CN101301992A - 微机械装置及在其上调节确定温度或确定温度过程的方法 - Google Patents

Abstract

一种微机械装置包括微机械功能结构和与微机械功能结构关联的电磁辐射加热装置，形成该电磁辐射加热装置以在微机械功能结构中产生空间上和时间上的确定温度或空间上和时间上的确定温度过程。

Description

微机械装置及在其上调节确定温度或确定温度过程的方法

技术领域

本发明涉及一种具有温度稳定性的微机械装置，还涉及一种在微机械装置上调节空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程的方法。例如，本发明适合用于对微机械装置参数的稳定性具有高要求的精密应用的反射型微机械装置，诸如用于显示、电信、激光材料加工、眼科学激光手术、卫星技术、显微术、全息术和和数据存储应用。

背景技术

大体上，因电磁和/或热因素在微机械装置中或上具有明显热流波动的应用领域代表了本发明的实质应用领域。具有由电磁因素引起的明显热流波动的此类装置可以例如是在整个电磁谱范围可能应用的微机械装置。这意味着微机械装置可以在可见光、紫外近红外辐射范围、在太赫兹或在软X射线辐射直到无线电波辐射范围内工作。

本发明的应用领域可以是用于电磁功率密度非常大的装置。对微机械装置固有地施加热作用的此类装置可以是例如用于光刻、激光雷达地表识别的装置、或用于LED、激光器或微波激射器应用领域的装置。

具有由热因素引起的明显热流波动的本发明的其他应用领域在于，例如具有高温动力的微机械装置，即例如适于在汽车技术(automobiletechnology)、卫星技术、医学技术、低温传感器技术、真空技术中应用的装置，或用于传感器和执行(sensor and actor)装置的装置。

反射型微机械装置的热应力将导致装置重要特征量的改变。在反射型微机械装置中，微机械光学关键参数可能改变，例如共振频率、偏转位置(deflection position)或扫描镜情况中的反射镜平面度。系统特征量的改变，例如映射保真度(mapping fidelity)、定位速度(positioning speed)等等，由其导致当应用微机械装置时需要适当控制热流，尤其是对于激光精密应用。反射型微机械装置的热稳定性问题已存在多年。

已知的用于消除反射型微机械装置热不稳定性的方法包括在足够低的电磁场密度下操作反射型微机械装置，因为这不会引起任何对微机械装置的明显的热输入。

通过微机械装置与电磁辐射相互作用达到减少微机械装置热不稳定性的另一种可能性由Sandner等人通过利用防反射覆盖层产生高表面反射以减少热耦合实现(“High reflective optical coating for high powerapplications of micro scanning mirrors in the UV-VIS-NIR spectral region”，Proceedings SPIE，Vol.6114(2005))。

可选地，在激光操作中，可以通过特殊照射方案克服热不稳定性，如WO2005/015903A1中所述。

如WO2005/078506A1的专利说明书所述，利用在装置的不同区域的局域电加热产生热补偿流，用于微机械装置中的稳定温度的调节。

也可以执行具有“休止时间”(rest time)的微观机械装置的时间限制性操作，以消除或最小化明显的热量加热。

另一种减小反射型微机械扫描器的热不稳定性的途径是基于具有优化热排出性的悬挂扫描镜的机械弹簧的特殊设计，或基于用于热排出的微机械装置的气体净化(a gas purge)。

基本上，前面已知的实现微机械装置热稳定性的方法具有不同的困难和/或缺陷。

例如，前述的用于扫描镜的镜弹簧的设计改变不会导致这些热优化的镜弹簧的最佳机械特性。

用于微机械装置的温度稳定的局域电加热只部分地与温度变化起作用，并带来明显的时间偏移(temporal offset)。此外，只能在有限的情况下调节主要的热流变化。有“休止时间”的微机械装置操作给微机械装置的工作速度带来了明显的限制，因此是不适当的。

如前所述，为了控制装置中的热流，部分采用特殊的激光照射方案以避免反射型微机械装置中的热不稳定性。然而，这样的照射方案潜在地限制于关于要补偿的热流的时间和空间动力学中。

然而，尽管采用上面提到的温度稳定措施，工业使用者对高精度的强烈需求仍旧受到限制，例如激光应用中的微扫描器镜的共振频率或者在应用环境改变条件下的稳定操作。

目前，微机械装置中的时间和空间的严格热流稳定性只能部分实现。实质上的局限性是由微机械运动元件大都表现为隔热所决定的，例如扫描镜中的镜弹簧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有温度稳定性的微机械装置和一种在微机械装置上调节确定的时间和空间的温度或确定的时间和空间的温度过程的方法，其有效保证了温度稳定性并具有高的时间和空间分辨率且避免了上述缺陷。

此目的通过如权利要求1所述的微机械装置和如权利要求29所述的方法实现。

本发明提供一种微机械装置，包括：

微机械功能结构；以及

与该微机械功能结构相关联的电磁辐射加热装置，所述电磁辐射加热装置形成为在微机械功能结构上引起空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程。

此外，本发明提供一种在微机械装置的微功能结构中调节空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程的方法，包括：

利用从电磁加热装置发射的电磁辐射照射所述微功能结构；以及

通过照射调节所述微功能结构中确定的时间和空间温度或确定的时间和空间温度过程。

本发明的实施例利用选择性高时间和空间分辨率允许在反射型微机械装置上对热流进行确定调节，同时通过部分构造或全吸收内层(completely absorbing linings)或具有确定层应力的干涉层的微机械反射镜结合允许反射镜的预定变形。

在实施例中，示出了(i)用选择性高时间分辨率控制微机械装置的热操作点，(ii)微机械装置共振频率的精密调节和稳定的可能性，(iii)微机械装置的高操作温度的确定调节，(iv)微机械装置的动态操作中的镜偏转的相位调节，(v)反射型微机械装置在具有热量和电磁负载深度变化的应用领域的应用，和(vi)通过优化反射镜表面的映射特性(mapping properties)增加微机械装置的光强度。因此，在精密光学到高性能激光应用中和在极端环境应用领域中发展了新的应用领域。

附图说明

在下面将参照附图对本发明的优选实施例做更详细的解释，其中：

图1为根据本发明的实施例的温度稳定性微机械装置的横截面示意图；

图2为本发明的实施例的另一个横截面图，具有吸收和/或干涉层、控制器和传感器；

图3为根据本发明另外实施例的具有光学温度稳定性的扫描镜的示意图；

图4为关于在根据本发明的微机械装置中调节确定温度或确定温度过程的方法的流程图；以及

图5为关于制造应用为微机械执行器(actor)或传感器的微机械装置的方法流程图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的微装置的横截面示意图。微机械装置1包括微机械功能结构3和与该微机械功能结构相关联的电磁辐射加热装置5，其通过电磁辐射4在空间上和时间上精确发射可以在微机械功能结构3上实现空间上和时间上的确定温度和/或空间上和时间上的确定温度过程。微机械功能结构经由弹簧7悬挂在微机械装置中。微机械装置1可以是扫描镜，且微功能结构可以是其中相应的镜片。

热影响的结果，微机械装置经常包括微机械光学关键参数的改变，诸如共振频率、偏转位置和扫描镜的反射镜平面度。这些不利的变化，在其他因素中，可能由中高光强的照射或由周围热改变引起。根据本发明，这些不利的变化通过利用电磁辐射加热装置对微机械功能结构上的热流的靶向控制(targeted control)来补偿。本发明实现此原理的基本思想是利用电磁辐射加热装置直接加热微机械功能结构至相对于周围环境提高的温度。此提高的温度可以例如是介于35℃到50℃之间，例如，更确切地说40℃。

由于热量供给，例如显示器中的激光辐射或扫描操作，引起的外界热量变化的影响导致温度的上升或引起冷却，功能结构的光学有效反射镜部分的平均温度可由电磁辐射加热装置5在时间上或空间上的调制来适应和/或补偿。这意味着，通过内部热流的调制变化，可以调节微机械装置的温度变化。

如上面所述，微机械功能结构3可以是扫描镜的镜片，例如，形成为硅结构且在框架中悬挂于扭转弹簧上。电磁辐射加热装置5可以位于镜片下方且从后面对其加热至所需的温度。可选地，与微机械功能结构关联的电磁辐射加热装置可以位于微机械装置1外面，并且与微机械功能结构相互作用以使其达到空间上和时间上的确定温度和/或使在其中产生空间上和时间上的确定的温度过程。通过使用辐射加热装置，例如，由于对镜装置3上热流的控制，微机械扫描器装置的镜弹簧7的隔热功能被阻止。通过利用来自电磁辐射加热装置发出的电磁辐射进行加热，高强度的热流依靠作为辐射加热装置的可变光源、以时间上和空间上分辨的方式被导入到微机械系统中。这导致的是从由被微机械功能结构吸收的电磁辐射引起的固定确定的辐射热流开始到时间调制反馈电路的微机械装置的多种热调制可能性。这样，电磁辐射加热允许综合操控，例如扫描器的反射镜温度，因此表现为明显超越现有技术提供。

本发明的另一实施例如图2所示。在微机械装置1的横截面示意图中，还有微机械功能结构3，其悬挂在扭转弹簧7上。微功能结构3可包括部分的或整个平面的吸收或干涉层6，其对于电磁辐射加热装置5发射的电磁辐射4具有高吸收。因此，能够保证相对于电磁辐射加热装置的能耗，微机械功能结构3可以迅速而有效地达到确定的温度。

微机械装置1还可以包括控制器9，其有效连接到电磁辐射加热装置，用于对微机械功能结构的空间上和时间上的确定温度或空间上和时间上的确定温度过程进行调节。控制器9可以集成到微机械装置中，也可以通过外部控制线有效连接到电磁辐射加热装置。

控制器可以形成为改变电磁辐射加热装置发出的辐射功率。为了这个目的，控制器如此形成以便接收内部或外部控制信号，从而产生发出的辐射功率的变化。

电磁辐射加热装置还可以包括相关的传感器10，其有效连接到控制装置并根据由此传感器产生的内部或外部传感或控制信号来调制电磁辐射加热装置的辐射功率，由此来调制例如共振频率或其他微机械装置的重要功能装置参数。

通过对镜片3的靶向加热，同时通过具有部分构造或全吸收内层6的或具有确定层应力的干涉层的微机械反射镜或结合实现反射镜的预定变形。这意味着，微机械功能结构可以包括对于电磁辐射加热装置的特定波长范围的吸收层或干涉层，因此通过电磁辐射加热装置的辐射可以实现微机械功能结构的预定变形。

在实施例中，电磁辐射加热装置5可与镜片3关联，由此，通过发射的电磁辐射来使上面或下面达到空间上和时间上的确定温度或空间上和时间上的确定温度过程。

本发明另外实施例如图3所示。所示微机械装置为用于脉冲高能紫外激光系统的光调制的激光扫描器装置1。部分吸收的紫外激光辐射将导致激光扫描器装置的调制器共振频率失谐。通过在扫描镜3下方集成作为具有高能效的辐射加热装置的有效的有机发光(OLED)光源5，例如在绿光光谱范围，利用辐射加热装置最低的能量需要即可防止调制器共振频率的失谐。通过OLED辐射加热实现了扫描镜的热温度稳定性。

在扫描镜3的底面，扫描镜3可包括适于OLED的绿色光谱范围的光谱吸收层。因此，也可确保辐射加热装置的最低能量需要。

微机械装置1还可以包括根据紫外有效信号利用时间耦合脉冲操作调制OLED光源的装置。用于调制电磁辐射加热装置5的装置可以是控制电磁辐射加热装置光强的内部或外部控制装置。整个系统的热补偿和扫描镜的共振频率的稳定性可以通过控制装置利用最小的电能实现。为了达到这个目的，扫描装置1由OLED的能量调制调节至高于周围温度的几乎不变的操作温度。

实施例中所示的微机械装置可以是用于微机械执行器或传感器的反射型微机械装置。在此，该装置包括具有至少预定波长的电磁源，波长由微机械装置或至少其覆盖层之一的吸收材料特性决定，并用于反射型微机械装置的电磁加热。

该微机械装置可用于系统的光学调制，其包括OLED、发光二极管(LED)、激光器或微波激射器辐射源。

电磁加热装置及其辐射场可以例如照射微机械功能结构的部分区域或整个微机械功能结构。若微机械功能结构为镜片，整个镜片或光学有效反射镜的一部分可被电磁辐射加热装置照射。例如，若微机械功能结构为反射的反射镜功能结构，电磁加热装置将直接作用于光学应用的反射镜镜面或其相对面。

在另外实施例中，电磁辐射加热装置也可用于修正或调节扫描镜的镜偏转的相位位置。被弹簧悬挂的扫描镜可认为是振荡系统，例如周期性地经受电激发而维持振荡。因此，该振荡可用特定的相位位置描述。相应地，具有镜片的振荡系统也具有共振频率，其可通过电磁辐射加热系统根据预定的运算法则进行定义或调控。此运算法则可以是例如通过外部或内部的控制装置控制电磁辐射加热装置在时间上或空间上的发射。因此，该电磁辐射加热装置可根据内部或外部的传感信号来调节微机械装置的共振频率。

电磁辐射加热装置也可根据光学系统中的外部辐射源调节微机械装置的温度，进而调节共振频率。

电磁辐射加热装置可以是例如激光二极管、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光器、微波激射器或陶瓷加热棒。

在本发明的另一个实施例中，由辐射发热装置发射的电磁辐射的散射部分，反射部分或直接辐射部分可用于探测或调节微机械装置的装置特性。这些电磁辐射加热装置的散射、反射或直接辐射部分被用来探测或调节扫描镜的反射镜位置、偏转相位或共振频率。

根据另外的实施例，热辐射的比例可用于探测或调节反射型光学系统的镜面平面度、镜面变形或镜面温度。

根据实施例，微机械装置具有用于优化吸收辐射加热装置的电磁辐射的吸收区域或干涉层。吸收区域或干涉层沉积或构造于微机械装置的部分或全部表面。

在另外的实施例中，微机械装置具有预定层应力的吸收薄膜或相干层，以借助电磁辐射加热装置对反射镜区域进行热可调变形。具有预定层应力的吸收薄膜或相干层沉积或构造于微机械装置的部分或全部表面。

图4为在调节微机械装置的微功能结构中调节确定温度或确定温度过程的方法的流程图。

利用与微功能结构关联的电磁辐射加热装置调节空间上和时间上的确定温度或空间上和时间上的确定温度过程的方法可以包括提供步骤30以及功能性操作微机械装置的步骤32。所述方法还包括用电磁辐射加热装置发射的电磁辐射照射微机械功能结构的步骤34，以及利用辐射步骤34调节微机械功能结构的空间上和时间上的确定温度或空间上和时间上的确定温度过程的调节步骤36。

用电磁辐射加热装置照射微机械结构的步骤34来调节确定的空间上和时间上的温度或空间上和时间上确定的温度过程可被如此执行，使由电磁辐射加热装置发射的辐射强度按照时间上的预定方式改变。

对微机械功能结构的辐射可如此执行，使其根据内部或外部传感器信号来控制微机械功能结构的确定的温度或确定的温度过程的调节。

为了达到这个目的，该方法还包括控制电磁辐射加热装置的在空间上和时间上的热辐射的发射。调节步骤36被执行为控制操作。借助于传感器的传感器信号来执行控制操作，传感器监控特定装置特性并将传感信号传递给控制单元，由此控制单元来控制电磁辐射加热装置。

在本发明的其他实施例中，可根据预定的运算法则来执行控制操作，那样也可以不需要传感器信号。

在实施例中，辐射微机械功能结构可以发生在电磁辐射加热装置位于微机械装置外面的情况下。由微机械装置的电磁辐射加热装置来调节确定的温度的调节步骤36可被如此执行，使确定的温度至少比微机械装置的周围环境温度高5oC。

另外，本发明包括一种制造微机械装置的方法。该方法(图5)包括组装步骤50或将电磁辐射加热装置组装入到微机械装置的组装或整合步骤，其中微机械装置可以是反射型微机械装置，其作为微机械执行器或传感器。该装置可包括具有至少预定波长的电磁源，其中该波长由装置或至少其覆盖层之一的吸收材料特性决定。

该用于制造微机械装置的方法还可以包括在微机械装置的部分或全部表面形成吸收薄膜或干涉层沉积步骤52和构造步骤54，以优化对辐射加热装置发射的电磁辐射的吸收。

根据其他实施例，该方法还可以包括在反射型微机械装置的部分或全部表面形成具有预置的层应力的吸收薄膜或干涉层的沉积步骤52和构造步骤54，用于通过应用电磁辐射加热的装置来使反射型微机械装置的反射镜区域产生热调制变形。在此指出并不限制于图5中所示的生产步骤的顺序，因为生产步骤可以互换。

Claims (34)

1.一种微机械装置，包括：

微机械功能结构(3)；以及

与所述微机械结构相关联的电磁辐射加热装置(5)，其形成为在微机械功能结构(3)上产生空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程。

2.如权利要求1所述的微机械装置，包括控制器(9)，其可操作地连接到电磁辐射加热装置，用于调节空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程。

3.如权利要求2所述的微机械装置，其中所述控制器(9)可操作用于在微机械功能结构(3)上产生确定的空间上和/或时间上的温度分布或确定的空间上和/或时间上的温度过程。

4.如权利要求2所述的微机械装置，其中所述控制器(9)可操作用于改变由电磁辐射加热装置(5)发出的辐射功率(4)。

5.如权利要求2所述的微机械装置，其中所述控制器可操作用于接收内部或外部控制信号。

6.如权利要求1所述的微机械装置，具有一个或多个吸收或干涉层(6)，其设置在所述微机械功能结构(3)上，其中所述一个或多个吸收或干涉层(6)可操作用于有效吸收由电磁辐射加热装置(5)发出的辐射功率(4)。

7.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械功能结构(3)与电磁辐射相互作用。

8.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械功能结构在可见、紫外、红外、太赫兹、X射线或无线电波辐射范围内工作。

9.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械功能结构(3)为反射型微机械功能结构。

10.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械功能结构(3)包括振荡支撑的反射片，其共振频率基于电磁辐射加热装置(5)的预定运算法则是可控制的。

11.如权利要求1所述的微机械装置，其中微机械功能结构(3)的预定特性通过辐射加热装置(5)发出的辐射功率是可调节的。

12.如权利要求11所述的微机械装置，其中含有反射片的微机械功能结构(3)的如下预定特性至少之一是可调节的：含有反射片的微机械功能结构的位置、偏转相位、共振频率、平面度、含有反射片的微机械功能结构确定的变形。

13.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置形成为反射型微机械装置以作为微机械执行器或传感器，且电磁辐射加热装置发射预定波长的辐射，所述波长由微机械装置或至少其覆盖层之一的吸收材料特性给出，其中所发射的辐射用于反射型微机械装置的电磁加热。

14.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械功能结构(3)包括扫描镜。

15.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述电磁辐射加热装置(5)包括激光二极管、发光二极管、有机发光二极管、激光器、微波激射器、或陶瓷加热棒。

16.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述电磁辐射加热装置形成为在部分区域或全部的微机械功能结构上产生空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程。

17.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述电磁辐射加热装置在微机械装置的光学应用镜面或其相对面起作用。

18.如权利要求1所述的微机械装置，其中将电磁辐射加热装置形成为通过外部辐射源来调节微机械装置的温度。

19.如权利要求1所述的微机械装置，所述微机械装置形成为利用由电磁辐射加热装置发射的电磁辐射的散射光、反射或直射部分来对装置的特性进行探测或调节。

20.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置形成为含有反射镜的反射型微机械装置，且由电磁辐射加热装置发射的电磁辐射的散射光、反射或直射部分用于反射镜的位置、反射镜的偏转相位或反射型微机械装置的共振频率的探测或调节。

21.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置形成为含有反射镜的反射型微机械装置，且由电磁辐射加热装置发射的电磁辐射的散射光、反射或直射部分用于反射镜平面度、反射镜变形或反射镜温度的探测或调节。

22.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置用于在整个反射电磁光谱范围中的中高电磁场强度的光学调制。

23.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置用于具有有机发光二极管(OLED)、发光二极管(LED)、激光器和微波激射器源的系统的光学调制。

24.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置用于对共振频率或反射镜相位的精密调节和精密校准的精密光学器件。

25.如权利要求1所述的微机械装置，其中所述微机械装置用于汽车技术、电信、医学技术、显示技术、激光材料加工、眼科学、激光手术、卫星技术、显微术、全息术或数据存储技术的应用中。

26.一种制造用作微机械执行器或传感器的微机械装置的方法，包括：

集成用于微机械装置的电磁加热的电磁辐射加热装置(50)。

27.如权利要求26所述的制造微机械装置的方法，还包括在微机械装置的部分或全部表面沉积(52)和构建(54)吸收膜或干涉层，以优化对辐射加热装置发射的电磁辐射的吸收。

28.如权利要求26所述的制造微机械装置的方法，还包括在反射型微机械装置的部分或全部表面上沉积(52)或构建(54)具有缺省层应力的吸收膜或干涉层，以通过电磁辐射加热装置发射的辐射使微机械装置的反射镜可热调制变形。

29.一种用于在微机械装置的微机械功能结构中调节空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上确定的温度过程的方法，包括：

用由电磁辐射加热装置发射的电磁辐射照射所述微机械功能结构(34)；以及

通过所述照射，在微机械功能结构中调节时间上和空间上确定的温度或时间上和空间上确定的温度过程(36)。

30.如权利要求29所述的方法，其中调节所述温度(36)使得确定的温度高于微机械装置的环境温度。

31.如权利要求29所述的方法，还包括提供具有微机械功能结构和相关的辐射加热装置的微机械装置(30)。

32.如权利要求29所述的方法，还包括功能性地操作(32)所述微机械装置。

33.如权利要求29所述的方法，其中调节空间上和时间上确定的温度或空间上和时间上的温度过程(36)是通过根据内部的或外部的传感器信号控制电磁辐射加热装置的照射(34)来执行。

34.如权利要求29所述的方法，其中用位于所述微机械装置外部的电磁辐射加热装置照射所述微机械功能结构(3)来执行所述照射(34)。

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