[发明专利]刚性增强了的微机械器件

说明书

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 Mikrosystemtechnik”，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。