CN101950079A - 具有可调谐振频率的双轴扫描镜面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双轴微电子机械系统(MEMS)器件。该器件包括一个可围绕着框架旋转轴旋转的框架。一对框架扭力杆使框架连接到沿着框架旋转轴的支架。一个镜板可围绕着镜面旋转轴旋转，该镜板旋转轴基本上垂直于该框架旋转轴。一对镜板扭力杆使该镜板连接到沿着镜板旋转轴的框架。一个或多个框架惯性矩调节块放置在远离框架旋转轴的镜板的一个表面上。此外，一个或多个镜板惯性矩调节块放置在远离镜板旋转轴的镜板的一个表面上，使得该镜板轴的距离决定该双轴MEMS器件的谐振频率。

Description

具有可调谐振频率的双轴扫描镜面

技术领域

一般地，本发明涉及一种微机电系统(MEMS)，特别地，涉及MEMS系统谐振频率的调整。

背景技术

MEMS扫描器件在各种电气、机械和光学系统方面获得广泛应用。非详尽的应用清单包括扫描仪、显示器、投影仪、开关、打印机、条形码阅读器、视网膜显示器、谐振器和传感器。MEMS扫描器件可以多种方式进行驱动，例如通过静电驱动、电磁驱动、静电和电磁驱动的组合，以及压电驱动。

在扫描应用中，MEMS器件通常以它们的谐振频率来驱动，从而产生期望的扫描角和扫描速度。当使用一个MEMS器件作为扫描设备中的一个镜面时，镜面尺寸会影响谐振频率的结果。如果使用大尺寸的镜面，就很难获得高的谐振频率。如果镜面尺寸或质量减少，那么谐振频率提高。

各种各样的方法已经被用来改变MEMS器件的谐振频率。美国专利6,256,131描述了一种包括可选择性地移除标签的MEMS镜面。测量谐振频率并通过激光微调来移除标签以减少镜面体的质量，从而使谐振频率提高到所期望的频率。

美国专利7,034 370使用电极间的电压差来调谐MEMS结构的固有频率，从而提高生产产量。

美国专利6,753,639公开了一种MEMS微束振荡器，通过增加或减少其表面的材料来调谐振荡器。在测量振荡器的谐振频率之后，通过激光切除材料。同样，可以使材料沉积在微束振荡器的上表面上来调谐该装置。

美国专利7,187,488采用激光或离子束微调可去除部分中的MEMS镜面，从而微调设备的固有频率。美国专利申请公开2010/0002284描述了一种用于调制扭转式MEMS器件的谐振频率的方法。测量MEMS器件的谐振频率，如果测量出的MEMS器件的谐振频率大于标准的谐振频率，那么结合到MEMS器件后表面的质量增加。如图所示，这些所增加的质量沿着MEMS器件的单个扭力轴放置。

在本技术领域还需要用于改变MEMS器件谐振频率的改进技术，特别是用于降低MEMS器件谐振频率的方法。

发明内容

本发明涉及双轴MEMS器件，其中谐振频率可以通过增加惯性矩调节块到该器件来改变。

如上所述，MEMS双轴扫描镜通常是以它的谐振频率来驱动，从而获得大的扫描角。然而，MEMS扫描镜的许多应用都需要不同的谐振频率。因此，所期望的特点是能够灵活地设计MEMS扫描镜，从而产生具有不同谐振频率的器件。例如，触控面板应用中的扫描镜需要低谐振频率。低谐振频率可以通过大的惯性矩实现，通常藉由大面积的镜板实现。然而，由于镜板在旋转期间受到较大的阻尼力，因此对于大面积镜板的MEMS器件而言很难获得大的幅角/扫描角。此外，大面积镜板会增加MEMS器件的成本。

在双轴扫描镜设计中，镜板的机械性能通常与它们的框架结构相关联。镜板谐振频率的任何调整通常都会引起框架谐振频率的相应变化。因此，需要一种技术来减少不必要的谐振频率变化，或者调整一个元件到所期望的谐振频率，同时调整另一个元件的谐振频率。

为此目的，本发明提供一种双轴MEMS器件，该器件包括一个可围绕着框架旋转轴旋转的框架。一对框架扭力杆沿着框架旋转轴使框架连接到支架。一个镜板可围绕着镜面旋转轴旋转，该镜板旋转轴基本上垂直于框架旋转轴。一对镜板扭力杆沿着镜板旋转轴使镜板连接到框架。一个或多个框架惯性矩调节块放置在远离框架旋转轴的镜板的一个后表面上。此外，一个或多个镜板惯性矩调节块放置在远离镜板旋转轴的镜板的一个后表面上，使得到镜板轴的距离决定该双轴MEMS器件的谐振频率。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的双轴MEMS结构的简化透视图；图1A是顶视图而图1B是底视图。

图2A，2B和2C说明了用于改变镜板和框架惯性矩的技术。

图3描述了一种具有十字形惯性矩调节结构的双轴MEMS结构。

图4描述了一种具有以其它角度偏离旋转轴旋转的惯性矩调节块的双轴MEMS结构。

图5示出了仅具有一对惯性矩调节块的双轴MEMS结构。

图6A-6C示出了用于调整图5的MEMS结构的块的方法。

图7示出了一种具有用于改变惯性矩的单个块的双轴MEMS结构。

图8示出了一种用于调整图5的MEMS结构的块的方法。

图9示出了使用环形块来调整惯性矩的双轴MEMS结构。

图10A-10D描述了通过使用图9的环形块来改变惯性矩的方法。

图11A-11B示出了仅使用一对惯性矩调节块的双轴MEMS结构。

图12A-12B示出了使用单个惯性矩调节块的双轴MEMS结构。

图13A-13G描述了本发明MEMS结构的示例性制造方法。

图14示出了一种具有用于静电驱动的梳齿结构的双轴MEMS结构。

图15示意性地描述了一种结合本发明双轴MEMS结构的扫描仪。

具体实施方式

现在回到附图进行详细说明，图1A和1B示出了根据本发明一个实施例的双轴MEMS结构的实施例。MEMS结构的主要元件是框架10、框架扭力杆20，镜板30和镜板扭力杆40。框架10通过框架扭力杆20围绕着框架旋转轴50旋转。类似地，镜板30通过镜板扭力杆40围绕着镜板旋转轴60旋转。

一个或多个块70和一个或多个块80放置在镜板底部以便改变惯性矩，从而改变镜板的谐振频率。需要注意的是在示例实施例中的块放置在镜板和/或框架的后表面上；然而，块可以选择性地放置在镜板和/或框架的前表面上而起到相同作用。接下来说明块对惯性矩的作用。在旋转运动态中，惯性矩所起的作用类似于线性运动态中质量的作用。惯性矩决定角动量和角速度、转矩、以及角加速度之间的关系。这是物体抵抗自身转速变化的一种手段。围绕已知轴旋转的质点质量的惯性矩J定义如下：

J＝mr²                                        (1)

其中m是质量，r是旋转轴的垂直距离。

旋转中物体的谐振频率通过等式(2)来计算：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k}{J}}---\left(2\right)$

其中f是谐振频率，k是有效的旋转刚度。从这个等式可以看出，决定谐振频率的参数是惯性矩，惯性矩包括质量m和距离r。大的惯性矩会降低物体的谐振频率并且产生低谐振频率的器件。然而，从等式(1)可以看出，要得到大的惯性矩的结果不仅取决于质量，而且取决于质量到旋转轴的垂直距离。

因此，本发明无需显著增加质量就可以增加惯性矩。就等式(1)而言，惯性矩J随着m成比例增加，并且也随着r的二次方成比例增加。因此，通过使块的质量中心基本远离旋转轴，略微调整垂直距离r就会使惯性矩J发生显著变化。如图1A和1B所示，与其在XY板上扩大镜板30，不如将块70和80装配在镜板底部(与镜面相反)。保持镜板30面积的一个优点在于使镜板上的阻力(阻尼)保持不变。如果通过增加镜板面积来增加惯性矩不会使阻尼增加，那么就不存在补偿阻尼所需的额外驱动转矩。低的驱动转矩会导致低的功率消耗。无需显著地改变镜板的质量，块就可以有效地调整惯性矩，从而调整结合MEMS结构的扫描镜的谐振频率。

根据本发明的技术，能够通过块70和80的尺寸和位置精确地控制扫描镜的谐振频率。对于具有垂直旋转方向(即，框架旋转轴50和镜面旋转轴60)的双轴扫描镜，镜板30和框架10通常具有不同的谐振频率。假设一个质点质量m接近镜板的旋转轴，其到镜板旋转轴的垂直距离是r_m，但基本上远离框架旋转轴，其到框架旋转轴的垂直距离是r_g，r_g远大于r_m，也就是说：r_g＞＞r_m。因此关于镜面轴和框架轴的惯性矩分别是：

J_m＝mr_m ²                        (3)

J_g＝mr_g ²                        (4)

如果质量m增加为m+Δm，由于r_g＞＞r_m，那么惯性矩的变化ΔJ_g＝Δmr_g ²将会大于ΔJ_m＝Δmr_m ²，如果距离r_g变化为r_g+Δr_g而r_m保持不变，那么J_g会显著增加而J_m保持不变。

如果精确地设计出r_g/r_m的比率，那么能够产生理想比率的J_g/J_m。通过使用这种技术，本发明能够单独调整镜板和框架的谐振频率。

在图1A和1B的示例实施例中，在镜板30下面具有四个块。用于改变关于框架轴50的惯性矩的一对块70位于镜板30的边缘附近并且与镜面旋转轴60对齐。用于改变关于镜面轴60的惯性矩的另一对块80也位于镜板30的边缘附近，但是与框架旋转轴50对齐。对于沿着框架旋转轴50对齐的块对80，如图2A所示，根据等式(3)和(4)，径向(朝着或远离镜面轴60)调整长度和/或位置会有效地调整镜板30的惯性矩，但不会显著地影响框架惯性矩。相反地，对于沿着镜面轴60对齐的块对70，如图2B所示，径向(朝着或远离框架轴50)调整长度和/或位置会有效地调整框架10的惯性矩，但不会显著地影响镜板惯性矩。由于调整惯性矩的主要因素是径向距离而非质量，因此所选择的质量可以相对小。径向中的各个位置能够有效且精确地调整惯性矩。块对70和80中径向距离的比率能够被细微调整从而产生所期望的镜板谐振频率和框架谐振频率。

块对70和80中的每个块能够关于块对会影响到的旋转轴独立地调整尺寸和/或位置。成对的每个块的尺寸不必与该块对的另一个块的尺寸相同，如图2C中的块对70所示。在块对70中，挑选出一个块使其宽度大于另一个块。通过使用独立的尺寸和位置选择的组合，一个特定的组合能够控制镜板30和框架10的谐振频率。此外，尽管所示的块70和80具有平行六面体形状，但是也可以选择其它形状的块，下文描述了其中一些形状；然而，根据系统所期望的谐振频率响应能够任意选择块的形状。

在图3的示例实施例中，块对的长度调整会使块互相合并在一起，形成十字形结构75。双轴结构可以通过形成十字形的块的结构/厚度来调整。另外，十字形结构会提高镜板刚度并且减小镜板在扫描期间的动态变形。

图4描述了另一个示例实施例。在图4所示的结构中，具有四个块72、74、76和78；块位置以其它角度偏离旋转轴旋转。角度的选择取决于块的尺寸、旋转轴的距离以及所期望的谐振频率。图4所描述的结构不再是轴对称，但仍然是中心对称。指导调整方法的等式和上述实施例中的等式相同。

图5示出了另一个示例实施例。单个块对92和94与镜面轴60排列成一条直线。镜板30和框架10之间谐振频率比率的调整能够通过调整块92和94的长宽比来实现。类似于上述实施例，存在三种方法来调整这个比率。如图6A-6C所示，方法之一就是沿径向调整，方法之二是沿垂直于径向调整，方法之三是方法之一和方法之二的组合。应当注意尽管图5和6描述了沿着镜面轴对齐的一对块，这个实施例可以选择性地使用沿着框架轴对齐的一对块。此外，如图8所示，块92和94能够从轴对齐旋转到任何角度。

在图7的实施例中，一对块合并在一起形成单个矩形块100。对块100的长度和宽度的调整独立地使得镜面和框架的谐振频率产生不同的变化。

放置在镜板下面的质量可以使用其它形状。如图9所示，使用环形块110来调整谐振频率。为了调整谐振频率，可以使用各种技术。一种技术是沿径向调整内径，如图10A所示。可选择地，该环形块可以被分成多个部分，如图10B所示的110a和110b，或如图10C和10D所示的110a、110b、110c和110d。当分成多个部分时，每个部分都具有一个弧形横截面。图10C是环形部的轴对称定位而图10D是环形部的中心对称定位。通过调整每个弧的长度，镜面和框架的谐振频率能够被单独调整。环形块的另一个优点在于能够增强镜板的刚度并且减少镜板在扫描期间的动态变形。

可选择地，如图11所示，惯性矩调节块能够放置在框架10下面。图11A描述了块120关于镜面轴60对称排列而图11B描述了块120以中心对称结构排列。也可以通过改变块的长度和宽度来改变谐振频率。

在图12的实施例中，单个不对称定位的块130可以放置在镜板30(图12A)或框架10(图12B)的上面或下面。根据所期望的谐振频率选择块130的尺寸和位置。

本发明的MEMS结构通常通过使用各种已知的硅处理技术由硅制造成。图13A-13G描述了一种示例性方法；这种方法能够制造各种形状和结构的块。

在图13A中，硅晶片200作为该结构的基底；定位记号210形成在硅晶片的背部。在图13B中，块220形成在底部晶片的正面，根据所选择的设计来制造块的形状和高度，从而产生期望的谐振频率。如图13C所示，作为器件晶片的顶部硅晶片300通过氧化硅400利用阳极结合连接到底部晶片。

为了产生所期望MEMS器件的厚度，如图13D所示，通过研磨或化学-机械抛光使顶部硅晶片300变薄。在图13E中，镜面310和框架320的形状通过对准基片200的定位记号210被图案化(patterned)。在图案化后，如图13F所示，移除底部晶片从而仅留下块220。最后，在图13G中，移除氧化硅400(除了使块连接到镜板和框架的氧化硅以外)以释放MEMS结构，允许镜面和框架旋转。

在静电驱动的MEMS结构中，通常采用具有梳齿形的交错电极。在图14中描述了这种结构。在这种结构中，框架10具有两组梳齿形结构，一组与支架梳齿结构相连(interface)而另一组与镜板梳齿结构相连。如图14所示，框架梳齿结构12与支架梳齿结构5相连使得框架10围绕着框架轴50偏转。框架梳齿结构14与镜板梳齿结构32相连使得镜板30围绕着镜板轴60偏转。如图14所示，镜板30位于中心并且由一对扭力杆40支撑，扭力杆40的一端连接到框架10；此外框架10还由另一对垂直的扭力杆20支撑，扭力杆20的一端连接到固定框2。镜面30和框架10在垂直方向上具有梳齿驱动；因此，能够驱动x和y方向上的旋转运动。通常框架接地。当电绝缘时，具有不同电压振幅和频率的信号分别施加给镜面和固定框以驱动该器件。

图15示意性地描述了采用本发明MEMS器件的条形码扫描系统500。在扫描系统500中，诸如激光或LED的光源510发出光线520，光线520穿过聚焦光学器件530并且投射在MEMS器件540上。如上文所讨论的，镜板的动作是扫描将要被扫描的图象(例如条形码550)上的反射光520。反射光560由光采集器570采集，例如读取图象的光电二极管。尽管所示的MEMS器件与光源分离，当本领域技术人员应当理解光源、光采集元件和MEMS器件能够集成在同一个衬底上。此外，尽管所描述的扫描系统是一种条形码阅读器，应当理解扫描系统能够用于各种应用中，包括但不限于，显示器、投影仪、开关、打印机、视网膜显示器、谐振器、和传感器，这些装置可以包括或不包括如上述系统中所描述的光电二极管。

尽管已经说明和描述了本发明的具体实施例，应当理解本发明不局限于这里描述的精确构造，并且各种修改、变化、和变形从上述的描述来看是显而易见的。这类修改、变化、和变形被认为是如下述权利要求所阐明的本发明范围的一部分。

Claims (20)

1.一种双轴微电子机械系统(MEMS)器件包括：

一个可围绕着框架旋转轴旋转的框架；

一对连接在框架和支架之间的框架扭力杆，该框架扭力杆沿着框架旋转轴延伸；

一个可围绕着镜面旋转轴旋转的镜板，该镜面旋转轴基本上垂直于该框架旋转轴；

一对镜板扭力杆，连接在镜板和框架之间并且沿着镜板旋转轴延伸；

一个或多个惯性矩调节块，用于改变框架的惯性矩，一个或多个框架惯性矩调节块的每一个都具有一个质量中心，该质量中心的位置基本上远离在镜板表面上的框架旋转轴；以及

一个或多个惯性矩调节块，用于改变镜板的惯性矩，一个或多个镜板惯性矩调节块的每一个都具有一个质量中心，该质量中心的位置基本上远离在镜板表面上的镜板旋转轴，其中镜板惯性矩调节块到镜板轴的距离决定该双轴MEMS器件的谐振频率。

2.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该框架惯性矩调节块沿镜面轴对齐。

3.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该镜板惯性矩调节块沿框架轴对齐。

4.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该框架惯性矩调节块不沿镜面轴对齐而是中心对称。

5.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该框架惯性矩调节块不沿镜面轴对齐并且是中心不对称。

6.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该镜板惯性矩调节块不沿框架轴对齐而是中心对称。

7.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中该镜板惯性矩调节块不沿框架轴对齐并且是中心不对称。

8.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中镜板和框架包括用于静电驱动的梳齿结构。

9.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中至少一个块具有平行六面体形状。

10.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中至少一个块具有一个弧形横截面。

11.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中至少一个镜面惯性矩调节块和至少一个框架惯性矩调节块共同形成一个十字形结构。

12.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中至少一个镜面惯性矩调节块和至少一个框架惯性矩调节块放置在该镜板的后表面上。

13.如权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中至少一个镜面惯性矩调节块和至少一个框架惯性矩调节块共同形成一个环形结构。

14.一种扫描系统，包括权利要求1所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件。

15.一种双轴微电子机械系统(MEMS)器件包括：

一个可围绕着框架旋转轴旋转的框架；

一对连接在框架和支架之间的框架扭力杆，该框架扭力杆沿着框架旋转轴延伸；

一个可以围绕着镜面旋转轴旋转的镜板，镜面旋转轴基本上垂直于框架旋转轴；

一对镜板扭力杆，连接在镜板和框架之间并且沿着镜板旋转轴延伸；

一个或多个惯性矩调节块，用于改变框架和镜板的惯性矩，一个或多个框架惯性矩调节块的每一个都具有一个质量中心，该质量中心的位置在镜板或框架的至少一个的表面上基本上远离框架旋转轴并且基本上远离镜面旋转轴，其中一个或多个惯性矩调节块到镜板轴和框架轴的距离决定该双轴MEMS器件的谐振频率。

16.根据权利要求15的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中一个或多个惯性矩调节块放置在框架表面上。

17.根据权利要求15的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中一个或多个惯性矩调节块是放置在框架表面上的单个惯性矩调节块。

18.根据权利要求17的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中单个惯性矩调节块放置在框架的后表面上。

19.根据权利要求15的双轴微电子机械系统(MEMS)器件，其中一个或多个惯性矩调节块是放置在镜板表面上的单个惯性矩调节块。

20.一种扫描系统，包括权利要求15所述的双轴微电子机械系统(MEMS)器件。

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