CN1316380A - 适合于机械利益的包括被驱动的弓形梁的微型机电致动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型机电致动器,包括衬底,在衬底上并包括驱动梁的致动器,以及和驱动梁相连的多个被驱动的弓形梁,被驱动的弓形梁包括端部,端部响应驱动梁沿衬底的运动而彼此相对运动以改变各个被驱动的弓形梁的弯曲程度,被驱动的弓形梁还包括各自的被致动元件,其位于所述端部之间的中间部分,各自的被致动元件和相关被驱动的弓形梁机械相连,以便和其一道运动,并和其余的被驱动的弓形梁解除连接,以便独立地运动。
Description
本发明涉及一种微型机电系统(MEMS),尤其涉及MEMS致动器。
研制出了微型机电系统,作为常规的机电装置例如继电器、致动器、阀门和检测器的替代物。由于使用微电子制造技术,MEMS装置成为一种低成本的装置。因为MEMS装置可以比常规的机电装置小得多,所以还可以提供新的功能。
MEMS技术的许多应用使用MEMS致动器。这些致动器可以使用一个或几个一端或两端被固定的梁。这些致动器可以使用静电、磁、热与/或其它形式的能量被致动。
在MEMS致动器中的一个主要的突破在本发明人的名称为“Thermal Arched Beam Microelectromechanical Actuators”的美国专利5909078中描述了,该专利的内容在此列为参考。其中所披露的是一类热控弓形梁微型机电致动器,其包括在微电子衬底上被分开的支撑之间延伸的弓形梁。所述弓形梁在受热时则膨胀。提供一个装置用于对弓形梁施加热量,从而使其由于热胀而进一步弯曲,借以引起弓形梁的位移。
出乎意料地,当作为微型机电致动器使用时,弓形梁的热膨胀可以产生相当大的位移和相当大的力,同时消耗合理的能量。可以使用连接器机械地连接多个弓形梁。还可以包括至少一个补偿弓形梁,其沿着和多个弓形梁相反的第二方向弯成弓形,并且也和连接器机械地连接。补偿弓形梁可以补偿环境温度或其它的影响,从而使得致动器和检测器能够进行自补偿。热控弓形梁可用于提供致动器、继电器、检测器、微型阀门和其它的MEMS装置。热控弓形梁微型机电装置和相关的制造方法在Dhuler等人的名称为“ThermalArched Beam Microelectromechanical Switching Array”的美国专利5955817,Dhuler等人的名称为“Microelectromechanical positioningApparatus”的美国专利5962949,Dhuler等人的名称为“ThermalArched Beam Microelectromechanical Devices and AssociatedFabrication Methods”的美国专利5994816,以及Dhuler等人的名称为“Thermal Arched Beam Microelectromechanical Structure”的美国专利6023121中描述了,这些专利的全文在此列为参考。
随着MEMS致动器继续发展和被用于更多的场合和环境中,需要使MEMS致动器的位移与/或力能够在一个宽的范围内被控制。不幸的是,由于MEMS致动器的尺寸,只能获得一个位移与/或力的有限的范围。
在IEEE MEMS’99 Proceedings,pp.31-36上由Que等人发表的名称为“Bent-Beam Electro-Thermal Actuators for High ForceApplications”披露了一种可以产生高达大约1毫牛顿的力的利用标准的微型检测器材料和方法制造的共面微型致动器。这种致动器借助于由被局部化的热应力产生的变形进行操作。还提出了一种能够提供4倍的位移的改进的串联装置。
尽管具有这些改进,但是仍然需要一种能够提供位移与/或力的宽的范围的MEMS致动器,以便满足多种应用。
按照本发明的实施例的微型机电致动器包括衬底,位于衬底上的被隔开一定距离的支撑,以及在所述被隔开一定距离的支撑之间延伸的并在受热时进一步弯曲,以便沿着衬底运动的热控弓形梁。多个被驱动的弓形梁和所述热控弓形梁相连。各个被驱动的弓形梁的端部彼此相对运动,以便响应热控弓形梁的进一步弯曲改变各个被驱动的弓形梁的弯成弓形的程度,从而使被驱动的弓形梁运动。各个被驱动的弓形梁还包括位于其两个端部之间的中间部分处的各个被致动元件,其中各个被致动元件和相关的被驱动的弓形梁机械连接,从而使它们一道运动,并和其余的被驱动的弓形梁机械断开,以便独立于这些弓形梁而运动。通过使被致动元件能够独立运动,可以提供多种致动器的应用,在这些应用中需要沿相同方向或不同方向致动多个元件。
例如,在第一实施例中,多个被驱动的弓形梁包括相互平行延伸的第一和第二被驱动的弓形梁,使得和所述第一和第二被驱动的弓形梁机械相连的被致动元件借助于热控弓形梁的进一步弯曲而沿相同的方向运动。在另一个实施例中,第一和第二弓形梁沿彼此分离的方向弯成弓形,使得和所述第一和第二被驱动的弓形梁机械相连的被致动元件借助于热控弓形梁的进一步弯曲而沿相反的方向运动。在另一个实施例中,第一和第二被驱动的弓形梁彼此相向弯成弓形,使得和所述第一和第二被驱动的弓形梁机械相连的被致动元件借助于热控弓形梁的进一步弯曲而沿相反的方向运动。
在其它的实施例中,借助于热控弓形梁的进一步弯曲使得各个端部被向一起挤压,借以增加被驱动的弓形梁的弯曲。在另一个的实施例中,借助于热控弓形梁的进一步弯曲使得各个端部被拉离,借以减少被驱动的弓形梁的弯曲。
在其它的实施例中,热控弓形梁包括在两个端部之间的中间部分,并且被驱动的弓形梁包括在其各个端部之间的中间部分。热控弓形梁的中间部分和被驱动的弓形梁的一个端部相连。在第一实施例中,第二热控弓形梁的中间部分和被驱动的弓形梁的另一个端部相连。形成一种H形的微型机电致动器,其中H的每个腿部包括热致动的弓形梁,H的交叉部件包括机械致动的被驱动的弓形梁。在第二实施例中,提供一个固定部分,用于把被驱动的弓形梁的另一个端部固定到衬底上。因而,只有被驱动的弓形梁的一个端部由热控弓形梁致动器驱动。这些实施例用于构成具有T形的微型机电致动器,其中T的交叉部件包括热致动的弓形梁,并且其中T的腿部包括机械致动的弓形梁。
在按照本发明的微型机电致动器的其它实施例中,热控弓形梁沿着第一方向在位于衬底上的被隔开一定距离的支撑之间延伸,并在受热时进一步弯曲,以便沿着衬底沿和第一方向垂直的第二方向运动。被驱动的弓形梁沿衬底沿第二方向延伸,并且仅借助于热控弓形梁的进一步弯曲沿第一方向改变被驱动的弓形梁的弯曲程度,以便沿衬底第一方向运动。
在其它的实施例中,在衬底上提供第二被隔开一定距离的支撑,并且提供第二热控弓形梁,其在第二被隔开一定距离的支撑之间延伸,并在受热时进一步弯曲,以便沿衬底运动。被驱动的弓形梁和第一、第二热控弓形梁连接,使得借助于第一和第二热控弓形梁进一步弯曲改变被驱动的弓形梁的弯曲程度。更具体地说,第一热控弓形梁的中间部分和各个被驱动的弓形梁的一个端部相连,第二热控弓形梁的中间部分和各个被驱动的弓形梁的另一个端部相连。
在其它实施例中,第一和第二热控弓形梁在在位于衬底上的各个第一、第二被隔开一定距离的支撑之间沿第一方向延伸,并在受热时进一步弯曲,以便沿衬底沿垂直于第一方向的第二方向运动。被驱动的弓形梁沿着衬底沿第二方向延伸,并借助于至少一个热控弓形梁的进一步弯曲沿第一方向改变被驱动的弓形梁的弯曲程度,以便沿衬底沿第一方向运动。在另一个实施例中,第一和第二热控弓形梁在位于衬底上的各个第一和第二被隔开一定距离的支撑之间沿第一方向延伸,并在受热时进一步弯曲,以便沿衬底沿和第一方向垂直的各自相反方向运动。被驱动的弓形梁沿衬底沿第二相反方向延伸,并且借助于热控弓形梁进一步弯曲沿第一方向改变被驱动的弓形梁的弯曲程度,以便沿衬底沿第一方向运动。
在本发明的另一个实施例中,通过使多个被驱动的弓形梁和其它的被驱动的弓形梁相连,从而提供串联的装置,可以提供附加的机械利益。在特定的实施例中,在衬底上提供第二热控弓形梁,其在第二被隔开一定距离的支撑之间延伸,并在受热时进一步弯曲,以便沿着衬底运动。第一被驱动的弓形梁和第一热控弓形梁相连,其中响应第一热控弓形梁的进一步弯曲第一被驱动的弓形梁的端部彼此相对运动,以便改变第一被驱动的弓形梁的弯曲程度,以便使第一被驱动的弓形梁沿衬底运动。第二被驱动的弓形梁和第二热控弓形梁相连,其中响应第二热控弓形梁的进一步弯曲第二被驱动的弓形梁的端部彼此相对运动,以便改变第二被驱动的弓形梁的弯曲程度,从而使第二被驱动的弓形梁沿衬底运动。多个被驱动的弓形梁和第一与第二被驱动的弓形梁相连。
在上述所有的实施例中,也可以使用除热控弓形梁致动器之外的致动器。所述致动器包括在被致动时沿着衬底运动的驱动梁。也可以使用多个致动器。
本发明的其它实施例使用至少一个被驱动的弓形梁,其和至少一个热控弓形梁连接并且沿不平行于衬底的方向弯成弓形。被驱动的弓形梁包括两个端部,所述端部响应热控弓形梁进一步弯曲而彼此相对运动,从而沿不平行于衬底的方向改变其弯曲程度,以便使被驱动的弓形梁朝向衬底或离开衬底而运动。如上所述,所述端部可以被向一起挤压或被拉离。在其它实施例中,被驱动的弓形梁沿垂直于衬底的方向弯成弓形,借助于热控弓形梁的进一步弯曲改变其沿垂直于衬底的方向的弯曲程度,以便沿垂直于衬底的方向运动。借以提供异面的致动器。其它的实施例可以提供H形致动器,T形致动器,串联的致动器与/或多个被驱动的弓形梁,它们沿不平行于衬底的方向弯成弓形。在所有的这些实施例中,也可以使用除热控弓形梁致动器之外的致动器,这些致动器包括致动时平行于衬底而运动的驱动梁。
在按照本发明的其它实施例中,热控弓形梁的中间部分和被驱动的弓形梁的中间部分相连。在衬底上还提供第一和第二固定的支撑,使得被驱动的弓形梁的端部对着各个固定的支撑被驱动,并且响应热控弓形梁的进一步弯曲而沿着固定支撑滑动。借以提供在较高的力下的减少的位移。
在所有上述的实施例中,所提及的单个梁也应当包括多个梁。此外,在所有的上述的实施例中,所述微型机电致动器可以和继电器触点、光学衰减器、可变电路元件、阀门、断路器与/或其它被致动的元件相结合。例如,热控弓形梁在微型机电致动器所在的环境中的环境温度下受热时可以进一步弯曲,借以提供一种恒温器。也可以提供可变的光学衰减器的实施例,其中被致动元件响应一个或几个热控弓形梁的致动,选择地衰减在沿着衬底设置的或者通过衬底设置的光纤之间的光辐射。在所有的上述实施例中,也可以在衬底上在至少一个被驱动的弓形梁的下方提供沟槽,用于减少在至少一个被驱动的弓形梁和衬底之间的静摩擦。
图1A-9B和11A-11B是按照本发明的适合于机械利益的包括被驱动的弓形梁的微型机电致动器的可替换实施例的顶视图;
图10A-10C是沿线10-10’取的图9A的微型机电致动器的可替换
实施例的截面图。
下面参照附图更详细地说明本发明,在所述附图中示出了本发明的优选实施例。不过,本发明可以以许多不同的形式实施,因而不应当限制于这些实施例,本领域的技术人员应当理解,提供这些实施例是为了更完整地覆盖本发明的范围。在附图中,为清楚起见,层和区域的厚度被扩大了。在所有附图中,相同的标号表示相同的元件。应当理解,当提及元件例如层、区域或衬底“被置于另一个元件上”、“和另一个元件连接”、或者“被耦连于另一个元件”时,其可以直接地被置于另一个元件上、和另一个元件直接相连或直接被耦连于另一个元件,或可以具有介入元件。与此相对,当提及元件“被直接置于另一个元件上”、“直接和另一个元件连接”、或者“直接被耦连于另一个元件”时,则没有介入元件。
下面详细说明的许多实施例使用热控弓形梁(TAB)致动器。TAB致动器的设计和操作在上述的美国专利5909078,5962949,5994816,5995817以及6023121中描述了,这些专利在此全文列为参考。因而此处不必详细说明。不过,本领域技术人员应当理解,TAB可以通过内部加热器与/或和TAB与/或衬底相连的外部加热器被加热。此外,一个或几个TAB梁可被连接在一起,并可以由一对或几对支撑支撑。因而,所有提及的TAB致动器的致动应当包括任何热致动技术,所有提及的热控弓形梁应当包括一个或几个热控弓形梁,并且所有提及的支撑应当包括用于支撑一个或几个热控弓形梁的一个或几个支撑。
最后,在附图中,固定的支撑或固定部分由斜的影线表示,而可动的结构由黑实体表示。对于相当小的位移,使用细箭头表示相对位移范围,而对于相当大的位移,则用粗箭头表示。还应当理解,微型机电致动器这些实施例被集成在下面的衬底上,最好是微电子衬底,例如半导体硅衬底。
现在参看图1A,其中示出了按照本发明的微型机电致动器的实施例。这些微型机电致动器可以被称为“H-TAB”致动器,这是因为其具有H形的本体并使用热控弓形梁。如图1A所示,H形的本体包括一对相对的腿部,所述每个腿部包括一个或几个热控弓形梁110和120,以及交叉部件,其包括多个独立运动的机械致动的弓形梁150a,150b。
更具体地说,参见图1A,微型机电致动器的这些实施例包括衬底100,在衬底100上的被隔开一定距离的第一对支撑130a,130b,在所述支撑之间延伸的并且受热时进一步弯曲以沿位移箭头180a所示的方向沿衬底第一方向运动的至少一个第一热控弓形梁110。提供有被隔开一定距离的第二对支撑140a,140b,和在第二对支撑之间延伸的至少一个第二热控弓形梁120,其在受热时沿位移箭头180b表示的和第一方向相反的第二方向进一步弯曲,以便沿着衬底100运动。多个被驱动的弓形梁,(此处为两个被驱动的弓形梁150a,150b)和第一、第二热控弓形梁110,120相连。具体地说,被驱动的弓形梁150a和150b的各个端部例如利用各自的连接器160a,160b和各个热控弓形梁110,120的各自的中间部分相连。各个被驱动的弓形梁150a,150b还包括位于端部之间的中间部分处的各个致动元件170a,170b。各个致动元件170a,170b分别和相关的被驱动的弓形梁150a,150b机械相连,以便使它们运动。各个致动元件170a,170b和其余的被驱动的弓形梁机械地断开,以便使其独立地运动。
因而,如图1A所示,在对热控弓形梁110和120中的任何一个或者两个加热时,被驱动的弓形梁150a,150b的端部被挤压而靠拢,借以使被驱动的弓形梁被进一步弯曲。在分别由位移箭头180a与/或180b表示的第一或第二相反方向的相对小量的位移可以引起被致动的元件170a,170b沿由各个位移箭头190a,190b指示的第三相反方向的相当大的运动,所述运动垂直于由位移箭头180a,180b表示的第一或第二方向。从而可以获得机械利益,并且可以提供宽的位移范围。
如图1A所示,可以在衬底100内在至少一个被驱动的弓形梁150a,150b下方选择地提供沟槽105。所述沟槽可以减少在至少一个被驱动的弓形梁和衬底之间的静摩擦。在热控弓形梁180a与/或180b的下方也可以提供沟槽,用于减少静摩擦与/或用于热隔离。可选择的沟槽105也可以如图16所示。虽然所述沟槽也可以被包括在下面将要说明的其它的实施例中,但是为了使附图简化,所述沟槽在图中未被示出。
仍然参看图1A,在H-TAB几何结构中,两边的TAB致动器110和120取向为使得它们被彼此相向地致动,在受热时可以提供用于挤压中央弓形梁150的足够的力,并使和中央梁相连的被致动元件170发生大的偏移。因而,该装置可作为一种用于改变机械利益的机构。具体地说,侧致动器110/120的相对大的力和相对小的位移的致动被转换成中央梁150中的相对小的力和相对大的位移的致动。在这种致动器的基于硅的实施例中,通过施加小于0.5W的功率可以实现100微米的位移。
图1B说明其中只在各个被驱动的弓形梁的一个端部被热控弓形梁驱动的其它实施例。因而,提供一种T-TAB的几何结构,其中T形本体的腿部包括多个机械致动的弓形梁150a,150b,T形本体的交叉部件包括至少一个热控弓形梁110。更具体地说,热控弓形梁110在衬底100上在被隔开一定距离的支撑130a,130b之间延伸,以便在被热致动时沿着位移箭头180a所示的方向运动。热控弓形梁110的中间部分例如通过使用连接器160a和被驱动的弓形梁150a,150b的一端部相连。被驱动的弓形梁150a,150b的其它端被至少一个固定部分140固定。多个被驱动的弓形梁150a,150b分别包括被致动元件170a,170b。如图所示,在热控弓形梁110的中间部分沿箭头180a所示的位移方向运动时,被致动元件170a,170b分别沿箭头190a,190b所示的位移方向运动。因而可以获得由位移箭头190a,190b所示的机械利益。
图1B所示的实施例可以认为是一种单侧型的图1A所示的H-TAB致动器,可以叫做T-TAB致动器。所述T-TAB的操作和H-TAB类似,不过可以具有不同的功率/位移特性。该装置和图1A的H-TAB相比,具有较小的基底面(footprint)。图1A和图1B的应用可以使和各个被驱动梁150a、150b相连的两个被致动元件170a,170b彼此相向地运动,并且彼此接触,从而形成一个开关。还可以设计出许多其它的应用。
图2A说明微型机电致动器的另一个实施例,其中第一和第二被驱动的弓形梁250a,250b响应在衬底200上的在被隔开一定距离的支撑230a,230b,和240a,240b之间延伸的第一和第二热控弓形梁210和220的致动,沿相反方向290a,290b彼此相背地进一步弯成弓形,从而使被致动元件270a,270b被致动而沿彼此相背的方向运动。热控弓形梁210和220沿位移箭头280a,280b所示的位移方向彼此相向地运动。
图2B示出了一个类似的实施例,其中使用至少一个热控弓形梁210和被驱动的弓形梁250a,250b的一端相连。被驱动的弓形梁250a,250b的另一端被固定的固定部分240固定。
图3A说明另一个实施例,其中第一和第二被驱动的弓形梁350a,350b在第一热控弓形梁310和第二热控弓形梁320之间相互平行延伸,所述热控弓形梁在衬底300上的被隔开一定距离的支撑对330a,330b和340a,340b之间延伸。因而,响应第一和第二热控弓形梁310和320的沿由位移箭头380a,380b所示的第一和第二相反方向的致动,第一和第二被驱动的弓形梁沿由位移箭头390a,390b所示的相同的方向运动。当被驱动的弓形梁具有相同的尺寸和运动范围时,被致动元件370a,370b相对于衬底运动,而彼此不发生相对运动。图3A的实施例可用作并联的触点,例如在微型继电器中的并联的电流焊盘(pads),或用于其它场合。可以设计许多其它的应用。在光学快门与/或电继电器技术中,多个被致动元件可以具有许多应用。
图3B说明和图3A类似的实施例,其区别仅在于第一和第二被驱动的弓形梁350a,350b只在一端被驱动,而在另一端由固定的固定部分340保持固定。
参见图4A,其中示出了按照本发明的其它的实施例。图4A可以和图1A-3A对照,因为其中的被驱动的弓形梁的端部由于热控弓形梁的被进一步弯曲而被拉离,借以减少被驱动的弓形梁的弯度。具体地说,如图4A所示,第一和第二热控弓形梁410、420分别沿位移箭头480a,480b所示的相反的方向弯成弓形,并在第一和第二对在衬底400上被隔开一定距离的支撑430a,430b,以及440a,440b之间延伸。因而,热控弓形梁410和420的致动使热控弓形梁沿位移箭头480a,480b所示的相反的方向进一步弯成弓形,使得相互远离。这使得被驱动梁450a,450b的弯度减小,因而使被致动元件470a,470b沿位移箭头490a,490b所示的方向位移。
应当理解,图4A说明的实施例中两个被驱动的弓形梁450a,450b以类似于图3A的方式彼此平行地延伸。不过,被驱动的弓形梁也可以以类似于图1A的方式彼此相向地弯成弓形,或者以类似于图2A的方式彼此相背地弯成弓形。
图4B说明一种类似的T-TAB致动器,其区别在于,被驱动的弓形梁450a,450b在一端被驱动,并在另一端由固定部分440固定。应当理解,和图4A类似,也可以提供和图1B-3B类似的被驱动的弓形梁的实施例。
图5示出了本发明的致动器的另一个实施例,其中设置两侧TAB致动器使其沿同一方向致动。因而,至少一个第一热控弓形梁510在位于衬底500上的被隔开一定距离的支撑530a,530b之间延伸,在受热时则沿图5左侧所示的第一方向580a进一步弯成弓形。至少一个第二热控弓形梁520在位于衬底500上的被隔开一定距离的支撑540a,540b之间延伸,并沿图位移箭头580b所示的第一方向,即向图5的左侧进一步弯成弓形。第一和第二被驱动的弓形梁550a,550b在第一和第二热控弓形梁510和520之间延伸。如图5所示,被驱动的弓形梁可以由单个被致动元件570连接在一起。
图5的实施例可以具有许多应用。例如,第一(左侧)热控弓形梁510可以被单独地使用,从而沿在图5中向下的位移箭头590b所示的方向致动被驱动的弓形梁。此外,第二(右则)热控弓形梁520可以被单独地使用,用于沿和方向590b相反方向的位移方向590a,图5所示是向上的方向,致动第一和第二被驱动的弓形梁。因而,可以提供双向致动器。利用这样的事实也可以开发其它的应用,即,当第一和第二热控弓形梁510和520都被致动时,中央的梁沿方向590a,590b没有大的致动(虽然沿方向580a可能有些移动)。这表现为一种“异或”型的逻辑行为,其中被致动元件570只有在被第一热控弓形梁510或第二热控弓形梁520致动时才沿致动方向运动,而当两个热控弓形梁都被致动时则不产生运动。借以可以提供一种基于弓形梁阵列构成的机电逻辑门技术。这种逻辑机构可以比传统的电子逻辑电路具有许多优点。应当理解,在图1A,2A,3A和4A的实施例中,可以只驱动一个热控弓形梁,或者也可以同时驱动另一个热控弓形梁。
图5的另一个实施例可以提供彼此不相连的第一和第二被驱动的弓形梁550a,550b,它们彼此相向地延伸或彼此相背地延伸,如前面的实施例所述。被驱动的弓形梁的这些结构可以提供更复杂的逻辑功能或其它应用。
图6A和6B说明另一个实施例,其中第一和第二被隔开一定距离的热控弓形梁致动器的被驱动弓形梁本身通过其它被驱动的弓形梁连接在一起。这种串联的结构可以用于获得极大的位移,或者用于获得其它改进的性能,例如使用较低的功率。
具体地说,参看图6A,第一被驱动的弓形梁650在其端部被第一和第二热控弓形梁610和620驱动,所述热控弓形梁在位于衬底600上的被隔开一定距离的支撑630a,630b,以及640a,640b之间延伸。第一和第二热控弓形梁610和620沿位移箭头680a,680b所示的方向弯成弓形,因而挤压被驱动的弓形梁650a,650b的端部,使被致动元件675a,675b沿位移箭头690a,690b所示的方向产生位移。提供这种结构的镜像,其中包括第三和第四热控弓形梁610’和620’以及第二被驱动的弓形梁650’,其具有有加撇的标记表示的相应的元件。至少一个第三被驱动的弓形梁675被连接在第一和第二被驱动的弓形梁650和650’之间。更具体地说,第三被驱动的弓形梁675的端部被连接在第一、第二热控弓形梁650,650’的中间部分之间。在第一、第二、第三和第四热控弓形梁610,620,610’和620’被致动时,第三被驱动的弓形梁650a,650b的端部由第一和第二被驱动的弓形梁650和650’提供的位移放大而受到大的挤压,借以沿箭头695所示的方向提供触点670的大的位移。应当理解,图6A的每个致动器可以使用前面所述的任何一个实施例来实施,第三被驱动的弓形梁675a,675b也可以使用前面所述的任何一个实施例来实施。还应当理解,并不是所有的热控弓形梁610,620,610’和620’都需要同时致动。
图6B和图6A类似,其区别在于,其中第三被驱动的弓形梁只在一端由H-TAB致动器驱动。第三被驱动的弓形梁675的另一端由固定部分640固定。
图7A说明可被用于构成可变光学衰减器(VOA)与/或光学开关(双态光学衰减器)的本发明的实施例。图7A说明一种H-TABVOA,其包括至少一个在位于衬底700上的第一被隔开一定距离的支撑730a,730b之间的第一热控弓形梁710,以及至少一个在位于衬底700上的第二被隔开一定距离的支撑740a,740b之间的第二热控弓形梁720。至少一个被驱动的弓形梁750例如使用连接器760a,760b被连接在第一和第二热控弓形梁710和720之间。当第一和第二热控弓形梁710和720如位移箭头780a,780b所示彼此相向移动时,至少一个被驱动的弓形梁750沿方向790运动。
在图7A中,所示的两个热控弓形梁750由连接器770连接在一起。操作杆775连接到连接器770。应当理解,操作杆775和连接器770可以构成一个整体结构。操作杆775的取向被这样设置,使得其选择地盖住通过衬底700的光纤778的一端部,例如相对于衬底面呈一个垂直的或倾斜的角度。当沿方向790位移时,便可以提供可变的或者双态的通过光纤778的光辐射的光学衰减。因而,可以提供具有高的精度的,低的功率与/或小的基底面的VOA。还应当理解,操作杆775和连接器770可被这样构成,使得在沿和方向790相反的方向位移时可以提供衰减。
图7B说明一种类似的T-TAB VOA实施例,其中使用固定的支撑740而不使用第二热控弓形梁。
图8A和8B分别说明H-TAB VOA和T-TAB VOA的其它实施例。在这些实施例中,光纤878a,878b的两端沿着衬底800延伸,集成的操作杆/连接器770选择地衰减在光纤端部878a,878b之间通过的光辐射。还应当理解,此处所述的所有其它实施例可用于提供用于一个或几个光纤的VOA。
现在参看图9A,9B,其中示出了按照本发明的H-TAB和T-TAB致动器的其它实施例。和以前的实施例相比,这些致动器可以提供“异面”致动,其中被驱动的梁沿着和衬底不平行的方向弯成弓形。被驱动的梁包括彼此相对运动的端部,使得被驱动的梁响应热控弓形梁被进一步弯成弓形而沿着不平行于衬底的方向弯成弓形,以便使被驱动的梁向着或离开衬底的方向运动。
更具体地说,如图9A所示,第一和第二热控弓形梁910,920被包括在衬底900上,并被隔开一定距离的第一和第二对支撑930a,930b,以及940a,940b支撑着,以便沿位移箭头980a,980b所示的位移方向致动。被驱动的梁例如被驱动的弓形梁950例如通过连接器960a,960b和第一、第二热控弓形梁910,920相连。如图9A所示,当从上方看时,被驱动的梁950最好比热控弓形梁910,920宽,使得不会沿着衬底弯成弓形。此外,如下所述,被驱动的梁950最好具有薄的截面,从而有利于在衬底的平面之外弯成弓形,如位移指示符990所示。图9B说明一种类似的T-TAB结构,其中使用固定的支撑940,而不使用第二热控弓形梁920。
图10A-10C是沿线10-10’的图9A的截面图,用于说明被驱动的梁950在衬底900的平面之外弯成弓形的状态。
参见图10A,衬底900包括可选择的沟槽905,其可以减少静摩擦,并且可以为异面的弓形梁950提供间隙。由图10A可见,被驱动的弓形梁950相对于热控弓形梁910,920具有薄的截面,使得沿着所示的位移方向990发生位移。
图10A说明通过连续的被驱动的梁950可以提供的弓形。与此相对,图10B说明通过有台阶的弓形梁提供的弓形,所述有台阶的弓形梁包括一对端部部分950a,950b和与端部部分950a,950b偏移的中央部分950c。如果中央部分950c在端部部分950a,950b的下方偏移,则可以提供朝向衬底900的弓形。
图10C说明另一个实施例,其中连接器960和直梁950’的组合,通过使直梁偏置以便沿所示的位移方向990弯成弓形,可以提供一种弓形梁的等同物。
还应当理解,可以提供多个被驱动的弓形梁950,所述弓形沿着和结合图1-6所述的方向相同或相反的方向弯曲。此外,还可以提供类似于图7和图8所示的异面可变光学衰减器。最后,还应当说明,虽然所示的弓形垂直于衬底,但是,所述弓形也可以相对于衬底倾斜一个任意的角度。
图11A说明按照本发明的微型机电致动器的其它的实施例。在这些实施例中,TAB致动器的相对大的位移和相对小的力被转换为至少一个被驱动的弓形梁中的相对大的力和相对小的位移。因而,和图1-10相比,被驱动的弓形梁的机械利益可以是相反的。
更具体地说,参看图11A,至少一个热控弓形梁1110在位于衬底1100上的隔开一定距离的支撑1130a,1130b之间延伸。热控弓形梁1110的致动使其中间部分沿位移箭头1180所示的第一方向运动。热控弓形梁1110例如通过连接器1160和被驱动的弓形梁1150的中间部分相连。因而,在致动时,被驱动的弓形梁1150的端部对着一对固定的支撑1192a,1192b被驱动,因而沿着固定的支撑1192a,1192b沿位移箭头1190a,1190b所示的方向滑动。
图11A的微型机电致动器可以作为“短路杆”微型继电器来实施。在这种应用中,热控弓形梁1110被用于把位于被驱动的弓形梁1150的端部的触点1170a,1170b和一对定触点1192a,1192b接触,在信号焊盘1194a,1194b上对所述定触点加有信号。在被驱动的弓形梁1350的端部的触点1170a,1170b对着刚性触点1192a,1192b被驱动,然后沿着各自的方向1190a,1190b沿刚性触点1192a,1192b滑动。因而热控弓形梁1110的相对大的位移可以被转换为在触点1170a,1170b和定触点1192a,1192b之间的两个接触点上的相对大的力。机械止动件1196可以用于阻止被驱动的弓形梁被扣住。
图11B说明另一个实施例,其中热控弓形梁1110的进一步弯曲使被驱动的弓形梁1150的两端沿方向1190a’,1190b’彼此相向地运动。相同的元件由加撇的标记表示。还可以设想许多其它导出实施例。
按照本发明的微型机电致动器的实施例具有许多用途。可以设想用于光学应用中,例如利用H-TAB致动器驱动可变光学衰减器与/或光学交叉连接开关装置。可以用于电气与/或射频应用,例如使用H-TAB致动器驱动微型继电器或者用于提供可变电容与/或可变电感。可以提供恒温器,其中热控弓形梁在利用微型机电致动器所在环境的环境温度的环境热量受热时进一步弯成弓形。还有许多其它的应用,例如使用这些致动器阵列用于微流量控制或微气压控制。因而,一个或几个被驱动的弓形梁可以和其它元件相连,例如继电器触点,光学衰减器,可变电路元件例如电阻器和电容器,阀门和电路断路器。还可以提供许多其它的结构和应用,其中使用串联的热控的和机械的弓形梁,以便改变机械利益。
在附图和说明书中,已经说明了本发明的特定的实施例,并且,虽然使用了特定的术语,但是它们只具有一般性的说明的意义,并不用于限制本发明,本发明的范围只由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.一种微型机电致动器包括:
衬底(100);
在所述衬底上的致动器,其包括在所述致动器致动时沿着衬底运动的驱动梁(110);其特征在于
和驱动梁相连的多个被驱动的弓形梁(150),各个被驱动的弓形梁包括端部,所述端部响应驱动梁沿衬底的运动而彼此相对运动,从而改变各个被驱动的弓形梁的弯曲程度,各个被驱动的弓形梁还包括各自的被致动元件(170),其位于所述端部之间的中间部分,其中各自的被致动元件和相关被驱动的弓形梁机械相连,以便和其一道运动,并且和其余的被驱动的弓形梁解除连接,以便独立于这些其余的弓形梁而运动。
2.如权利要求1所述的微型机电致动器,其特征在于,所述多个被驱动的弓形梁包括第一和第二被驱动的弓形梁(350a,350b),它们相互平行地延伸,使得和第一、第二被驱动的弓形梁机械相连的被致动元件(370a,370b)借助于驱动梁的运动沿相同的方向(390a,390b)运动。
3.如权利要求1所述的微型机电致动器,其特征在于,所述多个被驱动的弓形梁包括第一和第二被驱动的弓形梁(250a,250b),它们沿相互离开的的方向弯成弓形,使得和第一、第二被驱动的弓形梁相连的被致动元件(270a,270b)借助于驱动梁的运动沿相反的方向(290a,290b)运动。
4.如权利要求1所述的微型机电致动器,其特征在于,所述多个被驱动的弓形梁包括第一和第二被驱动的弓形梁(150a,150b),它们沿相互相向的的方向弯成弓形,使得和第一、第二被驱动的弓形梁机械相连的被致动元件(170a,170b)借助于驱动梁的运动沿相反的方向(190a,190b)运动。
5.如权利要求1,2,3或4所述的微型机电致动器,其特征在于,在衬底中在至少一个所述多个被驱动的弓形梁的下方设置有沟槽(105),用于减少在所述多个被驱动的弓形梁中的至少一个和衬底之间的静摩擦。
6.如权利要求1,2,3或4所述的微型机电致动器,其特征在于,至少一个被驱动的弓形梁沿着不平行于衬底的方向弯成弓形。
7.一种微型机电致动器包括:
衬底(1100);以及
在所述衬底上的致动器,其包括在所述致动器致动时沿着衬底运动的驱动梁(1110);其特征在于
还包括被驱动的弓形梁(1150),所述被驱动的弓形梁包括在其端部之间的中间部分,所述中间部分和驱动梁相连,所述被驱动的弓形梁的端部响应驱动梁沿衬底的运动而彼此相对运动,从而改变被驱动的弓形梁的弯曲程度。
8.如权利要求7所述的微型机电致动器,其特征在于,在衬底上具有第一和第二固定的支撑(1192a,1192b),并且其中被驱动的弓形梁的端部响应驱动梁的运动对着各个固定的支撑被驱动,因而沿着所述固定支撑滑动。
9.一种微型机电致动器包括:
衬底(700);以及
在所述衬底上的致动器,其包括在所述致动器致动时沿着衬底运动的驱动梁(710);其特征在于
还包括连接到驱动梁的被驱动的弓形梁(750),所述被驱动的弓形梁包括端部,所述端部响应驱动梁的运动而彼此相对运动,从而使被驱动的梁弯成弓形并沿衬底运动;以及
光学衰减器(775),其和被驱动梁相连,并被设置响应被驱动梁沿衬底的运动而在衬底上的光路(778)中运动,使得所述光学衰减器挡住在光路中的至少一部分光辐射。
10.如权利要求9所述的微型机电致动器,其中所述致动器是第一致动器,并且其中驱动梁是第一驱动梁,所述微型机电致动器的特征在于:
在衬底上的第二致动器,其包括在第二致动器致动时沿衬底运动的第二驱动梁;
第二被驱动梁,其和第二驱动梁相连,并且在第二致动器致动时沿衬底运动;以及
第三被驱动梁,其和第一、第二被驱动梁相连,所述第三被驱动梁包括端部,所述端部响应第一和第二被驱动梁的运动而彼此相对运动,从而改变第三被驱动梁的弯曲程度;
其中光学衰减器和第三被驱动梁相连,并被设置为用于响应第三被驱动梁沿衬底的运动而在衬底上的光路中运动。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JDS YOUNIFEITH COMPANY Free format text: FORMER OWNER: KRONOS INTEGRATED MICROSYSTEMS CORP. Effective date: 20011011 |
|
C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20011011 Address after: American California Applicant after: JDS Uniphase Corp. Address before: North Carolina Applicant before: Cronos Integrated Microsystems, Inc. |
|
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |