该承载件620。该可动件610通过绝缘沟(insulation trenches) 624，通常是填 满绝缘材如二氧化硅(silicon dioxide)或二氧化硅与聚硅(poly-silicon)以提供机械 强度，以与该承载件620电性绝缘。该承载件620设有内梳状电极621及外梳状电极623，并 通过一对扭转枢纽622A、622B连接至该固定件630。该承载件620通过绝缘沟(insulation trenches)632，其可为密闭沟(filled trenches)及开放沟(open trenches)，以与该固定 件630电性绝缘。该承载件620的内梳状电极621与该可动件610的梳状电极611交错排 列以形成一水平梳状电极驱动致动器(in-plane comb-drive actuator)。该承载件620的 外梳状电极623与该固定件630的梳状电极631交错排列以形成另一水平梳状电极驱动致 动器。该中间层640如图6B所示，以非导电材料制成，通常是二氧化硅(silicon dioxide)以在顶层600及底层650之间提供绝缘作用；该中间层640由一开口 641及一梳 状结构643构成。该梳状结构643是用以隔离该底层650的梳状电极653与该顶层600的 梳状电极631。
该底层650如图6C所示，由一可为一穿孔(through hole)或一具有特定深度的 腔体(cavity)的开口 651、梳状电极653及一电极板(electrode pad)652构成，其以导电 材料制成，通常采用单晶硅(single crystal silicon)。该开口 651若为腔体(cavity)， 则须设计具有特定深度以提供足够的空间供该顶层600的可动件610及承载件620转动。 选择一穿孔或一腔体(cavity)决定于形成该开口 651的成本或制造结果。该梳状电极653 与顶层600的梳状电极623垂直地交错排列以形成一垂直梳状电极驱动致动器(vertical comb-drive actuator)，以使该承载件620能被水平及垂直梳状电极驱动致动器所驱动。如图6A所示，该可动件610的梳状电极611可通过扭转枢纽612及622A面连接 至一第一交流电压源AC1。该固定件630的梳状电极631连接至一第二交流电压源AC2。 而该承载件620的内梳状电极621及外梳状电极623通过扭转枢纽622B而连接至接地 GND (electrical ground)。该底层650的梳状电极653可连接至一第三交流电压源AC3如 图6C所示。在本第二实施例中，该可动件610通过由水平梳状电极驱动致动器的致动状态相 似于如第一实施例所述可动件110的致动方法。该可动件610可以或接近其共振频率来振 动，此时电压源ACl的频率是两倍的可动件610的振动频率。参阅图7A-7F，其为图6A中顶层600沿着剖线B-B的剖视图。为说明目的，该顶 层600的梳状电极631及该底层650的梳状电极653画成半透明状。在图7A中，该承载 件620的梳状电极623与该固定件630的梳状电极631形成一水平梳状电极驱动致动器 (in-plane comb-drive actuator)而同时该底层650的梳状电极653与该承载件620的 梳状电极623形成一垂直梳状电极驱动致动器(vertical comb-drive actuator) 0在图 7A中，该具有梳状电极623且连接至接地GND (electrical ground)的承载件620，被该连 接至AC2的梳状电极631所驱动，而以顺时针方向从它的最大转动角度绕以扭转枢纽622A 及622B所界定的转轴转动而电压源AC3切换至接地GND相同电压程度。当该承载件620 经过它的水平位置时如图7B所示，电压源AC2即切换至接地GND相同电压程度以容许该承 载件620以顺时针方向自由转动至抵达最大转动角度如图7C所示。在以顺时针方向抵达 最大转动角之后，来自梳状电极623及631之间的静电吸引力(electrostatic attraction force)通过由增加电压源AC2的电压程度而被应用在该承载件620上如图7D所示。该静 电吸引力持续被应用直到该承载件620以逆时针方向转动回到水平位置如图7E所示。来 自垂直梳状电极驱动致动器(vertical comb-drive actuator)，即梳状电极623及653之 间，的静电吸引力被应用以继续该承载件620的转动一直到该承载件620以逆时针方向抵 达最大转动角度如图7F所示以完成一运动循环。参阅图8A，其为图7中该承载件620的转动角度与应用的电压源AC2及AC3的相 位及振幅之间的关系图。该承载件620可设计以或接近其主要振动模式的共振频率来振 动。该机械连结于该承载件620的可动件610将随着该承载件620绕由扭转枢纽622A及 622B所界定的转轴而相对于该固定件630转动。电压源AC2及AC3的频率通常是分别地两 倍于及相同于该承载件620的振动频率。应用于垂直梳状电极驱动致动器的电压源AC3用 以增加该承载件620的转动角度。该电压源AC2及AC3的波形(waveform)可为多种形状 以使该承载件620达成所期望的角速度。通常，在已给最大振幅的电压源AC2及AC3下，方 形的波形在驱动该承载件620至最大振动振幅能提供最高效率。
参阅图8B，其为用以说明该承载件620能通过由控制电压源AC2及AC3的波形 而被控制以锯齿状(sawtooth)转动运动以致该MEMS(微机电)致动器能产生光栅型式 (raster pattern)扫描运动如图9所示。从水平位置开始，该承载件620通过由垂直梳状 电极驱动致动器，即梳状电极623及653的电压源AC3的电压差被致动以逆时针方向转动 至最大角度。在抵达最大转动角之后，该承载件620可通过由控制垂直梳状电极驱动致动 器与扭转枢纽622A及622B的回复扭矩之间的力平衡而被控制以顺时针及线性转动。该承 载件620可通过中逐渐地减少的AC3的电压程度而以顺时针方向继续线性转动一直到它抵 达另一最大转动角度。在抵达另一最大转动角度之后，该承载件620可通过由水平及垂直 梳状电极驱动致动器所产生的吸引力而以逆时针方向快速回至最大转动角度以完成一振 动循环(oscillation cycle)。结合相互垂直方向的该可动件610的对称性振动与该承载件620的锯齿性振动， 该设置在环架式(gimbaled)结构中的可动件610即可被控制以进行光栅型式(raster pattern)扫描运动如图9所示，也就是从位置91开始进行水平扫描方向及垂直扫描方向 的扫描运动，扫描至位置90时即快速回至位置91以进行下一振动循环。因此，本第二实 施例如图6A、6B、6C所示能通过由电压源AC1、AC2及AC3的控制以进行光栅型式(raster pattern)扫描运动或双向对称扫描运动。参阅图10A、10B、10C，其分别为本发明的微机电(MEMS)致动器一第三实施例的三 层结构(顶层1000、中间层1040及底层1050)的上视图。该顶层1000如图IOA所示，一 环架式(gimbaled)结构，包含一可动件1010、一承载件1020及一固定件1030，其以导电材 料制成，通常是单晶硅(single crystal silicon)。该包含梳状电极1011的可动件1010 通过一对扭转枢纽1012连接至该承载件1020。该可动件1010通过绝缘沟(insulation trenches) 1024，通常是填满绝缘材如二氧化硅(silicon dioxide)或二氧化硅与聚硅 (poly-silicon)以提供机械强度，以与该承载件1020电性绝缘。该承载件1020设有内梳状 电极1021及外梳状电极1023 (1023A、102 )，并通过一对扭转枢纽1022A、1022B连接至该 固定件1030。该承载件1020通过绝缘沟(insulation trenches) 1032以与该固定件1030 电性绝缘。该绝缘沟1032分开该固定件1030成至少二绝缘半体(halves) 1030A及1030B 供分别电性连接至梳状电极1031A及1031B。该承载件1020的内梳状电极1021，其可通过扭转枢纽1022B连接至接地GND，与 该可动件1010的梳状电极1011，其连接至一第一交流电压源AC1，交错排列在同一平面，以 形成一水平梳状电极驱动致动器(in-plane comb-drive actuator)。该承载件1020的外 梳状电极1023A，其连接至接地GND，与该固定件1030的梳状电极1031A，其连接至一第二交 流电压源AC2，交错排列以形成另一水平梳状电极驱动致动器。该承载件1020的外梳状电 极1023B，其连接至接地GND，与该固定件1030的梳状电极1031B，其也连接至一第二交流电 压源AC2，交错排列以形成另一水平梳状电极驱动致动器。该中间层1040如图10B所示，以非导电材料制成，通常是二氧化硅(silicon dioxide)以在顶层1000及底层1050之间提供绝缘作用；该中间层1040由一开口 1041、一 梳状结构1043及一固定件1042构成。该梳状结构1043是用以隔离该底层1050的梳状电 极1053A及1053B与该顶层1000的梳状电极103IA及103IB。该底层1050如图10C所示，由一可为一穿孔或一腔体(cavity)的开口 1051、梳状电极 1053A 及 1053B、电性绝缘沟(insulation trenches) 1055 及电极板 1052(1052A、 1052B)构成，其以导电材料制成，通常采用单晶硅(single crystal silicon)。该开口 1051若为腔体(cavity)，则须设计具有特定深度以提供足够的空间供该顶层1000的可动 件1010及承载件1020转动。选择一穿孔或一腔体(cavity)决定于形成该开口 1051的成 本或制造结果。该绝缘沟1055通常是填满绝缘材如二氧化硅(silicon dioxide)或二氧 化硅与聚硅(poly-silicon)以确保该底层1050的一体性(integrity)并用以隔离梳状电 极1053A及1053B。梳状电极1053A及105 可分别通过由电极板1052A及1052B连接至 电压源AC3及一第四交流电压源AC4。该承载件1020的外梳状电极1023A与该底层1050 的梳状电极1053A垂直地交错排列以形成一垂直梳状电极驱动致动器。该承载件1020的 外梳状电极1023B与该底层1050的梳状电极105 垂直地交错排列以形成另一垂直梳状 电极驱动致动器。在本第三实施例中，该可动件1010的致动方法近似于如第一实施例所述可动件 110的致动方法，其通过将梳状电极1011连接至电压源ACl及将梳状电极1021连接至接地 GND以形成一水平梳状电极驱动致动器。该水平梳状电极驱动致动器可用以促使该可动件 1010以或接近其共振频率来振动。电压源ACl的频率是两倍于该可动件1010的振动频率。参阅图11A-11F，其为图10A中顶层600沿着剖线C-C的剖视图。为说明目的，该 顶层1000的梳状电极1031A及1031B以及该底层1050的梳状电极1053A及105 画成半 透明状。在图IlA中，该承载件1020绕以扭转枢纽1022A及1022B所界定的转轴顺时针方 向转动至一最大转动角度，其中该扭转枢纽1022A及1022B亦同步产生一逆时针方向的回 复扭矩(restoring torque)。为了控制该承载件1020的线性转动(linear rotation)能 依据如图9所示光栅扫描型式(raster scan pattern)的垂直的运动，电压源AC4被应用在 梳状电极1053B以调整扭转枢纽1022A及1022B的回复扭矩的力平衡，以使该承载件1020 线性地转动一直到它回至水平位置如图IlB所示。为了使该承载件1020从水平位置作逆时 针方向转动，应用在梳状电极105 上的电压源AC3被控制以吸引梳状电极1023A以线性 转动运动向下一直到该承载件1020转动至另一最大转动角度如图IlC所示。为了进行如 图9所示光栅扫描型式(raster scan pattern)所述的垂直飞回运动(vertical fly back motion)，AC2被控制以产生在垂直梳状电极驱动致动器中的吸引力以使该承载件1020顺 时针方向快速转动至水平位置如图IlD至图IlE所示。当该承载件1020顺时针方向转动 经过水平位置时，AC2即切换至接地GND程度而AC4被控制以在垂直梳状电极驱动致动器 中产生吸引力以使该承载件1020顺时针方向线性转动至一最大转动角度如图IlF所示以 完成一振动循环。参阅图12，其为用以说明对应于图11中该承载件1020的转动角度与使用电压源 AC2、AC3及AC4的相位及振幅之间的关系图。该承载件1020的运动能通过由控制所应用 的电压源而控制以锯齿状(sawtooth)转动。该可动件1010以或接近共振频率的振动运动 能通过应用电压源ACl以两倍于该可动件1010的振动频率而被控制。结合该可动件1010 的振动运动与该承载件1020的锯齿性振动，该MEMS (微机电)致动器能进行如图9所示的 光栅型式(raster pattern)扫描运动。以上所述各实施例均可利用本案发明人所有的美国发明专利US7. 205，174所揭 示的制造方法制成。本发明利用多面梳状电极以将美国发明专利US7，329，930(即中国台
12湾发明第1253436号及中国发明专利号ZL200410039670. 0，皆为本案发明人所发明)所揭 示的微机电梳状电极驱动致动器的设计延伸至双轴的微机电致动器，通过以达成更进一步 的功效。 以上所示仅为本发明的优选实施例，对本发明而言仅是说明性的，而非限制性的。 在本领域具有通常知识者理解，在本发明专利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多 改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，包括一第一半导体层；一第二半导体层，其具有一腔体；以及一电性绝缘层，其用于承载并隔离该第一半导体层及第二半导体层；其中，该第一半导体层包括一可动件，其通过一第一对扭转枢纽连置于一承载件，该可动件具有一第一组梳状电 极及一第二组梳状电极，该第一组梳状电极及第二组梳状电极设在一由该第一对扭转枢纽 所界定的一第一转轴的相对边上；所述的承载件通过一第二对扭转枢纽连置于一固定件，具有一第三内梳状电极及一第 四组内梳状电极设在该第一转轴的相对边上，及一第五组外梳状电极及一第六组外梳状电 极设在由该第二对扭转枢纽所界定的一第二转轴的相对边上；及一固定件内具有一第七组梳状电极及一第八组梳状电极设在该第二转轴的相对边上；其中，该第一组梳状电极及第二组梳状电极分别与该第三组内梳状电极及第四组内梳 状电极交错排列；该第五组外梳状电极及第六组外梳状电极分别与该第七组梳状电极及第 八组梳状电极交错排列在由该第一半导体层所界定的同平面中。
2.根据权利要求1所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 一转轴及第二转轴相互垂直。
3.根据权利要求1所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 一转轴及第二转轴相互平行。
4.根据权利要求1所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 一组梳状电极及第二组梳状电极耦合于一第一交流电压源，该第三内梳状电极、第四内梳 状电极、第五组外梳状电极及第六组外梳状电极耦合于接地，而该第七组梳状电极及第八 组梳状电极耦合于一第二交流电压源。
5.根据权利要求4所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 一交流电压源的频率是该可动件的振动频率的两倍。
6.根据权利要求4所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 二交流电压源的频率是该承载件的振动频率的两倍。
7.根据权利要求1所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 二半导体层进一步具有一第九组梳状电极，该第九组梳状电极设在该第二转轴的一边上并 与该第五组外梳状电极垂直地交错排列。
8.根据权利要求7所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 九组梳状电极耦合于一第三交流电压源。
9.根据权利要求8所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该第 三交流电压源的频率与该承载件的振动频率相同。
10.一种具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，包括一第一半导体层；一第二半导体层；以及一电性绝缘层，其承载并隔离该第一半导体层及第二半导体层；其中，该第一半导体层具有一可动件，其通过一第一对扭转枢纽连置于一承载件，该可动件具有一第一组梳状电 极及一第二组梳状电极，该第一组梳状电极及第二组梳状电极设在一由该第一对扭转枢纽 所界定的一第一转轴的相对边上；一承载件，其通过一第二对扭转枢纽连置于一固定件，该承载件具有一第三组内梳状 电极及一第四组内梳状电极设在该第一转轴的相对边上，及一第五组外梳状电极及一第六 组外梳状电极设在由该第二对扭转枢纽所界定的一第二转轴的相对边上；以及一固定件内具有一第七组梳状电极及一第八组梳状电极设在该第二转轴的相对边上；该第一组梳状电极及第二组梳状电极分别与该第三组内梳状电极及第四组内梳状电 极交错排列；该第五组外梳状电极及第六组外梳状电极分别与该第七组梳状电极及第八组 梳状电极交错排列在由该第一半导体层所界定的同平面中； 其中，该第二半导体层具有 一腔体；及一第九组梳状电极及一第十组梳状电极其相互电性绝缘并设在该第二转轴的相对边上；该第九组梳状电极及第十组梳状电极分别与该承载件的第五组外梳状电极及第六组 外梳状电极垂直地交错排列。
11.根据权利要求10所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该 第一转轴及第二转轴相互垂直。
12.根据权利要求10所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该 第一转轴及第二转轴相互平行。
13.根据权利要求10所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该 第一组梳状电极及第二组梳状电极耦合于一第一交流电压源，该第三组内梳状电极、第四 组内梳状电极、第五组外梳状电极及第六组外梳状电极耦合于接地，而该第七组梳状电极 及第八组梳状电极耦合于一第二交流电压源，该第九组梳状电极耦合于一第三交流电压 源，该第十组梳状电极耦合于一第四交流电压源。
14.根据权利要求10所述的具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，其特征在于，该 第一交流电压源的频率是该可动件的振动频率的两倍。
全文摘要
一种具有多面梳状电极的双轴微机电致动器，包含一第一半导体层其包含一具有梳状电极的可动件、一具有内梳状电极与外梳状电极的承载件及一具有梳状电极的固定件；一电性绝缘层；及一第二半导体层其设具有一腔体供该可动件及承载件作平面外转动。该承载件的内梳状电极与该可动件的梳状电极交错排列以及该承载件的外梳状电极与该固定件的梳状电极交错排列在由第一半导体层所界定的同一平面上以形成一水平梳状电极驱动致动器。该第二半导体层可还包含梳状电极用以与承载件的外梳状电极垂直地交错排列以形成一垂直梳状电极驱动致动器。结合该水平梳状电极驱动及垂直梳状电极驱动致动器，该可动件即能控制以进行双轴的光栅型式扫描运动。
文档编号B81B3/00GK102107844SQ201010536780
公开日2011年6月29日 申请日期2010年11月5日 优先权日2009年11月6日
发明者林大为, 洪昌黎 申请人:先进微系统科技股份有限公司