KR20080049744A - 메커니즘을 작동시키는 전기기계적 다이나믹 힘 프로파일 - Google Patents

메커니즘을 작동시키는 전기기계적 다이나믹 힘 프로파일 Download PDF

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KR20080049744A
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마르틴 지. 셀브레드
캐리 킹
다니엘 케이. 밴 오스트란드
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유니-픽셀 디스플레이스, 인코포레이티드
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Abstract

변형가능한 멤브레인으로부터 실제로 평행한 플레이트 캐패시터 액추에이션 특성을 복구 또는 모방하도록 메커니즘을 작동시키는 전기기계적 다이나믹 힘 프로파일이 MEMS 시스템에 사용된다. 플렉시블한 멤브레인의 구부러진 변형은 MEMS 특성이 폰더모티브 액추에이션 동안 기하학적인 평행성을 유지하는 강성 플레이트들 간의 공지된 상호작용으로부터 편향되게 한다. 본 발명은 평행한 플레이트 특성을 다시 획득하기 위한 3가지 방법, 즉 변형가능한 MEMS 멤브레인 내부 또는 그 상부에 강성 영역의 첨가 또는 인시튜 통합; 멤브레인과 관련된 전도성 영역 내에 조절 및 형상화된 보이드를 도입함으로써 멤브레인에 대한 힘 프로파일을 변경시켜 평행성을 유지하는 이소다인 영역들 생성; 및 하이브리드 혼합 방안을 개시하며, 전도성 영역은 상승된 강성 구역의 증착 이후 증착되어, 상기 구역으로부터 직접적으로 야기되는 강성도 장점과 관련하여, 강성 구역 부근에 증가된 상호-도체 간격으로 인해 이소다인 특성이 모방된다.

Description

메커니즘을 작동시키는 전기기계적 다이나믹 힘 프로파일{ELECTROMECHANICAL DYNAMIC FORCE PROFILE ARTICULATING MECHANISM}
본 발명은 전반적으로 MEMS 장치 분야에 관한 것으로, 특히 MEMS-기반 플랫 패널 디스플레이 분야에 관한 것이며, 동적으로 변형된 멤브레인(membranes)의 형상 및 특성(behavior)을 제어하는 능력은 해당 MEMS 장치로부터 보다 바람직한 특성을 보장한다.
시스템으로부터 광 방출을 유도하도록 FTIR(Frustrated Total Internal Reflection)의 원리를 이용하는 플랫 패널 디스플레이들을 포함하는, MEMS-기반 시스템들은 적절한 기능에 대한 중대한 물리적 기준을 충족시킬 수 있다. FTIR-기반 MEMS 장치들의 대표적인 대분류로서, 본 명세서에서 참조되고 있는 미국 특허 No.5,319,491호에 개시된 디스플레이 시스템은 이러한 장치들 내에서 기본 원리 역할을 한다. 이러한 장치는 (일반적으로) 평면형 도파관 내에서 내부 전반사를 거치는 광을 선택적으로 좌절시킬 수 있다. 이러한 좌절(frustration)이 발생할 경우, 좌절 영역은 외부 제어에 적합한 픽셀로 구성된다. 이러한 픽셀들은 MEMS 장치로, 특히 2개의 상이한 위치들 및/또는 형상들 사이에 변형가능한 멤브레인을 추진하는 평행한 플레이트 캐패시터 시스템으로 구성될 수 있으며, 상기 픽셀에 대해 서는 오프 및 온 상태에 해당하는, 즉 도파관에 대한 멤브레인의 부적절한 근접함으로 인해 FTIR이 발생하지 않을 때는 정지된, 비활성 상태에 해당하고, 적절한 근접함으로 인해 FTIR이 발생할 때는 활성의, 결합된 상태에 해당하는 2가지 상태가 존재한다. 이러한 MEMS-기반 픽셀 영역들의 직사각형 어레이는 종종 전기/전자 수단에 의해 제어되며, 평면형 도파관의 상부 활성 표면에서 제조된다. 이러한 총체적인 MEMS-기반 구조물은, 적절히 구성될 때, 통상적으로 필드 순차 컬러 및 펄스 폭 변조 기술을 이용함으로써 컬러를 생성할 수 있는 비디오 디스플레이로서 기능한다.
적절히 기능하도록 이러한 MEMS-기반 FTIR 시스템들에 대해 충족되는 기준은 활성화 및 비활성화 동안 전기적으로 변형되는 멤브레인의 형상에 대한 제어를 수반할 수 있다. 일반적으로 이러한 구현을 위해 선택되는 가장 간단한 MEMS 구조물은 마주하는 도체들의 이용을 수반하며, 마주하는 도체들은 이들 사이에 존재하는 전위차가 도체들 및 이들과 결합된 임의의 다른 재료들중 하나 또는 둘다의 상대적 이동을 야기시키는, 부과된 쿨롱 인력(Coulomb attraction)을 수반하도록 구성된다. 이러한 시스템은 통상적으로 평행 플레이트 액추에이터 시스템이라 불리며, 도체들중 하나는 고정되는 반면 나머지는 고정된 도체 영역과 이동가능한 도체 영역 사이의 갭을 제어가능하게 폐쇄시키기 위해 탄성 변형 또는 (일반적으로 적절한 테더(tether) 또는 스탠드오프 층들에 의해 추정 에지들에 적용되는) 이동이 가능한 부재 상에 위치된다.
평행 플레이트 액추에이터 시스템의 전기기계적 특성은 통상적으로 해당 플 레이트들이 강성의 평행한 평면들일 때 최적화된다(양단에 전압이 인가되는 전도성 영역들은 이들 사이에 상대 운동을 유도함). 플레이트가 장착되는 고정된 부재와 이동식 부재 모두를 고정 또는 잡아매는(tethering) 폰더모티브력(ponderomotive force) 및 부수물(concomitant)이 적절히 분포된다 가정할 때, 이들의 강성도(rigidity)는 플레이트를 평행하게 유지하는데 기여한다. 이를 테면, 이동식 플레이트가 강성은 아니나, 탄성적이면, 이러한 시스템에 대한 액추에이션 이벤트 동안, 액추에이션 동안 항상 가장낮은 전위 에너지 상태가 확보되도록 자연스럽게 분포되는 폰더모티브력의 영향으로 인한 비강성 이동식 플레이트의 기하학적 변형으로 인해, 플레이트들이 더이상 서로 평행하지 않은 순간이 제공될 것이다.
상호 평행하게 이격된 관계로부터 각각의 플레이트가 편향되게 하는 탄성 변형 동안, 시스템 특성에 대한 전기기계적 파라미터들은 대부분의 경우, 적절한 및/또는 최적의 MEMS 동작에 대해 유해하고 해로운 것으로 간주되는 중요한 방식(significant ways)으로 변이된다. 플레이트들 중 하나가 상당히 탄력적이며(flexible) 상당한 탄성 변형이 가능한 시스템과 관련하여, 이중-강성-플레이트 시스템과 관련된 보다 바람직한 특성을 회복하는 수단은 플레이트의 제어가능한 상대 운동을 구현하기 위해 탄성 변형을 이용하여 한정되는 MEMS에 대해 수반되는 다른 공지된 장점들을 유지하면서 원하는 MEMS 특성을 복구시킬 수 있다.
따라서, 하나 이상의 부재들이 실제적으로 강성은 아니나 변형이 가능할 때 강성의 평행한 플레이트 액추에이터 부재들과 관련된 MEMS 특성을 복구시키는 수단이 요구된다. 실제적으로 하나 이상의 강성이 아닌 플레이트 구조물로 구성되나 강성 플레이트 상호작용과 관련된 전기기계적 특성 프로파일을 이용하는 MEMS 장치는 단일 MEMS 장치 구조물 상에 모든 아키텍쳐들(강성 및 비강성)을 보유하는 능력을 갖는다.
앞서 설명된 문제점들은 3가지 방식중 하나로 적어도 부분적으로 해결될 수 있다. 먼저, 탄성 변형가능 멤브레인들이 평행 플레이트 MEMS 액추에이터 시스템의 이동식 부재를 지지하는 주요 부품으로써 작용하는 경우, 시스템에 대해 적용되는 성능 기준의 원하는 한계치 내에서 대략-평행한 다이나믹 특성들을 복구하기 위해 멤브레인 상에 적절히 국부화된 강성 재료의 첨가(superaddition)에 의해 상기 멤브레인을 국부적으로 강성화시킬 수 있다.
둘째, 전도성 평면들중 하나, 또는 나머지, 또는 둘다 상에서 전도성 영역 형상의 기하학적 분절(articulating)은 원하는 강성의 플레이트 모션을 적절히 모방할 수 있는 전기기계적 특성을 유도할 수 있다. 이에 대한 가장 간단한 예는 전도성 평면에 원형 홀을 배치하는 것으로, (도체가 존재하지 않는) 홀 부근에서 탄성 멤브레인에는 정전인력이 가해지지 않는다. 다음 멤브레인은 원형 홀의 주변부 및 원형 홀 너머로 작용하는 힘에 의해 변형된다. 원형 홀 주변부에서의 힘은 강성 플레이트의 본질적 특성인 이소다인(isodyne)(폰더모티브력이 동일한 영역)을 형성한다(이러한 폰더모티브력의 균일성은 각각의 전도성 평면을 서로 평행하게 유지함으로써 얻어진다). 변형 근접성 및 수반되는 작은 갭으로 인해 강한(higher) 힘을 가질 수 있는 변형 영역의 중심부는 상기 영역에서 도체의 의도적인 생략으로 인해 힘이 가해지지 않는다. 이러한 환형 이소다인 영역은 전도성 평면의 홀이, 전도성 영역들중 한쪽에, 또는 양쪽에 위치되는지 여부에 따라 발생되나, 이러한 MEMS 장치들을 제조하는 동안 층들의 다수의 정확한 정합(registration) 조건을 없애기 위해, 전도성 평면의 홀은 전도성 영역들중 단지 하나의 상부에만 위치될 필요가 있다.
셋째, 첫 번째 2가지 방법의 혼성화(hybridization)가 쉽게 구성되어, 통상적으로 요구되는 것보다 훨씬 적은 첨가 재료를 이용하여 원하는 특성을 크게 강화시킬 수 있다. 이 방법에서, 제조 시퀀스는 중요해진다. 강성도를 강화시키기 위해 첨가된 재료가 먼저 부가된 다음 이 구조물의 상부에 도체 영역이 증착된다. 이러한 아키텍처의 결과로서, 첨가된 재료로 인한 강성화(rigidization)의 직접적인 장점, 및 근사화된 이소다인 구조물의 생성과 같은, 2가지 장점이 얻어진다. 후자 작용은 도체에 비록 홀이 존재하지는 않지만, 이동가능한 도체의 중심 영역이 첨가된 재료의 존재로 인해 상당한 간격을 두고 마주하게 고정된 전도성 평면으로부터 이격된다는 사실로 인해 야기된다. 이는 힘이 가해지지 않는다기 보다는 작은 힘이 아키텍쳐의 중심부에서 발생된다는 것을 제외하고는, 전도성 평면에서의 홀의 작용과 유사하다. 첨가된 강성 부재 부근의 영역은 명시적 강성화 및 이소다인 구성으로 인해 상기 하이브리드 아키텍쳐가 원하는 전기기계적 특성을 산출할 수 있도록, 이전과 마찬가지로 이소디안으로서 작용한다. 이러한 하이브리드 방법의 장점에는 강성화된 재료의 첨가된 감소 및 하나 이상의 전도성 평면에 홀들을 명시적으로 생성하거나 에칭할 필요가 없는 이소디안들의 간단한 구성이 포함된다.
지금까지 본 발명의 실시예들의 상세한 설명을 보다 명확히 이해할 수 있도록, 본 발명의 하나 이상의 실시예들의 특징 및 기술적 장점을 다소 광범위하게 설명했다. 본 발명의 실시예들의 추가 특징 및 장점들은 청구항에 개시된 형태로 하기에 설명될 것이다.
하기 도면과 관련된 상세한 설명을 참조로 본 발명이 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 MEMS 액추에이션 동안 유사(quasi)-평행-플레이트 특성을 산출하는 분절된 이소다인 기하학구조를 달성하기 위해 전도성 평면의 홀들을 이용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 2는 MEMS 액추에이션 동안 유사-평행-플레이트 특성을 달성하기 위해 첨가된 국부적 강성 영역들을 이용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 구현에 적합한 플랫 패널 디스플레이의 투시도를 나타낸다.
도 4A는 도 3의 플랫 패널 디스플레이의 실시예에 따른 비활성 상태의 픽셀 측면도를 나타낸다.
도 4B는 도 3의 플랫 패널 디스플레이의 실시예에 따른 활성 상태의 픽셀의 측면도를 나타낸다.
도 5는 환형 이소다인 아키텍쳐에 근사하도록 힘 프로파일을 조절하기 위해, 국부적으로 첨가된 강성화 영역들에 대한 오버레이 또는 도체 증착으로부터 발생되 는 전도성 영역 기하학구조로부터 야기되는 이소다인-형 특성이 조합되는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 데이터 처리 시스템을 나타낸다.
하기 설명에서, 다수의 특정한 설명들은 본 발명의 완전한 이해를 위해 개시된다. 그러나 본 발명의 당업자들은 이러한 특정한 설명 없이도 본 발명을 실행할 수 있을 것이다. 다른 경우, 부품들은 불필요한 설명으로 본 발명이 불명확해지지 않도록 일반화된 형태로 도시된다. 대체로, 제어된 선택적 MEMS 액추에이션(즉, MEMS 장치의 직사각형 n×m 어레이의 실제 동작) 등을 고려한 설명들은, 본 발명의 완벽한 이해를 얻는데 불필요한 설명이기 때문에 생략되었으며, 해당 기술 분야의 당업자들의 기술 범위내에 있긴 하지만, 본 발명에 의해 제공되는 용도 및 값과 직접적으로 관련되는 것은 아니다.
바로 아래에 개시되는 동작 원리들은 MEMS 액추에이션(활성화 또는 비활성화) 동안 서로에 대해 상대 운동하는 각각의 개별 평면형 도체들 사이에서 실제 평행성(true parallelism)을 유지하는 평행 플레이트 MEMS 액추에이터 시스템들의 바람직성을 나타낸다. 이러한 바람직성(desirability)은 비-선형 특성 및/또는 이력현상의 사용 또는 다른 전기기계적 요인들에 따라, 평행 플레이트 캐패시터 정전 액추에이터들에 존재하는 공지된 원-써드-갭(one-third-gap) 불안정성의 이용에 따라 결정된다.
본 발명의 구현을 제공하는 기술들(플랫 패널 디스플레이 또는 FTIR(frustrated total internal reflection)의 원리를 이용하는 다른 유망 기술들)은 본 명세서에서 참조되는 미국 특허 No.5,319,491호에 개시되어 있다. 본 발명의 상세한 설명을 통한 예시적인 대표적 플랫 패널 디스플레이의 사용이 본 발명의 사용 분야로 본 발명의 적용성을 제한하고자 하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 전개를 위한 설명을 목적으로 이루어진다.
이러한 대표적인 플랫 패널 디스플레이는 도 3에 도시된 픽셀 또는 픽쳐 부재라 불리는 광학 셔트들의 매트릭스를 포함한다. 도 3은 픽셀들(302)의 플랫 패널 매트릭스를 더 포함할 있는 광 유도 기판(301)에 포함된 플랫 패널 디스플레이(300)의 간략한 설명을 나타낸다. 광 유도 기판(301) 뒤로 기판(301)과 평행한 관계에 있는 투명(예를 들어, 유리, 플라스틱 등) 기판(303)이 있을 수 있다. 주목할 것은, 미국 특허 No. 5,319,491호에 개시된 것처럼, 플랫 패널 디스플레이(300)는 광원, 불투명 스로트(throat), 불투명 후방층, 반사기 및 튜브형 램프와 같이 도시된 것 이외의 다른 부재들을 포함할 수 있다는 것이다.
도 4A 및 도 4B에 도시된 것처럼, 각각의 픽셀(302)은 광 유도 기판(401), 접지 평면(402), 변형가능한 탄성층(403), 및 투명 전극(404)을 포함할 수 있다.
픽셀(302)은 전극(404)의 상부 표면상에 배치되며, 광 유도 기판(401)이 포함하는 것과 동일한 재료일 수 있는 고-굴절률 재료로 형성된 디스크(405)(그러나, 디스크 형상으로 제한되지 않음)로 편의상 도시된 투명 부재를 더 포함할 수 있다.
이러한 특정 실시예에서, 광 유도 기판(401)과 디스크(405) 사이의 간격을 매우 정확하게 제어하는 것이 중요하다. 특히, 정지 상태에서, 광 유도 기판(401) 과 디스크(405) 사이의 간격은 유도된 광의 파장의 약 1.5배이나, 임의의 경우, 이 간격은 1 파장보다 크다. 따라서, 접지 평면(402), 변형가능한 탄성층(403), 및 전극(404)의 상대적 두께는 조절된다. 활성 상태에서, 디스크(405)는 하기 설명되는 것처럼, 용량성 작용(capacitative action)에 의해 광 유도 기판(401)의 상부 표면으로부터 1 파장 미만의 간격으로 당겨진다.
동작시, 픽셀(302)은 소멸파 결합(evanescent coupling) 작용을 이용하여, TIR(내부 전반사)가 변형가능한 탄성층(403)의 기하학구조를 변형시킴으로써 픽셀(302)에서 자극되어 용량성 흡인 작용하에, 함몰부(406)가 형성된다(도 4B에서 볼수 있음). 이렇게 형성된 함몰부(406)는 광 유도 기판의 소멸장(evanescent field)(일반적으로 1 파장의 간격으로 광 유도 기판(401)으로부터 바깥방향으로 연장됨)의 제한치 내에서 디스크(405)를 유인한다. 광의 전자기파 특성은 정전기적으로 작동하는 다이나믹 함몰부(406)에 부착된 결합 디스크(405)에 대해 광이 중간 낮은 굴절률 클래딩, 즉, 변형가능한 탄성층(403)을 "점프(jump)"하게 하여, 유도 조건 및 TIR이 제어된다(defeating). (도 4A에 도시된) 광선(407)은 정지된(quiescent), 광 유도 상태를 나타낸다. (도 4B에 도시된) 광선(408)은 활성 상태를 나타내며, 여기서 광은 광 유도 기판(401)으로부터 결합된다.
전극(404)과 접지 평면(402) 간의 간격은 예를 들어, 1 마이크로미터로 매우 작으며, 상온 경화형 실리콘(room temperature vulcanizing silicone)의 얇은 증착과 같이 변형가능한 층(403)에 의해 점유될 수 있다. 전압은 작지만, 캐패시터(실제로, 전극(404)과 접지 평면(402)은 평행 플레이트 캐패시터를 형성한다)의 평행 플레이트 사이의 자기장은 경화형 실리콘 상에 변형 힘을 부가할 정도로 충분히 높아, 도 4B에 도시된 것처럼 탄성층(403)이 변형된다. 경화형 실리콘을 적절한 프랙션(fraction)으로 압축함으로써, 유도된 기판(401)내에서 유도되는 광은 현재 굴절률에 대해 임계각 보다 큰 입사각으로 변형을 가해 전극(404) 및 디스크(405)를 통해 기판(401)으로부터 광과 결합될 것이다.
캐패시터의 평행 플레이트들 간의 전기장은 전극(404)과 접지 평면(402) 간에 효과적인 인력(attraction)을 야기시키는 캐패시터의 충전 및 방전에 의해 제어될 수 있다. 캐패시터를 충전함으로써, 플레이트들 사이의 정전기력의 세기가 증가되어, 도 4B에 도시된 것처럼 전극(404)과 디스크(405)를 통해 기판(401)으로부터 광이 결합되도록 탄성층(403)이 변형된다. 캐패시터를 방전시킴으로써, 탄성층(403)은 탄성층의 원래 기하학적 형상으로 복귀되어, 도 4A에 도시된 것처럼 광 유도 기판(401)으로부터 광의 결합이 중단된다.
배경 기술에서 설명된 것처럼, 도 4중 하나에서, 소정의 평행 플레이트 캐패시터 액추에이터는 전하가 위치되고 제거되는 2개의 플레이트가 부재들의 변형 또는 탈선(excursion)과 상관없이 현저히 평행한 이격된 관계로 유지될 때 뛰어난 제어 특성을 나타낸다. 주목할만한 것은 도 4의 장치는 구성됨에 따라 이러한 평행성을 나타내지 않고, 변형되는 멤브레인은 상부 및 하부 도체들(전극(404) 및 디스크(405)) 사이의 거리가 기계적 시스템의 중심부로부터의 거리의 함수가 되게 한다. 도 4B의 분절된(actuated) 도체의 굽은 특성은 실제 평행 플레이트 캐패시터 액추에이터 특성이 요구되는 경우 바람직하게 고려되지 않는다. 항상 전극들 사이 의 기하학적 평행성을 최대화시키면서 액추에이션을 허용하는 메커니즘이 요구된다.
도 4의 장치는 해당 동작 원리를 나타내기 위해 본 발명 전반에 걸쳐, 일반화를 위한 소정의 변형을 이용하여 사용되는 적절한 예들로서 사용된다. 미국 특허 No.5,319,419호에서 처리되는 전기적 예가 적절한 후보 분야 및 구현 분야의 멤버로서 설명을 위해 제공되며, 평행 플레이트 캐패시터 액추에이터 시스템들에 내재된 원리들을 이용하는 임의의 시스템을 포함하는 임의의 장치는 원하는 제어 특성의 편향이 (멤브레인 변형, 멤버 고정, 또는 다른 수단에 의해) 기계적 모션을 구동시키는데 수반되는 각각의 도체들 간의 기하학적 평행성의 편향으로부터 야기되는 전기기계적 제어에 대해 강화될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 평행 플레이트 캐패시터 액추에이터 원리의 구현과 관련하여 소정의 특정한 동작 기준을 충족시키는 장치들의 대분류(large family)에 대한 도체 평행성을 복구 및 최대화시키면, 강화되는 임의의 특정 장치의 실행을 위한 특정한 감소(reduction)가 장치의 특성을 강화시키기 위해 본 발명의 능력을 제한하지 않는 메커니즘을 제어한다.
도 1은 전기기계적 힘 분절(articulation)이 평행 플레이트 캐패시터 액추에이션에 수반되는 도체들의 기하학적 구조를 조절함으로써 달성되는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 간단한 설명을 위해, 도체들은 (적용 분야에 따라 크게 변형될 수 있는) 시스템의 다른 기계적 부품들과 분리되게 도시된다. 도시되지 않은 부품들은 도체들이 증착 또는 내장되는 변형층들, 및/또는 적절히 이격된 관계로 도체들 을 유지하는 스탠드오프(standoff) 층들을 포함할 수 있다. 본 발명의 상세한 설명부에 보다큰 대표 단면도가 제공되도록 도 5에 상기 부품들이 개시되며, 도 1(도 2)에서의 이들의 의도적 생략은 본 발명 및 본 발명의 핵심 개념을 불명료하게 하기 보다는 명확하게 하기 위한 수단 이외의 것으로 해석해서는 안된다.
임의의 개수 및 공간적 구성의 도체들이 각각의 실시예의 동작 원리를 설명하기 위해 도 1 및 도 2에서 선택된다. 본 발명은 이러한 모든 고려사항과 독립적으로 동작하는 한, 임의의 도체들, 구동 메커니즘들, 제조 방식들(schemas)에 전하를 적용하는 임의의 주어진 방안으로 제한되지 않는다. 예시적 대비를 위해, 본 발명의 수행에 따른 영향력이 쉽게 이해되고 그 용도가 인식될 수 있도록 2개의 개별 시스템이 나란히 도시된다. 하나의 도체인 긴 평면형 스트립(101)은 임의의적으로 양전하를 제어가능하게 선택적으로 수용하는 것으로 이해될 수 있다. 마찬가지로 공면인 긴 평면형 스트립인 2개의 다른 도체들(102, 103)은 임의적으로 음전하를 제어가능하게 선택적으로 수용하는 것으로 이해될 수 있다. 도체(101)는 도체들(102, 103)에 대해 이격된 관계에 있고, 비충전 상태에서 도체들(101, 102) 사이의 간격은 항상 간격(104)이며, 도체들(101, 103) 사이의 간격은 비충전시 간격(104)이다. 도체들(101, 102) 간의 직교 오버랩 영역은 본 발명이 구현되지 않는 비분절(unarticulated) 액추에이터를 구성하는 것으로 여겨진다. 도체들(101, 103) 사이에 직교하는 오버랩 영역은 본 발명이 구현되는 분절된 액추에이터를 구성하는 것으로 여겨진다. 본 발명의 특정한 구현은 도체(101)가 연속적이지는 않지만, 평면형 전도성 스트립에 장착된 비-전도성 홀(105)을 나타낸다는 않다는 사 실로 인해 증명되며, 홀은 임의로 원형 형상인 것으로 도시된다. 포지티브 및 네거티브 교차부 영역들(홀(105)의 존재하에 도체들(102, 102)의 오버랩 및 도체들(101, 103)의 오버랩) 사이에서 발생되는 전기기계적 특성들은 두드러지게 상이하며, 액추에이션 기하학구조에 대한 홀(105) 존재의 강력한 효과를 나타내며, 도체들(또는 도체들이 상부에 증착되는 또는 도체들이 내부에 내장되는 도시되지 않은 탄성 캐리어 멤브레인)은 국부적 전기장 및 형성되는 쿨롱 인력 프로파일에 따라 변형된다.
상반되는 전하들이 도체들(101, 102) 양단에 위치될 때, 쿨롱 인력은 도체 및 도체가 고정되는 임의의 관련된 멤브레인의 연속적 변형을 야기시켜, 기계적 변형의 결과로써 저장된 전위 에너지가 최소화된다. 이로 인해 단면도(106)에 도시된 도체(102)의 영역에서 도체(101)의 평활한 휨이 야기된다. (본 발명이 구현되지 않는) 분절된 영역 부근에는 홀(105)이 존재하게 표시된, 본 발명의 실시예를 포함하는 다른 교차부(cross-over)가 있다. 홀(105)의 존재는, 상반되는 전하의 도체(103)에 대해 홀(105)의 주변부로부터 측정되는 것처럼, 전기력이 홀 주변부 부근에 이소다인 영역(동등한 힘 영역)을 형성하게 한다. 이소다인 영역은 홀(105)에 대한 임의적인 형상 선택(즉, 원형)으로 인해 본 실시예에서 환형 형상이다. 단면도에서, 각각의 오버랩 부근의 도체들(101, 103) 상의 상반되는 전하를 인가하는 동안 평면형 도체(101)의 기계적 변형은 상당히 상이한 분절된 프로파일(107)을 산출한다. 홀(105)의 단면 경계는 각각 절단 라인(108, 109)으로 도시된다. 쿨롱 인력은 도체간 상호접속으로 제한되며, 이는 절단 라인들(108, 109) 사이의 영역이 정전기력에 의해 직접 작용하지 않는다는 것을 의미한다. 결과적으로, 절단 라인들(108, 109) 사이의 영역은 그 주변부에서 당겨져, 주변부에서의 힘은 동일하여, 정전기장에 홀(105)이 바람직하게 집중된다.
본 발명이 구현되지 않는 곳(106)의 특성 및 형성화된 도체(홀(105)은 도체들(101, 103) 사이의 오버랩 영역에서 도체(101)와 도체(103) 사이에 환형 이소다인이 야기되게 함)에 의해 본 발명이 구현되는 곳(107)의 특성 각각을 비교해 보면, 상반되는 전하의 도체들 사이의 평행성이 본 발명이 구현되는 곳에서 보다 양호하게 유지될 수 있다는 것을 알 수 있다. 플레이트들 간의 힘은 플레이트들 사이에서 그 분포에 따라 변하며, 이소다인 영역이 생성되도록 선택된 도체 기하학 구조에 의해 분절된다. 본질적으로 이소다인은 플레이트들이 탈선 동안 탄성 변형될 수 있다 하더라도, 평행한 플레이트 캐패시터 시스템의 각각의 플레이트 간의 평행성을 유지한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예를 나타내며, 이는 변형가능한 멤브레인들(명확하게는 도시되지 않음)에 부착된 도체들 간에 개선된 평행성을 보장하기 위해 특정 위치에서 강성 영역의 첨가를 이용한다. 예시적 비교를 위해, 본 발명의 구현에 따른 영향력이 명확히 이해되고 그 용도를 확인하기 위해 2개의 개별 시스템이 나란히 도시된다. 하나의 도체의 긴 평면형 스트립(201)은 임의적으로 양전하를 제어가능하게 선택적으로 수용하는 것으로 이해될 수 있다. 공면인 긴 평면형 스트립의 2개의 다른 도체들(202, 203)은 임의적으로 음전하를 제어가능하게 선택적으로 수용하는 것으로 이해될 수 있다. 도체(201)는 도체들(202, 203)과 이격된 관계에 있으며, 비충전 상태에서 도체들(201, 202) 간의 간격은 항상 간격(204)이며, 도체들(201, 203) 간의 간격은 비충전시 간격(204)이다. 도체들(201, 202) 사이에서 직교하는 오버랩 영역은 본 발명이 구현되지 않는 비분절 액추에이터를 구성하는 것으로 여겨진다. 도체들(201, 203) 사이에서 직교하는 오버랩 영역은 본 발명이 구현되는 분절된 액추에이터를 구성하는 것으로 여겨진다. 본 발명의 특정한 구현예는 도체(201)가 평면형 전도성 스트립 상에 또는 그 내부에 장착되는 첨가된 강성화 부재(205)를 나타낸다는 사실에 의해 증명되며, 부재는 임의적으로 원형 형상(디스크를 포함)인 것으로 도시된다. 부재(205)는 임의의 두께 및 기계적 조성물일 수 있으며, 부재(205) 바로 옆에서 도체(201)의 강성도 및 기계적 강도 및/또는 상부에 도체(201)가 증착되거나 또는 내부에 도체(201)가 내장되는 임의의 관련된 멤브레인의 강성도를 국부적으로 증가시키도록 설계된다(멤브레인은 미도시). 포지티브 및 네거티브 교차부 영역들(홀(105)의 존재시 도체들(201, 202)의 오버랩, 도체들(201, 203)의 오버랩) 사이에서 발생되는 전기기계적 특성은 본질적으로 동일하나, 부재(205)에서 상이한 강성도는 변형으로 인해 결함 특성이 발생되지 않게 한다. 부재(205)는 부재(205) 부근에서 도체(201)(및/또는 관련된 탄성 멤브레인)의 변형에 대한 내부 저항성을 제공하여, 기하학 구조의 분절은 도체들(201, 203)에 대한 상반되는 전하의 인가로부터 발생된다.
상반되는 전하들이 도체들(201, 202) 양단에 배치될 때, 쿨롱 인력은 도체 및 임의의 관련된 멤브레인의 연속적 변형을 야기시켜, 기계적 변형의 결과가 최소화되도록 저장된 전위 에너지로 고정된다. 이로 인해 단면도(206)에 도시된 도 체(202)의 영역에서 도체(201)의 평활한 휨이 야기된다. (본 발명이 구현되지 않는) 분절된 영역 부근에는 도체(201)에 첨가된 원형 디스크와 같이 임의적으로 형상화된 강성화 부재(205)가 존재하게 표시된, 본 발명의 실시예를 포함하는 다른 교차부(cross-over)가 있다. 디스크(205)의 존재는 도체(201) 및 임의의 관련된 멤브레인(미도시)의 기계적 변형 특성을 변화시킨다. 단면도에서, 각각의 오버랩 부근의 도체들(201, 203) 상의 상반되는 전하를 인가하는 동안 평면형 도체(201)의 기계적 변형은 상당히 상이한 분절된 프로파일(207)을 산출한다. 부재(208)로서 단면도로 도시된 부재(205)의 존재는 보다 평탄한 변형 프로파일(207)을 야기시켜, 쿨롱 인력의 인가를 통한 전기기계적 액추에이션 동안 도체들(201, 203) 간의 보다 큰 평행성을 유지한다. 결과적으로, 부재(208)는 변형 부재들이 정전기 액추에이션 동안 평행하게 이격된 관계의 편향을 방해하게 한다.
본 발명의 제 2 실시예가 구현되는 곳(206)의 특성 및 첨가된 강성화 부재(205)(단면도에서 부재(208))에 의해 본 발명이 구현되는 곳(207)의 특성 각각으 비교해 보면, 상반되는 전하의 도체들 사이의 평행성이 본 발명이 구현되는 곳에서 보다 바람직하게 유지될 수 있다는 것을 나타낸다. 전기기계적 액추에이션 동안 도체들의 평행하게 이격된 관계로부터의 편향은 직접적인 기계적 수단에 의한 탈선(excursion) 동안 탄성 변형을 국부적으로 억제함으로써 달성된다.
도 1 및 도 2에 개시된 2개의 실시예는 혼성화되어, 원하는 기계적 프로파일을 유도하는 제 3 실시예를 산출할 수 있다. 도 5는 먼저 2개의 실시예의 혼성화를 단면으로 나타내며, 평행 플레이트 캐패시터 액추에이터 아키텍쳐를 기초로한 MEMS 시스템을 공통적으로 포함하는 앞서 개시되지 않은 보조 부재를 제공한다. 도 5의 단면도에는 상반되는 도체들(500) 사이 단일 교차 포인트가 도시되며, 이는 도 1의 평면형 도체들(101, 103) 사이, 및 도 2의 평면형 도체들(201, 203) 사이의 교차 영역에 해당한다. 혼성화된 제 3 실시예의 구현으로부터 야기되는 특성은 프로파일(107) 또는 프로파일(207)에 도시된 것과 유사하며, 여기서 상반되는 전하를 인가하는 동안 각각의 도체들의 평행하게 이격된 관계가 최소화되도록 변형이 제어된다.
평면형 도체(501)는 각각 도 1 및 도 2의 도체들(101, 201)의 등가물에 해당하며, 평면형 도체(504)는 각각 도 1 및 도 2의 도체들(103, 203)의 등가물에 해당한다. 추가의 보조 부재들이 제공되지만, 대표적으로 설명을 위해 도 5에 제공된 것과 같은 임의의 특정한 구현예로 본 발명이 제한되지 않는다. 도체(504)는 지지 강성 기판(505) 상에 장착되는 반면, 도체(501)는 변형가능한 탄성 멤브레인(502) 상에 장착된다. 멤브레인(502)은 고정된 스탠드오프 구조물(503)에 의해 도체(504) 및 기판(505)과 평행하게 이격된 관계로 유지되며, 고정된 스탠드오프 구조물(503)은 그 사이에 쿨롱 인력이 발생되게 야기하는 상반되는 전하를 도체들(501, 504)에 인가함으로써 야기되는 변형에 의해 멤브레인(502)(및 도체(501))이 자유롭게 이동하는 보이드(507)를 둘러싼다. 탄성 멤브레인(502) 상에 장착된 강성화 부재(506)는 보이드(507) 상에 중심설정된다. 도체(501)는 멤브레인(502)과 부재(506)의 조합된 구조물 위에 증착되어, 도 5에 도시된 것과 같은 굽은 단면이 형성된다. 부재(506) 부근 영역에서(즉, 주변 영역(508)에서) 도체(501)는 정 지(비활성) 상태에 있는 마주하는 도체(504)로부터 고정된 간격에 있는 반면, 영역(509)에 있는 부재(506)의 윤곽을 따르는 도체(501)는 상기 정지 상태에 있는 마주하는 도체(504)로부터 더 먼 간격에 있다.
2개의 개별 원리는 멤브레인(502)의 액추에이션 및 변형 동안 개선된 평행성을 확보하기 위해 본 발명의 제 3의 혼성화 실시예와 함께 작용하여, 상반되는 전하들이 (도체(504)와 멤브레인(502)이 접촉할 수 있도록, 탄성 멤브레인(502) 및 관련된 도체(501)가 기계적으로 변형되고 보이드(507)의 상당부를 점유하는 동안) 도체들(501, 504)에 인가된다. 먼저, 강성화 부재(506)의 존재는 도 2에서 영역(207)에 내재하는 특성들이, 탄성 멤브레인(502)이 강성화 부재(506) 부근에서의 구부러짐으로 제한된다는 동일한 이유에 대해, 발생한다는 것을 의미한다. 둘째, 강성화 부재(506)의 존재는 도체(501)가 도체(501)와 마주하고 있는 도체(504) 사이의 공간 기준으로 계층을 이루게(tiered) 하다는 사실은 도체들의 상이한 공간적 분리를 기초로 2개의 상이한 힘 프로파일이 존재한다는 것을 의미한다. 영역(509)에서 도체의 증가된 간격은 완전히 동일한 것은 아니지만 도체(101)의 홀(105)에 비해 유사한 특성을 산출한다. 불완전한 이소다인이 생성되며, 이는 강성화 부재(506)(508로 표시된 영역)의 주변부 부근의 힘은 부재(506)(509로 표시된 영역)의 바디에 걸쳐 측정된 것보다 크기 때문이다. 따라서, 멤브레인(502)은 강성화 부재(506)에서 보다 강하게 아래로 당겨져 주변부에서 부분적 유사-이소다인 영역이 생성된다. 두꺼운 부재(506)는 509 대 508에서 도체들(501, 504) 사이의 도체 간격을 크게 하여, 영역(107)에서 도 1에개시된 이러한 시스템 방안의 전기력 프로 파일에 근접해진다. 무한한 두께인 부재(506)의 비실용적 경우 도 1에서 홀(105)과 같은, 도체에서의 실제 홀과 유사하지만, 원하는 특성은 이러한 보다 작은 제한치를 발생시켜, 부재(506)의 두께는 508에 비해 영역(509)에서 도체들(501, 504)의 간격을 점차적으로 변화시킨다.
강성화 부재(506)의 조성은 멤브레인(502)의 조성과 동일할 수 있으며, 심지어 몰딩 기술 또는 에칭에 의해 제조된 멤브레인(502) 상의 융기부(protuberance)일 수 있다.
도 5의 단면도에 도시된 본 발명의 제 3 실시예는 바람직하지 못한 국부적 변형에 대해 전기력 분절(articulation) 및 기계적 저항성 모두를 제공하여, 이전의 2개의 실시예를 새로운 하이브리드로 조합한다. 도 5에 도시된 발명의 추가적인 장점은 상대적으로 용이한 제조에 있으며, 이는 유사(quasi)-이소다인 특성이 수동으로 타겟 애플리케이션에 의해 보장 또는 지시되어 표면 상에 분포되는 적절히 선택된 크기 및 형상의 강성화 부재(506)를 이미 가지고 있는 멤브레인(502) 상부에 도체를 증착함으로써 자동적으로 발생되기 때문이다. 또 다른 장점은 도 2의 간단한 강성화된 부재 방안과 제 3 하이브리드 실시예를 비교함으로써 확인된다. 강성화 부재의 두께는 하이브리드 실시예에서 감소될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이며, 이는 액추에이션 동안 달성되는 평행성의 소정의 부담감이 유사-이소다인 정전기력 프로파일 분절에 의해 전달되기 때문이다. 원하는 액추에이션 특성을 얻기 위해 기계적 수단과 전기적 수단 사이에 상기 부담감이 공유되어, 이러한 시스템 설계자는 본 제 3 실시예의 중심 아키텍쳐에 속한 정전기 기여도와 관 련하여 강성화 부재의 두께를 감소시키는 옵션을 갖는다.
본 발명을 실행하기 위한 대표적인 하드웨어 환경이 도 6에 도시되며, 도 6에는 종래의 마이크로프로세서와 같은 중앙 처리 유니트(CPU)(610), 및 시스템 버스(612)를 통해 상호접속된 다수의 다른 유니트들을 포함하는 본 발명에 따른 데이터 처리 시스템(13)의 예시적인 하드웨어 구성을 나타낸다. 데이터 처리 시스템(613)은 랜덤 액세스 메모리(RAM)(614), 리드 온니 메모리(ROM)(616), 및 디스크 유니트(620)와 같은 주변 장치들을 버스(612)와 접속시키는 디스크 어댑터(618), 키보드(624), 마우스(626), 및/또는 터치 스크린 장치(미도시)와 같은 다른 사용자 인터페이스 장치를 버스(612)에 접속시키는 사용자 인터페이스 어댑터(622), 데이터 처리 시스템(613)과 데이터 처리 네트워크를 접속시키는 통신 어댑터(634) 및 버스(612)와 디스플레이 장치(638)를 접속시키는 디스플레이 어댑터(636)를 포함한다. 디스플레이 장치(638)는 본 발명에 개시된 임의의 실시예를 구현할 수 있다. 본 발명에 개시된 임의의 디스플레이들은 도 4A 및 도 4B에 도시된 것과 같은 픽셀들을 포함할 수 있다. CPU(610)는 본 발명에 도시되지 않은 다른 회로를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 실행 유니트, 버스 인터페이스 유니트, 산술 로직 유니트 등과 같이, 마이크로프로세서 내에서 공통적으로 발견되는 회로를 포함할 수 있다. 또한, CPU(610)는 단일 집적회로 상에 제공될 수 있다.

Claims (17)

  1. 제 1 형태의 전하를 선택적으로 수용하도록 구성된 제 1 도체;
    상기 제 1 도체와 직교하게 배치된 제 2 도체; 및
    상기 제 2 도체에 장착된 비전도성 홀
    을 포함하며, 상기 제 2 도체는 제 2 형태의 전하를 선택적으로 수용하도록 구성되며, 상기 제 1 도체 및 제 2 도체는 비충전 상태 동안 고정된 간격을 두고 이격되며, 상기 제 1 도체 및 상기 제 2 도체 양단에 상반되는 전하들이 배치될 때, 상기 비전도성 홀 부근에 이소다인(isodyne) 영역이 형성되는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이소다인 영역은 상기 비전도성 홀의 주변부 부근에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 형태의 전하를 선택적으로 수용하도록 구성된 제 1 도체;
    상기 제 1 도체와 직교하게 배치된 제 2 도체; 및
    상기 제 2 도체 상에 또는 상기 제 2 도체 내에 장착된 강성화(rigidizing) 부재
    를 포함하며, 상기 제 2 도체는 제 2 형태의 전하를 선택적으로 수용하도록 구성되며, 상기 제 1 도체 및 상기 제 2 도체는 비충전 상태 동안 고정된 간격을 두고 이격되며, 상기 강성화 부재는 상기 제 2 도체의 기계적 강도 및 강성도를 증가시키도록 구성되며, 상기 제 1 도체 및 상기 제 2 도체 양단에 상반되는 전하들이 배치될 때, 상기 강성화 부재는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체의 오버랩 영역에서 상기 제 2 도체의 편향(deviation)을 방지하는, 장치.
  4. 변형가능한 탄성 멤브레인의 제 1 부분 상에 제공되는 제 1 도체;
    강성 기판 상에 제공되는 제 2 도체;
    보이드를 둘러싸는 스탠드오프 구조물; 및
    상기 변형가능한 탄성 멤브레인의 제 2 부분 상에 제공되는 강성화 부재
    를 포함하며, 상기 스탠드오프 구조물은 상기 제 2 도체로부터 평행하게 이격된 관계로 상기 변형가능한 탄성 멤브레인을 유지하며, 상기 강성화 부재는 상기 보이드 위에서 중심설정되며, 상기 제 1 도체는 상기 변형가능한 탄성 멤브레인의 상기 제 2 부분 위에 제공되는 상기 강성화 부재 상에 제공되는, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 강성화 부재 부근의 영역에 있는 상기 제 1 도체는 비활성 상태의 상기 제 2 도체로부터 고정된 간격에 있고, 상기 강성화 부재의 윤곽을 따르는 상기 제 1 도체는 상기 비활성 상태의 상기 제 2 도체로부터 보다 먼 간격에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 도체 및 상기 변형가능한 탄성 부재는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체에 상반되는 전하의 인가에 의해 야기되는 변형에 의해 이동이 자유로운 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 도체 및 상기 제 2 도체에 상반되는 전하가 인가될 때, 상기 변형가능한 탄성 멤브레인은 상기 강성화 부재 부근의 가요성(flexing)으로 인해 제한되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 강성화 부재는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체 사이의 공간을 중심으로 상기 제 1 도체가 계층을 이루어 2개의 상이한 힘 프로파일이 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 강성화 부재의 주변부에서의 힘은 상기 강성화 부재의 바디를 통한 것보다 큰 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 변형가능한 탄성 멤브레인은 상기 강성화 부재의 상기 바디 보다 상기 강성화 부재의 상기 주변부에서 보다 강하게 아래로 당겨지는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 디스플레이 시스템으로서,
    디스플레이 상에 다수의 픽셀들을 포함하며, 상기 다수의 픽셀들 각각은,
    변형가능한 탄성 멤브레인의 제 1 부분 상에 제공되는 제 1 도체;
    강성 기판 상에 제공되는 제 2 도체;
    보이드를 둘러싸는 스탠드오프 구조물; 및
    상기 변형가능한 탄성 멤브레인의 제 2 부분 상에 제공되는 강성화 부재
    를 포함하며, 상기 스탠드오프 구조물은 상기 제 2 도체로부터 평행하게 이격된 관계로 상기 변형가능한 탄성 멤브레인을 유지하며, 상기 강성화 부재는 상기 보이드 위에서 중심설정되며, 상기 제 1 도체는 상기 변형가능한 탄성 멤브레인의 상기 제 2 부분 위에 제공되는 상기 강성화 부재 상에 제공되는, 디스플레이 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 강성화 부재 부근의 영역에 있는 상기 제 1 도체는 비활성 상태의 상기 제 2 도체로부터 고정된 간격에 있고, 상기 강성화 부재의 윤곽을 따르는 상기 제 1 도체는 상기 비활성 상태의 상기 제 2 도체로부터 보다 먼 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 도체 및 상기 변형가능한 탄성 멤브레인은 상기 제 1 도체 및 상기 제 2 도체에 상반되는 전하의 인가에 의해 야기되는 변형에 의해 이동이 자유로운 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체에 상반되는 전하가 인가될 때, 상기 변형가능한 탄성 멤브레인은 상기 강성화 부재 부근의 가요성으로 인해 제한되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 강성화 부재는 상기 제 1 도체와 상기 제 2 도체 사이의 공간을 중심으로 상기 제 1 도체가 계층을 이루어 2개의 상이한 힘 프로파일이 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 강성화 부재의 주변부에서의 힘은 상기 강성화 부재의 바디를 통한 것 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 변형가능한 탄성 멤브레인은 상기 강성화 부재의 상기 바디 보다 상기 강성화 부재의 상기 주변부에서 보다 강하게 아래로 당겨지는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
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