TW504490B - Driver and method of operating a micro-electromechanical system device - Google Patents
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Description
504490 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __ B7_五、發明説明(1 ) 發明之技術部份 本發明一般在於微機電系統(MEMS)裝置,且更明確言 之,在於操作該MEMS裝置之驅動器及方法。 發明背景 多種申請書有提出靜電致動之微機電系統(MEMS)裝置 。MEMS裝置之一有希望之用途在光交換及轉向裝置上。在 此等裝置中,使用可移動之微機器鏡作爲交換元件,以引 導一輸入光信號至所需之輸出上。微機器鏡之移動由靜電 致動達成。 在普通MEMS裝置,個別鏡經由扭轉元件.,諸如彈簧 固定於可移動之支持結構 (即常平架)上。常平架可亦經一扭轉元件連接至一框架。普 通置於鏡之相對側之二扭轉元件連接鏡於常平架,並界定 鏡轉動之一軸線。同樣,置於常平架之相對側之二扭轉元 件連接常平架於框架,並界定常平架轉動之一軸線。 在普通情形,電極置於鏡及常平架下方。電極構造在 繞其軸線之任一方向上轉動鏡或常平架。鏡或常平架在鏡‘ 及常平架間之靜電力下轉動,並由扭轉元件之回復力在均 衡中平.衡。轉動角度取決於施加於電極上之霓壓量。普通 可達成高至約9度之轉動角度。由上述設計,可需要大於約 150伏之電壓。 目前,有需要使用較低之致動電壓,以轉動鏡及常平 架結構。較低之致動電壓打開普通電子驅動器之選擇,取 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 504490 A7 ______B7 五、發明説明(2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 代使用傳統之高電壓方法。上述傳統交換元件之缺點爲不 能在較低之電壓上足夠操作。如前述,扭轉元件設計用於 大於約150伏之最大致動電壓,及約300Hz之常平架諧掁頻 率。 經發現由減小扭轉元件之剛性,可使用大爲減小之電 壓在鏡方向或常平架方向上轉動MEMS裝置。然而,依據 電子驅動器之能力,減小扭轉元件之剛性,以減小電壓至 約75伏.,並非引人之選擇,因爲諧掁頻率會降至約150Hz, 大爲降低交換速度。而且,扭轉元件可能過長且弱,導致 在製造期間中可能失敗,或在操作期間中重大垂直(向下)凹 陷。 故此,本藝中需要一種MEMS裝置及其所屬之驅動器 ,此克服先行技藝之缺點。 發明槪要· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲對付先行技藝之上述缺點,本發明提供一種用於微 機電系統(MEMS)裝置上之驅動器,其操作方法,及使用該 驅動器及方法之MEMS裝置。在一實施例,驅動器包含一 致動副系統,此提供一致動電壓,以改變MEMS裝置之光 元件之角度。驅動器亦包含一偏壓副系統連接至致動副系 統,此施加一.偏壓於光元件及致動副系統之間,從而減小 致動電壓。 如此,在一方面,本發明能操作於遠較先行技藝裝置 爲低之致動電壓上。而且較低之電壓操作另使MEMS裝置 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐1 "7T7" 一 504490 A7 ___ B7_ 五、發明説明(3 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 可由較低之功率消耗操作,並增加可靠性。同樣,本發明 可達成大爲減小之致動電壓,而不大幅減小轉動角度及轉 動速度。 以上已較爲廣泛槪述本發明之較宜及其他特色,俾精 於本藝之人士可更佳明瞭以下本發明之詳細說明。此後說 明本發明之其他特色,此等形成本發明之申請專利之主題 。精於本藝之人士應明瞭彼等可容易使用所發表之構想及 特定實施例作爲設計或修改其他結構之基礎,以達成本發 明之同樣目的。精於本藝之人士且應瞭解此等等效構造並 不脫離本發明在其最廣泛形態中之精神及範圍。 附圖簡述 ‘ 自以下詳細說明並參考附圖,可最佳明瞭本發明。依 據光電子工業之標準作法,強調各圖並不依比例繪製。事 實上,各特色之尺寸可隨意增加或減小,以求討論淸楚。 現參考以下說明聯同附圖,在附圖中: 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1顯示依本發明原理構造之微機電系統(MEMS)裝置之 一實施例之斷面圖; 圖2顯示圖1之MEMS裝置之另一實施例之斷面圖; 圖.3顯示四象限電極之實施例之上下圖,,依本發明原理 ,此可用於沿鏡及常平架方向上傾斜一 MEMS裝置; 圖4顯示曲線表示,呈現所選之優點,此可依本發明之 原理,由施加一偏壓於光元件及致動副系統之間達成; 圖5顯示曲線表示,依本發明之原理,一致動電壓(臨 -6 - 本紙張尺度適用中.國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) 504490 A7 B7 五、發明説明(4 ) 界電壓)及最大穩定範圍隨所施加之偏壓變化; (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖6顯示曲線表示,呈現依本發明之原理,可增加空隙 間隔,以維持可接受之傾斜範圍;及 圖7顯示曲線表示,呈現依本發明之原理,可增加電極 大小,以維持可接受之傾斜範圍。 主要元件對照 100 微機電系統裝置 110 光元件 115 光反射光層 120 基體 130 安裝基體 135 電極 145 支點 150 驅動器 160 致動副系統 170 偏壓副系統 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 詳細說明 先參考圖1,顯示依本發明原理構造之微機電系統 MEMS裝置100之實施例之斷面圖。MEMS裝置100包含一光 元件110,諸如一鏡,及一光反射光、層115構製於一基體120 上。MEMS裝置100另包含一安裝基體130,光元件11〇以可 轉動之方式安裝於其上。如顯示於圖1,安裝基體130包含 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210 X 297公釐) 504490 A7 B7 五、發明説明(5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 多個電極135,140(第一及第二電極)分開相鄰。在普通情形 ,第一及第二電極135,140與光元件110之表面電連通。然 而,在另一實施例中,第一及第二電極135,140可與光元 件110所連接之一物件電連通。 MEMS裝置另包含一驅動器150,可連接至光元件11〇。 驅動器1 5 0包含一^致動副系統1 6 0及一偏壓副系統17 0。致動 副系統160提供一致動電壓,以改變光元件11〇之角度。例 如,如一負致動電壓施加於第一電極135,同時維持第二電 極140於地,光元件110傾斜至左方。如精於本藝之人士所 知.,施加負致動電壓於第二電極140,同時維持第一電極 13 5於地,具有相反效果。亦應注意第一及第二電極Π5, 140之一無需維持於地,只要其間有一電壓差即可。如顯示 於圖1,光裝置包含一支點145,其中,光元件11〇繞該支點 145傾斜。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 偏壓副系統170連接至致動副系統160,並施加偏壓, 諸如一共模DC偏壓於光元件110及致動副系統160之間。經 發現由施加偏壓於光元件110及致動副系統1 60之間,用以 轉動光元件110—特定度數之致動電壓可大爲減小。在本發 明之一示範實施例中,偏壓對支持光元件110之彈簧147產 生靜電彈簧軟化作用,如此減小致動電壓約,75%以上。同時 偏壓可變化,此應小於EMES裝置100之臨界電壓之約130%( 即在光裝置110急速下降前,可施加於第一及第二電極135 ,140上之最大電壓)。偏壓可使用任何穩定之DC電源施加 〇 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ~' 一 -Ο — 504490 A7 B7 五、發明説明(6 ) 在圖1所示之實施例中,偏壓以正電位施加於光元件 110之表面上,或且,依據圖2所示之MEMS裝置200,偏壓 副系統17 0可朝向施加負電位偏壓於致動副系統1 6 〇。圖1及2 之二實施例之淨效果相同,其中,達成減小差電壓之幅度 ,.以傾斜光元件110。 精於本藝之人士明瞭,迄此,說明沿一軸線(即鏡軸線) 上傾斜之觀念。然而,精於本藝之人士另明瞭,該觀念亦 應用於二軸線,主要在鏡及常平架方向上之傾斜。例如, 可使用一電極設計,使MEMS裝置在鏡及常平架方向上, 依據圖3所示之四象限電極300傾斜。常平架電極所對向之 角度可大於鏡電極所對向者。此傾於補償常平架方向上所 存在之增加之轉動慣性。即使已顯示及說明象限電極,其 他電極設計,諸如鏡及常平架設計亦在本發明之廣泛範圍 內。 現轉至圖4,繼續參考圖1,顯示一曲線表示400,呈現 選擇之優點,此可依據本發明之原理,由施加偏壓於光元 件110及致動副系統160之間達成。曲線表示400呈現在三不 同情形中,鏡傾斜角度對施加於第一及第二電極135,140 上之致動電壓(例如,所施加之差電壓)所示之三不同情形包 含一傳統設計(標稱),一減小扭轉剛性設計(,k減小)’及偏 壓設計(偏壓)。在圖4所示之偏壓設計中,施加約75伏之偏 壓。應注意偏壓値可較尚或較低’此視所需之或動電壓及 所需之光元件110之傾斜量而定。 如曲線表示400所示,在此例中選擇爲約6度之一特定 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -9 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 504490 A 7 _____ B7 _ 五、發明説明(7 ) 傾斜度中,致動電壓可自傳統設計之約1 50至減小扭轉剛性 設計及偏壓設計二者之約65伏。如此,由減小扭轉剛性設 計及偏壓設計二者達成所施加之致動電壓之大幅減小。應 注意k減小設計亦遭遇減少諧掁頻率,大爲降低交換速度 〇 現轉至圖5,繼續參考圖1,顯示依據本發明之原理, 致動電壓(臨界電壓)及最大穩定範圍隨所施加之偏壓變化之 曲線表示500。在一些情形,當使用偏壓設計時,由於正反 饋,使用較高致動電壓之普通可用之傾斜量可不必要地減 少。在圖5所示之例中,偏壓經正規化於MEMS裝置100之 原致動電壓。如此處所用,"原致動電壓”一辭指用以使光元 件110傾斜一預定度數,而不使用偏壓副系統170之致動電 •壓。自圖5所示之曲線表示,精於本藝之人士可知‘,例如, 施加該裝置之約原致動電壓之約60%之偏壓,減小致動電壓 至原致動電壓之約45%。例如,如原致動電壓普通爲150伏 ,可施加約90伏之偏壓於光元件110及致動副系統160之間, 其後減小致動電壓至約65伏。 自圖5所示之曲線表示500,精於本藝之人士可明瞭, 例如,施加該裝置之原致動電壓之約60%之偏壓,減小正規 化可傾斜範圍至在較高之原致動電壓上普通,可達成之可傾 斜範圍之約90%。如此,例如,在原致動電壓約爲1 50伏, 及原可傾斜範圍約爲10度之情形,使用約90伏之所施加之 偏壓,·可減小致動電壓至約65伏,然而,亦可減小可達成 之可傾斜範圍至約9度。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
504490 A7 B7 _ _ 五、發明説明(8 ) 可傾斜範圍中之損失可由使用二不同之方法補償。可 傾斜範圍中之損失可由增加第一及第二電極135,140及光 元件110間之總空隙,或由減小第一及第二電極135,140之 大小補償。如由等式 Kcr 〇C 6?^!^ ' 可明瞭,其中,VaCT爲致動電壓,6;爲諧掁頻率,g爲 第一及第二電極135,140及光元.件110間之空隙,及R爲第 一及第二電極135,140之半徑,增加該空增加致動電壓。 然而,在相同之傾斜範圍(相同之最大傾斜角度),致動電壓 仍可隨偏壓增加而降低,產生相同之傾斜範圍。 現轉至圖6,顯示依據本發明原理,正規化之致動電壓 及空隙間隔隨所施加之偏壓變化之曲線表示。如由曲線表 示600可明瞭,且假定具有偏壓90伏之以上討論之例,爲維 持相同之可傾斜角度,該空隙可增加約11 0%。反之,如選 擇減小電極之大小,以維持相同之可傾斜範圍,電壓犧牲 更厲害,如以上所討論之等式所示。故此,應明瞭致動電 壓之減小在在相似之偏壓上稍小,如曲線表示700所示,從 而,第一及第二電極1 3 5,14 0之大小可減小,以維持相同 之可傾斜範圍。再使用上例,使用90伏偏壓錐持相同之傾 斜範圍,電極之大小應減小約5 %。 以上所討論之發明打開電子驅動器之其他選擇,而非 具有有限整合可能性之普通高電壓方法。例如,某角度之 數位邏輯可整合於電子方法中,用於1〇〇伏以下之致動電壓 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS )八4驗(21GX297公董)~Γ7~ " (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝. 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 504490 A7 B7 五、發明説明(9 ) ,然而,甚至更多角度可在65伏以下之電壓上整合。此提 供小巧,整合,較低廉,及更可靠之電子裝置。依據本發 明原理,使用偏壓副系統,亦可達成較少之功率消耗及因 而功率消散需求。而且,由於致動電壓減小,可達成微機 械組成件抵抗陽極氧化及連接器抵抗介質崩潰之長期可靠 性。且非常重要者,由包含偏壓副系統,增加MEMS裝置 在特定之致動電壓上可達成之交換速度。同樣,大致達成 所有以上優點,而對諧掁頻率及可傾斜範圍並無多大影響 ,如先選行技藝裝置所遭遇者。 .雖已詳細說明本發明,但精於本藝之人士應明瞭此等 可作各種更改,替代,及改變,而不脫離本發明在其最廣 泛形態上精神之及範圍。 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 、11 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -12-
Claims (1)
- 504490 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 々、申請專利範圍 1· 一種用於微機電系統(MEMS)裝置上之驅動器,包含: 一致動副系統’構造提供一致動電壓,以改變MEMS 裝置之光兀件之角度;及 一偏壓副系統,連接至致動副系統,及構造施加一偏 壓於光兀件及致動副系統之間,從而減小致動電壓。 2.如申請專利範圍第丨項所述之驅動器,其中,偏壓爲 共模DC偏壓。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,其中,偏壓減 小致動電壓約75%以上。 4·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,其中,致動副 系統包含多個電極,與光元件之表面電連通。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,其中,致動副 系統包含多個電極,與光元件所連接之一物件電連通。 6·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,其中,me MS 裝置包含一支點,及致動副系統構造施加致動電壓,使光 元件繞該支點轉動。 7·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,其中,ME MS 裝置包含一彈簧,及該偏壓引起該彈簧之靜電彈簧軟化, 從而減小致動電壓。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之驅動器,,其中,該偏壓 低於MEMS裝置之臨界電壓之約130%。 9· 一種操作微機電系統(MEMS)裝置之方法,包括: 提供一致動電壓,以改變MEMS裝置之光元件之角度; 及 本紙張尺度逋用中國國家梂準(CNS ) A4規格(210X297公釐) : (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、言 504490 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 々、申請專利範圍 施加一偏壓於光元件及致動副系統之間,從而減小致 動電壓。 10_如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,施加偏壓 包括施加共模DC偏壓。 11 ·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,施加偏壓 減小致動電壓約7 5 %以上。 1 2 ·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,提供致動 電壓包括提供致動電壓至與光元件之表面電連通之多個電 極。 1 3 ·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,提供致動 電壓包括提供致動電壓至與光元件所連接之一物件電連通 之多個電極。 14·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,提供致動 .電壓導致光元件繞MEMS裝置之一支點轉動。 15.如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,MEMS裝 置包含一彈簧,及該偏壓引起該彈簧之靜電彈簧軟化,從 而減小致動電壓。 . 16·如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,該偏壓低 於MEMS裝置之臨界電壓之約130%。 17. 如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,施加偏壓 包括施加一正電位偏壓於光元件之一表面上。 18. 如申請專利範圍第9項所述之方法,其中,施加偏壓 包括施加一負電位偏壓於一致動系統。 ' 19. 如申請專利範圍第9項所述之方法,另包含增加光元 ------^---^-- :; (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、?τ 本紙張尺度適用中國國家揉準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 14 · 504490 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 件及電極間之空隙間隔,以補償可傾斜範圍之減小。 ------« — -- r- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 0 ·如申請專利範圍第19項所述之方法,另包含減小電 極之大小’以補償可傾斜範圍之減小。 21. —種微機電系統(MemS)裝置,包含: 一光兀件’具有一光反射光層置於一基體上; -安裝基體,其上以可轉動之方式安裝光元件,安裝 基體具有多個電極分開相鄰;及 一驅動器,可連接至光元件,包含: 一致動副系統,此提供一致動電壓,以改變光元件之 角度,及 一偏壓副系統,連接至致動副系統,此施加偏壓於光 元件之一表面及致動副系統之間,從而減小致動電壓。 22. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, 該偏壓爲共模DC偏壓。 23·如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, 偏壓減小致動電壓約75%以上。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 24. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中., 多個電極與光元件之表面電連通。 25. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, 多個電極與光元件所連接之一物件電連通。,_ 2 6 ·如申請專利範圍第21項所述之Μ E M S裝置,其中, 多個電極包含一四象裉電極結構。 27.如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, 多個電極包含一鏡及常平架電極結構。 本紙張尺度適用中國國家梂準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 504490 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 28. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, 安裝基體包含一支點.,及致動副系統施加致動電壓,導致 光元件繞支點轉動。 29. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中, MEMS裝置包含一彈簧,及偏壓導致該彈簧之靜電彈簧軟化 ,從而減小致動電壓。 30. 如申請專利範圍第21項所述之MEMS裝置,其中,多 個電極及安裝基體間之間隔可增加或減小,以提供較多或 較少轉動。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) …16-
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