CN103026732A - 移动元件仅受静电力驱动的静电平行板致动器以及相结合使用的方法 - Google Patents

移动元件仅受静电力驱动的静电平行板致动器以及相结合使用的方法 Download PDF

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Abstract

一种致动器设备，用于产生一个物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于根据取样时钟被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该设备包括：至少一个致动器装置，每一个致动器装置包括：一个移动元件阵列，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被该第一静电力驱动远离其静止位置；以及至少一个电极，该至少一个电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；以及一个控制器，该控制器操作以接收该数字输入信号，并且控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列。

Description

移动元件仅受静电力驱动的静电平行板致动器以及相结合使用的方法
对共同未决申请案的参考
无优先权主张。共同未决申请案包括如下：
Figure BDA00002335430200011
发明领域
本发明总体上涉及致动器，并且更具体来说涉及扬声器。
发明背景
很多种致动器以及扬声器是已知的。本申请人的共同未决申请案描述了现有技术水平的致动器（例如扬声器），其中一些共同未决申请案如以上说明已经公开。
本文使用的术语“支承件”旨在包括允许零件之间的受约束的相对运动（例如弯曲运动）的任何装置，例如将一个移动元件连接到固定元件上并且界定该移动元件的运动路径和静止位置的装置。“挠曲支承件”或者“挠曲”是允许弯曲运动的支承件。挠曲支承件可以包括一个将两个其他零件接合的柔性零件，并且典型地是简单、便宜、紧凑并且低摩擦的。挠曲支承件典型地由一种可以重复地挠曲而不会分散的材料形成。弹簧旨在包含任何合适的弹性部件，例如但不限于，在压缩、弯曲或拉伸之后恢复其形状的螺旋成卷带材或线。一个致动器元件阵列中的第（i，j)个致动器元件的寻址涉及在该致动器元件阵列的一个具体行与一个具体列之间施加电压。
如果一个阵列的元件包含元件驱动电路，则本文将该阵列称为“有源”阵列，并且如果一个阵列的元件不包含元件驱动电路，则本文将该阵列称为“无源”阵列。
在本说明书中一般等效地使用术语‘搁置位置’、‘静止位置’以及‘静止中位置’。在本说明书中一般等效地使用术语‘致动器装置’以及‘致动装置’。
在以下的马尔科姆·霍克斯福德（Malcolm Hawksford）的公开案中描述了有用于此的现有技术水平扬声器阵列和控制算法：
A.“数字微阵列扬声器中的失真和频谱成形量化噪声的空间分布（Spatial Distribution Of Distortion And Spectrally Shaped Quantization NoiseIn Digital Micro-Array Loudspeakers）”，音频工程设计界期刊，第55卷，第1/2号，2007年1月/2月；以及
B.“智能数字扬声器阵列（Smart Digital Loudspeaker Arrays）”，音频工程设计界期刊，第51卷，第12号，2003年12月。
将了解，当在说明书或附图中使用术语“顶部”和“底部”时只是为了方便指示由移动元件阵列界定的一个表面的任一侧上的位置，该表面例如为连接这些移动元件的轨迹的中点的表面。在许多应用中，重力是可以忽略的力，使得“顶部”位置可以同样地安置于“底部”位置的下方或者左边或右边。
可以根据以上术语在现有技术文献中出现的任何定义或者根据规范或者如上所述来解释这些术语。
ANSYS公司的MEMS术语词汇表陈述了凸痕是“一个小的特征或凸块，典型地是MEMS装置的表面上的一个凸起方块。凸痕可以用作例如机械止挡件，用来控制高纵横比装置中的下触。”
说明书中提到的所有公开案和专利文档的揭示内容以及本文引用的公开案和专利文档的揭示内容直接或者间接地以引用方式并入本文。
发明概述
本发明的某些实施方案设法提供响应于作用于其上的单独的第一静电力而行进的移动元件，而不涉及电磁力，与本申请人的同在申请中的申请案中描述的致动器元件相反，这些致动器元件可以响应于作用于其上的交变磁场或者电磁力，并且其中静电力仅具有锁定功能。
本发明典型地包含至少以下实施方案：
1.一种静电平行板致动器设备，用于产生一个物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该设备包括：
至少一个静电平行板致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被该第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于该第一平面的一个第二平面，该平面电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；以及
一个控制器，该控制器操作以接收该数字输入信号，并且相应地控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列，使得该物理效应表示该信号。
2.根据实施方案1的设备，其中这些移动元件中的至少一个单独的移动元件沿着其对应轴线的移动进一步受到沿着该单独的移动元件的轴线安置的至少一个机械限制器约束，该机械限制器界定一个极限位置并且防止该移动元件移动越过该极限位置。
3.根据实施方案2的设备，还包括至少一个闩锁，该至少一个闩锁操作以通过选择性地防止已经到达这些极限位置中的一者的至少一个这些移动元件朝向其先前位置往回移动远离该机械限制器来锁定至少一个这些移动元件。
4.根据实施方案3的设备，其中该移动元件的锁定是借助于由该电极产生的一个第二静电力来实现，该第二静电力在与该第一静电力相同的方向上作用。
5.根据实施方案2的设备，其中该机械限制器和该电极一体地形成。
6.根据实施方案2的设备，具有安置于该移动元件和该机械限制器的至少一个表面上的至少一个凸出的凸痕，从而当该移动元件处于该极限位置中时在这些表面之间产生一个间隙。
7.根据实施方案2的设备，其中在实施方案1中描述的该第一静电力以一种方式被调整以便将这些移动元件沿着其对应轴线的移动范围限制于一个比由该机械限制器界定的范围短的范围。
8.根据实施方案1的设备，其中该控制器以规则的时间间隔来控制该至少一个电极，因此界定一个致动时钟频率。
9.根据实施方案8的设备，其中该移动元件的机械谐振频率被调谐到该致动时钟频率。
10.根据实施方案8的设备，其中该移动元件的该机械谐振频率低于该致动时钟频率的一半。
11.根据实施方案8的设备，其中根据一个取样时钟周期性地对一个数字输入信号的至少一个特性进行取样，其中该致动时钟频率是该取样时钟的频率的整数倍。
12.根据实施方案9的设备，其中该移动元件的机械谐振频率是该致动时钟频率的一半。
13.根据实施方案4的设备，其中该第一和第二静电力具有相同的振幅和极性。
14.根据实施方案4的设备，其中该第一和第二静电力在振幅和极性中的至少一者上有所不同。
15.根据实施方案1到14中任一实施方案的设备，其中至少一个电极延伸经过一个以上致动器元件并且控制其移动。
16.一种用于产生一个物理效应的致动方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括提供至少一个静电平行板致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被该第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于该第一平面的一个第二平面，该平面电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；以及
使用一个控制器以接收该数字输入信号，并且相应地控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列，使得该物理效应表示该信号。
17.根据实施方案1的设备，其中该至少一个致动器装置还包括：
第一多个电连接，该第一多个电连接由该控制器驱动并且被安排成下文称为“行”的一个第一几何图案；
至少再多个电连接，该至少再多个电连接也由该控制器驱动并且被安排成下文称为“列”的至少再一个几何图案，该几何图案不同于该第一几何图案；
以及多个元件驱动电路；
其中：
该第一几何图案和该再一个几何图案被设计成使得一行与一列重叠的每一个区域都含有一个移动元件；
每一这些元件驱动电路控制这些移动元件中的一者，并且电连接到这些行之一以及这些列中的至少一列；
使该控制器能够间接地通过驱动这些行和这些列来控制作用于每一个这些移动元件上的静电力，这又决定这些元件驱动电路的行为。
18.一种静电平行板致动器设备，用于产生一个物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该设备包括：
至少一个致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个移动元件阵列，该移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以（a）响应于作用其上的一个第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，以及（b）被选择性地锁定到至少一个锁定位置中；以及
至少一个平面电极，该界至少一个平面电极定平行于该第一平面的一个第二平面，该电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；以及
一个控制器，该控制器操作以接收该数字输入信号，并且控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列。
19.一种用于产生物理效应的静电平行板致动的方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括提供至少一个致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个移动元件阵列，该移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以（a）响应于作用其上的一个第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，以及（b）被选择性地锁定到至少一个锁定位置中；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定平行于该第一平面的一个第二平面，该电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；以及
使用一个控制器以接收该数字输入信号，并且控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列。
20.根据实施方案1的设备，其中该移动元件阵列包括被安排成一个第一几何图案的第一多个第一组电互连移动元件；
其中该至少一个电极包括至少一个电极阵列，该至少一个电极阵列被划分成被排列成至少一个第二几何图案的至少第二多个第二组电互连电极，该第二几何图案不同于该第一几何图案；
其中该第一和第二多个组中的每一组电连接到该控制器，并且该第一和第二几何图案的特征在于一个第一组与一个第二组重叠的每一个区域都含有仅一个移动元件，并且其中该控制器操作以通过在这些第一组中的一个单独的组与这些第二组中的一个单独的组之间施加电压而控制作用于该阵列内的每一个这些移动元件上的静电力，来寻址每一个这些移动元件。
第一和第二组可以例如包括多行和多列，然而每一组的配置不一定需要是直线，例如多行和多列的多个组可以彼此成直角或者以任何其他非零角度来配置，并且交叉的第一组与第二组之间的角度不需要在第一组与第二组之间的每一交叉点处都相同。每一行的移动元件的数目对于每一第一组（例如，行）以及对于每一第二组（例如，列）可以相同或者可以不相同。如果每一个移动元件包括每移动元件两个电极，则这两个电极可以任选地分别被安排成两种不同图案。
21.根据实施方案20的设备，其中该致动装置包括多个阵列，每一个阵列具有未分别电连接到该致动装置内的其他阵列的行和列的行和列。
22.根据实施方案20的设备，其中这些行和列延伸经过一个以上致动器装置，使得这些行包括位于一个以上致动器装置内的多个移动元件，并且这些列包括位于一个以上致动器装置内的多个电极。
23.根据实施方案20的设备，其中依序地针对该阵列中的每一单独的行，该控制器周期性地（a）仅将该单独的行连接到一个预定电位，同时保持所有其他行电浮动，以及（b）寻址该单独的行中的选定的移动元件。
在每一个这种排他地连接的（本文也称为“选定的”）行中，正被寻址的移动元件可以包括选定行中的所有移动元件、选定行中的移动元件的任何子组、选定行中的单个移动元件，或者完全没有移动元件。排他地连接的行中的多个移动元件可以在行保持选定的同时被同时地或者在不同时间寻址。也可以在行与列颠倒的情况下实现扫描。控制器可以通过将一列连接到一个已知的电位同时保持其他列电浮动来周期性地“选择”一列，寻址选定列内的选定移动元件，并且针对每一列重复该过程。
24.根据实施方案4的设备，其中该控制器通过将至少一个移动元件电连接到该电极来将该移动元件从一个锁定状态释放。
25.根据实施方案1的设备，其中该控制器周期性地刷新由该移动元件和一个电极形成的电容器上的电荷。
26.根据实施方案1的设备，其中该控制器通过如下方式来控制作用于至少一个这些移动元件上的静电力：在至少一个这些电极与至少一个这些移动元件之间施加电压历时一个预定充电时间段，该预定充电时间段在该移动元件仍在运动中的同时终止；随后防止任何电荷转移到由该至少一个移动元件和该至少一个电极形成的电容器中以及转移出该电容器。
27.根据实施方案1的设备，还包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器感测至少一个移动元件沿着其对应轴线的位置。
28.根据实施方案27的设备，其中该位置传感器包括一个电容传感器，该电容传感器感测该移动元件与一个电极之间的电容。
29.根据实施方案26的设备，还包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器感测至少一个移动元件沿着其对应轴线的位置。
30.根据实施方案27的设备，其中该控制器使用由该位置传感器提供的信息来检测这些单独的移动元件中的缺陷。
31.根据实施方案27的设备，其中由该位置传感器提供的位置信息用以调整在至少一个移动元件与至少一个电极之间施加的电压。
32.根据实施方案29的设备，其中由该位置传感器提供的位置信息用以调整该移动元件的充电时间。
33.根据实施方案27的设备，其中该控制器在选择移动元件以产生所述物理效应时使用由所述位置传感器提供的位置信息。
34.根据实施方案29的设备，其中该位置传感器包括一个电容传感器，该电容传感器感测该移动元件与一个电极之间的电容，并且其中该电容传感器包括一个电压传感器，该电压传感器操作以在一个移动元件和一个电极中的至少一者电浮动的同时感测该移动元件与电极之间的电压。
35.根据实施方案34的设备，其中该电压传感器包括一个模拟比较器。
36.根据实施方案34的设备，其中该电压传感器包括一个模/数转换器。
37.根据实施方案18的设备，其中该移动元件被该至少一个电极选择性地锁定到至少一个锁定位置中。
38.根据实施方案18的设备，其中这些移动元件中的至少一个单独的移动元件的运动受到沿着该单独的移动元件的轴线安置的至少一个机械限制器限制。
39.根据实施方案2的设备，其中该电极包括沿着该单独的移动元件的轴线安置的一个机械限制器，该限制器操作以限制该移动元件。
40.根据实施方案1的设备，其中这些移动元件由一个第一闩锁和一个第二闩锁选择性地锁定，以选择性地将这些移动元件的至少一个子组锁定在对应的第一和第二锁定位置中。
41.根据实施方案3的设备，其中每一个移动元件具有由该至少一个机械限制器沿着该轴线界定的至少一个极限位置，并且其中至少一个移动元件被锁定到该至少一个极限位置中。
42.根据实施方案3的设备，其中每一个移动元件具有由该至少一个机械限制器沿着该轴线界定的至少一个极限位置，并且其中至少一个移动元件被锁定到沿着该轴线的未达到该移动元件的极限位置的一个位置中。
43.根据实施方案1的设备，其中该移动元件阵列包括第一多行移动元件，该第一多行移动元件沿着一个第一几何尺寸延伸并且在其间电连接；
其中该电极包括一个电极阵列，该电极阵列平行于该移动元件阵列并且包括不平行于该多行移动元件的第二多列电极，该第二多列电极沿着一个第二几何尺寸安排并且在其间电连接；
并且其中该控制器操作以确定包括来自该多行当中的第I行中的第j个元件的第I，j个元件的运动是强制性的，以便通过改变来自该多列当中的第j列与该第I行之间的电压差来产生该物理效应并且引起该第I，j个移动元件的运动。
44.根据实施方案43的设备，其中通过使用一个电压源在来自该第二多列当中的第j列与第I行之间施加电压来改变该电压差。
45.根据实施方案43的设备，其中通过短路来自该第二多列当中的第j列与该第I行来改变该电压差。
46.根据实施方案43的设备，其中这些行垂直于这些列。
47.根据实施方案20的设备，其中该控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第c,d个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起这些移动元件的运动：使用一个电压源在来自该第二多列当中的第b列与该第a行之间施加电压；在一个预定时间段之后从该电压源断开该第a行和第b列中的至少一者，随后使用该电压源在来自该第二多列当中的第d列与该第c行之间施加电压；并且在一个预定时间段之后从该电压源断开该第c行和第d列中的至少一者。
48.根据实施方案43的设备，其中施加该电压历时一个预定时间段，在该预定时间段之后从该电压源断开该第I行和第j列中的至少一者。
49.根据实施方案48的设备，其中该时间段在该第I，j个移动元件仍在运动中的同时终止。
如果若干移动元件移动，则可以通过如下方式来一个接一个地扫描这些移动元件：将第一移动元件的行和列连接到一个电压源，等待一段时期，断开该第一元件的行和列，然后针对第二移动元件进行相同过程，以此类推。如果存在（比如）17个移动元件将移动，其中（比如）3个处于同一行中在（比如）列1、2和8中，则这一行可以同时与列1、2、8全部3者连接，而不是如上所述依序地将讨论中的行与列1、2和8连接。如果将移动的所有移动元件处于单个列中，则该单个列可以连接到移动元件分别驻留的多个行。
50.根据实施方案43的设备，还包括一个位置传感器，该位置传感器感测该第I，j个元件沿着该轴线的位置。
51.根据实施方案50的设备，其中该位置传感器包括一个电容传感器。
52.根据实施方案51的设备，其中施加该电压历时一个预定时间段，在该预定时间段之后从该电压源断开该第I行和第j列中的至少一者，并且其中该时间段在该第I，j个移动元件仍在运动中的同时终止，
其中该电容传感器测量第I，j个移动元件与第I，j个电极之间的电压差随着时间的改变。
该第I，j电极可以包括移动元件移动朝向的电极或者移动元件移动远离的电极。
53.根据实施方案50的设备，其中由该位置传感器提供的位置信息用以调整该电压源的电压。
54.根据实施方案50的设备，其中由该位置传感器提供的位置信息用以调整该时间段的持续时间。
55.根据实施方案50的设备，其中如果该位置传感器检测到一个移动元件具有一个异常移动模式，则该控制器将该移动元件标记为故障的并且不再使用该移动元件。异常移动模式的实例是当移动元件从未沿着其轴线到达一个预定位置时。
56.根据实施方案50的设备，其中如果该位置传感器检测到不同移动元件的运动模式之间的差异，则该位置传感器推断这些移动元件的至少一个操作特征的差异，并且在选择移动元件时考虑这些操作特征差异。操作特征可以例如包括由移动元件响应于给定静电力的运动所产生的压力量。
57.根据实施方案38的设备，其中该机械限制器包括处于这些移动元件的主表面以及这些电极的主表面中的至少一者上的至少一个凸出的凸痕。主表面=垂直于该轴线的表面
58.根据实施方案43的设备，其中该控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第c，b个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起这些移动元件的运动：使用一个电压源在来自该第二多列当中的第b列与该第a行和第c行之间施加电压，并且在一个预定时间段之后从该电压源断开（i）该第a行和第c行两者以及（ii）该第b列中的至少一者。
59.根据实施方案43的设备，其中该控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第a,d个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起这些移动元件的运动：使用一个电压源在来自该第二多列当中的第b列和第d列中的每一者与该第a行之间施加电压；并且在一个预定时间段之后从该电压源断开（i）该第b列和第d列两者以及（ii）该第a行中的至少一者。
60.根据实施方案1的设备，其中该物理效应包括声音，并且其中该属性包括振幅和频率中的至少一者。
61.一种用于制造用于产生物理效应的静电平行板致动器设备的方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括：
提供至少一个静电平行板致动器装置和一个控制器，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被该第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于该第一平面的一个第二平面，该平面电极操作以对来自该移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生该第一静电力；
该控制器操作以接收该数字输入信号，并且相应地控制该至少一个电极和该单独的移动元件中的至少一者以施加该电位差序列，使得该物理效应表示该信号。
62.根据实施方案61的方法，其中提供至少一个静电平行板致动器装置是使用一种MEMS工艺来实现。
在文本或图式中出现的任何商标都是其所有者的财产，并且在本文中的出现仅仅是为了解释或者说明可以如何实施本发明的一个实施方案的一个实例。
附图简要描述
在附图中图解说明本发明的某些实施方案：
图1是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的致动器设备的简化功能框图。
图2A、2B和2C是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的图1的设备中的单独的致动器元件的横截面图解说明。图2A所示为处于其搁置位置中的移动元件，其中在移动元件与任一电极之间未施加电压。图2B所示为被锁定在其极限位置中的一个极限位置的移动元件。图2C所示为被锁定在另一极限位置中的移动元件。
图3A、3B和3C是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的图1的设备中的单独的致动器元件的横截面图解说明，包括由一个支承件（150）悬挂的一个移动元件（120），其中两个电极（130和140）安置于相反侧上，其中每一个电极还充当机械限制器。移动元件通过两个间隔件（180和190）与电极分离。图3A所示为处于其搁置位置中的移动元件，其中在移动元件与任一电极之间未施加电压。图3B所示为被锁定在其极限位置中的一个极限位置的移动元件。图3C所示为被锁定在另一极限位置中的移动元件。
图4A、4B和4C是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的图1的设备中的单独的致动器元件的横截面图解说明，包括由一个支承件（150）悬挂的一个移动元件（120），以及安置于相反侧上的两个电极（130和140），以及处于每一电极的表面上的凸出的凸痕（210和220）。图4A所示为处于其搁置位置中的移动元件，其中在移动元件与任一电极之间未施加电压。图4B所示为被锁定在其极限位置中的一个极限位置的移动元件，其中一个电极130上的凸痕210在移动元件（120）与电极130之间产生一个气隙（240）。图4C所示为被锁定在另一个极限位置的移动元件，其中另一电极140上的凸痕220在移动元件（120）与电极140之间产生一个气隙（250）。
图5是一个致动器装置的横截面图解说明，示出了由一个支承件（150）悬挂的一个单独的移动元件（120），其中单个电极（300）也充当机械限制器。该移动元件通过单个间隔件（310）与电极（300）分离。
图6是致动器元件（110）阵列的简化示意图，每一个致动器元件包括一个移动元件（120）和一个电极（300），其中移动元件排列成多行并且电极排列成多列。
图7所示为图6的阵列，其中在行i（330）与列j（340）之间施加电压以控制第[i，j]移动元件（350）。
图8所示为图6的致动器装置，其中在行i（330）与若干列（360）之间施加电压以控制行i中的若干移动元件（370）。
图9所示为图8的致动器装置，其中行i（330）电连接到列j（340）以释放第[i，j]移动元件（350）。未电连接到其对应电极（380）的先前被锁定的移动元件保持被锁定。
图10是一个致动器装置的简化示意图，其中每一个移动元件具有两个电极，其中移动元件（120）排列成多行，并且顶部电极（130）和底部电极（140）排列成分开的列（分别为410和420）。
图11是一个单侧矩阵阵列元件的简化示意图，该单侧矩阵阵列元件包括具有单个电极（300）的移动元件（120），以及电连接到致动器元件阵列的一行（510）和一列（520）的单侧元件驱动电路（500）。
图12是一个有源双侧矩阵阵列元件的简化示意图，该双侧矩阵阵列元件包括具有两个电极（130和140）的移动元件（120），以及电连接到致动器元件阵列的一行（510）和两列（521和522）的双侧元件驱动电路（530），其中每一列控制两个电极中的一者。
图13是一个致动装置的简化示意图，该致动装置包括多个“子阵列”（601到604）。每一个子阵列典型地包括致动器元件阵列，每一个致动器元件具有其自己的专用行和列，但是受单个控制器（50）控制。
图14是一个“超阵列”的简化示意图，该“超阵列”包括多个致动器阵列（611、612、613和614），其中控制器中的一个电连接控制着超阵列的第一行中的所有阵列的p个行中的每一者，控制器中的一个电连接控制着超阵列的第二行中的所有阵列的p个行中的每一者，以此类推。
图15A、15B和15C是示出在本发明的某些实施方案中移动元件与电极之间的互电容、其之间的电压、存储在互电容中的电荷以及作用于移动元件上的所得静电力随着移动元件与电极之间的分离距离而变的变化的曲线图。
图16A和16B是一个单侧致动器元件的简化示意图，该单侧致动器元件并入有某些类型的电压传感器（710和720）以提供关于移动元件（120）相对于电极（300）的位置的某些信息。
图17是具有元件驱动电路的一个双侧致动器元件的简化示意图，它处于一个在致动器元件之间共享电极的阵列中。
图18是一个致动器阵列的简化示意图，该致动器阵列包括上文参见图17描述的多个双侧致动器元件。
某些实施方案的详细描述
图1是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的致动器设备的简化功能框图。图1的设备操作而产生物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于根据一个取样时钟来周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性。该设备包括至少一个致动器阵列100以及一个控制器50，该致动器阵列包括例如图2A到5中所示的多个致动器元件，该控制器操作以接收数字输入信号并且控制该致动器阵列内的致动器元件。每一个致动器元件可以包括一个移动元件和相关联的支承件、一个电极和该电极与移动元件之间的间隔件，以及任选地还有移动元件运动的机械限制器和/或凸痕和/或元件驱动电路，以上全部如本文中所示和描述。
图2A、2B和2C是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的双侧致动器元件的横截面图解说明。该致动器元件包含一个移动元件120，该移动元件借助于例如挠曲或弹簧等合适的支承件150而机械地连接到该致动器元件的固定部分上。支承件150界定了移动元件120可以沿着行进的一条轴线125，防止移动元件120在其他方向上行进，并且界定移动元件120的静止位置。该致动器元件进一步包括安置于移动元件120的相反侧上的两个电极130和140。取决于数字输入信号，图1的控制器50（此图中未图示）可以在移动元件与任一电极之间施加电压，因此产生静电力而将移动元件驱动远离其静止位置并且朝向对应的电极驱动。一对机械限制器160和170典型地限制移动元件120沿着轴线125在任一方向上的运动。移动元件120通过间隔件180和190与限制器160和170分离。
图2A所示为处于其搁置位置中的移动元件120，其中在移动元件120与任一电极130和140之间未施加电压。图2B所示为被锁定在两个极限位置中的一个极限位置的移动元件。图2C所示为被锁定在另一极限位置中的移动元件。
图3A、3B和3C是一个致动器元件的横截面图解说明，该致动器元件类似于图2A到2C的致动器元件，不同的是省略了图2A到2C的分离地形成的机械限制器160和170并且电极130和140各自还用作机械限制器。该实施方案依赖于钝化（例如，硅表面上存在的暴露于空气的原生氧化物层）来防止移动元件与任一电极之间的电短路。替代地，也可以在一个制造工艺步骤期间添加非原生钝化层。图3A所示为处于其搁置位置中的移动元件，其中在移动元件与任一电极之间未施加电压。图3B所示为被锁定在其极限位置中的一个极限位置的移动元件。图3C所示为被锁定在另一极限位置中的移动元件。
该实施方案的具体优点是，制造工艺与根据图2A到2C的致动器元件的制造工艺相比典型地更简单且更具成本效益。
图4A、4B和4C是一个致动器元件的横截面图解说明，该致动器元件类似于图3A到3C的设备，不同的是凸痕210和220形成于电极130和140的分别各自面对移动元件120的表面上。因此，当移动元件120处于其极限位置中的一个极限位置时，该移动元件并不与电极130或140的面对表面的整体接触，而是仅与分别形成于电极130或140上的凸痕210或220接触，进而形成例如气隙240的间隙。将了解，本文仅以举例方式来使用术语“气隙”，因为本发明的设备通常在空气中操作，然而情况并不需要是这样，并且替代地举例来说，该设备可以在任何其他合适媒介中操作。
还将了解，凸痕可以形成于移动元件120的表面上而不是电极210和220上。
该实施方案的具体优点是，将移动元件120从其极限位置释放典型地比例如图3A到3C的实施方案中的情况更容易，因为气隙240和250允许空气快速地流动到移动元件与电极之间的空间中，和/或因为凸痕210和220防止了例如由于挤压膜效应而造成的过强接合。然而对于图2A到2C的实施方案也可能是这样，凸痕的制造与单独的机械限制器层的制造相比典型地更简单并且更具成本效益。图4A所示为处于其搁置位置中的移动元件，其中在移动元件与任一电极之间未施加电压。图4B所示为被锁定在其极限位置中的一个极限位置的移动元件。图4C所示为被锁定在另一极限位置中的移动元件。
图5是根据本发明的某些实施方案来构造并操作的单侧致动器元件的横截面图解说明。该致动器元件一般地类似于图3A的致动器元件，并且也图示为在其搁置位置中；然而，不同于图3A，该致动器元件是单侧的，因为它仅包括单个电极300和单个间隔件310，而在如上所述的图3A中，提供一对电极和对应的一对间隔件。将了解，类似地，可以提供图2A到2C以及图4A到4C的致动器装置的单侧型式。将了解，本文相对于水平方向图示和描述的装置定向并不需要如图所示。因此举例来说，图2A到2B的设备可以经安置以使得层是水平的，如图所示，或者可以经安置以使得层是垂直的。而且，图5的设备可以设定于其侧面上或者可以在需要的情况下颠倒，使得电极层300在移动元件120的顶部上，反之则不然。根据某些实施方案，重力是可忽略的，因为由支承件150施加在移动元件上的力以及由一或多个电极产生的静电力比重力大许多个数量级。
图6是一个致动器阵列的简化示意图，该致动器阵列包括排列成多行和多列的多个单侧致动器元件110，这些单侧致动器元件的特征在于每个致动器元件110仅具有一个电极300。如图示，致动器元件之间的电连接典型地使得移动元件120例如沿着阵列的列而电连接，并且电极300例如沿着阵列的行而电连接。图1的控制器50（此处未图示）典型地在操作上与阵列相关联，使得可以在任何选定的行与列之间施加电压。
图7所示为图6的致动器装置，其中在行3与列3之间由控制器（未图示）施加电压，该电压如图所示导致（3，3）致动器元件的移动元件120朝向致动器元件（3，3）的单个电极300移动，同时所有其他致动器元件保持在其静止位置。
图8所示为图6的致动器装置，其中在行3与列2、3和（q-1）之间由控制器（未图示）施加电压，该电压如图所示导致（3，2）、（3，3）和（3，q-1）致动器元件的移动元件120分别朝向其对应单个电极300、即致动器元件（3，2）、（3，3）和（3，q-1）的单个电极移动，同时除了这3个致动器元件之外的所有其他致动器元件保持在其静止位置。
图9所示为在第三行已经短接到第三列之后的图8的致动器装置。如图所示，致动器元件（3，2）和（3，q-1）保持在其先前位置中，如图8中所示，因为其电路保持断开，使得电荷维持于这两个致动器元件上。然而，致动器元件（3，3）返回到其静止位置，因为其电极与其移动元件之间的电压且因此作用于该移动元件上的静电力现在为零。
图10是一个致动器阵列的简化示意图，该致动器阵列包括排列成多行和多列的多个双侧致动器元件110，这些双侧致动器元件的特征在于每个致动器元件110具有一对电极130和140。如图所示，致动器元件之间的电连接典型地使得：（a）移动元件120例如沿着阵列的行而电连接；（b）第一组电极130例如沿着阵列的第一组列410而电连接；并且（c）第二组电极140例如沿着阵列的第二组列420而电连接。控制器50（未图示）典型地在操作上与阵列相关联，使得可以在任何选定的行与列之间施加电压。
图11是一个单侧致动器元件的简化示意图，该单侧致动器元件总体上类似于图6的致动器元件110中的一个单独的单侧致动器元件，不同的是单侧元件驱动电路500电连接到该单独的单侧致动器元件所从属的阵列的行510和列520。将了解，图11的一个、一些或全部致动器元件可以包括如图示的元件驱动电路500，或者多组元件可以共享单个驱动电路。元件驱动电路500可以例如具有电平移位功能性，从而允许在沿着行和列从控制器传输到阵列内的每一元件驱动电路的低电压信号的控制下，在电极300与移动元件120之间施加例如数十伏的相对高电压。这些高电压可以用于根据应用的需要而驱动致动器元件。
该实施方案的具体优点是，控制器（未图示）则可以包括一个在常用于数字电路的电压（例如，3.3V）下操作的纯低电压装置，从而使得控制器50制造起来更具成本效益。替代地或另外，元件驱动电路500可以具有存储器功能性，从而允许对物理上可以同时寻址的致动器元件更多的致动器元件进行有效的同时控制，因为借助于存储器功能性，致动器元件（i，j）即使当不再寻址该元件时也可以保持一个不同于其静止位置的位置。
图12是一个双侧致动器元件（具有2个电极的致动器元件）的简化示意图，该双侧致动器元件总体上类似于图10的致动器元件中的一个单独的双侧致动器元件，不同的是双侧元件驱动电路530电连接到该单独的双侧致动器元件所从属的阵列的行510以及列521和522。将了解，图10的一个、一些或全部双侧致动器元件可以包括如图示的元件驱动电路530，或者多组元件可以共享单个驱动电路。元件驱动电路530控制着在移动元件120与任一个电极130和140之间施加的电压，并且可以具有上文参考图11的元件驱动电路500描述的任何或全部功能性。
图13是图1的致动器设备的简化示意图，其中提供移动元件的多个致动器阵列，例如n=4个阵列601、602、603和604，全部由单个控制器50控制。具体来说，控制器中的一个电连接控制着一个阵列的p个行中的每一行以及q个列中的每一列，并且对于每一个阵列来说以此类推，使得在控制器中针对n个pxq个致动器元件的阵列提供总共n(p+q)个电连接。在所展示的实施方案中，n=4，p=q=9。
图14是图1的致动器设备的简化示意图，其中提供移动元件的多个相同阵列，例如n=4个阵列611、612、613和614，全部由单个控制器50控制。然而，在图14中，与图13中相反，这些阵列自身排列成一个阵列，本文称为PxQ“超阵列”，使得控制器中的一个电连接控制着该超阵列的第一行中的所有阵列的p个行中的每一行，控制器中的一个电连接控制着该超阵列的第二行中的所有阵列的p个行中的每一行，以此类推，其中控制器中的一个电连接控制着该超阵列的最后的第P行中的所有阵列的p个行中的每一行。类似地，控制器中的一个电连接控制着该超阵列的第一列中的所有阵列的q个列中的每一列，控制器中的一个电连接控制着该超阵列的第二列中的所有阵列的q个列中的每一列，以此类推，其中控制器中的一个电连接控制着该超阵列的最后的第Q列中的所有阵列的q个列中的每一列。典型地，在控制器中针对PxQ个pxq个致动器阵列的“超阵列”提供总共（P×p+Q×q）个电连接。在所展示的实施方案中，n=4，p=q=9，P=Q=2。
图15A是例如上文参见图1到14描述的移动元件与致动器元件的电极之间的互电容随着它们之间的分离距离而变的曲线图。所绘制的具体值与一个被模型化为平行板电容器的实例圆形致动器元件有关，其中移动元件和电极两者具有300微米的直径，并且电介质是空气。
图15B所示为在图15A的平行板电容器上的电压以及存储于其上的电荷随着分离距离而变。在图解说明的实例中，起初，在3微米的分离距离处，控制器在电容器上施加50V的电压。分离则随着时间过去而减小。在分离距离达到1微米之后，控制器断开到电极或移动元件的电连接，使得电荷不再能进入或者离开电容器。从此时之后，移动元件与电极之间的电压随着分离距离减小而减小。
图15C所示为作用于图15A和15B的移动元件上的静电力随着该移动元件与电极的分离距离而变。起初，在电极与移动元件之间施加恒定电压的情况下，静电力随着分离距离减小而增加。然而，在控制器断开电连接之后，在分离距离进一步减小时，静电力保持恒定。
图16A和16B是并入有电压传感器的单侧致动器元件的简化示意图。提供电极驱动电路（700），可以是图1所示的控制器的一部分，或者可以与图11的单侧元件驱动电路500相同。电极驱动电路（700）起初将由电极（300）和移动元件（120）形成的电容器充电到非零电压，并且随后断开移动元件或者电极中的至少一者，从而防止任何电荷转移到电容器中或者转移出电容器。移动元件（120）朝向或者远离电极（300）的任何移动接着分别引起电容器上的电压减小或增加。电压传感器可以检测该电压改变，从而提供关于移动元件（120）的位置的信息。
在图16A中，电压传感器是模拟比较器（710），它的感测输出包含一个二进制信号，该二进制信号指示电极与移动元件之间的电压是高于还是低于参考电压。
在图16B中，电压传感器是模/数转换器（720），它的感测输出包含多电平而不是二进制，典型地是电极与移动元件之间的电压的数值表示。
图17是具有元件驱动电路532的一个双侧致动器元件的简化示意图，它处于一个在致动器元件之间共享电极的阵列中。第一电极130连接到第一电位533，第二电极140连接到第二电位534，并且元件驱动电路532仅具有电连接到移动元件120的单个输出。
根据具体实施方案，顶部电极与底部电极之间的电压在正常操作期间实质上恒定，或者以比致动时钟频率低若干数量级的速率改变。元件驱动电路532例如可以含有数字CMOS推挽式输出级，能够将移动元件120连接到第一电位533或者第二电位534。当移动元件120连接到第一电位533时，移动元件与第一电极130之间的电压为零，并且移动元件120与第二电极140之间的电压不为零，从而产生将移动元件120朝向第二电极140吸引的静电力。同样，当移动元件120连接到第二电位534时，移动元件与第二电极140之间的电压为零，并且移动元件120与第一电极130之间的电压不为零，从而产生将移动元件120朝向第一电极130吸引的静电力。
例如图5或图11所示的单侧致动器元件可以替代地用在致动器元件之间共享的电极来构造。可以使用除了CMOS之外的技术，例如但不限于双极晶体管，来实施元件驱动电路532。元件驱动电路的输出可以连续可变，而不是限于如上所述的两个电平。元件驱动电路的输出可以具有高阻抗状态（此项技术中称为“三态”或“高Z”），从而允许其防止任何电荷转移到由移动元件120和两个电极形成的一对平行板电容器中或者转移出这对平行板电容器，如上文参见图15B描述。
图18是一个致动器阵列的简化示意图，该致动器阵列包括上文参见图17描述的多个双侧致动器元件。根据具体实施方案，每一个致动器元件的第一电极130电连接到每隔一个致动器元件的第一电极，并且连接到第一电位533；同样地，每一个致动器元件的第二电极140电连接到每隔一个致动器元件的第二电极，并且连接到第二电位534。
图18的实施方案的具体优点是，在第一电极中的任一者与第二电极中的任一者之间不需要电绝缘，而图6和10中所示的致动器阵列或者例如图11和12所示的致动器元件阵列确实在每一个致动器元件的电极之间包含电绝缘。因此，图18的所有电极可以实施为安置于移动元件120的任一侧上的例如掺杂硅或铝等导电材料的两个连续层，而不需要将这些层划分为电绝缘区域。这实现了较简单并且较有效的制造工艺。
现在描述适合于实施本文示出并且描述的控制器（例如图1的控制器50）的控制算法。总体上，控制器典型地随着根据取样时钟而取样的数字输入信号而变来控制所述致动器装置中的每一个移动元件的位置。根据本发明的一个实施方案，该数字输入信号的范围可以使得该信号可以采用的值的数目等于设备中的致动器元件的数目，并且取样时钟具有与致动时钟相同的频率。在这种情况下，控制器可以实施一种算法，其中数字输入信号的每一个数据字直接确定处于某一位置中的移动元件的数目。
举例来说，在使用单侧致动器元件的设备中，算法可以锁定或者释放单独的的移动元件，使得设备中的被锁定的移动元件的数目总是等于由控制器接收的数字输入信号的最后一个（最近接收的）数据字所表示的数目。替代地，算法可以使得未被锁定的移动元件的数目等于所接收的最后一个数据字。在具有双侧致动器元件的实施方案中，算法可以使得被锁定到其第一极限位置中的移动元件的数目或者被锁定到其第二极限位置中的移动元件的数目等于所接收的最后一个数据字。替代地，控制器可以实施一种算法，其中数字输入信号的每一个数据字确定将沿着其对应轴线移动（例如，上升或下降）的致动器元件的数目。
其他控制算法也可以考虑致动器元件的脉冲响应，以便更准确地再生数字输入信号。控制算法也可以包含额外的信号处理功能，例如但不限于音量和音调控制，如本申请人的同在申请中的题目为“直接数字扬声器中的音量和音调控制（Volume And Tone Control In Direct Digital Speakers）”的申请案WO2007/135679中所描述。总体上，数字输入信号采用的值的数目可以不同于设备中的致动器元件的数目，并且因此控制器可以包含按比例缩放功能来使数字输入信号匹配于可用的致动器元件的数目。同样，取样时钟可以不同于致动时钟，并且因此控制器可以包含再取样、取样速率转换、内插或抽选功能以使取样时钟匹配于致动时钟。
在设备中的致动器元件的数目低于数字输入信号可以采用的值的数目并且致动时钟频率高于取样时钟频率的情况下，可以使用例如过取样、噪声成形以及Σ-Δ调制等已知技术来最小化量化噪声的影响并且增加致动器装置的有效分辨率。有关于此，参考上文引用的M·霍克斯福德的公开案。
取决于应用，在选择在给定时间锁定或者释放哪些具体移动元件时可以使用各种不同准则。举例来说，控制器可以选择占据致动器装置中的具体位置的移动元件，以便产生所需的方向性模式，如本申请人的同在申请中的申请案WO2007/135678（具有所需方向性模式的直接数字扬声器设备“（Direct digital speaker apparatus having a desired directivity pattern）”）中所描述。替代地，控制器可以用伪随机方式选择移动元件以例如最小化元件失配（已知术语）的影响。又一选择是控制器以例如简化控制算法的方式来选择移动元件。也可以组合这些或者任何其他选择准则。
控制器可以并入有工业标准接口以接收所述数字输入信号，例如但不限于I2S、AC’97、HDA或者SLIMbus接口（所有这些都是已知术语并且可能是商标）。
移动元件和电极典型地是由导电材料制造，例如掺杂单晶硅、掺杂多晶硅或者铝，或者至少含有导电层。移动元件与电极之间的间隔层典型地是由电绝缘材料制造，例如二氧化硅，或者至少含有电绝缘层。支承件典型地是由能够弹性变形而无塑性变形的材料制造，例如单晶硅、多晶硅或者铝，使得支承件在不存在静电力的情况下不保持任何永久变形，并且移动元件在不施加静电力时总是返回到确切的同一静止位置。
本文描述的致动器装置的具有成本效益的大量生产可以例如如下实现：具有例如6英寸或8英寸直径等工业标准尺寸的例如硅或铝晶片或SOI（绝缘体上硅）等晶片可以用作用于在现存的微型制造设备（此项技术中称为“工厂”）中制造大量致动器装置的衬底。取决于致动器装置的所需大小以及晶片大小，单个晶片可以具有足够的表面积来容纳数十个、数百个或者更多致动器装置。替代地，如果需要大的致动器装置，则致动器装置可以被设计成填充单个晶片的整个表面。可以通过将各自填充一个完整晶片的若干大的致动器阵列组合为单个设备，来构造再更大的致动器装置，例如参见图13和14所描述。可以用例如每次二十五个晶片的工业标准批次大小，使用为这些批次大小所设计的现存的工厂设备来处理晶片。
用于致动器装置的制造工艺典型地包括多个工艺步骤的序列，从而得到完全形成的致动器装置。这些工艺步骤中的每一者均遵循可以在市场上购得合适设备的半导体或MEMS工业中已知的技术，例如（但不限于）：光刻、蚀刻、热氧化、化学气相沉积、沟槽隔离、离子植入，以及扩散。典型地，每一个工艺步骤均在单个步骤中同时产生同一晶片上的所有致动器装置的所有致动器元件的某一特征。举例来说，晶片上的所有致动器元件的所有支承件可以在单个蚀刻工艺中形成；晶片上的所有电极可以在单个离子植入或扩散工艺中被掺杂以改善其导电性；并且/或晶片上的所有电极或所有移动元件可以在单个沟槽隔离步骤中彼此电隔离。
本文描述的控制器的具有成本效益的大量生产可以通过使用例如CMOS等工业标准技术将控制器实施为专用集成电路（ASIC——众所周知的术语）来实现。替代地或另外，可以使用现存的成品电子组件来实施控制器的一些或所有部分。这些电子组件可以包括（但不限于）：集成电路，例如（但不限于）FPGA、CPLD、DSP或微处理器（全部是已知术语）；离散组件，例如MOSFET、双极晶体管、二极管或无源装置；或者集成电路与离散组件的任何组合。控制器的某些部分也可以用软件来实施而不是实施为硬连线电子电路。这些软件部分可以由例如（但不限于）微处理器、微控制器或DSP等任何合适的引擎执行，并且可以用任何合适的编程语言来编写，包括：原生机器代码，例如（但不限于）C、C++或Perl等任何高级编程语言，例如（但不限于）MATLAB等任何模型化语言，或者例如（但不限于）Verilog或VHDL等任何硬件描述语言。
形成包括控制器和致动装置的完整设备可以包括制造为同一晶片上的单个裸片。取决于致动器装置的所需大小、控制器的大小以及晶片大小，单个晶片可以容纳许多这种设备或者仅容纳单个这种设备。替代地，控制器的部分可以与相关联的致动器装置制造为同一裸片的部分，其中其他部分被制造为单独集成电路、从现存的成品电子组件建立、或用软件实施或者其任何组合。在控制器的一些或所有部分与致动器装置分离地被制造为集成电路的情况下，控制器和致动器装置的两个单独制造工艺分别可以在工艺流程、工艺几何特征、工艺步骤的数目、掩模的数目或者任何其他特征方面不同。这允许单独地优化每一制造工艺以例如实现最低总成本、最小大小、最高产量（已知术语）或者任何其他所需性质。
将了解，例如“强制性的”、“所需的”、“需要”和“必须”等术语为了清楚而指代在本文内描述的具体实施方案或应用的上下文内做出的实施方案选择，并且旨在不是限制性的，因为在替代的植入中，相同的元件可能被界定为非强制性的并且非需要的，或者可能甚至被完全消除。
将了解，本文描述的某些功能性，例如移动元件控制功能性，在需要时可以用软件来实施。
在单独实施方案的上下文中描述的本发明的特征也可以在单个实施方案中组合地提供。相反，为了简明而在单个实施方案的上下文中或以某一次序描述的包括多个方法步骤的本发明的特征可以单独地或者以任何合适子组合或者以不同次序来提供。本文在旨在不是限制性的具体实例的意义上使用“例如”。将了解，在本文示出并且描述的说明和图式中，被描述或图解说明为系统及其子单元的功能性也可以作为其内的方法和步骤来提供，并且被描述或图解说明为其内的方法和步骤的功能性也可以作为系统及其子单元来提供。在图式中用来图解说明各种元件的比例仅仅是示范性的和/或适用于清楚呈现，并且旨在不是限制性的。

Claims (62)

1.一种静电平行板致动器设备，用于产生一个物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该设备包括：
至少一个静电平行板致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被所述第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于所述第一平面的一个第二平面，所述平面电极操作以对来自所述移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生所述第一静电力；以及
一个控制器，该控制器操作以接收所述数字输入信号，并且相应地控制所述至少一个电极和所述单独的移动元件中的至少一者以施加所述电位差序列，使得所述物理效应表示所述信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述移动元件中的至少一个单独的移动元件沿着其对应轴线的移动进一步受到沿着所述单独的移动元件的轴线安置的至少一个机械限制器约束，所述机械限制器界定一个极限位置并且防止所述移动元件移动越过所述极限位置。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括至少一个闩锁，该至少一个闩锁操作以通过选择性地防止已经到达所述极限位置之一的至少一个所述移动元件朝向其先前位置往回移动远离所述机械限制器来锁定至少一个所述移动元件。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述移动元件的所述锁定是借助于由所述电极产生的一个第二静电力来实现，所述第二静电力在与所述第一静电力相同的方向上作用。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述机械限制器和所述电极一体地形成。
6.根据权利要求2所述的设备，具有安置于所述移动元件和所述机械限制器的至少一个表面上的至少一个凸出的凸痕，从而当所述移动元件处于所述极限位置中时在所述表面之间产生一个间隙。
7.根据权利要求2所述的设备，其中在权利要求1中描述的第一静电力以一种方式被调整以便将所述移动元件沿着其对应轴线的移动范围限制于一个比由所述机械限制器界定的范围短的范围。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器以规则的时间间隔来控制所述至少一个电极，因此界定一个致动时钟频率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述移动元件的机械谐振频率被调谐到所述致动时钟频率。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述移动元件的机械谐振频率低于所述致动时钟频率的一半。
11.根据权利要求8所述的设备，其中根据一个取样时钟周期性地对一个数字输入信号的至少一个特性进行取样，其中所述致动时钟频率是所述取样时钟的频率的整数倍。
12.根据权利要求9所述的设备，其中所述移动元件的机械谐振频率是所述致动时钟频率的一半。
13.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一和第二静电力具有相同的振幅和极性。
14.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一和第二静电力在振幅和极性中的至少一者上有所不同。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的设备，其中至少一个电极延伸经过一个以上致动器元件并且控制其移动。
16.一种用于产生物理效应的致动方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括提供至少一个静电平行板致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被所述第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于所述第一平面的一个第二平面，所述平面电极操作以对来自所述移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生所述第一静电力；以及
使用一个控制器以接收所述数字输入信号，并且相应地控制所述至少一个电极和所述单独的移动元件中的至少一者以施加所述电位差序列，使得所述物理效应表示所述信号。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个致动器装置还包括：
第一多个电连接，该第一多个电连接由所述控制器驱动并且被安排成下文称为“行”的一个第一几何图案；
至少再多个电连接，该至少再多个电连接也由所述控制器驱动并且被安排成下文称为“列”的至少再一个几何图案，该几何图案不同于所述第一几何图案；
以及多个元件驱动电路；
其中：
所述第一几何图案和所述再一个几何图案被设计成使得一行与一列重叠的每一个区域都含有一个移动元件；
每一个所述元件驱动电路控制一个所述移动元件，并且电连接到所述行之一以及所述列中的至少一列；
使所述控制器能够间接地通过驱动所述行和所述列来控制作用于每一个所述移动元件上的静电力，这又决定所述元件驱动电路的行为。
18.一种静电平行板致动器设备，用于产生一个物理效应，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该设备包括：
至少一个致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个移动元件阵列，该移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以（a）响应于作用其上的一个第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，以及（b）被选择性地锁定到至少一个锁定位置中；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定平行于该第一平面的一个第二平面，该电极操作以对来自所述移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生所述第一静电力；以及
一个控制器，该控制器操作以接收所述数字输入信号，并且控制所述至少一个电极和所述单独的移动元件中的至少一者以施加所述电位差序列。
19.一种用于产生物理效应的静电平行板致动的方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括提供至少一个致动器装置，每一个致动器装置包括：
一个移动元件阵列，该移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以（a）响应于作用其上的一个第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进；以及（b）被选择性地锁定到至少一个锁定位置中；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定平行于该第一平面的一个第二平面，该电极操作以对来自所述移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生所述第一静电力；以及
使用一个控制器以接收所述数字输入信号，并且控制所述至少一个电极和所述单独的移动元件中的至少一者以施加所述电位差序列。
20.根据权利要求1所述的设备，其中所述移动元件阵列包括被安排成一个第一几何图案的第一多个第一组电互连移动元件；
其中所述至少一个电极包括至少一个电极阵列，该至少一个电极阵列被划分成被排列成至少一个第二几何图案的至少第二多个第二组电互连电极，该第二几何图案不同于所述第一几何图案；
其中所述第一和第二多个组中的每一组电连接到所述控制器，并且所述第一和第二几何图案的特征在于一个第一组与一个第二组重叠的每一个区域都含有仅一个移动元件，并且其中所述控制器操作以通过在所述第一组中的一个单独的组与所述第二组中的一个单独的组之间施加电压而控制作用于所述阵列内的每一个所述移动元件上的静电力，来寻址每一个所述移动元件。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述致动装置包括多个阵列，每一个阵列具有未分别电连接到所述致动装置内的其他阵列的行和列的行和列。
22.根据权利要求20所述的设备，其中所述第一组包括多行并且所述第二组包括多列，并且所述行和列延伸经过一个以上致动器装置，使得所述行包括位于一个以上致动器装置内的多个移动元件，并且所述列包括位于一个以上致动器装置内的多个电极。
23.根据权利要求20所述的设备，其中依序地针对该阵列中的每一单独的行，所述控制器周期性地（a）仅将该单独的行连接到一个预定电位，同时保持所有其他行电浮动，以及（b）寻址所述单独的行中的选定的移动元件。
24.根据权利要求4所述的设备，其中该控制器通过将至少一个移动元件电连接到所述电极来将所述移动元件从一个锁定状态释放。
25.根据权利要求1所述的设备，其中该控制器周期性地刷新由所述移动元件和一个电极形成的电容器上的电荷。
26.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器通过如下方式来控制作用于至少一个所述移动元件上的静电力：在至少一个所述电极与至少一个所述移动元件之间施加电压历时一个预定充电时间段，该预定充电时间段在该移动元件仍在运动中的同时终止；随后防止任何电荷转移到由所述至少一个移动元件和所述至少一个电极形成的电容器中以及转移出该电容器。
27.根据权利要求1所述的设备，还包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器感测至少一个移动元件沿着其对应轴线的位置。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述位置传感器包括一个电容传感器，该电容传感器感测所述移动元件与一个电极之间的电容。
29.根据权利要求26所述的设备，还包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器感测至少一个移动元件沿着其对应轴线的位置。
30.根据权利要求27所述的设备，其中所述控制器使用由所述位置传感器提供的信息来检测这些单独的移动元件中的缺陷。
31.根据权利要求27所述的设备，其中由所述位置传感器提供的位置信息用以调整在至少一个移动元件与至少一个电极之间施加的电压。
32.根据权利要求29所述的设备，其中由所述位置传感器提供的位置信息用以调整所述移动元件的充电时间。
33.根据权利要求27所述的设备，其中所述控制器在选择移动元件以产生所述物理效应时使用由所述位置传感器提供的位置信息。
34.根据权利要求29所述的设备，其中所述位置传感器包括一个电容传感器，该电容传感器感测所述移动元件与一个电极之间的电容，并且其中所述电容传感器包括一个电压传感器，该电压传感器操作以在一个移动元件和一个电极中的至少一者电浮动的同时感测所述移动元件与电极之间的电压。
35.根据权利要求34所述的设备，其中所述电压传感器包括一个模拟比较器。
36.根据权利要求34所述的设备，其中所述电压传感器包括一个模/数转换器。
37.根据权利要求18所述的设备，其中所述移动元件被所述至少一个电极选择性地锁定到至少一个锁定位置中。
38.根据权利要求18所述的设备，其中所述移动元件中的至少一个单独的移动元件的运动受到沿着所述单独的移动元件的轴线安置的至少一个机械限制器限制。
39.根据权利要求2所述的设备，其中所述电极包括沿着所述单独的移动元件的轴线安置的一个机械限制器，该限制器操作以限制所述移动元件。
40.根据权利要求1所述的设备，其中所述移动元件由一个第一闩锁和一个第二闩锁选择性地锁定，以选择性地将所述移动元件的至少一个子组锁定在对应的第一和第二锁定位置中。
41.根据权利要求3所述的设备，其中每一个移动元件具有由所述至少一个机械限制器沿着所述轴线界定的至少一个极限位置，并且其中至少一个移动元件被锁定到所述至少一个极限位置中。
42.根据权利要求3所述的设备，其中每一个移动元件具有由所述至少一个机械限制器沿着所述轴线界定的至少一个极限位置，并且其中至少一个移动元件被锁定到沿着所述轴线的未达到所述移动元件的极限位置的一个位置中。
43.根据权利要求1所述的设备，其中所述移动元件阵列包括第一多行移动元件，该第一多行移动元件沿着一个第一几何尺寸延伸并且在其间电连接；
其中所述电极包括一个电极阵列，该电极阵列平行于所述移动元件阵列并且包括不平行于所述多行移动元件的第二多列电极，该第二多列电极沿着一个第二几何尺寸安排并且在其间电连接；
并且其中所述控制器操作以确定包括来自所述多行当中的第I行中的第j个元件的第I，j个元件的运动是强制性的，以便通过改变来自所述多列当中的第j列与所述第I行之间的电压差来产生该物理效应并且引起该第I，j个移动元件的运动。
44.根据权利要求43所述的设备，其中通过使用一个电压源在来自所述第二多列当中的第j列与所述第I行之间施加电压来改变所述电压差。
45.根据权利要求43所述的设备，其中通过短路来自所述第二多列当中的第j列与所述第I行来改变所述电压差。
46.根据权利要求43所述的设备，其中所述行垂直于所述列。
47.根据权利要求20所述的设备，其中所述控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第c,d个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起所述移动元件的运动：使用一个电压源在来自所述第二多列当中的第b列与所述第a行之间施加电压；在一个预定时间段之后从所述电压源断开该第a行和第b列中的至少一者，随后使用该电压源在来自所述第二多列当中的第d列与所述第c行之间施加电压；并且在一个预定时间段之后从所述电压源断开该第c行和第d列中的至少一者。
48.根据权利要求43所述的设备，其中施加所述电压历时一个预定时间段，在该预定时间段之后从所述电压源断开该第I行和第j列中的至少一者。
49.根据权利要求48所述的设备，其中所述时间段在该第I，j个移动元件仍在运动中的同时终止。
50.根据权利要求43所述的设备，还包括一个位置传感器，该位置传感器感测所述第I，j个元件沿着所述轴线的位置。
51.根据权利要求50所述的设备，其中所述位置传感器包括一个电容传感器。
52.根据权利要求51所述的设备，其中施加所述电压历时一个预定时间段，在该预定时间段之后从所述电压源断开该第I行和第j列中的至少一者，并且其中所述时间段在该第I，j个移动元件仍在运动中的同时终止，
其中所述电容传感器测量第I，j个移动元件与第I，j个电极之间的电压差随着时间的改变。
53.根据权利要求50所述的设备，其中由所述位置传感器提供的位置信息用以调整该电压源的电压。
54.根据权利要求50所述的设备，其中由所述位置传感器提供的位置信息用以调整所述时间段的持续时间。
55.根据权利要求50所述的设备，其中如果所述位置传感器检测到一个移动元件具有一个异常移动模式，则该控制器将该移动元件标记为故障的并且不再使用所述移动元件。
56.根据权利要求50所述的设备，其中如果所述位置传感器检测到不同移动元件的运动模式之间的差异，则所述位置传感器推断所述移动元件的至少一个操作特征的差异，并且在选择移动元件时考虑所述操作特征差异。
57.根据权利要求38所述的设备，其中所述机械限制器包括处于这些移动元件的主表面以及这些电极的主表面中的至少一者上的至少一个凸出的凸痕。主表面=垂直于所述轴线的表面。
58.根据权利要求43所述的设备，其中所述控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第c,b个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起所述移动元件的运动：使用一个电压源在来自所述第二多列当中的第b列与所述第a行和第c行之间施加电压；并且在一个预定时间段之后从所述电压源断开以下各项中的至少一者：（i）该第a行和第c行两者以及（ii）该第b列。
59.根据权利要求43所述的设备，其中所述控制器操作以确定至少第a,b个移动元件和第a,d个移动元件的运动是强制性的，以便通过如下方式来产生该物理效应并且引起所述移动元件的运动：使用一个电压源在来自所述第二多列当中的第b列和第d列中的每一者与所述第a行之间施加电压；并且在一个预定时间段之后从所述电压源断开以下各项中的至少一者：（i）该第b列和第d列两者以及（ii）该第a行。
60.根据权利要求1所述的设备，其中所述物理效应包括声音，并且其中所述属性包括振幅和频率中的至少一者。
61.一种用于制造用于产生物理效应的静电平行板致动器设备的方法，该物理效应的至少一个属性对应于被周期性地取样的一个数字输入信号的至少一个特性，该方法包括：
提供至少一个静电平行板致动器装置和一个控制器，每一个致动器装置包括：
一个导电移动元件阵列，该导电移动元件阵列界定一个第一平面，其中每一单独的移动元件操作而受约束以响应于作用其上的一个单独的第一静电力而沿着一条对应轴线来回交替地行进，其中每一个移动元件具有一个静止位置并且仅被所述第一静电力驱动远离其静止位置；以及
至少一个平面电极，该至少一个平面电极界定总体上平行于所述第一平面的一个第二平面，所述平面电极操作以对来自所述移动元件阵列当中的至少一个单独的移动元件施加一个受控的电位差时间序列，从而可选择地产生所述第一静电力；
该控制器操作以接收所述数字输入信号，并且相应地控制所述至少一个电极和所述单独的移动元件中的至少一者以施加所述电位差序列，使得所述物理效应表示所述信号。
62.根据权利要求61所述的方法，其中所述提供至少一个静电平行板致动器装置是使用一种MEMS工艺来实现。
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