CN110346930A - 一种mems微镜及mems光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS微镜及MEMS光开关，该MEMS微镜包括：驱动镜面结构，驱动镜面结构位于衬底上，包括两个L型结构，两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，L型横板的首端下方衬底上设置有第一驱动电极，且该首端通过第二扭转梁支撑旋转，L型横板的尾端上有第二梳齿状结构；微镜镜面层位于驱动镜面结构的上方，第一扭转梁通过衬底固定且用于支撑微镜镜面层的两侧，微镜镜面层上与第二梳齿状结构相对应的两侧分别有第一梳齿状结构，使得对第一驱动电极施加较小的驱动电压时，第一、第二梳齿状结构的正对面积有较大的改变，产生的静电吸引力作用与第一梳齿状结构，使得微镜镜面层转动。

Description

一种MEMS微镜及MEMS光开关
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，尤其涉及一种MEMS微镜及MEMS光开关。
背景技术
微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统，主要由传感器、动作器(执行器)和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。
常见的MEMS微镜是MEMS产品中的一种，目前MEMS微镜多采用热驱动、电磁驱动、静电驱动等方式，其中，静电驱动的方式中多采用梳齿或平板电极的方式。
但是，静电驱动中，电极间的可动空间较大，在增大可动空间之后，驱动电压也会增大，增加器件的功耗。
因此，如何降低驱动电压，还可以使得MEMS微镜的扭转角增大，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的MEMS微镜及MEMS光开关。
一方面，本发明实施例提供了一种MEMS微镜，包括：衬底、两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层和第一扭转梁；
所述驱动镜面结构位于所述衬底上，所述驱动镜面结构包括两个L型结构，所述两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，所述第二扭转梁设置固定在所述衬底上，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上设置有第一驱动电极，且，所述L型横板的首端通过所述第二扭转梁支撑旋转，所述L型横板的尾端上连接有所述第二梳齿状结构；
所述微镜镜面层位于所述驱动镜面结构的上方，所述第一扭转梁固定在所述衬底上，所述微镜镜面层的两侧通过所述第一扭转梁支撑，所述微镜镜面层上与所述第二梳齿状结构相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构；
在通过所述第一驱动电极施加驱动电压时，所述第一驱动电极对所述L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得所述第二扭转梁产生扭矩，所述第二梳齿状结构随所述第二扭转梁转动时插入所述第一梳齿状结构，且所述第二梳齿状结构与所述第一梳齿状结构之间的正对面积发生改变，产生对所述第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动所述微镜镜面层转动。
优选地，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上还设置有第一检测电极，所述第一检测电极用于在所述第一驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足所述第一预设转动角度时，控制增大或减小所述第一驱动电极的驱动电压。
优选地，所述第二梳齿状结构所在位置处的衬底上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
所述第二驱动电极用于对所述第二梳齿状结构产生驱动向下的力，所述第二梳齿状结构受力向下转动时，所述第一梳齿状结构随所述第二梳齿状结构向下转动而转动；
所述第二检测电极用于在所述第二驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足所述第二预设转动角度时，控制增大或减小所述第二驱动电极的驱动电压。
优选地，所述第一扭转梁与所述微镜镜面层之间铰接，所述第二扭转梁与所述L型横板之间铰接。
优选地，所述微镜镜面层上设置有镜面，所述镜面随所述微镜镜面层的转动而转动。
另一方面，本发明实施例还提供了一种MEMS光开关，包括：衬底、位于所述衬底上呈矩阵排布的N个MEMS微镜；
所述每个MEMS微镜均包括：两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层和第一扭转梁；
所述驱动镜面结构位于所述衬底上，所述驱动镜面结构包括两个L型结构，所述两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，所述第二扭转梁设置固定在所述衬底上，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上设置有第一驱动电极，且，所述L型横板的首端通过所述第二扭转梁支撑旋转，所述L型横板的尾端上连接有所述第二梳齿状结构；
所述微镜镜面层位于所述驱动镜面结构的上方，所述第一扭转梁固定在所述衬底上，所述微镜镜面层的两侧通过所述第一扭转梁支撑，所述微镜镜面层上与所述第二梳齿状结构相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构；
在通过所述第一驱动电极施加驱动电压时，所述第一驱动电极对所述L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得所述第二扭转梁产生扭矩，所述第二梳齿状结构随所述第二扭转梁转动时插入所述第一梳齿状结构，且所述第二梳齿状结构与所述第一梳齿状结构之间的正对面积发生改变，产生对所述第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动所述微镜镜面层转动。
优选地，所述L型横板的首端相对的所述衬底上还设置有第一检测电极，所述检测电极用于在所述第一驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足所述第一预设转动角度时，控制增大或减小所述第一驱动电极的驱动电压。
优选地，所述第二梳齿状结构所在位置处的衬底上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
所述第二驱动电极用于对所述第二梳齿状结构产生驱动向下的力，所述第二梳齿状结构受力向下转动时，所述第一梳齿状结构随所述第二梳齿状结构向下转动而转动；
所述第二检测电极用于在所述第二驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足所述第二预设转动角度时，控制增大或减小所述第二驱动电极的驱动电压。
优选地，所述第一扭转梁与所述微镜镜面层之间铰接，所述第二扭转梁与所述L型横板之间铰接。
优选地，所述微镜镜面层上设置有镜面，所述镜面随所述微镜镜面层的转动而转动。
本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明提供的一种MEMS微镜，在衬底上设置有驱动镜面结构，该驱动镜面结构包括两个L型结构，两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板、第二梳齿状结构，在L型横板的首端的位置通过衬底上的第二扭转梁支撑，L型横板的尾端上连接有第二梳齿状结构，该驱动镜面结构上方有微镜镜面层，该微镜镜面层的两侧通过衬底上的第一扭转梁支撑，该微镜镜面层的另外两侧形成第一梳齿状结构，在对每个L型横板的首端正对的衬底上的第一驱动电极施加驱动电压时，使得第一驱动电极对该L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得L型横板的首端围绕该第二扭转梁转动，该L型横板尾端的第二梳齿状结构插入该第一梳齿状结构，且两个梳齿状结构正对面积发生改变，产生对该第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动该微镜镜面层转动，由于采用的驱动镜面结构是两个L型结构的首尾相对排布，其中，L型结构的第二扭转梁位置是偏置的，相当于杠杆原理，进而对L型横板的首端正对下方的第一驱动电极施加较小的驱动电压，使得L型横板尾端的第二梳齿状结构产生较大位移，同时，第一梳齿状结构与第二梳齿状结构的正对面积发生较大改变，从而使得第二梳齿状结构对第一梳齿状结构产生较大的静电吸引力，驱动第一梳齿状结构所在的微镜镜面层转动。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考图形表示相同的部件。在附图中：
图1示出了本发明实施例中的MEMS微镜的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中的MEMS微镜中的驱动镜面结构的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中的MEMS光开关的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例一
本发明实施例一提供了一种MEMS微镜，如图1、图2所示，包括：衬底10、两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层30、第一扭转梁301；
该驱动镜面结构位于该衬底10上，驱动镜面结构包括两个L型结构，两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁201、L型横板202和第二梳齿状结构203，第二扭转梁201设置固定在该衬底10上，L型横板202的首端所在位置处的衬底10上设置有第一驱动电极，且，L型横板202的首端通过第二扭转梁201支撑旋转，L型横板202的尾端上连接第二梳齿状结构203；其中，该L型结构的第二扭转梁201在L型横板202上是偏置的，具体地，该第二扭转梁201靠近L型横板202的首端，因此，L型横板202的两端分别距离该第二扭转梁201的力臂不相同，可以产生杠杆效应，在较短力臂端施加较小的力，即施加较小的驱动电压便可产生较小的力，在长力臂端就会产生较大的位移。
微镜镜面层30位于该驱动镜面结构的上方，第一扭转梁301固定在衬底上，微镜镜面层30的两侧通过第一扭转梁301支撑，微镜镜面层30上与第二梳齿状结构203相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构302。
在通过该第一驱动电极施加驱动电压时，第一驱动电极对L型横板202的首端产生驱动向下的力，从而使得第二扭转梁201产生扭矩，第二梳齿状结构203随第二扭转梁转动时插入第一梳齿状结构302，且第二梳齿状结构203与第一梳齿状结构302之间的正对面积发生改变，产生对第一梳齿状结构302向下的静电吸引力，从而驱动微镜镜面层30转动。在上述长力臂端产生较大的位移之后，长力臂端的第二梳齿状结构203与微镜镜面层30的第一梳齿状结构302之间的距离逐渐缩小，即缝隙也逐渐变小，使得第二梳齿状结构203与第一梳齿状结构302之间的静电吸引力驱动驱动微镜镜面层30向下转动。
在本发明实施例中，该L型横板202等效为杠杆的两端，为了保持力矩平衡，那么其中的L型横板202的首端(第一驱动电极端)，力比较大，力臂比较小；另一端，力比较小，力臂比较大。
采用该L型横板的作用：在L型横板202的首端用相对较小的驱动电压，产生较大的驱动力(因为间隙小)，导致L型横板202的尾端产生较大的位移。
现有的做法：为了保证微镜镜面有较大的扭转角度，会增加平板电极间间隙，以保证微镜镜面有足够大的运动空间，这样会导致所需的驱动电压大大增加。
由于通过第一驱动电极施加驱动电压，该L型横板202首端受到第一驱动电极的驱动力的作用使得L型横板202的尾端随着该第二扭转梁201转动而向上移动，进而使得第一梳齿状结构302与第二梳齿状结构203正对面积发生改变，使得第一梳齿状结构302与第二梳齿状结构203之间产生静电吸引力，静电吸引力力作用于该该第一梳齿状结构302，且该静电吸引力的方向为垂直于该第一梳齿状结构302所在的微镜镜面层30，使得该微镜镜面层30绕该第一扭转梁301发生转动。该微镜镜面层30上设置有镜面303，该镜面303随微镜镜面层30的转动而转动。
在未对第一驱动电极施加驱动电压时，该L型结构的第二梳齿状结构203由于在重力作用下倾斜向下，该L型结构的首端向上翘起。
在对该第一驱动电极施加驱动电压后，L型结构的首端受到向下的作用力，进而使得该第二梳齿状结构203向上移动。
在该L型横板202的首端所在位置处的衬底10上还设置有第一检测电极，该第一检测电极用于在第一驱动电极施加驱动电压后，判断该L型横板202的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足该第一预设转动角度时，控制增大或减小该第一驱动电极的驱动电压。
在较优的实施方式中，该第二梳齿状结构203所在位置处的衬底10上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
该第二驱动电极用于对第二梳齿状结构203产生驱动向下的力，第二梳齿状结构受力向下转动时，第一梳齿状结构302随第二梳齿状结构203向下转动而转动；
该第二检测电极用于在第二驱动电极施加电压后，判断该L型横板202的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足该第二预设角度时，控制增大或减小该第二驱动电极的驱动电压。
因此，在本发明实施例中，不仅可以通过对L型横板202首端施加驱动力，而且可以对L型横板202尾端的第二梳齿状结构203施加驱动力。通过对L型横板202两端均施加驱动力，从而对该L型结构的转动进行双向控制。
在施加驱动力的同时，通过第一检测电极和第二检测电极分别对驱动电压进行检测调节，进而实现对L型横板202的转动角度的控制，最终实现精确控制微镜镜面层30的转动角度。
由于在第一扭转梁301与微镜镜面层30之间铰接，第二扭转梁201与L型横板202之间铰接。实现L型横板的转动和微镜镜面层的转动。
该微镜镜面层30上设置有镜面，该镜面随微镜镜面层30的转动而转动。
该MEMS微镜可应用于图像扫描中。
实施例二
基于相同的发明构思，本发明实施例提供了一种MEMS光开关，如图3所示，包括：
衬底401、位于所述衬底401上呈矩阵排布的N个MEMS微镜402；
所述每个MEMS微镜402均包括：两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层和第一扭转梁；
所述驱动镜面结构位于所述衬底上，所述驱动镜面结构包括两个L型结构，所述两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，所述第二扭转梁设置固定在所述衬底上，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上设置有第一驱动电极，且，所述L型横板的首端通过所述第二扭转梁支撑旋转，所述L型横板的尾端上连接有第二梳齿状结构；
所述微镜镜面层位于所述驱动镜面结构的上方，所述第一扭转梁固定在所述衬底上，所述微镜镜面层的两侧通过所述第一扭转梁支撑，所述微镜镜面层上与所述第二梳齿状结构相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构；
在通过第一驱动电极施加驱动电压时，所述第一驱动电极对所述L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得所述第二扭转梁产生扭矩，所述第二梳齿状结构随第二扭转梁转动时插入所述第一梳齿状结构，且所述第二梳齿状结构与所述第一梳齿状结构之间的正对面积发生改变，产生对所述第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动所述微镜镜面层转动。
进一步地，在未对第一驱动电极施加驱动电压时，该L型结构的第二梳齿状结构203由于在重力作用下倾斜向下，该L型结构的首端向上翘起。
在对该第一驱动电极施加驱动电压后，L型结构的首端受到向下的作用力，进而使得该第二梳齿状结构向上移动。
进一步地，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上还设置有第一检测电极，所述检测电极用于在所述第一驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足所述第一预设转动角度时，控制增大或减小所述第一驱动电极的驱动电压。
进一步地，所述第二梳齿状结构所在位置处的衬底上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
所述第二驱动电极用于对所述第二梳齿状结构产生驱动向下的力，所述第二梳齿状结构受力向下转动时，所述第一梳齿状结构随所述第二梳齿状结构向下转动而转动；
所述第二检测电极用于在所述第二驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足所述第二预设转动角度时，控制增大或减小所述第二驱动电极的驱动电压。
进一步地，所述第一扭转梁与所述微镜镜面层之间铰接，所述第二扭转梁与所述L型横板之间铰接。
进一步地，所述微镜镜面层上设置有镜面，所述镜面随所述微镜镜面层的转动而转动。
该MEMS光开关应用于光纤通信的光器件中。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种MEMS微镜，其特征在于，包括：衬底、两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层和第一扭转梁；
所述驱动镜面结构位于所述衬底上，所述驱动镜面结构包括两个L型结构，所述两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，所述第二扭转梁设置固定在所述衬底上，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上设置有第一驱动电极，且，所述L型横板的首端通过所述第二扭转梁支撑旋转，所述L型横板的尾端上连接有所述第二梳齿状结构；
所述微镜镜面层位于所述驱动镜面结构的上方，所述第一扭转梁固定在所述衬底上，所述微镜镜面层的两侧通过所述第一扭转梁支撑，所述微镜镜面层上与所述第二梳齿状结构相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构；
在通过所述第一驱动电极施加驱动电压时，所述第一驱动电极对所述L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得所述第二扭转梁产生扭矩，所述第二梳齿状结构随所述第二扭转梁转动时插入所述第一梳齿状结构，且所述第二梳齿状结构与所述第一梳齿状结构之间的正对面积发生改变，产生对所述第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动所述微镜镜面层转动。
2.如权利要求1所述的MEMS微镜，其特征在于，所述L型横板的首端相对的所述衬底上还设置有第一检测电极，所述第一检测电极用于在所述第一驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足所述第一预设转动角度时，控制增大或减小所述第一驱动电极的驱动电压。
3.如权利要求1或2所述的MEMS微镜，其特征在于，所述第二梳齿状结构相对的所述衬底上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
所述第二驱动电极用于对所述第二梳齿状结构产生驱动向下的力，所述第二梳齿状结构受力向下转动时，所述第一梳齿状结构随所述第二梳齿状结构向下转动而转动；
所述第二检测电极用于在所述第二驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足所述第二预设转动角度时，控制增大或减小所述第二驱动电极的驱动电压。
4.如权利要求1所述的MEMS微镜，其特征在于，所述第一扭转梁与所述微镜镜面层之间铰接，所述第二扭转梁与所述L型横板之间铰接。
5.如权利要求1所述的MEMS微镜，其特征在于，所述微镜镜面层上设置有镜面，所述镜面随所述微镜镜面层的转动而转动。
6.一种MEMS光开关，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底上呈矩阵排布的N个MEMS微镜；
所述每个MEMS微镜均包括：两个第一驱动电极、驱动镜面结构、微镜镜面层和第一扭转梁；
所述驱动镜面结构位于所述衬底上，所述驱动镜面结构包括两个L型结构，所述两个L型结构的首尾相对排布，每个L型结构包括第二扭转梁、L型横板和第二梳齿状结构，所述第二扭转梁设置固定在所述衬底上，所述L型横板的首端所在位置处的所述衬底上设置有第一驱动电极，且，所述L型横板的首端通过所述第二扭转梁支撑旋转，所述L型横板的尾端上连接有所述第二梳齿状结构；
所述微镜镜面层位于所述驱动镜面结构的上方，所述第一扭转梁固定在所述衬底上，所述微镜镜面层的两侧通过所述第一扭转梁支撑，所述微镜镜面层上与所述第二梳齿状结构相对应的两侧分别形成有第一梳齿状结构；
在通过所述第一驱动电极施加驱动电压时，所述第一驱动电极对所述L型横板的首端产生驱动向下的力，从而使得所述第二扭转梁产生扭矩，所述第二梳齿状结构随所述第二扭转梁转动时插入所述第一梳齿状结构，且所述第二梳齿状结构与所述第一梳齿状结构之间的正对面积发生改变，产生对所述第一梳齿状结构向下的静电吸引力，从而驱动所述微镜镜面层转动。
7.如权利要求6所述的MEMS光开关，其特征在于，所述L型横板的首端相对的所述衬底上还设置有第一检测电极，所述检测电极用于在所述第一驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第一转动角度是否满足第一预设转动角度，在不满足所述第一预设转动角度时，控制增大或减小所述第一驱动电极的驱动电压。
8.如权利要求6所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第二梳齿状结构相对的所述衬底上设置有第二驱动电极和第二检测电极；
所述第二驱动电极用于对所述第二梳齿状结构产生驱动向下的力，所述第二梳齿状结构受力向下转动时，所述第一梳齿状结构随所述第二梳齿状结构向下转动而转动；
所述第二检测电极用于在所述第二驱动电极施加驱动电压后，判断所述L型横板的第二转动角度是否满足第二预设转动角度，在不满足所述第二预设转动角度时，控制增大或减小所述第二驱动电极的驱动电压。
9.如权利要求6所述的MEMS光开关，其特征在于，所述第一扭转梁与所述微镜镜面层之间铰接，所述第二扭转梁与所述L型横板之间铰接。
10.如权利要求6所述的MEMS光开关，其特征在于，所述微镜镜面层上设置有镜面，所述镜面随所述微镜镜面层的转动而转动。
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