專利名稱：利用三個驅(qū)動元件驅(qū)動雙軸mems器件的方法和裝置的制作方法
相關(guān)申請的交叉引用不適用關(guān)于發(fā)明是否屬于聯(lián)邦資助研究或開發(fā)項目的聲明不適用涉及以光盤形式提交的“序列表”、表、或計算機程序列表附錄不適用發(fā)明背景本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)器件的驅(qū)動，尤其涉及雙軸尖端傾斜(tip-tilt)MEMS鏡子的驅(qū)動。本發(fā)明可應(yīng)用于靜電驅(qū)動光開關(guān)，但不局限于此。
利用四個驅(qū)動元件以靜電驅(qū)動方式和磁驅(qū)動方式來驅(qū)動雙軸尖端傾斜MEMS鏡的方案是眾所周知的。四元件結(jié)構(gòu)具有關(guān)于正交的尖端傾斜軸簡明對稱的優(yōu)點，因此在傾斜取向(orientation)和對各個驅(qū)動元件施加的電壓或電流之間的變換函數(shù)是比較簡明的。通常的采用四個電極的驅(qū)動方法是對軸線同側(cè)的成對電極加以驅(qū)動，以使其相對于軸線而傾斜。
為了實現(xiàn)對單個驅(qū)動元件的控制，各個元件都需要其自身的電壓或電流供應(yīng)線及其相關(guān)的驅(qū)動電路。對于采用近距離分開的鏡子的陣列的光開關(guān)的情形，采用大量的供應(yīng)線和驅(qū)動電路會限制系統(tǒng)的設(shè)計。由于封裝的約束，隨著陣列中MEMS器件數(shù)目的增大，則這些供應(yīng)線的布設(shè)成為對系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)。而且，隨著驅(qū)動電路數(shù)目的增大，由于需要大量電子元件，所以系統(tǒng)的成本花費成比例增大。因此，需要這樣一種方案，它能夠減少驅(qū)動電路和供應(yīng)線的數(shù)目，從而減少相互連接問題和驅(qū)動問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種利用三個非接觸驅(qū)動元件或電極來驅(qū)動雙軸MEMS鏡子的方法和裝置。差動雙向鏡控制利用偏置以適當值的三個激勵驅(qū)動信號實現(xiàn)。利用變換函數(shù)將雙軸尖端傾斜指令映射變換(map)為用于選定電極取向和大小的三個激勵驅(qū)動信號。
這里提出的在靜電驅(qū)動中利用三個電極的理論基礎(chǔ)可應(yīng)用于其它情形，包括雙軸尖端傾斜裝置，其含有用于MEMS器件的電磁驅(qū)動器。因此，應(yīng)當理解本發(fā)明披露的是，利用三個電極來驅(qū)動雙軸尖端傾斜裝置。
通過下面結(jié)合具體實施方案所進行的詳細說明，將使本發(fā)明獲得更好的理解。
附圖的簡要說明

圖1是局部剖切的立體圖，其描述了依照本發(fā)明的雙軸MEMS鏡子陣列以及三個驅(qū)動電極的相對定位。
圖2是本發(fā)明的雙軸MEMS鏡以及三個驅(qū)動電極的俯視圖，其中鉸合裝置的軸與電極直接對準。
圖3是本發(fā)明的雙軸MEMS鏡以及三個驅(qū)動電極的俯視圖，其中鉸合裝置的軸與電極隨機地對準。
本發(fā)明的詳細說明參照圖1和圖2，其中顯示了位于由三個相同驅(qū)動元件1、2和3驅(qū)動的陣列10之中的MEMS鏡子4的一個實施例。在如圖所示的帶有雙萬向架的鏡子的情況下，外側(cè)鉸合裝置(hinge)5和6使得外環(huán)和鏡子可環(huán)繞y軸旋轉(zhuǎn)，而內(nèi)側(cè)鉸合裝置7和8使得鏡4可環(huán)繞x軸旋轉(zhuǎn)，其中x軸和y軸都位于鏡4平面內(nèi)。對于本發(fā)明的這個具體實施方案而言，x旋轉(zhuǎn)軸與元件1和2之間的間隙9對準，并且方向指向元件3。在本發(fā)明的另一實施方案中，如圖3所示，驅(qū)動元件與鉸合裝置軸的相對取向被旋轉(zhuǎn)一個任意角度。在本發(fā)明的所有實施方案中，驅(qū)動鏡子傾斜的力是由三個驅(qū)動元件1、2和3提供的。該力可通過各種裝置獲得，包括靜電裝置和磁裝置。在利用靜電裝置的情況下，元件1、2、3可以是扁平的金屬電極。如下文所述，通過施加電壓到各電極，在電極和鏡子4中(包含鏡表面自身)的導(dǎo)電層(未示出)之間產(chǎn)生靜電力，致使鏡4傾斜過一個可控制的角度。在利用磁裝置的情況下，元件1、2、3可以是平面的導(dǎo)電軌跡圓線圈。通過由電流源施加電流到各線圈，可形成與鏡子4(包含鏡子材料自身)中的鐵磁性區(qū)域(未示出)相互作用的磁場，從而感應(yīng)產(chǎn)生相互作用的磁力，致使鏡4傾斜。
驅(qū)動元件不必具有相同面積，或者說，針對相同的驅(qū)動信號它們需要產(chǎn)生相等大小的力。因此，在權(quán)利要求保護范圍內(nèi)的本發(fā)明的另一實施例中，三個驅(qū)動元件中至少有一個的重要(significant)參數(shù)不同于其它兩個。它們可以在很多方面不同，包括但不局限于，面積、形狀、以及厚度。
本發(fā)明的主要方面在于一種方法，通過該方法，鏡的傾斜可利用三個驅(qū)動元件進行控制。由于存在有兩個獨立旋轉(zhuǎn)軸，所以需要兩個獨立的指令信號。這些指令信號被分別定義為Vx和Vy，其分別用于控制繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)。問題的關(guān)鍵在于確定如何來唯一地將指令信號映射變換(map)到標示為V1、V2和V3的三個驅(qū)動信號?？梢愿鶕?jù)驅(qū)動機構(gòu)的類型來選定電壓源或電流源以生成這些信號。映射變換通?？捎上铝芯€性方程組表示V1＝AVx+BVy+Vf1，V2＝CVx+DVy+Vf2，和V3＝EVx+FVy+Vf3，其中，A、B、C、D、E、F、Vf1、Vf2和Vf3都是與Vx和Vy無關(guān)的常數(shù)?？梢詫崿F(xiàn)任意數(shù)目的映射變換方法。但是，并不是所有方法都可產(chǎn)生相同的控制特性。因此，問題受到下列條件約束，以便下述特性通過映射變換得以保持(1)指令信號Vx僅與MEMS器件繞x軸的有效位移相關(guān)。
(2)指令信號Vy僅與MEMS器件繞y軸的有效位移相關(guān)。
(3)指令信號Vx是差動的(differential)，以使得對三個元件的平均驅(qū)動信號沒有變化。
(4)指令信號Vy是差動的(differential)，以使得對三個元件的平均驅(qū)動信號沒有變化。
約束條件(1)和(2)確保在兩個獨立旋轉(zhuǎn)方向之間不存在或很少有交叉干擾(cross-talk)交擾。約束條件(3)和(4)使系統(tǒng)對指令信號Vx和Vy的響應(yīng)線性化。這兩種特性極大地簡化了反饋電路或者在鏡子的閉環(huán)(closed-loop)操作中所需的算法。
通過施用約束條件(1)-(4)，常數(shù)A、B、C、D和E之間的相對關(guān)系受到了必要的約束，即，它們不能再被假定為任意值。它們的值還取決于驅(qū)動元件的具體結(jié)構(gòu)配置以及傾斜軸關(guān)于驅(qū)動元件的相對取向。在圖1和圖2描述的實施方案中，三個元件都相同且取向如圖所示，若要使約束條件(1)總保持成立，則需A與C的和與E成線性比例。若要使約束條件(2)總保持成立，則需B等于D。約束條件(3)隱含表明了A、C和D的和等于零，而約束條件(4)則隱含表明了B、D和E的和等于零。所有這些約束條件都必須同時滿足。要想同時滿足這些約束條件，則F須等于-2B，C須等于-A，且E須等于零。因此，映射變換的廣義方程組被簡化成下列方程組，其標示為M1V1＝AVx-(F/2)Vy+Vf1，V2＝-AVx-(F/2)Vy+Vf2，和V3＝FVy+Vf3方程組M1定義出了雙軸指令信號如何映射變換為三個驅(qū)動信號。偏壓值Vf1、Vf2、Vf3可以數(shù)值相等，或者其中一個或多個可與其它的取值不同。映射變換M1被應(yīng)用于下述情況，其中三個驅(qū)動元件外形和形狀都完全相同，間隔距離相等，且相對于傾斜軸的取向如圖2所示。應(yīng)能理解，M1映射變換對于如圖1和圖2所示的元件標記系統(tǒng)是唯一的，并且對在這幾幅圖中所示的軸線取向的選擇而言也是唯一的。元件標記和軸線取向有多種可運用這種映射變換的排列組合，只是在驅(qū)動信號V1、V2和V3的分配以及系數(shù)A和F的正負號上有細微的變化。
僅當驅(qū)動元件相對于鉸合裝置的取向與圖2所示的一致時，才可運用映射變換M1。在通常情況下，驅(qū)動元件的取向不必與圖2所示的一致。驅(qū)動元件可相對于由鏡子鉸合裝置軸限定的方向進行旋轉(zhuǎn)。圖3顯示驅(qū)動元件處于任意取向，其中旋轉(zhuǎn)角θ定義為驅(qū)動元件自圖2所示取向位置沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過的角度。不管驅(qū)動元件的相對取向如何，為了確保約束條件(1)-(4)成立，必須對從指令信號到驅(qū)動信號的映射變換加以修改。這是通過變換坐標系來實現(xiàn)的，其中新的坐標軸相對于原始坐標軸旋轉(zhuǎn)了一個角度θ。最終所得到的新的映射變換關(guān)系由一組新的線性方程描述如下，其被標示為M3V1＝(ACos(θ)+(F/2)Sin(θ))Vx+(ASin(θ)-(F/2)Cos(θ))Vy+Vf1，V2＝(-ACos(θ)+(F/2)Sin(θ))Vx+(-ASin(θ)-(F/2)Cos(θ))Vy+Vf2，和V3＝-FSin(θ)Vx+FCos(θ)Vx+Vf3這些方程所描述的映射變換是廣義形式，其中電極都具有相同尺寸，與利用三個驅(qū)動元件1、2和3來控制帶有雙萬向架的鏡子4有關(guān)。偏壓值Vf1、Vf2和Vf3可以全部相等，也可以是其中一個或多個的值不等同于其它的值。
本發(fā)明的一個更為具體的實施方案提供了映射變換的簡化型式。映射變換的一種理想的但非必須的特性是，驅(qū)動元件轉(zhuǎn)過120度的整數(shù)倍的角度時映射變換型式不變。由于這三個驅(qū)動元件具有對稱性，所以如果驅(qū)動元件相對于鏡子鉸合裝置轉(zhuǎn)過的角度是120度的整數(shù)倍，則新的結(jié)構(gòu)配置完全等同于未旋轉(zhuǎn)之前的結(jié)構(gòu)配置，只是驅(qū)動元件的標記有些無足輕重的改變而已。為使映射變換保持不變，除了使標記1、2、3的無足輕重的排列以外，還必須將常數(shù)A與常數(shù)F的比值限定為等于 這樣，對本發(fā)明所預(yù)見到的一種特定類型的映射變換由如下的線性方程組表示，其被標示為M4V1=F((3/2)Cos(θ)+(1/2)Sin(θ))Vx+F((3/2)Sin(θ)-(1/2)Cos(θ))Vy+Vf,]]>V2=F(-(3/2)Cos(θ)+(1/2)Sin(θ))Vx+F(-(3/2)Sin(θ)-(1/2)Cos(θ))Vy+Vf,]]>V3＝-FSin(θ)Vx+FCos(θ)Vx+Vf正是這種唯一的映射變換，既滿足了約束條件(1)-(4)，又滿足了驅(qū)動元件轉(zhuǎn)過120度的整數(shù)倍的角度時映射變換型式不變的要求。映射變換M4僅適用于驅(qū)動元件如圖3所示相互等同且等間隔設(shè)置的情形。
本發(fā)明是結(jié)合具體實施方案進行闡述說明的。但對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，采用其它實施方案也是顯而易見的。例如，本發(fā)明并不僅限于帶有雙萬向架的鏡子。由上文的敘述可知，鏡子軸和三個電極的不同的相對取向也是允許的，其導(dǎo)致兩個差動指令(differential commands)和三個電極指令之間的映射變換中的系數(shù)不同。因此，不應(yīng)以局限性目光來理解本發(fā)明，本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種帶有可受控進行雙向角位移的兩個軸的裝置，包括平臺，其能夠響應(yīng)驅(qū)動而繞所述兩個軸重新取向；第一、第二和第三驅(qū)動元件，其位于所述平臺附近，用于向所述平臺提供非接觸式驅(qū)動；三個控制源，其用于向所述第一、第二和第三驅(qū)動元件提供獨立的控制力；以及控制裝置，用于將相對于所述可進行角位移的兩個軸的選定位置映射變換為所述三個控制力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件為電極，并且所述控制源包括電壓源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件為電磁元件，所述平板包括鐵磁區(qū)域，并且所述控制源包括電流源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置依照下列關(guān)系實現(xiàn)映射變換[V1，V2，V3]＝[M1][Vx，Vy]其中，所述驅(qū)動元件具有基本上相等的面積并且相對于所述軸中的第一個軸對稱設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述第一驅(qū)動元件設(shè)置成直接對準所述軸中的所述第一個軸，所述第二驅(qū)動元件和第三驅(qū)動元件分別對稱地設(shè)置在所述第一個軸的相對的兩側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件中的兩個驅(qū)動元件相對于所述驅(qū)動元件中的第一個驅(qū)動元件具有不相等的面積。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件中的所述第一個驅(qū)動元件設(shè)置成直接對準所述軸中的第一個軸，并且所述第二驅(qū)動元件和第三驅(qū)動元件分別對稱地設(shè)置在所述第一個軸的相對的兩側(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置依照下列關(guān)系實現(xiàn)映射變換[V1，V2，V3]＝[M3][Vx，Vy]其中，所述驅(qū)動元件具有相等的面積并且被設(shè)置成與所述兩個軸隨機地對準。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制裝置依照下列關(guān)系實現(xiàn)映射變換[V1，V2，V3]＝[M4][Vx，Vy]其中，所述驅(qū)動元件具有相等的面積，并且所述驅(qū)動元件繞中心軸Z旋轉(zhuǎn)120度的整數(shù)倍的角度時所述映射變換不變。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述驅(qū)動元件具有不相等的面積，并且被設(shè)置成與所述軸隨機地對準。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述平臺還能夠沿著基本上垂直于所述平臺的z軸方向位移。
12.一種用于對帶有可受控進行雙向角位移的兩個軸的裝置進行線性控制的方法，所述裝置包括平臺，其能夠響應(yīng)驅(qū)動而繞所述兩個軸重新取向；三個驅(qū)動元件，其位于所述平臺附近，用于向所述平臺提供非接觸式驅(qū)動；三個控制源，其用于向所述三個驅(qū)動元件提供獨立的控制力；以及控制裝置，用于將相對于所述可進行角位移的兩個軸的選定位置映射變換為所述三個控制力，所述方法包括以下步驟選擇所述平臺的位移角度；將所述位移角度映射變換為用于繞x軸和y軸進行位移的角度指令；依照指定的映射矩陣將所述兩個角度指令從第一與第二可控制的角度映射變換為三個偏壓值，以用于產(chǎn)生角度感應(yīng)電極電壓指令，所述電壓指令用于控制所述第一與第二可控制的角度；以及向所述三個控制源施加所述角度感應(yīng)電極電壓指令，以在所述第一與第二可控制的角度的基礎(chǔ)上改變所述驅(qū)動元件的軸向位移。
13.一種用于對帶有可受控進行雙向角位移的兩個軸的裝置進行線性控制的方法，所述裝置包括平臺，其能夠響應(yīng)驅(qū)動而繞所述兩個軸重新取向；三個驅(qū)動元件，其位于所述平臺附近，用于向所述平臺提供非接觸式驅(qū)動；三個控制源，其用于向所述三個驅(qū)動元件提供獨立的控制力；以及控制裝置，用于將相對于所述可進行角位移的兩個軸的選定位置映射變換為所述三個控制力，所述方法包括以下步驟選擇所述平臺的位移角度；將所述位移角度映射變換為用于繞x軸和y軸進行位移的角度指令；依照指定的映射矩陣將所述兩個角度指令從第一與第二可控制的角度映射變換為三個偏流值，以用于產(chǎn)生角度感應(yīng)電極電流指令，所述電流指令用于控制第一與第二可控制的角度；以及向所述三個控制源施加所述角度感應(yīng)電極電流指令，以在所述第一與第二可控制的角度的基礎(chǔ)上改變所述驅(qū)動元件的軸向位移。
全文摘要
提供了利用三個(1，2，3)非接觸式驅(qū)動元件或電極驅(qū)動雙軸“X－Y”MEMS鏡子的方法和裝置。差動雙向鏡子控制利用偏置以適當值的單極驅(qū)動電壓實現(xiàn)。利用變換函數(shù)將雙軸尖端傾斜指令映射變換為用于選定電極的取向和尺寸的三個激勵驅(qū)動信號。
文檔編號B81B3/00GK1647356SQ03808414
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月6日
發(fā)明者安德烈斯·費爾南德斯, 威廉C·迪克森 申請人:格雷姆格拉斯網(wǎng)絡(luò)公司