CN101279708A - 刚性增强了的微机械器件 - Google Patents

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CN101279708A CNA2008100903830A CN200810090383A CN101279708A CN 101279708 A CN101279708 A CN 101279708A CN A2008100903830 A CNA2008100903830 A CN A2008100903830A CN 200810090383 A CN200810090383 A CN 200810090383A CN 101279708 A CN101279708 A CN 101279708A
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Abstract

一种微机械器件，包括：可偏转微机械功能结构，和将所述微机械功能结构定位在所述微机械器件中的非刚性偏压悬挂件。

Description

刚性增强了的微机械器件
技术领域
本发明涉及一种刚性被增强了的微机械器件，并且特别涉及一种包含增强了刚性的静电梳齿驱动器的微镜。
背景技术
在微机械化的微镜中，悬挂在扭簧上的镜盘根据它是一维或二维扫描器镜而绕一个或两个轴偏转。偏转的驱动可以通过例如排列成梳齿的电极来实现，所述电极排列在微机械器件基片平面中。此扫描器镜在例如H.Schenk的博士论文“Ein neuartiger Mikroaktor zur ein-und zweidimensionalen Ablenkung vonLicht”中有过描述。此原理的优点是制造十分简单而且有很高的驱动效率。可选地，电极几何结构(electrode geometry)可以在高度上另外构造，从而如Ch.Porth的论文(“Untersuchung von nichtresonanten Antriebsprinzipienfür Mikroscannerspiegel zur niederfrequenten bzw.quasistatischenLichtablenkung”，Diplomarbeit 2006，TU Dresden)所说明的，形成三维组件。
潜在的机电不稳定性是静电驱动器的普遍缺点。这些就像J.Mehner在“Entwurf in der Mikrosystem
Figure A20081009038300042
technik”，Dresden University Press，1999中和由T.Kieβling等人在“Bulk micro machined quasistatic torsional micromirror”，in Proceedings of SPIE，MOEMS and Miniaturized Systems，2004中所说明的那样会发生在电极组件的正常运转中，也会发生在由寄生静电力和扭矩产生的不期望的偏转中。机电不稳定特性的前提条件是静电力矩或力，其在偏转方向中增长得比扭簧的机械回复力矩增长得快。此种情况产生的结果就是所谓的吸合效应(pull in效应)。如果没有适当的结构来限制，例如通过限定的止动件，它会导致偏转无法控制的增长，这种特性会导致静电驱动器的电极碰撞。这样又会导致装置被破坏，而这是绝对应该避免的。
由于包括静电梳齿驱动器的微镜的工作模式，当倾斜镜盘和/或可动的框架时，吸合效应不会出现在有用的方向上。然而在电极组件中有效的寄生静电力矩(parasitic electrostatic moment)甚至会在此处产生不希望的偏转和吸合效应。当这这种力矩作用在微镜的寄生机械自由度(parasitic mechanical degreeof freedom)的方向上时会发生此种情况。这可以示例性地为微镜在平面内的旋转或甚至微镜在平面内的平动。包括静电梳齿驱动器的微镜的寄生静电力矩由以下情况产生：当在使用的自由度上偏转、即当倾斜移出平面时，电极组件的电容没有排他地(exclusively)变化。例如，镜盘围绕通过镜盘法线的轴线所做的微小旋转或者在结构平面内镜盘的平动会导致电容的变化。这会产生引起吸合的静电力和/或静电扭矩。
为了避免吸合，在扫描器的静止位置上通过悬挂件(即扭簧)实现回复机械力矩和/或力的增长需比静电力矩的值大。如果条件不能被满足，在静止位置上的平衡会变得不稳定。任意的小干扰会产生偏转的增加并因此产生吸合。
力矩平衡刚好变得不稳定时的电压也称为稳定电压或吸合电压。它是包含静电梳齿驱动器的微镜的重要运行参数。除了绝缘体的介电强度之外，器件的电稳定电压是对电驱动器电压的限制因素并因此也是对偏转的限定因素。
通过使微镜悬挂在其上的扭簧变宽或变短而增加侧向机械阻力在很多情况下是不会选择的，因为它们在其扭簧硬度上会被这样的方法影响。在共振器件中，共振频率会因此改变。对于准静态可偏转器件，由驱动器施加的力和/或力矩会增加，这又会产生驱动器的大的空间消耗，和/或更高的能量消耗。这对许多应用是不可能实现也是无法接受的。增加包括扭簧的悬挂件的机械阻力的一个简单办法是优化弹簧在可偏转结构上的施加点。可偏转结构可以是例如在二维扫描器内可移动的镜盘或框架。至少由扫描器在结构平面内的旋转自由度产生的吸合效应会以这种方式受到影响。为了达到最大可能的稳定可能性，弹簧的施加点应该尽可能远离寄生运动的支点布置。由于杠杆作用，回复机械扭矩会因此增大。
此解决方案的缺点是器件的面积消耗增加，因为弹簧结构的施加点要被尽可能远离寄生运动的支点布置。此外，只有寄生旋转自由度，即在结构平面内的旋转会受到影响。
在EP 1 338 553 A2中提到了另外一种解决方案。这种方案是基于另外构造直扭簧(straight torsion spring)的想法。如果它在一种晶格结构上实施，可以在扭簧硬度恒定时增加侧向刚性。
因此，希望获得在没有强烈影响(例如增加)具有所使用的自由度的扭簧硬度的情况下增加侧向机械阻力的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有增强的刚性的微机械器件，其中围绕扭转轴线的扭转运动不受影响或仅被轻微影响。
为实现本发明的目的，根据本发明的实施例，本发明提出了一种微机械器件，包括：可偏转微机械功能结构，以及将微机械功能结构定位在微机械器件中的非刚性偏压悬挂件。
附图说明
下面参照附图详细描述根据本发明的几个优选实施例，其中：
图1是图示悬挂在扭簧上的、包括相应的梳齿电极的微镜，以及由镜盘的旋转自由度产生的吸合效应的俯视图；
图2是在镜盘的结构平面的法线方向上的寄生扭矩和相应的机械自由度的图表；
图3是图示根据本发明实施例的、增加了刚性的微机械器件的俯视图；
图4是图示包括根据本发明实施例的被偏压扭簧的悬挂件的概图；
图5是图示包括根据本发明另一实施例的由内部拉伸应力偏压的扭簧的悬挂件的概图；
图6图示本发明另一实施例，其中悬挂件的偏压通过引入在芯片框架(chipframe)内的内部应力来实现；
图7图示本发明另一实施例，其中偏压通过引入在可偏转的结构中的内部拉伸应力来实现；
图8图示本发明另一实施例，其中扭簧的偏压通过包含压缩应力梯度的结构来实现；
图9图示根据本发明实施例的扭簧，其中内部拉伸应力在扭簧自身内产生；
图10图示由硅制造的包括内部拉伸应力的结构的实施例；
图11图示在硅/氮化硅层中产生内部拉伸应力的另一实施例；
图12是根据本发明实施例的包括二氧化硅、硅/氮化硅的结构的横截面视图，通过二氧化硅、硅/氮化硅可以在此结构中产生应力梯度；
图13是包括材料的非对称布置的横截面视图，所述非对称布置用于产生内部压缩应力；和
图14显示本发明的另一实施例，其中偏压弹簧所需的力也可以通过例如静电梳齿驱动器积极地产生。
具体实施方式
根据本发明的实施例，在扭簧的端部施加力，使得结构在平行于扭转轴方向被施加应力。在弹簧中形成的机械拉伸应力导致侧向刚性急剧增加。该基本原理由此与拉紧吉他弦对应。此处扭簧硬度很难改变或仅轻微的增加。用于在弹簧端部实现这个想法所需的力优选通过专门引入内部材料应力来实现，可选地甚至附加的工作器来实现，所述工作器示例性地根据静电、压电、磁、热、磁性限制(magnetorestrictive)或者其它相应的原理操作。
首先，在图1中显示了包括静电驱动器的一维扫描器镜装置，以及会导致吸合效应的不希望的旋转偏转。扫描器镜10包括镜盘1，在镜盘1侧设置有静电驱动所必需的电极梳齿1a和1b。镜盘1通过扭簧2悬挂并定位，使得电极梳齿1a和1b的指状物与反电极梳齿3a和3b的指状物啮合，并且这些指状物在正常条件下具有限定的间距d。扫描器镜的功能性基于下面的事实：对电极施加电压使镜盘围绕扭转轴线旋转，所述扭转轴线由在中心施加的两个扭簧2形成。弹簧扭转产生了机械回复力矩，其与镜盘偏转角度成比例增长，并抵消由在电极梳齿1a，1a和电极梳齿3a，3b间的电压产生的静电扭矩。
如图1中所示，由于静电驱动，机电不稳定性会形成，所述机电不稳定性会出现在正常操作中，并且也会由于寄生静电力和扭矩导致的不希望的偏转而形成。机电不稳特性的前提是静电力矩或力Fel在偏转的方向上增长得比机械回复力矩和/或回复力-Fy快。这种情况会产生所谓的吸合效应，所述pull in效应会导致偏移不受控制的增长。这甚至会导致电极1a，3a和/或1b，3b的碰撞。例如，当此寄生力矩作用在微镜1的机械自由度的方向的时候，此种情况会发生。在图1中，例如这就是围绕构成镜盘1布置位置处的xy平面的法线的z轴旋转。具有静电梳齿驱动器的微镜的寄生静电力矩由以下情况产生：当在使用的自由度上偏转、即倾斜移出平面外时，电极组件的电容没有排他地(exclusively)变化。例如，围绕通过镜盘法线z轴的轻微旋转或在结构平面(xy平面)内镜盘的平动会导致电容的变化。这会产生会引起吸合的静电力和/或静电扭矩Mel，z。
图2中示出了使用在结构平面法线方向上的寄生扭矩的示例和相应的机械自由度的所述联系。
在图2中回复机械扭矩Mt，z和静电扭矩Mel，z以任意单位在图表中用纵坐标表示。偏转s与梳齿电极指状物正常间隔d的比率用x轴表示。如果没有寄生静电扭矩并因此没有偏转，s的值为0并且由此s和d的比率也为0，其在图表中以静止位置13表示。如在图2中所见，由曲线12表示的回复机械扭矩相对于偏转具有线性特性。由曲线14a到14c所表示的静电力矩与在电极梳齿之间施加的电压有关并且表现为非线性。这意味着，当在静止位置的静电力矩增长大于回复机械力矩的增长时，会导致偏转的增加，并由此产生吸合。力矩平衡刚好变得不稳定时的电压也称为稳定电压或吸合电压。它是包含静电梳齿驱动器的微镜的重要工作参数。除了使用在扫描器镜(在图中未示出)中绝缘体的介电强度之外，器件的稳定电压是对驱动器电压的限制因素并因此也是对扫描器镜的偏转的限制因素。
图3显示了使用微扫描器镜10的刚性增强了的微机械器件的原理，微扫描器镜10的镜盘1及电极梳齿1a和1b被悬挂在扭簧2上，使得在正常条件下电极梳齿1a和1b的指状物到电极梳齿3a和3b的指状物具有限定的间距d。如图3所示，通过在弹簧端部对扭簧施加力20，镜盘1和扭簧会在扭转轴线的方向上产生应力。形成在扭簧1内的机械拉伸应力使侧向刚性极大增强，这与拉紧吉他弦的原理对应。被确定用于围绕扭转轴线旋转镜盘的扭曲弹簧硬度根本很难改变或仅轻微增加，所述扭转轴线通过布置在中心的两个扭簧形成。通过偏压扭簧2，可以在器件和/或扫描器镜内获得抵消静电力矩的、增加了的机械力矩。为了在扭簧端部实现悬挂偏压所需的力可以优选通过专门引入内部材料应力来实现，但是可选地，也可以通过附加的作用器来实现。
图4以概图的形式显示了本发明的一个实施例。之前已经描述过的一维扫描器镜10在扭曲弹簧2a端部包括通向扭簧2的自支撑结构22a，通过自支撑结构22a拉伸应力可被专门引入扭簧2。这意味着，在这个实施例中扭簧2被拉伸应力偏压，此拉伸应力是由引入进自支撑结构22a中的内部应力(σ＜0)产生的。被如此偏压的扭簧具有相对于寄生力矩增长了的机械回复力矩。相对于寄生旋转和平动，扫描器镜10的包括偏压的扭簧2的镜盘1增强了刚性。
图5显示了用于扫描器镜10的偏压扭簧2的另外一种方法。在这个实施例中，具有偏压的扭簧的悬挂通过专门引入在通向扭簧2内的自支撑结构22b中的内部拉伸应力(σ＞0)来实现。类似前述例子，结构22b能够在扭簧内部产生拉伸应力。相对于干扰在反电极3a，3b的指状物间定位电极梳齿1a，1b的指状物的寄生静电扭转或其它力和力矩，这又会产生增大了的机械回复力矩。在此，用于镜盘1围绕由扭簧2形成的扭转轴线的旋转的扭簧硬度很难改变或仅轻微改变，例如轻微增加。
图6显示了本发明的另一实施例。在这个实施例中对扭簧2的偏压通过引入在芯片框架(chip frame)22c中的内部应力(σ＜0)来实现，镜盘通过扭簧2悬挂在此芯片框架22c中。在这个实施例中，扭簧偏压是通过扫描器镜的通常构件的结构实现的。在芯片框架22c中产生的压缩应力导致扭簧2被偏压，这又导致相对于旋转或平动扭矩或力前述镜盘的刚性得到增强。
图7显示了本发明的另一实施例，其中扭簧2的偏压是通过在镜盘1中的内部拉伸应力(σ＞0)来实现的，图中内部拉伸应力以箭头22d表示。这个内部拉伸应力又导致扭簧2被偏压，藉此，可以增强它们的侧向刚性。
图8显示了本发明的另一实施例，其中扭簧的偏压是通过作用在扭簧上的拉伸应变来实现的。这个拉伸应变可以通过包括压缩机械应力梯度的结构22e来实现，其中所述应力梯度会产生结构22e的内部弯矩。这意味着，偏压扭簧2所需的拉伸应变是通过机构22e的内部弯矩实现的。
图9显示了刚性得到增强的微机械器件的本发明的另一实施例，其中，内部拉伸应力(σ＞0)是在扭簧自身内实现的。这意味着，扭簧可以具有由其品质导致的内部拉伸应力，所述内部拉伸应力也可以在弹簧端部2a和2b上产生拉伸力，这又导致侧向刚性提高，并且因此相对于寄生静电扭矩或机械扭矩增强了回复机械力矩。
可以设想的是：拉伸力仅仅施加到一个扭簧上和/或在上述实施例中所描述的悬挂件的一侧。不同实施例的组合也是可能的和可实施的。例如，拉伸应力可以存在于可偏转结构中，而压缩应力可以存在于相应的芯片框架中。在根据本发明的微机械器件中，这可以示例性地是以硅或其它半导体材料制造的结构。也可以设想的是，使用不同的弹簧形态，例如在专利申请PCT/DE2006/000746中所描述的。
图10示例性显示的是，将如以上实施例所描述的内部机械应力引导到由硅制造的结构中的一种方法。通过部分或全部氧化结构28，能生成包括硅30和二氧化硅31a，31b的层***。在图示的示例中，硅30没有内部应力，因此σ＝0，然而位于硅层30之上和之下的两个二氧化硅层31a，31b具有σ＜0的内部压缩应力。基于硅的结构28因此具有最终的内部压缩应力(σ＜0)。
图11显示了将内部机械拉伸应力引入由硅制造的结构中的另一种方法。在此实施例中，氮化硅层32a和/或32b可以施加在硅结构30上，因此，如图11所图示的，整个结构28具有σ＞0的内部拉伸应力。在此实施例中，相对于硅层σ＝0，氮化硅层32a，32b具有σ＞0的内部拉伸应力，这是结构28产生了σ＞0的内部总拉伸应力的原因。
如图12中所示，硅机构中的机械应力梯度例如可以通过组合生成压缩应力和拉伸应力的方法来实现。在此实施例中，没有内部机械应力(σ＝0)的硅层30总在结构的顶部被氧化，因此，形成具有内部压缩应力(σ＜0)的二氧化硅层31a。具有内部拉伸应力(σ＞0)的氮化硅层32b然后可以示例性地沉积在所述结构的底部。层的这种组合在结构28内产生了机械应力梯度。
图13显示了另一实施例，在层***和/或结构28中各种材料的非对称排列同样是可以的。如在图13中描述的，只有硅层30的一侧可以示例性地包括二氧化硅层31a。由于二氧化硅层的内部压缩应力，整个结构28产生了应力梯度。
图14显示了本发明的另又一实施例。在此实施例中，可以积极地产生偏压扭簧2所需的力。在此实施例中，偏压所需的力由静电梳齿驱动器22g生成，当在两个梳齿电极22g’，22g”之间施加适当电压时静电梳齿驱动器22g能够产生力。这样一种梳齿驱动器和/或普通作用器示例性地也可以形成在可偏转的镜盘内。此外，也可以使用两种变型的组合。替代静电梳齿驱动器22g，也可以使用例如利用压电、磁、热、或其它物理化学驱动原理的作用器。
使用将拉伸应力引入到微机械器件的几何结构内的作用器可以实现偏压悬挂件和/或扭簧，其中驱动器机构(作用器)然后可以被锁住。如此，可以在任何时间完成偏压。然而，在锁住后，不再需要进一步的驱动来维持该状态。如果驱动器结构没有被锁住，由作用器产生的偏压可以被任意设置甚至可以被改变。
此外，弹簧和/或悬挂件的内部偏压和积极偏压可以通过在机械安装器件时采取措施，例如通过在器件外壳中引入内部拉伸应力或通过将器件安装在可偏转基板(例如压电晶体)上，来实现。
此微机械器件可以示例性地对应于包括镜盘和扭簧的上面实施例中提及的***，其中可偏转的微机械功能结构可以代表镜盘，而非刚性偏压悬挂件可以代表被偏压的扭簧，所述被偏压的扭簧在实施例中定位具有电极梳齿的镜盘。
应用包括被偏压的悬挂件和/或被偏压扭簧的微机械器件的其它方式可以示例性地发现于数据采集领域(即，例如一维、二维扫描器)中，或显微术领域中。其它的应用领域如用于激光显示器、激光打印机、激光曝光器等的数据输出的领域。例如，在用于光学仪器等(例如傅立叶分光计、路径调制或其它光学仪器)的光路操纵领域中，也可以使用包括偏压的悬挂件的微机械器件。在压力、加速度或粘度传感器中也可以使用包括偏压的扭簧的微机械器件。
微机械器件和布置在其内的可偏转的微机械功能结构不需要是光学功能结构或镜盘。非刚性偏转悬挂件的刚性不仅在侧向增强，而且在垂直于施加悬挂件的平面的方向上也增强。这也可以示例性地用于增强当器件掉落时悬挂的结构例如撞击外壳的顶部或底部的情况下器件的抗振性和/或冲击抗性。
也可以使用偏压的悬挂件和/或扭簧来专门影响微机械结构的机械固有频率，从而示例性地，可以提高微机械功能结构的振动模式的分离(splitting)。为清楚目的，需要指出的是，具有自己的悬挂件的微机械功能结构可以代表通过摩擦而衰减的可振动机械弹簧质量***。在扫描器镜盘的情况下光学功能结构的功能性基于扫描器镜盘围绕扭转轴线的旋转，所述扭转轴线由布置在中心的两个扭簧2形成。到镜盘的偏转角成比例增加的机械回复力矩通过扭转弹簧而形成。此***因此是包括相应固有频率和稳定模式的谐振子。
根据本发明的微机械器件示例性地可以是包括静电驱动器和扭簧悬挂件的共振或非共振微***。这也可以示例性地是一维扭转-可振动元件，例如一维微镜；二维扭转-可振动元件，像例如二维微镜；也可以是平动-可振动元件，例如包括由扭簧元件组成的悬挂件的可降低共振的镜(resonant lowerable mirror)，如在Drabe等人所著的“A large deflection translatory actuator foroptical path length modulation”(Proc.SPIE Vol.6.186，618.604，April21，2006)中说明的。引入非刚性偏压悬挂件会在这些器件中增强机电稳定性和改进和/或影响各个器件中的分离模式。
非刚性偏压悬挂件在此可以示例性地是可弯曲的和/或可变形的偏压的悬挂件，但例如也可以是弹簧、扭簧、弯曲弹簧或其它非刚性连接件。
如在上述实施例中示出的，通过压缩应力、拉伸应力或应力梯度，通过内部机械应力或用于在悬挂件内产生拉伸应力的方法的组合来偏压非刚性悬挂件可以用于增加微机械器件的刚性。
但是如上所述，也可以的是，通过另外安装在器件中的微机械驱动器或外部的另外的微机械驱动器来执行对悬挂件的偏压。
也可以的是，微机械器件的外壳用于一方面通过在外壳内生成的内部应力，另一方面通过外壳内的工作器来偏压非刚性悬挂件，所述工作器示例性地根据压电效应、热效应、磁效应和其它任何物理化学效应操作并且施加力在非刚性悬挂件上以便偏压非刚性悬挂件。

Claims (16)

1.一种微机械器件，包括：
可偏转微机械功能结构(1)；以及
将所述微机械功能结构定位在所述微机械器件中的非刚性偏压悬挂件(2)。
2.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述可偏转微机械功能结构(1)包括第一梳齿电极(1a，1b)，所述微机械器件包括第二梳齿电极(31，3b)，且所述非刚性偏压悬挂件(2)相对于第二梳齿电极(3a，3b)定位第一梳齿电极(1a，1b)。
3.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述可偏转微机械功能结构(1)是一维或二维可偏转并且可扭转振动的元件。
4.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述可偏转微机械功能结构(1)是可平移振动的元件。
5.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述非刚性偏压悬挂件(2)通过悬挂件(2)中的内部应力被偏压。
6.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述非刚性偏压悬挂件(2)通过外部力的作用被偏压。
7.如权利要求1所述的微机械器件，包括偏压所述非刚性偏压悬挂件(2)的结构(22a，22b，22c，22e)。
8.如权利要求7所述的微机械器件，其中所述结构(22a，22b，22c，22e)对非刚性悬挂件(2)施加压缩应力和/或拉伸应力。
9.如权利要求8所述的微机械器件，其中所述结构(22a，22b，22c，22e)限定内部应力梯度以便对非刚性悬挂件(2)施加压缩应力和/或拉伸应力。
10.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述可偏转微机械功能结构(1)具有内部应力，所述内部应力对非刚性悬挂件(2)施加压缩应力和/或拉伸应力以便偏压所述非刚性悬挂件(2)。
11.如权利要求1所述的微机械器件，包括外壳，所述非刚性悬挂件(2)安装在所述外壳上。
12.如权利要求11所述的微机械器件，包括布置在所述外壳内的作用器，所述作用器能够***作而偏压所述非刚性悬挂件(2)。
13.如权利要求12所述的微机械器件，其中所述作用器根据压电、热、静电、磁性限制原理或其它物理化学原理运行。
14.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述微机械器件是以共振方式操作的微***，所述微***包括静电驱动器和扭簧悬挂件。
15.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述微机械器件是准静态操作的微***，所述微***包括静电驱动器和扭簧悬挂件。
16.如权利要求1所述的微机械器件，其中所述非刚性偏压悬挂件(2)是扭簧或弯曲弹簧。
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