TWI416195B - 具有鏡旋轉角度之驅動旋轉放大之微電機系統鏡 - Google Patents

Description

具有鏡旋轉角度之驅動旋轉放大之微電機系統鏡

本發明係與微電機系統(MEMS)裝置有關，更特定言之，係與MEMS掃描鏡有關。

已為MEMS掃描鏡提出了各種各樣的靜電梳狀致動器設計。此等裝置已廣泛應用於條碼讀取器、雷射印表機、共焦顯微鏡、投影顯示器、背投影TV及可戴式顯示器(例如，微顯示器)。對於此等應用而言，MEMS掃描鏡通常需要具有大旋轉範圍。因此，需要一種具有大旋轉範圍的MEMS掃描鏡。

在本發明之一具體實施例中，一種微電機系統(MEMS)鏡裝置包括一沿著一旋轉軸、藉由一第一扭轉鉸鏈而耦合於一旋轉框架之鏡。該旋轉框架具有一定義一框架開口之主體與自該框架主體延伸之一旋轉齒群組。一第一焊墊係位於該框架開口中且沿著該旋轉軸藉由一第二扭轉鉸鏈而耦合於該旋轉框架。一第二焊墊係沿著該旋轉軸藉由一第三扭轉鉸鏈而耦合於該旋轉框架。

圖1A部分說明本發明之一具體實施例中、沿著垂直對稱線103之一MEMS鏡裝置100。裝置100包括一上層102，其係焊接於下層202(圖1B更清楚地加以顯示)，但藉由絕緣層105與下層202電絕緣。可使用半導體處理技術、由半導體晶圓來形成上層102與下層202上之組件。

參考圖2，上層102包括一鏡104，其係沿著一旋轉軸110、藉由一扭轉鉸鏈106而連接至一旋轉框架108之一第一端。旋轉框架108之一第二端係沿著旋轉軸110、藉由一扭轉鉸鏈112而連接至一焊墊114。

在一具體實施例中，鏡104定義一槽115，其將鏡104本身分成一標籤部分104A，其位於槽115上方與下方連接至反射器部分104B。在此具體實施例中，扭轉鉸鏈106係連接在標籤部分104A與旋轉框架108之間。

旋轉框架108係一樑狀結構，其具有一定義一或多個框架開口116(為了清楚起見，僅說明其中一個)之主體。每一框架開口116容納一焊墊117。每一焊墊117之相反側係沿著旋轉軸110、藉由扭轉鉸鏈118與119而連接至旋轉框架108。

旋轉框架108具有關於旋轉軸110之兩相反側108A與108B。旋轉梳齒120(為了清楚起見，僅標記出其中一個)係自側108A延伸，而旋轉梳齒122(為了清楚起見，僅標記出其中一個)係自側108B延伸。

旋轉框架108亦具有自旋轉框架108之一端伸出之樑108C與108D以將扭轉彈簧106夾在中間。旋轉梳齒120係自樑108C延伸，而旋轉梳齒122係自樑108D延伸。類似地，旋轉框架108亦具有自旋轉框架108之另一端伸出之樑108E與108F以將扭轉彈簧112夾在中間。旋轉梳齒120係自樑108E延伸，而旋轉梳齒122係自樑108F延伸。應注意，側108A與108B可比樑108C、108D、108E及108F延伸得更往外，以在旋轉框架108內提供空間以形成焊墊(例如，焊墊117)，此等焊墊將正確地安裝於下方的錨定墊(例如，錨定墊218)。

焊墊124與126係形成於旋轉框架108之相反側上。駐留梳齒128(為了清楚起見，僅標記出其中一個)係自焊墊124朝旋轉框架108延伸，而駐留梳齒130(為了清楚起見，僅標記出其中一個)係自焊墊126朝旋轉框架108延伸。當旋轉框架108為水平的時候(如顯示)，駐留梳齒128與旋轉梳齒120相互交叉，而駐留梳齒130與旋轉梳齒122相互交叉。為了與旋轉梳齒120匹配，駐留梳齒128之兩側區段延伸得比中間區段更靠近旋轉軸110而使得駐留梳齒128參差不齊。駐留梳齒130亦參差不齊以與旋轉梳齒122匹配。

在一具體實施例中，藉由蝕刻一半導體晶圓來形成上層102之組件。

參考圖3，下層202包括一錨定墊218，焊墊117(圖2)係安裝於其上。下層202進一步包括一錨定墊206，其具有一水平區段224(將焊墊124(圖2)安裝於其上)、一水平區段226(將焊墊126(圖2)安裝於其上)及一垂直區段214(將焊墊114安裝於其上)。

駐留梳齒228自水平區段224、朝旋轉軸110延伸。駐留梳齒228參差不齊以與旋轉梳齒120匹配。類似地，駐留梳齒230自水平區段226、朝旋轉軸110延伸。駐留梳齒230亦參差不齊以與旋轉梳齒122匹配。至少在旋轉框架108朝一方向旋轉時，駐留梳齒228與旋轉梳齒120相互交叉(例如，如圖4所示)。而至少在旋轉框架108朝相反方向旋轉時，駐留梳齒230與旋轉梳齒122相互交叉。

下層202進一步包括一可選擇的支撐肋結構240，將鏡104(圖2)安裝於該支撐肋結構240上。肋結構240包括垂直橫樑242與水平橫樑244(為清楚起見，每一類型的橫樑僅標記出其中一個)。將鏡104安裝於肋結構240之後，可減小鏡104的動態變形且可提高裝置100之光學解析度。藉由間隙204使肋結構240與下層202之剩餘部分分開。

在一具體實施例中，藉由蝕刻一半導體晶圓來形成下層202之組件，可藉由底板208結構上支撐所有適合組件。蝕刻程序亦形成肋結構240周圍之間隙204以容納鏡104(圖2)之旋轉。

現在使用圖4來說明一具體實施例中之裝置100之設計優點。通常藉由同一蝕刻步驟來形成駐留梳齒228/230、錨定墊206(圖3)、錨定墊218(圖3)及間隙204(圖3)。由於駐留梳齒228/230之尺寸比其他組件之尺寸小得多，故蝕刻錨定墊218周圍之底板208時的速率要比蝕刻駐留梳齒228之間之間隔時的速率快得多。因此，在蝕刻底板208完成之前蝕刻程序會停止，而使得錨定墊218不能起支撐作用。然而，當蝕刻程序停止時，駐留梳齒228/230之間之間隔之深度302要比底板208之深度304淺得多。此會阻止旋轉梳齒120/122到達鏡104之某些應用中所需要的旋轉深度306。另一方面，蝕刻完成間隙204以提供鏡之角度旋轉。

為了解決此問題，扭轉框架108(圖2)以扭轉方式而不是固定方式藉由旋轉鉸鏈106(圖2)連接至鏡104(圖2)。當旋轉框架108旋轉時，其旋轉運動會藉由扭轉鉸鏈106而傳送給鏡104。扭轉鉸鏈106進一步放大旋轉運動，使得鏡104可以更大角度旋轉。藉由透過裝置100之電腦模擬研究振動模式形狀，可決定鏡104的實際放大。例如，為了相對於旋轉框架108之旋轉振幅來放大鏡104之旋轉振幅，需要降低鉸鏈106之剛性。

可以各種方式操作裝置100。在一具體實施例中，旋轉梳齒120與122係經由焊墊114而耦合以接收一參考電壓(例如，DC)。駐留梳齒128與130係經由焊墊124與126而耦合以分別接收一振盪電壓以及一穩定電壓偏壓(例如，AC＋DC電壓)。駐留梳齒228與230係經由焊墊206而耦合以接收一振盪電壓(例如，AC電壓源)。兩個振盪電壓具有180度的相移。因此，旋轉梳齒120/122與駐留梳齒128/130之間的穩定(例如，DC)電壓差改變裝置400之自然頻率，而旋轉梳齒120/122與駐留梳齒128/130/228/230之間之振盪(例如，AC)電壓差使該鏡在所需掃描頻率與所需掃描角度處振盪。藉由調整提供給駐留梳齒128與130之振盪電壓之穩定電壓偏壓，可調整旋轉梳齒120/122與駐留梳齒128/130之間之DC電壓差。

圖5與6部分說明本發明之一具體實施例中之另一MEMS鏡裝置之一上層402與一下層502。此鏡裝置係類似於鏡裝置100(圖1A)，不同之處係以下部分。

參考圖5，層402係類似於層102，除採用鏡404來取代鏡104之外。與鏡104相同，沿著旋轉軸110藉由扭轉鉸鏈106將鏡404連接至旋轉框架108之一第一端。而鏡404進一步定義一開口406以容納一焊墊410。焊墊410係沿著旋轉軸110藉由扭轉鉸鏈412而連接至鏡404。

參考圖6，層502係類似於層202，除在下層502中形成額外的錨定墊510A與510B以支撐焊墊410之外。

如上所述，鏡404係藉由扭轉鉸鏈106而連接至旋轉框架108且藉由扭轉鉸鏈412而連接至焊墊410。可調整鉸鏈106與412之剛性以控制鏡404之旋轉振幅。例如，為了相對於旋轉框架108之旋轉振幅來放大鏡404之旋轉振幅，應降低鉸鏈412之剛性且應使鉸鏈106之剛性相對較大。相反地，為了相對於旋轉框架108之旋轉振幅來減小鏡404之旋轉振幅，應增大鉸鏈412之剛性且應使鉸鏈106之剛性相對較小。鏡404之旋轉振幅之實際放大與減小亦與結構之慣量分佈及其他鉸鏈之剛性有關，藉由透過該裝置之電腦模擬研究振動模式形狀就可決定鏡404之旋轉振幅之實際放大與減小。可以與裝置100相同的方式來操作該裝置。

所揭示之該等具體實施例之特徵之各種其他變更與組合係屬於本發明之範疇。以下申請專利範圍包含許多具體實施例。

100．．．微電機系統鏡裝置

102．．．上層

103．．．垂直對稱線

104．．．鏡

104A．．．標籤部分

104B．．．反射器部分

105．．．絕緣層

106．．．扭轉鉸鏈

108．．．旋轉框架

108A、108B．．．側

108C、108D、108E、108F．．．樑

110．．．旋轉軸

112．．．扭轉鉸鏈

114．．．焊墊

115．．．槽

116．．．框架開口

117．．．焊墊

118、119．．．扭轉鉸鏈

120、122．．．旋轉梳齒

124、126．．．焊墊

128、130．．．駐留梳齒

202．．．下層

204．．．間隙

206．．．錨定墊

208．．．底板

214．．．垂直區段

218．．．錨定墊

224、226．．．水平區段

228、230．．．駐留梳齒

240．．．支撐肋結構

242．．．垂直橫樑

244．．．水平橫樑

302、304、306．．．深度

400．．．裝置

402．．．上層

404．．．鏡

406．．．開口

410．．．焊墊

412．．．扭轉鉸鏈

502．．．下層

510A、510B．．．錨定墊

圖1A說明本發明之一具體實施例中之一MEMS鏡裝置之透式剖視圖。

圖1B說明本發明之一具體實施例中、圖1A之MEMS鏡裝置中之一下層之透式剖視圖。

圖2與3說明本發明之一具體實施例中、沿著一垂直對稱線之圖1A之MEMS鏡裝置中之層之部分之俯視圖。

圖4說明本發明之一具體實施例中之圖1A之MEMS鏡裝置之斷面圖。

圖5與6說明本發明之另一具體實施例中、沿著一垂直對稱線之一MEMS鏡裝置中之層之部分之俯視圖。

不同圖式中使用相同參考編號表示類似或同一元件。

100．．．微電機系統鏡裝置

102．．．上層

103．．．垂直對稱線

104．．．鏡

105．．．絕緣層

108．．．旋轉框架

114．．．焊墊

117．．．焊墊

124、126．．．焊墊

202．．．下層

240．．．支撐肋結構

Claims (19)

1. 一種微電機系統(MEMS)鏡裝置，其包含：一鏡；一旋轉框架，其定義一框架開口；複數個旋轉齒，其係自該旋轉框架延伸；一第一扭轉鉸鏈，其沿著一旋轉軸使該鏡與該旋轉框架之一第一端耦合；一第一焊墊，其係位於該框架開口中；一第二扭轉鉸鏈，其沿著該旋轉軸使該旋轉框架與該第一焊墊耦合；一第二焊墊；及一第三扭轉鉸鏈，其沿著該旋轉軸使該旋轉框架之一第二端與該第二焊墊耦合。
2. 如請求項1之MEMS鏡裝置，其中該鏡定義一將該鏡分成一反射器部分與一標籤部分之槽，該等部分係藉由該第一扭轉鉸鏈而耦合於該旋轉框架之第一端。
3. 如請求項1之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一第一錨定墊，該第一焊墊係安裝於其上；及一第二錨定墊，該第二焊墊係安裝於其上。
4. 如請求項1之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一第三焊墊；及複數個駐留齒，其係自該第三焊墊延伸以在該旋轉框架處於一第一位置中時與該等複數個旋轉齒相互交叉。
5. 如請求項4之MEMS鏡裝置，其進一步包含： 一第一錨定墊，該第一焊墊係安裝於其上；一第二錨定墊，其包含：一第一區段，該第二焊墊係安裝於其上；一第二區段，該第三焊墊係安裝於其上；及另外複數個駐留齒，其係自該第二區段延伸以在該旋轉框架處於一第二位置中時與該等複數個旋轉齒相互交叉。
6. 如請求項5之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一支撐結構，其包含橫樑，該鏡係安裝於該支撐結構上。
7. 如請求項6之MEMS鏡裝置，其中：該鏡、該旋轉框架、該第一焊墊、該第二焊墊、該第一扭轉鉸鏈、該第二扭轉鉸鏈、該第三扭轉鉸鏈、該等複數個旋轉齒及該等複數個駐留齒係該裝置之一第一層之部分；及該第一錨定墊、該第二錨定墊及該支撐結構係該第一層安裝於其上之該裝置之一第二層之部分。
8. 如請求項1之MEMS鏡裝置，其中該鏡定義一鏡開口，該裝置進一步包含：一第三焊墊，其係位於該鏡開口中；及一第四扭轉鉸鏈，其沿著該旋轉軸使該鏡與該第三焊墊耦合。
9. 如請求項8之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一第一錨定墊，該第一焊墊係安裝於其上； 一第二錨定墊，該第二焊墊係安裝於其上；及一第三錨定墊，該第三焊墊係安裝於其頂部上。
10. 如請求項8之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一第四焊墊；及複數個駐留齒，其係自該第四焊墊延伸以與該等複數個旋轉齒相互交叉。
11. 如請求項10之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一第一錨定墊，該第一焊墊係安裝於其上；一第二錨定墊，其包含：一第一區段，該第二焊墊係安裝於其上；一第二區段，該第四焊墊係安裝於其上；及另外複數個駐留齒，其係自該第二區段延伸以與該等複數個旋轉齒相互交叉；一第三錨定墊，該第三焊墊係安裝於其上。
12. 如請求項11之MEMS鏡裝置，其進一步包含：一支撐結構，其包含橫樑，該鏡係安裝於該支撐結構上。
13. 如請求項12之MEMS鏡裝置，其中：該鏡、該旋轉框架、該第一焊墊、該第二焊墊、該第三焊墊、該第四焊墊、該第一扭轉鉸鏈、該第二扭轉鉸鏈、該第三扭轉鉸鏈、該第四扭轉鉸鏈、該等複數個旋轉齒及該等複數個駐留齒係該裝置之一第一層之部分；及該第一錨定墊、該第二錨定墊、該第三錨定墊、該支撐結構及該另外複數個駐留齒係該第一層安裝於其上之 該裝置之一第二層之部分。
14. 一種用於操作一微電機系統(MEMS)鏡裝置之方法，其包含：沿著一旋轉軸藉由一第一扭轉鉸鏈使一鏡與一旋轉框架耦合；沿著該旋轉軸藉由一第二扭轉鉸鏈使該旋轉框架與一焊墊耦合；提供一第一電壓給自該旋轉框架延伸之複數個旋轉梳齒；提供一第二電壓給複數個駐留梳齒，該等複數個駐留梳齒係在該旋轉框架處於一第一位置中時與該等複數個旋轉梳齒相互交叉；其中：該等複數個旋轉梳齒與該等複數個駐留梳齒之間之一振盪電壓差使該旋轉框架關於該旋轉軸振盪；及該第一扭轉鉸鏈將該旋轉框架之一旋轉運動傳送給該鏡，使得該鏡之旋轉角度與該旋轉框架之旋轉角度不同。
15. 如請求項14之方法，其中該第一電壓包含一穩定電壓且該第二電壓包含一振盪電壓與一穩定電壓偏壓，該等複數個旋轉梳齒與該等複數個駐留梳齒之間之該穩定電壓差改變該裝置之一自然頻率。
16. 如請求項15之方法，其進一步包含：提供一第三電壓給另外複數個駐留梳齒，該等另外複 數個駐留梳齒係在該旋轉框架處於一第二位置中時與該等複數個旋轉梳齒相互交叉。
17. 如請求項16之方法，其中該第三電壓包含與該第二電壓異相之另一振盪電壓，其中該等複數個旋轉梳齒與該另外複數個駐留梳齒之間之另一振盪電壓差使該旋轉框架關於該旋轉軸振盪。
18. 如請求項14之方法，其進一步包含：沿著一旋轉軸藉由一第三扭轉鉸鏈使該鏡與另一焊墊耦合。
19. 如請求項14之方法，其進一步包含：藉由將該鏡安裝於具有橫樑之一結構上來支撐該鏡。