发明名称 微机电系统可变光学衰减器
摘要 本发明提供一种MEMS(微机电系统)可变光学衰减器,其可在一光学功率之全范围上做光学衰减。该微机电系统可变光学衰减器包含一微电子基板、一微机电系统致动器及一光学快门,微机电系统可变光学衰减器亦可包含一箝制元件,以于一想要之衰减位置上锁定光学快门,可变光学衰减器可衰减光学轴线平行及垂直于基板的光束。此外,本发明之微机电系统致动器可包含一微机电系统致动器阵列,可供给光学快门以较大之位移距离,藉此达成一全范围之光学衰减。在本发明之一实施例中,微机电系统致动器包含一热拱形梁致动器,此外,本发明之可变光学衰减器可实施于一热双态悬臂结构。此变换实施例包括一微电子基板及一热双态悬臂结构,热双态悬臂结构具有至少二不同热膨胀系数之材料,热双态系反应于热致动及在较低热膨胀系数之材料方向中移动。致动时,热双态截断光束之路径及提供用于所需之光学衰减程度。本发明亦提供一种光学衰减方法,及一种依上述结构以制造一光学衰减器之方法。
申请公布号 TW499570 申请公布日期 2002.08.21
申请号 TW089117987 申请日期 2000.09.02
申请人 JDS尤尼费斯公司 发明人 维加亚库马 R 德户勒;艾德华A 希尔;雷玛斯瓦密 马哈迪凡;马克 大卫 沃特;罗伯特L 巫德
分类号 G02B27/00 主分类号 G02B27/00
代理机构 代理人 陈长文 台北巿敦化北路二○一号七楼
主权项 1.一种用于光学衰减一光束之微机电系统装置,包含:一微电子基板,具有一大致平坦表面;一微电子致动器,设于该微电子基板之大致平坦表面上;及一光学快门,设于该微电子基板之大致平坦表面上,其中该光学快门系由该微电子致动器致动及适可固定于复数位置之任一者,及其中该光学快门阻挡各位置处不同百分比之光学功率,使该光学快门可在一光学功率范围内阻挡任意百分比之光学功率。2.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,进一步包含:一静电式箝制元件,设于该基板上且可在操作上连接于该光学快门,供该光学快门以静电式箝制于一要求之衰减位置;一静电式接触件,设于该基板上,系以静电式联结于该箝制元件;及一施加装置,供施加一静电力于该静电式箝制元件与该静电式接触件之间。3.如申请专利范围第2项之微机电系统装置,其中该静电式箝制元件系由一金属组成。4.如申请专利范围第2项之微机电系统装置,其中该静电式箝制元件系由一半导体-金属组合物组成。5.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子致动器进一步包含一热拱形梁致动器。6.如申请专利范围第5项之微机电系统装置,进一步包含一装置,供加热于该拱形梁致动器,造成拱形梁之进一步拱曲,藉此致动该光学快门。7.如申请专利范围第6项之微机电系统装置,其中该加热装置进一步包含一外部加热器设置邻近于该致动器。8.如申请专利范围第5项之微机电系统装置,进一步包含一致动器构件,系由该拱形梁致动器移位及将该光学快门接附于该拱形梁致动器。9.如申请专利范围第5项之微机电系统装置,进一步包含一温度补偿元件,系设置于该微电子基板上,及适可反应于周围温度变化而防止该致动器致动。10.如申请专利范围第9项之微机电系统装置,其中该温度补偿元件进一步包含一硬质框架结构围绕该热拱形梁致动器,该硬质框架结构具有至少一锚定点以将该硬质框架结构固定于该基板,框架之其余部分则悬伸至该基板上方及可在操作上连接于该热拱形梁致动器。11.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,进一步包含一支承结构,供支承该光学快门于该基板上。12.如申请专利范围第11项之微机电系统装置,其中该支承结构进一步包含一摺叠式梁悬伸结构。13.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子致动器进一步包含一微电子致动器阵列。14.如申请专利范围第13项之微机电系统装置,其中该微电子致动器阵列进一步包含一热拱形梁致动器阵列。15.如申请专利范围第14项之微机电系统装置,进一步包含一装置,供加热于该热拱形梁致动器阵列,造成拱形梁之进一步拱曲,藉此致动该光学快门。16.如申请专利范围第15项之微机电系统装置,其中该加热装置进一步包含至少一外部加热器设置邻近于该微电子致动器阵列。17.如申请专利范围第14项之微机电系统装置,进一步包含至少一温度补偿元件,系设置于该微电子基板上,及适可反应于周围温度变化而防止该致动器致动。18.如申请专利范围第17项之微机电系统装置,其中该至少一温度补偿元件进一步包含至少一硬质框架结构围绕该热拱形梁致动器阵列,该硬质框架结构具有至少一锚定点以将该硬质框架结构固定于该基板,框架之其余部分则悬伸至该基板上方及可在操作上连接于该热拱形梁致动器阵列。19.如申请专利范围第14项之微机电系统装置,进一步包含一中央毂设置于微电子基板上,其具有至少二毂辐条,可在操作上连接于该阵列内之至少一微机电系统致动器,及至少一杠杆,可在操作上连接于该中央毂及该光学快门,其中该微机电系统致动器提供施力以移动该至少二毂辐条,藉此施加一旋转力于该中央毂上,以移动该至少一杠杆而造成该光学快门衰减一光束。20.如申请专利范围第19项之微机电系统装置,进一步包含至少一杠杆可在操作上连接于该中央毂,及一箝制元件接附于该至少一杠杆,其中该微机电系统致动器提供施力以移动该至少二毂辐条,藉此施加一旋转力于该中央毂上,以移动该至少一杠杆而造成该箝制元件到达一可施加箝制电压之位置。21.如申请专利范围第20项之微机电系统装置,其中该微电子基板定义至少一开孔邻近间隔于该中央毂,及其中该光学快门进一步包含至少一光学快门,可在操作上透过至少一杠杆以联结于该中央毂,且适可藉由各别移动通过该至少一开孔以至少局部地影响光束之衰减。22.如申请专利范围第14项之微机电系统装置,进一步包含一致动器构件,系由该热拱形梁致动器阵列移位及将该光学快门接附于该热拱形梁致动器阵列。23.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子致动器进一步包含第一及第二微电子致动器,及该元学快门进一步包含第一及第二光学快门,系分别对应于第一及第二微电子致动器。24.如申请专利范围第23项之微机电系统装置,其中该第一及第二微电子致动器进一步包含第一及第二热拱形梁致动器。25.如申请专利范围第24项之微机电系统装置,其中该第一及第二热拱形梁致动器系在大致相同平面及在该平面内之大致相反方向致动。26.如申请专利范围第25项之微机电系统装置,其中该第一及第二光学快门系成型以利于致动时叠置,造成第一及第二光学快门相互接触。27.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门系呈一预定形状,以供光束完全衰减。28.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门系呈一预定形状,以供光束局部衰减。29.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门具有开孔以供光束通过。30.如申请专利范围第1项之微机系统装置,其中该光学快门系概呈块状。31.如申请专利范围第30项之微机电系统装置,其中该光学快门具有一沿着概呈块状光学快门正面之预定厚度。32.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门具有一轮廓表面。33.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门包含一金属。34.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门包含一半导体-金属组合物。35.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子基板定义一贯穿之开孔,开孔可供光束通过。36.如申请专利范围第35项之微机电系统装置,其中光束具有一光学轴线大致垂直于该微电子基板之大致平坦表面,及该光学快门系位于一大致平行于该微电子基板大致平坦表面之平面中。37.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子基板定义一透明材料,以供一光束通过。38.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该微电子基板定义一沟槽沿着大致平坦表面,沟槽可供光束通过。39.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中光束具有一光学轴线大致垂直于该微电子基板之大致平坦表面,及该光学快门系位于一大致平行于该微电子基板大致平坦表面之平面中。40.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门系接附于该微电子致动器,其位于一大致平行于该微电子基板大致平坦表面之平面中,及在致动时可延伸至该微电子基板之一边缘以外,以供衰减一沿着该微电子基板边缘通过之光束。41.如申请专利范围第40项之微机电系统装置,其中光束系在一大致平行于该微电子基板大致平坦表面之平面中。42.如申请专利范围第40项之微机电系统装置,其中光束系在一大致垂直于该微电子基板平坦表面之平面中。43.如申请专利范围第1项之微机电系统装置,其中该光学快门系位于一大致垂直于该微电子基板大致平坦表面之平面中。44.如申请专利范围第43项之微机电系统装置,其中该光学快门系一弹上式光学快门,可在微机电系统装置制造期间自该基板释离。45.如申请专利范围第43项之微机电系统装置,其中该光学快门系利用一枢接式结构以支承于该基板上。46.如申请专利范围第43项之微机电系统装置,其中该光学快门系利用一挠性扭转式支承结构以支承于该基板上。47.一种用于光学性衰减一光束之微机电系统装置,包含:一微电子基板,具有一大致平坦表面;及一可移动之组合物致动器,设于该微电子基板之平坦表面上且适可做热致动,以利沿着一预定路径可控制地移动及衰减一位于致动位径中之光束,其中该可移动之组合物系在各位置阻挡不同百分比之光学功率,使该可移动之组合物可在一光学功率范围内阻挡任意百分比之光学功率。48.如申请专利范围第47项之微机电系统装置,其中该可移动之组合物致动器进一步包含至少二层,以差异性地对应于热致动,该组合物之一固定部系接附于该微电子基板及该组合物之一远部适可弯曲,以利沿着一预定路径可控制地移动及衰减一位于致动位径中之光束。49.如申请专利范围第48项之微机电系统装置,其中远部系反应于热效动而在一向上之方向中移动及衰减一光束,光束具有一光学路径位于该微电子基板之大致平坦表面上方。50.如申请专利范围第48项之微机电系统装置,其中远部系反应于热致动而在一向下之方向中移动及衰减一光束,光束具有一光学路径位于该微电子基板之大致平坦表面下方。51.如申请专利范围第50项之微机电系统装置,其中该微电子基板定义一沟槽以供光束延伸通过。52.一种用于光学衰减一光束之微机电系统装置,包含:一微电子基板,具有一大致平坦表面;一微电子致动器,设于该微电子基板之大致平坦表面上;一光学快门,设于该微电子基板之大致平坦表面上,其中该光学快门系由该微电子致动器致动及衰减一光学功率范围内任意百分比之光学功率;一静电式箝制元件,可在操作上连接于该光学快门,供该光学快门以静电式箝制于一要求之衰减位置;一静电式接触件,设于该基板上,系以静电式联结于该箝制元件;及一施加装置,供施加一静电力于该静电式箝制元件与该静电式接触件之间。53.一种用于可变光学衰减之系统,该系统包含:一微机电系统可变光学衰减器,具有一微电子基板且其备有一大致平坦表面、一微电子致动器设于该微电子基板之大致平坦表面上、一光学快门设于该微电子基板之大致平坦表面上、一静电式箝制元件可在操作上连接于该光学快门且供该光学快门以静电式箝制于一要求之衰减位置;一静电式接触件,设于该基板上,系以静电式联结于该箝制元件;及一电压源,供施加一静电力于该静电式箝制元件与该静电式接触件之间。54.一种用于光学衰减之方法,系使用一微机电系统可变光学衰减器,其具有一微电子基板且其备有一大致平坦表面、一微电子致动器设于该微电子基板之大致平坦表面上、一光学快门设于该微电子基板之大致平坦表面上、一静电式箝制元件设于该基板上,该方法包含以下步骤:致动该微电子致动器;利用微电子致动器以致动光学快门,使得光学快门置放于一预定之衰减位置,以利相交于供一光束通过之一平面之至少一部分;静电式致动该箝制元件,藉以锁定光学快门于预定之衰减位置;及当光学快门锁定于预定之衰减位置时,停止该微电子致动器。55.一种制造一微机电系统可变光学衰减器之方法,包含:制成一氧化物属于一微电子基板之一大致第一平坦表面上;制成一矽层于氧化物层上;定义衰减器之一机械性结构于矽层内,机械性结构定义一热拱形梁致动器、一致动器构件及一光学快门;利用蚀除热拱形梁致动器与致动器构件之拱形梁下方之氧化物层,以自基板释离一部分矽层;掺杂至少一部分矽层,以提供一预定之导电率;及蚀刻微电子基板之一第二表面,即相对立于第一表面者,及蚀刻光学快门下方之氧化物层,以自基板释离光学快门。56.如申请专利范围第55项之方法,其中该定义步骤进一步定义机械性结构为包括一箝制元件,及该释离步骤进一步包括蚀除箝制元件下方之氧化物层。57.如申请专利范围第56项之方法,进一步包含以下步骤:在该释离步骤后氧化箝制元件之底侧,以提供一电介质于基板与箝制元件之间;及定义一金属电极于该基板之第一表面上,以提供一电力连接于箝制元件。58.如申请专利范围第56项之方法,其中该定义步骤进一步包含定义机械性结构以包括蚀刻孔于箝制元件及致动器构件内,以利协助后者释离基板。59.如申请专利范围第55项之方法,其中该定义一机械性结构之步骤进一步包含以下子步骤:成型一遮罩而定义机械性结构于矽层上;及依据成型遮罩蚀除矽层,以定义机械性结构。60.如申请专利范围第55项之方法,其中该制成矽层之步骤进一步包含使用一磊晶制程以生长单晶矽于基板上。61.如申请专利范围第55项之方法,其中该制成矽层之步骤进一步包含熔接一单晶矽层于基板及氧化物结构。62.如申请专利范围第55项之方法,进一步包含在该定义机械性结构之步骤后金属化光学快门之步骤,以提供非光学传输表面。63.如申请专利范围第55项之方法,其中该定义步骤进一步包含定义机械性结构以包括蚀刻孔于光学快门及致动器构件内。图式简单说明:图1系依本发明实施例之一微机电系统可变光学衰减器提供同平面致动,用于一光束具有一轴线垂直于基板之立体图。图2系本发明及先前技艺中实施之一微机电系统热拱形梁致动器之顶面图。图3系依本发明实施例之一微机电系统可变光学衰减器具有一致动器构件实体上邻接于光学快门之立体图。图4A-4F系依本发明实施例之微机电系统可变光学衰减器制程中之不同阶段截面图。图4G系依本发明实施例之一微机电系统可变光学衰减器揭露使用蚀刻孔于致动器构件与箝制元件之顶侧表面中之平面图。图5系依本发明实施例之一微机电系统可变光学衰减器提供同平面之衰减,以用于具有一轴线平行于基板之光束之立体图。图6系依本发明实施例之一微机电系统可变光学衰减器提供不同平面之衰减,以用于具有一轴线平行于基板之光束之立体图。图7系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器提供衰减功能,以用于具有路径于基板边缘外之光束之立体图。图8系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器具有复数微机电系统致动器定义一阵列之立体图。图9系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器具有复数微机电系统致动器定义一阵列,及提供衰减功能,以用于具有路径于基板边缘外之光束之立体图。图10系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光衰减器具有一旋转式毂致动结构之立体图。图11系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器具有双光学快门之立体图。图12系实施于本发明中之一微机电系统热拱形梁致动器具有一温度补偿元件之顶面图。图13系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器包含一热双态悬臂结构,以衰减基板表面以上一平面中之一光束之截面图。图14A系依本发明变换实施例之一微机电系统可变光学衰减器包含一热双态悬臂结构,以衰减基板表面以下一平面中或通过基板表面之一光束之立体图。图14B系沿图14A之A-A线所取一微机电系统可变光学衰减器包含一热双态悬臂结构之截面图,其依本发明变换实施例衰减一位于基板表面以下一平面中或通过基板表面之一光束。
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