CN1492569A - 一种位移连续可变的静电微型机电装置 - Google Patents

Abstract

一种位移连续可变的静电微机械装置，包括：具有第一电极的移动件；具有第二电极的相对表面；从该相对表面把移动件隔开的通道;在该通道内的液体，其中该液体具有足够大的介电常数，从而可对移动件在横跨至少通道一半的行程上的位移进行连续可变和稳定控制，该位移是在第一电极和第二电极之间施加电压的结果；以及在物理上位于第一电极和第二电极之间的至少一个固体电介质层。

Description

一种位移连续可变的静电微型机电装置

技术领域

本发明涉及一种静电微型机电装置，更具体地说，涉及带有需要在较大行程范围内连续变化和稳定位移的移动件的微型机电装置。

背景技术

许多不同类型的微型机电(MEMS)装置，如可变电容、机电光栅和镜子、喷墨打印头和各种传感器等依赖于在两个电极之间的静电力，从而产对移动件产生可控制的驱动。然而，大家都知道，因为静电力的非线性特点，对移动件位移的连续控制仅能在两个电极之间的一部分(约1/3)距离上实现。一旦位移超过这一部分，就会发生“拉入(pull-in)”或“拉开(pull-down)”，由此非线性静电力就会完全超过元件的机械回复力。

在静电MEMS装置中，已经用不同方法来产生连续变化的位移，同时避免拉开的不稳定性。最直接的办法是设计在两个电极之间具有足够间隔的装置，从而能够在达到不稳定点之前有足够的位移。这种方法已经由Silicon Light Machines公司在其模拟光栅光阀(GLV)中采用，这在Bloom等人的于2001年4月10日公开的第6,215,579号美国专利中描述过，其中该专利名称为“对形成二维图象的入射光束进行调制的方法和设备”。为了避免由于增加电极间隔而产生的较高工作电压，这些模拟GLV特别设计成具有较低的机械回复力。可选择的是，在机电光栅中使用更复杂的结构设计，以获得在较大行程范围上连续的驱动。该结构在以下文献中描述过：Hung等人于2001年12月11日公开的、名称为“精密静电驱动和定位”的第6,329,738号美国专利和E.S.Hung及S.D.Senturia在《微型机电系统》(Microelectromechanicalsystems)杂志第8卷第4号(1999)第497-505页的文章“扩大模拟调谐的静电驱动器的行程范围”。另外可选择的方法在Xu等人的于2002年3月26日公开的、名称为“用稳定的静电驱动来制造MEMS可变电容的方法”的第6,362.018号美国专利中描述过，由此固定串联的电容器加在可变电容器上，以增加可变电容的机电调谐性。最后一个方法的不足是需要的驱动电压明显增加。

近年来，一种叫机电保形光栅(conformal grating)的光学MEMS装置披露于Kowarz的于2001年10月23日公开的、名称为“带有保形光栅装置的空间光调制器”的第6,307,663号美国专利中，其中该光学MEMS装置包括通过周期序列的中间支撑件悬挂支撑在衬底上的带状元件。该机电保形光栅装置由静电驱动来操作，该静电驱动可使带状件与支撑衬底周围相符合，从而产生光栅。最近在第6,307,663号美国专利中的装置作为保形GEMS装置越来越为人们所熟知，其中的GEMS支持光栅机电系统。该保形GEMS装置提供具有高对比度、高效率和数字操作的高速光调制。然而，在需要光强度调幅的应用中，具有对带状件位移的连续控制的模拟操作是需要的。另外，前面提到的产生连续变化位移同时避免拉开不稳定的方法不适合于保形GEMS装置。

因此，就需要一种这样的静电微型机电装置，该装置具有连续可变位移，同时可避免上面提到的问题。

发明内容

根据本发明，通过提供具有连续可变位移的静电微机械装置可满足上述需要，其中该装置包括：具有第一电极的移动件；具有第二电极的相对表面；从该相对表面把移动件隔开的通道；在该通道内的液体，其中该液体具有足够大的介电常数，从而可对移动件在横跨至少通道一半的行程上的位移进行连续可变和稳定控制，该位移是在第一电极和第二电极之间施加电压的结果；以及在物理上位于第一电极和第二电极之间的至少一个固体电介质层。

附图说明

图1a为处于未驱动状态下的现有技术可拉伸带状件的剖面图；

图1b为处于未驱动状态下的三个并联可拉伸带状件的旋转剖面图(现有技术)；

图2a为处于局部驱动状态下的现有技术可拉伸带状件的剖面图；

图2b为处于完全驱动状态下的现有技术可拉伸带状件的剖面图；

图3a示出了对于不同驱动电压处于空气中的现有技术可拉伸带状件的轮廓；

图3b示出了对于不同驱动电压浸入在高介电常数液体中的可拉伸带状件的轮廓；

图4a为处于空气内的可拉伸带状件的中点偏移曲线图，该中点偏移曲线是所施加电压的函数，其展示出拉开和释放不稳定性的存在；

图4b为处于高介电常数液体中可拉伸带状件的中点偏移曲线图，该中点偏移曲线是所施加的电压函数，其展示出对拉开和释放不稳定性的抑制；

图5示出了以液体介电常数为函数的处于液体中可拉伸带状件的关键电压的曲线图；

图6为以直线排列的两个保形GEMS装置的切去局部的立体图；

图7为以直线排列的四个保形GEMS装置的俯视图；

图8a和8b分别为经过图7中8-8线的剖面图，示出了在未驱动状态和完全驱动状态下保形GEMS装置的操作；

图9a和9b分别为经过图7中9-9线的剖面图，示出了在未驱动状态和完全驱动状态下保形GEMS装置的操作；

图10示出了作为施加到保形GEMS装置上电压函数的反射光强的理论曲线图，其中将各种液体与空气进行比较；以及

图11示出了作为施加到保形GEMS装置上电压函数的反射光强的实验曲线图，其中将各种液体与空气进行比较。

具体实施方式

在最主要的实施例中，本发明增加了用在静电微型机电装置(MEMS)中多种移动件的可用行程范围。在该可用行程范围内，移动件的位移是连续变化并且是稳定的。虽然描述的本发明主要用于具有一个或更多可拉伸带状件的静电MEMS装置的特定情况，但对于本领域技术人员来说，很明显本发明也适合于带有其他微型机电的结构。这些移动件例如可包括单固定梁、双固定梁、膜或在扭转铰链上的刚性板。另外，多个移动件可用于形成各种更复杂的运动结构，如静电梳状驱动器或机电光栅。

图1a示出了典型可拉伸的带状件2a的剖面图，其中可拉伸的带状件2a为在MEMS装置中的移动件。在绝缘带状材料7中的拉伸应力使可拉伸带状件2a与相对表面即导电衬底9分开，通道4通常被抽空或充有如氮的惰性气体或稀有气体。为了使带状材料变形进入通道4，在第一电极6和作为第二电极的导电衬底9之间施加电压。在图1a和1b中，所施加电压为零。图1b示出了具有两个相邻元件2b和2c的相同可拉伸带状件2a的旋转剖面图。

图2a和2b示出了在电压加在第一电极6和导电衬底9之间时可拉伸带状件2a的剖面图。当施加电压比拉开电压V_PD略微低时，可拉伸带状件2a就如图2a所示悬置起来。一旦施加电压超过V_PD，非线性静电力即完全超过拉伸回复力。可拉伸带状件2a于是与第二电极9立即接触，形成图2b所示的轮廓。如上所述，对接近于V_PD的施加电压，不能产生可连续变化的轮廓。

在本发明中，通道4充满了具有高介电常数并可耐受强静电场的液体。通过对仔细挑选该液体，就能抑制拉开不稳定性，从而使可拉伸带状件2a能够在横跨整个通道4的行程范围内连续变化和进行稳定位移。

对液体，可通过考虑装置的有效静电厚度t来确定所需介电常数。考虑到填满液体的通道4的作用，在第一电极6和第二电极9之间的片层有效静电厚度t由下列公式给出：

t＝d_c+εt_ε

其中 $\mathrm{t\ϵ}=\underset{m}{\mathrm{\Σ}}\frac{t_m}{{\mathrm{\ϵ}}_m}$ 为固体电介质的总介电厚度；d_c为通道4的深度；而ε为液体的介电常数。在总电介质厚度t_ε中，对两个电极之间的所有固体电介质进行求和，其中以介电常数ε_m对每个固体电介质的厚度t_m进行换算。可以看出，如果通道d_c深度小于约0.388t，则可拉伸带状件2a可在横跨整个通道4的行程范围中进行稳定位移。为满足这一要求，液体的介电常数就要满足不等式

ε＞1.58d_c/t_ε                 (公式1)

满足公式1的液体抑制了拉开不稳定性，从而可在通道4的整个深度上连续变化和进行稳定位移。可用具有较低介电常数的液体来提高行程范围，该范围超过了通常在充气或排空通道情况下可能达到的范围。这种低介电常数液体仍然认为是在本发明的范围内。

图3a到5示出了采用液体来抑制可拉伸带状件的拉开不稳定性。在该实例中，通道深度d_c为150纳米，而总介电厚度t_ε为24纳米。根据公式1，具有大于9.8的介电常数的液体可得到横跨整个通道4的行程范围。图3a示出了充气通道的带状件轮廓的曲线图(ε＝1)，其中该轮廓为增加电压的函数。在拉开电压V_PD＝22.6V附近，带状件轮廓的变化是不连续和不稳定的。图3b示出了相同的装置，其中通道4充满了ε＝18的液体。此时在横跨整个通道4上行程范围上，仅需略为增加电压，就可得到连续变化的偏移和稳定的偏移。

图4a和4b将在充气情况下作为电压函数的带状件中点处偏移分别与图3a和3b的充液装置进行比较。对于充气装置(图4a)。当电压从零增加时，中点位移连续增加，直到电压达到22.6V的拉开电压。在这一点上，带状件撞到衬底内，而在电压上进一步增加，则使带状件轮廓变化如图3a所示。此时在带状件与衬底接触情况下，电压可降低到拉开电压以下，同时保持接触。在11.7V的释放电压V_RL上，拉伸应力超过了静电引力，带状件从衬底上释放出来。这种滞后曲线在静电MEMS装置中是公知的，并通常用于描述与静电驱动有关的不稳定性。如图4a所示，这种响应对于施加负电压也是一样的。

对于充液装置(ε＝18)，如图4b所示，中点位移是施加电压的平滑函数。不存在与临界的拉开和释放电压有关的不稳定性，同时滞后消失。

图5为两个临界电压V_PD和V_RL的曲线图，它们为液体介电常数的函数。当这两个电压相等时，即当此实例中ε＝9.8时，行程范围横跨通道4的整个深度。进一步增加介电常数可减小位移对电压的敏感性，从而提高控制位移的能力。

众所周知，如上面讨论的可拉伸带状件为基本的标准部件，可用于制作更复杂的MEMS装置。例如，大量并联的带状件可用于制造如保形GEMS装置或GLV的机电光栅。单个带状件可用于制造可变电容器和电容传感器。

图6到图9示出了在第6,307,663号美国专利中公开的保形机电光栅系统(GEMS)装置。图6示出了处于未驱动状态下的两个并排的保形GEMS装置5a和5b。该保形GEMS装置5a和5b形成在衬底10的顶部，其中衬底10为底部导电层12所覆盖，底部导电层12起到驱动装置5a、5b的电极作用。底部导电层12为介电保护层14覆盖，在介电保护层14上面是支座层16和衬垫层18。在衬垫层18的顶部，形成有带状层20，带状层20为反射和导电层22所覆盖。反射和导电层22提供了驱动保形GEMS装置5a和5b的电极。因此，反射和导电层22经图形处理(pattern)，成为两个保形GEMS装置5a和5b的电极。带状层20最好包含具有足够拉伸应力的材料，以提供较大的回复力。两个保形GEMS装置5a和5b中每个均分别具有相关的细长带状件23a和23b，其中细长带状件23a和23b由反射和导电层22和带状层20经图形处理形成。细长带状件23a和23b由衬垫层18所形成的端承24a和24b加以支撑，并由一个或更多中间支撑件27均匀隔开，从而构成宽度相等的通道。细长带状件23a和23b固定到端承24a和24b上，并固定到中间支撑件27上。由支座层16制成的多个支座29布置在通道25的底部。这些支座29减少了细长带状件23a和23b在受驱动时粘住的可能性。

图7中示出了保形GEMS装置5a、5b、5c和5d四装置直线阵列的俯视图。所示细长带状件23a、23b、23c和23d其中部分去掉了A-A线以下的上面部分，以便示出下面结构。为了具有最好的光学性能和最大对比度，中间支撑件27应优选完全地隐藏在细长带状件23a、23b、23c和23d下面。这样，当从上面看时，在保形GEMS装置5a-5d之间的沟槽28中看不到中间支撑件27。在这里，每个保形GEMS装置5a-5d具有三个中间支撑件27，而有四个等宽度的通道25。中间支撑件27的中心对中心间距Λ限定了保形GEMS装置在驱动状态下的间隔。细长带状件23a-23b彼此机械和电性隔离，使四个保形GEMS装置5a-5b可单独操作。图6中的底部导电层12可以为所有保形GEMS装置5a-5d共用。

图8a为沿图7中的线8-8的保形GEMS装置5a的两个通道25的侧视图，该装置处于未驱动状态下。图8b所示为驱动状态下的相同视图。为了操作该装置，通过在细长带状件23b的底部导电层12与反射和导电层22之间施加电压差来产生吸引性的静电力。在未驱动状态下(见图8a)没有电压差，细长带状件23b平直地悬于支撑件之间。在此状态下，入射光束30主要反射成0级光束32，如同简单的平面镜。为了达到驱动状态，将电压施加到保形GEMS装置5b，其使得细长带状件23b变形并产生间隔为Λ的部分保形的GEMS。图8b示出了在完全驱动状态下的装置5b(该装置在图6和图7中示出和描述过)，其中细长带状件23b与支座29接触。细长带状件23b底部和支座29顶部之间的高度差选择成约为入射光波长λ的1/4。最佳高度取决于驱动时装置的具体保形形状。在驱动状态下，入射光束30主要散射成+1级光束35a和-1级光束35b，而其它光散射成+2级光束36a和-2级光束36b。少量光散射成甚至更高级，同时有些光保持在0级。一般地，可根据应用情况收集各种光束中的一个或多个光束而由光学系统使用。当施加电压去掉后，如图8a所示，由于拉伸应力和弯曲产生的力使细长带状件23b回复到其原始未驱动状态。

图9a和9b分别示出了处于未驱动状态和驱动状态下保形GEMS装置5b沿图7中的线9-9的侧视图。导电反射带状件23b被端承24b和中间支撑件27(本图中未示)所悬置。如图9b所示，施加电压驱动该装置。

图10和11例示说明应用本发明以去除保形GEMS装置中在拉开和释放时的不稳定性。通过去除这些不稳定性，同时通过改变加在装置上的电压，就能以连续的方式控制散射或反射光强。通道25内充满可耐受强电场的透明液体。除了提供对光强的连续变化控制外，该液体增加了被驱动保形GEMS装置的有效光学深度，因此，减少了所需的带状件行程范围。例如，通过液体折射率n可减少行程范围，该范围在使0级光束32最小化或使散射最大化成为非零散射级时(1级35a、-1级35b、+2级36a、-2级36b或更高级)是需要的。特别是，对于成为1级35a、-1级35b的最大散射，需要的行程范围从在空气中约为λ/4减少到在液体中约为λ/4n。在实践中，由于许多液体的折射率接近1.4，从而所需行程减少了约30％。

参见图10，图中示出了保形GEMS装置5a对施加电压的理论上的响应，其中对空气和浸有的液体进行了比较。图10中的曲线表示0级反射光束的校正后强度，该曲线示出了对拉开不稳定性的抑制。在空气情况下ε＝1.0，在电压接近24V时发生拉开。在该拉开电压，归一化的反射强度从0.85显著且急剧地降到0.22。当电压为24V以上时，由于带状件与下面的支座接触，故电压的进一步增加仅在强度上产生较小的差值。对于具有较大介电常数的液体来说，在作为施加电压函数的反射强度上，期望平稳、更可控制地减少。实际上，对应于ε＝18.0和ε＝37.0的液体的曲线表明，理论上能取得对反射光强的连续可变化控制。如ε＝37.0的较大介电常数，降低了强度对电压的敏感性并因此而改善了可控制性。然而，较大的介电常数也提高了需要的电压。

参见图11，可以看出，浸于具有不同介电常数已知物质中的保形GEMS装置的实际响应非常符合以上图10所示的理论预期值。如所预期的，在约24V处，在具有1.0介电常数的空气中的装置展示出明显的带状件的拉开不稳定性。相反，当加有电压时，介电常数为18的异丙醇(Isopropyl Alcohol)提供了对带状件明显增强的控制。介电常数为37的乙二醇(Ethylene Glycol)进一步减少了对施加电压的敏感性。浸入在几种其它液体(未示于图11)中的保形GEMS装置的响应例如也体现在由Exxon Mobil制造的Isopar和甲醇。Isopar介电常数为2，其增加了行程范围，但未完全抑制拉开不稳定性。而因为有电化学反应发生，甲醇也会引发问题。

本发明的鲁棒实施方案要求对施加电压波形和液体均进行仔细选择。如在2000年11月7日公开的、Kowarz等人的名称为“根据数据流而驱动机电带状件的方法和系统”的第6,144,481号美国专利中披露的那样，双极电压波形减少了在机电带状件中的充电。另外，在2002年7月16日公开的、Gooray等人的名称为“电子驱动系统和方法”的第6,419,335号美国专利中，结合充液体静电MEMS装置使用的高频双极波形减少了电化学反应和液体的介质击穿。为了得到图11所示的结果，使用具有恒定RMS(均方根)值的4MHz双极电压波形来驱动保形GEMS装置。由于液体导致的粘性阻尼，带状件不响应高频而仅响应RMS值。因此，在光学响应中不显现高频成分。

以下简单列举本发明的若干方面：

所述静电微机械装置位移连续可变，其中移动件为可拉伸带状件。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中移动件为双支撑梁。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中移动件为单支撑梁。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中移动件为膜。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中移动件为板。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中相对表面为硅衬底。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中一个固体电介质层为氮化硅。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中一个固体电介质层为氧化硅。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中一个固体电介质层位于移动件上。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中一个固体电介质层位于该相对表面上。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中液体是透明的。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可反射的。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可反射的，并且其中该至少一个可反射移动件为微型镜。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可反射的，并且其中多个可反射移动件包括机电光栅。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可反射的，并且其中多个可反射移动件包括机电光栅，且其中该机电光栅为保形GEMS装置。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可反射的，并且其中多个可反射移动件包括机电光栅，且其中该机电光栅为光栅光阀。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中行程范围横跨整个通道。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中行程范围横跨整个通道，并且其中液体介电常数约大于1.5d_c/t_ε，d_c为至少一个移动件和相对表面之间的相隔距离，而t_ε为至少一个固体电介质层的总介质厚度。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中液体的介电常数大于2。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中行程范围横跨整个通道，其中液体的介电常数大于5。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中行程范围横跨整个通道，同时液体的介电常数在5和100之间。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中液体是乙醇(alcohol)。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中液体是乙二醇。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件是可拉伸带状件。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件为双支撑梁。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件为单支撑梁。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件为膜。

所述静电微机械装置位移连续可变，其中至少一个移动件为板。

制造上述位移连续可变的静电微机械装置的方法，其中以液体填充通道的步骤包括：选择该液体的介电常数约大于1.5d_c/t_ε，其中d_c为上述至少一个移动件和相对表面之间的相隔距离，而t_ε为上述至少一个固体电介质层的总介质厚度。

位移连续可变的静电微光机装置，其中至少一个移动件是可反射的，并且其中多个可反射移动件包括机电光栅，其中行程范围约等于λ/4n，n为液体折射率。

Claims (11)

1.一种位移连续可变的静电微机械装置，其包括：

a)具有第一电极的移动件；

b)具有第二电极的相对表面；

c)从该相对表面将该移动件隔开的通道；

d)在该通道内的液体，其中该液体具有足够高的介电常数，从而可对所述移动件在横跨所述通道至少一半的行程范围上的位移进行连续可变的和稳定的控制，该位移是在第一电极和第二电极之间施加电压的结果；以及

e)在物理上位于第一电极和第二电极之间的至少一个固体电介质层。

2.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述行程范围横跨整个所述通道。

3.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体的介电常数约大于1.5d_c/t_ε，其中d_c为所述移动件和所述相对表面之间的相隔距离，而t_ε为所述至少一个固体电介质层的总介质厚度。

4.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体的介电常数大于2。

5.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体的介电常数大于5。

6.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体的介电常数在5和100之间。

7.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体为乙醇。

8.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体是乙二醇。

9.根据权利要求1所述的静电微机械装置，其中所述液体除了在所述通道中外，还环绕所述静电微机械装置。

10.一种位移连续可变的静电微光电机械装置，其包括：

a)具有第一电极的至少一个移动件；

b)具有第二电极的相对表面；

c)从该相对表面将该至少一个移动件隔开的通道；

d)在该通道内的液体，其中该液体具有足够高的介电常数，从而可对所述移动件在横跨所述通道至少一半的行程范围上的位移进行连续可变的和稳定的控制；该位移是在第一电极和第二电极之间施加电压的结果，并且所述行程范围与入射光的波长λ成正比；以及

e)在物理上位于第一电极和第二电极之间的至少一个固体电介质层。

11.一种制造位移连续可变的静电微机械装置的方法，其包括以下步骤：

a)提供具有第一电极的移动件并通过通道将该移动件从具有第二电极的相对表面隔开，在第一电极和第二电极之间设置至少一个固体电介质层。

b)在所述通道内填充液体，其中该液体具有足够高的介电常数，使得能够对所述移动件在横跨所述通道至少一半的行程范围上的位移进行连续可变的和稳定的控制，该位移是在第一电极和第二电极之间施加电压的结果。

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