CN1862312A - 具有肋条和锥形梳齿的微机电系统（mems）扫描镜的尺寸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)反射镜装置，其包括一反射镜、结合衬垫、弹簧和连接到所述反射镜的横梁。所述反射镜具有大于1000且小于1200微米的宽度、大于4000且小于5500微米的长度和大于240微米的厚度。每个横梁包括复数个可旋转梳齿且通过复数个弹簧连接到所述结合衬垫。

Description

具有肋条和锥形梳齿的微机电系统(MEMS)扫描镜的尺寸

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)装置，且更特定而言涉及MEMS扫描镜。

背景技术

已提议了用于MEMS扫描镜的多种静电梳致动器设计。此等装置的广泛应用包括条码读取器、激光印刷机、共焦显微镜、投影显示器、背投TV和可穿戴显示器。MEMS扫描镜通常以其主谐振来驱动以达成大的扫描角度。为了确保稳定操作，确保反射镜和其相关联的活动结构将以最低且主谐振频率以所要的振形振动是极重要的。在多种应用中，反射镜尺寸必须较大且镜面必须平坦以确保高的光学分辨率。对于多种应用反射镜振动/扫描速度亦必须为快速的。已知当反射镜尺寸和扫描速度增加时，反射镜动态平整度劣化。若没有平坦镜面，则扫描镜对多种应用几乎没有用途。另外，此主频率必须远离其它结构振动频率以避免所要振形与不当振形之间的潜在耦合。

不当的结构振动将增强反射镜动态变形且导致下降的光学分辨率。此外，某些结构振动模式可导致可旋转活动的梳齿与固定的梳齿接触并同时中断致动器。具有接近谐振频率的两个或两个以上结构振动模式可耦合而产生导致铰链故障的高振幅。因此，在MEMS扫描镜的设计中需要有效改进谐振的振动稳定性并确保此等装置的光学分辨率的一种设备和一种方法。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一个微电子机械系统(MEMS)反射镜装置包括一反射镜、结合衬垫、弹簧和连接到所述反射镜的横梁。所述反射镜具有大于1000且小于1200微米的宽度、大于4000且小于5500微米的长度和大于240微米的厚度。每个横梁包括复数个可旋转梳齿并通过复数个弹簧连接到结合衬垫。

附图说明

图1A、1B、1C、1D、1E、1F和1G说明本发明的一个实施例中的一个MEMS装置。

图1H、1I、1J和1K说明在本发明的实施例中具有不同功率方案的图1A的MEMS装置。

图2说明在本发明的一个实施例中用于制造图1A的装置的方法。

图3、4、5、6、7和8说明本发明的另一实施例中的MEMS装置。

图9说明在本发明的一个实施例中用于制造图3、4、5、6、7和8的装置的方法。

图10说明在本发明的另一实施例中用于支撑MEMS装置的反射镜的另一肋条结构。

在不同图中使用相同的参考数字指示类似或同一元件。

具体实施方式

图1A说明本发明的一个实施例中的一MEMS扫描镜装置400。装置400包括一结合到底层404上但与其电绝缘的顶层402。

图1B与图1C详细说明顶层402。顶层402包括一呈椭圆形的顶部反射镜层406。顶部反射镜层406在其顶面上包括沟槽/槽408。沟槽408减小了顶部反射镜层406的质量，并继而使得整体动态变形得以最小化。通过最小化整体动态变形可改进装置400的光学分辨度。尽管沟槽408被展示为环绕整个顶面，但是当将其置于沿着顶部反射镜层406的远离旋转轴线414的外周边时，其可为最有效。如下文所述，沟槽408可通过控制其宽度使其不会蚀刻穿透顶部反射镜层406而与其它组件同时蚀刻。或者，在蚀刻期间可使用一荫罩来保护顶部反射镜层406以防止其被沟槽408蚀刻穿透。沟槽408的位置及数量可通过有限元分析来确定。间隙409A和409B将顶层402中的顶部反射镜层406同周围组件分隔开。如下文所述，将间隙409A和409B的宽度设计为大于环绕较易损坏组件的间隙的宽度，从而使得在蚀刻过程中，任何捕集的气体均可从顶部反射镜层406周围而非易损坏组件周围逃逸。

顶部反射镜层406的相对侧经由复数个支撑附件410而连接到横梁状结构412A和412B的最近端。通过将顶部反射镜层406在复数个位置上连接到横梁412A和412B，可使得顶部反射镜层406的动态变形最小化。支撑附件410的位置和数量可通过有限元分析来确定。

绕旋转轴线414的横梁412A和412B的相对侧连接到可旋转梳齿416。每个可旋转梳齿416都具有一个由端部矩形部分组成的锥形体，所述端部矩形部分的横截面小于基底矩形部分的横截面。通过减小可旋转梳齿416在其端部处的尺寸并因而减小重量，可减小整个结构的惯性。通过减小结构惯性，可提高扫描速度和/或减小驱动电压。在一实施例中，可旋转梳齿416提供用于通过调谐活动结构的模态频率来提高其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，可旋转梳齿416提供用于驱动反射镜的静电驱动力。在又一实施例中，可旋转梳齿416提供静电偏压力与静电驱动力两者。

横梁412A和412B经由螺旋形弹簧而连接到安装于底层404上的结合衬垫。具体而言，横梁412A具有一经由螺旋形弹簧422-1而连接到结合衬垫424的远端，及一经由螺旋形弹簧422-2及422-3而连接到横梁412A内所形成的结合衬垫426的中间部分。类似地，横梁412B具有一经由螺旋形弹簧428-1而连接到结合衬垫430的远端，及一经由螺旋形弹簧428-2及428-3而连接到横梁412B内所形成的结合衬垫432的中间部分。因而，横梁412A和412B经由弹簧沿顶部反射镜层406的旋转轴线414以分布方式而连接。横梁412A和412B可包括孔433以减小其质量。

通过仔细调整弹簧硬度及位置的分布，可将活动结构的所有模态频率有效地分隔开且可在最低谐振频率设计所要可旋转模式。由于主谐振频率为最低且远离其它结构模态频率，因而反射镜旋转可不激发任何其它不当的振动模式。通过使用复数个弹簧，每个弹簧上的最大应力和张力低于仅由一对扭转横梁所支撑的常规扫描反射镜设计。由于每个弹簧上的应力和张力减小，因而每个弹簧的可靠性得以改进且可旋转角度增大。

顶层402可包括与可旋转梳齿416面内相互交叉的固定梳齿434。固定梳齿434可具有类似可旋转梳齿416的锥形体。在一实施例中，固定梳齿434提供用于通过调谐活动结构的模态频率而增加其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，固定梳齿434提供用于驱动顶部反射镜层406的静电驱动力。在又一实施例中，固定梳齿434提供静电偏压力与静电驱动力两者。固定梳齿434被连接到安装于底层404上的结合衬垫436。

图1D、图1E、图1F和图1G详细说明底层404。底层404包括一个具有从椭圆形板464凸出的凸出部462的底部反射镜层460。间隙465将底层404中的底部反射镜层460同周围组件分隔开。如图1F所示，板464的底面用作反射面并且其它结构可通过使用底层404的底面上的组合对准标记466而与反射镜对准。底部反射镜层460的顶面467与顶部反射镜层406的底面相结合以形成最终反射镜。如图1G所示，所述最终反射镜具有一I横梁状结构，其中顶部反射镜层406形成顶部凸缘，凸出部462形成梁腹且板464形成底部凸缘。所述I横梁状结构移除了大部分反射镜质量并且使反射镜结构强劲。因此，其最小化底部反射镜面的动态变形。通过最小化底部反射镜面的整体动态变形可改进装置400的光学分辨率。所述I横梁状结构的形状可通过有限元分析来确定。

底层404包括数个用于锚定顶层402中活动结构的结合衬垫的表面。具体而言，锚定衬垫(anchoring pad)468和470提供数个用于安装相应的结合衬垫426和432的表面，且锚定衬垫472提供一用于安装结合衬垫424、430和436的表面。

底层404包括与可旋转梳齿416面外相互交指的固定梳齿474。换句话说，当从上方看去或当最终反射镜旋转时，两者呈相互交指状态。固定梳齿474可具有类似梳齿416和434的锥形体。参看图1E，在固定梳齿474与锚定衬垫472之间提供一间隙482。间隙482具有一比相邻固定梳齿474之间的间隙484大的宽度，以使得间隙482比间隙484被蚀刻到底层404中较深的位置处。较深的间隙482允许可旋转梳齿416旋转一较大的角度而不会接触到底层404。在一实施例中，固定梳齿474提供用于驱动最终反射镜的静电驱动力。在另一实施例中，固定梳齿474提供用于提高活动结构的驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，固定梳齿474提供静电驱动力和静电偏压力两者。在又一实施例中，感测可旋转梳齿416与固定梳齿474之间的电容以判定反射镜的可旋转位置。

图2说明在本发明的一个实施例中用于制作装置400的方法500。此过程从步骤0以一硅晶片502开始，所述硅晶片502具有形成于顶面上的二氧化硅层504和形成于底面上的二氧化硅层506。晶片502用于形成装置400的底层404(图1E)。

在步骤1中，在微影过程中将光阻剂508沉积到氧化层506上、曝光并显影，以界定一个或一个以上微影对准标记511(如步骤3中所示)。

在步骤2中，将晶片502的底面加以蚀刻以移除氧化层506的未受光阻剂508保护的部分。在一实施例中，氧化层506被干式蚀刻。将晶片502的顶面沉积光阻剂510以保护其免受底面的蚀刻。

在步骤3中，将晶片502的底部晶片表面加以蚀刻以移除晶片502的未受氧化层506保护的部分，以形成微影对准标记511。在硅干式蚀刻之后，将所剩光阻剂508和510剥离。

在步骤4中，在微影过程中再次涂覆光阻剂510，并将其曝光且显影，以在晶片502的顶面上界定出底部反射镜层460(图1E)、表面468、470和472(图1E)以及固定梳齿474(图1E)。所使用遮罩与底部晶片表面上的微影对准标记511相对准。

在步骤5中，将晶片502的顶面加以蚀刻以移除氧化层504的未受光阻剂510保护的部分。在一实施例中，氧化层504被干式蚀刻。

在步骤6中，将晶片502的顶面加以蚀刻以移除晶片502的未受氧化层504保护的部分，以形成底部反射镜层460(图1E)、表面468、470和472以及固定梳齿474(图1E)。而后，将所剩光阻剂510剥离并通过湿式蚀刻或干式蚀刻将氧化层504和506移除。

在步骤7中，将硅晶片512结合到晶片502的顶面上。晶片512具有形成于顶部晶片表面上的二氧化硅层514和形成于底部晶片表面上的二氧化硅层516。晶片512用于形成装置400的顶层402(图1C)。在一实施例中，晶片512和502经由硅熔接而结合在一起。

在步骤8中，于微影过程中将光阻剂518沉积到氧化层514上、曝光并显影以界定顶层402的组件(图1C)。所使用遮罩与底部晶片表面上的微影对准标记511相对准。在步骤8中同样界定出一个或一个以上微影对准标记521(如步骤10所示)和分隔沟槽519(如步骤10所示)。为蚀刻沟槽408(图1C)连同蚀刻环绕其它组件的间隙，其中沟槽408被蚀刻到晶片512内的特定深度，且环绕其它组件的间隙被蚀刻穿透晶片512，沟槽408的尺寸与其它组件的间隙的尺寸是不同的。

在步骤9中，将晶片512的顶面加以蚀刻以移除氧化层514的未受光阻剂518保护的部分。在一实施例中，氧化层514被干式蚀刻。而后将所剩光阻剂518剥离。

在步骤10中，将晶片512的顶面加以蚀刻以移除晶片512的未受氧化层514保护的部分，以形成顶层402的组件(图1C)。在一实施例中，通过使用DRIE方法将晶片512向下蚀刻到由氧化层516所形成的蚀刻终止层。当蚀刻穿透装置400的顶部时，在结合晶片502和512之间捕集的气体可逃逸并破坏如梳齿的易损坏组件。为防止此类破坏，将环绕顶部反射镜层406(图1C)的间隙409A和409B(图1C)设计为大于环绕其它组件的间隙，以使得间隙409A和409B下方的氧化层516在其它间隙之前被蚀刻穿透。此举使得空气从顶部反射镜层406周围逃逸，顶部反射镜层係结构坚固组件。

在步骤11中，荫罩表面522保护反射镜的顶面以防止顶部反射镜层406被蚀刻穿透。若惯性减小的沟槽408的宽度比其它间隙的宽度小以使得其不会被蚀刻穿透，则此步骤为可选的。然而，荫罩可优选地创建宽度较大的惯性减小沟槽408，进而移除更多的质量并进一步减小旋转结构的惯性。

在步骤12中，将光阻剂520沉积到晶片502的底面上，并在晶片502的底面上曝光且显影，以界定组合对准标记466(图1F)、分隔沟槽509(如步骤13中所示)及用于将底部反射镜层460(图1E)与底层404(图1E)分隔开的间隙465(图1E)。所使用遮罩与顶部晶片表面上的微影对准标记521相对准。

在步骤13中，将晶片502的底面加以蚀刻以移除晶片502的未受光阻剂520保护的部分以形成组合对准标记466(图1F)及分隔沟槽509，且将底部反射镜层460(图1E)与层404(图1E)分隔开。在一实施例中，使用DRIE方法来蚀刻晶片502。

在步骤14中，将部分的氧化层516从所述结构上移除以释放装置400的各种组件，同时保持相应结合衬垫与锚定衬垫之间的结合。在一实施例中使用氢氟酸湿式蚀刻来移除部分的氧化层516。

在步骤15中，将底部反射镜层460的底面(图1F)沉积反射性材料(例如，铝)，以创建镜面。在一实施例中，荫罩用于界定供反射性材料沉积的区域。

在步骤16中，将由晶片502和512构成的装置400分成单个。在一实施例中，通过经由分隔沟槽509和519(如步骤15中所示)切割而将晶片502和512分成单个。

参看图1A，下文将解释在一实施例中装置400的运作。可旋转梳齿416经由结合衬垫424相耦合以从一电压源476(例如，接地电压源)接收一参考电压。固定梳齿434经由结合衬垫436相耦合以从一电压源478(例如，DC电压源)接收一稳定电压。固定梳齿474(图1D和图1E)经由结合衬垫472相耦合以从一电压源480(例如，AC电压源)接收一振荡电压。因而，可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的稳定电压差改变装置400的固有频率，而可旋转梳齿416与固定梳齿474(图1D和图1E)之间的AC电压差使得反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。

参看图1H，下文将解释在另一实施例中装置400的运作。可旋转梳齿416经由结合衬垫424相耦合以从电压源476(例如，DC电压源)接收一稳定电压。固定梳齿434经由结合衬垫436相耦合以从AC电压源480接收一振荡电压。固定梳齿474(图1D和图1E)经由结合衬垫472相耦合以从DC电压源478接收一稳定电压。可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的稳定电压差改变装置400的固有频率和旋转振幅，而AC电压使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。此外，可旋转梳齿416与固定梳齿474(图1D和图1E)之间的稳定电压差同样可用于改变装置400的旋转角度的幅度。同样可经由个别结合衬垫436和472来感测可旋转梳齿416与固定梳齿474之间的电容以判定装置400的旋转角度。

参看图1I，下文将解释在另一实施例中装置400的运作。可旋转梳齿416经由结合衬垫424相耦合以从AC电压源480接收一振荡电压。固定梳齿434经由结合衬垫436相耦合以从DC电压源476接收一稳定电压。固定梳齿474(图1D和图1E)经由结合衬垫472相耦合以从DC电压源478接收一稳定电压。可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的稳定电压差改变装置400的固有频率和旋转振幅，而可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的AC电压差使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。可旋转梳齿416与固定梳齿474(图1D和图1E)之间的稳定电压差同样可用于改变装置400的旋转角度的幅度。同样可经由个别结合衬垫436和472来感测可旋转梳齿416与固定梳齿474之间的电容以判定装置400的旋转角度。

参看图1J，下文将解释在另一实施例中装置400的运作。可旋转梳齿416经由结合衬垫424相耦合以从DC电压源476接收一稳定电压。固定梳齿434经由结合衬垫436相耦合以从一AC电压源480A接收一振荡电压。固定梳齿474(图1D和图1E)经由结合衬垫472相耦合以从一AC电压源480B接收一振荡电压。由AC电压源480B所提供的振荡电压异相于(例如，180度异相)由电压源480A所提供的振荡电压。可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的稳定电压差改变装置400的固有频率和旋转振幅，而AC电压差使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。可旋转梳齿416与固定梳齿474(图1D与图1E)之间的AC电压差同样可用于使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。同样可经由个别结合衬垫436和472来感测可旋转梳齿416与固定梳齿474之间的电容以判定装置400的旋转角度。

参看图1K，下文将解释在另一实施例中装置400的运作。可旋转梳齿416经由结合衬垫424相耦合以从AC电压源480A接收一振荡电压。固定梳齿434经由结合衬垫436相耦合以从DC电压源476接收一稳定电压。固定梳齿474(图1D和图1E)经由结合衬垫472相耦合以从AC电压源480B接收一振荡电压。可旋转梳齿416与固定梳齿434之间的DC电压差改变装置400的固有频率和旋转振幅，而AC电压差使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。可旋转梳齿416与固定梳齿474(图1D和图1E)之间的DC电压差同样可用于改变装置400的旋转角度的幅度，而振荡电压差同样可用于使反射镜以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。可经由个别结合衬垫436和472来感测可旋转梳齿416与固定梳齿474之间的电容以判定装置400的旋转角度。

图3、4、5、6、7和8说明本发明的一个实施例中的MEMS扫描反射镜装置600。装置600包括一结合到底层604(图6和图7)上但与其电绝缘的顶层602(图3和图4)。

参看图3和图4，顶层602包括具有宽度A和长度B的椭圆形反射镜606。宽度为C的间隙609A和609B将反射镜606与周围组件(例如，结合衬垫636)分隔开。将间隙609A和609B的宽度C设计为大于环绕较易损坏组件的间隙的宽度，从而使得在蚀刻过程中任何捕集的气体均可从反射镜606周围而非所述易损坏组件周围逃逸。在结合衬垫636上形成对准标记666以将其它组件同装置600相对准。

反射镜606的相对侧经由复数个支撑附件610而连接到横梁状结构612A和612B的最近端。通过将反射镜606在复数个位置上连接到横梁612A和612B，可使得反射镜606的动态变形最小化。支撑附件610的位置和数量可进一步通过有限元分析而确定。每个横梁612A和612B具有长度D和宽度E。

绕旋转轴线614的横梁612A和612B的相对侧连接到可旋转梳齿616(如图5中放大展示)。每个可旋转梳齿616都具有一个由基底宽度F、端部宽度G、长度H和间距W组成的锥形体。通过减小可旋转梳齿616在其端部处的尺寸并因而减小重量，可降低整个结构的惯性。通过减小结构惯性，可提高扫描速度或/和减小驱动电压。在一实施例中，可旋转梳齿616提供用于通过调谐活动结构的模态频率来提高其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，可旋转梳齿616提供用于驱动反射镜的静电驱动力。在又一实施例中，可旋转梳齿616提供静电偏压力和静电驱动力两者。

横梁612A和612B经由螺旋形弹簧(也称为“铰链”)而连接到安装于底层604上的结合衬垫。具体而言，横梁612A具有一经由螺旋形弹簧622-1而连接到结合衬垫624的远端。此外，横梁612A具有一中间部分，所述中间部分经由(1)螺旋形弹簧622-2及622-3连接到横梁612A内所形成的结合衬垫626-1；(2)螺旋形弹簧622-4和622-5连接到横梁612A内所形成的结合衬垫626-2；(3)螺旋形弹簧622-6和622-7连接到横梁612A内所形成的结合衬垫626-3；和(4)螺旋形弹簧622-8和622-9连接到横梁612A内所形成的结合衬垫626-4。

类似地，横梁612B具有一经由螺旋形弹簧628-1而连接到结合衬垫630的远端。此外，横梁612B具有一中间部分，所述中间部分经由(1)螺旋形弹簧628-2和628-3连接到横梁612B内所形成的结合衬垫632-1；(2)螺旋形弹簧628-4和628-5连接到横梁612B内所形成的结合衬垫632-2；(3)螺旋形弹簧628-6和628-7连接到横梁612B内所形成的结合衬垫632-3；和(4)螺旋形弹簧628-8和628-9连接到横梁612B内所形成的结合衬垫632-4。

因而，横梁612A和612B经由弹簧沿反射镜606的旋转轴线614以分布方式相连接。每个螺旋形弹簧622和628具有宽度I(图4)且由长度为J的五个部分组成。每个结合衬垫626和632具有高度K和宽度L。

通过仔细调整弹簧的硬度和位置分布，可将活动结构的所有模态频率有效地分隔开并且可在最低谐振频率设计所要可旋转模式。由于主谐振频率为最低且远离其它结构模态频率，因而反射镜旋转将不会激活任何其它不当的振动模式。通过使用复数个弹簧，每个弹簧上的最大应力和张力低于仅由一对扭转横梁所支撑的常规扫描反射镜设计。由于每个弹簧上的应力和张力减小，因而每个弹簧的可靠性得以改进且可旋转角度增大。

顶层602进一步包括与可旋转梳齿616面内相互交叉的固定梳齿634(如图5中放大展示)。每个固定梳齿634具有一由基底宽度M、端部宽度N、长度O、与可旋转梳齿634之间的恒定间隔P及间距W所组成的锥形体。在一实施例中，固定梳齿634提供用于通过调谐活动结构的模态频率而提高其驱动效率的静电偏压力。在另一实施例中，固定梳齿634提供用于驱动反射镜606的静电驱动力。在又一实施例中，固定梳齿634提供静电偏压力和静电驱动力两者。固定梳齿634被连接到安装于底层604上的结合衬垫636。

在顶层602被蚀刻以形成结合衬垫624和636之后，界定出衬垫652。衬垫652与结合衬垫624和636之间分隔开距离AJ。此外，结合衬垫636与间隙609A和609B之间至少分隔开距离AK。

参看图6和图7，底层604包括一肋条660，其结合到反射镜606的底面。肋条660用于强固反射镜606而不显著增加反射镜质量。因此，其最小化反射镜606的动态变形。通过最小化反射镜606的整体动态变形，可改进装置600的光学分辨率。藉助一间隙665将肋条660与底层604的组件分隔开。肋条660具有一椭圆形状，具有与垂直横梁互连的水平横梁。肋条660的形状可进一步通过有限元分析来确定。

底层604包括数个用于锚定顶层602中的结合衬垫的表面。具体而言，(1)锚定衬垫668-1、668-2、668-3、668-4提供数个用于安装相应的结合衬垫626-1、626-2、626-3和626-4(图3)的表面；(2)锚定衬垫670-1、670-2、670-3和670-4提供数个用于安装相应的结合衬垫632-1、632-2、632-3和632-4(图4)的表面；并且(3)锚定衬垫672一提供用于安装结合衬垫624、630、636和652(图3和图4)的表面。

底层604包括与可旋转梳齿616面外相互交指的相对的固定梳齿674和675(在图8中放大展示)。换句话说，当从上方看去或当反射镜606旋转时，两者呈相互交指状态。每个固定梳齿674具有一具有基底宽度Q、端部宽度R、长度S和间距W的锥形体。固定梳齿674的端部位于距离中心线615一距离X的位置处，所述中心线与旋转轴线614相一致。每个固定梳齿675具有一具有基底宽度T、端部宽度U、长度V和间距W的锥形体。固定梳齿675的端部位于距离中心线615一距离Y的位置上。在固定梳齿674和675与锚定衬垫672之间提供一间隙682。间隙682具有一比相邻固定梳齿474之间的间隙大的宽度，以使得间隙682被蚀刻到底层604内较深的位置处。较深的间隙682允许可旋转梳齿616旋转一较大的角度而不会接触到底层604。

在一实施例中，感测可旋转梳齿616与固定梳齿674和675之间的电容以判定所述反射镜的可旋转位置。在一实施例中，固定梳齿674具有比固定梳齿675的表面积大的表面积，以使得当可旋转梳齿616旋转到固定梳齿674内时所产生的电容大于当可旋转梳齿616旋转到固定梳齿675内时所产生的电容。因而，可检测出反射镜旋转的方向。

图9说明在本发明的一实施例中用于制作装置600的方法800。此过程从步骤0′，以硅晶片802开始，所述硅晶片802具有形成于顶面上的二氧化硅层804和形成于底面上的二氧化硅层806。晶片802用于形成装置600的底层604(图6和图7)。硅晶片802具有厚度Z，二氧化硅层804具有厚度AA且二氧化硅层806具有厚度AB。

在步骤1′中，在微影过程中将光阻剂808沉积到氧化层806上，曝光并显影，以界定出一个或一个以上微影对准标记811(如步骤3′中所示)。

在步骤2′中，将晶片802的底面加以蚀刻以移除氧化层806的未受光阻剂808保护的部分。在一实施例中，氧化层806被干式蚀刻。将晶片802的顶面沉积光阻剂810以保护其免受底面的蚀刻。

在步骤3′中，将晶片802的底部晶片表面加以蚀刻以移除晶片802的未受氧化层806保护的部分，以形成微影对准标记811。在硅干式蚀刻之后，将所剩光阻剂808和810剥离。

在步骤4′中，在微影过程中再次涂覆光阻剂810，并将其曝光且显影，以在晶片802的顶面上界定出肋条660(图6)、锚定衬垫668-1到668-4、670-1到670-4及672(图6和图7)以及固定梳齿674和675(图6、图7和图8)。所使用遮罩与底部晶片表面上的微影对准标记811相对准。

在步骤5′中，将晶片802顶面加以蚀刻以移除氧化层804的未受光阻剂810保护的部分。在一实施例中，氧化层804被干式蚀刻。

在步骤6′中，将晶片802的顶面加以蚀刻以移除晶片802的未受氧化层804保护的部分以形成肋条660(图6)、锚定衬垫668-1到668-4、670-1到670-4及672(图6和图7)以及固定梳齿674和675(图6、图7和图8)。肋条660可不受其它组件限制自由地蚀刻，而锚定衬垫668-1到668-4、670-1到670-4及672被蚀刻到高度AC，且梳齿674和675被蚀刻到高度AD。而后，将所剩光阻剂810剥离且通过湿式蚀刻或干式蚀刻将氧化层804和806移除。

在步骤7′中，将硅晶片812结合到晶片802的顶面上。晶片812具有形成于顶部晶片表面上的二氧化硅层814和形成于底部晶片表面上的二氧化硅层816。晶片812用于形成装置600的顶层602(图3和图4)。硅晶片812具有厚度AE，二氧化硅层814具有厚度AF且二氧化硅层816具有厚度AG。在一实施例中，晶片812和802通过硅熔接而相互结合。

在步骤8′中，在微影过程中将光阻剂818沉积到氧化层814上，曝光并显影，以界定出顶层602的组件(图3、图4和图5)。所使用的遮罩与底部晶片表面上的微影对准标记811相对准。在步骤8′中同样界定出一个或一个以上微影对准标记821(如步骤11′中所示)和分隔沟槽819(如步骤11′中所示)。

在步骤9′中，将晶片812的顶面加以蚀刻以移除氧化层814的未受光阻剂818保护的部分。在一实施例中，氧化层814被干式蚀刻。而后，将所剩光阻剂818剥离。

在步骤10′中，将晶片812的顶面加以蚀刻以移除晶片812的未受氧化层814保护的部分，以形成顶层602的组件(图3、图4和图5)。在一实施例中，通过使用DRIE方法将晶片812向下蚀刻到由氧化层816所形成的蚀刻终止层。当蚀刻穿透装置600的顶部时，在结合晶片802和812之间捕集的气体可逃逸并破坏易损坏组件，如梳齿和螺旋形弹簧。为防止此类破坏，将环绕反射镜606(图3)的间隙609A和609B(图3)设计为大于环绕其它组件的间隙，以使得间隙609A和609B下方的氧化层816在其它间隙之前被曝光。此举使得空气从反射镜606周围逃逸，反射镜係结构坚固组件。

在步骤11′中，将光阻剂820沉积到晶片802的底面上，在晶片802的底面上曝光并显影，以界定出分隔沟槽809(如步骤12′中所展示)和用于将肋条660(图6)同底层604(图6)相分隔的间隙665(图6和步骤12′)。所使用遮罩与顶部晶片表面上的微影对准标记821相对准。

在步骤12′中，将晶片802的底面加以蚀刻以移除晶片802的未受光阻剂820保护的部分，以形成分隔沟槽809并将肋条660(图6)同底层604(图6)分隔开。分隔沟槽809具有深度AH。在一实施例中，使用DRIE方法来蚀刻晶片802。

在步骤13′中，将部分的氧化层816从所述结构中移除以释放装置600的各种组件，同时保持相应结合衬垫与锚定衬垫之间的结合以及反射镜与肋条之间的结合。在一实施例中，使用氢氟酸湿式蚀刻而移除部分的氧化层816。

在步骤14′中，将反射镜606的顶面(图3)沉积反射性材料(例如，铝)，以创建镜面。在一实施例中，荫罩用于界定供反射性材料沉积的区域。

在步骤15′中，将由晶片802和812构成的装置600分成单个。在一实施例中，通过经由分隔沟槽809和819(如步骤14′中所示)切割而将晶片802和812分成单个。

在本发明的一实施例中，装置600的尺寸如下所示：

参考数字	尺寸(以微米计)
		反射镜606的宽度A	＞1000 & ＜1200(如，1110)
反射镜606的长度B	＞4000 & ＜5500(如，5000)
		反射镜间隙609的宽度C	＞150 & ＜350(如，250)
横梁612的长度D	＞3000 & ＜9000(如，8000)
		横梁612的宽度E	＞800 & ＜1400(如，1240)
可旋转梳齿616的基底宽度F	＞8 & ＜14(如，10.5)
		可旋转梳齿616的端部宽度G	＞4 & ＜10(如，6)
可旋转梳齿616的长度H	＞400 & ＜900(如，780)

弹簧622的宽度I	＞20 & ＜60(如，50)
		弹簧622的长度J	＞200 & ＜500(如，390)
结合衬垫626和632的高度K	＞350 & ＜700(如，640)
		结合衬垫626和632的宽度L	＞350 & ＜700(如，660)
固定梳齿634的基底宽度M	＞8 & ＜14(如，11.5)
		固定梳齿634的端部宽度N	＞4 & ＜10(如，7)
固定梳齿634的长度O	＞400 & ＜900(如，780)
		可旋转梳齿616与固定梳齿636之间的间隔P	＞8 & ＜14(如，11.5)
固定梳齿674的基底宽度Q	＞8 & ＜14(如，8)
		固定梳齿674的端部宽度R	＞4 & ＜10(如，7)
固定梳齿674的长度S	＞150 & ＜500(如，200)
		固定梳齿675的基底宽度T	＞6 & ＜14(如，7.5)
固定梳齿675的端部宽度U	＞4 & ＜10(如，7)
		固定梳齿675的长度V	＞150 & ＜500(如，100)
梳齿的间距W	＞30 & ＜50(如，40)
		固定梳齿674与中心线615之间的距离X	＞500 & ＜700(如，660)

固定梳齿675与中心线615之间的距离Y	＞500 & ＜700(如，660)
		用于形成底层604的底部晶片802的厚度Z	＞450 & ＜550(如，525)
底部晶片802上的顶部氧化层804的厚度AA	＞1 & ＜2(如，1.5)
		底部晶片802上的底部氧化层806的厚度AB	＞1 & ＜2(如，1.5)
底层604上的锚定衬垫668和670的高度AC	＞300 & ＜450(如，400)
		底层604上的固定梳齿674和675的高度AD	＞250 & ＜450(如，300)
用于形成顶层602的顶部晶片812的厚度AE	＞120 & ＜240(如，150)
		顶部晶片812上的顶部氧化层814的厚度AF	＞1 & ＜2(如，1.2)
顶部晶片812上的底部氧化层816的厚度AG	＞1 & ＜2(如，1.2)
		底部晶片812上的分隔沟槽809的深度AH	＞120 & ＜240(如，180)
从衬垫152到衬垫624和636中任一者的最小距离AJ	＞120 & ＜240(如，200)
		从衬垫652到环绕所述反射镜的间隙609的距离AK	＞400(如，250)
弹簧数目	2到20(如，18)
		连接到弹簧的结合衬垫的数目	2到10(如，10)
具有肋条的整体反射镜厚度	＞240(如，675)

一个弹簧的整体铰链长度

＞600(如，1900)

下文将解释在一实施例中装置600的运作。可旋转梳齿616经由结合衬垫624相耦合以从电压源676接收一偏压(例如，接地电压或DC电压)。此用于改变装置600的固有频率。固定梳齿634经由结合衬垫636相耦合以从电压源678接收一驱动电压(例如，具有或不具有零偏移的AC电压)。此用于将反射镜606以所要的扫描频率并以所要的扫描角度振荡。将固定梳齿674和675经由结合衬垫672耦合到电容计680。此用于侦测反射镜606的旋转角度。

图10说明在本发明的一实施例中，可用于将反射镜606硬化而不会显著增加反射镜质量的另一肋条1060。肋条1060包括一在中线615的各侧具有三个突出横梁1064的中间部分1062。中间部分1062也包括减小肋条1060质量的洞1066。肋条1060的形状可进一步通过有限元分析来确定。

所揭示实施例的特征的各种其它修改及组合均属于本发明范畴内。举例而言，装置400和600可用于激光印刷、条码扫描及微型显示器应用中。许多实施例均涵盖于前述权利要求中。

Claims (41)

1.一种微机电系统(MEMS)反射镜装置，其包含：

一反射镜，其包含一大于1000且小于1200微米的宽度、一大于4000且一小于5500微米的长度和一大于240微米的厚度；

连接到所述反射镜的横梁，每个横梁包含复数个可旋转梳齿；

结合衬垫；和

弹簧，其中每个横梁通过多个弹簧连接到所述结合衬垫。

2.根据权利要求1所述的装置，其中每个横梁包含一大于800且小于1400微米的宽度、一大于3000且小于9000微米的长度和一大于120且小于240微米的厚度。

3.根据权利要求1所述的装置，其中每个可旋转梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于400且小于900微米的长度、一大于120且小于240微米的厚度和一大于30且小于50微米的间距。

4.根据权利要求1所述的装置，其中每个弹簧包含一大于20且小于60微米的宽度、一大于600微米的总长度和一大于120且小于240微米的厚度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述反射镜包括一具有与垂直横梁互连的水平横梁的肋条，每个横梁具有一大于450且小于550微米的厚度。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述结合衬垫中的某些结合衬垫被界定于所述横梁内且连接到至少一个弹簧。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述结合衬垫中的所述某些结合衬垫中的每一个具有一大于350且小于700微米的宽度与高度和一大于120且小于240微米的厚度。

8.根据权利要求1所述的装置，其进一步包含第一复数个固定梳齿，其中所述第一复数个固定梳齿和所述复数个可旋转梳齿面内相互交指。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述复数个可旋转齿中的每一个可旋转齿与所述第一复数个固定齿中的每一个固定齿之间的间隔大于8且小于14微米。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于400且小于900微米的长度、一大于120且小于240微米的厚度和一大于30且小于50微米的间距。

11.根据权利要求8所述的装置，其中所述复数个可旋转梳齿耦合到一第一稳定或振荡电压且所述复数个固定梳齿耦合到一第二稳定或振荡电压。

12.根据权利要求8所述的装置，其进一步包含第二复数个固定梳齿和第三复数个固定梳齿，其中所述第二和所述第三复数个固定梳齿与所述复数个可旋转梳齿面外相互交指。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于150且小于500微米的长度、一大于250且小于450微米的高度和一大于30且小于50微米的间距。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第三复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于6且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于150且小于500微米的长度、一大于250且小于450微米的高度和一大于30且小于50微米的间距。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述第二复数个固定梳齿的端部位于离一旋转轴线大于500且小于700微米处，且所述第三复数个固定梳齿的端部位于离所述旋转轴线大于500且小于700微米处。

16.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二和所述第三复数个固定梳齿耦合到一电容计以感测所述反射镜的一旋转角度。

17.根据权利要求1所述的装置，其中一环绕所述反射镜的间隙具有一大于150且小于350微米的宽度。

18.根据权利要求17所述的装置，其中一在所述反射镜周围的衬垫离环绕所述反射镜的所述间隙具有大于400微米的最窄厚度。

19.根据权利要求1所述的装置，其包含至少两个横梁、十个弹簧和六个结合衬垫。

20.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置用于一选自由激光印刷、条码扫描和微型显示器应用组成的组的应用中。

21.根据权利要求1所述的装置，其中所述反射镜包括一包含一中间部分和从所述中间部分的相对侧凸出的横梁的肋条，所述肋条具有一大于450且小于550微米的厚度。

22.一种微机电系统(MEMS)反射镜装置，其包含：

一底层，其包含：

一肋条；

第一复数个固定梳齿；

第二复数个固定梳齿；

锚定衬垫；

一顶层，其包含：

一底面结合到所述肋条的一反射镜，所述反射镜包含一大于1000且小于1110微米的宽度、一大于4000且小于5500微米的长度和一大于120微米的厚度；

连接到所述反射镜的横梁，每个横梁包含复数个可旋转梳齿；

结合衬垫，其被结合到所述锚定衬垫顶部但与其电绝缘；

弹簧，其中每个横梁通过所述弹簧连接到所述结合衬垫；

第三复数个固定梳齿，其连接到所述结合衬垫中的一个；

其中所述第一和所述第二复数个固定梳齿与所述可旋转梳齿面外相互交指，且所述第三复数个固定梳齿与所述复数个可旋转梳齿面内相互交指。

23.根据权利要求22所述的装置，其中每个横梁包含一大于800且小于1400微米的宽度、一大于3000且小于9000微米的长度和一大于120且小于240微米的厚度。

24.根据权利要求22所述的装置，其中每个可旋转梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于400且小于900微米的长度、一大于120且小于240微米的厚度和一大于30且小于50微米的间距。

25.根据权利要求22所述的装置，其中每个弹簧包含一大于20且小于60微米的宽度、一大于600微米的总长度和一大于120且小于240微米的厚度。

26.根据权利要求22所述的装置，其中每个横梁具有一大于450且小于550微米的厚度。

27.根据权利要求22所述的装置，其中所述结合衬垫中的某些结合衬垫被界定于所述横梁内且连接到至少一个弹簧。

28.根据权利要求27所述的装置，其中所述结合衬垫中的该等某些结合衬垫中的每一个具有一大于350且小于700微米的宽度与高度和一大于120且小于240微米的厚度。

29.根据权利要求22所述的装置，其中所述第一复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于150且小于500微米的长度、一大于250且小于450微米的高度和一大于30且小于50微米的间距。

30.根据权利要求29所述的装置，其中所述第二复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于6且小于14微米的宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于150且小于500微米的长度、一大于250且小于450微米的高度和一大于30且小于50微米的间距。

31.根据权利要求30所述的装置，其中所述第二复数个固定梳齿的端部位于离一旋转轴线大于500且小于700微米处，且所述第三复数个固定梳齿的端部位于离所述旋转轴线大于500且小于700微米处。

32.根据权利要求30所述的装置，其中所述第三复数个固定梳齿中的每一个固定梳齿包含一大于8且小于14微米的基底宽度、一大于4且小于10微米的端部宽度、一大于400且小于900微米的长度、一大于120且小于240微米的厚度和一大于30且小于50微米的间距。

33.根据权利要求22所述的装置，其中所述复数个可旋转梳齿耦合到一第一稳定或振荡电压，且所述第三复数个固定梳齿耦合到一第二稳定或振荡电压。

34.根据权利要求33所述的装置，其中所述第一和所述第二复数个固定梳齿耦合到一电容计以感测所述反射镜的一旋转角度。

35.根据权利要求22所述的装置，其中一环绕所述反射镜的间隙具有一大于150且小于350微米的宽度。

36.根据权利要求35所述的装置，其中连接到所述第三复数个固定梳齿的所述一个结合衬垫离环绕所述反射镜的所述间隙具有一大于400微米的最窄厚度。

37.根据权利要求22所述的装置，其包含至少两个横梁、十个弹簧、六个结合衬垫和五个锚定衬垫。

38.根据权利要求22所述的装置，其中所述复数个可旋转齿中的每一个可旋转齿与所述第三复数个固定齿中的每一个固定齿之间的间隔大于8且小于14微米。

39.根据权利要求22所述的装置，其中所述装置用于一选自由激光印刷、条码扫描和微型显示器应用组成的组的应用中。

40.根据权利要求22所述的装置，其中所述肋条包含与垂直横梁互连的水平横梁，每个横梁具有一大于450且小于550微米的厚度。

41.根据权利要求22所述的装置，其中所述肋条包含一中间部分和从所述中间部分的相对侧凸出的横梁，所述肋条具有一大于450且小于550微米的厚度。

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