微振荡元件 【技术领域】
本发明涉及一种微振荡元件，如具有可动部件而可进行旋转的微反射镜元件。
背景技术
最近，使用微机械技术加工的微型元件被尝试应用在各种不同的技术领域。例如在光通信领域中，具有光反射功能的微反射镜元件正引起关注。
在光通信中，通过以光纤为媒介来传输光信号。此外，一般使用光开关器件将光信号的传输路径从一条光纤转换到另一条光纤。为获得优异的光通信特性，要求光开关器件在开关操作中具有高容量、高速和高可靠性的特性。在这方面，对内嵌有微反射镜元件的光开关器件的期望值越来越高，其中内嵌的微反射镜元件使用微机械技术进行加工。这是因为，使用微反射镜元件可以在光开关器件输入端的光传输路径和在光开关器件输出端的光传输路径之间对光信号本身进行开关操作，而不必把光信号转换为电信号，这也意味着其适于获得上述各种特性。
微反射镜元件具有可反射光的镜面，通过振动(oscillation)镜面可以改变光的反射方向。静电驱动型微反射镜元件使用静电力促使镜面振荡，在许多器件中得到应用。静电驱动型微反射镜元件可以被划分为两大类：使用所谓表面微机械技术加工的微反射镜元件，和使用所谓体(bulk)微机械技术加工的微反射镜元件。
在使用表面微机械技术加工时，在衬底上制备对应各构成区域的薄层，并将该薄层加工成预设图案。通过一系列流程层叠这些图案，从而形成构成元件的各区域，如支撑部分、振荡部分、镜面和电极部分等。除上述各部分外，也形成了在后期被去除的牺牲层。另一方面，在使用体微机械技术加工时，通过对材料衬底进行刻蚀形成预设形状的支撑和振荡部分。随后，通过薄层制备工艺形成镜面和电极。例如在公开号为(hei)10-190007、(hei)10-270714和2000-31502的日本专利中介绍了体微机械技术。
微反射镜元件必需的一个技术特点是：反射光地镜面具有极高的平滑度。然而在表面微机械技术中，因为最终形成的镜面很薄，容易弯曲，所以在表面积大的镜面上难以获得高的光滑度。另一方面，在体微机械技术中，通过刻蚀工艺的方法切割材料衬底来构成反射镜部分，其相对厚一些，并且由于镜面设置在上述反射镜部分上，因此，即使镜面的表面积大，也可以保持刚度。从而有可能获得光学平滑度足够高的镜面。
图20-21说明一个使用体微机械技术加工的传统静电驱动型微反射镜元件X5。图20是微反射镜元件X5的分解图，而图21是在装配状态下的微反射镜元件X5沿着图20中的线XXI-XXI的剖面图。
微反射镜元件X5的结构为：其中反射镜衬底200和基本衬底206相互层叠。反射镜衬底200由反射镜支撑部分201、框架202以及连接支撑部分201和框架202的一对扭力杆203构成。通过对如可导电的硅衬底等材料衬底的某一面进行刻蚀，可以在反射镜衬底200上形成反射镜支撑部分201、框架202和扭力杆203的轮廓。在反射镜支撑部分201的上表面上设置镜面204。在反射镜支撑部分201的下表面上设置一对电极205a和205b。一对扭力杆203限定了反射镜支撑部分201旋转操作的旋转轴A5。在基本衬底206设置有两个电极207a和207b，其分别相对于反射镜支撑部分201上的电极205a和205b。
在微反射镜元件X5中，当电势被施加到反射镜衬底200的框架202上时，通过扭力杆203和反射镜支撑部分201该电势被传输到电极205a和205b上，上述扭力杆203、反射镜支撑部分201由相同的导电材料与框架202一体形成。因此，通过在框架202上施加预设的电势，可促使在电极205a和205b上产生比如正电荷。此时，如果基本衬底206的电极207a带有负电荷，则电极205a和电极207a之间就会产生静电吸引力，从而反射镜支撑部分201将沿箭头M5的方向旋转，扭力杆203也同时扭转，如图21所示。反射镜支撑部分201会一直旋转，直到达到某一角度使电极之间的吸引力和扭力杆203的抗扭转力达到平衡为止。另一方面，如果电极207b上带负电荷，而反射镜支撑部分201的电极205a和205b上带正电荷，则电极205b和电极207b之间会产生静电吸引力，因此反射镜支撑部分201将沿箭头M5的反方向旋转。按上述方式驱动反射镜支撑部分201旋转，就可以转变由镜面204反射的光的方向。
为减小微反射镜元件X5在轴A5纵向上的尺寸，必需减小反射镜支撑部分201的长度L51(见图20)、框架202的长度L52、或者扭力杆203的长度L53。然而，一旦减小反射镜支撑部分201的长度L51，则在反射镜支撑部分201的上表面上形成的镜面204的面积就会变小。因此，使开关器件难以获得令人满意的光反射性能。此外，反射镜支撑部分201的长度L51的减小会导致在支撑部分201的下表面上形成的的电极205a和205b的面积的减小。如果电极205a和205b的面积减小，就难以降低操作开关器件所需的驱动电压。至于框架202，为得到所需的框架202的刚度，其长度L52也不应该过短。与之相似，为确保扭力杆具有合适的机械特性(弹性常数、强度等)，扭力杆203的长度L53也不应该过短。
如上所述，传统的微反射镜元件X5在结构上难以沿轴A5的纵向减小尺寸。总的来说，要求微反射镜元件能够在低驱动电压下提供大的旋转角和高的旋转速度。当尺寸减小时传统的微反射镜元件X5不能满足这些要求。
【发明内容】
在上述背景下提出本项发明。本发明的目的是提供一种在结构上既适于减小尺寸还不影响对于振荡元件所需的特性的微振荡元件。
依照本发明的第一方案，提供的微振荡元件包括：第一框架；可动功能部件；第一驱动机构；从功能部件延伸到驱动机构的横梁；以及使框架和横梁相互连接的第一扭转接头，该扭转接头限定了第一旋转轴，功能部件绕该第一旋转轴旋转，第一旋转轴与横梁的纵向相交叉。在旋转轴纵向上横梁比功能部件短。
优选地，驱动机构包含共同产生静电力的第一梳状电极和第二梳状电极。第一梳状电极固定在横梁上，而第二梳状电极固定在框架上。
优选地，微振荡元件还包含第二驱动机构，该第二驱动机构连接到功能部件，并且关于功能部件，在位置上与横梁相对。
优选地，第一驱动机构和第二驱动机构产生驱动力，以使功能部件在同一方向上旋转。
优选地，第二驱动机构包含共同产生静电力的第一梳状电极和第二梳状电极。第一梳状电极固定在功能部件上，而第二梳状电极固定在框架上。
第一方案的微振荡元件还可以包含第二框架、第二扭转接头和附加驱动机构。第二扭转接头使第一框架和第二框架相互连接，并限定了第一框架附加旋转的第二旋转轴。附加驱动机构用于产生使第一框架进行附加旋转的驱动力。
优选地，第一旋转轴和第二旋转轴相互平行。
第一方案的微振荡元件还可以包含位置调节机构，用以单独向功能部件的两个区域施加位置调节力，其中功能部件的两个区域在旋转轴的纵向上彼此隔开。
优选地，位置调节机构含有面对功能部件的第一平面电极和第二平面电极，第一平面电极和第二平面电极在旋转轴的纵向上彼此隔开。
依照本发明的第二方案，提供的微振荡元件包括：框架；振荡部件，该部件含有可动功能部件、第一电极、以及从功能部件延伸到第一电极的横梁；使框架和横梁相互连接的扭转接头，该接头限定了一个旋转轴，振荡部件绕该旋转轴旋转，该旋转轴与横梁的纵向相交叉；以及第二电极，该电极与第一电极共同产生使振荡部件旋转的驱动力。在旋转轴纵向上横梁比功能部件短。
优选地，第一电极包括梳状电极，同时第二电极包括另一个固定在框架上的梳状电极。
优选地，第二方案的微振荡元件还可以包含一个基本部件，其中，第一电极包括一个平板电极，第二电极包括基本部件上设置的另一个平板电极，以面对第一电极。
第二方案的微振荡元件还可以包含第三电极和第四电极，其中，第三电极固定在功能部件上，并关于功能部件在位置上与横梁相对，第四电极和第三电极共同产生使振荡部件旋转的驱动力。
优选地，第三电极包括一个梳状电极，第四电极包括另一个固定在框架上的梳状电极。
依照本发明的第三方案，提供的微振荡元件包括：第一框架和第二框架；可动功能部件；第一驱动机构和第二驱动机构；从功能部件延伸到第一驱动机构的第一横梁；使第一框架和第一横梁相互连接的第一扭转接头，该第一扭转接头限定了第一旋转轴，功能部件绕该第一旋转轴旋转，第一旋转轴与第一横梁的纵向相交叉；从第一框架延伸到第二驱动机构的第二横梁；以及使第二框架和第二横梁相互连接的接头，该第二扭转接头限定了第二旋转轴，第一框架绕该第二旋转轴旋转，第二旋转轴与第二横梁的纵向相交叉。在第一旋转轴纵向上第一横梁比功能部件短，同时在第二旋转轴纵向上第二横梁比第一框架短。
优选地，第一旋转轴和第二旋转轴相互平行。
优选地，第一驱动机构包含共同产生静电力的第一梳状电极和第二梳状电极。第一梳状电极固定在第一横梁上，同时第二梳状电极固定在第一框架上。
优选地，第二驱动机构包含共同产生静电力的第一梳状电极和第二梳状电极。第一梳状电极固定在第二横梁上，而第二梳状电极固定在第二框架上。
参照附图和下文的详细说明，本发明的其它特点和优点是显而易见的。
【附图说明】
图1是本发明第一实施例的微反射镜元件的平面图；
图2是沿图1中的线II-II的剖面图；
图3是沿图1中的线III-III的剖面图；
图4A-4D是说明第一实施例的微反射镜元件制备工艺流程的一些步骤的剖面图；
图5A-5D是说明图4D步骤之后的一些步骤的剖面图；
图6是第一实施例的微反射镜元件在工作状态下沿图1中的线II-II的剖面图；
图7是第一实施例的微反射镜元件在工作状态下沿图1中的线III-III的剖面图；
图8是利用多个第一实施例的微反射镜元件所制备的微反射镜阵列的平面图；
图9是本发明第二实施例的微反射镜元件的平面图；
图10是第二实施例微反射镜元件的另一个平面图，为清楚说明而删除其一部分；
图11是沿图9中的线XI-XI的剖面图；
图12是本发明第三实施例的微反射镜元件的平面图；
图13是沿图12中的线XIII-XIII的剖面图；
图14是沿图12中的线XIV-XIV的剖面图；
图15是沿图12中的线XV-XV的剖面图；
图16是本发明第四实施例的微反射镜元件的平面图；
图17是沿图16中的线XVII-XVII的剖面图；
图18是沿图16中的线XVIII-XVIII的剖面图；
图19是沿图16中的线XIX-XIX的剖面图；
图20是传统微反射镜元件的透视分解图；
图21是沿着图20中的线XXI-XXI在已装配组件状态下的微反射镜元件的剖面图。
【具体实施方式】
在下文中将参照附图对本发明的较佳实施例进行说明。
图1-3说明了本发明第一实施例的微反射镜元件X1。如上所述，图1是元件X1的平面图。图2是沿图1中的线II-II的剖面图，图3是沿图1中的线III-III的剖面图。
微反射镜元件X1包括振荡部件10、框架21、扭转接头22和固定的梳状电极23。
振荡部件10含有反射镜支撑部分11、可动梳状电极12和横梁13。反射镜支撑部分11的上表面设置一个反射光的椭圆形反射镜11a。例如，反射镜支撑部分11可以使用硅材料制备，反射镜11a可以使用金制备。在本说明书中，反射镜支撑部分11和其上形成的反射镜11a的组件可以对应前文的可动的“功能部件”。例如，如图1所示，反射镜支撑部分11的宽度L1在20-200μm之间。梳状电极12可以使用导电的硅材料制备。沿箭头D1所示方向伸展的横梁13使反射镜支撑部分11和梳状电极12相互连接。例如，横梁12的宽度L2在3-30μm之间。横梁的宽度L2小于反射镜支撑部分的宽度L1。例如，横梁13可以使用导电的硅材料制备。
框架21为矩形并环绕着振荡部件10。框架21可以使用硅材料制备。虽然在图中没有显示，但是框架21设置有一个内部导电通路贯穿框架本体内部。
扭转接头22含有一对扭力杆22a。每个扭力杆22a延伸在振荡部件12的横梁13和框架21之间，以连接横梁13和框架21。如图3所示，扭力杆22a在厚度上(在图3中垂直测量的尺寸)小于横梁13和框架21。扭转接头22(或者说一对扭力杆22a)限定了一个旋转轴A1，振荡部件10(由此反射镜支撑部分11)绕旋转轴A1旋转。如图1所示，旋转轴A1垂直于D1的方向延伸，因此也垂直于横梁13。优选地，旋转轴A1通过或靠近振荡部件10的重心。扭力杆22a可以使用导电的硅材料制备，因此上述的内部导电通路(设置在框架21内部)通过扭力杆22a与横梁13电气联接。
如图3所示，固定的梳状电极23固定在框架21上。在操作时，固定的梳状电极23和可动的梳状电极12之间产生静电力。例如，固定的梳状电极23可以使用导电的硅材料制备。如图2和图3所示，在振荡部件10的非工作状态或待机状态下，两个梳状电极12和23是水平的，并且处在不同的高度上。也如图1和图2所示，两个梳状电极12和23为避免干扰在横向上也相互偏置，否则当振荡部件10工作时会产生干扰。
图4A-4D和图5A-5D显示了上述微反射镜元件X1的制备方法。图示的方法采用了MEMS(微机电系统)技术，该技术是一种体微机械技术。通过这些图给出了一系列的剖面图，以展现怎样制备图5D中所示的元件(即，反射镜支撑部分M、横梁B、框架部分F1-F2、扭力杆T1-T2和梳状电极E1-E2)。在此要注意的是，每个剖面图都不是沿着一条直剖面线截取的，而是沿着一条曲线(其中有几个直线段)，以显示在材料衬底(即，具有多层结构的晶片)上形成的单个微反射镜元件的特殊部分。从以下的解释中可以明白，反射镜支撑部分M对应于上述反射镜支撑部分11的一部分(见图1)。与之相似的是，横梁B对应于横梁13(如横截面所示)，框架部分F1-F2对应于框架21(如横截面所示)，扭力杆T1对应于一个扭力杆22a(如纵截面所示)，扭力杆T2对应于另一个扭力杆22a(如横截面所示)，梳状电极E1对应于可动梳状电极12(如梳齿的横截面所示)，以及梳状电极E2对应于固定的梳状电极23(如梳齿的横截面所示)。
具体来说，以下述方式制备微反射镜元件X1。首先，制备如图4A所示的材料衬底100。材料衬底100是具有多层结构的绝缘硅(SOI)衬底，包括顶部的硅层101、底部的硅层102以及位于顶部的硅层101和底部的硅102之间的绝缘层。硅层101和102为了具有导电性由掺杂的硅材料制备。杂质可以是p型杂质(例如硼)，也可以是n型杂质(例如磷和锑)。例如，绝缘层103由氧化硅制备。顶部硅层101的厚度可以在10-100μm之间，而底部硅层102的厚度可以在50-500μm之间。绝缘层103的厚度可以在0.3-3.0μm之间。
如图4B所示，在顶部硅层101上形成反射镜11a。以下述方式来形成反射镜11a。首先，在硅层101上通过溅射形成铬层(厚度为50nm)，在铬层上再通过溅射形成金层(厚度为200nm)。然后，在金层上形成合适的掩模，再对铬层和金层进行刻蚀，以将其加工成反射镜11a。金层的刻蚀剂可以是碘化钾溶液，铬层的刻蚀剂可以是硝酸铈二铵溶液。
如图4C所示，在顶部硅层101上形成氧化物膜图案110和抗蚀膜图案111，而在底部硅层102上形成氧化物膜图案112。氧化物膜图案110具有规定的结构，与振荡部件10(反射镜支撑部分M、横梁B和梳状电极E1)和框架21(框架部分F1和F2)相对应。抗蚀膜图案111具有规定的结构，与扭力杆22a(扭力杆T1和T2)相对应。氧化物膜图案112具有规定的结构，与框架21(框架部分F1和F2)和固定梳状电极23(梳状电极E2)相对应。
如图4D所示，以氧化物膜图案110和抗蚀膜图案111作为掩模，对顶部硅层101进行DRIE(深度反应离子刻蚀)，直至达到规定的深度。例如这个深度可以是5μm，对应于扭力杆T1和T2的厚度。可通过博仕工艺(Bosch process)适当进行DRIE，由此交替进行刻蚀和侧壁保护。对于下述DRIE，优选采用博仕工艺。
然后，如图5A所示，使用脱模剂(parting agent)去除抗蚀膜图案111。对于脱模剂可以使用科莱恩(日本)公司(Clariant(Japan)K.K.)的“AZRemover 700”。
如图5B所示，以氧化物膜图案110作为掩模，对顶部硅层101进行DRIE，直至达到绝缘层103，从而使剩余部分形成扭力杆T1和T2。通过此刻蚀工艺，形成振荡部件10(反射镜支撑部分M、横梁B和梳状电极E1)、扭力杆22a(扭力杆T1和T2)和框架21的一部分(框架部分F1和F2)。
如图5C所示，以氧化物膜图案112作为掩模，对底部硅层102进行DRIE，直至达到绝缘层103。因此，形成部分框架21(框架部分F1和F2)和梳状电极E2(固定梳状电极23)。
例如，如图5D所示，使用干刻蚀和湿刻蚀法去除绝缘层103和氧化物膜图案110、112的暴露部分。对于干刻蚀法，可以使用CF4或CHF3为刻蚀气体。对于湿刻蚀法，刻蚀剂可以是含有氢氟酸和氟化铵的缓冲氢氟酸(BHF)。
通过上述步骤，制备出反射镜支撑部分M、横梁B、框架部分F1和F2、扭力杆T1和T2以及梳状电极E1和E2，由此获得所需的微反射镜X1。
在微反射镜X1中，使梳状电极12和13负载合适的电位，使振荡部件10(由此反射镜支撑部分11)绕旋转轴A1旋转。通过内部导电通路(形成在框架21内部)、导电的扭力杆22a和导电的横梁13实现在可动梳状电极12上施加电位。优选地，梳状电极12可以接地。当可动梳状电极12和固定梳状电极23之间产生静电力时，振荡部件10围绕轴A1旋转，并在静电力和扭力杆22a的恢复力平衡时振荡部件10停止旋转。在平衡状态时，两个电极12和23置于如图6和图7所示的位置。显而易见，通过改变梳状电极12、23上施加的电位可以调整振荡部件10的最大旋转角。另一方面，当去掉静电力时，扭力杆22a恢复到初始状态(自然状态)，从而使振荡部件10回到水平位置，如图3所示。通过振荡部件10的这种操作，可以通过在反射镜支撑部分11上形成的反射镜11a的反射来改变反射光的方向。
在微反射镜X1中，扭转接头22(其限定了振荡部件10的旋转轴A1)比反射镜支撑部分11窄，并连接到延伸自反射镜支撑部分11的横梁13上。此外，在旋转轴A1的纵向上扭转接头22与反射镜支撑部分11重叠。通过这样设置，反射镜支撑部分11和扭转接头22在轴A1的纵向上都可以足够长，而元件X1作为整体沿旋转轴A1的纵向上尺寸要小。通过此大反射镜支撑部分和长扭转接头，微反射镜元件X1显现出良好的光反射性能。
依照上述实施例，驱动机构由两个梳状电极12和23的组合来提供。然而本发明并不局限于这种方案。例如，驱动机构可以由两个(或更多)相对的平面导电极板(或电极)构成，在这些电极之间产生使上述“功能部件”围绕旋转轴A1旋转的静电力。这时，其中的一个平面电极(下文称为“第一平面电极”)可以代替梳状电极12(从而，该电极通过横梁13与反射镜支撑部分11相连接)。另一个平面电极，或者说第二平面电极可以设置在附加基本衬底上(可从下面固定在框架21上)，从而面对第一平面电极。
图8显示了包含若干上述微反射镜元件X1的微反射镜阵列Y。在此图示中，五个微反射镜元件被组合成一个单元，但本发明并不限制微反射镜元件的具体数量。
在微反射镜阵列Y中，五个微反射镜元件X1被排列成沿旋转轴A1延伸的阵列。因此，各个反射镜元件的反射镜11a排列成与轴A1平行的阵列。如上所述，在旋转轴A1的纵向上单个微反射镜元件X1的尺寸小。因此，在旋转轴A1的纵向上微反射镜阵列Y的尺寸也小。此外，在阵列Y中，任何一个反射镜11a都紧紧挨着相邻的一个或多个反射镜11a。从而所有的反射镜11a可以在旋转轴A1的纵向上高密度的排列。
现在参照图9-11，图9-11说明了根据本发明第二实施例的微反射镜元件X2。图9是元件X2的平面图。图10是另一个平面图，其去掉反射镜支撑部分，以显示其它被掩盖的组件。图11是沿图9中的线XI-XI的剖面图。
微反射镜元件X2包括振荡部件30、框架41、扭转接头42、固定梳状电极43、基本衬底51以及一对平面条状电极52和53。
振荡部件30包含反射镜支撑部分31、可动梳状电极32和横梁33。用于反射光的反射镜31a设置在反射镜支撑部分31的上表面上。反射镜支撑部分31可由导电的硅材料制备，而反射镜31a可由金制备。在本说明书中，反射镜支撑部分31和其上形成的反射镜31a的组合可以对应可动的“功能部件”。如图9所示，反射镜支撑部分31的长度L1可以在20-200μm之间。梳状电极32和横梁33的结构与前文梳状电极12和横梁13的结构相同。
例如，框架41环绕着振荡部件30，框架41可以使用硅材料制备。虽然在图中没有显示，但是框架41设置有一个内部导电通路贯穿框架本体的内部。
扭转接头42含有一对扭力杆42a。每个扭力杆42a被连接在振荡部件30的横梁33和框架41之间。
每个扭力杆42a延伸在横梁33和框架41之间，以连接横梁33和框架41。扭力杆42a在厚度上小于横梁33和框架41(如图3中所示的扭力杆22a)。扭转接头42(或者说一对扭力杆42a)限定了一个旋转轴A2，振荡部件30(由此反射镜支撑部分31)绕旋转轴A2旋转。如图9所示，旋转轴A2垂直于D1的方向延伸，因此也垂直于横梁33。优选地，旋转轴A2通过或靠近振荡部件30的重心。扭力杆42a可以使用导电的硅材料制备，因此上述的内部导电通路(设置在框架41内部)通过扭力杆42a与横梁33进行电气联接。
固定的梳状电极43固定在框架41上。在操作时，在固定的梳状电极43和可动的梳状电极32之间产生静电力。固定的电极43可以使用导电的硅材料制备。在振荡部件30的非工作状态或待机状态下，两个梳状电极32和43是水平的，并且处在不同的高度上。两个梳状电极32和43为避免干扰在横向上也相互偏置，否则当振荡部件30工作时会产生干扰。
可由硅材料制备的的基本衬底51固定在框架41上，如图11所示。例如，框架41和基本衬底51通过倒装键合法相互附着在一起。如图10所示，条状电极52和53形成在基本衬底51上，并在旋转轴A2的纵向上两个电极相互隔开。此外，如图11所示，条状电极52和53面对反射镜支撑部分31。虽然在图中没有显示，但是电极52和53与基本衬底51上形成的布线图案相连。
在微反射镜X2中，梳状电极32和43上负载合适的电位，以使振荡部件30(由此反射镜支撑部分31)围绕旋转轴A2旋转。通过内部导电通路(在形成在框架41内部)、导电的扭力杆42a和导电的横梁33实现在可动梳状电极32上施加电位。优选地，梳状电极32可以接地。显而易见，通过改变梳状电极32和43上施加的电位可以调整振荡部件30的旋转角。
微反射镜元件X2具有第一实施例的微反射镜元件X1所没有的其它特性，详见下文。具体地在元件X2中，在条状电极52、53中选定的一个电极和反射镜支撑部分31(支撑部分31和可动梳状电极32连接在一起，以与电极32保持相同的电势)之间产生静电力。参照图11，当在条状电极52上负载设定的电位时，在电极52和支撑部分31之间产生静电力S1。与之相似，当在条状电极53上负载设定的电位时，在电极53和支撑部分31之间产生静电力S2。每个静电力S1和S2是吸引力还是排斥力与条状电极52和53上施加的电位有关。
按照上述方案，可以防止振荡部件30(和反射镜支撑部分31)围绕除旋转轴A2之外的其它轴异常旋转移动。在图9和图11中给出了由附图标记A2’表示的异常轴的例子，其垂直于正常旋转轴A2延伸。
这种稳定位置功能使反射镜支撑部分31平行于旋转轴A2，从而使反射镜31a也平行于旋转轴A2。因此，可以确保反射镜31a能够正确的反射光。
依据本发明，可以通过用磁力代替上述静电力来实现位置稳定。具体来说，在基本衬底51上设置一对在旋转轴A2的纵向上相互隔开的扁平线圈，来替代条状电极52和53时，在反射镜支撑部分31的下表面固定一块永磁体。在基本衬底51上形成的布线图案可连接到扁平线圈，用以给线圈供电。工作中，在永磁体和扁平线圈之间产生吸引力或排斥力，从而使振荡部件30保持在合适的位置上。通过改变施加到线圈的电压可以调节磁力的大小。
图12-15图解了本发明第三实施例的微反射镜元件X3。图12是元件X3的平面图。图13、14和15分别是沿着图12中的线XIII-XIII、XIV-XIV和XV-XV的剖面图。
微反射镜元件X3包括振荡部件60、框架71、扭转接头72和固定梳状电极73、74。
振荡部件60包含反射镜支撑部分61、可动梳状电极62和64以及横梁63。在反射镜支撑部分61的上表面上设置有用于反射光的反射镜61a。反射镜支撑部分61可以使用导电的硅材料制备，而反射镜61a可以使用金制备。在说明书中，反射镜支撑部分61和其上形成的反射镜61a的组合可以对应可动“功能部件”。例如，如图12所示反射镜支撑部分61的宽度L1可以在20-200μm之间。梳状电极62和横梁63的结构与上述梳状电极12和横梁13的结构相同。如图15所示，梳状电极64固定在反射镜支撑部分61上，该梳状电极可由导电的硅材料制备。梳状电极64通过内嵌在电极64和支撑部分61里的导电插头(图中没有显示)电连接到反射镜支撑部分61。
框架71环绕着振荡部件60。框架21可以使用硅材料制备。虽然在图中没有显示，但是框架71设置有一个内部导电通路贯穿框架本体的内部。
扭转接头72含有一对扭力杆72a。每个扭力杆72a延伸在振荡部件60的横梁63和框架71之间，用以连接横梁63和框架71。如图15所示，扭力杆72a在厚度上小于横梁63和框架71。扭转接头72(或者说一对扭力杆72a)限定了旋转轴A3，振荡部件60(由此反射镜支撑部分61)绕旋转轴A3旋转。如图12所示，旋转轴A3垂直于D1方向延伸，因此也垂直于横梁63。优选地，旋转轴A3通过或靠近振荡部件60的重心。扭力杆72a可以使用导电的硅材料制备，因此上述的内部导电通路(在框架71内部)通过扭力杆72a电连接至横梁63。
如图15所示，梳状电极73固定在框架71上。在工作中，梳状电极73和梳状电极62之间产生静电力。例如，梳状电极73可以使用导电的硅材料制备。如图13和15所示，在振荡部件60的非工作状态或待机状态下，两个梳状电极62和73是水平的，并且处在不同的高度上。两个梳状电极62和73为避免干扰在横向上也相互偏置，否则当振荡部件60工作时会产生干扰。
如图12和15所示，梳状电极74固定在框架71上。在操作时，梳状电极74和梳状电极64之间产生静电力。例如，梳状电极74可以使用导电的硅材料制备。如图14和15所示，在振荡部件60的非工作状态或待机状态下，两个梳状电极64和74是水平的，并且处在不同的高度上。为避免干扰，两个梳状电极64和74在侧面上也相互偏置，否则当振荡部件60工作时会产生干扰。
可以通过MEMS技术由材料衬底来制备微反射镜元件X3，如上文关于第一实施例的微反射镜元件X1所述。
微反射镜X3中，梳状电极62和64以及振荡部件60上负载合适的电位，同时梳状电极73和74上负载合适的电位，以促使振荡部件60(由此使反射镜支撑部分61)绕旋转轴A3旋转。通过内部导电通路(形成在框架71内部)和导电的扭力杆72a来实现在振荡部件60上施加电位。优选地，振荡部件60以及梳状电极62和64可以接地。当梳状电极62和梳状电极73之间以及梳状电极64和梳状电极74之间产生静电力时，电极62被拉向电极73，并相互啮合在一起，同时电极64被拉向电极74，也相互啮合在一起。因此，振荡部件60围绕轴A3旋转，并当静电力和扭力杆72a的恢复力达到平衡时振荡部件停止旋转。显而易见，通过改变梳状电极73和74上施加的电位可以调整振荡部件60的最大旋转角。
微反射镜元件X3具有两套驱动结构，其中一个由梳状电极62和73构成，另一个由梳状电极64和74构成。按照这种方案，两套驱动机构可以共同驱动振荡部件60绕轴A3在同一方向上旋转。因此，与单驱动结构系统相比，微反射镜元件X3的驱动电压可以降低。
图16-19示出了本发明第四实施例的微反射镜元件X4。图16是元件X4的平面图。图17、18和19分别是沿着图16中的线XVII-XVII、XVIII-XVIII和XIX-XIX的剖面图。
微反射镜元件X4包括振荡部件80、内部框架91、外部框架92、扭转接头93-94、横梁95以及梳状电极96、97和98。
振荡部件80包含反射镜支撑部分81、梳状电极82和横梁83。在反射镜支撑部分81的上表面上设置有用于反射光的反射镜81a。反射镜支撑部分81可以使用导电的硅材料制备，而反射镜81a可以使用金制备。在说明书中，支撑部分81和其上形成的反射镜81a的组合可以对应可动“功能部件”。例如，如图16所示，反射镜支撑部分81的长度L1可以在20-200μm之间。梳状电极82和横梁83的结构与梳状电极12和横梁13的结构相同。
内部框架91环绕着振荡部件80，框架91可以使用硅材料制备。虽然在图中没有显示，但是框架91设置有一个内部导电通路贯穿框架本体。例如，如图16所示，框架91的长度L3可以在30-300μm之间。长度L3大于反射镜支撑部分81的长度L1。
外部框架92环绕着内部框架91，框架92可以使用硅材料制备。虽然没有在图中显示，但是框架92设置有一个内部导电通路贯穿框架本体。
扭转接头93含有一对扭力杆93a。每个扭力杆93a延伸在振荡部件80的横梁83和内部框架91之间，以连接横梁83和框架91。如图19所示，每个扭力杆93a在厚度上小于横梁83和框架91。扭转接头93(扭力杆93a)限定了振荡部件80(由此反射镜支撑部分81)的旋转轴A4。如图16所示，旋转轴A4垂直交叉于沿D1方向延伸的横梁83。优选地，旋转轴A4通过或靠近振荡部件80的重心。扭力杆93a可以使用导电的硅材料制备，因此上述内部导电通路(设置在框架91内部)通过扭力杆93a电连接至横梁83。
如图19所示，梳状电极96固定在框架91上。在工作中，梳状电极96和梳状电极82之间产生静电力。例如，梳状电极96可以使用导电的硅材料制备。相互之间电隔离的梳状电极96和梳状电极82构成微反射镜元件X4的一个驱动结构。如图17和19所示，在振荡部件80的非工作状态或待机状态下，梳状电极82和96是水平的，并且处在不同的高度上。为避免干扰，电极82和96在横向上也相互偏置，否则当振荡部件80工作时会产生干扰。
沿图16所示的D1方向纵向延伸的横梁95连接内部框架91和梳状电极97。例如，横梁95的长度L4可以在3-30μm之间。长度L4小于内部框架91的长度L3。例如，横梁95可以使用导电的硅材料制备。
扭转接头94含有一对扭力杆94a。每个扭力杆94a延伸在横梁95和外部框架92之间，以连接横梁95和框架92。如图19所示，每个扭力杆94a在厚度上小于横梁95和框架92。一对扭力杆94a，或者说扭转接头94限定了框架91和振荡部件80的旋转轴A4’(因此也限定了反射镜支撑部分81的旋转轴)。如图16所示，旋转轴A4’垂直相交于沿D1方向延伸的横梁95，并且平行于另一个旋转轴A4。扭力杆94a可以使用导电的硅材料制备，该扭力杆94a电连接外部框架92中设置的内部导电通路和横梁95。
相互之间电隔离的梳状电极97和梳状电极98构成微反射镜元件X4的一个驱动结构。在工作中，电极97和电极98之间产生静电力。梳状电极97与横梁95进行电气联接和机械连接。如图16和19所示，电极98固定在外部框架92上。通过内嵌在横梁95和电极97里的导电插头(图中没有显示)来实现横梁95与梳状电极97之间的导电。如图18和19所示，在内部框架91的非工作状态或待机状态下，梳状电极97和98是水平的，并且处在不同的高度上。为避免干扰，梳状电极97和98在横向上也相互偏置，否则当内部框架91旋转时会产生干扰。例如，电极97和98可以使用导电的硅材料制备。
可以通过MEMS技术由材料衬底来制备微反射镜元件X4，如上文关于第一实施例的微反射镜元件X1所述。
微反射镜元件X4中，在梳状电极82和96上负载合适的电位，以促使振荡部件80围绕旋转轴A4旋转。此外，在微反射镜元件X4中，可以通过在梳状电极97和98上负载合适的电位，使内部框架91与振荡部件80一起围绕旋转轴A4’旋转。
在微反射镜元件X4中，限定旋转轴A4的扭转接头93与横梁83连接，横梁83比反射镜支撑部分81窄并且延伸自反射镜支撑部分81。如图16所示，反射镜支撑部分81和扭转接头93在D2方向上(旋转轴A4的纵向上)相互重叠。因此，反射镜支撑部分81和扭转接头93在D2方向上可以足够长，而元件X4作为整体在D2方向上的尺寸要小。与之相似，限定旋转轴A4’的扭转接头94与横梁95连接，横梁95比内部框架91窄并且延伸自内部框架91。同时，框架91和扭转接头94在D2方向上相互重叠。从而，框架91和扭转接头94在D2方向上可以足够长，同时元件X4作为整体在D2方向上的尺寸要小。通过大的反射镜支撑部分和长的扭转接头，可产生良好的光反射性能。
由此描述了本发明，显然可以很多方式对其进行改变。这些改变不视为偏离了本发明的宗旨和范畴，并且所有这些改变，其对于本领域的技术人员而言是显而意见的，应包含在权利要求书的范畴内。