[发明专利]具有两个旋转轴上的独立旋转的微机电系统器件

说明书

相关申请

本申请要求在2008年4月29日提交的美国临时申请No.61/048,724的优先权，其整体内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及具有两个旋转轴上的旋转的MEMS器件。

背景技术

第一代MEMS(微机电系统)波长选择开关使用可单轴倾斜的反射镜阵列(每个波长一个反射镜)将入射在输入端口处的任何组光波长信号任意切换到N个输出端口中的任何端口。一种典型配置是在第一轴(y)上使波长分散并且在正交轴(x)上进行开关。使波长信道形状最优化需要MEMS反射镜平面处的y轴上的紧的束腰(beam waist)，而使有限MEMS倾斜范围内的可实现端口的数量最优化导致了x轴上的大的束腰。因此，使反射镜阵列的x轴尺寸明显大于y轴尺寸是有利的。

为了实现“无中断开关”(即避免通过中间接口扫描)，每个反射镜需要2轴倾斜。可配合反射镜的落地区域的2D万向架配置可用于产生具有高填充系数的配置。2D万向架可放置在反射镜的中心，其缺点是光束不能集中在反射镜上并且不能完全地利用可用区域。已报道了作为在使可用反射镜区域最大的同时实现2轴倾斜的手段的隐藏万向架方法。

对这两种形式的2D万向架的重大挑战在于x和y轴倾斜的控制不独立。这归因于作为共用静电腔的结果的驱动电极之间的耦合。该耦合导致了需要仔细的2D校准和控制，以便遵循所需的“无中断”路径轨迹。结果，以校准时间和开关时间为代价，开关路径被分为许多较小的路段。

发明内容

本发明的实施例基本上将两个倾斜轴隔开，从而在仍然实现所期望的至少一个轴上的高填充系数的特征的同时，可独立地对它们进行控制和最优化。在一些实施例中，使x和y倾斜驱动无关允许简化控制，并且对于围绕延长的x轴的倾斜(即转动)，允许将控制减少为二元的2状态操作。由于围绕x轴倾斜时的反射镜边缘的偏转相对小，并且较之围绕y轴的倾斜，惯性矩是小的，因此关于围绕x轴的转动的驱动特性可被最优化以允许相对低的驱动电压(＜50V)。

围绕y轴的倾斜(即琴键倾斜(piano tilt))在反射镜尖端处产生大的偏转并且因此可能需要较大的净空。较大的惯性矩可能也需要刚性较高的铰链以便于避免对振动和冲击的敏感。可使用具有高驱动电压的静电平行板致动和典型地双向致动，以便于解决这些问题。阶梯电极提供了某种改进。

根据一个广泛的方面，本发明提供了一种MEMS配置，包括：顶部平面，包括可旋转元件；中间支撑框架平面；下电气基板平面；其中可旋转元件由在中间支撑框架平面中形成的支撑框架支撑，以便于在第一旋转轴上相对于框架可旋转；其中框架被安装成相对于第二旋转轴可旋转；其中第一旋转轴上的旋转基本上独立于第二旋转轴上的旋转。

根据另一广泛的方面，本发明提供了一种MEMS器件，包括：框架，支撑可旋转元件以便于允许可旋转元件绕第一旋转轴旋转；第一对互连，将框架连接至一对支撑部以便于允许框架绕第二旋转轴旋转；第一致动器，用于致动可旋转元件在第一旋转轴上的旋转；第二致动器，用于致动框架在第二旋转轴上的旋转；第一致动器被形成为与框架一起绕第二旋转轴旋转。

根据另一广泛的方面，本发明提供了一种静电致动器，包括：第一和第二竖直梳，配置成提供梳驱动，第一竖直梳可连接至第一电压并且第二竖直梳可连接至第二电压；静电板配置，包括第一板和第二板，第一板可连接至第一电压并且第二板可连接至第二电压；其中第一和第二电压的施加致动梳之间的吸引力，其使得梳更靠近在一起，并且这样做使第一板和第二板更靠近在一起，使得第一板和第二板之间的吸引力使第一板和第二板更靠近在一起。

根据另一广泛的方面，本发明提供了一种MEMS器件，包括：将绕旋转轴旋转的元件；根据权利要求39所述的静电致动器，其中：第一和第二板中的一个被形成为与将旋转的元件一起旋转，并且第一和第二板中的另一个处于静止位置；第一和第二竖直梳中的一个被形成为与将旋转的元件一起旋转，并且第一和第二竖直梳中的另一个处于静止位置。

附图说明

图1A是由本发明的实施例提供的MEMS配置的透视图；

图1B是图1A的MEMS配置的各层的俯视图；

图2是图1A的MEMS配置的更详细的部分切除形式的透视图；

图3是基层和接合柱的透视图；

图4是基层和接合柱以及固定梳的透视图；

图5是基层和接合柱、固定梳以及支撑框架的透视图；

图6是具有推拉梳驱动的MEMS配置的侧视图；

图7是具有反射镜中的不均质量分布的MEMS配置的顶视图；