具有倾斜电极的微机械器件的制作方法

专利名称：具有倾斜电极的微机械器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械器件，所述微机械器件具有静电电极驱动器， 例如梳状电极驱动。
背景技术：
多种微机械执行器和传感器都是基于静电力的应用获得功能结构的 偏转和/或基于电容法决定功能结构的偏转。在很多情况下，执行器和/或 传感器实现其功能时需要通过一个或多个弹簧被可动地悬挂的实体的偏 转，其中实体应该至少在两个方向上可偏转。
一般地，平移和/或旋转运动，例如转动，是可能的。为了实现上述目的，各种静态电极，所述静态 电极以独立的方式相互电接触，可以安装在可动实体的下面，以使得实体 基于在所述实体的静态电极和可动实体之间施加的电压，沿着各自的静态 电极的方向偏转，和/或由外界引起的实体的运动被用电容法检测到。所述配置在US7078778B2中介绍过。所述配置中的缺点是相对复杂的 结构和配置的连接技术。通常，这样的装置也可以仅在装置的切割过程之 后被检验，这样就导致在生产过程中故障装置相对晚地被发现，这样会引 起重大损耗。上面提到的配置还需要相对高的电压，以及由这种结构导致 的对偏转实体的偏转角度的几何结构限制。如果存在太大的偏转和/或存 在外界千涉，例如，振动或者外力冲击(震动)，就有所谓的引入风险， 引入风险可能导致电极配置的不期望的偏转，而这甚至可能导致电极配置 的相互接触，在极限情况下可能引起微机械器件的毁坏。在梳状电极或电极梳的帮助下，所述梳状电极或电极梳包括多个所谓 的齿，相对大的力和/或力矩能够产生。这是由于典型的梳状电极之间的 距离是两个到十个微米，这样距离相对较小。同时，电极梳的相对运动引 起的相对高的电容变化能够通过电极齿的梳状配置而被利用，所述的电极 齿在操作的正常情况下无接触地相互交叉。在EP1123526A中，介绍了在芯片平面外产生运动的配置。描述的是 存在一种装置其中在同一层上形成固定电极梳和可动电极梳，并且两者以 偏移的方式设置相互之间不并排。在这种结构中，悬挂体的静态偏转不能 实现。而且，这种方法仅能在被共振操作的装置中使用，例如被共振操作 的扫描器反射镜。在被共振操作的扫描器反射镜中，扫描器反射镜通过在 周期间隔内采用一定频率的合适的时间相关电压保持扫描器反射镜的振 荡而被激励。多种出版物描述过其中的梳状电极以相互交错的方式排列的 扫描器反射镜。固定的电极梳与芯片框架相连。可动电极梳或者与镜面相 连，或者与一般的功能结构相连，或者直接与保持所述结构的弹簧相连。 在某些部分，可动电极梳也会安装在附加的横梁上或者其他结构元件上， 上述元件再与代表偏转悬挂体的镜面相连，或者再与弹簧相连。
在US6891650B2中，描述了一种扫描器反射镜，其中固定电极梳和可 动电极梳形成在不同的层上。所述的两层被绝缘材料隔开，例如，绝缘层。 在所述的结构中，所述的两个电极梳被平行地以相互错幵的方式垂直于芯 片表面安置。通过施加电压，可动电极梳现在可以在固定电极梳的方向上 被拉伸。在扫描器反射镜的扭簧的悬挂下，扫描器反射镜要发生倾斜，直 到静电力矩和机械回复力矩达到平衡；所述静电力矩是由在两个电极梳中 形成的电容之间的电压导致的，所述机械回复力矩是由扭簧导致的。在此 不利的是，除了利用所谓的深度反应离子蚀刻(DRIE)的多次蚀刻实现 的复杂的处理之外，重要的是电容变化(静电力矩直接与所述电容变化成 比例)会随着大的偏转显著降低。而且，在镜面的倾斜下所述结构不再是 对称的。这样导致在倾斜的镜面的一侧上的静电力明显大于倾斜的镜面的 另一侧上的静电力。结果，由于上面提到的吸合效应可能在非常高的电压 下出现，可以采用的最大的静电电压和偏转受到限制。相似的结构在 EP1659437A2中描述过。
在JP2004-219839A中，描述了一种其中可动电极梳不是与固定电极梳 错开地平行却以相互倾斜的方式设置的结构。最终，固定电极梳通过扭簧 与镜面的扭转轴平行悬挂，因此可以被倾斜。这种结构的缺点是当倾斜所 述镜面时所述结构不再是对称的。倾斜的镜面的一侧上的静电力明显大于 倾斜的镜面的另一侧上的静电力。因此，由于所谓的吸合效应可能在电极梳间的存在非常高的电压下出现，可以采用的最大的静电电压和偏转受到 限制。
J.Kim等(Microfabricated Torsional Actuators using self-aligned plastic
deformation of silicon", J. Micromechanial Systems, vol. 15, no. 3, June 2006,
p.553 ff)提出了一种镜面被心轴临时偏转的方法。平行于镜面轴的扭转
轴，存在具有可动电极梳的结构，从而这些可动电极梳相对于镜面倾斜。
所述结构接下来经过高温处理。其中，扭簧，在机械应力作用下，发生塑
性形变，以使得即使冷却及去掉心轴后偏转状态仍能够保持。在这种变化
的结构中缺点是处理过程。高温可能会例如导致损毁和/或破坏基于铝的
导线或者基于铝的镜面。进一步，还可能出现高温应力导致的在镜面上的
副作用。此外，所述结构具有上述的非对称性，这可能引起电极的早期吸 合。
由D Hah等("Theory and Experiments of Angular Vertical Comp-Drive Actuators for Scanning Micromi画"，正EE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol. 10， no. 3， May/June 2004， p.
505 f)提出可动梳被倾斜的方法，所述可动梳通过聚合物，例如胶片或者 多氯联苯(PCB)聚合物，与扫描器反射镜的扭簧相连。最终，所谓的聚 合物的包括温度处理结合化学处理的反流过程被利用。在所述处理中，可 动梳被偏转，所述可动梳仅通过聚合物铰链与扫描器的偏转弹簧相连。其 中可能的缺点是使用了聚合物，而这与可靠性相关。特别的，变化的湿度， 光的辐射，和老化可能导致铰接的失败和倾斜角度的显著温度依赖性。此 外，所述结构也具有上述的非对称性，这可能引起早期吸合。
除了电极驱动，存在多种基于压电，热和磁效应的驱动。压电驱动相 比于静电驱动更难集成。尤其是当需要互补金属氧化物半导体(CMOS) 处理兼容性时，可能选择的材料变得有限了。其它充分的压电材料，例如 锆钛酸铅(PZT)，具有随时间自发极化衰减的特性。由于这个原因，重 新极化必须在一定时间间隔内温度上升时才能发生。对于多种情况，这是 不可行的。其它材料，例如氮化铝(A1N)，确实具有自发极性随时间的不 变性和COMS的兼容性，但是其具有比PZT明显小的压电常数。因此，在 很多情况下有效性都不够。基于双压电晶片的热驱动，具有对环境温度的驱动依赖性。这必须格 外的通过调整进行补偿。对于需要覆盖大的温度范围的应用，例如在自动 区域，这些执行器通常都不适用。
磁驱动具有相对高的有效性(例如通过微观的双磁心)。然而象这种 装置比静电驱动的配置更复杂。在静电驱动中所有组件能够被集成，而在 磁驱动中要应用外部磁铁。这不仅导致损耗增加，还需要精确对准，并且 进一步扩大了整体构架。而且，这样的磁驱动可能具有相对高的电能损耗。

发明内容
本发明的目的是提供一种具有微机械功能结构的微机械器件，所述微 机械功能结构能够静态偏转并且在一定时间周期内能够保持在偏转位置。 本发明的目的是通过根据权利要求l的微机械器件实现的。 根据实施例，本发明提供一种具有微机械功能结构，可动梳状电极和 固定梳状电极的微机械器件，所述微机械功能结构能够从静止位置围绕主 轴偏转，所述可动梳状电极安装在微机械功能结构上，所述固定梳状电极 在静止位置围绕倾斜轴相对于可动梳状电极倾斜，其中倾斜轴平行于主轴 或者与主轴等同。
在本发明的实施例中，微机械功能结构以准静态方式偏转。 在本发明的实施例中，固定电极梳和可动电极梳的结构形成为使得在 微机械器件的工作范围内电容的变化能够尽可能的恒定。结果，发生电极 梳相对彼此倾斜，使得随着适当高的偏转扫描器反射镜的扫描镜面，再次 形成电极梳的齿的共平面设置。在本发明的实施例中，固定电极梳和/或 第二梳状电极的倾斜轴被设置成与微机械器件的旋转轴和/或主轴尽可能 地靠近。
在本发明的另一实施例中，第一梳状电极的电极齿附设在扭簧上，所 述扭簧形成了可动第一电极梳。第二固定电极梳结构利用弹簧悬挂，以使 得它能够围绕等同于微机械功能结构的扭转轴的轴线和/或靠近于微机械 功能结构的扭转轴的轴线倾斜。这样电容变化在很宽的范围内可以基本保 持恒定。在本发明的另一实施例中，固定电极梳，即第二电极梳的悬挂， 可以被形成以使得电极梳可以向上，即在框架结构上方，和向下，即在框架结构下方，两个方向倾斜。结果，有可能形成关于扭转轴对称的结构， 甚至是围绕偏转的微机械功能结构的对称结构。电吸合只有在基于对称的 方向上在高电压下才出现。


下面通过结合附图更详细地解释本发明的优选实施例，其中
图l是图示根据本发明的一个实施例的一维扫描器器件的平面视图2是图示图1中的扫描器器件的电极梳的剖面图3是图示图1中的根据本发明的另一实施例的扫描器器件的电极梳
的剖面图4是图示图1中的根据本发明的又一实施例的扫描器器件的电极梳 的剖面图5是图示根据本发明的又一实施例的两维扫描器器件的平面视图； 图6是图示根据本发明的实施例的扫描器结构的平面视图，其中固定
梳状电极的扭转轴和倾斜轴是等同的；
图7是图示图6中的两维扫描器器件的梳状电极的剖面图； 图8是以可动梳状电极和固定梳状电极之间的夹角为函数计算的电容
变化的图表；
图9是图示从微扫描器平面和微扫描器平面以下用于倾斜固定梳状电 极的两维微扫描器的平面视图10是图示通过四个曲线形状的弹簧悬挂的微机械功能结构的平面
视图ll是本发明的又一实施例，其中四个固定电极梳通过两个垫可偏
转；
图12a是图示通过扭簧悬挂的垫，其中偏转弹簧通过设置在末端的铰 链的牵引可以被平行地移位；
图12b是图示通过扭簧悬挂的垫，其中偏转弹簧可以被平行地移位；
并且
图13是图示根据本发明又一实施例的在两个基片平面上的固定电极 梳结构和可旋转的电极梳结构的剖面图。
具体实施例方式
尽管梳状电极在下述实施例中被阐述和解释，但这并不意味着对可用 的电极或电极梳的形状的限制。而且，实施例也涉及到设计的不同形状的 电极形状和电极类型。这样实施例不仅仅涉及与采用的电极相关的梳状电 极。
图l是解释根据本发明的一个实施例的一维扫描器器件的平面视图。
扫描器器件12包括作为微机械功能结构的扫描器反射镜1，所述扫描器反 射镜l设置在框架结构ll上。扫描器反射镜1围绕主轴13是可偏转的。扫描 器器件l包括横梁状部分7a， 2a， 2b， 7b，所述的横梁状部分沿着主轴13 设置并且将扫描器反射镜l连接到框架ll上。可动电极，在此例如可动梳 状电极3a-3d，被设置在部分2a， 2b上。梳状电极与扫描器反射镜一起运动。 而且，扫描器器件包括固定电极，其中所述固定电极形成为固定梳状电极 4a-4d。上述元件都被安装到框架上。固定梳状电极4a—4d能够围绕倾斜轴
(如图1中辅助线10所示)倾斜，所述倾斜轴与主轴13相邻。
在图1所示的实施例是一维扫描器反射镜12，所述一维扫描器反射镜 12可以用所谓的绝缘体上硅(SOI)的技术来制造。框架结构ll也可以是 硅，在图l中所示的区域14相应地表示通过在SOI晶片的上单晶体层蚀刻得 到的沟槽。 一种可能的生产技术由例如H.Schenk等
("Micro-Opto-Electro-Mechanical-Systems Technology and its impact on photonic applications", J. Microlithography, Microfabrication and Microsystems, vol. 4， no. 4, p. 41501-11 (2005))来解释。微机械功能结构l 可以是扫描器反射镜12的镜面1，其中镜面l在图l被示出为不带镜面部分。 然而，通常使用金属层或者退火金属层，或者电介质叠层的镜面。镜面l 通过结构7a，2a， 2b， 7b被悬挂并且通过铰钉(anchor) 9a和9b与芯片框架 ll相连。通过铰钉9a和9b以及结构7a,2a， 2b， 7b，由图1中的辅助线13指 示的主轴或扭转轴被限定了。铰钉9a和9b以及铰钉15a到15d由在铰钉附近 的已经通过蚀刻去除的单晶体SOI层形成。因此，SOI晶片的埋入氧化层8 保留下来。每一个铰钉都支承在埋入氧化层8附近并且被固定地连接在芯 片框架11上。SOI层作为电导体使用。因此它以适当的方式被n-或p-高度掺杂。通过使用在铰钉附近蚀刻的开口凹槽8，各个铰钉和与其相连的结构 是电绝缘的。在铰钉上的垫(焊接垫)的帮助下，可以与外界的电连接，
连接到例如壳体。这样固定梳4a-4d和可动梳3a-3d中的每一个都设置成单 独的电位。
在图l中的实施例中，结构7a和7b的宽度要比结构2a和2b的宽度小。 当使用适当的生产技术时，结构7a和7b的厚度可能比结构2a和2b的厚度 小。结构7a和7b可以是扭簧。尽管厚度较小，扭簧7a和7b的刚度可以保持 比更厚的结构2a和2b明显低的刚度。在电极梳3a到3d上形成的可动齿附着 在结构2a-2b上。在所述连接中，可动意味着第一电极梳3a到3d通过轴线与 镜面l相连因此能随镜面l偏转。弹簧7a和7b具有相比于结构2a和2b的较低 的刚度的优点是梳3a到3d的所有齿被偏转得几乎与镜面l的偏转同样远。 如果7a和7b的刚性不比结构2a和2b的刚性明显低，在2a和2b中也会发生显 著的扭转，这样齿扭转程度越小，齿就越远离镜面l。这种作用可以用于 在电极梳之间获得希望的电容过程。
固定的，可倾斜的第二梳状电极4a到4d，与可动梳状电极3a到3d—起 形成电容，所述电容的值取决于镜面和与其相连的可动梳3a到3d的偏转。 在所述连接中，固定意味着梳状电极4a-4d—旦在器件的制造过程中是倾 斜的就通常是倾斜的并保持在固定所述的位置。扫描器反射镜12还包括垫 5a到5d，通过所述垫力可以从扫描器反射镜面的底侧或者上侧被垂直施加 给晶片表面。如果力从上侧施加给垫5c，固定可倾斜电极梳4c围绕以虚线 方式画的辅助线10转动。这是通过扭簧6a和6b实现的，所述扭簧6a和6b具 有足够低的刚性，以使得所有发生悬挂件弯曲效应的可能一般可以被忽 略。结果，扭簧6a和6b的宽度和/或厚度尤其可以保持很小。如果这样的弯 曲效应不能或者没有被忽视，在电极梳的设计中就要考虑这种效应。用于 弯曲固定梳的扭转轴10非常接近镜面1的扭转轴13，所述扭转轴13由结构 2a， 7a， 2b和7b以及铰钉9a和9b给定。因此，发生在当可动梳3a-3d向固定 梳4a-4d运动时的电容变化在工作范围内，即，在扫描器反射镜12的镜面1 被倾斜的角度范围内，能够被设计成基本恒定。
固定电极梳4a-4d偏转出框架结构ll可以例如通过心轴，所述心轴在 扫描器反射镜的封装中被集成，和/或通过微操纵器的冲击力实现。因此，心轴和/或针可以，从器件12的上侧，从器件12的下侧，或者从在垫5a到5d 的上下两侧作用。这样电极梳可以被向上或向下偏转。在所述的方法中， 相对于扭转轴13也对称的梳状配置可以被生产，所述配置对于上面提到的 吸合效应比非对称结构更不敏感。
进一步，可以不是在组装中而是在构造和连接技术范围内 (AVT,ATI=Aufbau-imdberbindungstechnik)实现第二梳状电极的偏转，然 后将垫或者是其它连接的附属结构(没有在图l中示出)连接到封装的底 部或者微机械结构被连接到其中的封装盖中。作为连接技术，例如粘合技 术，低温焊接，键合，焊接，在相应的结构中的粘结力或者是简单的机械 闭锁都是适合的。可以例如通过印刷技术(喷射)，将金属或者聚合物层 应用到晶体表面上用于固定梳。
进一步，可以通过集成在微机械器件中的专门工作器能够实现梳4a 到4d的偏转和/或倾斜。工作器的功能可能基于热，静电，电磁或者压电 原理和作用。梳状电极4a到4d的偏转可能在工作器的操作下被保持，或者 仅在上述的连接技术工作时，在制作和连接技术范围内临时存在。
进一步，也可以使用双压电晶片效应。结果，热氧化物或者氮化物层 可以被应用到薄的基片层上，例如硅。在两种情况下，层内张力，或者层 间张力都会引起弯曲，所述弯曲在梳状悬挂的适当设计下可以引起期望的 偏转。以这种方式偏转的梳状结构接下来可能被用上述的方法被再次固 定。
图1中的梳状电极的剖面图在图2中显示。由扭簧7a， 7b和结构2a， 2b 形成的扭转轴13，会被看成处于中心位置的黑点。近邻扭转轴13，是与主 轴13相邻和/或平行的扭转轴6a和6b。第二梳状电极4a， 4c围绕扭转轴6a 和6b以相对于第一梳状电极3a， 3c倾斜的方式显示。可动梳状电极3a和3c 与结构2a相连，所述结构2a相对于扭转轴13同心设置。由于是剖面图，对 应于梳状电极3a， 3c和/或4a， 4c中每一个梳状电极仅有一个齿被显示。从 图2中，很明显看出固定梳4a， 4c的倾斜轴6a和6b的位置非常靠近镜面l的 扭转轴13。因此，可以实现在工作范围内在可动梳相对于固定梳的倾斜中 梳状电极相互之间的电容变化尽可能的恒定。为此，梳的倾斜轴的位置与 扫描器反射镜的旋转轴尽可能地靠近是有利的。在图3中，示出了本发明的另一实施例。图示的还是图l中带有梳状电
极的一维扫描器反射镜的剖面图。在该实施例中，固定梳状电极4a中的一 个通过扭转轴6a向下倾斜，所述扭转轴6a设置在临近微机械器件的主轴13 处，其中固定电极梳4c通过扭转轴6b向上倾斜，所述扭转轴6b也设置在临 近微机械器件的主轴13处。通过这种相对于可动梳3a， 3c设置固定梳的方 法，所述结构也可以与偏转镜面1一起设计成相对于扭转轴13对称，所述 可动梳3a， 3c可以与结构7a和2a—起围绕主轴13a偏转。之后电吸合效应仅 发生在由于对称性引起的较高电压中。在根据上述实施例的固定梳状电极 的设置中用于控制在梳状电极间的镜面的电压比在扫描器反射镜的非对 称结构的情况下要显著地高。在这种连接中，对称结构意味着与朝上或朝 下倾斜的固定梳状电极4a和4c一起的可动梳状电极的偏转引起，当可动梳 状电极3a和3c绕扭转轴13以顺时针或者逆时针方式的旋转时，几乎同样的 电容变化。
在图4中，作为本发明的另一实施例，示出了图1中的电极梳的剖面图。 在该实施例中，固定梳状电极4a和4c不是设置成相对于主轴13多轴对称
(图2)或者点对称(图3)，而是设置成非对称的。固定第二梳状电极4a 和4c绕各自的扭转轴6a和6c倾斜不同的旋转角度。例如，第二梳状电极4a 可能向下偏转而梳状电极4c具有更大的向上角度，如图4所示。因此，可 以实现由于在第一梳状电极3a和3c相对于固定梳状电极4a和4c的运动中 的电容变化引起的电扭矩作用被分配到大的角度范围内。通过这种功能， 扫描器反射镜可是获得更大的工作范围。在芯片中，沿着主轴方向，可能 设置有多个彼此电和机械隔离的固定梳，所述固定梳相对于芯片表面设置 成不同的角度。因此，可用的扭矩可以被分配到甚至更广的角度范围内。
图5示出了本发明的另一实施例，该实施例大体上对应于图l描述的实 施例。基于这个原因，下面使用的与相应的结构对应的参考标记与图l所 示的相同。然而图5所示的实施例，与图l中的相反，是两维扫描器。所述 两维扫描器可以通过在镜面1内悬挂镜面15实现，也就是使得镜面15的扭 转轴17垂直通过外部结构的扭转轴13。被悬挂在镜面1内的镜面15可以例 如在静电，热，磁或者压电原理作用的帮助下被偏转和/或操作。镜面15 可以在共振或者准静态方式下被操作。在共振情况中的操作，为了使镜面15振荡或者保持镜面15中的振荡，镜面15可以以周期间隔(根据扭转振荡 的共振频率)被施加有电压。对于梳状电极4a到4d的偏转，在前面的实施 例中的特性也应用。与连接到芯片框架ll (图5中未示出)的齿或者电极 梳状结构相互交叉的齿或者电极梳状结构，可以被连接在镜面l上以增大 静电扭矩。所述结构也可以是通过芯片框架ll中的如图l所示的并且通过 焊接垫分别接触的另外的凹槽8电绝缘的。因此力矩过程对于准静态偏转 可能被轻微破坏，但对于共振操作，更多能量被供给所述系统，这样可能 导致更高的偏转和扫描器更大的工作范围。安装到晶片框架上的电极梳可 能被偏转或者保持在晶片框架中，与上面描述的固定梳4a到4c相似。
图6是根据本发明的实施例的两维扫描器结构的平面视图，其中固定 梳状电极的扭转轴和倾斜轴是相同的。通过包括可动电极梳3a和3b的微机 械的功能结构相对于具有对应的铰钉结构9a和9b的扭转轴7a和7b的错列， 的确实现了梳的倾斜轴10准确地位于盘(plate)的扭转轴13上。通过所述 配置，能够实现可动和固定梳两者能够围绕等同轴倾斜。固定梳4a， 4b可 以，如同在根据图l的实施例中，分别关于相应的扭矩弹簧6a和6b，以及 6c和6d倾斜。在本实施例中，微机械器件12被示为两维扫描器。例如，圆 形镜面15被悬挂于镜面1内，也就是使得圆形镜面15的扭转轴17垂直通过 外部结构的扭转轴13。在本实施例的图6中所示的虚线代表固定梳4a和4b 的倾斜轴和镜面1的扭转轴13。通过如上所述的配置，其中梳的倾斜轴和 镜面的扭转轴是相同的，能够实现在两维扫描器反射镜的工作范围内电极 梳的电容变化尽可能地恒定。在镜面的适当高的偏转下，又出现了电极梳 3a和3b的齿相对于电极梳4a和4b的齿的几乎共面的配置。
图7是图6中实施例的电极梳的剖面图。黑点10和13—方面代表固定梳 4a和4b的倾斜轴，同时代表镜面1的扭转轴13。通过位于扭转轴13上的倾 斜轴IO，在很宽的偏转范围内实现了在镜面和与其连接的可动梳状电极3a 和3b的运动中的几乎恒定的电容变化。图8是图表，其中为所述构造计算 的电容变化绘制为可动梳状电极和固定梳状电极之间的相对夹角的函数。 以相对夹角8。开始，所述构造能够以几乎恒定的电容变化工作直到相对 角度为23° 。固定电极梳相对于芯片表面的必要的预偏转是扫描器期望的 机械偏转和为获得准恒定的电容变化的平稳状态所需的相对角度之和。在图8中，通过使得固定电极相对于晶片表面预偏转23。，扫描器的致动可 以发生在15。。在图8中，以每度微微法拉为单位的电容变化被表示在y轴 22上，而在梳间的以度为单位的角度被表示在x轴20上。正如能从仿真曲 线25的曲线段上获取的那样，当使用如图6所示的结构时在很大的角度范 围27内可以实现梳状电极间的基本恒定的电容变化。
在本发明的如在图9所示的另一实施例中，图示为两维的微扫描器， 在所述的扫描器中，固定电极4a和4d通过在垫5a到5d上的垂直力冲击下， 能够被倾斜出芯片平面而固定电极4b和4c倾斜在芯片平面下。在此，固定 电极梳4a到4d围绕作为辅助线10a和10b示出的倾斜轴被偏转，所述辅助线 10a和10b靠近扭转轴13。具有了图9所示的结构，当在对应的垫5a到5d上 施加单向力以及经过结构设计的适当选择时，可以实现电极梳4a到4d在任 意方向倾斜。具有了这种结构，在没有从上侧和下侧施加的冲击力的作用 下能够实现固定电极4a和4d被倾斜出芯片平面和/或在芯片平面下。特别 地，不必使力从两侧作用，例如从上芯片侧和下芯片侧，能够获得如在图 3所示的对称结构。此外，如上面已经提到的那样，固定梳10a和10b的倾 斜轴在扭转轴13的附近，这对于在偏转期间恒定的电容变化是希望的。
在图10中，显示了本发明的另一实施例。在本实施例中，微机械器件 12包括盘1，所述盘l通过相互垂直的主轴13a和13b被悬挂，在所述主轴13a 和13b的末端设置了弯曲形状的弹簧30a到30d。相互垂直的主轴13a和13b 通过铰钉9a到9d以及相应蚀刻的氧化层8被支承在框架结构ll中。正如上 面已经描述的，可动梳状电极3a-3h位于主轴上，其中这些可动梳状电极 布置成通过相关的固定梳状电极4a到4h的相应的电压变化，能够实现盘l 围绕转轴13a或者也围绕转轴13b的偏转。盘l可以被两维地倾斜。通过弯 曲形状的弹簧30a-30d，也能够实现盘l垂直于主轴13a或13b的平移运动。
在图11中，作为本发明的另一实施例，显示了微机械器件12的结构， 所述微机械器件12是一维扫描器反射镜。图示的微机械功能结构的作用原 理与图l所示的实施例一致，其中在所述情况下固定梳4a到4d可以仅通过 在两个垫5a和5b上施加冲击力而倾斜。在本实施例中，结构的设计被选择 成使得固定梳4a到4d的扭转轴10又与镜面l的扭转轴13—致。为了能够实 现这种结构，在图示的本实施例中，几个铰钉结构9a到9f作为扭转轴13以及倾斜的和后继固定的梳状电极4a到4d的悬挂是需要的。铰钉9a到9f还可 以静止在蚀刻氧化层8上，并可以被设置在微机械器件12的框架结构11上。
在前面提出的实施例中，固定梳通过垫的偏转被设计以使得垫在冲击 力作用下被倾斜，并且通过扭簧悬挂的固定梳也被倾斜。在所述类型的倾 斜中，作用在垫上用于力传递的心轴可以移位。如果垫太小和/或偏转太 大和/或心轴在力的作用下的调整太不准确，心轴可能离开垫。然后就有 通过心轴的摩擦形成颗粒的风险，这样可能干扰微机械器件的功能。
因此垫的悬挂可以被设计以使得垫的单纯平移发生并且所述平移可 以由弹簧机构转换成固定梳的倾斜。在图12a和12b中，如本发明的另一实 施例，这样的垫以剖面图的形式被展示。通过在垫5上的能量进入，如箭 头34所示，通过扭簧33a到33d悬挂的垫5可以被平行地向上移出晶片平面。 固定梳4通过弹簧机构可以连接到垫5上。在垫5的平行移位中，接下来固 定梳4在力输入的方向上被偏转。通过适当的弹簧机构和/或引入(pull in) 铰链，如果需要的话，固定梳的齿也可以被向上偏转。
替代在同一层和/或框架结构中实现固定和可动电极梳，也可以是在 相互平行设置的多层中形成固定和可动电极梳。为此，可以采用上面提到 的SOI晶片，多SOI晶片或者与牺牲层结合的沉积层。在此，层可以有相同 的或者不同的厚度。在图13中的剖面图中示出了基本结构。在底层和/或 框架结构lla中，示出了可动梳3的一个齿的剖面图，所述可动梳3延伸到 镜面的左侧和右侧扭转轴13上。在顶层llb中，固定梳4被实现。图中示出 了固定梳4的齿，所述固定梳向着底层方向倾斜出顶层。悬挂和倾斜6被选 择以使得固定梳的齿4实质上围绕镜面的扭转轴13旋转。这通过辅助线40 示出。因此可以实现在可动和固定梳3和4之间的电容变化过程再次在装置 的工作范围内被保持基本恒定。
对于根据本发明的另一实施例的微机械结构的共振操作的准静态，微 机械器件可以还包括用于提供可变电压的装置。这些装置可以包括路径进 给(trace feed),垫和适合于将对应的电压施加到梳状电极的电路。这些 装置也可以包括控制装置，通过所述控制装置，在共振情况下具有用于微 机械的功能结构正确操作所需的频率的周期性电压被施加给梳状电极。控 制装置可以还包括用于检测围绕主轴振荡的微机械功能结构的零交叉的装置。进一步，微机械器件可以用作传感器并且利用上面的装置来检测微 机械功能结构的运动。
代替扭簧，挠曲弹簧也可以被用作固定梳的悬挂。也可能利用弯曲弹 簧来设计悬挂以使得固定梳的倾斜轴靠近于镜面的扭转轴而通过。 一般 地，由在实施例中图示的根据本发明的微机械器件的实施例，可以形成很 多实施例和可能的应用。
附加的电极梳结构可以被设置在微机械功能结构上，例如镜面。对比 于上面的实施例，机械功能结构可能被两维地以旋转的方式被悬挂，以使 得微机械功能结构，例如盘，可以在两个方向上被偏转并且被平移移位。 相似的，在这样的结构中，旋转轴可以相互成卯度地旋转。旋转轴可以相 互成任意角度地旋转。作为特殊情况，例如，可旋转地构造的两维结构可 以包括共线轴，其中特别大的偏转角度可以通过共线轴实现。两维的，可 旋转地偏转的微机械功能单元可以被设计以使得偏转运动中的一个用另 一种运动原理实现，例如，磁，压电，热或者声波作用原理。这里，在两 维上的两个偏转可能性可以都是准静态的或者共振的，或者一个偏转是准 静态的而另一个偏转是共振的。
进一步，微机械器件可以通过静电梳驱动器在一个方向上实现，例如，
如在EP1123526A中所示的那样，所述微机械器件可以在两维上可旋转地 偏转。
微机械器件可以在一维或者两维上例如被可旋转地偏转，其中至少一 个偏转方向是通过在实施例中描述的倾斜梳状配置操作的，并且至少一个 偏转方向在微机械功能结构上或内包括另外的衍射元件和/或另外的高反 射率的镜面。这些可能是衍射光学元件(DOE)，光栅，金属镜面，电介 质镜面，退火金属镜面等。
如在上面的实施例中描述的那样，基于微机械器件的设计和构造，扫 描器反射镜的梳状电极(梳)可以通过一个或多个心轴以任何方向偏转出 芯片平面或在芯片平面下偏转，所述芯片平面由镜面和框架结构的静止位 置决定。特别地，梳的偏转可以发生以使得所有的梳被向上偏转，所有的 向下偏转，关于通过装置中心的轴对称地，或者关于装置中心点对称地， 或者完全非对称地偏转。微机械器件可以包括控制装置或者被控制装置驱动，以使得能够产生 的微机械功能结构的运动跟随具有快速翻转运动的斜面。控制装置可以构 造成由静电梳驱动器产生线性平移，所述线性平移由函数式Z (t) 二Clxt 描述，其中偏转Z和时间t间的精确线性函数关系由常数Cl决定。类似地，
静电梳驱动器可以控制成产生具有角偏转4) (t) 二C2xt的线性旋转运动。 偏转角4)因此直接与旋转运动的偏转时间t成比例。
微机械功能结构，例如扫描器反射镜，也可以包括适于应用的运动形 式，以使得被扫描器反射镜偏转的激光点的线性运动出现在观察器的屏幕 上。本发明中将相应的电压倾斜电极梳上的控制也可以使得被扫描器反射 镜偏转的激光点向后和向前的运动出现不同的或相等的速度，其中向后和 向前的运动的反向点被退出屏幕。
在光学装置中倾斜的梳状电极和由相应的控制装置控制平移运动的 可能性也可以被用作精确的光学路径长度调制。光学路径长度调制可以平 移或者转动地发生。由倾斜的梳状结构引起的平移运动也可以被用作增大 设备的光学路径长度。微机械功能结构也可以，例如在一个或者两个方向 被平移运动，其中运动至少在一个方向上是由倾斜的梳状配置操纵的，其 中附加的衍射元件被设置在微机械器件内。例如，这种衍射元件可以是
DOE，光栅，金属镜面，电介质镜面，退火金属镜面或者其它元件。根据 本发明的微机械器件可以被用作共焦显微镜的光学路径长度调制，傅里叶 变换和/或调整激光器中的共振腔长度，选择和/或改变激光波长。
根据本发明由一维或者两维平移或者转动元件构造的线性或者两维 阵列的配置也是可能的。
微机械功能结构可以是在其前侧和后侧都形成反射镜的镜面。 实现利用倾斜的梳状结构的引入的方法和其它的作用原理相结合微 机械器件，也是可能的，所述的作用原理是以准静态，共振，平移或者转 动地操作的。
正如已经提到的实施例那样，为了制作根据本发明的微机械器件，SOI 晶片可以限定层厚度。正如上面已经描述的，有多种方法用来偏转和固定 电极梳。为了制作微机械器件，在可能被采用的方法中，局部变薄的区域， 例如沿着主轴，被用作获得降低的弹簧刚性。在SOI晶片上制作微机械器件中，开口的凹槽和/或填充的凹槽可以用于限定彼此电绝缘的区域。根 据本发明的梳状电极对可以用例如在不同的基片层和/或框架结构层内的 方法制作。
为了输送另外的电势，通过在较少参杂的基片中的弹簧或高度参杂的
区域，微机械器件可以包括多弹簧(multi-springs)或金属导电线路。 在微机械器件中，电极梳的齿可以被连接在扭簧或者比扭簧刚性更大的器 件区域上。具有自己的齿的固定梳结构和具有自己的齿的可移动梳状电极 可以形成在不同的基片内或框架层内。而且，弯曲弹簧可以代替扭簧被釆 用，所述挠曲弹簧具有冲击力作用的接触区域或者垫以使固定梳发生偏 转，或者所述挠曲弹簧可以通过四连杆机构被平行移位。
在一个实施例中，微机械器件可以例如被用作图像的投影。 在另一实施例中，微机械器件被用来定位光束或者激光束。微机械器 件也可能被用来偏转光束和/或激光束，其中辐射源以连续地或者脉冲方 式操作。
所述微机械器件可以形成在各种基片中，例如形成硅、砷化镓、磷化 铟、氮化镓、氮化硅或其它基片中。作用器层可以是多晶的或单晶的。
为制作微机械器件，可以保持简单的生产技术，可以避免使用高温， 高温可能破坏微机械功能结构的导体或者导线或者镜面。所有的机械负载 元件可以包括具有良好的机械弹塑性能的材料，所述的机械弹塑性能即使 在光辐射和变化的温度和空气湿度下也不会退化。
权利要求
1.一种微机械器件，包括微机械功能结构(1)，所述微机械功能结构(1)能够从静止位置绕主轴(13)偏转；可动电极(3)，所述可动电极(3)安装在所述微机械功能结构(1)上；以及固定电极(4)，所述固定电极(4)能够在静止位置围绕倾斜轴(10)相对于可动电极(3)倾斜，其中所述倾斜轴(10)与主轴(13)平行或者与主轴(13)等同。
2. 根据权利要求l所述的微机械器件，其中所述可动电极(3)和所 述固定电极(4)形成为梳状电极。
3. 根据权利要求l所述的微机械器件，其中所述固定电极(3)在静 止位置相对于布置所述微机械功能结构(1)的平面向上或者向下倾斜。
4. 根据权利要求l所述的微机械器件，具有多个电极对(3,4)，所述 多个电极对(3,4)每一个都包括可动电极(3)和固定电极(4)，其中两 个所述电极对每一个都布置在所述微机械功能结构(1)的一侧上。
5. 根据权利要求4所述的微机械器件，其中所述电极对中的所述固定 电极(4)沿相同方向或者相反方向倾斜。
6. 根据权利要求l所述的微机械器件，具有用于倾斜固定电极(4) 的装置。
7. 根据权利要求6所述的微机械器件，其中用于所述用于倾斜固定电 极(4)的装置包括作用在所述固定电极(4)上的外部或内部微操纵器。
8. 根据权利要求7所述的微机械器件，其中所述固定电极(4)包括 所述微操纵器与其接触的垫(5)。
9. 根据权利要求7所述的微机械器件，其中所述微操纵器包括心轴和 /或集成执行器。
10. 根据权利要求l所述的微机械器件，具有固定件，所述固定件将 所述固定电极(4)固定在倾斜位置。
11. 根据权利要求io所述的微机械器件，其中所述固定件包括胶粘，焊料、金属、塑料、键合连接或者机械装置。
12. 根据权利要求l所述的微机械器件，具有框架，具有所述可动电极(3)和所述固定电极(4)的所述微机械功能结构(1)安装在所述框架上。
13. 根据权利要求12所述的微机械器件，具有横梁(2)，所述微机械 功能结构(1)和可动电极(3)通过所述横梁(2)连接到所述框架上。
14. 根据权利要求13所述的微机械器件，其中所述横梁(2)的一部 分具有相比于所述横梁的剩余部分较小的厚度，用于限定扭簧(7)。
15. 根据权利要求13所述的微机械器件，其中所述横梁包括弯曲形状 的结构，以使得所述微机械功能结构(1)能够垂直于主轴(13)平移地 偏转。
16. 根据权利要求l所述的微机械器件，其中所述微机械功能结构(l) 是光学功能结构。
17. 根据权利要求16所述的微机械器件，其中所述微机械功能结构(1 ) 是一维或者两维的微镜。
18. 根据权利要求l所述的微机械器件，具有在所述可动电极(3)和 所述固定电极(4)之间提供具有预定频率的周期信号的电压源。
19. 根据权利要求18所述的微机械器件，其中所述信号是电压信号。
20. 根据权利要求l所述的微机械器件，所述微机械器件被用于图像 投影。
21. 根据权利要求l所述的微机械器件，所述微机械器件被用于定位 光线或者激光束。
22. 根据权利要求l所述的微机械器件，所述微机械器件被用于光线 和/或激光束的偏转，其中辐射源是连续地或者以脉冲方式被操作。
23. 根据权利要求l所述的微机械器件，其中所述微机械功能结构能 够以准静态的方式被偏转。
全文摘要
一种微机械器件，包括微机械功能结构，所述微机械功能结构可以从静止位置关于主轴偏转；可动电极，所述可动电极安装在微机械功能结构上；以及固定电极，所述固定电极能够在静止位置围绕倾斜轴相对于可动电极倾斜，其中倾斜轴与主轴平行或者与主轴等同。
文档编号B81B3/00GK101284642SQ20081008180
公开日2008年10月15日 申请日期2008年4月2日 优先权日2007年4月2日
发明者丹尼斯·容, 克里斯蒂安·德拉伯, 哈拉尔德·琛克, 托马斯·克洛泽, 提诺·詹德纳 申请人:弗劳恩霍夫应用研究促进协会