用于大尺寸束控制应用的多轴、大倾角、晶片级微镜阵列

摘要

一种用于反射或重定向入射的光、微波或声能的系统(120)，包括配置为支撑反射元件(130)阵列的第一衬底(144)，所述反射元件能够响应于反射器角度控制信号在整个基本上90度的范围内进行角度移位，还包括控制器，其被编程为产生反射器角度控制信号以实现期望的入射能量、束或波前重定向。反射元件(130)优选包括铰接地或可移动地附接至第一衬底(130)上的MEMS微反射器元件，并且限定瞄准入射的光、微波或声能的源的反射表面。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C§119(e)的规定要求2008年4月8日提交的US申请No.61/043,379的优先权，其全部内容作为参考并入本发明。

技术领域

本发明总体上涉及一种零空闲功率(zero-idle-power)、大面积表面，以重定向入射的光、微波或声波。所述表面包括多轴、大倾角、微镜阵列，其可由来自于中央或远程控制器的控制信号移位(displace)或旋转以便以像素化的方式获得期望的束或波前重定向。

背景技术

用于获得和使用常规燃料的费用正使得太阳能收集变得更有吸引力。然而，太阳能具有挑战性，这是因为它不能以成本低和有效的方式以足够的强度和数量被收集。还存在制作、安装和利用适于改变环境照明条件的太阳能跟踪器、太阳能收集器和太阳能聚光器的问题。

通常，太阳能聚光器增加通过特定区域的太阳能通量。这反过来又可用于最大化光伏电池的功率输出，当被强烈的阳光照射时，所述光伏电池的功率输出在性能上被显著地且非线性地改善。专门设计的太阳能电池，被优化以适用于强烈的阳光，由于在该强光环境下所述太阳能电池增加的量子效率，所述太阳能电池在低聚光度下能够比大面积的太阳能电池产生更多的输出功率。聚光器还提供了将太阳能引导至较小横截面积的装置，从而使得太阳能分布适用于多种应用。不幸地，太阳能聚光器具有固有地窄视场——其随着聚光度增加而减小。这使得某种跟踪器的使用成为必要以便跟随太阳的运动。为了收集、聚光、分配以及将阳光转换成其它最终使用的能量产品的目的，主要基于使阳光折射并具有可重配置取向的平光学边界的电子可控以及适应的固态太阳能跟踪器提供将光引导至期望的方向的装置，但是其已被证明：(a)难于制造，(b)安装复杂以及(c)昂贵。

许多太阳能收集技术是不实际的，这是因为它们不能被直接集成到没有牢固机械架构的建筑物和其它结构上，这一点在常规太阳能技术上是典型的。

考虑到以上问题，仍然需要一种用于减少成本和收集或引导太阳能的复杂性的方法及系统，使得太阳能收集结构(例如，模块化瓦)可被制造并卖给消费者或最终用户。

更为普遍地说，还存在满足对中央或远程控制的反射器阵列的需求的机会，所述反射器阵列用于对包括可见光、声能或RF/或微波能量的辐射或者入射能进行重定向，所述辐射或者入射能入射到限定的表面上或限定的区域上方。

发明内容

本发明通过提供一种利用零空闲功率、大面积表面来重定向入射的光、微波或声波的方法和系统来满足上述需求。这通过利用多轴、大倾角、微镜阵列覆盖表面来实现，该阵列可通过来自于中央或远程控制器的控制信号来运动/旋转，以便以像素化的方式获得期望的束或波前的重定向。像素中的关键元件为全角可锁定反射器(ALAR)，其为无需任何能量来维持其取向/位置的微镜表面，因此充当机械的、非易失存储元件。本发明的结构仅仅当它相应于该机械存储元件的状态转换来改变它的取向/位置时消耗能量。

大阵列的微镜表面的制造使用在平面微制造或卷对卷制造中适用的工具。而且，无线电子学和光伏能量电池的集成，使得诸如易于利用最少约束安装到支撑环境的瓦的独立式、低重量、便携的模块化元件成为可能。本发明的系统的重要应用包括利用太阳跟踪的全覆盖的、聚光的太阳能发电，以及零空闲功率的、可重构的壁纸。

根据本发明，显著减小了收集太阳能的成本和复杂性，使得最终用户或消费者例如可在附近的五金店获得太阳能收集瓦。使用者购买模块化的瓦并将它们以规则的阵列设置在诸如屋顶或后院区域的选定表面。该瓦自供电并且自动控制以朝向中央太阳能收集器重定向或定位入射太阳光。每片瓦包括朝向特定收集塔反射光或将光反射到晶片上的固定位置的微镜阵列。瓦被预编程或控制以便自我调节，使得当使用者安装瓦时，每片瓦的精确定位不是必要步骤。当太阳移动或云进入某个阳光的视场时，所述镜可以调整位置以最优化光的收集。此外，它们可被无线控制以便在某坐标形成期望的聚焦(例如，利用GPS信号)，从而使得在镜子视线中的任意点入射到非常不平和分离的空间的能量的聚焦成为可能。大的表面积对体积比、轻的重量以及改变它的旋转和/或取向的能力，允许每片瓦或许仅仅通过将它们从空气中降下而被放置在平面上。本发明的系统和方法提供了控制光(例如，来自太阳、人工光源或激光)并利用晶片级致动微镜朝向期望的方向重定向光的总体结构。微镜阵列由关于中心轴旋转且相对于衬底围绕在它们的基底上的轴旋转的镜子组成。该镜子需要移动大于30度的大角度，使得即使当晶片被以相对于光源较大的角放置时，光收集也是可能的。该总体装置将被称为PLRS(平面光重定向系统)。

本发明的系统和方法还提供封装的光重定向系统，使得它可被随便地放置在任意表面(例如沙地、泥土或草地)并且可由集成功率变换器供电或者附连于外部电源。光重定向器还可以包括从中央控制命令区实现镜子定位的有线或无线通信能力。此外，封装并且操作PLRS，使得它可承受所经历的室内和室外(雨水、热量、风、灰尘)的环境条件。

利用各种能完全形成网状元件或弯曲元件的微加工技术来制造微镜。微镜表面由静电、压电以及热致动器的组合致动以将它们放置在竖直位置。

由于微加工镜面阵列的发展，本发明总体上是可行的。具有可控的反射率和聚焦性能的表面的大的、可变角可控的反射器阵列已知用于许多光学应用。它们在太阳能聚光器、卫星通信、娱乐业中的光及激光表演等中在较大的尺度(例如，米或者甚至千米尺度)的范围上使用。在微尺度的另一个极端，反射器阵列被用于光开关、束扫描器以及许多显示技术。虽然大尺度设备允许大旋转角以及非定制的双轴倾斜/旋转台及电机的容易安装，较小尺寸的阵列提供了增加的带宽和提高的精度。通过结合来自这两个尺度的概念，即将微制造结构用于大尺寸束控制应用，研发了本发明的系统和方法。

本发明的PLRS系统适于需要大面积、高填充系数(fill-factor)的光学表面的应用，其中该表面随着入射的光辐射改变它们的入射角。本发明的方法，将微镜用于大尺度应用，近来更可行，因为半导体工业已经从2-3英寸的晶片大小(大约1965)增加到现今的12英寸晶片大小；并且18英寸的晶片大小也差不多为商业应用作好了准备。有很多方法得到微尺度的旋转表面。商用微镜阵列的第一示例中的一个由德州仪器(Texas Instruments)利用表面微加工技术制造，德州仪器在他们的投影显示技术中使用微镜阵列(例如，参见专利号：5,535,047，1996年7月9日，“Active yoke hidden hinge digital micromirror device”，Hornbeck；Larry J.Texas Instruments Incorporated(Dallax，TX))。Coring Inc取得了来自于他们的制造方法的明显变形的专利权，以生成可以两个自由度进行旋转的微镜阵列(例如，参见专利号：6,912,078，2005年6月28日，“Electrostatically actuated micro-electro-mechanical devices and method of manufacture：”，Kudrle，et al.Corning Incorporated(Corning，NY))。这两种方法都使用静态致动来控制镜子。

在本发明的系统及方法的原型中，铰接的或兼容的、多晶硅反射板或反射镜的半永久性角度定位是通过利用芯片外产生的超声波和静电力来实现的。中间反射器角度由用于移动板的内置阻块来实现。经由新颖的锁定结构和脉冲致动，镜子可由不同的旋转角限制(trap)或从不同的旋转角释放，使得需要零静态功率来维持角位移。而且，管芯上的片上致动器和电互连的缺失使得非常高的填充系数成为可能。

本发明的锁定结构使镜板在0°到90°之间的致动角间旋转，并且不具有片上致动器，这是因为致动器被放置在镜子阵列的下面和上面。这允许镜子的高侧面填充系数以及允许由于暂时锁定引起的零空闲功率。例如，施加在保持管芯的吸盘和球形上电极之间的选定直流电压V_DC用于使微结构从管芯表面脱离。氧化铟锡镀膜的玻璃电极用于保持镜子表面光学可接触(accessible)，使得该结构的移动可被记录并随后可被分析。在管芯下面的压电陶瓷(PZT)上施加的周期电压V_AC产生应力波，其可达到铰链处的接触界面、粘贴部分(stuck part)或滑动表面。该压力波调制接触的表面之间的摩擦间隙。该调制充当减小摩擦力的抗黏剂和润滑剂。该减小的摩擦和粘滞使得诸如静电力的外力旋转该板成为可能。在仪器级(instrument level)上对具有选定频率的时变信号V_AC进行线性扫频以便在组装过程期间激发时变的结构共振。

利用5层多晶硅表面微加工工艺，(例如，SANDIA-SUMMITV^TM工艺)，制造带有附加氮化硅层的原型装置。然而，所述原型装置排他地由多晶硅层制成，因此也可使用SUMMIT V^TM工艺。

附图说明

结合附图根据随后的本发明的多个优选实施例的详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，其中：

图1为根据本发明示出了用于重定向光的系统的实施例的示意图。一般说来，根据本发明，图1中示出的瓦结构可以用于不同现象和波长的波的反射和重定向。

图2为根据本发明示意性示出了承载在旋转台上的平行镜阵列的示意透视图。

图3为根据本发明示出透射透镜实施例的简图。

图4a和4b为根据本发明的枢转反射器系统的透视图。

图5为根据本发明示出了图4a和4b的枢转反射器系统的操作的示意图。

图6a为根据本发明的组装的多晶硅折板(562μm×280μm)的SEM图像，其中利用静电和超声波力的组合将所述多晶硅折板从静止位置竖起到垂直状态。

图6b为根据本发明的以与图6a的实施例类似的方式组装的较小折板(180μm×100μm)的阵列的SEM图像。

图7示出了位于开放空间的收集太阳能功率的中央塔；根据本发明，日光反射器为将入射辐射引导至中央塔的太阳能跟踪大镜阵列。

图8示出了根据本发明的系统内的组件，包括：(1)具有一个或多个旋转/倾斜/移动自由度的镜子单元像素，(2)用于控制、开关或无线通信的电子器件，(3)产生驱动致动器并为电子器件供电的高电压的光伏太阳能电池，(4)用作外壳并用于免充电操作的在背侧上具有透明导电涂层的透明盖，(5)任选的所述外壳外侧用于空间上对镜子寻址的致动层。

图9示出了以零功率消耗铺设有集中旋转镜的诸如摩天大楼的建筑物，以便跟踪太阳并将其投射于中央接收器。根据本发明，本发明的系统的薄形式要素使得太阳能跟踪系统几乎可在任何地方可行，并且非常适合用于R2R技术。

图10为根据本发明的示出了布置并使用多个束控制系统的简图，所述束控制系统利用在粗糙表面上随机分布的12”晶片网重定向入射的太阳能，以便将太阳光集中到天空中的移动目标上，其中目标的位置通过GPS或RADAR由地面节点测定。

图11示出了本发明的早期原型。

图12示出了本发明的早期原型。

图13为示出了制造本发明的早期原型的成功率的简图。

图14a-d为示出了本发明的早期原型的照片。

图15为示出了本发明的早期原型的SEM照片。

图16a-c为示出了本发明的早期原型的照片。

图17为示出了本发明的早期原型的位移幅值的简图。

图18a-b为示出了本发明的早期原型的照片。

图19根据本发明示出了增强超声波的静电批组件的第二原型装置，其中定制的真空吸盘允许来自于PZT板的超声波振动的临时及无残留耦合。

图20为组装管芯的SEM视图，本发明的被测管芯具有两个相同的镜子。

图21为尾梁的SEM照片，该尾梁被示出被限定沿着滑块轨道移动；滑块轨道的衬底侧设有多个0刻痕(notch)等距阵列，该刻痕用作临时锁定/锁存的限位器。

图22为根据本发明的示出了在被致动状态的镜子的横截面的简图，示出了该设计的重要几何参数。

图23为两个绘图，其中上面的绘图，在左轴给出施加到球形电极上的直流电压。右轴标示出了控制超声波致动的手动拨动开关的状态。底部的绘图给出了光学测量出的镜子的角位置，其作为在一系列SET和RESET操作期间的时间的函数，该一系列SET和RESET操作在正文中进行解释。在数据集中表示出第一次SET和RESET操作。在图25中示出了通过放大突出显示的区域可观察到的步进(stepped)操作。

图24为实验期间拍摄的管芯的3个快照系列，实验的结果在图23中描述。左侧、中间及右侧的图片分别给出了装置的初始状态、第一次SET后的状态以及第一次RESET的状态。为了清楚起见，镜子的边界用白线框出。

图25为根据本发明示出了作为时间的函数的角度绘图，或者示出了在大约t＝701秒处执行的复位操作期间管芯上的两个镜子的角位置的绘图，其中，可识别大约为3秒的周期的步进操作。该持续时间等于PZT驱动的扫频周期。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于重定向光的系统20的实施例。一般说来，图1中示出的瓦结构可以用于不同现象及波长的波的反射和重定向。当考虑日常交流的需要时，电磁波和声波为最实际的能量类型。电磁波的实例为包括亚微米波长的太阳光(例如，来自光源25)以及用于利用厘米级波长进行无线通信的RF波。声波或者压力波或者音波通常跨越同样宽度的波长范围。严格说来，平面反射器的实际物理响应由反射器的波阻抗和系统的边界条件确定。然而，可以作出一些关于所述波和射线光学的性质的推测。

相位关键应用的干涉效应：表1中列出了电磁(EM)波和声波两者的给定波长的示例传播频率。

表1：计算公式c＝λf，其中c为相速度，λ为波长，以及f为频率。

如果我们采取图1中示出的设置，当满足布拉格条件时，反射波之间的干涉是相长的。换句话说，平面波以平面波反射而在波前上不存在变形。

2a sin(θ_i+α)＝2a sin(β)＝nλ        (1)

这里，n为整数，θ_i为在每个平面反射器上的入射角，α为反射器30的角位置30，正如从衬底或瓦表面40所测量的，以及a为顺着瓦方向的间距。最后一个假定为等于反射器的边长，其假设接近于整填充系数。方程(1)的左边取0到2a之间的值。因此，对于观测者(例如，50)跨距远超过a的相位关键应用，干涉效应可限制波频率，除非β被限定到较小的值。

例如：如果使反射器的大小为a＝1cm，且入射波前角为β＝30°，那么根据(1)和表(1)，波前没有任何变形的在分别对应于声波和电磁波的34kHz和30GHz的次谐波处被反射。

图1示出了从平面反射器30区域入射和反射的波前，该平面反射器为示例的瓦结构或系统20的一部分。该图描述了所有反射器以致动角α互相平行时的特例。方程1给出了相长干涉的条件，其确保平面波以平面波反射(例如，朝向目标或者观测者50)。

对于其中相位不重要的太阳能应用，要紧的是瞄准某个热能或光伏能产生塔的反射器30的数量。在这种情形中，多个单独的反射器可被视为具有随机相位的波源。它们的平均总和的幅值与反射器30的数量成比例，该平均总和为发射的能量。

边界条件和反射器的阻抗也很重要。如何制造高反射率的太阳能反射器是众所周知的。金属化的、非常光滑的表面通常可以提供超过90％的反射率。在入射能为声波形式的情形中，此点值得注意。该反射器应该声学上不与传输介质匹配。由于传播介质是空气，需要很好地支撑该结构，使得反射器的机械共振频率高于波传播频率f。否则，入射声波可以在反射器瓦上引起振动，这会引起反射的声能和效率的降低。

表面粗糙度也很重要。根据概测法，只要同样表面的粗糙度为比波长小的幅值等级，该表面被认为是光滑的。对于给定的瓦几何形状，该条件在太阳能应用的情形中当然比在音波的应用中更严格。用于太阳能应用的大面积反射器的表面质量的现有技术状态对于本发明来说是足够的。封装可以包括用于许多电磁应用的罩在瓦40上的保护玻璃罩，这些电磁应用假设在头脑中根据光吸收特性来进行材料的选择。然而，封闭且坚硬的罩在声学应用的情形中不被选择，其中，入射波路径中的任何坚硬物体和反射器起到了障碍物的作用。

现在转到图2-5，可以以多种方式来配置本发明的系统和方法，以便提供2D平面旋转。MEMS制造工程师和其它人将意识到从亚微米级到米级的许多实施方式都是可行的。参考图2的实施例，配置为用于反射或重定向入射的光(或微波或声能)的系统120包括配置为铰接支撑大倾角微镜阵列的第一平台衬底144，所述大倾角微镜阵列包括多个反射元件130，该反射元件可响应于反射器角度控制信号被有角度地设置。第二基础衬底140或模块化瓦被配置为可旋转地支撑第一衬底144，以便响应于平台方位角控制信号旋转。

在图2的实施例中(一个实施方式的简图，其中可围绕θ轴旋转的平行镜子阵列设置在可沿着标为的自由度旋转的平台上)，圆形平台或板144被致动以便以任意的方位角θ旋转，其中具有光学入射能量传感器以确定精确的最优角位置。成组的长方形板130可铰接地配置为相对于其长轴旋转。可以一个致动器同时致动全部板130，或者每个板130或成组的板可以具有致动器以获得单独地或分组的控制。由于板130可以任何反射器角θ瞄准并且旋转平台或级144可以任意方位角瞄准，总的来说，可使成组的板取向为朝向半球内的任何方向。这种能力使得能够收集任何波，不管它们使电磁波还是声波。为了引导太阳光，板130可为简单的镜子。对于声波，反射元件130可以为具有比空气高的声阻抗的简单的塑料板。对于射频反射，该表面可为金属镀层的塑料。本装置的另一形态可以为将移动板130转换为具有集成透镜(例如，图3中的230)的板，所述集成透镜聚集光并且投光于在该电池下的光伏电池上，以便实现每片瓦的直接转换，这大大减小了需要的PV电池的体积。

板130可以由铰链或收缩弹簧来安装，并且旋转平台144可以通过摩擦或各种带螺纹的定位器附接到底板140。底板140的表面或旋转板144的底部可以具有诸如毛毡材料的增加摩擦的表面。摩擦力将用于保持旋转方位角在适当位置，能够消除恒定的电机致动以保持定位。

整个旋转平台144可以通过底板磁或静电致动器旋转。用于板130的致动器可以为连接至所有镜子130的机电式电机、减小伴随有磁力或电动力的铰链处的摩擦的超声波摇动器、或者连接于连杆机构的超声波致动器，该连杆机构连接于镜面或连接到镜子上的板上。用于旋转平台144的致动器可以为由安装在旋转平台上的轮连接的机电式电机、通过推动板来产生微小移动的超声波电机，或者每片光瓦130可以包括无线或有线的到相邻瓦的接口以便一起定位和致动，以及以便能够传递能量。每片瓦可选地包括光伏电池或其它能量获得装置以便将足够的能量储存到存储电池，使得光瓦可以在没有任何外部能量的情形下运行。每片瓦130可选地包括光探测器(例如，相机或光电二极管)以便提供由预编程控制器所用的传感器信号来使瓦表面与入射能量源或灯塔对齐。每片瓦还可以包括扩音接收器和发射器以便使瓦130与参考平面对齐。

优选地，中央或远程控制器被编程为产生反射器角度(θ)控制信号和平台方位角控制信号来实现期望的入射能量束或波前的重定向。每片瓦可以包括其自己的控制器或微处理器，该控制器或微处理器被编程有关于入射能量源和重定向能量所瞄准的目标的三维信息。每片瓦还优选具有用于特定瓦远程控制的单独可寻址的或唯一的标识。

图3中所示出的系统220包括聚集电磁或声学透镜230的场，该透镜限定了提供不同有效折射率的空间梯度或分布的折射透镜结构，使得入射能量或辐射240被相移并重定向到目标(例如，光伏250)。相反地，在反射的重定向器中，入射的光被有角度地反射。

图4a、4b及5示出了另一实施方式，其中，系统320采用旋转的致动器及铰链结构。系统320配置用于枢转支撑平面反射器330的支柱，该平面反射器用于反射或重定向入射的光、微波或声能。机械装置具有在支撑支柱上的平面反射器330，该支撑支柱可由致动器360枢转以在从表面起的任何方向上实现光、声以及RF场的重定向。

现在转到图6a及6b，图6a中示出了垂直组装的、表面微加工的多晶硅折板(flap)430的扫描电子显微镜(SEM)图片，该多晶硅折板430根据本发明来配置。图6b示出包括具有较小折板530的阵列形式的系统520。该实施例为挑战性在于利用大填充系数、以较小工作电压获得大角度旋转的原型，且这些实施例不将镜子520锁定在需要零功率工作的位置。

这里描述的方法基于具有微镜520的像素，该微镜可以沿着一个或多个轴旋转。为这些系统设想了多个应用。

如图7和9中所示的，集中的太阳能追踪应用(例如，在市区中)可以通过从建筑物的不用的、无窗的区域制造集中的太阳能发电厂来提供巨大的储蓄。薄的、小形状因子的、重量轻的瓦易于被安装，以便提供将太阳能聚集器系统的大等级效率与光伏技术的涂覆式及轻量化特性相融合的方法，该瓦基本上提供有覆盖任何结构的小表面。

现有的大等级实施方式通常采用集中热太阳能的三种方法之一。1)抛物线槽形聚光器，2)抛物面反射器，以及3)中央塔系统。图7中示出了最后一个观点的图片，其中大阵列的日光发射器追踪太阳以便在开放空间中发电。

图8中示出了本发明的系统的典型实施例。单元元件620以一个或多个移动能力的等级来排列以便由在同样单元电池的致动器或者由诸如压电陶瓷的片外致动层来控制。整体球形的电子器件模块660提供诸如致动器控制、计算以及与外界交流的功能。尽管图8描绘了在与晶片同样的衬底上的电子器件，可选择的混合方法可能更可行或成本低廉，在该混合方法中，发射器和控制器被单独制造并随后附着在晶片上。混合方法供有机或柔性衬底选择的方法，该衬底可被用于镜子阵列的卷对卷(R2R)制造。

如图9中所示的，利用所述的晶片级旋转结构的概念，具有跟纸差不多厚并非常易于安装的瓦可被用于覆盖城市中建筑物的所有非窗区域。该方法在建筑物的重量上不具有副作用；因此建筑物的静力学没有受到有害的影响。进一步，由于不存在突出的日光反射器，具有许多模块系统瓦620的系统根本不会干扰建筑物的美学。

本发明的系统，利用它们的小的形状因子，使得集中太阳能技术能够被安装在先前仅仅光伏方案有用的地方。现在，集中太阳能系统也可以与非静止光伏系统一样的低安装成本设置在许多不平的、不均匀的、分离的位置块上。另一个应用是传递能量给无人小规模飞行器。虽然信息可以足够的效率在空气中传递，能量的情况却不是这样。许多无线系统的太阳能电池发电由随着白昼变化的太阳强度和系统的小表面积所限定。该情形构成了太阳能追踪系统的便利框架。

只要可以实现意识到移动目标的位置的可配置光学表面，他们可被控制以至于将所述入射的太阳能集中在单个表面上。这引起了到目标上的输入太阳能的放大。可简单地通过调整轻便的追踪目标的镜子瓦(例如，620)的数量可变化放大的等级。图10中给出了示出这种应用的示意图。此外，集中光伏(PV)系统也很普遍，且依赖于最大化入射到单位体积的半导体上的能量的成本优势，该半导体与系统的其它部分相比较昂贵。尽管太阳能系统是对环境友好的，它们的发电以土地(real estate)为代价。像沙漠或少有人居住的城镇等的空旷的地域通常被选择用于大的太阳能发电厂。另一方面，随着太阳能需求的增加，考虑到涉及能量储存和传递的低效率，将太阳能技术渗透到家庭已经变成一个有吸引力的选择。

如上所述的，在本发明的方法中，太阳能收集结构(例如，图8中的模块化瓦620)被制造并例如通过附近的五金店卖给消费者或最终用户。使用者或消费者买模块化瓦620并将它们在屋顶上或院子中有规则的排列。该瓦是自供电的以便将入射的太阳光重定向到中央太阳能收集器。瓦620由大阵列微镜组成，该微镜将光反射到特定的收集塔，或者反射到晶片上的固定位置。瓦自我调节以使得不需要镜子的精确位置定位。当太阳移动，或云进入特定的太阳光视场，镜子可以调整位置以最优化光收集。此外，它们可被无线控制以形成在特定GPS坐标的期望聚集，因此能使入射到非常大的不平且不相交的空间上的能量聚焦到镜子的视线上的任意点上。大的表面积对体积比、较轻的重量以及改变它的旋转和/或取向的能力允许瓦被放置在平面上，甚至通过简单地将它们从空中掉落来放置。

图11-18示出了本发明的方法和系统的早期原型，其中铰链的或柔性的反射轮叶或镜子的角度定位通过利用片外产生的超声波和静电力来实现。镜板以镜子阵列的形式制造。这允许镜子较高侧向填充系数。作为示例，施加在保持管芯的吸盘和球形顶部电极之间的选定直流电压V_DC用于将微结构从管芯表面脱离。ITO镀膜玻璃电极被用于保持镜子表面光学可接触，使得该结构的运动可被记录并随后可被分析。施加到管芯下面的压电陶瓷(PZT)上的周期电压V_AC产生应力波，该应力波达到铰链、粘结部分或滑动表面处的接触界面。应力波调整接触表面间的摩擦间隙。该调节起到了防粘剂和减小摩擦力的润滑剂的作用。减小的摩擦和静摩擦使得诸如静电力的外力能旋转该板。在仪器级上对具有选定频率V_AC的时变信号进行线性扫频以便在组装期间激发时变结构共振。

不同致动机制的组合，即，由图11-18中示出的原型所表明的静电力和超声波力的组合，进一步在本发明者所著述的论文中描述( S.，Lal A.，Reyes D.，“Process-Independent，Ultrasound-Enhanced，Electrostatic Batch Assembly”，Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems Conference，2007.TRANSDUCERS 2007)，并且该论文的全部被包含在本申请要求其优先权的US临时申请中并且被合并与此作为参考。

微反射器和阵列的第二原型被配置成为可调整到选定的角度，并且随后保持在无需使用额外功率所瞄准的位置，直到角度被再次调整。图19-25示出了第二原型。第二原型系统通过利用片外产生的超声波和静电力，提供铰接的或柔性的多晶硅板720的半永久角度定位。

基于实现90°垂直组装的先前结果，这表明了中间角度是如何通过用于移动板720的内置阻块来实现的。通过创新的锁定结构和脉冲致动，微反射器720或镜子可被限制在不同旋转角以及从不同旋转角释放，使得需要零静态功率来维持选定的角位置。而且，没有片上致动器和管芯上的电连接使得能够实现非常高的填充系数。

铰接的板720非常适用于多个应用，诸如束控制和用于光通信的交叉连接开关。在装置的寿命期间该组件和致动操作是被执行一次还是作为常规操作的一部分取决于本申请。片上致动器、残余应力以及表面张力为通常采用的致动机制的一些示例。上述的原型和表明超声波加强的静电的图11-18中示出的原型批处理微结构组件，其包括将管芯放置在垂直于衬底的外部直流电场中并用片外的体压电陶瓷使其致动，且该方法利用永久锁定结构，在组装垂直于管芯表面的8×8铰接板阵列时达到百分之百的成功率。

对于组装的结构在组装后不致动的应用，对于MEMS的最初组装需要锁定结构或锁。对于组装结构的角位置需要以多值变量控制的应用，结合有周期阵列的机械凸块和阻块的粘滞力和摩擦力提供了解决方案。通过这种方式，不需要有效功率来维持特定的角位置。例如，集中太阳能(CSP)为一种对于其所控制的镜子的角定位将会非常有用的应用，这是因为需要很小的功率消耗来维持镜子的位置。当在大面积LCD的情形时，此处呈现的技术可以在玻璃上实现以使得能实现不昂贵的CSP镜子阵列。申请人已经开发了一种锁定结构，其将先前的工作扩展到将镜板720在致动角0°和90°之间旋转。本发明的方法不需要任何片上致动器，这是因为致动器被设置在镜子阵列下面和上方。这允许高的镜子侧向填充系数和临时性锁定导致的零空闲功率。

图19示出了第二原型的实验装置。施加在保持管芯的吸盘和球形顶部电极之间的直流电压V_DC用于将微结构从管芯表面脱离。ITO镀膜玻璃电极被用于保持镜子表面光学可接触，使得该结构的运动可被记录并随后可被分析。施加到管芯下面的压电陶瓷(PZT)上的周期电压V_AC产生应力波，该应力波到达在铰链、粘结部分或滑动表面处的接触界面。应力波调整接触表面间的摩擦间隙。该调整起到了防粘剂和减小摩擦力的润滑剂的作用。减小的摩擦和静摩擦使得诸如静电力的外力能旋转该微反射器板720。在仪器级上对频率V_AC进行线性扫频以便在组装过程中激发时变结构共振。

以SANDIA-SwlFT^TM工艺制造检测装置，该SANDIA-SwlFT^TM工艺为具有附加的氮化硅层的5层多晶硅表面微加工工艺SANDIA-SUMMiT V^TM的扩展。然而，图19-25中示出的装置排他地由多晶硅层制造，所以SUMMiT V^TM工艺也可用于获得该结果。

图20示出了组装实验后的样本管芯的SEM图片。示出了一对具有875μm×1003μm覆盖区的相同的板。它们具有可围绕锚定在两端的扭转杆旋转的镜子区域。该杆被限定于在衬底平面中旋转，该衬底具有围绕该杆移动的桥形夹子。镜子通过中心移动铰链750连接至尾梁760，所述中心移动铰链距离扭转杆旋转轴423μm。尾梁760的另一端与衬底滑动接触，并且它被强迫沿着衬底上的线移动，由滑块轨道770所限定。用以6μm间距周期排列的凸块780组装滑块轨道。当尾梁沿着滑块轨道滑动时，这些凸块起到机械阻块和摩擦增强器的作用，提供了临时的锁定/锁存而无需功率消耗。图21示出了尾梁760和滑块轨道770。

图22中描述了该装置的横截面和重要几何参数的定义。在数据分析期间提取镜子的旋转角φ、尾梁沿着滑块轨道的位移x_tail和投射到定位于该装置顶部的相机的镜板的长度l₄。图22中示出的l₀，l₁，l₂和l₃由配置设计固定，且它们的值为l₀＝914μm，l₁＝937μm，l₂＝423μm，l₃＝503μm。

半永久锁存的结果：表2列出了与图19的实验装置相关的典型致动参数。对于在不规范室内环境中进行的实验，设置在220℃的加热板被用作加热装置以使水从管芯表面脱离。在去湿之后，将样本保持在大约200℃氮净化的室内直到实验的时间。当在超声波出现的情形下直流偏压被施加在球形顶部电极和吸盘之间时，尾梁沿着滑块轨道移动过凸块，允许镜子旋转。如果在该点超声波被关闭，则镜子在缺乏直流电场的情形下保持它的位置，这是由于静摩擦力和粘滞力。该控制顺序可被称为SET操作。然后微反射器或镜子720可以通过RESET操作沿相反的方向移动，该RESET操作在没有直流偏压的情形下打开超声波时发生，使得扭转恢复力和重力将板下拉。同样地，通过连续的SET和RESET操作镜子可以在旋转和歇止(relaxed)位置之间转换。对于将一系列SET和RESET操作施加到被测装置的实验，图23中绘出了作为时间t函数的旋转角φ和致动信号的测量结果。呈现了管芯上LEFT和RIGHT两个镜子的数据。

表2：典型实验参数。

  参数  值  单位  扫频起始频率  50  kHz  扫频停止频率  2000  kHz  扫频时间  3  秒  扫频类型  线性  -  加热器温度  200  ℃  静电间隙  2.8±0.4  mm  PZT驱动幅度  ＜20  V_pp

利用来自CCD相机的测量结果进行数据分析，该CCD相机通过顶部玻璃电极垂直面对管芯。由方程2的左右两边给出的关系描述了用于提取镜子旋转角φ的两种方法。第一种方法需要l₄的测量结果而第二种方法需要x_tail的测量结果。

$a\cos \left(\frac{l_4}{l_1}\right)=\phi =a\cos \left(\frac{{(l_0-x_{\mathrm{tail}})}^2+{\left(l_2\right)}^2-{\left(l_3\right)}^2}{2l_2(l_0-x_{\mathrm{tail}})}\right)---\left(2\right)$

由两种方法计算出的φ值相互在5°内。然而，我们描述后者，这是因为在组装期间镜子的旋转末端可能不在焦距内且在相机视场中是模糊的，而不管φ值如何尾梁的滑动末端一直保持在衬底层面。

在图23上部的两个曲线给出了PZT激发(打开/关闭)的状态和所施加的直流电压的值。高达2000V的直流电压被施加到接近2.8mm的间隙上。图24中示出了第一次SET操作(@t＝44sec)之前、第一次SET操作(@t＝76sec)之后以及第一次RESET操作(@t＝163sec)之后的管芯的快照。

通过注意到伴随SET操作，从图23中证实锁定操作，在去除直流电压之后，镜子保持它的角位置直到PZT打开。尽管期望镜子的复位位置接近于水平状态，即φ≈0°，计算出了对于两个镜子均有φ≈45°。角位置φ＞30°被视为测试样本RESET操作后独有的情形。该事件可能是由于活动铰链处的间隙不足，该活动铰链将尾梁连接到镜板上。

图23中的另一特性位于大约t＝600秒处，此时在SET操作期间施加的直流电压等级从1000V升到2000V。以设计水平预测的操作为由于增加的静电力，旋转角将会增加，因此允许我们在SET操作期间将镜子锁定在任意角度。相反地，与在1000V处的值相比，在2000V处的旋转角度的增加仅仅被观测到一次。在2000V处的连续SET操作产生的角度与在1000V处的SET操作期间的值接近。我们还观测到在3000V处的预击穿。对于该特定的示例，如上所述运转的SET和RESET操作的最高电压为2500V。实验条件下的击穿电压预测为3640±520V。

图20中的组装装置的SEM和图23的数据示出了同样管芯上的两个相同镜子的旋转角响应的差异。我们将这些差异与依赖于压电致动和摩擦及粘滞的随机性的位置相联系。

在RESET操作期间，可以观测用于管芯上的两个镜子的步进操作，该RESET操作在没有直流电压的情形下发生。图25中给出了该观测的支持数据。它示出了图23中大约t＝700秒处的突出显示区域的放大形式。

图25揭示了可使其中一个镜子保持在72°和45°之间的7个不同角度。步进致动期间的移动持续时间为大约3秒，其等于超声波的频率扫频周期。同样，相关结构的特定共振在释放半永久锁定时可能更有效。

第二原型的性能表明，超声波加强的静态锁定组件以步进的方式，可被用于平面镜的片外、角位置控制，该步进的方式利用联想为剪刀式升降机的机构。该机构采用安装有一系列机械凸块/阻块的线性滑块，以及附接于镜子结构的尾梁。角位移的步进持续时间被示出大约等于超声波致动的扫频周期。因此，利用本发明的结构和方法，以较高精度的角度控制可以通过调整类似扫频类型和驱动幅值的超声波驱动参数来实现。

尽管根据几个优选实施例及其几个变型已经公开了本发明，应理解地是，对其可以进行各种附加的修改和变型而不脱离如所附权利要求中所限定的本发明的范围。