CN1643429A

CN1643429A - 用于带有万向架的mems镜子铰合件的折叠式纵向扭转铰合件

Info

Publication number: CN1643429A
Application number: CNA038062259A
Authority: CN
Inventors: 布赖恩P·斯泰克; 威廉C·班亚伊
Original assignee: Glimmerglass Networks Inc
Current assignee: Glimmerglass Networks Inc
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2023-02-18
Also published as: AU2003213165A1; EP1476780B1; WO2003071331A1; JP2010198029A; CA2476802A1; CA2476802C; ATE421109T1; EP1476780A4; JP5330309B2; US6935759B1; EP1476780A1; JP2005517990A; JP4537071B2; DE60325829D1; CN100335934C

Abstract

一种圆形镜子(12)，其对向部分利用复合式纵向铰合件(40)和(42)按照与中心轴位置(36)和(37)偏移的方式连接到万向架(44)。

Description

用于带有万向架的MEMS镜子铰合件的折叠式纵向扭转铰合件

相关申请的交叉引用

不适用

关于本发明是否属于获得联邦资助的研究或开发项目的声明

不适用

涉及以光盘形式提交的“序列表”、表、或计算机程序列表附录

不适用

发明背景

本发明涉及采用平行板静电驱动的双轴微镜子(如MEMS(微电子机械系统)阵列)及其所用的铰合件(hinge)。

经微机械加工的双轴微镜子在通信领域中用作诸如光开关、衰减器以及调制器的光学元件。这些微镜子通常地包括由单晶硅或多晶硅制成的圆形的或正方形的平面反射面。这些微镜子通过挠性结构或两个装有万向架的结构而接合到一个周边支承区域，藉此万向悬架环通过一对铰接元件沿着一条将支承环二等分的轴线而与支承结构相连，而万向悬架环通过一对第二铰接元件沿着一条将支承环二等分的、与第一条轴线相互交叉(优选为相互垂直)的第二轴线而与位于万向悬架环之内的微镜子相连。使用挠性元件和/或铰接元件的目的在于，它使微镜子能够自由地进行双轴移动。

对微机械加工的镜子阵列的静电驱动方法通常分为两类；即，那些涉及到平行板静电驱动的方法和那些涉及到梳形驱动静电驱动的方法。在梳形驱动情况下，梳形驱动结构驱动器在互相交叉的梳齿之间形成力，所述互相交叉梳齿位于微镜子元件周边的外侧且远离微镜子元件。驱动器通过典型地彼此相互接触的联接元件与微镜子连接。这种技术的优点在于，所述静电力与微镜子的设计是分离的，因此可以想象得到这将使得只需较小电压就可产生设定大小的力。其缺点在于，难于设计出空间结构紧凑的双轴镜子，难于加工制造，难于相互连接，且潜在问题是可能产生与相邻元件和区域的不希望有的接触，这对于MEMS装置而言是涉及到可靠性的严重问题。

在静电平行板驱动的情况下，力产生于镜子和一个或多个嵌在衬底中的电极之间。施加到镜子上的静电力纯粹是吸引力。因为没有对镜子作用的排斥力，所以同一吸引力除了使镜子转动(这是所希望的)之外，还会改变镜子的垂直下垂(sag)分量(这不是所希望的)。微机械加工的静电镜子采用平行板驱动的优点在于，其设计简便、制造简便、并且易于实现紧凑连接，即，能够以有效的填充因数(fill factor)来配置这些镜子。一般地，这些设计都还是非接触式的，驱动元件并不直接连接镜子。但其缺点在于，施加到镜子上的静电力和镜子的设计会相互影响。这将对谐振频率产生限制(且因此限制开关次数)，对最大倾角产生限制，或者要求设计电压更高。

微机械加工的镜子可通过分立的挠曲元件或者通过铰合件元件与环绕镜子设置的万向架的组合而与周边支承结构相连。挠曲元件可替代万向架结构。设计不必限定挠曲元件的数目，因为镜子转动是由整体挠曲顺从性所决定的。

采用没有万向架的挠曲支承结构的一个例子是由目前与加利福尼亚州圣迭哥的光学微机械公司(Optical Micro-Machines，Inc.)(OMM)公司协作的Li Fan博士构建的。在这个结构中，四个单跨梁(single-beam)挠曲元件在方形镜子的四角连接到周边支承区域，并且沿镜子的相邻边延伸。这些挠曲元件以片簧的方式工作。这个结构的主要缺陷是，达成使镜子转动目的的同一类型的挠曲梁弯曲动作还会导致镜子的下垂问题。由于静电力只是吸引的，所以当镜子转动时，其将承受下垂作用，从而减小了给定设计的可能的总转动量。

另一种类型的微机械加工的双轴镜子采用万向架。在这类结构中，微机械加工的镜子通过与环绕镜子的万向架结合使用的铰合件元件以连接周边支承区域。每个转动轴都由两个相对的铰合件结构连接到万向架，总共使用四个转动铰合件结构。

将万向架和四个转动铰合件结构结合使用的一个例子已经由朗讯科技公司(Lucent Technologies)和阿吉瑞系统光电护卫公司(Agere systemsOptoelectronics Guardian Corp.)开发出来，并且记述在于2001年7月24授权的美国专利US6,265,239B1中。在这个例子中，每个自由度采用两个铰合件元件，它们连接在镜子和万向架之间，并且具有在横向上折曲多次的铰合件结构。该横向折曲被排列成使得铰合件元件的长轴是横向的，或者说是垂直于转动轴的。转动是通过各个铰合件元件沿小抛物线的段纵向产生弯曲而实现的。就像在挠曲支承结构中一样，这种设计的严重缺点是提供转动的同一个挠曲梁运动还会产生下垂以及横向平移分量。由于采用横向折曲铰合件的这类设计存在该缺点，所以对于一些设计空间而言，该运动造成的后果可能非常严重。其要么可能限制镜子的最大转角，要么可能产生非所期望的活塞模式的振荡，而活塞模式的振荡会干扰影响振荡的基本扭振模式。

第6,044,705号美国专利描述了一种扭杆设计，其主要适用于较大镜子阵列。但是，它没有考虑或提出在紧凑结构中要发生的问题，在紧凑结构中，铰合件结构和镜子的尺寸都受与静电驱动力相关的力以及因素的影响。

关于带有双万向架的微机械加工的镜子的其它专利包括5,488,862、5,648,618、5,895,866、6,122,394、6,060,479、6,044,705、5,969,465、5,629,790、5,841,533、5,016,072、4,317,511以及4,598,585。这些专利都被列出来是出于完整性的考虑，这些专利并不一定就是直接相关的现有技术。

难于确定适当的组合以及可优化与折衷因素的价值，以便制作出尺寸大小适当的镜子阵列并确保镜子的尺寸大小适当。因此问题就在于确定优化所有相关考虑事项的设计空间。待考虑的因素包括一次扭转弹簧常数、二次扭转弹簧常数、垂向与横向线性弹簧常数(考虑到冲击情况)、铰合件紧密度、工艺性以及与加工相关的公差等。

为了说明确信作为现有技术只是达不到全部预期标准的铰合件结构，参见图9、10和11。在图9中，所示扭转铰合件结构采用横向的蛇形结构。该横向铰合件结构具有多个蛇形铰合件元件90-93，它们通过刚性拉条(brace)99、101-106连接到一起。但是，这些铰合件元件的走向都垂直于转动轴114。这在设计中产生了若干重要结果。第一，整个转动仅仅是通过抛物线梁沿着整个梁长度而弯曲来实现的。由图10可以理解这一点。连接点112是固定的，而外加扭矩施加作用在连接点110。如图11所示，当元件90-93弯曲形成反向相对的抛物线段时，就实现了转动，图11是图10的将转动夸大了的侧视图。这种结构的有效扭转弹簧常数如下式所示：

k_{θ} = \frac{Ew t^{3}}{6 NL (1 - v^{2})}

其中，

k_p是有效横向扭转弹簧常数，

w是铰合件宽度，

L是铰合件长度，

N是铰合件元件数目，而

E是杨氏模量。

重要的考虑事项是，同一运动既导致下垂，又导致转动，即，梁沿各个铰合件元件的长度方向弯曲。这一点引起的结果对于装置性能而言非常重要，因为引致足够转动的静电力还会引致严重的下垂问题。

因此，需要有一种具可制造性的挠曲元件，它用作微型可操纵镜子的铰合件，并允许产生顺从的扭转而同时限制产生净垂向位移和水平位移。

发明内容

根据本发明，在优化用于平行板静电驱动的带有万向架的微机械加工的微镜子阵列中，提供了纵向型万向架铰合件元件，其中多个纵向扭转铰合件元件排列成平行于转动轴的阵列，且其通过刚性横向拉条部分连接到一起。在主要实施方案中，铰合件元件配置为双万向架结构型式。铰合件元件的具体实施方案是单一纵向铰合件元件、复合纵向铰合件元件、堆叠式单一纵向铰合件元件、以及堆叠式复合纵向铰合件元件，下文将详加解说。纵向铰合件可用于各种类型的镜子，包括圆形的镜子或者直线型镜子，有凹进的镜子或无凹进的镜子，铰合件连接形式为彼此相对对称或非对称结构形式，下文将通过一些实施例加以说明。根据本发明所述适合于阵列结构的镜子结构的优选实施方案是非堆叠的复合纵向铰合件，其对称连接到圆形的非凹进的静电驱动的平行板镜子，镜子在基本上圆形的环中，该圆形的环实质上相同的方式被铰接，从而形成了双万向架结构，所述双万向架结构的直径尺寸典型地约为1mm。可以将镜子结构直径从约5mm缩小到0.2mm而保持所期望特性不变。

本发明提供了一种具备可制造性的挠曲元件，其可用作微型可操纵镜子的铰合件，从而允许产生顺从的扭转并同时限制净垂直位移和水平位移。

通过下面地详细说明并参照附图，将更加容易理解本发明。

附图简要说明

图1是带有双万向架的镜子阵列的立体图。

图2是根据本发明的具有复合铰合件的带有双万向架的圆形镜子的具体实施方案的俯视图。

图3是根据本发明的用于镜子的单一纵向铰合件的细节立体图。

图4是根据本发明的用于镜子的扭转的单一纵向铰合件的细节立体图。

图5是横向扩展的单一纵向铰合件的立体图。

图6是垂直线性平移的单一纵向铰合件的立体图。

图7是垂直线性平移的单一纵向铰合件的侧视图。

图8是垂直移位的立体S-弯曲形的单一纵向铰合件的立体图。

图9是一种确信为本领域所公知的横向蛇形铰合件的立体图。

图10是一种确信为本领域所公知的横向蛇形铰合件的立体图。

图11是扭转被夸大了的扭转横向铰合件的侧视图。

图12说明了扭转弹簧常数相对于厚度的变化。

图13是具有周边支承区域和万向架的单一纵向铰合件的俯视图。

图14是适于堆叠的单一纵向铰合件的立体图。

图15是单一纵向铰合件二重堆叠的立体图。

图16是单一纵向铰合件三重堆叠的立体图。

图17是根据本发明所述的具有周边支承区域和万向架的复合纵向铰合件的立体图。

图18是复合纵向铰合件三重堆叠的俯视图。

图19是具有单一纵向铰合件的凹进式的带有双万向架的圆形镜子的俯视图。

图20是具有单一纵向铰合件的凹进式的带有双万向架的直线构形的微镜子的俯视图。

图21是具有单一纵向铰合件的局部凹进式的带有双万向架的圆形镜子的俯视图。

图22是具有单一纵向铰合件的非凹进式圆形镜子的俯视图。

图23是具有单一纵向铰合件的采用不对称连接方式的圆形镜子的俯视图。

图24是具有复合纵向铰合件的采用不对称连接方式的圆形镜子。

具体实施方案的描述

参见图1，其中显示了根据本发明的带有双万向架的微镜子阵列的截面图。在衬底30上配置有平行板静电驱动电极20、22、24和26，衬底30可以是绝缘的或者是局部可导电的。衬底可以是硅衬底、玻璃衬底或者陶瓷衬底。在这个衬底之上接合或粘附有直立的隔离层32，空腔34形成在隔离层32中。隔离层32的高度通常介于50微米与500微米之间。在层32之上淀积或生长有薄的抗蚀层36。抗蚀层36形成在直立的隔离层32与器件结构层37之间。层36的厚度通常小于一个微米。接下来是器件结构层37，其上形成有镜子12和14、铰合件40、42、46和48，以及万向架44。器件结构层37的厚度通常介于2微米与10微米之间。根据该方法，可以利用多重积淀以形成镜子的厚度，从而使铰合件厚度与微镜子厚度分离。

为了简化处理，由单晶硅制成器件结构层，从而铰合件元件厚度与镜子的厚度相等。铰合件40、42、46和48都是称作纵向铰合件的特定类型的扭转铰合件。为了后面探讨方便起见，假定这些器件都在沿二等分微镜子中心的纵轴方向上具有转动顺从性，而在所有方向上都不具有横向顺从性。在这种情况下，适宜设计必须满足可接受扭转弹簧常数的要求，以及给出厚度约束的微镜子平直度的要求。

图2是带有双万向架的镜子结构的优选实施方案100的俯视图。在该图中，圆形镜子12与万向架44的连接是通过复合纵向铰合件40和42来实现的，复合纵向铰合件40和42处于偏离中心轴线的相对位置36和37。采用复合纵向铰合件，这意味着铰合件具有自身折叠的间隙(interstitial)结构。基底54与万向架44的连接也是通过复合纵向铰合件46、48实现的，复合纵向铰合件46、48处于相对位置38和39，但是在这个实施例中，万向架44的铰合件连接点实质上是居中的，只是对基底54的铰合件连接点偏离了中心。复合铰合件的对称轴线中心与镜子的对称轴线一致。万向架44除了接近复合纵向铰合件40和42的部分(万向架根据需要在此处环绕着铰合件)之外大致呈圆形。复合铰合件46和48在沿着镜子另一条对称轴线的位置50和52处连接万向架。最终，在周边区域54和外侧复合铰合件46和48之间建立连接。

这种结构与现有技术相比具有若干优点。优点之一就是设计采用了扭转铰合件元件40、42、46和48。这些元件被设计用来获取保持在指定容限范围内的特定扭转弹簧常数，该容限范围与让单个结构的硅的厚度介于2微米和20微米之间的硅抛光相一致。这些结构沿单个纵向转动轴是顺从的，但是在所有三个横向坐标上都是非顺从的，这恰是为用于静电驱动的平行板双轴微镜子设计的扭转铰合件设计所需要的。这些元件的作用还在于节省空间，这恰是为高端计数光开关系统所需要的。

图3显示了蛇形纵向铰合件的最简单的可行实施例。这种铰合件结构由多个扭转铰合件元件60-66组成，多个扭转铰合件元件60-66以与转动轴线平行的阵列形式排列。这些铰合件元件通过刚性横向拉条70-75以蛇形样式连接到一起。自周边支承区域至万向架的连接点或者自万向架至镜子的连接点(图2中的区域54、44以及12)都连接在位置80和82处。典型铰合件元件的结构配置是，厚度与宽度的高宽比大于或等于一，而长度充分大于宽度或高度。N个铰合件元件作为一个整体看待的扭转弹簧常数可从如下的教科书中的表达公式获得(对于t＞w有效)：

k_{θ} = \frac{E w^{3} t}{2 NL (1 + v)} [\frac{1}{3} - 0.21 \frac{w}{t} (1 - \frac{w^{4}}{12 t^{4}})]

其中，

k_θ是纵向扭转弹簧常数，而

v是泊松比。

图4显示了带有悬臂杆152、150的图3所示纵向蛇形铰合件，该铰合件已经扭转了一个总角度81。各横档元件60等都扭转N分之一的总角度，其中N是横档数目。由于蛇形铰合件的延伸特性，所以外侧的元件60在垂直方向上偏转很小的一段距离。

出于健壮性的考虑，设计出的镜子必须能够承受几百个重力加速度，其中单个重力指的是一个地球重力。例如，横向施加的冲击力将使镜子沿着可导致铰合件沿横向轴线压缩或扩展的方向偏转。因此，铰合件元件的一个重要设计因素是，横向和垂直方向的平移顺从性。图5显示了一种处于扩展状态的蛇形纵向铰合件。连接元件60固定不动，而分离力83朝着背离元件60的方向横向施加在元件66上。元件61-65偏转，导致产生净位移。横向弹簧常数定义为施加力和净位移之比。横向弹簧常数计算公式为：

若给定横向弹簧常数，则计算作为冲击力的函数的非所期望的横向偏转就直截了当了。给定冲击负荷N_g，其中N_g是所施加的重力数，g是重力加速度，而镜子的质量为m，假定为准稳态力，则微镜子将偏转的横向距离为：

对作为冲击力函数的垂直位移的计算，情况较为复杂。在这种情况下，由于蛇形铰合件的延展特性以及运动不局限于一个平面内的因素，所以存在两种基本类型的下垂运动。第一种下垂运动类型如图6所示。其被配置成厚度与宽度的厚宽比(aspect ratio)大于或等于一，而长度充分大于宽度或高度。连接元件84固定不动。但是施加以垂直向下的力86而非横向力。垂直弹簧常数k_v1计算公式为：

k_{vl} = \frac{Ew t^{3}}{N L^{3}}

图7是图6的截面图。在这个实施例中，每个横档元件都偏移相等的距离。

第二种垂直下垂运动类型由元件的转动和横向延展合成而成。图8是这种下垂分量的立体图。下列公式给出了这种分量的有效垂直平移弹簧常数：

k_{v 2} = \frac{12 E w^{3} t}{N^{3} L (1 + v) {(w + d)}^{2}} [\frac{1}{3} - 0.21 \frac{w}{t} (1 - \frac{w^{4}}{12 t^{4}})]

其中d是横档之间的距离。

组合上面列出的两个公式，得到垂直下垂分量的总公式：

k_{v} = {[\frac{1}{k_{v 1}} + \frac{1}{k_{v 2}}]}^{- 1}

特别是在光开关系统中，以及在可使用带有双万向架的镜子的任意其它系统中，两种基本扭振模式的谐振频率对于装置性能非常重要。圆形镜子的内万向架扭振模式的谐振频率给出如下：

f_{Res} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{2 k_{v}}{I}}

其中

I = \frac{π R^{4} tρ}{4}

且

f_Res是基本扭振模式的谐振频率，

I是基本扭振模式的转动惯量，

R是镜子的半径，而

ρ是镜子的密度。

下垂量对微镜子设计非常重要。低损耗光学设计需要的镜子的直径范围是从500微米到1毫米以上。较大的镜子具有较低的谐振频率，谐振频率较低导致开关次数较长。一个新出现的问题是扭振模式和其它非所期望模式的模式混合。具体讲，一种非所期望的模式是基本活塞模式。这种模式是由装置垂直方向振荡导致的。这种模式的谐振频率可以表示为下列公式：

其中

f_活塞是活塞模式的谐振频率，

Δz_sag是由重力引致的镜子的下垂，

g是重力加速度。

通过这个分析可以明白，只要实现小的下垂值就可将基本扭振模式和活塞模式分开。下垂导致的另一个结果是，它使给定设计的倾斜角减小。关于这一点稍后将做详细讲解。

纵向蛇形铰合件结构和横向蛇形铰合件结构相比，它们的有效扭转弹簧常数的显著不同之处在于，纵向蛇形铰合件结构的扭转弹簧常数是宽度的三次方，但与厚度呈线性关系，如图12所示。在该图中分别表示出了横向铰合件设计结构和纵向铰合件设计结构两种情况下的扭转弹簧常数与铰合件厚度的关系曲线图。横向铰合件结构的有效扭转弹簧常数与宽度呈线性关系，但却是厚度的三次方。横向铰合件结构的扭转弹簧常数是厚度的三次方，其主要后果有二。第一，扭转弹簧常数达到实用值就需要铰合件厚度更薄一些，即，厚度约为1微米至4微米。有效的光开关设计需要具有大曲率半径的充分平的镜子。通常这就要求镜子厚度至少为5微米，且厚度更通常地为10微米。这就致使在制造过程中让铰合件厚度与镜子厚度分离，让铰合件厚度与镜子厚度分离对于多晶硅加工不是问题，但对于块硅加工却是难题。第二，由于扭转弹簧常数呈现为厚度的三次方，所以要求严格控制这个参数。利用淀积技术很容易实现对这个参数的控制，但是这种实现方法典型地会导致局部的应力梯度，从而损害镜子的平面性。单晶硅结构典型呈现为互搭重叠(lapped)的，因此很难进行厚度控制，从而致使在光开关应用中损耗很严重。由于这个原因，要求铰合件设计结构对厚度不要太敏感。与横向扭转铰合件相比，纵向扭转铰合件对厚度的敏感程度要低三倍，且因此纵向扭转铰合件对于块硅加工而言是一个较好的选择。

参见图13，其中显示了与周边区域120和万向架122一起制造形成的纵向铰合件结构。根据本发明，这种结构具有间隙130-136，间隙130-136比元件间隙宽，而元件间隙则为计算尺寸与刚度的精确应用所必需。这些区域用以补偿冲击。通过选择适当的间隙的间隔和铰合件平移弹簧常数，就可优化设计以增大裕度(margin)并消除潜在的在冲击事件中与周边区域或万向架相接触的可能性。再来看刚性拉条140-145。这些拉条的尺寸被增大以便补偿在硅的深度活性离子蚀刻过程中与厚宽比有关的蚀刻。在这种情况下，与具有较小厚宽比的较大区域相比，具有较高的厚宽比的较小区域的蚀刻过程所耗时间将更慢。选择冲击补偿间隙和增大拉条长度是关联的，增大间隙将减少该装置的厚宽比。

图14显示了一个与图3类似的单一(simple)纵向蛇形铰合件结构，其增加了悬臂梁150和152，悬臂梁为了增强刚度而具有较大宽度，并且从元件160和166延伸到转动轴183处，在此处具有以转动轴183为中心的连接点180和182。这种结构按照这样的方式对称，即，可以沿着纵向转动轴堆叠多个这种结构。

参见图15，其中显示了根据本发明的一种改进的铰合件设计，其称为双堆叠单一铰合件设计。在这种设计里，多个扭转铰合件元件190-196(称为平行于转动轴以阵列形式配置的一组)通过刚性横向拉条200-206以蛇形样式连接在一起。第二组扭转铰合件元件210-216和刚性横向拉条220-226通过刚性横向拉条230相连。两组扭转铰合件元件如此进行结构配置，即，它们都以转动轴234为中心，第一组配置在转动轴的一端，而第二组配置在转动轴的另一端。在连接点236和238处相互连接，连接点236和238都充分以转动轴为中心。

这种结构与图3所示单一纵向铰合件结构的相同之处在于，该堆叠结构的总扭转弹簧常数通过求取单个元件的扭转弹簧常数进而除以铰合件元件的数目来给定。但是，这种结构的优点在于，对于设定的扭转弹簧常数而言，双堆叠结构的横档长度是相应非堆叠结构的一半。通过参考前面的给出由冲击引致的下垂量和平移量的公式，可以理解这一点的重要性。由对铰合件元件冲击引致的横向平移可由横档长度的三次幂的倒数给出，而扭转弹簧常数可由元件长度的倒数给出。由于该三次幂关系，通过构建较多数量的较短铰合件元件实质上有可能减小横向位移量。图16表示了三重堆叠结构。这种结构将具有与图14结构相比改进提高了的平移性能，代价是铰合件设计的紧凑程度降低。这种结构还可能会更加易于受到平面转动以外的影响。

参看图17，其中显示了根据本发明的另一种铰合件设计方案，其称为复合纵向铰合件。在这一设计方案里，形成平行于转动轴以阵列方式排列的第一组的多个扭转铰合件元件310-316通过刚性横向拉条320-326以蛇形样式连接在一起。第二组扭转铰合件元件330-336通过刚性横向拉条340-345相连到一起。通过与刚性横向拉条352相连的第一刚性纵向拉条351连接第一组与第二组，而刚性横向拉条352还与第二刚性纵向拉条354相连。第一与第二刚性纵向拉条351、354和刚性横向拉条352形成了一个包绕着第二组的U形。刚性拉条320-326、340-345，指状部分356，以及纵向拉条351和354都具有选定的横向宽度的余量，用以帮助实现对制造加工过程中蚀刻部分的蚀刻补偿。指状部分356在铰合件工作时不提供机械功能。其目的是防止相邻扭转铰合件元件336在蚀刻过程中解体。元件之间的间隙(尤其是间隙360-365)的宽度的选定标准是保证在部分装置在冲击补偿过程中的横向移动不会碰触到相邻结构。两组扭转铰合件元件都如此配置，以使它们从转动轴352向着相反侧偏移。

在连接点348和连接点350处进行连接，连接点348基本上是以两组蛇形铰合件元件的中点为中心，而连接点350则并不相对于这两组蛇形铰合件元件居中。所有的扭转元件都平行于转动轴352定向，转动轴352位于这两组蛇形铰合件元件的中点上。对于堆叠的单一纵向铰合件而言，这种结构与图3所示单一的纵向铰合件的相同之处在于，总扭转弹簧常数可通过求取单个元件的扭转弹簧常数进而除以铰合件元件的数目来给定。但是，这种结构与图3所示单一的纵向铰合件有所不同，其不同之处在于，控制下垂量的公式具有不同的函数形式，从而允许转动扭转弹簧常数减去特定的相对下垂量。

通过前述给出因冲击引致的下垂量与平移量的公式，可以理解关于这一点的重要意义。由对铰合件元件的冲击所引致的垂向移动可由横档长度的三次幂的倒数给出，而扭转弹簧常数可由元件长度的倒数给出。由于该三次幂关系，通过构建较多数量的较短铰合件元件实质上有可能减小垂向位移量，从而导致活塞谐振频率更高。图18表示复合纵向铰合件结构的三重堆叠结构。像图15所示结构一样，这种结构将具有比图3所示结构更好的平移特性，代价是铰合件设计的紧凑程度降低。

假设为均匀场，则平行板静电操作装置会出现公知的不稳定情况。随着施加在电容器平板上的电压逐渐增大，平板将彼此靠近，直至达到平板不再处于平衡状态的临界偏转距离z₀/3为止。静电吸引力超过弹簧的机械回复力，因而平板将不受控制而靠挤到一起。相同情况也见于平行板静电双万向架镜子。参看图1，随着在微镜子12和与电极20相似的下底微镜子12之间施加电压，临界倾斜角被达到(若超出临界倾斜角则会使镜子灾难性地撞击到衬底)。实际上在多数情况下，临界角稍大于与衬底相接触的镜子所形成的角度的三分之一。

再来参看图2所示的实施方案。球形对称的、或者圆形的镜子的优选实施方案是双轴镜子。与方形或者其它多边形的镜子相比，圆形镜子更适合于光学MEMS设计，并且在工作状态下具有较高性能，理由有以下几点。第一个理由是，与例如在凹式方形镜子结构500中(图20)的方形镜子512相比，圆形镜子12具有更大的弹压(snap-down)裕度。弹压裕度是指和衬底相接触的装置的倾斜角与该装置变得不稳定之前实际上可达到的最大倾斜角的比值。弹压裕度是平行板静电驱动装置的重要考虑因素之一。具有较大障碍(snag)的装置具有减低了的弹压裕度。圆是最优设计，对于任意给定倾斜角它使表面积最大化。

另一个优点是，圆形镜子12更加匹配光束的一般高斯面(gaussianprofile)。由于系统光通度取决于镜子的表面积，因此出于对光通度的考虑圆形镜子更加优选。在图2所示的优选实施方案中，完美的圆形镜子12在很小的不受控制的残余应力影响下有着很小的或者微不足道的非球形波阵面误差。最后，对于多边形镜子(例如512)而言，由于在这类镜子的末端存在有尖端的角(而这在圆形微镜子是不存在的)，所以介质击穿或者场发射的潜在可能性都增大了，而这是有害的。对这两种系统进行仔细分析将会发现，由锐角引致的倾斜角损耗与所获面积引致的相比倾斜角损耗是更大的性能劣化原因。

图19显示了具有圆形镜子412的纵向蛇形双万向架镜子结构400的另一可行实施方案。在这个实施方案中，内铰合件440、442凹入在微镜子412内侧。凹入微镜子412的优点在于设计紧凑节省空间。这种能够更加有效压缩节省空间的设计，可以使微镜子阵列的总尺寸大大减小。尽管镜子的面积被减小了，但是阵列较小则要求镜子倾斜角较小，以使光学系统损耗较小。因此，镜子孔径面积的减小以及因其而导致的铰合件440、442被裁剪限制的情况可以在设计中别的方面予以补偿。但是，这种类型结构存在有另一严重缺点。由于镜子412在铰合件440、442处存在有凹口，所以在镜子412中的残余应力可导致在镜子表面的非球形象差。镜子表面轮廓的非球形不对称导致波阵面误差，且因此导致耦合效率较低。

图21显示了介于图2的实施方案和图19的实施方案两者之间的折衷实施方案。在这个实施方案中，组件600的镜子612仅仅是部分地凹入到镜子的表面。这种装置优点在于，它与图19装置相比减少了波阵面误差，而与图2装置相比则结构更紧凑。

使用的铰合件类型不受镜子类型的限制。例如，在图2中，铰合件40、42、46和48是全对称连接的复合铰合件，其中铰合件元件关于穿过镜子中心的轴线对称，并且连接点36、37沿一公共轴线连接微镜子12，连接点38、39沿一公共轴线连接万向架44。同样地，图21显示了微镜子结构600，其采用以对称方式连接的单一铰合件640、642、646、648。

但是，图22显示出了一种微镜子结构700，其采用以对称方式连接的非凹入的单一铰合件740、742、746、748。与图2的实施方案相比，单一铰合件740、742、746、748在其自身上折叠的填隙结构。

图23显示出了一种微镜子结构800，其具有以非对称方式连接的单一铰合件840、842、846、848。铰合件840、842没有凹入到微镜子812中，因此万向架844与微镜子周缘以及铰合件840、842的外侧边缘相适应一致。非对称铰合件结构的倾斜与下垂具有非对称的动态与静态特性。非对称设计对于特定类型实施方案非常有用，在这些方案中，对设计来说是唯一的机械偏移与振荡模式都被结合到系统动力学中。有关这些的讨论超出了本发明申请的主旨范围。

图24显示出了一种微镜子结构900，其具有以对称方式连接的复合铰合件940、942、946、948，复合铰合件940、942、946、948与万向架944和镜子912相连。铰合件没有凹入到镜子中。这一设计表示的是在本发明范围之内的又一个实施方案。

本发明借助于上述具体实施方案加以说明。显然，对于本领域普通技术人员而言其它实施方案是显而易见的。因而，本发明不受具体实施方案描述的局限，仅由附加的权利要求书加以限定。

Claims

1.一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构，所述镜子结构包括：

嵌设有静电电极的微镜子阵列的衬底；

在所述衬底的所述阵列中的镜子；

环绕所述镜子的万向架；以及

多个折叠式纵向万向架铰合件结构，从而多个扭转铰合件元件按照平行于各个所述铰合件结构的转动轴线的方向布置，所述折叠式纵向万向架铰合件结构设置在万向悬架环的四个位置上，第一对所述折叠式纵向万向架铰合件结构将所述镜子连接到所述万向架，而第二对所述折叠式纵向万向架铰合件结构将所述衬底连接到所述万向架。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述折叠式纵向万向架铰合件结构都是复合式的。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述折叠式纵向万向架铰合件结构都是单一式的。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述折叠式纵向万向架铰合件结构都相对于对向的铰合件结构而对称布置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述折叠式纵向万向架铰合件结构都相对于对向的铰合件结构而非对称布置。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述镜子是圆形的。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各个所述折叠式纵向万向架铰合件结构都是由折叠式纵向铰合件堆叠形成的。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，与所述万向架连接的所述折叠式纵向万向架铰合件结构凹入所述镜子中。

9.在一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构中，单一万向架铰合件位于万向悬架环的四个位置上，各个所述单一万向架铰合件都包括：

多个扭转铰合件元件，其排列在平行于纵向转动轴线的阵列中，所述铰合件元件的端部利用刚性拉条以蛇形样式连接到一起；

第一外部连接点，其被设置在所述纵向转动轴的第一侧上的所述阵列的横向边缘的偏心处；以及

第二外部连接点，其被设置在所述纵向转动轴的第二侧上的所述阵列的横向边缘的偏心处。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：

所述铰合件元件具有与所述刚性拉条相同的厚度；

所述铰合件元件具有至少一个刚性拉条的厚度与宽度的厚宽比；且其中

所述铰合件元件的长度充分地大于各个所述铰合件元件的宽度和高度。

11.根据权利要求9所述的装置，还包括位于选定的相邻可动元件之间的冲击补偿间隙以及在所述铰合件元件和所述刚性拉条中的蚀刻补偿材料。

12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，第一个单一万向架铰合件的所述第一外部连接点和位置相对的第二个单一万向架铰合件的所述第一外部连接点都连接在所述纵轴的同一侧，从而构成对称连接的万向架镜子结构。

13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，第一个单一万向架铰合件的所述第一外部连接点和位置相对的第二个单一万向架铰合件的所述第一外部连接点连接在所述纵轴的相对的两侧，从而构成非对称连接的万向架镜子结构。

14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，连接在所述镜子和所述万向架之间的所述铰合件结构凹入到所述镜子中。

15.在一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构中，单一万向架铰合件位于万向悬架环的四个位置上，各个所述单一万向架铰合件都包括：

第一外部连接点，其设置在位于所述纵向转动轴线上的第一悬臂梁元件上；和

第二外部连接点，其设置在处于所述阵列的相对一侧的纵向转动轴线上的第二悬臂梁元件上。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，多个所述单一万向架铰合件在所述连接点处沿所述纵轴串联接合，从而形成堆叠的铰合件结构。

17.根据权利要求15所述的装置，还包括位于选定的相邻可动元件之间的冲击补偿间隙以及在所述铰合件元件和所述刚性拉条中的蚀刻补偿材料。

18.一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构，所述镜子结构包括：

衬底；

镜子；

环绕所述镜子的万向架；以及

设置在万向悬架环的四个位置上的多个堆叠的万向架铰合件结构，第一对所述堆叠的万向架铰合件结构将所述镜子连接到所述万向架，而第二对所述堆叠的万向架铰合件结构将所述衬底连接到所述万向架。

19.在一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构中，堆叠的万向架铰合件结构位于万向悬架环的四个位置上，每个所述堆叠的万向架铰合件结构都包括：

第一万向架铰合件，所述第一万向架铰合件包括：

第一组多个扭转铰合件元件，其排列在平行于纵向转动轴线的第一阵列中，所述第一组铰合件元件的第一端利用第一刚性拉条以蛇形样式连接到一起；

第二外部连接点，其设置在处于所述阵列的相对一侧的纵向转动轴线上的第二悬臂梁元件上；以及

第二万向架铰合件，所述第二万向架铰合件包括：

第二组多个扭转铰合件元件，其排列在平行于所述纵向转动轴线的第二阵列中，所述第二组铰合件元件的第三端利用第二刚性拉条以蛇形样式连接到一起；

所述第三外部连接点，其设置在位于所述纵向转动轴线上的所述第三悬臂梁元件上；以及

第四外部连接点，其设置在处于所述第二阵列的相对一侧的所述纵向转动轴线上的第四悬臂梁元件上；

其中，所述外部连接点位于所述第三外部连接点，并且所述第三悬臂梁元件是所述第二悬臂梁元件的延伸部分。

20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，各个所述万向架铰合件都是复合式的。

21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，各个所述万向架铰合件都是单一式的。

22.在一种用于平行板静电操作的带有双万向架的微机械加工的镜子结构中，复合式万向架铰合件位于万向悬架环的四个位置上，每个复合式万向架铰合件都包括：

第一组多个第一扭转铰合件元件，其排列在平行于纵向转动轴线的第一阵列中，所述第一铰合件元件的末端利用第一刚性拉条以蛇形样式连接到一起；

第二组多个第二扭转铰合件元件，其排列在平行于纵向转动轴线的第二阵列中，所述第二铰合件元件的末端利用第二刚性拉条以蛇形样式连接到一起；

U形拉条，其第一端连接所述第一阵列而其第二端连接所述第二阵列，从而形成复合式铰合件结构；

连接到所述第一阵列的第一外部连接点，其设置在所述纵轴的第一侧附近并位于所述纵轴的第一侧上；以及

连接到所述第二阵列的第二外部连接点，其设置在所述纵轴的第二侧上的所述第二阵列的横向边缘上。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，多个所述复合式万向架铰合件在所述连接点处沿所述纵轴串联接合，以形成堆叠的铰合件结构。

24.根据权利要求22所述的装置，还包括位于选定的相邻可动元件之间的冲击补偿间隙以及在所述铰合件元件和所述刚性拉条中的蚀刻补偿材料。

25.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一复合式万向架铰合件的所述第一外部连接点和位置相对的第二复合式万向架铰合件的所述第一外部连接点都连接在所述纵轴的同一侧，从而构成对称连接的万向架镜子结构。

26.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，第一复合式万向架铰合件的所述第一外部连接点和位置相对的第二复合式万向架铰合件的所述第一外部连接点连接在所述纵轴的相对的两侧，从而构成非对称连接的万向架镜子结构。

27.根据权利要求22所述的具有蚀刻补偿的装置，其特征在于，所述刚性拉条中选定的拉条具有大于相邻元件的宽度。

28.根据权利要求17所述的具有蚀刻补偿的装置，其特征在于，所述刚性拉条中选定的拉条具有大于相邻元件的宽度。

29.根据权利要求24所述的具有蚀刻补偿的装置，其特征在于，所述刚性拉条中选定的拉条具有大于相邻元件的宽度。