TWI510427B - 可個別定址奈米級機械致動器 - Google Patents

Description

可個別定址奈米級機械致動器

本發明係關於可個別定址奈米級機械致動器。

發明背景

在最近二十年中，在將微電子與小型機械裝置結合以實現不能以一普通尺度實施的各種不同功能上已有巨大進展。利用微加工技術，矽基積體電路、電子設備及微米級機械元件、感測器及致動器可被整合至一共同基板上以產生微機電系統(MEMS)裝置。MEMS裝置已發現在航空航太、汽車、生物技術、機器人學及消費電子中的廣泛應用。例如，許多基於DLP投影技術的顯示裝置使用一數位微鏡裝置(DMD)晶片，其為在其表面上具有數十萬與顯示器之像素對應的微鏡的一MEMS裝置。各微鏡方向可被個別控制以改變鏡反射來自一光源的光。

隨著微型化趨勢持續，製作微型化裝置的新領域現在已移向奈米級，一奈米機電系統(NEMS)裝置的電子及機械元件通常以奈米或數十奈米計量。與MEMS裝置相比，NEMS裝置具有提供新功能的潛力，不僅是由於數量級較小的裝置尺寸，也由於奈米級裝置可展現非常不同於微米級上的物理現象。

然而，研發NEMS裝置的一主要挑戰是提供一適當致動機構以操作奈米級機械裝置的困難度。用於MEMS裝置中的致動機構典型地不易於縮小比例到奈米級同時維持它們 的可操作性或個別定址能力。建議使用壓電材料以形成奈米級致動器，但是此等壓電成份在奈米級上製造是困難且昂貴的。

依據本發明之一實施例，係特地提出一種奈米級機械致動器，包含：一奈米級寬度的一第一電極；一奈米級寬度的一第二電極；一作用區，位於該第一與第二電極之間，且與該兩電極電接觸；一球狀物，能夠在該作用區與該第一電極之間的一介面處被形成，導致該致動器的一頂面的一凸起，其中該作用區包含一可電解分解材料，被選擇成當一第一極的一啟動電壓被施加於該第一與第二電極時，釋放一氣體以形成該球狀物，且當具有與該第一極相反的一第二極的一解除啟動電壓被施加於該兩電極時從該球狀物吸收該氣體。

圖式簡單說明

本發明之一些實施例以範例方式相對於以下圖示被描述：第1圖是依據本發明之一實施例，一具有個別可定址機械致動器的二維奈米級致動器陣列的示意透視圖；第2圖是第1圖陣列中一奈米級機械致動器的截面示意圖；第3A圖及第3B圖是依據本發明之實施例，奈米級機械致動器在兩個不同啟動模式下的截面示意圖；第4圖是依據本發明之一實施例，具有可藉由第1圖之致動器陣列被個別致動的鏡的一奈米級二維鏡陣列的示意正視圖；第5A圖及第5B圖是依據本發明之一實施例，被耦合至第2圖的一奈米級致動器的一奈米級鏡的截面示意圖。

較佳實施例之詳細說明

第1圖繪示依據本發明之一實施例的一致動器陣列100，其具有複數個奈米級機械致動器。如下文所使用的，名詞「奈米級」意指物件具有一或一以上小於一微米的量綱。致動器陣列100以一奈米線交叉陣列的形式被實施，其具有近乎平行於奈米線102的一第一層101，奈米線102放置在大體平行於奈米線104的一第二層103上。各奈米線由一導電材料形成，其可以是諸如鉑、鋁等等的一金屬，諸如銦錫氧化物、氧化鋅、銥氧化物或釕氧化物的一導電氧化物，或一導電聚合物，或任一其他適當導電材料。第一層的奈米線104延伸在一與第二層奈米線104延伸方向成一角度的方向上。該角度可為大約90度(即，垂直)，或任何取決於特定裝置布置的角度。兩層奈米線102及104形成一通常稱為一交叉結構的二維晶格，在第一層的每一奈米線102與第二層的複數奈米線104交叉。如下文更詳細所述，依據本發明，各交叉區域106可被形成一奈米級機械致動器112。

第一及第二層101及103的奈米線102及104具有奈米級的一寬度及厚度。例如，奈米線可具有範圍從15nm到500nm的一寬度，及從5nm到500nm的一厚度。奈米線層可使用習知製作技術被製作，包括各種圖案化、沉積，及/或蝕刻技術，諸如機械奈米銘印、光刻、電子束微影術、化學濕蝕刻或電漿蝕刻等等。諸奈米線可具有各種截面形狀。在一較佳實施例中，奈米線102及104具有大體矩形的截面，寬度可顯著大於厚度。

作為本發明之實施例的一特徵，在第一及第二層101及103的奈米線的一交叉106處形成的各致動器112可被個別定址以藉由選擇兩個形成交叉的奈米線來啟動。定址可例如使用習知多工/解多工架構被實現。為此，奈米線交叉結構100可透過各種不同連接方案被連接至微米級位址線或其他電子引線，以將奈米線結合至電子電路。

第2圖繪示在第一層的一奈米線102與第二層的一奈米線104之交叉處形成的一奈米級機械致動器112。建立在一基板114上的致動器112包括一頂電極116、一底電極118，及一被夾在頂電極與底電極之間且與它們接觸的作用區120。在此實施例中，頂電極116是在第一層的一奈米線102的一段，且底電極118是在第二層的一奈米線104的一段。當形成此連接點的兩奈米線102及104經由上述定址方案被選擇時，該兩奈米線可被連接至一控制電路的一電壓源122，以施加一電壓在兩電極116、118之間且穿過作用區120。

依據本發明之一特徵，作用區120包含一可電解分解材料。如本文所使用，名詞「可電解分解材料」意指可在一藉由在電極116與118之間施加一偏壓而產生的電解過程中被分解。在作用區120中的可電解分解材料可以是，例如一金屬氧化物或金屬氮化物。在第2圖所示實施例中，該可電解分解材料是TiO₂ 。

當一足夠大的電壓被施加於電極116與118時，電化還原及氧化發生在可電解分解材料與該等電極之間的介面處。在電解反應中，正電極作用為陽極，而負電極作用為陰極。由於陽極的氧化作用，一氣泡在陽極形成。該氣泡導致的局部結構變形可進而以一受控方式經由適當機械耦合被用以提供奈米級致動。

為了進一步解釋此現象，第3A圖及第3B圖繪示具有在不同位置形成的一氣泡的致動器112。在第3A圖所示操作模式中，底電極118是陽極，及一相對於頂電極116的正電壓被施加於底電極118。為了啟動致動器112，該致動器被選擇成從電壓源122接收一啟動電壓。當該電壓超出一臨界電壓時，接近電極118的TiO₂ 材料中的O^2- 離子就失去電子的意義上而言開始被氧化，且變成O₂ 氣體。同時，由於失去O^2- 離子，在此介面形成的氧空位朝向頂電極116漂移至作用區120，頂電極116在此電解過程中是陰極。氧空位的引入將TiO₂ 材料還原成TiO_2-x ，x是顯著小於1的一數字。

由此電解分解過程形成的O₂ 氣體被捕集在TiO₂ 材料層124與底電極118之間。隨著O₂ 氣體累積在TiO₂ 材料與底電極118之間的介面處，其形成一球狀物128。如果TiO₂ 層被適當地沉積，則其足夠密緻地積聚而能防止O₂ 氣體經由作用區120逸出。在這點上，TiO₂ 層124可由物理汽相沉積(濺鍍)或典型地產生足夠高品質膜的原子層沉積(ALD)形成。可供選擇地或任選地，一鈍化層132可被沉積在頂電極116上以密封整個致動器112，以防止O₂ 氣體逸出。

因為一氣體典型地佔有比一固體約多3數量級的體積，一相當大的球狀物可藉由僅還原作用區120中的一小部份TiO₂ 被形成。由於球狀物128在底電極118處形成，底電極118與頂電極116之間的間隔134被局部增加。這導致致動器頂面136的一凸起。依據本發明之一特徵，與頂面的此凸起或升高相關聯的實體位移可經由適當機械耦合被利用以實現一微型機械裝置的致動。因為致動器112的尺寸受限於皆屬奈米級的電極116與118之寬度及作用區120之厚度，該致動器極其小型化且因而適於致動奈米級機電裝置(NEMS)。另外，當需要奈米級的精細實體移動或調整時，此一奈米級致動器也可被用以致動微米級機電裝置(MEMS)。

球狀物128之尺寸取決於在電解反應中被轉換成O-₂ 氣體的O^2- 離子量，而這又取決於電流通過頂電極116與頂電極118之間的作用區120的時間積分。因此，球狀物132可易於藉由控制電流的持續時間及大小被調整以實現一所需致動量。

另外，球狀物128之形成是可逆的。在球狀物128如第3A圖中所示被形成時，電極116與118之間的電壓極性可被反向使得此時正電壓被施加於頂電極116而負電壓被施加於底電極118。換句話說，此時頂電極是電解反應的陽極，而底電極是陰極。這導致球狀物128中的O-₂ 氣體變回O^2- 離子，其被擴散回作用區中的TiO_2-x 材料。由於O₂ 氣體被吸收回到TiO₂ 層124，球狀物128之尺寸被減小。當球狀物128最終消失時，致動器112被返回至第2圖所示的未致動狀態。

作為第3A圖中致動器操作的一種選擇，球狀物128在底電極118處形成，而一球狀物在頂電極116處形成。如第3B圖所示，這藉由對頂電極116施加一相對於底電極118的正電壓被實現，同時致動器112最初處於一未致動狀態，如第2圖所示。在此情況中，頂電極116是陽極，底電極118是陰極。由於上述同一還原/氧化(「氧化還原」)機制，一球狀物138在頂電極116與作用區120中的TiO₂ 材料之間的介面處被形成。球狀物138使頂電極118凸起，藉此產生底電極與頂電極之間的局部間隔。由此凸起導致的致動器之頂面136之位移再次可被用以致動一奈米級或微米級機電裝置。如果需要，一可任選鈍化層132可有助於防止O₂ 氣體透過頂電極逸出。鈍化層通常是一介電材料，諸如一氧化物或一氮化物或一氮氧化物。

可個別定址奈米級機械致動器陣列100可被用於多個奈米級機械裝置需要機械致動的各種應用中。例如，致動器陣列100可被用以個別改變在第4圖所示的一二維奈米級鏡陣列140中的鏡144之方向，以在不同方向上反射光。此鏡陣列140可以一與用於PLD裝置中所使用的一微米級鏡陣列相似的方式作用、但在一小得多的尺度上作用。

為了提供致動功能，鏡陣列140放置於致動器陣列100 上，使得每一鏡被機械耦合至其底下的一致動器。如第5A圖所示，致動器12頂面到鏡144之移動可藉由一機械耦合器150轉移，該機械耦合器150可被製作在致動器112之頂面136上，或被形成為鏡組配件144的一部份。在第5A圖所示實施例中，耦合器150被繪示成一簡單推桿狀組件。然而，更精細或複雜的耦合器可被使用，而不脫離本發明之範圍。奈米級鏡144被繪示成具有一鉸鏈160及一軛162，與用在PLD應用中的鏡陣列中的一微米級鏡之典型機械式懸掛相似。可供選擇地，鏡144可被支持在一桿166上，當致動器被啟動時，桿166可對耦合組件150的運動反應而被彎曲。

在第5A圖中，致動器112處於其原始或未啟動狀態。在第5B圖中，致動器被啟動以在底電極118形成一球狀物128。為此，形成此致動器之電極116及118的奈米線被選擇以接收來自電壓源122的啟動電壓。這使致動器上表面136凸起，使耦合組件150上移。耦合組件150進而上推鏡144之軛162，藉此傾斜鏡表面170到不同於第5A圖的一方向。一旦被啟動，致動器112可處於致動狀態，因為當電極上的電壓被移去時，球狀物尺寸不改變。此提供穩定狀態致動的能力使致動器能被用於被致動機械裝置的位置意欲為固定或不常改變的許多應用中。然而，上述電解反應之可逆性容許鏡方向藉由增加或減少球狀物中的O₂ 氣體量以改變球狀物尺寸而被進一步調整。

為了將鏡方向返回其原始方向，諸電極可再次被選擇，且一解除啟動電壓可被施加於諸電極以吸收泡中氣體回到致動器112作用區中的可電解分解材料中。

在上文描述中，許多細節被闡述以提供對本發明的理解。然而，熟習該技藝者將理解本發明在毋需此等細節下可能被實施。雖然本發明已就一有限數目的實施例被揭露，熟習該技藝者將瞭解其之許多修改及變化。所附申請專利範圍意圖涵蓋此種在本發明之真實精神及範圍內的修改及變化。

100．．．致動器陣列

101．．．第一層

102、104．．．奈米線

103．．．第二層

106．．．交叉區域

112．．．奈米級機械致動器

114．．．基板

116．．．頂電極

118．．．底電極

120．．．作用區

122．．．電壓源

124．．．TiO₂ 層

128、138．．．球狀物

132．．．鈍化層

134．．．間隔

136．．．致動器頂面

140．．．鏡陣列

144．．．鏡

150．．．耦合器

160．．．鉸鏈

162．．．軛

166．．．桿

170．．．鏡表面

第1圖是依據本發明之一實施例，一具有個別可定址機械致動器的二維奈米級致動器陣列的示意透視圖；

第2圖是第1圖陣列中一奈米級機械致動器的截面示意圖；

第3A圖及第3B圖是依據本發明之實施例，奈米級機械致動器在兩個不同啟動模式下的截面示意圖；

第4圖是依據本發明之一實施例，具有可藉由第1圖之致動器陣列被個別致動的鏡的一奈米級二維鏡陣列的示意正視圖；

第5A圖及第5B圖是依據本發明之一實施例，被耦合至第2圖的一奈米級致動器的一奈米級鏡的截面示意圖。

100．．．致動器陣列

101．．．第一層

102、104．．．奈米線

103．．．第二層

106．．．交叉區域

112．．．奈米級機械致動器

Claims (15)

1. 一種奈米級機械致動器，包含：一奈米級寬度的一第一電極；一奈米級寬度的一第二電極；一作用區，設置於該第一與第二電極之間且與其等電接觸；一球狀物，能夠在該作用區與該第一電極之間的一介面處被形成，導致該致動器之一頂面的一凸起，其中該作用區包含一可電解分解材料，被選擇成當一第一極的一啟動電壓被施加於該等第一與第二電極時，釋放一氣體以形成該球狀物，且當具有與該第一極相反之一第二極的一解除啟動電壓被施加於該等電極時，從該球狀物吸收該氣體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之奈米級機械致動器，其中該可電解分解材料是一金屬氧化物。
3. 如申請專利範圍第2項所述之奈米級機械致動器，其中該可電解分解材料是氧化鈦。
4. 如申請專利範圍第1項所述之奈米級機械致動器，進一步包括一機械耦合組件，其被機械耦合至該致動器之該頂面，用以轉移該頂面由於該球狀物所導致之凸起的運動。
5. 如申請專利範圍第1項所述之奈米級機械致動器，其中該第一電極是一第一奈米線的一段，而該第二電極是與該第一奈米線以一角度交叉之一第二奈米線的一段。
6. 一種可定址奈米級機械致動器陣列，包含：以一第一方向延伸的一第一組導電奈米線；以一第二方向延伸且與該第一組奈米線交叉的一第二組導電奈米線；複數個在該等第一及第二組奈米線之交叉處形成的致動器，各致動器具有由該第一組的一奈米線之一段形成的一第一電極，及由該第二組的一奈米線之一段形成的一第二電極，及包含被夾在該等第一與第二電極之間之一可電解分解材料的一作用區，至少一致動器能夠有一球狀物在該處被形成，導致該致動器的一頂面的一凸起，其中該可電解分解材料係被選擇成當一第一極的一啟動電壓被施加於該等第一及第二電極時，釋放一氣體以形成該球狀物，且當與該第一極相反之一第二極的一解除啟動電壓被施加於該等第一與第二電極時，從該球狀物吸收該氣體。
7. 如申請專利範圍第6項所述之可定址奈米級機械致動器陣列，其中該可電解分解材料是一金屬氧化物。
8. 如申請專利範圍第7項所述之可定址奈米級機械致動器陣列，其中該可電解分解材料是氧化鈦。
9. 如申請專利範圍第6項所述之可定址奈米級機械致動器陣列，進一步包括一機械耦合組件，其被機械耦合至該致動器之該頂面，用以轉移該頂面由於該球狀物導致之凸起的運動。
10. 如申請專利範圍第6項所述之可定址奈米級機械致動器陣列，其中該等致動器係採一個二維陣列形成。
11. 一種致動奈米級機械裝置的方法，包含：在該機械裝置與一致動器陣列中的一致動器的一頂面之間提供一機械耦合，該致動器陣列具有以一第一方向延伸的一第一組導電奈米線及以一第二方向延伸且與該第一組奈米線交叉的一第二組導電奈米線，該致動器被形成於該第一組的一第一奈米線與該第二組的一第二奈米線的一交叉處，且具有包含被夾在該等第一與第二奈米線之間之一可電解分解材料的一作用區；選擇該等第一及第二奈米線用於連接至一電壓源；將來自該電壓源的一啟動電壓施加至該等第一及第二奈米線，以使該可電解分解材料釋放一氣體而形成一球狀物，導致該頂面的一凸起，藉此透過該機械耦合致動該機械裝置。
12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，進一步包括如下步驟：連接該等第一及第二奈米線以從該電壓源接收一解除啟動電壓，其中該解除啟動電壓具有一與該啟動電壓相反的極，且導致該氣體被吸收至該可電解分解材料，藉此減少該球狀物之一尺寸。
13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該可電解分解材料是一金屬氧化物，且形成該球狀物的該氣體是氧氣。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該金屬氧化物是氧化鈦。
15. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該奈米級機械裝置是一鏡。