JP2008517324A - 微小電気機械素子のための電荷制御回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、可変キャパシタンスに基づいて撓み距離だけ隔離された第１のプレート及び第２のプレートを有する、静電気的に制御される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子（２６）と、ある電荷量を蓄積するよう構成された電荷蓄積素子（２２）と、スイッチ回路（１８）とを備える、微小電気機械システム（１０）を提供する。前記電荷蓄積素子と前記ＭＥＭＳ素子との間で前記電荷量を分配して、該電荷蓄積素子と該ＭＥＭＳ素子とを同じ電圧に均等化することによって、ＭＥＭＳ素子の可変キャパシタンスを制御するよう前記スイッチ回路が構成される。

Description

［発明の分野］
本発明は、微小電気機械素子の分野に関し、特に、微小電気機械素子のための電荷制御回路に関する。

［発明の背景］
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、薄膜技術を用いて開発され、電気的な構成要素と微小機械的な構成要素との両方を備えたシステムである。ＭＥＭＳ素子は、光学ディスプレイシステム、圧力センサ、流量センサ、及び電荷制御アクチュエータのような様々な用途において使用されている。ＭＥＭＳ素子は、静電力（静電気力）か又は静電エネルギーを用いて、電荷を蓄えることが可能な微小機械電極を移動させるか、又は該電極の動きを監視する。静電力と機械的な復元力とを平衡させることにより、前記電極間の間隙のサイズが制御される。ディジタルＭＥＭＳ素子は２つの間隙距離を利用するが、アナログＭＥＭＳ素子は多数の間隙距離を利用する。

ＭＥＭＳ素子は、様々な手法を利用して開発されてきた。１つの手法において、電極上に変形可能な可撓性の膜が配置され、該膜が、該電極に対して静電気的に引き寄せられる。他の手法において、上部導電層を形成するシリコン又はアルミニウムのフラップ又はビームを使用する。光学的な用途では、該導電層が反射性を有し、静電力を用いて変形されて、該導電層上に入射する光が拡散（散乱）させられる。

これらの手法は、静電気的な不安定さの影響を受け、その結果、動作範囲が大幅に低減される。間隙距離を制御するために、電極を制御する電圧が増加させられる時に、前記不安定さが生じる。前記電極は、可変コンデンサを形成するので、間隙距離が低減されることに起因して、そのキャパシタンスが増加させられる時には、電荷暴走（charge runaway）が生じる結果となる。該キャパシタンスが増加させられると、前記コンデンサ上に益々多くの電荷が引き寄せられ、電荷暴走が生じる結果となる。前記コンデンサ上に蓄積される電荷量は制御されないので、電極の動きの制御は、全間隙距離の約１／３だけしか可能ではない。何故ならば、この範囲の外側では、電極が機械的なストッパに「瞬時に突き当たってしまう（snap down）」ためである。従って、電極電圧と電極変位との間には、広範囲な間隙距離にわたって非線形な関係が存在する。このように、全間隙距離の約１／３を越えた間隙距離が、制御不能であることは、ＭＥＭＳ素子の有用性を制限する。例えば、光学ディスプレイシステムでは、干渉か又は回折をベースにした光変調器ＭＥＭＳ素子は、好ましくは、光学ＭＥＭＳ素子によって散乱させられた可視光をより広範な光学範囲にわたって制御するために、広範囲に間隙距離の制御がされるべきである。

［発明の概要］
本発明の一態様は、可変キャパシタンスを有する微小電気機械素子を制御するための電荷制御回路を提供する。一実施形態において、電荷蓄積素子は、ある電荷量を蓄積するよう構成される。前記電荷蓄積素子と前記微小電気機械素子との間で前記電荷量を分配して、同じ電圧に前記電荷蓄積素子と前記微小電気機械素子とを均等化することによって、前記微小電気機械素子の前記可変キャパシタンスを制御するようスイッチ回路が構成される。

［好適な実施形態の説明］
好適実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成し、且つ、本発明が実施されることが可能な特定の実施形態の例示を目的として示される添付図面に、参照が行われる。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的か又は論理的な改変を行うことができることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定する意味に受け取られるべきではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって画定される。

図１は、本発明による、微小電気機械システム１０の例示的な一実施形態を示す図である。微小電気機械システム１０は、可変電力源１２と、電荷制御回路１６と、微小電気機械素子２６と、コントローラ２８とを備える。その例示的な実施形態において、電荷制御回路１６は、スイッチ回路１８と、電荷蓄積素子２２とを備える。その例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６は、電荷によって制御され、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間で電荷量を分配することによって選択される可変キャパシタンスを有する。電荷蓄積素子２２は、電荷量を蓄積するよう構成される。微小電気機械素子２６のキャパシタンスを選択するために、電荷蓄積素子２２内に蓄積される電荷量が、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間で分配され、その結果、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧に均等化される。この手法において、微小電気機械素子２６内に蓄積された電荷が、微小電気機械素子２６のキャパシタンスを選択し、該微小電気機械素子２６は正確に制御されることが可能である。このことは、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧に均等化され、前記電荷量と微小電気機械素子２６の該キャパシタンスとの間の関係が既知であるからである。微小電気機械素子２６内に蓄積された前記電荷と、微小電気機械素子２６の前記キャパシタンスとの間の前記関係は、間隙距離すなわち幅広い範囲にわたって線形である。

例示的な実施形態において、可変電力源１２は、スイッチ回路１８に結合され、且つ、電荷蓄積素子２２に電荷量を提供するよう構成される可変電圧源である。例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６のキャパシタンスを選択するために、コントローラ２８が、可変電力源１２によって電荷蓄積素子２２に提供される電荷量を選択するか又は制御する。他の実施形態において、他の手法を用いて、可変電力源１２によって電荷蓄積素子２２に提供される電荷量を選択することができる。例示的な実施形態において、可変電力源１２は可変電圧源であり、電荷蓄積素子２２を、グランド電位から、前記電荷量に対応する電圧にまで充電することによって、電荷蓄積素子２２に電荷量を提供する。その電圧は、可変電力源１２を制御するコントローラ２８によって選択される。様々な他の実施形態において、他の手法を用いて、可変電力源１２を制御することができる。様々な他の実施形態において、可変電力源１２は、電荷蓄積素子２２に電荷量を提供するよう構成される電流源である。例示的な実施形態において、電荷蓄積素子２２はコンデンサである。他の実施形態において、電荷蓄積素子２２を、電荷量を蓄積するために用られることが可能な任意の手段又は手法において具現化することができる。

例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６は、微小電気機械素子２６内に蓄積された電荷に従ってキャパシタンスが選択される可変コンデンサである。一実施形態において、微小電気機械素子２６は、静電気的に制御される平行板アクチュエータであり、第１のプレート３０と、第２のプレート３２とを備える（図２もまた参照されたい）。該平行板アクチュエータは、第１のプレート３０上及び第２のプレート３２上において所定の電荷量を蓄積することによって選択される可変キャパシタンスを有する。一実施形態において、微小電気機械素子２６は受動画素構造（受動ピクセル構造）であり、静電気的に調整可能な上部反射器３０及び底部反射器３２を備え、それら反射器は、共振光学キャビティ３４を画定するよう構成される。

その例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６は、微小電気機械素子２６によって蓄積された電荷量に従って、充電されるか、制御されるか、又は選択される可変コンデンサである。１つの例示的な方法において、その電荷量は、電荷蓄積素子２２に蓄積される。次いで、電荷蓄積素子２２に蓄積された前記電荷量が、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間で分配されて、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧値に均等化される。例示的な方法において、コントローラ２８は、可変電力源１２を制御し、且つ、ライン１４において可変電力源１２によって提供される出力電圧を選択する。コントローラ２８は、スイッチ回路１８をアクティブにし、該スイッチ回路１８が、可変電力源１２と電荷蓄積素子２２との間に導通経路を提供し、その結果、電荷蓄積素子２２は、選択された電圧にまで充電されることが可能になる。次いで、スイッチ回路１８は、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間に導通経路を提供して、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とを同じ電圧にまで均等化する。電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧まで均等化されると、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間の電荷の伝導が中止される。可変電力源１２によって選択された電圧、又は代替的には電荷蓄積素子２２によって蓄積された電荷量と、微小電気機械素子２６のキャパシタンスとの間において、正確な関係を確立することができる。

例示的な実施形態において、可変電力源１２によって提供される多くの適合可能な電圧値を選択することができ、多くの前記電圧値の各々が、微小電気機械素子２６の１つのキャパシタンスに対応する。選択された電圧値にまで電荷蓄積素子２２を充電し、該選択された電圧値に対応する電荷蓄積素子２２に蓄積された電荷量を微小電気機械素子２６と分配し、その結果、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧値に均等化されることによって、微小電気機械素子２６のキャパシタンスが選択される。

図２は、微小電気機械素子２６の例示的な一実施形態を示す図である。例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６は、少なくとも部分的に、表示可能な画像の画素（ピクセル）を表す。素子２６は、上部反射器３０及び底部反射器３２、並びに、可撓性部材（flexure）３８及びばね機構４０を備える。共振光学キャビティ３４は、該反射器３０及び３２によって画定され、該共振光学キャビティ３４は、可変の厚み（thickness）、すなわち幅３６を有する。一実施形態において、上部反射器３０が、半透過性か又は半反射性を有する。一実施形態において、底部反射器３２が、高反射性か又は全反射性を有する。他の実施形態において、上部反射器３０が、高反射性か又は全反射性を有し、底部反射器３２が、半透過性か又は半反射性を有する。様々な実施形態において、ばね機構４０は、線形か又は非線形のばね機能を有する、ポリマーのような任意の適合可能な可撓性材料とすることができる。

例示的な実施形態において、光学キャビティ３４は、光学的な干渉によって、ある強度における可視波長を可変に選択する。微小電気機械素子２６の所望のコンフィギュレーションに依存して、光学キャビティ３４は、その強度における該波長を反射するか又は透過することのいずれかが可能である。すなわち、該キャビティ３４は、性質上、反射性とすることができるか又は透過性とすることができる。光学キャビティ３４によって光は生成されないので、前記素子２６は、周囲光か又は微小電気機械素子２６によって提供される光に依存し、該微小電気機械素子２６によって提供される光は、該キャビティ３４によって反射されるか又は透過される。光学キャビティ３４によって選択される可視波長と、該光学キャビティ３４によって選択されるその強度とは、該キャビティ３４の厚み３６に依存する。すなわち、該光学キャビティ３４を、その厚み３６を制御することによって、所望の強度における所望の波長に調整することができる。

可撓性部材３８及びばね機構４０によって、上部反射器３０を動かせるようにすることにより、キャビティ３４の厚み３６が変更されることが可能である。より一般的には、可撓性部材３８及びばね機構４０は、光学キャビティ３４の光学特性の変更を可能にして、ある強度における可視波長を可変選択する仕組みを構成する。前記光学特性は、キャビティ３４の光学的な指数（optical index）、及び／又は、キャビティ３４の光学的な厚みを含む。反射器３０及び３２上に蓄積された電荷によって、キャビティ３４の厚み３６が変化させられる。何故ならば、可撓性部材３８及びばね機構４０によって、反射器３０が動かされることが可能であるからである。従って、可撓性部材３８は、ある剛性を有し、ばね機構４０は、あるばね復元力を有する。この結果、反射器３０及び３２上に蓄積された電荷によって、可撓性部材３８及びばね機構４０が撓むこととなり、反射器３０を動かすことが可能になり、それによって、所望の厚み３６が達成される。所与の厚み３６を維持することにおいて、電力は損失されない。

例示的な実施形態において、底部反射器３２は、固定された電圧に維持される。一実施形態において、その固定された電圧はグランド電位である。例示的な実施形態において、反射器３０及び３２上に電荷が蓄積される時には、反射器３０は、蓄積された電荷と底部反射器の前記固定された電圧とに対応する電圧を有する。その電荷は、可撓性部材３８の剛性に対して較正される場合の、所望の可視波長と所望の強度とに対応する。前記例示的な実施形態に示される可撓性部材３８は底部反射器３２の下に配置されるが、別の実施形態において、それは、底部反射器３２の上に配置されることが可能である。他の実施形態において、可撓性部材３８も同様に、上部反射器３０の上か又は下に配置されることが可能である。これにより、上部反射器３０の代わりに底部反射器３２が移動可能になって、光学キャビティ３４の厚み３６が調整されることとなる。更に、他の実施形態において、２つ以上の光学キャビティが存在することが可能である。これにより、光学キャビティ３４は、２つ以上のそのような光学キャビティを含む。

一実施形態において、底部反射器３２及び上部反射器３０は、可変コンデンサか、又は平行板アクチュエータの板（プレート）であり、ここで、光学キャビティ３４は、その間にある誘電体を表す。可撓性部材３８及びばね機構４０に起因して、上部反射器３０及び底部反射器３２上に蓄積された電荷が、上部反射器３０を動かす。この静電荷によって、上部反射器３０及び底部反射器３２上に更に多くの電荷を加えることなく、所与の厚み３６を維持することができる。

例示的な実施形態において、光学キャビティ３４によって選択される波長及び強度は、表示可能な画像の画素に対応する。従って、一実施形態において、微小電気機械素子２６は、少なくとも部分的には、画像の画素を表す。微小電気機械素子２６は、アナログモードか又はディジタルモードのいずれかで動作することができる。アナログ素子としての一実施形態において、素子２６は、画素の色及び該色の輝度（intensity of color）に応じて、光の可視波長及び強度を選択する。代替の実施形態において、素子２６は、アナログ的な手法において、カラーの代りに、白黒で、すなわちグレイスケールで画素を表すために用いられる。

ディジタル素子としての一実施形態において、微小電気機械素子２６は、赤色か、緑色か、又は青色のいずれかの成分の画素についての役割を担う。該素子２６は、赤色か、緑色か、又は青色のいずれかの静的な可視波長を維持し、赤色か、緑色か、又は青色の成分の画素に対応して、この波長の強度を変化させる。従って、画素をディジタル的に表すために、３つの微小電気機械素子２６が必要とされ、ここで、１つの素子２６が、赤色波長を選択し、別の素子２６が、緑色波長を選択し、そして第３の素子２６が、青色波長を選択する。より一般的には、画素か又は画像の一部分の、各色成分ごとに、１つの微小電気機械素子２６が存在する。代替の一実施形態において、微小電気機械素子２６を、ディジタル的な手法において、カラーの代りに、白黒で、すなわちグレイスケールで画素を表すために用いることができる。

例示的な実施形態において、微小電気機械素子２６の光学キャビティ３４は、光学的な干渉を利用して、透過性によってか又は反射性によって、ある強度における波長を選択する。一実施形態における光学キャビティ３４は、厚み３６に等しい光路長を有する薄膜である。光は、光学キャビティ３４のいずれかの側上における反射器３０及び３２の境界から反射されて、その光自体と干渉する。反射されたビームがキャビティ３４の内において距離２ｄだけ伝搬するので、入射ビームと、その反射される画像との間の位相差は、ｋ（２ｄ）である。ここで、ｄは厚み３６である。ｋ＝２π／λであるので、ｄ＝λ／２である時には、入射する波と反射される波との間の位相差は、ｋ２ｄ＝２πであり、強め合う干渉をもたらす。光学キャビティ３４のモードである、π／２の全ての倍数は、透過される。光学干渉の結果として、従って、光学キャビティ３４は、λ／２の整数倍において最も多くの光を通過させ、λ／４の奇数の整数倍において最も少ない量の光を通過させる。

例示的な実施形態において、可撓性部材３８及びばね機構４０によって、光学キャビティ３４の厚み３６が、適切な量の電荷が反射器３０及び３２上に蓄えられている時に変化させられることが可能である。これによって、所望の強度における所望の波長が選択されることとなる。この電荷及び対応する電圧は、以下の式に従って決定され、平行板コンデンサの板として機能する反射器３０と反射器３２との間の引力であり、弱電磁場（fringing fields）を考慮に入れていない。

Ｆ=ε_０Ｖ^２Ａ／２ｄ^２・・・（１）
ここで、ε_０は自由空間の誘電率であり、Ｖは反射器３０と３２との間にかかる電圧であり、Ａは反射器３０及び３２のそれぞれの面積であり、ｄは厚み３６である。従って、０．２５ミクロンの厚み３６である場合の、２６平方ミクロンの画素にかかる１ボルトの電位は、７×１０^−７ニュートン（Ｎ）の静電力をもたらす。

従って、反射器３０と３２との間の低電圧に対応する電荷量が、上部反射器３０を動かし、重力及び衝撃に対して該上部反射器３０を保持するのに十分な力を提供する。反射器３０及び３２内に蓄えられる静電荷は、追加的な電力を加えることなく、上部反射器３０を適所に保持するのに十分である。様々な実施形態において、電荷の漏れによって、該電荷を時々リフレッシュさせることが必要となる場合がある。

例示的な実施形態において、式（１）において画定される力は、ばね機構４０によって提供される線形ばね力と均衡がとられる。

Ｆ＝ｋ（ｄ_０−ｄ）・・・（２）
ここで、ｋは線形ばね定数であり、ｄ_０は厚み３６の初期値である。キャパシタンスは電荷によって制御されるので、式（１）の反射器３０と３２との間の力を、電荷の関数として書き換えることができる。

Ｆ＝−Ｑ^２／２εＡ・・・（３）
ここで、Ｑはコンデンサ上の電荷である。力Ｆは電荷の関数であり、距離ｄの関数ではないので、０〜ｄ_０の全範囲にわたって反射器３０に安定性がある。反射器３０及び３２上の電荷量を制御することにより、移動範囲全体にわたって、反射器３０の位置を設定することができる。

前段落の説明は、理想的な平行板コンデンサ及び理想的な線形ばね復元力に関するものであるが、説明された原理が、干渉ベースか又は回折ベースのディスプレイ装置、平行板アクチュエータ、非線形のばね、及び他のタイプのコンデンサのような他の微小電気機械素子２６にも適合させることができることが当業者であれば理解できよう。ディスプレイ装置によって、利用可能な範囲が拡大される時には、より豊富な色、高い飽和レベル、高い強度を達成することができる。

一実施形態において、微小電気機械素子２６は、平行板アクチュエータ２６である。平行板アクチュエータ２６は、ばね機構４０内に可撓性部材３８を備える。ばね機構４０は、第１のプレート３０を支持して、第１のプレート３０を第２のプレート３２から分離させるための復元力を提供するよう構成されている。可撓性部材３８は、ばね機構４０に取り付けられ、第２のプレート３２を支持するよう構成されている。ばね機構４０及び可撓性部材３８は、第１のプレート３０を、撓み距離３６すなわち厚み３６において、第２のプレート３２に対してほぼ平行な配向に維持する。

一実施形態において、微小電気機械素子２６は、受動画素構造２６である。該画素構造２６は、共振光学キャビティ３４を画定するよう構成される、静電気的に調整可能な上部反射器３０及び底部反射器３２を含む。上部反射器３０及び底部反射器３２によって蓄積された電荷量を分配することによって、受動画素構造２６の可視波長を選択し、撓み距離３６すなわち厚み３６を制御するよう電荷制御回路１６が構成される。

図３は、電荷制御回路１６の例示的な一実施形態を示す回路図である。電荷制御回路１６は、電荷蓄積素子２２に結合され、且つ、ライン１４からの電荷量を電荷蓄積素子２２へと伝導するよう構成された第１のスイッチ４２を備える。その例示的な実施形態において、ライン１４は、可変電力源１２の出力に結合される。他の実施形態において、電荷量を、電流源のような他の適合可能な供給源から提供することができる。例示的な実施形態において、スイッチ４２は、コントローラ２８によってアクティブにされ、ライン１４とライン２０との間に導通経路を提供して、前記電荷量を電荷蓄積素子２２に伝導する。

例示的な実施形態において、スイッチ回路１６は、ライン２０とライン２４との間に結合された第２のスイッチ４４を含む。スイッチ４４は、コントローラ２８によってアクティブにされて、電荷蓄積素子２２から、ライン２４に結合されている微小電気機械素子２６にまで電荷を伝導するための導通経路を提供する。該導通経路によって、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とが同じ電圧に均等化される。第３のスイッチ４６が、ライン２４とグランド電位との間に結合されており、且つ、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間に導通経路を提供するために第２のスイッチ４４がアクティブにされる前に、微小電気機械素子２６を放電するように構成されている。例示的な実施形態において、第３のスイッチ４６が、コントローラ２８によってアクティブにされる。例示的な実施形態において、第２のスイッチ４４が、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とを同じ電圧に均等化するための導通経路を提供する前に、第１のスイッチ４２が、電荷蓄積素子２２に電荷量を伝導するためにアクティブにされ、第３のスイッチ４６が、微小電気機械素子２６を放電するためにアクティブにされる。例示的な実施形態において、コントローラ２８は、第１のスイッチ４２、第２のスイッチ４４、及び第３のスイッチ４６を制御する。他の実施形態において、他の適合可能な手法を用いて、第１のスイッチ４２、第２のスイッチ４４、及び第３のスイッチ４６を制御することができる。その例示的な実施形態において、第１のスイッチ４２、第２のスイッチ４４、及び第３のスイッチ４６は、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタである。他の実施形態において、第１のスイッチ４２、第２のスイッチ４４、及び第３のスイッチ４６は、導通経路を提供するために選択されることが可能か又はアクティブにされることが可能な他の適合可能な素子タイプとすることができる。例えば、他の実施形態において、それらスイッチは、ガリウムヒ素金属半導体電界効果トランジスタ（ＧａＡｓＭＥＳＦＥＴ）か又はバイポーラトランジスタのような他の素子タイプとすることができる。

一実施形態において、微小電気機械素子２６は、第１のプレート３０と第２のプレート３２とを含む、静電気的に制御される平行板アクチュエータ２６である。第１のスイッチ４２が、コンデンサ２２を第１の電圧に充電するよう構成される。コンデンサ２２と平行板アクチュエータ２６とを互いに並列に接続することにより、コンデンサ２２が平行板アクチュエータ２６を第２の電圧に充電することによって、第２のスイッチ４４が、第１のプレート３０と第２のプレート３２との間の撓み距離を制御するよう構成される。この実施形態において、第２の電圧が第１の電圧よりも低い。コンデンサ２２は、平行板アクチュエータ２６を第２の電圧に充電するが、コンデンサ２２は、第１の電圧から第２の電圧に放電される。一実施形態において、第３のスイッチ４６が、平行板アクチュエータ２６の両端間に結合されており、且つ、第２のスイッチ４４がコンデンサ２２と平行板アクチュエータ２６とを互いに並列に接続する前に、平行板アクチュエータ２６を放電するよう構成される。

一実施形態において、微小電気機械素子２６は受動画素構造２６である。電荷制御回路１６が、ある電荷量を蓄積するように構成されるコンデンサ２２と、第１のスイッチ４２と、第２のスイッチ４４とを備える。第１のスイッチ４２は、ライン２０においてコンデンサ２２に結合されており、コンデンサ２２に電荷量を伝導するよう構成されている。第２のスイッチ４４が、ライン２０においてコンデンサ２２に結合されており、且つ、受動画素構造２６に結合されている。第２のスイッチ４４は、コンデンサ２２と受動画素構造２６とを同じ電圧に均等化するための導通経路を提供する。一実施形態において、第３のスイッチ４６が、ライン２４において、受動画素構造２６とグランド電位との間に結合されており、且つ、第２のスイッチ４４が導通経路を提供する前に、受動画素構造２６を放電するよう構成されている。一実施形態において、可変電力源１２は可変電圧源１２であり、ライン１４において第１のスイッチ４２に結合されており、コンデンサ２２に電荷量を提供するように構成される。受動画素構造２６は、静電気的に調整可能な上部反射器３０と底部反射器３２とを備え、それらの反射器は共振光学キャビティ３４を画定するよう構成される。コンデンサ２２内に蓄積された電荷量を上部反射器３０と底部反射器３２とに分配して、撓み距離を制御することによって、受動画素構造２６のための可視波長を選択するよう電荷制御回路１６が構成される。

図４は、本発明による、微小電気機械システム５０の例示的な一実施形態を示す図である。該例示的な実施形態において、微小電気機械システム５０は、微小電気機械素子１、２、及びＮについて、それぞれ２６ａ、２６ｂ、及び２６ｃで示された複数の微小電気機械素子２６を備える。該例示的な実施形態において、Ｎは任意の適合可能な数とすることができる。微小電気機械素子２６はそれぞれ、第１のプレート３０と第２のプレート３２とを備える。微小電気機械システム５０は、ある電荷量を蓄積するよう構成された電荷蓄積素子２２を備える。本発明の説明を簡単化するために、ただ１つの電荷蓄積素子２２が図示されているが、他の実施形態において、任意の適合可能な数の電荷蓄積素子２２を用いることができる。５１において第１のスイッチが含まれており、電荷量を可変電力源１２から電荷蓄積素子２２にまで伝導して、電荷蓄積素子２２を第１の電圧に充電するよう構成される。第１のスイッチ５１は、ライン１４を介して可変電力源１２に接続され、ライン５２を介して電荷蓄積素子２２に接続される。

微小電気機械システム５０は、スイッチ１、２、及びＮについて、それぞれ５６ａ、５６ｂ、及び５６ｃで示されている、様々なスイッチ５６を備える。スイッチ５６の各々は、電荷蓄積素子２２と、対応する微小電気機械素子２６との間で電荷量を分配して、電荷蓄積素子２２と、対応する微小電気機械素子２６とを同じ電圧に均等化することによって、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子のキャパシタンスを選択するよう構成される。従って、５６ａにおけるスイッチ１は、ライン５４ａを介して電荷蓄積素子２２に結合されており、且つ、ライン５８ａを介して２６ａにおける微小電気機械素子１に結合されている。同様に、５６ｂにおけるスイッチ２は、ライン５４ｂを介して電荷蓄積素子２２に結合されており、且つ、ライン５８ｂを介して２６ｂにおける微小電気機械素子２に結合されており、５６ｃにおけるスイッチＮは、ライン５４ｃを介して電荷蓄積素子２２に結合されており、且つ、ライン５８ｃを介して２６ｃにおける微小電気機械素子Ｎに結合されている。その例示的な実施形態において、Ｎは、任意の適合可能な数とすることができるため、任意の適合可能な数のスイッチ５６が存在することができる。各スイッチ５６は、１つの微小電気機械素子２６に対応する。電荷蓄積素子２２と、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子との間における電荷量を分配して、電荷蓄積素子２２と、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子とを同じ電圧に均等化することによって、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子のキャパシタンスを選択するようスイッチ５６の各々が構成される。その例示的な実施形態において、電荷量が電荷蓄積素子２２と、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子との間で分配される前に、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子を放電するよう各スイッチ５６が構成される。

例示的な実施形態において、電荷蓄積素子２２は、グランド電位から第１の電圧にまで充電され、ここで、該第１の電圧は、電荷量に対応する。電荷が電荷蓄積素子２２と、微小電気機械素子２６のうちの対応する１つの微小電気機械素子との間で分配された後に、微小電気機械素子２６が第２の電圧に充電される。第２の電圧は第１の電圧よりも小さく、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間にもはや電流が流れないように、該微小電気機械素子２６と該電荷蓄積素子２２とが均等化された場合の電圧値に対応する。

図５は、第１のスイッチ５１の例示的な一実施形態を示す回路図である。第１のスイッチ５１が、ライン１４とライン５２との間に結合されている。その例示的な実施形態において、第１のスイッチ５１はコントローラ６０によって制御され、コントローラ６０によってアクティブにさせられて、ライン１４における電力源１２と、ライン５２における電荷蓄積素子２２との間に導通経路を提供して、電荷蓄積素子２２に電荷量を提供する。例示的な実施形態において、第１のスイッチ５１はＣＭＯＳトランジスタである。他の実施形態において、第１のスイッチ５０は、他の適合可能な素子タイプとすることができる。

図６は、第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６４の例示的な一実施形態を示す回路図である。第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６４は、５６において示されている。その例示的な実施形態において、第２のスイッチ６２をアクティブにして、ライン５４における電荷蓄積素子２２と、ライン５８における微小電気機械素子２６との間に導通経路を提供して、電荷量を電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６との間において分配することができる。このことは、電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とを第２の電圧に均等化する。例示的な実施形態において、第２の電圧は第１の電圧よりも低い。例示的な実施形態において、第２のスイッチ６２がアクティブにされるか、又は導通モードにターンオンされると、電荷蓄積素子２２は第１の電圧から第２の電圧に放電されて、微小電気機械素子２６が第２の電圧に充電される。例示的な実施形態において、第３のスイッチ６４は、ライン５８における微小電気機械素子２６と、グランド電位との間に結合されており、且つ、第２のスイッチ６２が電荷蓄積素子２２と微小電気機械素子２６とを互いに並列に接続する前に、微小電気機械素子２６を放電するよう構成される。

例示的な実施形態において、第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６４は、ＣＭＯＳトランジスタである。他の実施形態において、第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６４は、他の適合可能な素子タイプとすることができる。例示的な実施形態において、コントローラ６０が、第２のスイッチ６２と第３のスイッチ６４とを制御し且つアクティブにする。他の実施形態において、第２のスイッチ６２及び第３のスイッチ６４は、他の適合可能な手段によって、制御されるか又はアクティブにされることが可能である。

好適な実施形態を説明する目的のために、本明細書内において特定の実施形態が図示され且つ説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、図示され且つ説明されたした該特定の実施形態の代わりに、広範囲な様々な代替及び／又は等価な実施形態を代用させることができることが当業者であれば理解されよう。化学技術、機械技術、電気機械技術、電気技術、及びコンピュータ技術における当業者は、本発明が非常に広範囲な様々な実施形態において、実施されることが可能であることを容易に理解することができるであろう。本出願は、本明細書内において記載された好適実施形態の任意の適用形態か又は変形形態を包含することが意図されている。従って、本発明は特許請求の範囲とその等価物によってのみ制限されることを明らかに意図している。

本発明による微小電気機械システムの例示的な一実施形態を示す図である。 微小電気機械素子の例示的な一実施形態を示す図である。 電荷制御回路の例示的な一実施形態を示す回路図である。 本発明による微小電気機械システムの例示的な一実施形態を示す図である。 第１のスイッチの例示的な一実施形態を示す回路図である。 第２のスイッチ及び第３のスイッチの例示的な一実施形態を示す回路図である。

Claims (15)

1. 可変キャパシタンスに基づいて撓み距離だけ隔離された第１のプレート及び第２のプレートを有する、静電気的に制御される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子（２６）と、
   ある電荷量を蓄積するよう構成された電荷蓄積素子（２２）と、
   前記電荷蓄積素子と前記ＭＥＭＳ素子との間において前記電荷量を分配して、該電荷蓄積素子と該ＭＥＭＳ素子とを同じ電圧に均等化することによって、該ＭＥＭＳ素子の前記可変キャパシタンスを制御するよう構成されたスイッチ回路（１８）
   とを備える、微小電気機械システム（１０）。
2. 前記スイッチ回路が、
   前記電荷蓄積素子に結合された第１のスイッチ（４２）であって、該電荷蓄積素子に前記電荷量を伝導するよう構成された、第１のスイッチと、
   前記電荷蓄積素子と前記微小電気機械素子との間に結合された第２のスイッチ（４４）であって、該電荷蓄積素子と該微小電気機械素子とを前記同じ電圧に均等化するための導通経路を提供するよう構成された、第２のスイッチと、
   前記微小電気機械素子の両端間に結合された第３のスイッチ（４６）であって、前記第２のスイッチが前記導通経路を提供する前に、前記微小電気機械素子を放電するよう構成された、第３のスイッチ
   とを備えることからなる、請求項１に記載の微小電気機械システム。
3. 前記電荷蓄積素子に前記電荷量を提供するよう構成された電流源を備える、請求項１に記載の微小電気機械システム。
4. 前記第１のスイッチに結合された電圧源（１２）であって、前記電荷蓄積素子に前記電荷量を提供するよう構成された、電圧源（１２）を備える、請求項２に記載の微小電気機械システム。
5. グランド電位から、前記電荷量に対応する電圧にまで前記電荷蓄積素子が充電される、請求項４に記載の微小電気機械システム。
6. 複数の微小電気機械素子（２６）と、
   ある電荷量を蓄積するよう構成された少なくとも１つの電荷蓄積素子（２２）と、
   スイッチ回路
   とを備え、前記スイッチ回路が、
   前記電荷蓄積素子を第１の電圧に充電するよう構成された第１のスイッチ（５１）と、
   複数の第２のスイッチ（５６）であって、前記電荷蓄積素子と、前記微小電気機械素子のうちの対応する１つの微小電気機械素子との間で前記電荷量を分配して、該電荷蓄積素子と、該微小電気機械素子のうちの該対応する１つの微小電気機械素子とを第２の電圧に均等化することによって、該微小電気機械素子のうちの該対応する１つの微小電気機械素子のキャパシタンスを制御するよう該第２のスイッチの各々が構成されており、前記第２の電圧は、前記第１の電圧よりも低いことからなる、複数の第２のスイッチ
   とを含むことからなる、請求項１に記載の微小電気機械システム。
7. 前記スイッチ回路が、
   複数の第３のスイッチであって、該第３のスイッチの各々は、前記微小電気機械素子のうちの前記対応する１つの微小電気機械素子の両端間に結合されており、前記第２のスイッチのうちの対応する１つの第２のスイッチが、前記電荷蓄積素子と、該微小電気機械素子のうちの該対応する１つの微小電気機械素子とを互いに並列に接続する前に、該微小電気機械素子のうちの該対応する１つの微小電気機械素子を放電するよう該第３のスイッチの各々が構成されていることからなる、複数の第３のスイッチ
   を更に含む、請求項６に記載の微小電気機械システム。
8. 前記第１のスイッチに結合された電力源であって、前記電荷蓄積素子に前記電荷量を提供するよう構成された電力源を、更に備える、請求項６に記載の微小電気機械システム。
9. 前記少なくとも１つの電荷蓄積素子は、グランド電位から、前記電荷量に対応する第１の電圧にまで充電される、請求項８に記載の微小電気機械システム。
10. 前記第２のスイッチのうちの少なくとも１つが、前記微小電気機械素子のうちの前記対応する１つの微小電気機械素子の前記キャパシタンスを選択することを可能にするよう構成されたコントローラ（６０）を更に備える、請求項６に記載の微小電気機械システム。
11. 前記ＭＥＭＳ素子が、
    前記第１のプレートを支持するよう構成されたばね機構（４０）であって、該第１のプレートを前記第２のプレートから隔離するための復元力を提供する、ばね機構と、
    前記ばね機構に取り付けられた可撓性部材（３８）であって、前記第２のプレートを支持するよう構成されている、可撓性部材
    とを備え、
    前記ばね機構及び前記可撓性部材が、前記撓み距離において前記第２のプレートに対してほぼ平行な配向に前記第１のプレートを維持することからなる、請求項１に記載の微小電気機械システム。
12. 前記ＭＥＭＳ素子が、
    受動画素構造を備え、
    前記第１のプレートは、上部反射器（３０）であり、前記第２のプレートは、底部反射器（３２）であり、
    前記上部反射器及び前記底部反射器が、可視波長を可変選択する共振光学キャビティ（３４）を画定することからなる、請求項１１に記載の微小電気機械システム。
13. 可変キャパシタンスを有する微小電気機械素子（２６）を制御する方法であって、該微小電気機械素子は、電圧源に結合されており、該方法が、
    電荷蓄積素子（２２）内に、ある電荷量を蓄積し、及び、
    前記電荷蓄積素子と前記微小電気機械素子との間に導通経路（２４）を提供して、該電荷蓄積素子と該微小電気機械素子とを同じ電圧に均等化する
    ことを含むことからなる、方法。
14. 前記電荷蓄積素子内に前記電荷量を蓄積することが、前記微小電気機械素子を放電することを含むことからなる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電荷蓄積素子内に前記電荷量を蓄積することが、
    多数の電圧値のうちの１つを選択し、及び、
    前記電荷蓄積素子を、前記多数の電圧値のうちの選択された１つの電圧値にまで充電する
    ことを含み、
    前記多数の電圧値はそれぞれ、前記微小電気機械素子の１つのキャパシタンスに対応することからなる、請求項１３に記載の方法。

Images