[發明專利]基于纖維復合材料的MEMS光掃描器

有效

• 申請號: 200580028499.6
• 申請日: 2005-06-24
• 公開（公告）號: CN101061411A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: S·德薩爾
• 申請（專利權）人: 康乃爾研究基金會有限公司
• 主分類號: G02B26/08
• 分類號: G02B26/08;G02B26/10;B81B3/00
• 代理公司: 北京北翔知識產權代理有限公司
• 代理人: 鄭建暉;楊勇

相關申請

本申請相關于2003年3月21日提交的序列號為10/395,008的 美國專利申請“纖維微復合材料”。本申請要求序列號為60/582,405 的美國臨時申請(標題為“用于微機電系統的纖維”，2004年6月24 日提交)的優先權，該申請通過引用納入本說明書中。本申請還要求 序列號為60/659,736的美國臨時申請(標題為“使用纖維的MEMS 光掃描器”，2005年3月8日提交)的優先權，該申請通過引用納入 本說明書中。

技術領域

本發明涉及MEMS，特別涉及在MEMS中使用纖維結構。

背景技術

目前基于微機電系統(MEMS)的執行器裝置具有嚴重限制其廣泛 商業化的基本性能問題。雖然MEMS制造商已經努力開發了基于硅(多 晶硅和單晶硅)和其他材料的結構，但所得到的系統仍然缺乏所需的 力學性能。具體的實例是基于MEMS的光掃描器和轉換器(OMEMS)。 這樣的裝置需要產生大角度(幾十度的角)偏轉和壽命可靠性超過數 十億次循環的超過幾萬赫茲的諧振頻率。

目前用于制造MEMS的如硅、金屬和陶瓷薄膜等的單片材料缺乏高 彈性剛度、高強度、長疲勞壽命和低密度(每單位體積的質量)等性 能的組合，即不具有在許多潛在的MEMS應用所需要的基本的機械柔性 和抗斷裂性。聚合物是不適合的，因為它們太柔軟并且強度低，這將 其限定在諸如閥門和流體泵等需要小的力量和/或位移的設備中的低 頻率工作中。

因此，諸如光掃描器等運動組件的MEMS目前在市場上幾乎不存 在。MEMS最成功的應用仍然基于如壓力和加速傳感器等的準靜態裝置。 一種運動組件MEMS是基于鋁制MEMS反射鏡的雙穩態定位的數字光處 理器。

可以通過基于MEMS的光掃描器(OMEMS)這一特定的應用來說明 對高性能的MEMS裝置的需求。這樣的掃描器設想應用于使用三色掃描 的大面積顯示。早期的MEMS光掃描器采用利用濕法刻蝕制造的扭轉硅 微鏡。它能夠在16.3kHz的諧振頻率下使光束偏轉通過0.8度的角。 目前開發的大多數OMEMS掃描器仍然設計使用類似的細硅束作為扭桿 (硅鏡元件繞其旋轉)或者懸臂梁(其振動以提供掃描運動)。這些 結構類型都是有效的，并且沒有運動部件的磨損。

一般的應用取決于諧振頻率、最大偏轉和最大回復力——具有高 于每一個的正常需要的值。這些特性取決于底層材料的大小、形狀和 力學性能等。然而，在傳統基于IC的MEMS制造中所使用的材料缺乏 允許許多應用具體修整和優化所需要的力學特性。利用現有材料體系 無法設計同時滿足高頻下工作、大振幅偏轉、低工作功率、堅固性并 且在周期性的壓力下長期可靠的要求。硅和單片材料通常的基本問題 在于，當具有足夠彈性剛度時它們的強度和疲勞壽命太低且密度過高。 這一組合限制了極限偏轉的幅度和頻率，并且增大了維持擺動所需要 的力量。

目前在MEMS和微結構設備中所用的材料的性能存在基本的局限 性。這些如Si、SiO₂、SiC、金屬、Si₃N₄等的材料不能提供許多MEMS 執行器應用中所需的在高速下(kHZ)的大偏轉(＞100微米)，阻礙 了它們廣泛商業化。尤其是，現有材料不具有大多數執行器MEMS應用 所需要的在超過數十億次的循環中進行反復的大形變所必需的疲勞壽 命。

附圖說明

圖1是根據一個示例性實施方案的密封在由基片支撐的基質內的 單條微纖維的橫截面圖。

圖2是根據一個示例性實施方案的密封在由基片支撐的基質內的 平行對準的纖維集合的橫截面圖。

圖3是根據一個示例性實施方案的微纖維橫截面的多種變化的立 體圖。

圖4是根據一個示例性實施方案的密封在由基片支撐的基質內的 多層平行對準的纖維的集合的橫截面圖。

圖5是根據一個示例性實施方案的雙向微纖維層的立體示意圖。

圖6是根據一個示例性實施方案的其內具有編織層(braid)的微 纖織成的織物的立體示意圖。

圖7是根據一個示例性實施方案的由基片支撐的多微纖維懸臂梁 的立體圖。

圖8是根據一個示例性實施方案的由基片支撐的單微纖維懸臂梁 的立體圖。

圖9是根據一個示例性實施方案的替代的由基片支撐的多微纖維 懸臂梁的立體圖。