用于离散位置对准稳定的有非均匀指部的线性梳式驱动器的制作方法

本申请要求申请日为2020年1月30日、标题为“在驱动范围内具有改进的稳定性的线性梳式驱动器”的美国临时专利申请62/967,854的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

本公开一般地涉及微机电系统和线性梳式驱动器。

背景技术：

线性梳式驱动器是一种微机电系统(mems)致动器，其使用静电力进行致动。一种线性梳式驱动器包括转子和定子，所述转子包括第一导电梳，所述定子包括第二导电梳。至少部分基于向第一和第二导电梳施加静电力，线性梳式驱动器相对于定子移动转子，所述定子可以是静态的。线性梳式驱动器可以用于其他微机电系统元件的微米或纳米级控制，例如紧凑光学系统中的微机电系统光学元件。例如，光学开关装置可以包括线性梳式驱动器来致动反射镜，使得反射镜能够对准光学开关装置的不同端口。在这种情况下，通过将反射镜致动到离散位置，线性梳式驱动器能够在光学开关装置中进行可变的开关。

技术实现要素：

根据一些可能的实施方式，线性梳式驱动器可以包括定子。线性梳式驱动器可以包括转子。定子或转子中的至少一个可以包括具有一个或多个水平延伸的指部的梳，所述指部具有由一个或多个叉脚形成的齿形，所述叉脚在由一个或多个指部形成的平面中从一个或多个指部垂直延伸。

根据一些可能的实施方式，梳式驱动器指部组件可以包括基部元件、附接到基部元件并在第一方向上延伸的指部元件、以及附接到指部元件并且在指部元件的平面中且在垂直于所述第一方向的第二方向上延伸的至少一个叉脚元件。

根据一些可能的实施方式，微机电装置可以包括定子梳，该定子梳包括第一一个或多个指部，其中第一一个或多个指部中的至少一个与由第一一个或多个叉脚形成的第一齿形相关联，并且其中第一一个或多个叉脚在由第一一个或多个指部形成的第一平面中从所述第一一个或多个指部延伸。该微机电装置可以包括转子梳，该转子梳包括第二一个或多个指部，其中第二一个或多个指部中的至少一个与由第二一个或多个叉脚形成的第二齿形相关联，其中第二一个或多个叉脚在由第二一个或多个指部形成的第二平面中从第二一个或多个指部延伸，并且其中第一一个或多个指部被配置成与第二一个或多个指部交错。微机电装置可以包括安装到转子梳的可移动元件。

附图说明

图1是本文描述的示例梳指的示意图。

图2a-2d是本文描述的转子的梳指和定子的梳指的示例的示意图。

图2e-2h是本文描述的转子的梳指和定子的梳指的示例的特性曲线图。

图3是本文描述的微机电系统的示例的示意图。

图4a-4g是本文描述的齿形梳指形状的示例的示意图

具体实施方式

下文参考附图详细描述示例性实施方式。在不同附图中的相同的附图标记可以标识相同或相似的元件。

如上所述，在一些系统中，可能希望将附接到线性梳式驱动器的元件致动到一组离散的位置，而不是连续的位置范围。在一些系统中，可能希望的是，对于连续的位置范围内的一组离散位置，以更高的精度、准确度和/或稳定性来致动附接到线性梳式驱动器的元件，而不是以大致相同的精度、准确度和/或稳定性来将该元件致动到连续范围内的任何位置。例如，当线性梳式驱动器附接到光学开关装置中的反射镜时，线性梳式驱动器可以致动反射镜与不同的端口对准。与每个端口的对准可以代表线性梳式驱动器的不同离散位置(例如，转子相对于定子的离散位置)。在这样的示例中，当线性梳式驱动器被致动到与不同端口对准的一个或多个离散位置之间的位置时，光学开关装置可能无法精确地传播一个或多个光束。

换句话说，在线性梳式驱动器的离散对准位置(例如，对应于光学端口对准的位置)，光学开关装置可以对准从例如一个或多个输入到例如一个或多个输出的光路(例如，切换光束)。相反，在不同于离散对准位置的位置，光学开关装置可以通过将来自例如输入的光束引导到例如任意空间而有意地不对准两个端口之间的光路(例如，投射(drop)光束)。有意对准端口所需的精度、准确度和稳定性远远大于有意不对准端口所需的精度、准确度和/或稳定性。替换地，离散的对准位置可以包括投射光束的位置(例如，水槽、倾倒口等)，因此除了离散对准位置之外的位置处的精度、准确度和/或稳定性可能不太相关。

线性梳式驱动器的稳定性，其可被定义为线性梳式驱动器精确致动到特定位置和/或在特定位置保持附接的可移动元件(例如，在光学开关装置的情况下，例如，反射镜)的对准的能力，对于确保使用线性梳式驱动器的系统有效运行可能是重要的。线性梳式驱动器的运动可以基于以下形式的方程来建模：

其中，k表示线性梳式驱动器的机械刚度，x表示位移，c表示转子的可移动梳和定子的固定梳之间的电容，v表示驱动电压。在抵抗机械干扰方面(例如，位移扰动δx，其例如由振动、冲击和/或类似因素引起)，可以基于以下形式的方程来模拟响应力：

其中δf是对机械干扰的抵抗。稳定性可基于响应力和机械扰动的比率，从而产生以下形式的方程：

其中sm表示取决于机械刚度和梳设计的机械稳定性。基于机械刚度的相对稳定性数值由以下公式定义：

其中sm是相对稳定性数值。小于1的相对稳定性数值表示线性梳式驱动器的致动导致线性梳式驱动器稳定性的损失。相比之下，大于1的相对稳定性数值表示线性梳式驱动器由于梳致动而更加稳定。因此，越大的数值表示线性梳式驱动器的稳定性越高。

由于线性梳式驱动器受到来自施加的电压或电场的静电力，因此线性梳式驱动器的整体稳定性不仅基于机械稳定性，还基于电稳定性。例如，基于电压扰动δv，电稳定性可以采取以下形式：

此外，较大的电稳定性se导致线性梳式驱动器的较高水平的稳定性。因此，为了增加线性梳式驱动器的整体稳定性，可以使用更高的梳刚度和/或改善的驱动电路稳定性。然而，获得更高的梳刚度可能需要更大的梳，这可能增加成本和/或妨碍在微米或纳米尺度系统(例如光学装置)中的应用。此外，使用具有更高稳定性水平的驱动电路可能进一步增加成本和/或限制可以被使用的组件的选择。此外，如上所述，对于将致动到一组离散位置的线性梳式驱动器，增加该组离散位置处的稳定性可以比增加梳式驱动器的整体稳定性更有用。

本文描述的一些方面在线性梳式驱动器中使用齿形梳指，以在离散位置处实现更高水平的稳定性。例如，线性梳式驱动器可以包括在转子中和在定子中的梳指，其具有形成齿形的叉脚。在这种情况下，叉脚可以形成齿形的峰，叉脚之间的空间可以形成与峰相邻的谷。当被致动时，相比于在不对准(或不对准)的位置实现的稳定性，和/或相比于在具有均匀梳指的其它线性梳式驱动器中使用类似的材料构造可以实现的稳定性，线性梳式驱动器可以在转子和定子的叉齿对准的位置获得更高水平的稳定性(例如，当转子的峰与定子的峰对准、而转子的谷与定子的谷对准时)。

图1是示例梳指100的示意图。如图1所示，梳指100包括基部元件110、指部元件120和一组叉脚元件130。

如图1进一步所示，指部元件120可以在垂直于第一平面的第一方向上延伸。例如，指部元件120在垂直于yz平面的x方向上从基部元件110延伸。此外，叉脚元件130在垂直于第二平面的第二方向上延伸，该第二平面正交于第一平面。例如，叉脚元件130在垂直于xz平面的y方向上延伸。在一些实施方式中，叉脚元件130可以形成特定的轮廓形状(例如，叉脚元件130在指部120的平面内延伸)。例如，在第三平面(例如，xy平面)中，叉脚元件130可以形成矩形形状。尽管本文根据矩形形状或轮廓描述了一些方面，但是如本文更详细描述的，也可以考虑其他轮廓形状。此外，尽管根据xy平面中的形状或轮廓描述了一些方面，但是其他平面中的形状或轮廓可以是矩形或非矩形的，以在特定位置实现特定水平的稳定性。

如图1进一步所示，叉脚元件130可以与特定高度h相关联。例如，线性梳式驱动器可以包括具有例如5微米(μm)高度的叉脚元件130(例如，用于硅波导开关)。对于其他应用，其他高度也是可能的。在一些实施方式中，叉脚元件130可以具有大约1μm的宽度w。附加地或替代地，叉脚元件130可以具有大约1μm的深度d。在一些实施方式中，如图所示，梳指100可以具有多个叉脚元件130。例如，梳指100可以具有沿着指部元件120在第一距离处设置的第一叉脚元件130和沿着指部元件120在第二距离处设置的第二叉脚元件130(并且与第一叉脚元件130分开一阈值距离)。在这种情况下，叉脚元件130可以分开大约1.5μm的节距p。尽管本文根据特定的一组维度或维度范围描述了一些实施方式，但是其他的维度组或维度范围也是可能的。

在一些实施方式中，梳指100上的每个叉脚元件130可以具有相同的高度。附加地或替代地，梳指100上的第一叉脚元件130可以具有第一高度，而梳指100上的第二叉脚元件130可以具有第二高度。附加地或替代地，线性梳式驱动器的第一梳指上的第一叉脚元件130可以具有第一高度，并且线性梳式驱动器的第二梳指100上的第二叉脚元件130可以具有第二高度。类似地，叉脚元件130可以具有相同或不同的宽度、相同或不同的深度等。类似地，多组叉脚元件130可以具有相同或不同的节距。类似地，梳指100可以具有共同数量的叉脚元件130(例如，相同数量)或不同数量的叉脚元件130。在这些情况下，一个或多个叉脚元件130的构造(例如，高度、宽度、深度、节距、形状等)可以至少部分地基于线性梳式驱动器要对准的一组对准位置、线性梳式驱动器的稳定性要求和/或类似物来选择。

如上所述，图1作为示例被提供。其他示例可能与图1中描述的不同。图1中所示的装置或组件的数量和排列是作为示例被提供的。

图2a-2d是转子的梳指和定子的梳指的示例200的示意图。如图2a所示，示例200包括可移动梳指210(例如，线性梳式驱动器的转子的梳指)和固定梳指220(例如，线性梳式驱动器的定子的梳指)。如图2a进一步所示，可移动梳指210被配置为相对于固定梳指220线性移动。例如，可移动梳指210可以在垂直于yz平面的x方向上移动(例如，在可移动梳指210和固定梳指220的互补可交错梳指的方向上)。

如图2b所示，基于可移动梳指210在x方向上的位移，可移动梳指210和固定梳指220的相应叉脚可以对准。在这个位置，线性梳式驱动器可以在对准点p1实现相对高水平的对准。相比之下，如图2c所示，当可移动梳指210在x方向上进一步移动时，可移动梳指210和固定梳指220的相应叉可能不对准。在一些实施方式中，可移动梳指210和固定梳指220的叉脚之间的对准位置可以与容差相关联，所述容差小于或等于例如电光系统中两个光学端口之间的光路的阈值百分比对准。如图2d所示，基于可移动梳指210在x方向上进一步移动，可移动梳指210和固定梳指220的各自的叉脚在对准位置p2再次对准。以这种方式，在其梳指上具有齿形叉脚的线性梳式驱动器可以具有一个或多个离散的对准位置。

尽管这里根据特定数量的对准位置(例如，1个对准位置、2个对准位置、3个对准位置等)示出了一些实施方式，但也可以考虑其他数量的对准位置。此外，尽管线性梳式驱动器可以具有特定数量的对准位置，但是线性梳式驱动器可以被配置为仅在对准位置的子集处操作。例如，具有4个对准位置的线性梳式驱动器可用于该线性梳式驱动器仅致动到3个对准位置的mems系统中(例如，用于切换到3个端口)。附加地或替代地，具有一组对准位置的线性梳式驱动器也可以用于非对准位置(例如，比在一组对准位置获得的稳定性差)。

图2e-2h示出了具有齿形叉脚的两级线性梳式驱动器的特征，例如包括可移动梳指210和固定梳指220的线性梳式驱动器。如图2e所示，在对准位置p1和p2，两级线性梳式驱动器具有负电容导数，如图2f所示，其相比于具有均匀梳指的线性梳式驱动器(其例如可以称为均匀或单级线性梳式驱动器)，导致机械稳定性增加(例如，更高的稳定性数值)。虽然均匀线性梳式驱动器在所有可能的位置都实现相对恒定的机械稳定性，但两级线性梳式驱动器在p1处实现了大约40％的机械稳定性改善，在p2处实现了大约270％的稳定性改善。通过这种方式，使用多级线性梳指驱动器能够提高离散对准位置应用的机械稳定性。

如图2g所示，在p1和p2处，与均匀线性梳相比，两级线性梳的驱动电压导数更大(positive)。因此，如图2h所示，两级线性梳在p1和p2获得了比均匀线性梳更高的电稳定性。例如，在p1和p2处，相对于均匀线性梳，两级线性梳的电稳定性分别提高了65％和250％。通过这种方式，使用多级线性梳式驱动器能够提高离散对准位置应用的电稳定性。

如上所述，图2a-2h作为示例被提供。其他示例可以不同于关于2a-2h的描述。图2a-2d中所示的装置或组件的数量和排列作为示例提供。

图3是示例性微机电系统(mems)300的示意图。如图3所示，mems300包括转子310、定子320和附接到转子310的可移动元件330。如图3进一步所示，转子310可以包括具有一组指部314的基部312(并且每个指部314可以包括一个或多个叉脚316)，定子322可以包括具有一组指部324的基部322(并且每个指部324可以包括一个或多个叉脚326)。

如图3进一步所示，在俯视图和侧视图中，转子310可以相对于定子320移动。转子310和定子320可包括导电材料，使得静电力可用于在转子310和定子320之间产生线性运动。转子310和定子320不应接触，否则会有电短路的风险。转子310可包括线性基部312，一组指部314可附接到该基部并延伸该基部。每个指部可以包括一个或多个叉脚316，叉脚316可以在指部的平面中延伸，使得叉脚316不会改变相邻指部314之间的节距。定子320可以具有类似的结构，也就是说，定子320可以包括线性基部322，一组指部324可以附接到线性基部322并延伸该线性基部322，并且每个指部可以包括一个或多个叉脚326，叉脚326可以在指部的平面中延伸，使得叉脚326不改变相邻指部324之间的节距。

转子310和定子320可以是互补的构造，使得指部314和324可以交错(例如，以增强转子310和定子320之间的静电力)，并且通过转子310相对于定子320的线性运动可以使叉脚316、326对准或不对准。指部314和324可以等距间隔，并且可以是互补的(例如，形状、尺寸、方向等)。

转子310相对于定子320的运动可以在由转子310和/或定子320的梳指240的叉脚350限定的一组离散位置之间移动可移动元件330。以这种方式，mems300的线性梳式驱动器可以使可移动元件330在该组离散位置对准。在一些实施方式中，可移动元件330可以是特定类型的电元件、光学元件、电光元件和/或类似物。例如，可移动元件330可以是反射镜、波导、棱镜、光栅、光发射器、光接收器、mems装置、光学mems装置和/或类似物。在一些实施方式中，mems300可以包括在电光装置中。例如，mems300可以包括在光学开关装置中，该光学开关装置包括一组光学端口，当可移动元件330由mems300致动到该组离散位置时，所述光学端口可对准(例如，在光路上)到可移动元件330。在这种情况下，叉脚之间和/或该组离散位置之间的节距可以对应于该组光学端口的端口之间的节距。

如上所述，图3作为示例被提供。其他示例可以与图3中描述的不同。图3中示出的装置的数量和布置是作为示例提供的。实际上，与图3所示的装置相比，可以有更多的装置、更少的装置、不同的装置或不同布置的装置。

图4a-4g是齿形梳指形状的示例400-460的示意图。例如，图4a包括在梳指上有单个叉脚的示例400。相比之下，图4b包括在梳指上有一组两个叉脚的示例410。在这种情况下，示例410的每个叉脚与相同的高度h相关联。相反，图4c包括梳指上具有不同高度h1和h2的第一叉脚和第二叉脚的示例420。类似地，图4d包括具有不同节距的一组三个叉脚的示例430。例如，第一叉脚和第二叉脚可以具有第一节距p1，第二叉脚和第三叉脚可以具有第二节距p2。

图4e包括具有非矩形轮廓的齿形的叉脚的示例440。例如，在第一平面中，如图所示，齿形可以是：三角形轮廓，如图4e所示；圆形轮廓，如图4f和示例450所示(例如，其包括圆形轮廓和圆形顶柱轮廓)；和/或类似物。在一些实施方式中，线性梳式驱动器中的多个叉脚可以在一个或多个平面中具有多个不同的形状。在一些实施方式中，转子310中的不同齿形的叉脚可以对应于定子320中不同齿形的叉脚，以提供不同的对准稳定性。使用图4f作为转子指部的示例，相同的定子指部可能不允许两个叉脚与其对应物进行对准；然而，互补的定子指部(例如，具有与转子指部相反顺序的叉脚的定子指部)可以允许两个叉脚与其对应物对准。具有非互补齿形的一个或多个转子叉脚和一个或多个定子叉脚的对准可以是或可以不是期望的对准位置。图4g包括线性梳式驱动器的示例460，其包括多级轮廓和均匀级轮廓的组合。例如，定子或转子中的一个可以具有均匀的轮廓，而定子或转子中的另一个可以具有不均匀的轮廓，以相对于仅具有均匀级轮廓的线性梳式驱动器，在线性梳式驱动器的离散位置处获得改善的稳定性。

如上所述，图4a-4g是作为示例提供的。其他示例可以不同于关于图4a-4g所描述的内容。图4a-4g中所示的装置或组件的数量和布置作为示例被提供。

前述公开内容提供了说明和描述，但不旨在穷举或将实施方式限制到所公开的精确形式。可以根据上述公开内容进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践中获得修改和变化。此外，这里描述的任何实施方式可以被组合，除非前述公开明确地提供了一个或多个实施方式不可以被组合的理由。

如这里所使用的，根据上下文，满足阈值可以指大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等的值，这取决于上下文。

即使特征的特定组合在权利要求中被引用和/或在说明书中被公开，这些组合并不旨在限制各种实施方式的公开。事实上，这些特征中的许多可以以权利要求中没有具体叙述和/或说明书中没有公开的方式进行组合。尽管下面列出的每个从属权利要求可以直接依赖于仅一个权利要求，但是各种实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求集中的每个其他权利要求的组合。

除非明确说明，否则这里使用的元件、动作或指令不应被解释为关键或必要的。此外，如本文所用，冠词“一”和“一个”旨在包括一个或多个项目，并且可以与“一个或多个”互换使用。此外，如本文所用，冠词“该”旨在包括与冠词“该”相关联的一个或多个项目，并且可以与“该一个或多个”互换使用。此外，如此处所使用的，术语“组”旨在包括一个或多个项目(例如，相关项目、不相关项目、相关和不相关项目的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换使用。当只表示一个项目时，使用短语“仅一个”或类似的语言。此外，如这里所使用的，术语“具有”、“有”、“带有”等意在是开放式术语。此外，短语“基于”旨在表示“至少部分基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所用，术语“或”在串联使用时旨在包含性的，并且可以与“和/或”互换使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。此外，为了便于描述，这里可以使用空间上相对的术语，例如“下”、“下方”、“上”、“上方”等，来描述一个元件或特征与图中所示的另一个元件或特征的关系。除了附图中描述的方位之外，空间相关术语旨在包括使用或操作中的装置、装置和/或元件的不同方位。该装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且这里使用的空间相对描述符同样可以相应地解释。