CN110228787A - Mems元件及微型物体的操控方法 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统(MEMS)包括通过弯曲产生吸力以允许操控微型尺度物体的柔性膜。所述MEMS元件包括壳体结构；附着于所述壳体结构的柔性膜；电极结构，其中施加于所述电极结构的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲。所述柔性膜和所述壳体结构定义了所述柔性膜可以在其中弯曲的空隙，且脚在远离所述壳体方向的方向上从所述柔性膜延伸，其中所述脚和所述柔性膜在所述柔性膜与所述空隙相反的一侧上定义了间隙区域。当所述MEMS元件与待操控的物体相互作用时所述脚使所述膜和物体分离，且所述膜的弯曲产生用于操控物体的吸力。

Description

MEMS元件及微型物体的操控方法
技术领域
本发明涉及一种微型转移装置,其包括能够操控微型尺寸物体的微机电系统(MEMS)。
背景技术
微机电系统是具有移动部件的微观设备。众所周知的，微机电系统(MEMS)的使用涉及通过在膜和电极之间施加电势差来致动的柔性膜。这些柔性膜MEMS已经主要演示在诸如MEMS麦克风或MEMS超声扫描仪(例如，McMullen等的GB2469412，2010年10月13日公告)的声学装置中，这两者都涉及柔性膜的声振动。
MEMS设计的努力一直集中在用于声学产生的合适结构的设计以及有效驱动方法的实现上。例如，如Gabriel等人的US2003/0044029(2003年3月6日公开)中所描述的数字声音重建(DSR)理论为声音产生提供了低失真和高线性。为了有效性，DSR需要大量可以单独控制的相同扬声器。因此，研究工作也集中在具有均匀和良好调谐特性的小型化装置的产品上。在Loeb等人的US6829131B1(2004年12月7日公告)中，揭示了一种声换能器，其具有使用CMOS-MEMS技术形成在单个硅芯片上的隔膜。利用这种配置，然后可以在设备的阵列内获得更高的集成度和均匀性。
Cohen等人的US8780673B2(2014年7月15日公告)和Cohen等人的WO2014141258A1(2014年9月18日公开)揭示了一种致动系统，其包括被限制为沿一个方向移动并分别由电磁和静电力驱动的相同元件的矩阵。单个元件不是被单独控制的，并且没有揭示由有源矩阵控制的驱动方法。
在文献中，在RF开关和变容二极管领域中报道了由包括多个电极的静电致动膜组成的MEMS结构。这样的装置的例子揭示于Chou的US2006/0226501A1(2006年10月12日公开)，Lan等人的US8363380(2013年1月29日公告)和Breen等人的US8849087B2(2014年9月30日公告)。
然而，上述领域仅提供了对MEMS装置的能力的有限利用。
发明内容
本公开描述了一种装置，其能够通过利用MEMS元件产生力来操控微型尺度物体，所述MEMS元件通过柔性膜的致动作用在微型尺度物体上。柔性膜MEMS之前尚未被开发的的一种能力是通过膜的弯曲在微米尺度上产生吸引力。柔性膜MEMS可用于产生一种形式的吸力，所述吸力可用于操控或移动微型尺度物体。
可以使这种微操控适用的领域是微型尺度电子设备的拾取和放置。例如，使用MEMS吸引力的微型操控可用于协助印刷电路板(PCB)上小部件的组装。在另一个例子中，使用MEMS吸引力的微型操控可用于微发光二极管(μLED)从源基板到显示器或靶基板的转运。μLED技术有望超越有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)技术。使用MEMS吸引力的微型操控也可以应用于生物学和化学中，用于例如细胞或少量化学物质的微小物体的微精确操控。
本发明提供一种MEMS元件，其通过柔性膜的致动产生吸力。在示例性实施例中，MEMS元件包括柔性膜，用于致动柔性膜的电极配置，以及当定位在被拾取的物体上方时，在物体上方形成气隙形式的间隙区域的脚。间隙区域的存在提供了间隙空间以使膜弯曲，并且还防止膜容易损坏。所述间隙区域进一步利于致动以产生吸力，因为间隙区域的存在允许待操控物体所需的对抗物体的必要压力的更强的保持。柔性膜可以锚定到壳体结构，壳体结构可以由诸如多晶硅的普通MEMS材料制成。可以通过电极配置将电压施加到柔性膜以控制致动。
MEMS元件可用于通过以下过程作用于微型尺度物体。处于关闭状态的MEMS元件位于物体上方；并且MEMS元件的脚放置在物体的平坦表面上，在物体和柔性膜之间留下间隙区域气隙。通过在电极配置上施加电压差将MEMS元件切换到“接通”状态以使膜向上偏转，这降低了间隙区域的压力。这种相对于环境空气压力的压力降低产生作用在物体上的吸力，因此物体通过由负压产生的吸力的作用保持在MEMS元件上。此时，MEMS元件可以对物体执行操控动作，例如拾取物体并移动物体。当通过去除电极配置上的电压差将MEMS元件切换到“关闭”状态时，膜返回到其非弯曲状态并且移除吸力，从而允许物体被释放。
因此，本发明的一个方面是一种具有柔性膜的微机电系统(MEMS)元件，该柔性膜通过弯曲产生吸力以允许操控微型尺度物体。在示例性实施例中，所述微机电系统(MEMS)元件包括：壳体结构；附着于所述壳体结构的柔性膜；电极结构，其中施加于所述电极结构的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲；其中，所述柔性膜和所述壳体结构定义了所述柔性膜可以在其中弯曲的空隙；以及脚在远离所述壳体方向的方向上从所述柔性膜延伸，其中所述脚和所述柔性膜在所述柔性膜与所述空隙相反的一侧上定义了间隙区域，且当所述MEMS元件与待操控的物体相互作用时所述脚使所述膜和物体分离。所述电极结构可以位于所述壳体上的第一电极和与所述柔性膜相关联的第二电极。
本发明的另一方面是一种通过操控由MEMS元件施加的力来操控物体的方法。在示例性实施例中，所述方法包括将所述MEMS元件放置在待操控的物体上；向电极结构施加电压以将MEMS元件置于接通状态，在所述接通状态中柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此MEMS元件通过弯曲所述柔性膜产生对物体的吸力；以及通过对所述吸力的操作将所述物体保持在所述MEMS元件上以执行物体的操控。所述方法进一步可以包括从所述电极结构移除电压以将所述MEMS元件置于关闭状态，由此所述柔性膜返回到初始位置以移除吸力。所述方法进一步可以包括向所述电极结构施加电压以将所述MEMS元件置于排斥状态，在所述排斥状态中所述柔性膜从所述弯曲位置或所述初始位置弯曲到相对于接通状态的相反弯曲位置，由此所述MEMS元件产生抵抗所述物体的排斥力以将所述物体从所述MEMS元件释放。
为了实现前述和相关目的，本发明包括在下文中充分描述并在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅表示本发明原理的各种方式中的一些可以被采用。当结合附图考虑时，本发明的其他目的，优点和新颖特征将从本发明的以下详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是描绘MEMS元件可施加在微型尺度物体上的力的概括图，其中图1(a)，1(b)，1(c)和1(d)部分描绘了MEMS元件的不同致动状态。
图2是描绘根据本发明的实施例的示例性MEMS元件的图，其中图2(a)，2(b)和2(c)部分描绘了MEMS元件的不同致动状态。
图3是描绘使用根据本发明实施例的MEMS元件操控物体的示例性方法的图，其中图3(a)，3(b)，3(c)和3(d)部分描绘物体操控的不同阶段。
图4是描绘根据本发明的实施例的另一示例性MEMS元件的图，其中图4(a)，4(b)和4(c)部分描绘了利用MEMS元件对不同尺寸的物体的操控。
图5a和图5b是描绘根据本发明实施例的用于驱动MEMS元件的示例性TFT驱动电路的示意图。
图6是描绘根据施加到图5的TFT驱动电路的电压的MEMS元件的操作状态的图表。
附图标记说明
MEMS元件 10
微型尺度物体 12
MEMS元件 20
壳体结构 22
柔性膜 24
基板 26
壳壁 28
端部锚定部分 30
中央弯曲部分 32
空隙 34
脚 36
间隙区域 38
第一电极，壳体电极 40
第二电极，膜电极 42
第一电压源极线/源极线A 44
第二电压源极线/源极线B 46
微型尺度物体 50
支撑表面 52
支撑表面 52(a)
MEMS元件 54
脚 56
待操控物体 58
物体 60
TFT驱动电路 70
第一p型晶体管 72
第一n型晶体管 74
第二p型晶体管 76
第二n型晶体管 78
栅极线 80
开关 82
开关 84
第一电容器 86
第二电容器 88
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中相同的附图标记始终用于表示相同的元件。应该理解，附图不一定按比例绘制。
本发明提供一种用于操控微型尺度物体的MEMS元件。图1是描绘MEMS元件10可以施加在微型尺度物体12上的力的概括图，示出了处于不同致动状态的MEMS元件10。MEMS元件10在被致动时产生作用在微型尺度物体12的力FM。所述MEMS元件作用于其上的目标在本文中通常称为“物体”，其可包括以下进一步描述的各种类型的微型尺度物体。MEMS力FM对物体的影响取决于系统的净力FN，其通常取决于MEMS力FM与物体的重量FW的比较。对于下面的描述，除非另有说明，否则假设这些是在系统中起作用的主要两个力；但是在某些用途中可能存在其他外力。因此，更普遍地，MEMS元件的效果与系统的净力FN一致，该净力是MEMS力FM的净力和外力的矢量和，其可以包括目标物体的重量FW。
图1描绘了一个简化的例子，其中物体12的重量FW是唯一不可忽略的外力。在图1(a)部分中，MEMS元件处于“接通”状态，使得产生超过物体重量的MEMS力。因此，净力FN是在MEMS力的方向上。在这种状态下，可用于提升物体并将物体移动到另一个位置的吸引力被施加到物体上。在图1(b)部分中，MEMS元件处于“关闭”状态，从而MEMS力FM被移除。因此，净力FN在物体重量FW的方向上。在这种状态下，没有吸力施加到物体上，并且物体可能不被MEMS元件保持。通过图1(a)和图1(b)的过程说明了如何通过将MEMS元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，移动到另一个位置)，然后通过将MEMS元件解除致动到“关闭”状态来释放物体。
在图1(c)部分中，MEMS元件处于“接通”状态，使得产生不超过物体重量FW的MEMS力FM。因此，净力FN在物体重量FW的方向上。图1(c)说明了MEMS力必须足以克服相反的外力来操控物体，例如物体的重量。因此，在这种状态下，施加到物体上的吸力不足以提升物体。通过图1(a)和图1(c)的过程说明了如何通过将MEMS元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，移动到另一个位置)，然后通过将MEMS力减小到物体重量以下来释放物体，使得净力FN在物体重量FW的方向上，从而释放物体。例如，该操作可以被采用，以提供物体的更受控的释放。
在图1(d)部分中，MEMS元件处于“排斥”状态，使得MEMS力FM在与物体重量FW相同的方向上产生。因此，MEMS力是抵抗物体的排斥力，趋向于将物体推离MEMS元件。净力FN在物体重量的方向上并且其大小更大，因为净力是物体重量和排斥MEMS力的总和。因此，在这种状态下，排斥力被施加于物体以实现物体的强力释放。通过图1(a)和图1(d)的过程说明了如何通过将MEMS元件致动到“接通”状态来拾取物体(并且如果需要，移动到另一个位置)，然后通过用排斥力将MEMS元件致动到“排斥”状态来释放物体，使得净力FN在释放物体的方向上,比通过简单地将MEMS元件解除致动到“关闭”状态更强。例如，该操作可以被采用，以通过将物体主动地推离MEMS元件来提供物体的不同类型的受控释放。
因此，通常，当MEMS元件10与微型尺度物体12接触时，MEMS元件10能够产生吸引力或排斥力。在一简单的拾取和放置的示例中，如果吸引力大于物体的重量，则允许物体被拾取并根据需要移动到另一个位置。如果MEMS元件的吸引力减小到小于物体重，则微型尺度物体可以被放置。如果由MEMS元件产生的力是排斥的，则物体将被更主动地推离MEMS元件。
本发明的一个方面是一种微机电系统(MEMS)元件，其具有通过弯曲产生吸力以允许操控微型尺度物体的柔性膜。在示例性实施例中，MEMS元件包括壳体结构；附着在壳体结构上的柔性膜；电极结构，其中施加到电极结构的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲；其中柔性膜和壳体结构限定了柔性膜可以在其中弯曲的空隙；以及在远离壳体结构的方向上从柔性膜延伸的脚，其中脚和柔性膜在柔性膜与空隙相反的一侧上定义有间隙区域，并且当MEMS元件与待操控的物体相互作用时脚将膜与物体分开。电极结构可包括位于壳体结构上的第一电极和与柔性膜相关联的第二电极。
图2是描绘根据本发明的实施例的示例性MEMS元件20的图，并且示出了处于不同致动状态的MEMS元件20。MEMS元件20通过致动柔性膜产生以上提及的MEMS力。MEMS元件20包括壳体结构22，其中锚定有柔性膜24。在图2的示例中，壳体结构22由多个独立的部件形成。壳体结构部件可包括基板26和从基板26延伸的壳壁28。基板26可以由各种刚性塑料材料等制成，包括例如硅，多晶硅，氮化物或柔性聚合物。壳壁28可以由与基板相当的材料制成，也可以由与基板相同的材料或不同的材料制成，并且多晶硅特别适合于壳壁。此外，尽管基板26和壳壁28被示出为独立的部件，但是它们可以形成为整体或相同材料的单件。
膜24可以由与壳体结构22的部件相当的材料制成，并且足够薄以使其为柔性的。多晶硅同样是膜24的特别合适的材料。膜24包括端部锚定部分30和更中心的弯曲部分32。膜24沉积在壳壁28上，膜在锚定部分30处固定到与基板26相反的壳壁28上。弯曲部分32延伸不与壳壁28接触，以允许弯曲部分32弯曲。如图2所示，膜24和壳体结构22定义有空隙34，当MEMS装置被致动时，膜的弯曲部分32可以弯曲到该空隙34中。
膜24还通过在远离壳体结构的方向上从柔性膜延伸的脚36固定就位。脚36沉积在膜24的锚定部分30上使得锚定部分30牢固地固定在壳壁28和脚36之间。脚36可以由与壳壁28和/或基板26的材料相当的材料制成，合适的材料包括例如多晶硅和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。脚36还可以包括粘合材料，以便粘附到待操控的物体上。粘合材料通常可以结合到脚的材料中，例如通过使用具有粘合性能的聚合物材料形成脚。或者，脚可包括在脚的表面上，与待操控的物体接触的粘合层或膜。脚36的定位导致脚和柔性膜在膜24与空隙34相反的一侧上定义有间隙区域38。如以下进一步详细描述的，当MEMS元件20与物体相互作用时，脚36将膜24与待操控的物体分离一定量的间隙区域38。间隙区域38的存在使得膜更容易弯曲并且还防止膜容易损坏。
MEMS元件20还可以包括用于向MEMS元件20施加电压的电极结构。在示例性实施例中，电极结构的配置可包括位于壳体结构22上的第一电极和位于膜24上的第二电极，用于致动MEMS元件20，特别是通过弯曲膜24。施加到第一和第二电极的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲，如以下更详细地描述的。电极配置可包括位于壳体22的基板26上的第一电极40(也称为壳体电极)，以及位于膜24上的第二电极42(也称为膜电极)。膜电极42可以沉积在膜24上或者结合在膜24内或作为膜24的一部分。因此，为了简化附图，从后面的一些附图中省略了膜电极42，但是应当理解，膜电极以与膜24相关联的方式电连接或以某种方式连接到MEMS装置以便能够致动和弯曲膜。电压被施加到壳体电极40和膜电极42以在基板26和膜24之间产生电势差，其可导致膜相对于膜未致动的初始位置弯曲。为了施加电压，壳体电极40电连接到第一电压源线44(称为源极线A)，膜电极42电连接到第二电压源线46(称为源极线B)。电极由任何合适的金属材料或本领域已知的用于电极应用的其他导电材料(比如，金属合金为例)制成。另外，尽管双电极配置是合适的，在另一示例性实施例中，电极结构可以仅包括应用于壳体结构的单个电极，如后续附图中的一些所示。
图2的部分示出了处于不同致动状态的MEMS元件20。如以下进一步详细描述的，当电压以使电极反向充电的方式施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“接通”状态并且在朝向壳体结构的基板的方向上弯曲。当电压未施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“关闭”状态，并且柔性膜30相对于与没有电压施加到柔性膜时对应的初始位置不弯曲。当电压以使电极通常充电的方式施加到第一和第二电极时，柔性膜处于“排斥”状态并且在远离壳体结构的基板的方向上弯曲。
在图2(a)部分中,没有电压施加到电极40和42，并且MEMS元件20处于未致动的“关闭”状态。在这种状态下，膜24处于膜被固定到壳体结构22上的初始位置，即，初始位置是对应没有电压施加到柔性膜时处于“关闭”状态的膜位置。
在图2(b)的部分中，电压经由源极线A和源极线B施加到电极40和42，并且MEMS元件20处于致动的“接通”状态。术语“致动状态”或“接通”状态是指膜通过空隙34朝向壳体结构22的基板26弯曲。这是通过在源极线上施加电压以在壳体结构的基板和柔性膜之间产生电位差来实现的，由此柔性膜变得电吸引到基板上。所述电吸引的结果是膜24朝向基板26弯曲。图2(b)基本上示出了膜24的最大弯曲状态，以在物体上产生最大吸力。源极线A和B的电压可以被调节，并且因此调节膜的吸引力和最终的弯曲的程度，以适合于产生如上面参考图1(c)所述的所需的弯曲和最终的吸引MEMS力。
在图2(c)的部分中，电压经由源极线A和源极线B施加到电极40和42，并且MEMS元件20处于排斥状态。术语“排斥状态”是指膜通过间隙区域38弯曲远离壳体结构22的基板26。这通过施加来自源极线的电压以在壳体结构和柔性膜之间产生电势来实现，由此柔性膜变得从壳体结构的基板电排斥。柔性膜和基板之间的电排斥的结果是膜24弯曲远离基板26。源极线A和B的电压可以被调节，并且因此调节膜的排斥力和最终的弯曲的程度，以适合于产生与“接通”状态相比所需的弯曲和最终的排斥MEMS力。
图3是描绘根据本发明的实施例的使用MEMS元件20操控物体的示例性方法的图，并且示出了物体操控的不同阶段。图3示出了与待操控的微型尺度物体50相关联的MEMS元件20，其初始地位于支撑表面52上。支撑表面52可以是用于定位物体50的任何合适的表面，例如基板材料，工作台，电子晶片材料等等。
通常，本发明的一个方面是一种通过操控由MEMS元件施加的力来操控物体的方法。在示例性实施例中，该方法包括将MEMS元件放置在待操控的物体上；向电极结构施加电压以将MEMS元件置于接通状态，其中柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此MEMS元件通过弯曲柔性膜产生对物体的吸力；并且通过对吸力的操作将物体保持在MEMS元件上以执行物体的操控。该方法可以进一步包括从电极结构移除电压以将MEMS元件置于关闭状态，由此柔性膜返回到初始位置以移除吸力。该方法可以进一步包括向电极结构施加电压以将MEMS元件置于排斥状态，其中柔性膜从弯曲的或初始位置弯曲到相对于接通状态的相反弯曲位置，由此MEMS元件产生对物体的排斥力以从MEMS元件释放物体。
参考图3，MEMS元件20可以被用于通过以下过程作用于物体50，如图3的部分所示。在图3(a)的部分中，MEMS元件20处于“关闭”状态，即，没有电压施加到电极上，因此膜24不会相对于初始位置弯曲。在这种“关闭”状态下，MEMS元件20位于物体50上方。在从图3(a)的部分到图3(b)的部分的过渡中，MEMS元件的脚36放置在物体50的平坦表面上，在物体50和柔性膜24之间留下间隙区域38。如图3(b)部分所示，通过向壳体和膜电极施加电压以在膜和基板之间产生吸引力,从而将MEMS元件20切换到“接通”状态，从而使膜24通过空隙34朝向基板26偏转。这反而导致了相对于膜24和物体50之间的环境压力,间隙区域38内压力减小。间隙区域38内的压力相对于环境大气压力的减小产生了作用在物体50上的吸力，通过该吸力，物体50经由负压保持在MEMS元件20的脚36上。
如图3(c)部分所示，MEMS元件可以对物体50执行操控动作。在基本操控动作中，物体50可以从支撑表面52被抬离或拾起。然后MEMS元件20可以被移动到另一个位置，并且随着MEMS元件20的移动保持着MEMS力以搬运物体50。如图3(d)部分所示，当MEMS元件切换回“关闭”状态(即，从电极移除电压)时，膜返回到其未弯曲的初始位置，从而移除MEMS吸力。在没有MEMS吸力的情况下，物体50被释放，允许物体被放置在支撑表面52(a)上。随着施加吸力时MEMS元件20的移动，表面52(a)可以是物体50所来自的相同支撑表面52上的不同位置，或者支撑表面52(a)可以位于与支撑表面52完全不同的结构上。以这种方式，MEMS元件20可以通过施加MEMS吸力将微型尺度物体移动到不同的位置。
当采用拾取和移动微型尺度物体时，MEMS元件20的设计参数，比如尺寸，可应用的电极电压，膜弯曲范围等可以被设定使得MEMS元件的致动产生足够的MEMS吸力以能够克服需要拾取和移动的物体的重量。例如，通过上述具有10μm宽度的MEMS元件和允许向上偏转0.5μm的膜，侧面10μm的氮化镓立方体可以被容易地拾取。可以以这种方式专门地配置MEMS元件20以操控给定的微型尺度物体。
因此，通常，可以使这种微操控适用的领域是微型尺度电子设备的拾取和放置。例如，使用MEMS吸引力的微型操控可用于协助印刷电路板(PCB)上小部件的组装。在另一个例子中，使用MEMS吸引力的微型操控可用于微发光二极管(μLED)从源基板到显示器或靶基板的转运。μLED技术有望超越有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)技术。使用MEMS吸引力的微型操控也可以应用于生物学和化学中，用于例如细胞或少量化学物质的微小物体的微精确操控。
如上所述，MEMS元件20的脚36可以包括粘合材料，以便粘附到待操控的物体50上。脚36的粘合性质与MEMS元件20的吸力的结合提供了与物体50的更强的密封，使得MEMS吸力更有效地保持物体50。如果将粘合材料结合到脚36中，则当膜返回到图3(d)的未弯曲状态时，物体50可能不会被释放。因此，在该实施例中，如果MEMS元件从“接通”状态被置于“关闭”状态，则通过粘合材料的操作，MEMS元件仍然可以保持物体。因此，MEMS元件处于排斥状态以从MEMS元件释放物体。参考图2，MEMS元件20被切换到图2(c)的排斥状态(即，源电压使膜和壳体电极像电荷一样)。通过将MEMS元件从“接通”状态(或“关闭”状态)切换到“排斥”状态，膜24在远离基板26的相反方向上弯曲到间隙区域38中。这反而提高了相对于环境空气压力,间隙区域38内的空气压力，这将物体从MEMS元件20的脚36推开。以这种方式，具有黏性的脚在物体操控期间提供了物体到MEMS元件的更稳定的保持，然后排斥状态可以被用于协助以更受控制的方式释放物体。
图4是描绘根据本发明的实施例的另一示例性MEMS元件54的图，并且进一步描绘了通过MEMS元件54对不同尺寸的物体的操控。MEMS元件54与先前的实施例具有相似性，因此相同的部件被提供相同的元件符号。图4的实施例的不同之处在于，相对于壳体壁28向内延伸到间隙区域38中的延伸脚56被提供。
通过这种配置，MEMS元件54可以作用于一系列不同尺寸的物体。图4(a)的部分示出了脚56可以与尺寸与先前的实施例相当的物体50相互作用。另外，如图4(b)的部分所示，MEMS元件54的延伸脚56被配置使得小于MEMS元件54的尺寸的物体58可以被操控，只要脚的一些部分与待拾取的较小物体58的表面接触。这通过脚56向内延伸的配置、脚的一部分与膜24的中心部分重叠来实现。另外，如图4(c)的部分所示，大于MEMS元件54的尺寸的物体60可以容易地被作用，因为延伸脚56将停留在与前一实施例相比较大物体60的表面的较大部分上。
在通过使用延伸脚56减小间隙区域38的体积的范围内，图4中描绘的MEMS元件54的配置可以减少可以由MEMS元件产生的吸力的大小。相应地，脚的尺寸可以被配置为适当地平衡或为任何特定的应用建立力需求与物体尺寸范围的有用权衡。
图5a和5b是描绘根据本发明实施例的用于驱动MEMS元件20/54的示例性TFT驱动电路70的示意图，其通过控制施加到第一和第二电极的电压来操作。如上所述，源极线A44可电连接到MEMS元件的第一(壳体)电极40，并且源极线B46可连接到MEMS元件的第二(膜)电极42。
驱动电路70可以包括一个或多个晶体管，晶体管可以是TF晶体管。在TFT驱动电路70的示例性实施方式中，源极线A可连接到电连接到MEMS元件20/54的第一电极的第一p型晶体管72和第一n型晶体管74。类似地，源极线B可连接到电连接到MEMS元件20/54的第二电极的第二p型晶体管76和第二n型晶体管78。源极线A和B中的每一个可以作为高压电源VH或低压电源VL操作，其可以是外部电压源。应该理解的，高电压VH或低电压VL对应于用于切换晶体管元件的相应阈值电压，使得晶体管状态将切换到高于VH或低于VL的任何幅度的电压。低电压可以是0V的接地电压。栅极线80(Gn)可被操作以关闭开关82和84以将相应的源极线连接到驱动电路70，使得来自源极线的电压可施加到MEMS元件的相应电极。当多个MEMS元件以二维阵列配置时，栅极线80运行以选择一行MEMS元件，并将源极线连接到所选择的MEMS元件，以通过源极线电压的施加来致动。
驱动电路还可以包括用于存储施加到第一电极和第二电极的电压的一个或多个记忆元件。在图5a的示例中，一个或多个记忆元件包括：存储施加到第一电极的电压的第一电容器86；以及存储施加到第二电极的电压的第二电容器88。电容器86和88用作DRAM记忆体存储元件，使得即使在栅极线被关断之后电压仍然施加到MEMS元件。这意味着在不失去当前行元件的电压状态的情况下下一行元件可以被处理。可替换地，可以采用SRAM元件,尽管SRAM元件往往比DRAM元件更庞大，因此DRAM元件将是优选的。
另一种驱动电路的布局如图5b所示。通过这种配置，每个电极可以由单独的高压电源供电，并且每个高压电源可以根据需要在正电压或负电压之间切换。
图6是描绘根据经由图5a或图5b的TFT驱动电路施加的电压的MEMS元件的操作状态的图表。在这样的图表中，“0”状态与低电压状态(例如电压幅度低于VL阈值)相关联，“1”状态与高电压状态(例如电压幅度高于VH阈值)相关联。如图表中所示，当源极线电压A和B变低时，因为没有工作电压施加到MEMS元件，MEMS元件处于“关闭”状态。当源极线电压不同时，例如，源极线A为低而源极线B为高，MEMS元件处于“接通”状态，或反之亦然。换句话说，在源极线电压高低对立的情况下，产生电位差以产生吸引力以使MEMS膜弯曲以产生“接通”状态的负压吸力。参考图6中标识的特定状态，On(1)和On(2)状态之间的差异是施加到电极的相对电压，即哪个电极是高与哪个电极是低取决于哪个源极线是高与哪个源极线是低。然而，在两种状态下，由于吸引力由柔性膜和基板之间的电位差产生，MEMS元件处于“接通”状态。当源极线电压都被提高时，MEMS元件处于“排斥”状态。换句话说，施加于两者的源极线电压都高以产生排斥力以使MEMS膜弯曲以产生排斥状态的正压力释放力。
因此，本发明的一个方面是一种具有通过弯曲产生吸力以允许操控微型尺度物体的柔性膜的微机电系统(MEMS)元件。在示例性实施例中，MEMS元件包括壳体结构；附着在壳体结构上的柔性膜；电极结构，其中施加于所述电极结构的电压使柔性膜相对于壳体结构弯曲；其中，所述柔性膜和所述壳体结构定义了所述柔性膜可以在其中弯曲的空隙；以及脚在远离所述壳体方向的方向上从所述柔性膜延伸，其中所述脚和所述柔性膜在所述柔性膜与所述空隙相反的一侧上定义了间隙区域。当所述MEMS元件与待操控的物体相互作用时所述脚使所述膜和物体分离。所述MEMS元件可以单独地或者结合地包括以下特征中的至少一个。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述柔性膜被固定在所述壳体结构和所述脚之间的锚定部分。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述电极结构包括位于所述壳体上的第一电极和与所述柔性膜相关联的第二电极；所述壳体结构包括基板和从所述基板延伸的壳壁；所述第一电极被沉积在所述基板上；以及所述柔性膜附着在所述壳壁与基板相反的表面上。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述基板和所述壳壁由不同的材料制成。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述基板和所述壳壁包括相同材料的单件。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述脚沿着所述柔性膜从所述壳壁向内延伸。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述脚包括粘合材料。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，当电压施加到所述电极结构上以产生在所述柔性膜和所述壳体结构的基板之间的吸引力时,所述柔性膜处于接通状态并在朝向所述壳体结构的基板的方向上弯曲；以及当所述电压未施加到所述电极结构上时,所述柔性膜处于关闭状态,且所述柔性膜不会相对于初始位置弯曲。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，当以使得所述柔性膜相对于所述壳体结构的基板电排斥的方式将电压施加到所述电极结构时，所述柔性膜处于排斥状态并且在远离壳体结构的基板的方向上弯曲。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，进一步包括用于控制施加到所述电极结构的电压的驱动电路。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述驱动电路包括至少一个晶体管。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述至少一个晶体管包括电连接到位于所述壳体结构上的第一电极的第一p型晶体管和第一n型晶体管，以及电连接到与所述柔性膜相关联的第二电极的第二p型晶体管和第二n型晶体管。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述至少一个晶体管为TFT晶体管。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述驱动电路进一步包括用于存储施加到所述电极结构的电压的至少一个记忆元件。
在所述MEMS元件的一示例性实施例中，所述至少一个记忆元件包括存储施加到位于所述壳体结构上的第一电极的电压的第一电容器，以及存储施加到与所述柔性膜相关联的第二电极的电压的第二电容器。
本发明的另一方面是一种使用微机电系统(MEMS)元件操控物体的方法。在示例性实施例中所述方法包括以下步骤：提供根据任意实施例的MEMS元件，将所述MEMS元件放置在待操控的物体上；向电极结构施加电压以将MEMS元件置于接通状态，在所述接通状态中柔性膜相对于壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此MEMS元件通过弯曲所述柔性膜产生对物体的吸力；以及通过对所述吸力的操作将所述物体保持在所述MEMS元件上以执行物体的操控。所述物体的操控方法可以单独地或者结合地包括以下特征中的至少一个。
在操控物体的方法的示例性实施例中，所述方法进一步包括从所述电极结构移除电压以将所述MEMS元件置于关闭状态，由此所述柔性膜返回到初始位置以移除吸力。
在操控物体的方法的示例性实施例中，所述方法进一步包括向电极结构施加电压以将MEMS元件置于排斥状态，在所述排斥状态中所述柔性膜从所述弯曲位置或所述初始位置弯曲到相对于接通状态的相反弯曲位置，由此所述MEMS元件产生抵抗所述物体的排斥力以将所述物体从所述MEMS元件释放。
在操控物体的方法的示例性实施例中，所述脚进一步包括用于将所述MEMS元件粘附到所述物体上的粘合材料；当所述MEMS元件从所述接通状态置于关闭状态时，所述物体通过对所述粘合材料的操作被所述MEMS元件保持；以及将所述MEMS元件置于排斥状态以将所述物体从所述MEMS元件释放。
在操控物体的方法的示例性实施例中，执行所述物体的操控包括：利用吸力将所述物体从第一表面抬起；在所述吸力将物体保持在所述MEMS元件上的同时移动所述物体的位置；以及移除吸力并从所述MEMS元件释放物体，由此将物体放置在第二表面上。
尽管已经关于某个实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时可以想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(部件，组件，装置，组合物等)执行的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“方法”的引用)旨在对应，除非另有说明，对于执行所述元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同的)，即使在结构上不等同于在本发明的示例性实施例或实施例中执行该功能的所公开的结构。另外，虽然上面仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，其对于任何给定或特定应用可能是被期望的和有利的。
工业适用性
本发明可用于操控微型尺度物体。可以使这种微型操控适用的领域是微型电子设备的拾取和放置。可以使这种微操控适用的领域是微型尺度电子设备的拾取和放置。例如，使用MEMS吸引力的微型操控可用于协助印刷电路板(PCB)上小部件的组装。在另一个例子中，使用MEMS吸引力的微型操控可用于微发光二极管(μLED)从源基板到显示器或靶基板的转运。使用MEMS吸引力的微型操控也可以应用于生物学和化学中，用于例如细胞或少量化学物质的微小物体的微精确操控。

Claims (20)

1.一种微机电系统(MEMS)元件包括：
壳体结构；
附着于所述壳体结构的柔性膜；
电极结构，其中施加于所述电极结构的电压使所述柔性膜相对于壳体结构弯曲；
其特征在于，所述柔性膜和所述壳体结构定义了所述柔性膜可以在其中弯曲的空隙；以及
脚在远离所述壳体方向的方向上从所述柔性膜延伸，其中所述脚和所述柔性膜在所述柔性膜的与所述空隙相反的一侧上定义了间隙区域，且当所述MEMS元件与待操控的物体相互作用时所述脚使所述柔性膜和物体分离。
2.如权利要求1所述的MEMS元件，其特征在于，所述柔性膜被固定在所述壳体结构和所述脚之间的锚定部分。
3.如权利要求1-2中任意一项所述的MEMS元件，其特征在于，
所述电极结构包括位于所述壳体上的第一电极和与所述柔性膜相关联的第二电极；
所述壳体结构包括基板和从所述基板延伸的壳壁；
所述第一电极被沉积在所述基板上；以及
所述柔性膜附着在所述壳壁与所述基板相反的表面上。
4.如权利要求3所述的MEMS元件，其特征在于，所述基板和所述壳壁由不同的材料制成。
5.如权利要求3所述的MEMS元件，其特征在于，所述基板和所述壳壁包括相同材料的单件。
6.如权利要求3所述的MEMS元件，其特征在于，所述脚沿着所述柔性膜从所述壳壁向内延伸。
7.如权利要求1所述的MEMS元件，其特征在于，所述脚包括粘合材料。
8.如权利要求3所述的MEMS元件，其特征在于，当电压施加到所述电极结构上以产生在所述柔性膜和所述壳体结构的所述之间的吸引力时,所述柔性膜处于接通状态并在朝向所述壳体结构的所述基板的方向上弯曲；以及
当所述电压未施加到所述电极结构上时,所述柔性膜处于关闭状态,且所述柔性膜不会相对于初始位置弯曲。
9.如权利要求8所述的MEMS元件，其特征在于，当以使得所述柔性膜相对于所述壳体结构的所述基板电排斥的方式将电压施加到所述电极结构时，所述柔性膜处于排斥状态并且在远离所述壳体结构的所述基板的方向上弯曲。
10.如权利要求3所述的MEMS元件，其特征在于，进一步包括用于控制施加到所述电极结构的电压的驱动电路。
11.如权利要求10所述的MEMS元件，其特征在于，所述驱动电路包括至少一个晶体管。
12.如权利要求11所述的MEMS元件，其特征在于，所述至少一个晶体管包括电连接到位于所述壳体结构上的所述第一电极的第一p型晶体管和第一n型晶体管，以及电连接到与所述柔性膜相关联的所述第二电极的第二p型晶体管和第二n型晶体管。
13.如权利要求11-12中任意一项所述的MEMS元件，其特征在于，所述至少一个晶体管为TFT晶体管。
14.如权利要求10-12所述的MEMS元件，其特征在于，所述驱动电路进一步包括用于存储施加到所述电极结构的电压的至少一个记忆元件。
15.如权利要求14所述的MEMS元件，其特征在于，所述至少一个记忆元件包括存储施加到位于所述壳体结构上的所述第一电极的电压的第一电容器，以及存储施加到与所述柔性膜相关联的所述第二电极的电压的第二电容器。
16.一种使用微机电系统(MEMS)元件操控物体的方法，包括以下步骤：
提供一种MEMS元件，其包括：壳体结构；附着于所述壳体结构的柔性膜；电极结构，其中所述柔性膜和所述壳体结构定义了所述柔性膜可以在其中弯曲的空隙；以及脚在远离所述壳体方向的方向上从所述柔性膜延伸，其中所述脚和所述柔性膜在所述柔性膜与所述空隙相反的一侧上定义了间隙区域，且当所述MEMS元件放置在所述物体上时所述脚使所述柔性膜和物体分离；
将所述MEMS元件放置在待操控的物体上；
向所述电极结构施加电压以将所述MEMS元件置于接通状态，在所述接通状态中所述柔性膜相对于所述壳体结构从初始位置弯曲到弯曲位置，由此所述MEMS元件通过所述柔性膜的弯曲产生对物体的吸力；以及
通过对所述吸力的操作将所述物体保持在所述MEMS元件上以执行物体的操控。
17.如权利要求16所述的操控物体的方法，进一步包括从所述电极结构移除电压以将所述MEMS元件置于关闭状态，由此所述柔性膜返回到所述初始位置以移除吸力。
18.如权利要求16-17中任意一项所述的操控物体的方法，进一步包括向所述电极结构施加电压以将所述MEMS元件置于排斥状态，在所述排斥状态中所述柔性膜从所述弯曲位置或所述初始位置弯曲到相对于接通状态的相反的弯曲位置，由此所述MEMS元件产生抵抗所述物体的排斥力以将所述物体从所述MEMS元件释放。
19.如权利要求18所述的操控物体的方法，其中：
所述脚进一步包括用于将所述MEMS元件粘附到所述物体上的粘合材料；
当所述MEMS元件从所述接通状态置于所述关闭状态时，所述物体通过对所述粘合材料的操作被所述MEMS元件保持；以及
将所述MEMS元件置于所述排斥状态以将所述物体从所述MEMS元件释放。
20.如权利要求16所述的操控物体的方法，其中执行所述物体的操控包括：
利用吸力将所述物体从第一表面抬起；
在所述吸力将所述物体保持在所述MEMS元件上的同时移动所述物体的位置；以及
移除吸力并从所述MEMS元件释放所述物体，由此将所述物体放置在第二表面上。
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