專利名稱：具有可調(diào)固有頻率的mems系統(tǒng)掃描鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，且更具體而言，本發(fā)明涉及MEMS掃描鏡。
背景技術(shù)：
已提議用于MEMS掃描鏡的各種靜電設(shè)計。其應(yīng)用包括條形碼讀取器、激光打印機(jī)、共焦顯微鏡、光纖網(wǎng)絡(luò)組件、用于投影儀的投影顯示器、背投電視、節(jié)目電腦顯示器(wearable display)和軍用激光跟蹤和導(dǎo)向系統(tǒng)。通常，在其主共振下驅(qū)動MEMS掃描鏡以達(dá)到高掃描角度。制造過程總是生產(chǎn)具有空間差異(inconsistency)的MEMS掃描鏡，所述空間差異改變個別裝置的固有頻率。若少數(shù)MEMS掃描鏡的主固有頻率過低或過高，則在為大多數(shù)MEMS掃描鏡選擇的的交流電(AC)驅(qū)動電壓下，所述少數(shù)裝置不產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膾呙杷俣群瓦m當(dāng)?shù)膾呙杞嵌?。因此，需要一種設(shè)備和方法以調(diào)諧MEMS掃描鏡的主固有頻率，以改良這些裝置的制造產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一實施例中，MEMS結(jié)構(gòu)包括一第一電極、一第二電極和一移動元件。所述第一電極耦合到一第一電壓源。所述第二電極耦合到一第二電壓源。所述移動元件包括一耦合到一第三電壓源(例如，電接地)的第三電極。所述第一電極與所述第三電極之間的一穩(wěn)定電壓差用以將所述結(jié)構(gòu)的固有頻率調(diào)諧成一應(yīng)用的掃描頻率。在所述應(yīng)用的掃描頻率下在所述第二電極與所述第三電極之間的一振蕩電壓差用以使所述移動元件振蕩。在一個實施例中，所述移動元件為一鏡面。


圖1A和圖1B分別說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)100的裝配和分解圖。
圖1C、1D和1E說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)100的層的俯視圖。
圖1F說明本發(fā)明的一個實施例中的用于配置和操作MEMS結(jié)構(gòu)100的方法。
圖1G、1H、1I和1J說明不同實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)100的各種層的俯視圖。
圖2A和2B分別說明一個實施例中MEMS結(jié)構(gòu)200的裝配和分解圖。
圖2C和2D說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)200的層的俯視圖。
圖3A和3B分別說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)300的裝配及分解圖。
圖3C、3D、3E、3F和3G說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)300的層的俯視圖。
圖4說明本發(fā)明一個實施例中的MEMS系統(tǒng)。
圖5說明本發(fā)明的一個實施例中用以使MEMS結(jié)構(gòu)振蕩的直流電壓和交流電壓。
具體實施例方式
圖4說明本發(fā)明一個實施例中的MEMS系統(tǒng)400。MEMS系統(tǒng)400包括具有移動元件的MEMS結(jié)構(gòu)(例如，MEMS結(jié)構(gòu)100、200或300)，所述移動元件可在電壓源402所提供的電壓下靜電地移動。電壓源402在移動元件的固定電極與移動電極之間提供一電壓差以將MEMS結(jié)構(gòu)100的固有頻率調(diào)整到理想掃描頻率。在所述理想掃描頻率下，電壓源402也在移動元件的另一個固定電極與所述移動電極之間提供一交流電壓差來以理想掃描角度使移動元件振蕩。
移動元件的移動(例如，掃描頻率和掃描角度)通過傳感器404來測量并被反饋給控制器406?？刂破?06將經(jīng)測量的移動與所述移動元件的理想移動相比較，并接著指示電壓源402提供適當(dāng)?shù)碾妷阂赃_(dá)到理想移動。盡管已展示為個別組件，但是MEMS結(jié)構(gòu)100、電壓源402、傳感器404和控制器406可建構(gòu)在相同的芯片上或不同的芯片上。
圖1A和1B分別說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)100的裝配和分解圖。MEMS結(jié)構(gòu)100可用于需要單軸運動(例如，單向掃描鏡)的任何應(yīng)用中。MEMS結(jié)構(gòu)100包括導(dǎo)電層105、絕緣層107和導(dǎo)電層109。在一個實施例中，導(dǎo)電層105和109由摻雜硅制成，而絕緣層107由二氧化硅(SiO2)制成。絕緣層107使導(dǎo)電層105和109上的組件絕緣。絕緣層107也用以將導(dǎo)電層105和109物理地結(jié)合在一起。
圖1C說明導(dǎo)電層105的一個實施例的俯視圖。導(dǎo)電層105包括掃描鏡101和偏墊(bias pad)112。掃描鏡101包括反射區(qū)域124，所述反射區(qū)域分別通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈102A和102B連接到錨栓(anchor)108A和108B。鏡面101繞軸122旋轉(zhuǎn)。
在一個實施例中，扭轉(zhuǎn)鉸鏈102A和102B包括內(nèi)孔114以降低結(jié)構(gòu)100的旋轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。所述旋轉(zhuǎn)模態(tài)頻率是確保掃描鏡101繞軸122旋轉(zhuǎn)而不與其它不需要的旋轉(zhuǎn)和平移結(jié)構(gòu)振動耦合的最低模態(tài)頻率。
鏡面101包括在旋轉(zhuǎn)軸122不同側(cè)上的移動齒104A和104B(共同稱作“移動齒104”)。移動齒104A和104B分別自桿106A和106B延伸。桿106A和106B連接到反射區(qū)域124，且平行于扭轉(zhuǎn)鉸鏈102A和102B。
偏墊112包括在旋轉(zhuǎn)軸122不同側(cè)上的固定齒103A和103B(共同稱作“固定齒103”)。當(dāng)偏墊112與鏡面101處于相同平面時(例如，當(dāng)鏡面101不旋轉(zhuǎn)時)，固定齒103A和103B分別與移動齒104A和104B互相交叉。
在一個實施例中，錨栓108A耦合到地面116，且偏墊112耦合到直流(DC)電壓源118。直流電壓源118向偏墊112提供直流偏壓。所述直流偏壓在固定齒103與移動齒104之間造成一穩(wěn)定的電壓差。固定齒103與移動齒104之間的穩(wěn)定電壓差造成一靜電轉(zhuǎn)矩(electrostatic torque)，所述靜電轉(zhuǎn)矩使鏡面101旋轉(zhuǎn)，直到靜電轉(zhuǎn)矩等于處于平衡位置的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。事實上，固定齒103與移動齒104之間的穩(wěn)定電壓差造成一非線性靜電系統(tǒng)，其改變MEMS結(jié)構(gòu)100的固有頻率。因此，可通過增加或減少固定齒103與移動齒104之間的穩(wěn)定電壓差來調(diào)整(例如，調(diào)諧)MEMS結(jié)構(gòu)100的固有頻率。
在一個實施例中，直流電壓源118建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)100相同的芯片上?；蛘?，直流電壓源118建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)100分離的芯片上。在一個實施例中，直流電壓源118在操作期間受伺服控制(servo-controlled)來產(chǎn)生一直流偏壓值，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)100的理想固有頻率。
圖1D說明居中層107的一個實施例的俯視圖。絕緣層107具有與導(dǎo)電層105相同的形狀(但僅對鏡面101而言)，以便將層101上的組件電絕緣。絕緣層107界定十字形開口121用于鏡面101的掃描運動。
圖1E說明導(dǎo)電層109的一個實施例的俯視圖。導(dǎo)電層109包括一驅(qū)動墊126，其界定十字形開口111。驅(qū)動墊126包括在旋轉(zhuǎn)軸122不同側(cè)上的固定齒110A和110B(共同稱作“固定齒110”)。類似于開口121，開口111是為鏡面101的掃描運動保留的自由空間。當(dāng)鏡面101在第一方向(例如，順時針方向)上旋轉(zhuǎn)時，固定齒110A與移動齒104A互相交叉，且當(dāng)鏡面101在第二方向(例如，逆時針方向)上旋轉(zhuǎn)時，固定齒110B與移動齒104B互相交叉。齒110A和110B經(jīng)電連接。當(dāng)在墊112與126之間施加一交流驅(qū)動電壓時，若所述移動結(jié)構(gòu)關(guān)于軸122對稱，則最初產(chǎn)生一平移合力(translational resultant force)。此平移合力不用于旋轉(zhuǎn)運動。實際上，歸因于制造公差(manufacturing tolerance)所述結(jié)構(gòu)并不完全對稱，且將開始振蕩。所述結(jié)構(gòu)一旦開始振蕩，所述轉(zhuǎn)矩增加且平移合力減少?？赏ㄟ^使所述力或所述結(jié)構(gòu)相對于軸122略微不對稱或來解決較小初始轉(zhuǎn)矩的潛在問題。例如，可使齒110A和110B的長度略微不同以產(chǎn)生相對較大的初始轉(zhuǎn)矩。鏡面形狀可相對于軸122略微不對稱以產(chǎn)生相同的效果。
在一個實施例中，固定齒110和移動齒104形成靜電制動器(electrostatic actuator)(例如，垂直梳狀驅(qū)動制動器)，其使掃描鏡101振蕩。在這一個實施例中，驅(qū)動墊126耦合到交流電壓源120，且錨栓108A耦合到地面116。當(dāng)啟動時，交流電壓源120向驅(qū)動墊126提供交流驅(qū)動電壓，其在固定齒110與移動齒104之間造成振蕩電壓差。通常，交流驅(qū)動電壓具有等于結(jié)構(gòu)100的固有頻率的頻率以達(dá)到最大的掃描角度。齒110與104之間的振蕩電壓差引起靜電轉(zhuǎn)矩，造成鏡面101的掃描運動。
在一個實施例中，交流電壓源120建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)100相同的芯片上?；蛘?，交流電壓源120建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)100分離的芯片上。在一個實施例中，交流電壓源120在操作期間受伺服系統(tǒng)控制而產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓，其產(chǎn)生理想掃描速度和掃描角度。
圖1F說明一個實施例中用于配置和操作MEMS結(jié)構(gòu)100的方法150。結(jié)構(gòu)100一般為來自一批批量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)100中的裝置。如下所述，在制造結(jié)構(gòu)100期間發(fā)生動作151和152，及在使用結(jié)構(gòu)100期間發(fā)生動作153、154、156和160。
在動作151中，設(shè)計者判定應(yīng)用的掃描頻率和掃描角度(例如，條形碼讀取器的1kHz和5-10度)，并修改結(jié)構(gòu)100的基本設(shè)計以達(dá)到等于掃描頻率的特定固有頻率。設(shè)計者通過改變鉸鏈的剛性(例如，鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu))或改變所述結(jié)構(gòu)的慣性(例如，鏡面的幾何結(jié)構(gòu))來修改設(shè)計。動作151之后為動作152。
在動作152中，設(shè)計者預(yù)置此結(jié)構(gòu)100的直流電壓差和交流電壓差的特性。設(shè)計者預(yù)置直流偏壓的振幅(圖5)以將此結(jié)構(gòu)100的固有頻率調(diào)諧為應(yīng)用的掃描頻率。設(shè)計者預(yù)置交流驅(qū)動電壓的振幅和頻率(圖5)以達(dá)到此結(jié)構(gòu)100的理想掃描角度。設(shè)計者也可預(yù)置交流驅(qū)動電壓的垂直偏移(圖5)以達(dá)到發(fā)生振蕩的理想中間掃描位置。由于歸因于制造差異每個結(jié)構(gòu)100與其它有些許不同，所以這些步驟是必需的。接著將這些特性存儲到此結(jié)構(gòu)100的控制器406中作為直流偏壓和交流驅(qū)動電壓的初始/缺省特性。
在動作153中，最終用戶可將直流偏壓和交流驅(qū)動電壓的不同特性存儲到控制器406中。最終用戶希望這樣做以改變理想掃描頻率、理想掃描角度和理想中間掃描位置。
在動作154中，控制器406指示電壓源402施加直流偏壓和交流驅(qū)動電壓。電壓源402表示各種直流和交流電壓源(例如，直流電壓源118和交流電壓源120)。
所述直流偏壓初始化為儲存在控制器406中的缺省值，且接著受伺服系統(tǒng)控制以確保旋轉(zhuǎn)固有頻率為掃描頻率。由于歸因于溫度變化、材料老化或任何其它的原因，結(jié)構(gòu)100的固有頻率可能偏離理想值，因而在操作階段伺服系統(tǒng)控制直流偏壓是必需的。
所述交流驅(qū)動電壓初始化為存儲在控制器406中的缺省值，且接著受伺服系統(tǒng)控制以確保達(dá)到理想掃描頻率和掃描角度。由于歸因于溫度變化、材料老化或任何其它的原因，掃描頻率、掃描角度和中間掃描位置可能偏離理想值，因而在操作階段交流驅(qū)動電壓的伺服系統(tǒng)控制是必需的。動作154之后為動作158。
在動作158中，傳感器404用以監(jiān)視所述掃描鏡的運動(例如，掃描頻率、掃描角度和掃描中間位置)并將所測量的信息輸出到控制器406。動作158之后為動作160。
在動作160中，控制器406接收來自傳感器404的運動信息?？刂破?06計算所需的直流偏壓和所需的交流驅(qū)動電壓并將其提供給電壓源402。通過干擾直流偏壓的振幅和感測掃描角度的變化來完成直流偏壓的伺服系統(tǒng)控制。若直流偏壓增加且同時掃描角度也增加，那么固有頻率不斷接近掃描頻率，且反之亦然。若波德圖(Bode plot)顯示主固有頻率的高Q因子，則通過以直流偏壓變化控制固有頻率來維持掃描振幅一般更為有效。
交流驅(qū)動電壓的伺服系統(tǒng)控制是通過干擾交流驅(qū)動電壓的振幅、頻率和垂直偏移并感測掃描角度、掃描頻率和掃描中間位置的變化而完成。增加交流驅(qū)動電壓的振幅以增加旋轉(zhuǎn)的角度，且反之亦然。增加交流驅(qū)動電壓的頻率以增加掃描頻率，且反之亦然。改變交流驅(qū)動電壓的垂直偏移以最優(yōu)化所述掃描中間位置。動作160之后為動作154，且所述方法繼續(xù)在反饋循環(huán)中。
圖1G說明結(jié)構(gòu)100的導(dǎo)電層105的另一個實施例的俯視圖。圖1C與圖1G之間的相同或相似部件由相同的參考數(shù)字指示。在此實施例中，反射區(qū)域124連接到桿128A和128B。移動齒104A及104B自桿128A和128B的相對邊緣延伸。通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈130A和130B，桿128A和128B的端部分別連接到錨栓108A和108B。扭轉(zhuǎn)鉸鏈130A和130B中的每一個具有螺旋形狀，此形狀增加鉸鏈102A和102B的平移剛性，但維持鉸鏈102A和102B的扭轉(zhuǎn)撓性(torsional flexibility)。類似于上文的描述，直流電壓源118耦合到偏墊112，且地面116耦合到錨栓108A。上文所描的方法150可用以配置和操作圖1G的具有導(dǎo)電層105的結(jié)構(gòu)100。
圖1H說明導(dǎo)電層109的另一個實施例的俯視圖。圖1E與圖1H之間相同或類似部件由相同的參考數(shù)字指示。在此實施例中，驅(qū)動墊126僅包括固定齒110B。這種配置提供較大的初始轉(zhuǎn)矩以激發(fā)所述鏡面的旋轉(zhuǎn)振蕩。固定齒110B與移動齒104B之間的振蕩電壓差單獨地造成鏡面101的掃描運動。然而，由于此實施例中的層109以固定齒110僅在所述相對側(cè)中的一個上施加了力，所以可增加振蕩電壓差來匹配圖1E中的上述實施例的響應(yīng)振幅。上文所述的方法150可用以配置和操作圖1H的具有導(dǎo)電層109的結(jié)構(gòu)100。
圖1I說明導(dǎo)電層109的另一個實施例的俯視圖。圖1E與圖1I之間相同或類似的部件由相同的參考數(shù)字指示。在此實施例中，導(dǎo)電層109劃分成兩個驅(qū)動墊132A及132B(共同稱作“驅(qū)動墊132”)，其一起界定開口121。固定齒110A和110B分別自驅(qū)動墊132A和132B的相對邊緣延伸。驅(qū)動墊132A耦合到交流電壓源134A，而驅(qū)動墊132B耦合到另一個交流電壓源134B。交流電壓源134A和134B具有相同的頻率但有180度的相位差以提供最高的扭轉(zhuǎn)致動力和初始的激發(fā)轉(zhuǎn)矩。因此，固定齒110與移動齒104之間的振蕩電壓差造成鏡面101的掃描運動。上文所描述的方法150可用以配置和操作圖1I的具有導(dǎo)電層109的結(jié)構(gòu)100。
圖1J說明導(dǎo)電層109下方的額外層136的俯視圖，所述額外層136將驅(qū)動墊132A和132B電絕緣。在一個實施例中，絕緣層136由本征硅制成。絕緣層136可包括為鏡面101的掃描運動保留的自由空間。
圖2A和2B分別說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)200的裝配和分解圖。類似于MEMS結(jié)構(gòu)100，MEMS結(jié)構(gòu)200可用于需要單軸掃描鏡的任何應(yīng)用中。MEMS結(jié)構(gòu)200包括一導(dǎo)電層205、一隔離層和結(jié)合層207和一結(jié)構(gòu)錨定層209。在一個實施例中，導(dǎo)電層205由摻雜硅制成，而隔離層207由SiO2制成以電絕緣導(dǎo)電層205的元件。層209為兩個上層提供一支承結(jié)構(gòu)。如果層209由不導(dǎo)電的本征硅制成，則層207將僅用作結(jié)合層并可視情況用于這一配置。
圖2C說明導(dǎo)電層205的一個實施例的俯視圖。導(dǎo)電層205包括掃描鏡201、偏墊212和驅(qū)動墊232A和232B。類似于鏡面101，鏡面201包括反射區(qū)域224，所述反射區(qū)域通過扭轉(zhuǎn)鉸鏈202A和202B分別連接到錨栓208A和208B。鏡面201繞軸222旋轉(zhuǎn)。
在一個實施例中，扭轉(zhuǎn)鉸鏈202A和202B包括內(nèi)孔214以降低旋轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。鏡面201也包括一組移動齒204A和204B(共同稱作“移動齒204”)。移動齒204A和204B自桿206A和206B延伸，位于軸222的不同側(cè)上。桿206A和206B連接到反射區(qū)域224，并平行于扭轉(zhuǎn)鉸鏈202A和202B。
內(nèi)部移動齒204B更靠近反射區(qū)域224并與固定齒210A和210B互相交叉(隨后描述)。外部移動齒204A距反射區(qū)域224較遠(yuǎn)并與固定齒203A和203B互相交叉(隨后描述)。
在一個實施例中，由于其一般為移除了一或一個以上角的正方形，所以鏡面201不對稱。因此，鏡面201的重心轉(zhuǎn)移到軸222的一側(cè)。當(dāng)應(yīng)用需要鏡面201在某一初始的旋轉(zhuǎn)位置開始或快速到達(dá)某一初始的旋轉(zhuǎn)位置時，優(yōu)選此設(shè)計。
偏墊212包括在軸222的不同側(cè)上的固定齒203A和203B(共同稱作“固定齒203”)。當(dāng)偏墊212和鏡面201處于相同平面內(nèi)時(例如，當(dāng)鏡面201不旋轉(zhuǎn)時)，固定齒203A和203B分別與外部移動齒204A互相交叉。
驅(qū)動墊232A和232B(共同稱作“驅(qū)動墊232”)分別包括固定齒210A和210B(共同稱作“固定齒210”)。當(dāng)驅(qū)動墊232和鏡面201處于相同平面內(nèi)時，固定齒210A和210B與內(nèi)部移動齒204B互相交叉。
在一個實施例中，錨栓208A耦合到地面216，且偏墊212耦合到直流電壓源218。直流電壓源218向偏墊212提供直流偏壓，其在固定齒203與外部移動齒204A之間造成穩(wěn)定的電壓差。類似于上文的描述，固定齒203與移動齒204A之間的穩(wěn)定的電壓差造成靜電力，其改變結(jié)構(gòu)200的固有頻率。因此，可通過改變固定齒203與移動齒204A之間的穩(wěn)定的電壓差來調(diào)諧MEMS結(jié)構(gòu)200的固有頻率。
在一個實施例中，固定齒210和移動齒204B形成靜電制動器(例如，梳狀驅(qū)動制動器)，其使掃描鏡201振蕩。在此實施例中，驅(qū)動墊232耦合到交流電壓源220。當(dāng)啟動時，交流電壓源220向驅(qū)動墊232提供交流驅(qū)動電壓，其在固定齒210與內(nèi)部移動齒204B之間造成振蕩電壓差。固定齒210與內(nèi)部移動齒204B之間的振蕩電壓差引起靜電轉(zhuǎn)矩，造成鏡面201的掃描運動。
類似于上文的描述，在一個實施例中，直流電壓源218和交流電壓源220可建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)200相同的芯片上?；蛘?，電壓源218和220可建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)200分離的一個或一個以上的芯片上。這些一個或一個以上的芯片接著經(jīng)過電線耦合到偏墊212和驅(qū)動墊232。在一個實施例中，直流電壓源218在操作過程中受到伺服系統(tǒng)控制而產(chǎn)生一直流偏壓值，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)100的理想固有頻率，且交流電壓源220在操作過程中受到伺服系統(tǒng)控制而產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓，其產(chǎn)生理想掃描速度和掃描角度。
圖2D說明隔離層207的一個實施例的俯視圖。隔離層207界定十字形開口221。類似于開口121，開口221是為鏡面201的掃描運動保留的自由空間。
上文描述的方法150(圖1F)可用于操作結(jié)構(gòu)200。
圖3A和3B分別說明一個實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)300的裝配及分解圖。MEMS結(jié)構(gòu)300可用于需要相對于兩個旋轉(zhuǎn)軸(例如，雙向掃描鏡)旋轉(zhuǎn)運動的任何應(yīng)用中。MEMS結(jié)構(gòu)300包括結(jié)構(gòu)錨定層301、絕緣層304、導(dǎo)電層302、絕緣層305和導(dǎo)電層303。在一個實施例中，層301由本征硅或摻雜硅制成，導(dǎo)電層302和303由摻雜硅制成，且絕緣層304和305由二氧化硅(SiO2)制成。絕緣層304和305將層301、302和303上的組件電絕緣。絕緣層304也用以將層301和302物理地結(jié)合。類似地，絕緣層305也用以將導(dǎo)電層302和303物理地結(jié)合。
圖3C說明導(dǎo)電層303的一個實施例的俯視圖。導(dǎo)電層303包括掃描鏡316、驅(qū)動墊306和309、接地墊307和偏墊308。掃描鏡316包括反射區(qū)域352，其通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈315A和315B分別連接到錨栓328和329。鏡面316經(jīng)由鉸鏈315A和315B繞Y軸旋轉(zhuǎn)。鉸鏈315A和315B判定以Y軸的鏡面掃描頻率/速度。
鏡面316包括在Y軸不同側(cè)上的移動齒314A和314B(共同稱作“移動齒314”)。驅(qū)動墊306通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈324連接到梳齒388。梳齒388具有固定齒313，當(dāng)梳齒388與鏡面316處于相同的平面時(例如，當(dāng)鏡面316不繞Y軸旋轉(zhuǎn)時)，固定齒313與若干移動齒314A互相交叉。類似地，驅(qū)動墊309通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈326連接到梳齒390。梳齒390具有固定齒311，當(dāng)鏡面316不繞Y軸旋轉(zhuǎn)時，固定齒311與若干移動齒314B互相交叉。
偏墊308通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈325連接到梳齒323B。梳齒323B通過桿330A連接到梳齒323A。梳齒323A和323B分別具有固定齒310A和310B(共同稱作“固定齒310”)。當(dāng)鏡面316不繞Y軸旋轉(zhuǎn)時，固定齒310A和310B分別與若干移動齒314A和314B互相交叉。
接地墊307通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈327連接到L形桿330B。因此，接地墊307連接到鏡面316和移動齒314。
在一個實施例中，接地墊307耦合到地面354，且偏墊308耦合到直流電壓源356。直流電壓源356向偏墊308提供直流偏壓。所述直流偏壓在固定齒310與移動齒314之間造成穩(wěn)定的電壓差。類似于上文的描述，固定齒310與移動齒314之間的穩(wěn)定的電壓差造成一非線性靜電系統(tǒng)，其改變MEMS結(jié)構(gòu)300繞Y軸的固有頻率。因此，MEMS結(jié)構(gòu)300繞Y軸的固有頻率可通過改變固定齒310與移動齒314之間的穩(wěn)定的電壓差而改變(例如，調(diào)諧)。
類似于上文的描述，直流電壓源356可建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300相同的芯片上?；蛘?，直流電壓源356可建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300分離的芯片上。在一個實施例中，直流電壓源356在操作期間受到伺服系統(tǒng)控制以產(chǎn)生一直流偏壓值，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300繞Y軸的理想固有頻率。
在一個實施例中，(1)固定齒311和移動齒314B，以及(2)固定齒313和移動齒314A形成兩個靜電制動器(例如，梳狀驅(qū)動制動器)，其使掃描鏡316繞Y軸振蕩。在此實施例中，驅(qū)動墊306和309耦合到交流電壓源360，且接地墊307耦合到地面354。當(dāng)啟動時，交流電壓源360在(1)固定齒311和移動齒314B之間，以及(2)固定齒313和移動齒314A之間造成振蕩電壓差。通常，交流驅(qū)動電壓具有等于結(jié)構(gòu)300的固有頻率的頻率，從而達(dá)到最大的掃描角度。齒之間的振蕩電壓差產(chǎn)生靜電轉(zhuǎn)矩，其造成鏡面316繞Y軸的掃描運動。
類似于上文的描述，在一個實施例中，交流電壓源360可建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300相同的芯片上?；蛘?，交流電壓源360建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300分離的芯片上。在一個實施例中，交流電壓源360在操作期間受到伺服系統(tǒng)控制以產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓，其產(chǎn)生繞Y軸的理想掃描速度和掃描角度。
在一個實施例中，導(dǎo)電層303進(jìn)一步包括位于X軸的不同側(cè)上的驅(qū)動墊/梳齒317A和317B。梳齒317A和317B分別包括固定齒318A和318B。固定齒318A和318B用以使鏡面316繞X軸旋轉(zhuǎn)(隨后將參考層302描述)。梳齒317A和317B耦合到交流電壓源374(隨后描述)。
圖3D說明絕緣層305的一個實施例的俯視圖。除鏡面316之外，絕緣層305具有與導(dǎo)電層303相同的形狀，以便將層303上的組件電絕緣。絕緣層305界定一為鏡面316的掃描運動保留的開口358。
圖3E說明導(dǎo)電層302的一個實施例的俯視圖。導(dǎo)電層302包括旋轉(zhuǎn)框架364和偏墊/梳齒319A和319B。旋轉(zhuǎn)框架364界定一用于鏡面316的掃描運動的開口358。旋轉(zhuǎn)框架364包括在X軸的不同側(cè)上的梳齒322A and322B。旋轉(zhuǎn)框架364通過螺旋形扭轉(zhuǎn)鉸鏈332A和332B分別連接到接地墊/錨栓331A和331B。旋轉(zhuǎn)框架364可通過鉸鏈332A和332B繞X軸旋轉(zhuǎn)。鏡面316安裝在旋轉(zhuǎn)框架364的頂上。具體而言，鏡面316的錨栓328和329分別安裝在旋轉(zhuǎn)框架364的錨栓安裝件336和337頂上。此允許鏡面316使用鉸鏈315A和315B繞Y軸旋轉(zhuǎn)，且使用鉸鏈332A和332B繞X軸旋轉(zhuǎn)。
梳齒322A和322B分別包括移動齒321A和321B(共同稱作“移動齒321”)。梳齒319A和319B分別包括固定齒320A和320B(共同稱作“固定齒320”)。當(dāng)梳齒322A、梳齒322B和旋轉(zhuǎn)框架364處于相同的平面時(例如，當(dāng)旋轉(zhuǎn)框架364不繞X軸旋轉(zhuǎn)時)，固定齒320A和320B分別與移動齒321A和321B互相交叉。
在一個實施例中，錨栓331A耦合到地面368，梳齒319A和319B耦合到直流電壓源370。直流電壓源370向梳齒319A和319B提供直流偏壓。所述直流偏壓在固定齒320與移動齒321之間產(chǎn)生一穩(wěn)定的電壓差。類似于上文的描述，固定齒320與移動齒321之間的穩(wěn)定的電壓差產(chǎn)生一非線性靜電系統(tǒng)，其改變MEMS結(jié)構(gòu)300繞X軸的固有頻率。因此，可通過改變固定齒320與移動齒321之間的穩(wěn)定的電壓差來改變(例如，調(diào)諧)MEMS結(jié)構(gòu)300繞X軸的固有頻率。
類似于上文的描述，在一個實施例中，直流電壓源370建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300相同的芯片上?；蛘?，直流電壓源370建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300分離的芯片上。在一個實施例中，直流電壓源370在操作期間受到伺服系統(tǒng)控制以產(chǎn)生直流偏壓值，其產(chǎn)生結(jié)構(gòu)300繞X軸的理想固有頻率。
如上文的描述，梳齒317A和317B(圖3C)分別具有固定齒318A和318B(圖3C)。當(dāng)鏡面316(圖3C)在第一方向上旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)框架364(圖3E)的移動齒321A(圖3E)與固定齒318A互相交叉，且當(dāng)鏡面316在相反的方向上旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)框架364的移動齒321B(圖3E)與固定齒318B互相交叉。
在一個實施例中，(1)固定齒318A和移動齒321A，以及(2)固定齒318B和移動齒321B形成兩個靜電制動器(例如，梳狀驅(qū)動制動器)，其使掃描鏡面316繞X軸振蕩。在此實施例中，梳齒317A和317B耦合到交流電壓源374(圖3C)，且接地墊331A(圖3E)耦合到地面368(圖3E)。當(dāng)啟動時，交流電壓源374在固定齒318A與移動齒321A之間和在固定齒318B與移動齒321B之間造成振蕩電壓差。通常，所述交流驅(qū)動電壓具有等于結(jié)構(gòu)300的固有頻率的頻率以達(dá)到最大的掃描角度。齒之間的振蕩電壓差引起靜電轉(zhuǎn)矩，其造成鏡面316繞X軸的掃描運動。
類似于上文的描述，在一個實施例中，交流電壓源374建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300相同的芯片上?；蛘?，交流電壓源374建構(gòu)在與結(jié)構(gòu)300分離的芯片上。在一個實施例中，交流電壓源374在操作期間由伺服系統(tǒng)控制以產(chǎn)生交流驅(qū)動電壓，其產(chǎn)生繞X軸的理想掃描速度和掃描角度。
圖3F說明絕緣層304的一個實施例的俯視圖。絕緣層304具有與導(dǎo)電層302相同的形狀(但僅對旋轉(zhuǎn)框架364而言)，以便將層302上的組件電絕緣。絕緣層304界定為鏡面316和旋轉(zhuǎn)框架364的掃描運動保留的開口358。
圖3G說明結(jié)構(gòu)錨定層301的一個實施例的俯視圖。層301包括框架378，其界定開口358用于鏡面316和旋轉(zhuǎn)框架364的掃描運動。旋轉(zhuǎn)框架364安裝在框架378的頂上。具體而言，旋轉(zhuǎn)框架364的錨栓331A和331B分別安裝在框架378的錨栓安裝件380和382頂上。導(dǎo)電層302的梳齒319A和319B分別安裝在梳齒安裝件384和386頂上。
在一個實施例中，上文描述的方法150(圖1F)可經(jīng)修改以配置和操作MEMS結(jié)構(gòu)300。結(jié)構(gòu)300一般為來自一批批量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)300的裝置。
在動作151中，設(shè)計者判定應(yīng)用的兩個旋轉(zhuǎn)軸的掃描頻率和掃描角度，且修改結(jié)構(gòu)300的基本設(shè)計以達(dá)到等于掃描頻率的特定固有頻率。設(shè)計者通過改變鉸鏈的剛性(例如，鉸鏈的幾何結(jié)構(gòu))或改變結(jié)構(gòu)的慣性(例如，鏡面的幾何結(jié)構(gòu))修改設(shè)計。動作151之后為動作152。
在動作152中，設(shè)計者預(yù)置兩個旋轉(zhuǎn)軸的直流電壓差的特性，從而將此結(jié)構(gòu)300的固有頻率調(diào)諧到掃描頻率。設(shè)計者也預(yù)置兩個旋轉(zhuǎn)軸的交流電壓差的特性，從而達(dá)到振蕩發(fā)生的理想掃描角度和理想中間掃描位置。接著將這些特性存儲到此結(jié)構(gòu)300的控制器406中，作為直流偏壓和交流驅(qū)動電壓的初始/缺省特性。
在動作153中，最終用戶可將直流偏壓和交流驅(qū)動電壓的不同特性存儲在控制器406中。最終用戶希望這樣做來改變理想掃描頻率、理想掃描角度和理想中間掃描位置。
在動作154中，控制器406指示電壓源402施加直流偏壓和交流驅(qū)動電壓。電壓源402表示各種直流和交流電壓源(例如，直流電壓源356和370，和交流電壓源360和374)。
所述直流偏壓初始化為儲存在控制器406中的缺省值，且接著受到伺服系統(tǒng)控制以確保旋轉(zhuǎn)固有頻率為掃描頻率。
所述交流驅(qū)動電壓初始化為存儲在控制器406中的缺省值，且接著受到伺服系統(tǒng)控制以確保達(dá)到理想掃描頻率、理想掃描角度和理想掃描中間位置。動作154之后為動作158。
在動作158中，傳感器404用以監(jiān)視掃描鏡的運動并將所測量的信息輸出到控制器406。動作158之后為動作160。
在動作160中，控制器406接收來自傳感器404的掃描頻率和角度信息?？刂破?06計算所需的直流偏壓和所需的交流驅(qū)動電壓并將其提供給電壓源402。動作160之后為動作154，且所述方法繼續(xù)在反饋循環(huán)環(huán)中。
所揭示的實施例的各種其它的特性的修改和組合在本發(fā)明的范疇內(nèi)。隨附權(quán)利要求書涵蓋許多實施例。
權(quán)利要求
1.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一第一電極，其耦合到一第一電壓源；一第二電極，其耦合到一第二電壓源；一移動元件，其包含一耦合到一第三電壓源的第三電極；其中，所述第一電極與所述第三電極之間的一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率改變?yōu)橹辽俳频扔谝粦?yīng)用的掃描頻率，且在所述應(yīng)用的所述掃描頻率下，在所述第二電極與所述第三電極之間的一振蕩電壓差使所述移動元件振蕩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電壓源為一直流電壓源，所述第二電壓源為一交流電壓源，且所述第三電壓源為地面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極包含第一復(fù)數(shù)個固定齒，且所述第二電極包含第二復(fù)數(shù)個固定齒，且所述第三電極包含復(fù)數(shù)個移動齒。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述直流電壓源和交流電壓源位于與所述結(jié)構(gòu)相同的芯片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中(1)所述直流電壓源和(2)所述交流電壓源中的至少一個位于與所述結(jié)構(gòu)不同的芯片上。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述移動元件為一繞一軸旋轉(zhuǎn)的掃描鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述掃描鏡進(jìn)一步包含一耦合到一扭轉(zhuǎn)彈簧的反射區(qū)域，其中所述復(fù)數(shù)個移動齒從一耦合到所述反射區(qū)域的桿上伸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述扭轉(zhuǎn)彈簧包括內(nèi)孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述掃描鏡處于一第一位置時，所述第一復(fù)數(shù)個固定齒與所述復(fù)數(shù)個移動齒互相交叉。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)所述掃描鏡處于一第二位置時，所述第二復(fù)數(shù)個固定齒與所述復(fù)數(shù)個移動齒互相交叉。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極和所述移動元件包含一上層，且所述第二電極包含一下層，所述上層和所述下層通過一電絕緣材料的中間層相分離。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中所述鏡面進(jìn)一步包含一通過一桿耦合到一螺旋形扭轉(zhuǎn)彈簧的反射區(qū)域，其中所述復(fù)數(shù)個移動齒從所述桿上伸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包含一耦合到一第四電壓源的第四電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電壓源為一第一直流電壓源，所述第二電壓源為一第一交流電壓源，所述第三電壓源為地面，所述第四電壓源為一第二交流電壓源。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一交流電壓源和所述第二交流電壓源提供異相(out of phase)電壓。
16.根據(jù)權(quán)利要求7所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極、所述第二電極和所述移動元件包含一個層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一復(fù)數(shù)個固定齒與來自所述復(fù)數(shù)個移動齒的第一組移動齒互相交叉，且所述第二復(fù)數(shù)個固定齒與來自所述復(fù)數(shù)個移動齒的第二組移動齒互相交叉。
18.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一包含一第一驅(qū)動墊的第一層，所述第一驅(qū)動墊界定一第一開口，所述第一驅(qū)動墊包含第一復(fù)數(shù)個固定齒，所述第一驅(qū)動墊電耦合到一提供一交流電壓的交流電壓源；一在所述第一層頂上的第二層，所述第二層界定一與所述第一開口重疊的第二開口，所述第二層包含一電絕緣材料；一在所述第二層頂上的第三層，所述第三層包含一偏墊，其界定一與所述第二開口重疊的第三開口，所述偏墊包含第二復(fù)數(shù)個固定齒，所述偏墊電耦合到一提供一直流偏壓的直流電壓源；一在所述第三開口中的鏡面，其包含一反射區(qū)域；一耦合到所述反射區(qū)域的扭轉(zhuǎn)鉸鏈；一錨栓，其耦合到所述扭轉(zhuǎn)鉸鏈并安裝在所述第二層頂上使得所述鏡面可旋轉(zhuǎn)，所述錨栓電耦合到地面；耦合到所述反射區(qū)域的復(fù)數(shù)個移動齒，所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第二復(fù)數(shù)個固定齒互相交叉；其中，所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第二復(fù)數(shù)個固定齒之間的一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率改變成一應(yīng)用的掃描頻率，且在所述應(yīng)用的所述掃描頻率下所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第一復(fù)數(shù)個固定齒之間的一振蕩電壓差使所述掃描鏡振蕩。
19.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一包含電絕緣材料的第一層；一在所述第一層頂上的第二層，所述第二層包含一第一驅(qū)動墊，所述第一驅(qū)動墊包含第一復(fù)數(shù)個固定齒，所述第一驅(qū)動墊電耦合到一提供一第一交流電壓的第一交流電壓源；一第二驅(qū)動墊，所述第二驅(qū)動墊包含第二復(fù)數(shù)個固定齒，所述第二驅(qū)動墊電耦合到一提供一第二交流電壓的第二交流電壓源，所述第二交流電壓與所述第一交流電壓異相，其中所述第一驅(qū)動墊和所述第二驅(qū)動墊界定一第一開口；一在所述第二層頂上的第三層，所述第三層界定一與所述第一開口重疊的第二開口，所述第三層由電絕緣材料組成；一在所述第三層頂上的第四層，所述第四層包含一偏墊，其界定一與所述第二開口重疊的第三開口，所述偏墊包含第三復(fù)數(shù)個固定齒，所述偏墊電耦合到一提供一直流電壓的直流電壓源；一在所述第一和所述第二開口上方的鏡面，其包含一反射區(qū)域；一耦合到所述反射區(qū)域的扭轉(zhuǎn)鉸鏈；一錨栓，其耦合到所述扭轉(zhuǎn)鉸鏈并安裝在所述第三層頂上使得所述鏡面可旋轉(zhuǎn)，所述錨栓電耦合到地面；耦合到所述反射區(qū)域的復(fù)數(shù)個移動齒，所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第三復(fù)數(shù)個固定齒互相交叉；其中，所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第三復(fù)數(shù)個固定齒之間的一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率改變成一應(yīng)用的掃描頻率，且在所述應(yīng)用的所述掃描頻率下所述復(fù)數(shù)個移動齒與所述第一和所述第二復(fù)數(shù)個固定齒之間的一振蕩電壓差使所述掃描鏡振蕩。
20.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一界定一開口的第一層，所述第一層由電絕緣材料組成；一第二層，其包含一第一驅(qū)動墊，其包含第一復(fù)數(shù)個固定齒，所述第一驅(qū)動墊電耦合到一提供一交流電壓的交流電壓源；一第二驅(qū)動墊，其包含第二復(fù)數(shù)個固定齒，所述第二驅(qū)動墊電耦合到所述交流電壓源；一偏墊，其包含第三復(fù)數(shù)個固定齒，所述偏墊電耦合到一提供一直流電壓的直流電壓源；一在所述開口上方的鏡面，其包含一反射區(qū)域；一耦合到所述反射區(qū)域的扭轉(zhuǎn)鉸鏈；一錨栓，其耦合到所述扭轉(zhuǎn)鉸鏈并安裝在所述第一層頂上使得所述鏡面可旋轉(zhuǎn)，所述錨栓電耦合到地面；耦合到所述反射區(qū)域的第一復(fù)數(shù)個移動齒，所述第一復(fù)數(shù)個移動齒與所述第一和第二復(fù)數(shù)個固定齒互相交叉；耦合到所述反射區(qū)域的第二復(fù)數(shù)個移動齒，所述第二復(fù)數(shù)個移動齒與所述第三復(fù)數(shù)個固定齒互相交叉；其中，所述第二復(fù)數(shù)個移動齒與所述第三復(fù)數(shù)個固定齒之間的一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率改變成一應(yīng)用的掃描頻率，且在所述應(yīng)用的所述掃描頻率下所述第二復(fù)數(shù)個移動齒與所述第一和所述第二復(fù)數(shù)個固定齒之間的一振蕩電壓差使所述掃描鏡振蕩。
21.一種用于控制一具有一移動元件的MEMS結(jié)構(gòu)的方法，其包含判定在所述移動元件的一第一固定電極與一移動電極之間的一直流電壓差的振幅，所述直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)的一固有頻率至少近似等于一應(yīng)用的一掃描頻率；記錄所述直流電壓差的所述振幅以用于所述應(yīng)用；和記錄所述掃描頻率作為所述移動元件的一第二固定電極與所述移動電極之間的一交流電壓差的頻率以用于所述應(yīng)用，所述交流電壓差引起所述移動元件的一振蕩。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述判定所述直流電壓差的一值包含將一直流偏壓施加到所述第一固定電極；將耦合到所述移動元件的所述移動電極接地；和調(diào)整所述直流偏壓的所述振幅，直到所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率至少近似等于所述掃描頻率。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述記錄所述直流電壓差包含把所述直流偏壓的所述振幅編程到一控制器中以用于操作所述MEMS結(jié)構(gòu)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述記錄所述掃描頻率作為一交流電壓差的頻率包含將所述掃描頻率編程到所述控制器中。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述移動電極接地；將一直流偏壓施加到所述第一固定電極以在所述第一固定電極與所述移動電極之間引起所述直流電壓差；和將一交流驅(qū)動電壓施加到所述第二固定電極以在所述第二固定電極與所述移動電極之間引起所述交流電壓差。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其進(jìn)一步包含記錄所述掃描頻率作為所述移動元件的一第三固定電極與所述移動電極之間的一第二交流電壓差的頻率以用于所述應(yīng)用，所述第二交流電壓差與所述第一交流電壓差異相；和將一第二交流驅(qū)動電壓施加到所述第三固定電極以在所述第二固定電極與所述移動電極之間引起所述交流電壓差。
27.一種用于控制一具有一移動元件的MEMS結(jié)構(gòu)的方法，其包含在所述移動元件的一第一固定電極與一移動電極之間施加一直流電壓差，所述直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)的一固有頻率至少近似等于一應(yīng)用的理想掃描頻率；和在所述理想掃描頻率下在一第二固定電極與所述移動電極之間施加一交流電壓差，所述交流電壓差引起所述移動元件振蕩。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其進(jìn)一步包含測量所述移動元件的一掃描頻率和一掃描角度；將所述經(jīng)測量的掃描頻率和所述掃描角度與所述理想掃描頻率和一理想掃描角度相比較；和調(diào)整所述直流電壓差的振幅以將所述結(jié)構(gòu)的所述固有頻率改變成至少近似等于所述應(yīng)用的理想掃描頻率。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其進(jìn)一步包含調(diào)整所述交流電壓差的一振幅、一頻率和一垂直偏移中的至少一個以改變所述掃描頻率、所述掃描角度和一中間掃描位置中的至少一個。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述施加一直流電壓差包含將一直流偏壓施加到所述第一固定電極；和將所述移動電極接地。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所述施加一交流電壓差包含將一交流電壓施加到所述第二固定電極。
32.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一第一電極，其耦合到一第一電壓源；一第二電極，其耦合到一第二電壓源；一可旋轉(zhuǎn)框架，其包含一耦合到一第三電壓源的第三電極，所述框架安裝到一支承層以繞一第一軸旋轉(zhuǎn)；一第四電極，其耦合到一第四電壓源；一第五電極，其耦合到一第五電壓源；一可旋轉(zhuǎn)元件，其包含一耦合到一第六電壓源的第六電極，所述可旋轉(zhuǎn)元件安裝到所述框架上以繞一第二軸旋轉(zhuǎn)；其中所述第一電極與所述第三電極之間的一第一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)繞所述第一軸的所述固有頻率改變成至少近似等于一應(yīng)用繞所述第一軸的一掃描頻率；所述第四電極與所述第六電極之間的一第二穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)繞所述第二軸的所述固有頻率改變成至少近似等于所述應(yīng)用繞所述第二軸的一掃描頻率；所述第一掃描頻率下的所述第二電極與所述第三電極之間的一第一振蕩電壓差使所述可旋轉(zhuǎn)元件繞所述第一軸振蕩；和所述第二掃描頻率下的所述第五電極與所述第六電極之間的一第二振蕩電壓差使所述可旋轉(zhuǎn)元件繞所述第二軸振蕩。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中，所述第一電壓源為一第一直流電壓源，所述第二電壓源為一第一交流電壓源，且所述第三電壓源為地面。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述框架進(jìn)一步包含一安裝在所述支承層頂上的扭轉(zhuǎn)彈簧，且所述第三電極包含從所述框架伸出的第一復(fù)數(shù)個齒。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第一電極包含安裝在所述支承層頂上且于所述框架不旋轉(zhuǎn)時與所述第一復(fù)數(shù)個齒互相交叉的第二復(fù)數(shù)個齒。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第二電極包含在所述第二復(fù)數(shù)個齒上方的第三復(fù)數(shù)個齒，當(dāng)所述框架旋轉(zhuǎn)時所述第三復(fù)數(shù)個齒與所述第一復(fù)數(shù)個齒互相交叉。
37.根據(jù)權(quán)利要求33所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第四電壓源為一第二直流電壓源，所述第五電壓源為一第二交流電壓源，且所述第六電壓源為地面。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述可旋轉(zhuǎn)元件為一包含一反射區(qū)域的掃描鏡，所述反射區(qū)域耦合到一安裝在所述框架頂上的扭轉(zhuǎn)彈簧，且所述第六電極包含從所述反射區(qū)域延伸出的第一復(fù)數(shù)個齒。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第四電極包含第二復(fù)數(shù)個齒，當(dāng)所述框架不旋轉(zhuǎn)時所述第二復(fù)數(shù)個齒與所述第一復(fù)數(shù)個齒中的至少一部分互相交叉。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第五電極包含第三復(fù)數(shù)個齒，當(dāng)所述框架不旋轉(zhuǎn)時所述第三復(fù)數(shù)個齒與所述第一復(fù)數(shù)個齒中的至少一部分互相交叉。
41.根據(jù)權(quán)利要求37所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第一直流電壓源、所述第二直流電壓源、所述第一交流電壓源和所述第二交流電壓源位于與所述結(jié)構(gòu)相同的芯片上。
42.根據(jù)權(quán)利要求33所述的MEMS結(jié)構(gòu)，其中所述第一直流電壓源、所述第二直流電壓源、所述第一交流電壓源和所述第二交流電壓源中的至少一個位于與所述結(jié)構(gòu)不同的芯片上。
43.一種MEMS結(jié)構(gòu)，其包含一包含一電絕緣材料的第一層；一在所述第一層頂上的第二層，所述第二層包含一包含從所述框架的一個或一個以上邊緣延伸出的第一復(fù)數(shù)個齒的框架，所述框架通過一第一扭轉(zhuǎn)鉸鏈耦合到一第一錨栓以繞一第一軸旋轉(zhuǎn)，所述第一錨栓電耦合到地面；一包含第二復(fù)數(shù)個齒的第一偏墊，所述第一偏墊耦合到一第一直流電壓源，當(dāng)所述框架不旋轉(zhuǎn)時所述第一和所述第二復(fù)數(shù)個齒互相交叉；一在所述第二層頂上的第三層，所述第三層包含所述電絕緣材料；一在所述第三層頂上的第四層，所述第四層包含一包含從所述鏡面的一個或一個以上邊緣延伸出的第三復(fù)數(shù)個齒的鏡面，所述鏡面通過一第二扭轉(zhuǎn)鉸鏈耦合到一第二錨栓以繞一第二軸旋轉(zhuǎn)，所述第二錨栓電耦合到地面，所述第二錨栓安裝到所述第三層頂上的框架上；一包含第四復(fù)數(shù)個齒的第二偏墊，所述第二偏墊耦合到一第二直流電壓源，當(dāng)所述鏡面不旋轉(zhuǎn)時，所述第三和所述第四復(fù)數(shù)個齒互相交叉；一包含第五復(fù)數(shù)個齒的第一驅(qū)動墊，所述第一驅(qū)動墊耦合到一第一交流電壓源，當(dāng)所述鏡面不旋轉(zhuǎn)時所述第三和所述第五復(fù)數(shù)個齒互相交叉；一包含第六復(fù)數(shù)個齒的第二驅(qū)動墊，所述第二驅(qū)動墊耦合到一第二交流電壓源，當(dāng)所述鏡面繞所述第二軸旋轉(zhuǎn)時所述第一和所述第六復(fù)數(shù)個齒互相交叉；其中所述第一與所述第二復(fù)數(shù)個齒之間的一第一穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)繞所述第一軸的所述固有頻率改變成至少近似等于一應(yīng)用繞所述第一軸的一第一掃描頻率；所述第三與所述第四復(fù)數(shù)個齒之間的一第二穩(wěn)定電壓差將所述結(jié)構(gòu)繞所述第二軸的所述固有頻率改變成至少近似等于所述應(yīng)用繞所述第二軸的一第二掃描頻率；所述第一掃描頻率下的所述第三與所述第五復(fù)數(shù)個齒之間的一第一振蕩電壓差使所述掃描鏡繞所述第二軸振蕩；和所述第二掃描頻率下的所述第一與所述第六復(fù)數(shù)個齒之間的一第二振蕩電壓差使所述掃描鏡繞所述第一軸振蕩。
44.一種用于控制一MEMS結(jié)構(gòu)的方法，所述MEMS結(jié)構(gòu)具有一安裝在一可旋轉(zhuǎn)框架上的可旋轉(zhuǎn)元件，所述方法包含判定在所述可旋轉(zhuǎn)元件的一第一電極與一第二電極之間的一第一直流電壓差，所述第一直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)繞一第二軸的一第一固有頻率至少近似等于一應(yīng)用繞所述第二軸的一第一掃描頻率；判定在所述可旋轉(zhuǎn)框架的一第三電極與一第四電極之間的一第二直流電壓差，所述第二直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)繞一第一軸的一第二固有頻率至少近似等于所述應(yīng)用繞所述第一軸的一第二掃描頻率；記錄所述第一和所述第二直流電壓差以用于所述應(yīng)用；和記錄所述第一掃描頻率作為所述可旋轉(zhuǎn)元件的一第五電極與所述第二電極之間的一第一交流電壓差的一第一驅(qū)動頻率以用于所述應(yīng)用，所述第一交流電壓差引起所述移動元件繞所述第二軸振蕩；和記錄所述第二掃描頻率作為所述可旋轉(zhuǎn)框架的一第六電極與所述第四電極之間的一第二交流電壓差的一第二驅(qū)動頻率以用于所述應(yīng)用，所述第二交流電壓差引起所述可旋轉(zhuǎn)框架繞所述第一軸振蕩。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中所述判定所述第一直流電壓差包含將一第一直流偏壓施加到所述第一電極；將所述可旋轉(zhuǎn)元件的所述第二電極接地；和調(diào)整所述第一直流偏壓的一振幅，直到所述第一固有頻率至少近似等于所述第一掃描頻率。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述判定所述第二直流電壓差包含將一第二直流偏壓施加到所述第三電極；將所述可旋轉(zhuǎn)框架的第四電極接地；和調(diào)整所述第二直流偏壓的一振幅，直到所述第二固有頻率至少近似等于所述第二掃描頻率。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的方法，其中所述記錄所述第一和所述第二直流電壓差包含將所述第一直流偏壓和所述第二直流偏壓編程到一控制器中以用于操作所述MEMS結(jié)構(gòu)。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的方法，其中所述記錄所述第一和所述第二掃描頻率包含將所述第一和所述第二掃描頻率編程到所述控制器中。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述第二電極接地；將所述第一直流偏壓施加到所述第一電極以引起所述第一直流電壓差；在所述第一掃描頻率下將一第一交流驅(qū)動電壓施加到所述第五電極以引起所述第一交流電壓差；將所述第四電極接地；將所述第二直流偏壓施加到所述第三電極以引起所述第二直流電壓差；和在所述第二掃描頻率下將一第二交流驅(qū)動電壓施加到所述第六電極以引起所述第二交流電壓差。
50.一種用于控制一MEMS結(jié)構(gòu)的方法，所述MEMS結(jié)構(gòu)具有一安裝在一可旋轉(zhuǎn)框架上的可旋轉(zhuǎn)元件，所述方法包含在所述可旋轉(zhuǎn)元件的一第一電極與一第二電極之間施加一第一直流電壓差，所述第一直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)繞一第一軸的一第一固有頻率至少近似等于一應(yīng)用繞所述第一軸的一第一理想掃描頻率；在所述可旋轉(zhuǎn)框架的一第三電極與一第四電極之間施加一第二直流電壓差，所述第二直流電壓差引起所述結(jié)構(gòu)繞一第二軸的一第二固有頻率至少近似等于所述應(yīng)用繞所述第二軸的一第二理想掃描頻率；在所述第一理想掃描頻率下在所述可旋轉(zhuǎn)元件的一第五電極與所述第二電極之間施加一第一交流電壓差，所述第一交流電壓差引起所述可旋轉(zhuǎn)元件繞所述第一軸振蕩；和在所述第二理想掃描頻率下在所述可旋轉(zhuǎn)框架的一第六電極與所述第四電極之間施加一第二交流電壓差，所述第二交流電壓差引起所述可旋轉(zhuǎn)元件繞所述第二軸振蕩。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其進(jìn)一步包含測量所述可旋轉(zhuǎn)元件繞所述第一軸的一第一掃描頻率和一第一掃描角度；將所述經(jīng)測量的第一掃描頻率和所述經(jīng)測量的第一掃描角度與所述第一理想掃描頻率和一第一理想掃描角度相比較；和調(diào)整所述第一直流電壓差的所述振幅以將所述第一固有頻率改變成至少近似等于所述第一理想掃描頻率。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其進(jìn)一步包含調(diào)整所述第一交流電壓差的一振幅、一頻率和一垂直偏移中的至少一個以改變所述可旋轉(zhuǎn)元件的所述第一掃描頻率、所述第一掃描角度和一第一中間掃描位置中的至少一個。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其進(jìn)一步包含測量所述可旋轉(zhuǎn)框架繞所述第二軸的一第二掃描頻率和一第二掃描角度；將所述經(jīng)測量的第二掃描頻率和所述經(jīng)測量的第二掃描角度與所述第二理想掃描頻率和一第二理想掃描角度相比較；和調(diào)整所述第二直流電壓差的所述振幅以將所述第二固有頻率改變成至少近似等于所述第二理想掃描頻率。
54.根據(jù)權(quán)利要求53所述的方法，其進(jìn)一步包含調(diào)整所述第二交流電壓差的一振幅、一頻率和一垂直偏移中的至少一個以改變所述可旋轉(zhuǎn)元件的所述第二掃描頻率、所述第二掃描角度和一第二中間掃描位置中的至少一個。
55.根據(jù)權(quán)利要求50所述的方法，其中所述施加所述第一直流電壓差包含將一直流偏壓施加到所述第一電極；和將所述第二電極接地。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的方法，其中所述施加所述第一交流電壓差包含將一交流電壓施加到所述第五電極。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的方法，其中所述施加所述第二直流電壓差包含將一直流偏壓施加到所述第三電極；和將所述第四電極接地。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述施加所述第二交流電壓差包含將一交流偏壓施加到所述第六電極。
全文摘要
在本發(fā)明的一個實施例中，一MEMS結(jié)構(gòu)包括一第一電極、一第二電極和一移動元件。所述第一電極耦合到一第一電壓源。所述第二電極耦合到一第二電壓源。所述移動元件包括一耦合到一第三電壓源的第三電極。所述第一電極與所述第三電極之間的一穩(wěn)定電壓差用以將所述結(jié)構(gòu)的固有頻率(natural frequency)調(diào)諧到一應(yīng)用的掃描頻率。在所述應(yīng)用的掃描頻率下，在所述第二電極與所述第三電極之間的一振蕩電壓差用以使所述移動元件振蕩。在一個實施例中，所述移動元件為一鏡面。
文檔編號G02B6/35GK1739053SQ200380108793
公開日2006年2月22日 申請日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者傅冶中, 郭廷棟 申請人:先進(jìn)奈米系統(tǒng)公司