CN1756061A - 有平衡悬臂板的整体的mems装置 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统装置由单个多层晶片制成，这减轻了与使用以前技术的两片设计相关的对准问题。在一个实施例中，微机电系统装置有一固定部件和一旋转连接固定部件的可移动部件。该固定部件有电极和与电极电绝缘的第一传导结构。该可移动部件有旋转板和位于板上并与板电连接的第二传导结构。第二传导结构的质量和位置的选择可以补偿板相对于旋转轴的不稳定性。此外，在静止位置，第一和第二传导结构围绕电极形成基本连续的、适于为电极提供电屏蔽的栅栏。可移动部件适于相对于固定部件旋转以响应施加于第二传导结构和电极之间的电压，这样可移动部件就无法在旋转过程中与电极进行物理接触，这减轻了许多使用以前技术的装置固有的突然损坏问题。

Description

有平衡悬臂板的整体的MEMS装置
有关申请的交叉引用
本申请的主题涉及美国专利申请号10/261,089(“‘089申请”)的主题，2002年9月30日申请，其教导结合在此作为参考。
技术领域
本发明涉及光学通信设备，更特定地，涉及用于该类设备的微型机电装置。
背景技术
光学通信设备可以使用微机电系统(MEMS)。一种代表性的微机电系统装置可以有一阵列微加工的反射镜，每个反射镜都单独对应一电子信号移动。这样的一个阵列可以被用作为波长选择开关元件。在操作中，至少该阵列中的一个反射镜接收光束。该光束被反射镜反射，并能通过控制镜子的旋转角度而被有控制地重新导向到不同的位置(如，经选择的输出端)。
使用以前技术的微机电系统装置的一个问题涉及制造该类装置。在制造过程中，两个部件，如晶片，被用于组成微机电系统装置，其中，该部件必须被精确对准到启动电极相对于对应的反射镜的恰当位置。对于相对较小的反射镜和/或反射镜数量相对较多的反射镜阵列，可能难以实现这种对准。
使用以前技术的微机电系统装置的另一个问题是“突然损坏”。更具体地，当在此类装置中应用于启动电极的电压超过临界突然损坏(snap-down)值，反射镜的倾斜角度迅速增大且不可控制。这种行为可能引起反射镜与电极和/或晶片的碰撞，损坏反射镜并使微机电系统装置不再可操作。
发明内容
根据本发明的原理，使用以前技术存在的问题通过由一个多层晶片制成的微机电系统装置，这种装置减轻了与使用两个部件的以前技术设计相关的对准问题。在一个实施例中，微机电系统装置有一个固定部件和一个与固定部件旋转结合的移动部分。固定部件有电极和与电极电绝缘的第一传导结构。移动部分有旋转板和位于板上并与板电连接的第二传导结构。第二传导结构的质量和位置的选择是为了弥补板相对于旋转轴的不稳定性。此外，在静止位置，第一和第二传导机构围绕电极形成适于为电极提供电屏蔽的基本上连续的栅栏。移动部分适于相对于固定部件旋转，以响应施加在第二传导结构和电极之间的电压，这样，在旋转过程中，移动部分就无法与电极进行物理接触，这减轻了许多以前技术装置固有的突然损坏问题。
附图说明
本发明的其他方面、特性和有利点将从下面详细描述、所附权利要求、附图中更完全地显现，其中：
图1A至D显示了一列开关，它代表上述‘089申请公开的一种开关的一个实施例；
图2A至D显示了根据本发明一个实施例的一列开关；
图3A至B显示了可以使用于根据本发明一个实施例的图2所示的一列开关中的微机电系统装置。
具体实施方式
此处参照“一个实施例”或“一种实施例”表示与实施例相连的一种特殊特征、结构或特点可以包括在本发明至少一个实施例中。在说明书中不同地方出现“在一个实施例中”的句子并不必然全部涉及同一实施例，也不是与其他实施例相互独立的个别实施例或任选实施例。
图1A-D显示一列开关100，该列开关代表上述‘089申请公开的一种开关的一种实施例(见，例如图12-13)。更具体地，图1A显示开关100的顶视图，图1B-D显示开关沿着标记为A-A、B-B、C-C的剖面的3个相应横截面视图。可以使用一个多层晶片制造开关100，这样减轻了与使用两个部件的以前技术设计相关的对准问题。此外，开关100有一个边缘场(FF)驱动件，其优点之一是组成边缘场(散射场或干扰场)驱动件的旋转板和启动电极可以被设计为在板旋转过程中相互之间不会进行物理接触。因此，开关100没有许多使用以前技术的开关固有的突然损坏问题。下面提供了与本发明相关的开关100的特征简述。
参照图1A-B，开关100有三个线性阵列的微机电系统装置102(相应标记为102a、102b、102c)。每一个装置102有一可移动板110，通过一对蛇形弹簧112附着在一种固定结构116上，弹簧112限定可移动板的旋转轴114并使板如图1B中虚线所示围绕着该轴旋转。旋转轴114将板110划分为两个位于轴上不同侧的部分，在图1B中这两个部分被相应标记为110′和110″。部分110″与固定结构116紧邻，下面被称为驱动件臂110″。
对于每一个装置102，固定结构116都有电极120，该电极通过相应的传导轨道132连接到接触垫130。电极120、传导轨道132和接触垫130与装置102的其他结构部分电绝缘，并相对于板110进行电偏压，例如，通过从外部发电机电动势(未显示)向接触垫施加偏压。驱动件臂110″和电极120组成装置102中的边缘场(FF)驱动件。
固定结构116还有一传导结构140，其目的之一是减少开关100的不同装置102之间的串扰。为达到该目的，传导结构140有一壁142和指状物144。壁142位于电极120和接触垫130之间。指状物144从壁142向外沿着电极120和驱动件臂110″的边延伸。这样，传导结构140从三边围绕着每一个电极，从而部分彼此屏蔽了属于不同装置102的电极。此外，每个对应的指状物144由相邻装置102中的电极120产生的电场而电屏蔽在一个装置102中的驱动件臂110″。例如，标记为144′的指状物部分地将装置102a和装置102b中的电极120彼此屏蔽。此外，指状物144′(i)将装置102a的驱动件臂110″与装置102b的电极120电屏蔽，并(ii)将装置102b的驱动件臂110″与装置102a的电极120电屏蔽。
在代表性的配置中，固定结构116(除电极120、传导轨道132和接触垫130以外)处于地电位。由于弹簧112由导电材料(例如硅)制成，板110也处于地电位。当接触垫130、传导轨道132和电极120如上所述处于偏压时，在电极120和驱动件臂110″之间存在电压差，这就产生了相应的电场。接着，该电场在电极120和驱动件臂110″之间产生了静电引力，这使驱动件臂向电极移动，从而使板110如图1B虚线所示旋转。弹簧112变形产生的回复力是静电力的反作用力。当偏压被移除时，弹簧的回复力使板110回到如图1B实线所示的最初静止位置。
在代表性实施例中，装置102的制造以有三层的多层晶片150开始：衬底层152、薄绝缘层154和重迭层156。层154使衬底层152与重迭层156电绝缘。重迭层156和衬底层152典型地为硅，绝缘层154典型地为二氧化硅。在制造过程中，附加的材料层置于晶片150之上。由此产生的分层结构的不同层面被恰当地饰以图案并蚀刻以形成装置102的不同部件。
可以在上述‘089申请(见，如图11A-F)中找到可以被使用于装置102的制造过程中的代表性制造步骤的详细描述。扼要地说，重迭层156首先被饰以图案并蚀刻以限定板110、弹簧112、接触垫130和传导轨道132。然后，附加绝缘层158(例如，二氧化硅)被置于晶片150之上，这样，绝缘层在电极120和固定结构116的某些部件之间提供电绝缘。层158被饰以图案并蚀刻以使板110、接触垫130和传导轨道132的部分134暴露。相对较厚的传导层(例如，硅)160于是被置于合成结构上。层160的材料填满了部分134上面的层158的开口，以通过该结构形成传导，该传导将电极120和传导轨道132电连接。一个或多个类似地通过结构(未显示)形成的传导可以被用来电连接(i)传导结构140和重迭层156，以及(ii)重迭层156和衬底层152。层160于是被饰以图案并蚀刻形成电极120和结构140。随后，对应板110的衬底层152的一部分被移除。接着，绝缘层154的暴露部分被蚀刻以释放板110和弹簧112。最后，接触垫130被薄金属(如，黄金)层162(见图1B)覆盖以完成装置102的制造过程。
图2A-D显示根据本发明一个实施例的一列开关200。图2A显示开关200的顶视图，图2B-D显示所述开关沿着标记为A-A、B-B、C-C的剖面的3个相应横截面视图。与开关100类似，开关200有三个线性排列的微机电系统装置202(相应标记为202a，202b和202c)。除以上指出的，开关200的结构与开关100的结构类似，并且两个结构的类似部件在图1-2中以后两位数相同的标签指示。开关200和100之间的结构差别在下面进行更详细描述。
与装置102的电极120不同，装置202有一个电极270。电极120(图1)和电极270(图2)之间的一个差别是前者通过使用位于晶片150之上额外层160形成，而后者通过使用晶片250的原始重迭层256形成。与开关100的传导结构140类似，开关200的传导结构240通过使用位于晶片250之上的额外层260形成。因此，在装置202中，电极270相对于传导结构240凹进(见，例如图2B和2D)。相反地，电极120和传导结构140位于同一层(见，例如图1B和1D)。
与装置102(图1)相比，装置202(图2)有一种新部件，即，位于可移动板210的驱动件臂210″上的传导结构280(例如图2B和2C)。这样，传导结构280与板210一起移动。由于传导结构280与板210直接电接触，传导结构就是使板移动的驱动件的一部分。更具体地，传导结构280和电极270形成装置202中的边缘场驱动件。与传导结构240一起，传导结构280围绕相应电极270形成基本上连续的传导栅栏。在典型实施中，栅栏有两个位于传导结构240和280之间在对应的转换件处的间隙。然而，每一个间隙都较窄，例如，其宽度比栅栏本身的宽度要小。“栅栏宽度”一词用于指以下任何尺寸之一：壁242在Y向的尺寸，指状物244在X向的尺寸，传导结构在Y向的尺寸。“间隙宽度”一词用于指X向的指状物244和传导结构280之间的缝隙大小。传导结构280可以与传导结构240类似地形成，例如，从位于晶片250之上的额外层260形成。
在代表性的配置中，固定结构216(除电极270、传导轨道232和接触垫230之外)处于地电位。由于弹簧212由传导材料(如，硅)制成，板210和传导结构280也处于地电位。当接触垫230、传导轨道232和电极270相对固定结构216的静止处于偏压时，在电极和传导结构280之间存在电压差，这就产生了对应电场。接着，该电场在电极270和传导结构280之间产生了静电引力，这使传导结构向电极移动，从而使板210如图2B虚线所示旋转。弹簧212变形产生的回复力是静电力的反作用力。当偏压被移除时，弹簧的回复力使板210回到如图2B实线所示的最初静止位置。
每一个装置202中的传导结构280导致开关200特点(图2)相对开关100(图1)特点的一些差异。这些差异将在下面更详细地说明。
第一，与板110相比，传导结构280改进了板210的机械平衡。更具体地，简单参照图1B，由于部分110′典型地比驱动件臂110″要长，轴114一边上的可移动质量块的惯量力矩就比另一边上的惯量力矩大。在没有传导结构280的情况下，类似的声明也适用于板210(见，例如图2B)。然而，传导结构280增加了板210一边的驱动件臂的质量，因此减少了两边之间的转动惯量力矩的不一致。而且，通过正确选择传导结构280的质量及在驱动件臂210″上相对于轴214恰当安放传导结构，就可以基本上完全使板210平衡，即，基本上获得位于轴两边的移动质量块的同等惯量力矩。拥有平衡配置的板210可能是有益的，因为它使板较不易于处于例如由外部振荡或震动而产生的无法控制的旋转。
第二，与开关100中电极120的电力屏蔽相比，传导结构280的存在改进了开关200中对应电极270的电屏蔽。更具体地，在开关100中，传导结构140仅沿着电极的三边提供电极120的电屏蔽，其中，壁142沿着一边屏蔽电极，两个手指144沿着另两边屏蔽电极(见图1A)。与开关100中的传导结构140类似，开关200中的传导结构240沿着三边电屏蔽电极270。然而，除了传导结构240提供的屏蔽外，传导结构280沿着电极的第四边提供额外的电屏蔽(见图2A)。与开关100中不同装置102之间的串扰水平相比，该额外电屏蔽可更有利地减少开关200中不同装置202之间的串扰水平。
第三，由于传导结构280的存在，对于给定的偏压，装置202能够产生的板210的偏差角度比装置102中板110的偏差角度要大。该偏差角度差异可以如下以定性方式进行理解。当板110如图1B所示旋转时，驱动件臂110″和电极120面对板110的那一边之间的缝隙(间隙)随着旋转角度的加大而增加。于是，增加的缝隙减少了有效的边缘场强度及由此产生的从电极120作用于板110上的转矩。相反地，当板210如图2B所示旋转时，传导结构280和电极270面对板210的那一边之间的缝隙(间隙)随着旋转角度的加大而增加。相反地，减小的缝隙将使有效的边缘场强度和从电极270作用于板210上的转矩增加。这样，板的旋转对装置102和202的有效静电转矩有性质上的不同效果。因此，在相等偏压电压下，装置202产生的板210的偏差角度比装置102产生的板110的偏差角度要大。任选地，装置202的这种特性可以被视为一种以比获得装置102同样偏差角度所需偏压电压要低的偏压电压获得期望的偏差角度的能力。
图3A-B图示了一种可以被用于根据本发明一个实施例的开关200中(图2)的微机电系统装置202的微机电系统装置302。更具体地，图3A是可移动板310处于最初静止位置的装置302的侧视图，图3B是可移动板310处于偏差位置的装置302的侧视图。图3中的微机电系统装置302与图2中的微机电系统装置202类似，两种装置的类似元件在图2和图3中以后两位数字相同的标签指示。然而，装置202和302之间的一个区别是，后者特定设计当板310围绕着轴314旋转时，传导结构380不能与电极370进行物理接触。
参照图3A，位于可移动板310的驱动件臂310″上的传导结构380的高度为H；板310的驱动件臂310″的长度为L；以及，在最初静止位置，电极370和驱动件臂310″之间的缝隙(间隙)为g。参照图3B，如图所示，当传导结构的一角382围绕着轴314往下到电极水平时，传导结构380和电极370之间可能缝隙达到最小。该位置对应旋转角度θ0＝arctan(H/L)，这样旋转角度还可以被视为电极370产生的静电启动使装置302中达到最大旋转角度的近似值。当g＞D-L，且D＝(L2+H2)1/2时，装置302阻止传导结构380和电极370进行物理接触。下表1提供了可以被用于装置302的不同实施例中的H、L和g的代表值。对应于这些实施例的θ0的值也在下表1中提供。
表1：微机电系统装置302不同实施例的代表性尺寸和最大旋转角度
  H(μm)   L(μm)   g(μm)   D-L(μm)   θ0(角度)
  10   20   3   2.36   26.6
  10   30   2.5   1.62   18.4
  10   40   2   1.23   14.0
  10   50   2   0.99   11.3
尽管本发明的开关曾被描述为参照使用硅/二氧化硅SOI晶片，其他的合适材料，例如锗-补偿硅(germanium-compensated silicon)，可以类似地使用。这些材料可以被恰当地用已知技术涂以涂料。可以通过金属沉积来修改不同的表面等以增强反射率和/或电导率，或者通过离子种植来修改不同的表面以增强机械强度。可以无须脱离本发明的范围和原则而使用不同形状的板、驱动件臂、电极、栅栏、传导结构和/或支持结构。一种可移动板(如图2中的板210)可以通过使用一个或多个不同配置的弹簧，与对应的固定部件结合，其中“弹簧”一词一般指任何合适的、可以在变形后恢复到其原始形状的弹性结构。传导轨道的不同布置对本领域技术人员来说是必需和/或明显的。
一种本发明的微机电系统装置可以被配置为在合适选择/调整电压的基础上达到任何工作角度范围内的旋转角度。本发明的单个微机电系统装置可以不同排列以提供线性、辐射状或两维排列的反射镜。由此排列的装置可以有两个或多个这样的单个微机电系统装置。
尽管参照指示性实施例对本发明进行了描述，该描述并不意味着限制性的解释。所描述的实施例的各种变体以及本发明的其他实施例，对本领域技术人员是显而易见的，应当被视为在下面权利要求中所表述的本发明的原则和范围内。
出于该说明的目的，一种微机电系统装置是一种有两个或多个适于彼此相对移动的部分的装置，其中该运动是基于任何适当的相互作用或相互作用结合，例如机械的、热能的、电力的、磁力的、光学的和/或化学的相互作用。微机电系统装置使用微型或较小的制造技术(包括毫微-技术)来制造，这些技术可以包括但并不必然限制于：(1)使用例如自我组装单层、有高亲和力以获得期望的化学物质的化学涂层、悬浮化学键的生产和饱和的自我组装技术，(2)使用例如平板印刷、化学气相沉积、材料形成图案和选择性蚀刻、表面处理、成型、电镀和合成纤维变形工艺的晶片/材料处理技术。微机电系统装置中某些元件的比例/大小可以允许量子效应的显现。微机电系统装置的例子包括，但不限于，NEMS(纳机电系统)装置、MOEMS(微光机电系统)装置、微型机械、微系统以及使用微系统科技或微系统集成而生产的装置。
尽管本发明是在微机电系统装置实施的范围内描述，本发明在理论上可以以任何比例，包括比微型比例要大的比例来实施。

Claims (10)

1.一种装置，包括：
有电极的固定部件，和
可移动地与固定部件结合的可移动部件，该可移动部件有传导结构，其中：
电极和传导结构形成驱动件；
可移动部件用于响应施加于驱动件的电压相对于固定部件旋转；
可移动部件有相对于旋转轴的短部分和长部分，所述短部分和长部分形成一种失衡板；并且
传导结构至少部分弥补板的不稳定性。
2.如权利要求1的装置，其中：
驱动件是一个边缘场驱动件；
可移动部件具有基本上与位于旋转轴的不同边上的可移动质量块同等的惯性力矩；
可移动部件不能在旋转过程中与电极进行物理接触；并且
由驱动件产生的离开静止位置的旋转减少了电极和传导结构之间的间隙。
3.如权利要求1的装置，其中：
传导结构形成一种至少沿着电极周长部分的电磁栅栏，其中该栅栏适于为电极提供电屏蔽；并且
该装置是一种微机电系统装置，它是有两个或多个所述微机电系统装置实例的开关的一部分，其中传导结构适于阻止不同微机电系统装置实例之间的串扰。
4.如权利要求1的装置，其中该装置使用单个的多层晶片制造，其中传导结构和电极在晶片的不同层面中形成。
5.一种装置，包括：
使装置的可移动部件相对于装置的固定部件移动的工具，其中所述元件包括连接到固定部件的固定部分和连接到可移动部件的移动部分，其中可移动部件适于响应施加于可移动部分和固定部分之间的电压相对于固定部件移动；和
连接到可移动部件的元件，至少部分补偿可移动部件的短区和长区之间的惯性不稳定性。
6.一种装置，包括：
有电极的固定部件，和
可移动地与固定部件结合的可移动部件，该可移动部件有传导结构，其中：
电极和传导结构形成一边缘场驱动件；
可移动部件适于响应施加于驱动件的电压相对于固定部件旋转；并且
由边缘场驱动件导致的离开静止位置的旋转减少了电极和传导结构之间的间隙。
7.如权利要求6的装置，其中：
传导结构形成一种至少沿着电极周长部分的电磁栅栏，其中该电磁栅栏用于为电极提供电屏蔽；并且
该装置是一种微机电系统装置，它是有两个或多个所述微机电系统装置实例的开关的一部分，其中传导结构适于阻止不同微机电系统装置实例之间的串扰。
8.一种装置，包括：
有电极和与电极电绝缘的第一传导结构的固定部件；和
可移动地连接固定部件的可移动部件，其中：
可移动部件用于响应施加于可移动部件和电极之间的电压相对于固定部件移动；并且
第一传导结构是至少沿着电极周长部分的电磁栅栏的部分。
9.如权利要求8的装置，其中：
可移动部件有第二传导结构；并且
在静止位置，第一和第二传导结构围绕电极周长形成基本连续的电磁栅栏。
10.如权利要求9的装置，其中：
电极凹进在由基本连续的栅栏限定的开口中；并且电极和第二传导结构形成边缘场驱动件。
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