DE102004037833A1

DE102004037833A1 - Mems-Abtastspiegel mit verteilten Gelenken und mehreren Tragebefestigungen

Info

Publication number: DE102004037833A1
Application number: DE102004037833A
Authority: DE
Inventors: Fu Fremont Yee-Chung
Original assignee: Advanced Nano Systems Inc
Current assignee: ADVANCED NUMICRO SYSTEMS, INC., SAN JOSE, CALIF.,
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2005-03-31
Also published as: JP3895742B2; US20060144948A1; JP2005070791A

Abstract

Eine MEMS-Abtastspiegelvorrichtung umfasst einen Abtastspiegel, drehbare Kammzähne, stationäre Kammzähne, verteilte Serpentinenfedern und Anker. Der Abtastspiegel und die drehbaren Kammzähne werden durch eine elektrostatische Kraft von stationären Zähnen innerhalb der Ebene und/oder außerhalb der Ebene getrieben. Der Spiegel ist durch mehrere Tragebefestigungen an der drehbaren Kammstrukturt befestigt. Mehrere Serpentinenfedern dienen als flexible Gelenke, die die bewegliche Struktur mit der stationären Tragestruktur verbinden.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf MEMS-Vorrichtungen (MEMS = micro-electro-mechanical system = mikro-elektromechanisches System) und insbesondere auf MEMS-Abtastspiegel.

Verschiedene elektrostatische Kammbetätigungsvorrichtungsentwürfe für MEMS-Abtastspiegel wurden vorgeschlagen. Die ausgedehnten Anwendungen dieser Vorrichtungen umfassen Barcodeleser, Laserdrucker, konfokale Mikroskope, Projektionsanzeigen, Rückprojektionsfernseher und tragbare Anzeigen. Ein MEMS-Abtastspiegel wird typischerweise bei seiner Hauptresonanz betrieben, um einen großen Abtastwinkel zu erreichen. Um eine stabile Operation sicherzustellen, ist es wesentlich, sicherzustellen, dass der Spiegel und seine zugeordnete bewegliche Struktur in der gewünschten Modenform bei der niedrigsten und Hauptresonanzfrequenz vibrieren. Außerdem muss diese Hauptfrequenz weit von anderen strukturellen Schwingungsfrequenzen getrennt sein, um eine potenzielle Kopplung zwischen den gewünschten und ungewünschten Modenformen zu vermeiden.

Die ungewünschten strukturellen Schwingungen erhöhen die dynamische Spiegeldeformation und führen zu einer verschlechterten optischen Auflösung. Ferner können einige der strukturellen Schwingungsmodi bewirken, dass die drehbar beweglichen und stationären Kammzähne in Kontakt kommen und die Betätigungsvorrichtung völlig zerbrechen. Zwei oder mehr strukturelle Schwingungsmodi mit nahen Resonanzfrequenzen können gekoppelt sein, um eine hohe Schwingungsamplitude zu erzeugen, die zu einem Gelenkausfall führt. Somit werden bei dem Entwurf von MEMS-Abtastspiegeln eine Vorrichtung und ein Verfahren benötigt, um die Schwingungsstabilität bei der Resonanz effektiv zu verbessern und eine optische Auflösung dieser Vorrichtungen sicherzustellen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MEMS-Abtastspiegelvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 6 gelöst.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine MEMS-Abtastspiegelvorrichtung einen Abtastspiegel, drehbare Kammzähne, stationäre Kammzähne, verteilte Serpentinenfedern und Anker. Der Abtastspiegel und die drehbaren Kammzähne werden durch eine elektrostatische Kraft von stationären Zähnen innerhalb der Ebene und/oder außerhalb der Ebene. Der Spiegel ist durch mehrere Tragebefestigungen mit der drehbaren Kammstruktur verbunden. Mehrere Serpentinenfedern dienen als die flexiblen Gelenke, die die bewegliche Struktur mit der stationären Tragestruktur verbinden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A, 1B und 1C Draufsichten der Schichten in einer MEMS-Vorrichtung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2A, 2B und 2C Draufsichten der Schichten in einer MEMS-Vorrichtung bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine Deformation eines Abtastspiegels bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1A stellt eine MEMS-Abtastspiegelvorrichtung 100 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Vorrichtung 100 umfasst eine obere Schicht 100A (1B) und eine untere Schicht 100B (1C).
Mit Bezugnahme auf 1B umfasst die obere Schicht 100A drehbare Kammzähne 108, die mit gegenüberliegenden Seiten von balkenartigen Strukturen 103A und 103B verbunden sind. Die nahen Enden der Balken 103A und 103B sind durch mehrere Tragebefestigungen 102 mit gegenüberliegenden Seiten eines Abtastspiegels 101 verbunden. Anders ausgedrückt, jeder Balken ist an mehreren Positionen mit dem Abtastspiegel 101 verbunden. Die Positionen und die Anzahl von Tragebefestigungen 102 sind sorgfältig ausgewählt durch Finite-Elemente-Analyse zum Minimieren der dynamischen Deformation des Abtastspiegels 101. Durch Reduzieren der dynamischen Deformation des Abtastspiegels 101 mit den Tragebefestigungen 102 wird die optische Auflösung der Vorrichtung 100 verbessert.
Die Balken 103A und 103B sind durch acht Serpentinenfedern/Gelenke 105A–105H an der unteren Schicht 100B (1B) auf verteilte Weise entlang der Drehachse (z. B. der x-Achse) des Abtastspiegels 101 befestigt. Genauer gesagt, das distale Ende des Balkens 103A ist durch eine Feder/ein Gelenk 105A mit dem Anker 104A verbunden, und das distale Ende des Balkens 103B ist durch eine Feder/ein Gelenk 105H mit dem Anker 104H verbunden. Entlang ihrer Längen sind der Balken 103A durch Federn/Gelenke 105B bis 105D mit entsprechenden Ankern 104B bis 104D verbunden, und der Balken 103B ist durch Federn/Gelenke 105E bis 105G mit entsprechenden Ankern 104E bis 104G verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Federn 105B bis 105G in den Balken 103A und 103B positioniert. Die Anker 104A bis 104H sind an der unteren Schicht 100B befestigt (1C).
Die obere Schicht 100A kann stationäre Kammzähne 109 umfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 109 die elektrostatische Vorspannungskraft, die verwendet wird, um die Antriebseffizienz der beweglichen Struktur zu erhöhen, durch Abstimmen der Modalfrequenz derselben. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 109 die elektrostatische Antriebskraft zum Treiben des Abtastspiegels 101. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 109 sowohl die elektrostatische Vorspannungskraft als auch die elektrostatische Antriebskraft.
Mit Bezugnahme auf 1C umfasst die untere Schicht 100C Oberflächen 106A bis 106H, die als Ankeroberflächen für die bewegliche Struktur in der oberen Schicht 100A dienen (1A). Genauer gesagt sind die Anker 104A bis 104H mit entsprechenden Oberflächen 106A bis 106H verbunden. Der Hohlraum 107 bringt die Drehung des Abtastspiegels 101 unter, ohne die untere Schicht 100B zu berühren. Bei einem Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 110 die elektrostatische Antriebskraft zum Treiben des Abtastspiegels 101. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 110 die elektrostatische Vorspannungskraft, die verwendet wird, um die Antriebseffizienz der beweglichen Struktur zu erhöhen. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 110 sowohl elektrostatische Antriebskraft als auch die elektrostatische Vorspannungskraft. Von oben gesehen greifen die stationären Kammzähne 109 und 110 mit den drehbaren Kammzähnen 108 ineinander.
Wie es oben beschrieben ist, sind die Federn 105A bis 105H entlang den Balken 103A und 103B verteilt. Durch sorgfälti ges Einstellen der Verteilung der Torsions- und Translations-Steifheit dieser Federn können alle Modalfrequenzen der beweglichen Struktur effektiv getrennt werden, und der gewünschte Drehmodus kann bei der niedrigsten Resonanzfrequenz entworfen werden. Da die Hauptresonanzfrequenz die niedrigste und weit entfernt von anderen strukturellen Modalfrequenzen ist, erregt die Spiegeldrehung keinen anderen unerwünschten Schwingungsmodus.
Unter Verwendung mehrerer Federn ist die maximale Spannung und Belastung auf jeder einzelnen Feder deutlich niedriger als herkömmliche Abtastspiegelentwürfe, die nur durch ein Paar von Torsionsbalken getragen werden. Daher verbessert der verteilte Federentwurf die Vorrichtungszuverlässigkeit wesentlich. Zusammenfassend sind die Systemzuverlässigkeit und Servo und die optische Leistungsfähigkeit alle mit Ausführungsbeispielen der Erfindung verbessert.
2A stellt eine MEMS-Abtastspiegelvorrichtung 200 bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Die Vorrichtung 200 umfasst eine obere Schicht 200A (2B) und eine untere Schicht 200B (2C).
Mit Bezugnahme auf 2B umfasst die obere Schicht 200A einen Spiegel 201, der durch mehrere Tragebefestigungen 202 mit dem Balken 203A und 203B verbunden ist. Der Spiegel 208 und die Tragebefestigung 202 sind ähnlich wie diejenigen, die in 1B gezeigt sind. Drehbare Kammzähne 208 sind mit einer Seite der Balken 203A und 203B verbunden.
Die Balken 203A und 203B sind durch Federn/Gelenke 205A bis 205H mit der stationären Oberfläche 204 der oberen Oberfläche 200A auf eine verteilte Weise verbunden, entlang der Drehachse des Abtastspiegels 201. Genauer gesagt, das distale Ende des Balkens 203A ist durch die Feder/das Gelenk 205A mit der Oberfläche 204 verbunden, und das distale Ende des Balkens 203B ist durch eine Feder/ein Gelenk 205H mit der Oberfläche 204 verbunden. Entlang ihren Längen sind der Balken 203A durch die Federn/Gelenke 205B bis 205D mit der Oberfläche 204 verbunden, und der Balken 203B durch Federn/Gelenke 205E bis 205G mit der Oberfläche 204 verbunden.
Mit Bezugnahme auf 2C umfasst die untere Schicht 200B einen Hohlraum 207, der die Drehung des Abtastspiegels 201 unterbringt, ohne die untere Schicht 200B zu berühren. Bei einem Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 210 die elektrostatische Antriebskraft zum Treiben des Abtastspiegels 201. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 210 die elektrostatische Vorspannungskraft, die verwendet wird, um die Antriebseffizienz der beweglichen Struktur zu erhöhen. Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel liefern die stationären Kammzähne 210 sowohl die elektrostatische Antriebskraft als auch die elektrostatische Vorspannung. Von oben gesehen greifen die stationären Kammzähne 210 mit den drehbaren Kammzähnen 208 ineinander.
3 zeigt eine typische Spiegeldynamikdeformation eines Spiegels 301. Der Spiegel 301 dreht sich entlang der x-Achse, die in die Seite hinein oder aus derselben hinaus zeigt. Die Gesamtspiegeldynamikdeformation 302 ist gezeigt. Die x-Achse und die y-Achse bilden eine Ebene, wo sich die ursprüngliche Spiegeloberfläche befindet. Die z-Achse wird verwendet, um die Bewegung des Spiegels außerhalb der Ebene zu beschreiben. Die Spiegeldynamikdeformation ist eine Funktion der Spiegeldicke, der Abtastfrequenz, der Spiegelgröße und des Drehwinkels. Die Spitze-zu-Spitze-Dynamikdeformation muss kleiner sein als ein Viertel der Wellenlänge zum Verhindern, dass Brechung die optische Leistungsfähigkeit des Abtastspiegels begrenzt. Es wird geschätzt, dass die in 1A und 2A gezeigten vorgeschlagenen Spiegelbefestigungsstrukturen und -verfahren die Spiegeldynamikdeformation um bis zu 50 Prozent reduzieren.
Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der Ausführungsbeispiele, die offenbart sind, liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung. Obwohl der Abtastspiegel 201 durch stationäre Zähne 210 außerhalb der Ebene angetrieben wird, können die Ausführungsbeispiele der Erfindung modifiziert werden, sodass der Abtastspiegel 201 durch stationäre Zähne innerhalb der Ebene angetrieben wird. Zahlreiche Ausführungsbeispiele sind durch die folgenden Ansprüche umschlossen.

Claims

Mikro-elektromechanisches-System-(MEMS-)Abtastspiegelvorrichtung (100), die folgende Merkmale umfasst: einen Abtastspiegel (101); eine Balkenstruktur (103A, 103B), die ein Ende aufweist, das mit einer Mehrzahl von Positionen an dem Abtastspiegel (101) verbunden ist; eine Mehrzahl von drehbaren Kammzähnen (108), die mit der Balkenstruktur verbunden sind; und eine Feder (105A–105H), die ein Ende aufweist, das mit der Balkenstruktur (103A, 103B) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Feder ein anderes Ende aufweist, das mit einem Anker (104A–104H) verbunden ist, der mit einer stationären Oberfläche verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Feder ein anderes Ende aufweist, das mit einer stationären Oberfläche verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine Mehrzahl von stationären Kammzähnen (110), wobei die stationären Kammzähne (110) und die drehbaren Kammzähne (108) ineinander greifen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine Mehrzahl von Federn (105A–105H), die jeweils ein Ende aufweisen, das mit der Balkenstruktur (103A, 103B) entlang einer Drehachse des Abtastspiegels (101) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Mehrzahl von Federn (105A–105H) jeweils ein anderes Ende aufweist, das mit einem entsprechenden Anker (104A–104H) verbunden ist, der mit einer entsprechenden stationären Oberfläche verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Mehrzahl von Federn (105A–105H) jeweils ein anderes Ende aufweist, das mit einer stationären Oberfläche verbunden ist.
Mikro-elektromechanisches-System- (MEMS-) Abtastspiegelvorrichtung (200), die folgende Merkmale umfasst: einen Abtastspiegel (201); eine Balkenstruktur (203A, 203B), die ein Ende aufweist, das mit dem Abtastspiegel (201) verbunden ist; eine Mehrzahl von drehbaren Kammzähnen (208), die mit der Balkenstruktur (203A, 203B) verbunden sind; und eine Mehrzahl von Federn (105A–105H), die jeweils ein Ende aufweisen, das mit der Balkenstruktur (203A, 203B) entlang einer Drehachse des Abtastspiegels (201) verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Mehrzahl von Federn (105A–105H) jeweils ein anderes Ende aufweisen, das mit einem entsprechenden Anker verbunden ist, der mit einer entsprechenden stationären Oberfläche verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Mehrzahl von Federn (105A–105H) jeweils ein anderes Ende aufweist, das mit einer stationären Oberfläche verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, die ferner folgendes Merkmal umfasst: eine Mehrzahl von stationären Kammzähnen (210), wobei die stationären Kammzähne (210) und die drehbaren Kammzähne (208) ineinander greifen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei der das eine Ende der Balkenstruktur mit einer Mehrzahl von Positionen an dem Abtastspiegel (201) verbunden ist.