專利名稱：包括交替的主動(dòng)和反向段盤旋結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的領(lǐng)域是機(jī)械系統(tǒng)及方法，更具體說(shuō)，涉及機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)及方法。
在M.Edward Motamedi等人的題為《微機(jī)電光學(xué)掃描器的發(fā)展》〔光學(xué)工程(Opt.Eng.)36(5)1346-1353頁(yè)、1997年5月〕供參考的一文中，舉例來(lái)說(shuō)，討論了雙晶(Bimorph，雙壓電晶體)微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具體說(shuō)，雙晶微執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微細(xì)加工的橫梁(Beam)，其曲率可通過(guò)加上電信號(hào)而受控制。最簡(jiǎn)單的雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)復(fù)合梁，在它的不同層中有不同的結(jié)構(gòu)上的和電的特性。雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行為可取決于組成該橫梁的不同層次的尺寸、密度、彈性系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、及/或壓電特性。
在作為參考的S.Calmes等人的題為《諧振的大角度和低損耗的微細(xì)加工的光學(xué)掃描器》(SPIE Vol.3276 PP.96-102,1988)一文中討論了雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫梁在單片光學(xué)集成微型掃描器中的應(yīng)用。在這篇參考文獻(xiàn)中，該器件含有一個(gè)反射鏡，位于熱雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)橫梁的端上。該器件用電-熱-機(jī)的方式在其諧振頻率上被激勵(lì)，從而引起在低的功率消耗下有大的角度偏轉(zhuǎn)。另外的雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)在Xi-Qing Sun等人的題為《基于兩片多晶懸臂式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)微繼電器》(IEEE論文集，微機(jī)電系統(tǒng)，1998年pp.154-159)的作為參考的一文中作了討論。參考文獻(xiàn)Motamedi等人、Calmes等人以及Sun等人的每一篇的揭示都以其完整形式在此引用作為參考。
盡管上面已討論了雙晶執(zhí)行機(jī)構(gòu)，但仍然存在著這樣的需要，即要求有改進(jìn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及形成它們的方法的技術(shù)。
按照本發(fā)明的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以包括由交替的主動(dòng)段和反向段組成的盤旋結(jié)構(gòu)，其中的主動(dòng)段響應(yīng)于對(duì)它的致動(dòng)作用而偏折。特別是，在動(dòng)作期間主動(dòng)段可能朝第一方向彎曲或偏折而反向段則并不明顯地偏折或以主動(dòng)段的相反方向偏折。因此，反向段能夠增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體偏折量而不必增加主動(dòng)段的長(zhǎng)度。尤其是，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是尺度可變的，即通過(guò)增加另外的交替的主動(dòng)段和反向段就可實(shí)現(xiàn)更大的偏折。通過(guò)提供以與主動(dòng)段相反方向偏折的反向段，就可得到更大的偏折。另一種方式是，反向段也可與主動(dòng)段以同一方向偏折，只不過(guò)偏折量稍小。
按照本發(fā)明的微型機(jī)械系統(tǒng)可以包括一個(gè)基體，一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)受動(dòng)元件。具體說(shuō)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以包括一個(gè)由交替的主動(dòng)段和反向段組成的盤旋結(jié)構(gòu)，其第一端錨固在基體上，其中的主動(dòng)段響應(yīng)加在其上的作用而偏折，使得盤旋結(jié)構(gòu)的第二端在主動(dòng)段偏折時(shí)相對(duì)于基體運(yùn)動(dòng)。受動(dòng)元件安裝在該盤旋結(jié)構(gòu)的第二端，從而使受動(dòng)元件在主動(dòng)段偏折時(shí)相對(duì)于基體而運(yùn)動(dòng)。
更加具體地說(shuō)，每個(gè)主動(dòng)段可以包括一個(gè)雙晶段，它含有由具有第一熱膨脹系數(shù)的第一種材料構(gòu)成的第一層和由具有第二熱膨脹系數(shù)的第二種材料構(gòu)成的第二層，這第二熱膨脹系數(shù)與第一熱膨脹系數(shù)不同，從而使主動(dòng)段依據(jù)它的溫度變化而偏折。另外，交替的主動(dòng)和反向段可以是并行的梁，而盤旋結(jié)構(gòu)的第二端可以沿著與并行梁相垂直的軸而轉(zhuǎn)動(dòng)?；w也可以含有一個(gè)槽在其中并與盤旋結(jié)構(gòu)相鄰以減少對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的干擾。
這種系統(tǒng)還可以包括第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它含有第二個(gè)由交替的主動(dòng)段和反向段組成的盤旋結(jié)構(gòu)，并以其第一端錨固在基體上。第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主動(dòng)段可根據(jù)對(duì)它的作用而偏折，從而使第二個(gè)盤旋結(jié)構(gòu)的第二端在主動(dòng)段偏折時(shí)相對(duì)于基體而運(yùn)動(dòng)，而第二個(gè)盤旋結(jié)構(gòu)的第二端可以安裝到受動(dòng)元件上。另外，該系統(tǒng)在相應(yīng)的第一和第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的第一和第二盤旋結(jié)構(gòu)的各自的第二端和一個(gè)信號(hào)發(fā)生器之間可以包括一個(gè)電氣通路。該信號(hào)發(fā)生器可以在相應(yīng)的第一和第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的第一和第二盤旋結(jié)構(gòu)的第一端之間連接，從而由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)去動(dòng)作第一和第二個(gè)盤旋結(jié)構(gòu)的主動(dòng)段。
這樣，按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)和方法可以在微型機(jī)械系統(tǒng)中提供增大的旋轉(zhuǎn)和/或運(yùn)動(dòng)的范圍。


圖1是按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平面圖。
圖2是按照本發(fā)明的第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)在被推動(dòng)狀態(tài)時(shí)的橫截面圖。
圖3是含有兩個(gè)按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微型機(jī)械系統(tǒng)的平面圖。
圖4A-D是說(shuō)明沿著線XX′形成圖3所示的微型機(jī)械系統(tǒng)的各步驟的截面圖。
圖5A-B是說(shuō)明包括按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和靜電夾持器的微型機(jī)械系統(tǒng)的截面圖。
圖6和7是說(shuō)明含有按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另外兩個(gè)微型機(jī)械系統(tǒng)的平面圖。
圖8是按照本發(fā)明的第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的截面圖。
現(xiàn)在將在下面參考所附插圖更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將示于這些圖中。但是，本發(fā)明可以用許多不同形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)理解為限制于這里所提出的實(shí)施例，相反，這些實(shí)施例的提供只是為了使這一說(shuō)明更加透徹和完整，并將向熟悉本技術(shù)的人們充分說(shuō)明本發(fā)明的范圍。在附圖中，各個(gè)層次和區(qū)域的厚度為了清晰起見(jiàn)是跨大的。相同的數(shù)字在整體中代表相同的元件。應(yīng)該理解，當(dāng)一個(gè)元件，例如一層、一個(gè)區(qū)或一個(gè)基體被說(shuō)成是在另一元件之“上”時(shí)，它可以是直接在其上面也可能中間還有別的元件。相反，當(dāng)一個(gè)元件被稱為“直接在”另外元件之上時(shí)，那就不再有中間元件存在。此外，當(dāng)說(shuō)一個(gè)元件被“連接”或“耦合”到另一元件時(shí)，它可以是直接發(fā)連接到或耦合到另一元件，也可能中間存在其它元件。相反，當(dāng)說(shuō)一個(gè)元件是“直接連接到”或“值接耦合到”另一元件時(shí)，中間就不存在其它元件。
按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)21可以如圖1所示包括一個(gè)交替的主動(dòng)分段23A-D和反向分段25A-C的盤旋結(jié)構(gòu)，其中的主動(dòng)分段23A-D依據(jù)對(duì)它的作用而偏折。按照本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例，每個(gè)主動(dòng)分段23包括一個(gè)雙晶段，它含有由具有第一熱膨系數(shù)的第一材料構(gòu)成的第一層和由具有與第一熱膨脹系數(shù)不同的第二熱膨脹系數(shù)的第二材料構(gòu)成的第二層。因此，通過(guò)改變它的溫度就可以引起雙晶分段的偏折。另外，根據(jù)主動(dòng)分段所用的各個(gè)層次的其它性質(zhì)，例如構(gòu)成主動(dòng)段的各個(gè)層次的尺寸、密度、彈性系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、及/或壓電性質(zhì)等也可提供這種作用。
與此相對(duì)照，反向分段25A-C在主動(dòng)段23A-D的作用下只提供較小的偏折。按照一特定的實(shí)施例，每個(gè)主動(dòng)段23可以只包括一個(gè)單晶段，它含有一層單獨(dú)的材料，從而在主動(dòng)段23A-D的作用下反向的單晶段25A-C并不明顯地偏折。更具體地說(shuō)，包括具有不同的熱膨脹系數(shù)的層次的主動(dòng)雙晶分段和具有單獨(dú)一種材料層次的反向單晶分段這樣兩種分段的執(zhí)行機(jī)構(gòu)21可以被加熱，從而使主動(dòng)又晶段響應(yīng)于溫度的變化而偏折，而反向單晶段則不會(huì)依據(jù)溫度的變化而明顯地偏折。雖然其它結(jié)構(gòu)也是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，但包括主動(dòng)雙晶段和反向單晶段的執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)將作為本發(fā)明的特定實(shí)施例而作更加詳細(xì)的討論。不過(guò)，熟悉本技術(shù)的人們會(huì)理解，這樣做的目的是為了說(shuō)明，而在這里討論的具體例子不會(huì)限制在權(quán)利要求中提出的本發(fā)明的范圍。
在圖1中說(shuō)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，盤旋結(jié)構(gòu)的第一端31可以在錨固點(diǎn)27處固定在基體上(如圖2所示)，從而使盤旋結(jié)構(gòu)的第一端31相對(duì)于基體是固定的而盤旋結(jié)構(gòu)的第二端33對(duì)于基體是活動(dòng)的。因此，盤旋結(jié)構(gòu)的第二端33如圖1和圖2的截面圖所示當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)被驅(qū)動(dòng)時(shí)就會(huì)圍繞軸35沿著弧37轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖2中，線23D(用交替的點(diǎn)和短劃表示)表示在執(zhí)行機(jī)構(gòu)未被驅(qū)動(dòng)時(shí)主動(dòng)段23D的位置，同時(shí)也表示主動(dòng)段23A-C以及反向段25A-C的位置。換句話說(shuō)，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)未被驅(qū)動(dòng)時(shí)，所有的主動(dòng)和反向段都可以位于一個(gè)平面內(nèi)，且這個(gè)公共的平面可能和第一端33錨固于其上的基體51的平面相并行。另外，在基體51上可以提供一個(gè)槽53以便為盤旋結(jié)構(gòu)在動(dòng)作時(shí)提供一個(gè)間隙。
主動(dòng)段和反向段的每一段在動(dòng)作時(shí)的位置用參考數(shù)字23A′-23D′和25A′-25C′示于圖2中。如圖所示，每個(gè)主動(dòng)段23A′-23D′(用實(shí)線表示)在對(duì)它作用時(shí)都偏離基體而彎曲或偏折，而每個(gè)反向段25A′-25C′(用虛線表示)則保持較為平直的方向。通過(guò)在盤旋結(jié)構(gòu)中保持較為平直的反向段，自由端33-33′的角位移能夠增大而不必增大主動(dòng)段的長(zhǎng)度。換句話說(shuō)，自由端33-33′的角位移可以通過(guò)增加盤旋結(jié)構(gòu)中的交替的主動(dòng)和反向段的數(shù)量而增加而不必增加主動(dòng)或反向段的長(zhǎng)度。
與此相對(duì)照，為了在其自由端得到相類似的角位移，具有相同截面的單一直線型主動(dòng)段可能需要比圖1和2中所示的明顯地長(zhǎng)得多的主動(dòng)段。此外，這樣一個(gè)更長(zhǎng)的直線型主動(dòng)段為了使它的自由端提供和圖1和2所示的盤旋結(jié)構(gòu)所提供的同樣的角位移，其自由端33相對(duì)于基體31可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯地大得多的側(cè)向位移。和單一的直線型執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，圖1和2的盤旋結(jié)構(gòu)可以在具有減少了長(zhǎng)度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中提供所需要的角位移而同時(shí)又減少了為得到所需的角位移而使用的側(cè)向位移。此外，圖1和2的盤旋結(jié)構(gòu)還可能提供任何長(zhǎng)度的單一直線型主動(dòng)段所達(dá)不到的角位移。
如在下面將更詳細(xì)地討論的，主動(dòng)段23可以使用雙晶結(jié)構(gòu)來(lái)提供，這種結(jié)構(gòu)包括具有不同的熱膨脹系數(shù)材料的各個(gè)層次，而反向段則可使用它包括單獨(dú)一層材料的單晶結(jié)構(gòu)來(lái)提供。反向段也可以另外用能提供下面將作更多討論的特性的多層次分段來(lái)提供。在加熱時(shí)，主動(dòng)雙晶段由于熱膨脹系數(shù)的差異而彎曲或偏折，而反向單晶段則并不明顯地彎曲或偏折。熱可以用焦耳加熱來(lái)提供，例如使電流流過(guò)盤旋結(jié)構(gòu)。這樣就可以通過(guò)控制流經(jīng)盤旋結(jié)構(gòu)的電流來(lái)控制其動(dòng)作。替代地或外加地，加熱元件可以相鄰于盤旋結(jié)構(gòu)來(lái)提供，及/或外圍加熱也可以用來(lái)動(dòng)作盤旋結(jié)構(gòu)。
包括按照本發(fā)明的一對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)受動(dòng)元件的微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)例子示于圖3中。具體說(shuō)，第一執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)段123A-E和反向段125A-D的第一盤旋結(jié)構(gòu)，第二執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)段223A-E和反向段225A-D的第二盤旋結(jié)構(gòu)。第一和第二錨固點(diǎn)127和227分別將第一和第二盤旋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)端頭錨固在基體151上。第一和第二盤旋結(jié)構(gòu)的對(duì)面一端則耦合到諸如反射鏡這樣的受動(dòng)元件153上。
主動(dòng)和反向段的第一和第二盤旋結(jié)構(gòu)在電氣上通過(guò)一個(gè)電氣通路155連接到受動(dòng)元件153上。電氣通路155可以是單獨(dú)在受動(dòng)元件153上形成的一條導(dǎo)電線。另外的方式是受動(dòng)元件153可以是由導(dǎo)電材料形成的，因此受動(dòng)元件本身能提供電氣通路155。因此，由信號(hào)發(fā)生器157產(chǎn)生的電信號(hào)可以用來(lái)驅(qū)使電流流經(jīng)主動(dòng)段123A-E和反向段125A-D的第一盤旋結(jié)構(gòu)、電氣通路155和主動(dòng)段223A-E和反向段225A-D的第二盤旋結(jié)構(gòu)。這樣，由信號(hào)發(fā)生器157驅(qū)動(dòng)的電流可以用來(lái)對(duì)主動(dòng)段123A-E和223A-E加熱以實(shí)現(xiàn)對(duì)它的驅(qū)動(dòng)。具體說(shuō)，由兩種具有不同的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成的主動(dòng)段可以通過(guò)驅(qū)使電流流過(guò)它而加熱。
當(dāng)沒(méi)有電流被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)主動(dòng)段時(shí)，主動(dòng)段123A-E和223A-E、反向段125A-E和225A-D、以及受動(dòng)元件153因而都位于同一個(gè)并行于基體151表面的一個(gè)公共平面中。通過(guò)驅(qū)使電流流經(jīng)主動(dòng)段以加熱主動(dòng)段從而使主動(dòng)段離開(kāi)基體而彎曲或偏折時(shí)，受動(dòng)元件153會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)而離開(kāi)基體。如上面所討論的，反向段維持一個(gè)相對(duì)平直的方向從而增加了受動(dòng)元件的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)將電流從主動(dòng)段切斷，主動(dòng)段將冷卻并返回到未動(dòng)作的平行于基體的位置上。
基體151也可以在其上鄰近于主動(dòng)段(123A-E和223A-E)及反向段(125A-E和225A-E)的盤旋結(jié)構(gòu)處包含一個(gè)槽以便為它提供一個(gè)間隙。如上面結(jié)合圖2所討論的，反向段有可能向著基體轉(zhuǎn)回去。通過(guò)提供槽159，可以減少?gòu)幕w來(lái)的干擾。
圖4A-D的截面圖說(shuō)明了制造圖3的系統(tǒng)的各步驟。具體說(shuō)，可以提供一個(gè)像硅片這樣的一個(gè)半導(dǎo)體基體315，在其上可形成一個(gè)掩膜層317，例如氮化硅層。掩膜層317作成如圖4A所示那樣的圖形以確定基體上的一個(gè)區(qū)域以便隨后在該區(qū)域上生成槽159。半導(dǎo)體基體315和帶圖形的掩膜層317可以共同確定如圖3所示的基體151。
如圖4所示可以在包含掩膜層317的基體上形成一個(gè)損耗層319并作上圖形。具體說(shuō)，損耗層可以作上圖形以確定用于主動(dòng)和反向段的盤旋結(jié)構(gòu)的錨固點(diǎn)。然后損耗層可以用來(lái)作為基體以便在其上形成主動(dòng)和反向段的盤旋結(jié)構(gòu)和受動(dòng)元件。然后損耗層可以被去除以便讓主動(dòng)段和反向段與基體分開(kāi)。在形成損耗層以后，在損耗層319上形成導(dǎo)電層323和325，其中的導(dǎo)電層最好有不同的特性(例如不同的熱膨脹系數(shù))。例如，第一導(dǎo)電層325可以是2微米厚的金層而第二導(dǎo)電層323則可以是2微米厚的鋁層。
然后對(duì)第二導(dǎo)電層323作上圖形以提供帶圖形的導(dǎo)電層323′，它確定了主動(dòng)段123A-E和223A-E的上面一層，如圖4B所示。在對(duì)第二導(dǎo)電層作圖后，要對(duì)第一導(dǎo)電層325作圖形以提供作圖后的導(dǎo)電層325′，它確定了反向段123A-E和223A-E，受動(dòng)元件153，以及主動(dòng)段123A-E和223A-E的下面一層，也如圖4B所示。然后損耗層319被移走以便使有圖形的導(dǎo)電層325′除錨固點(diǎn)227以外與基體分開(kāi)，如圖4C所示。一旦損耗層被移走之后，就可以在半導(dǎo)體基體315的被掩膜317所曝光的那些部分上形成槽159，如圖4D所示，以減少上面已討論過(guò)的對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的干擾。
上面所討論的與圖4A-D相關(guān)的各個(gè)步驟就可以這樣被用來(lái)提供主動(dòng)段和反向段的盤旋結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)主動(dòng)段是一層鋁在一層金上，而其中每個(gè)反向段則只是一層金。另外，主動(dòng)段可以只是一層金。金和鋁的熱膨脹系數(shù)的差別使得主動(dòng)段在被加熱時(shí)偏離基體彎曲或偏折。而只包含一層金的反向段在加熱/冷卻時(shí)只能膨脹/收縮，因此反向段由于熱膨脹/收縮的均勻性而不會(huì)明顯地彎曲或偏折。
對(duì)一個(gè)具有如圖3所示的結(jié)構(gòu)的單獨(dú)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)曾進(jìn)行了有限元建模。具體說(shuō)，對(duì)一個(gè)具有盤旋結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施了有限元建模，該結(jié)構(gòu)包括5個(gè)500微米長(zhǎng)25微米寬的橫梁元件，每一元件由2微米的鋁和2微米的金的疊層構(gòu)成。所用的模型予測(cè)利用這一結(jié)構(gòu)可以在溫度變化為100K時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)45度角。
上面討論了用鋁和金作為具有不同的熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電材料的例子，但是具有不同的熱膨脹系數(shù)的其它材料也是可以使用的。例如，其它金屬及/或多晶硅可以用來(lái)作為形成盤旋形狀結(jié)構(gòu)的各分段所用的一層或多層的材料。另外，其中有一層可以是電絕緣的。例如，第二層323可以是電絕緣的而由第一導(dǎo)電層325提供導(dǎo)電通路。如果使用分開(kāi)的加熱元件或者使用周圍溫度的變化來(lái)動(dòng)作主動(dòng)段，則通過(guò)分段的導(dǎo)電通路就可以不需要。如前面所討論的，除了熱膨脹以外的其它特性也可以用來(lái)提供按照本發(fā)明的對(duì)主動(dòng)段的作用。
本發(fā)明的另一個(gè)方面示于圖5A和5B中。如圖所示，受動(dòng)元件53可以在含有如上面討論的并參考圖1和2的盤旋結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制下在如圖5A所示的平行于基體的第一位置和如圖5B所示的垂直于基體的第二位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖5A和5B的結(jié)構(gòu)中，可以使用一個(gè)靜電夾持器在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源關(guān)掉時(shí)仍將受動(dòng)元件保持在圖5B所示的第二位置上。
具體說(shuō)，如在上面參照?qǐng)D1-4而討論的那樣，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在加熱時(shí)就使受動(dòng)元件53轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直位置。更具體地說(shuō)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以因?qū)㈦娏髁鹘?jīng)它而被加熱，只要讓電流保持流過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，則受動(dòng)元件就會(huì)一直保持在第二位置。但是，如果要將受動(dòng)元件長(zhǎng)時(shí)間保持在第二位置，就會(huì)消耗過(guò)多的能量。
因此，可以提供一個(gè)靜電夾持器來(lái)保持受動(dòng)元件處于第二位置而同時(shí)關(guān)掉流經(jīng)執(zhí)行元件的電流。具體說(shuō)，這個(gè)夾持器是這樣構(gòu)成的它有一個(gè)夾持柱61，上面有一個(gè)帶有介電層65的夾持電極。當(dāng)受動(dòng)元件接觸到含有夾持電極63的夾持柱61時(shí)，在電極63和受動(dòng)元件53之間的電位差被用來(lái)將受動(dòng)元件53以靜電方式夾持在該位置上。一旦受動(dòng)元件53被夾持住，流經(jīng)執(zhí)行元件的電流就可切斷以節(jié)省能量。由于靜電夾持器利用靜電荷來(lái)夾持受動(dòng)元件，夾持器基本上不消耗電流，因此將受動(dòng)元件53保持在動(dòng)作后的位置上是幾乎不消耗能量的。一旦關(guān)掉了靜電夾持器，則受執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類似彈簧的性質(zhì)的作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)和受動(dòng)元件將返回到并行于基體的未受推動(dòng)的位置。
如圖5A和5B所示，夾持柱61可以被支持在粘接于第一基體51上的第二基體67上。另外的方式是，夾持柱也可以支持在第一基體51上從而省掉了粘接第二基體的需要。按照另外還有一種方案，在基體51上可以提供一個(gè)靜電夾持電極以便將受動(dòng)元件夾持在圖5A的并行于基體51的位置上。雖然在圖5A和5B的截面圖中沒(méi)有明顯地示出，應(yīng)該理解，這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)都可以用來(lái)將受動(dòng)元件53以類似于圖3和4A-D所示的方式動(dòng)作。
另外兩個(gè)包括按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)在圖6和7中作了說(shuō)明。在圖6的系統(tǒng)中，在受動(dòng)元件453的相對(duì)兩側(cè)提供了一對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)段(423A-D和523A-D)和反向段(425A-C和525A-C)的盤旋結(jié)構(gòu)，使得受動(dòng)元件453圍繞著穿過(guò)受動(dòng)元件453的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖所示，錨固點(diǎn)427和527把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的每一個(gè)的一端固定在基體451上，基體上的槽459則為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和受動(dòng)單元453提供間隙。如上面討論的，可以使用信號(hào)發(fā)生器457把電流流經(jīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和它們間的電氣通路455而加熱主動(dòng)段。如上面討論的，如果受動(dòng)元件本身是導(dǎo)電的，則電氣通路455可由受動(dòng)元件本身來(lái)提供，或者也可以用在受動(dòng)元件453上形成的導(dǎo)電線來(lái)提供導(dǎo)電通路455。
圖7的系統(tǒng)利用第一對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)使受動(dòng)元件653圍繞相對(duì)于萬(wàn)向架753的第一軸635旋轉(zhuǎn)并用第二對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)使萬(wàn)向架753圍繞相對(duì)于基體851的第二軸735旋轉(zhuǎn)。如圖所示，第一對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)600和700包括各自的盤旋結(jié)構(gòu)中的主動(dòng)段(623A-D和723A-D)和反向段(625A-C和725A-C)，第二對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)800和900分別包括盤旋結(jié)構(gòu)中的主動(dòng)段(823A-D和923A-D)和反向段(825A-C和925A-C)。此外，這些執(zhí)行結(jié)構(gòu)的工作情況如同上面參照?qǐng)D1-4所討論的。例如，可以用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)電流流經(jīng)兩對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向架853和受動(dòng)元件653。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)600和700可以通過(guò)跨越受動(dòng)元件653的電氣通路655而在電氣上相連接。如上面所討論的，如果受動(dòng)元件是導(dǎo)電的，那么電氣通路655可由受動(dòng)元件提供，或者由在受動(dòng)元件上形成的導(dǎo)線來(lái)提供。執(zhí)行機(jī)構(gòu)600和700可以分別通過(guò)跨越萬(wàn)向架的電氣通路755和757以及通過(guò)從萬(wàn)向架853到信號(hào)發(fā)生器657而提供電氣連接的導(dǎo)電條761和763而與信號(hào)發(fā)生器657相連。電氣通路755和757可以作為萬(wàn)向架的一部分而提供，如果萬(wàn)向架是由導(dǎo)電材料構(gòu)成的話，否則可由在萬(wàn)向架853上形成的導(dǎo)電線提供。導(dǎo)電條761和763最好是柔性的以便提供電氣連接而不會(huì)明顯地減弱萬(wàn)向架853的轉(zhuǎn)動(dòng)。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)800和900可以通過(guò)跨越萬(wàn)向架853的電氣通路855而在電氣上連接起來(lái)。如果萬(wàn)向架是導(dǎo)電的，則導(dǎo)電通路855可由萬(wàn)向架提供，或者導(dǎo)電通路855可以由在萬(wàn)向架上形成的導(dǎo)電線提供。如圖所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)800和900可以用錨固點(diǎn)827和927錨固在基體上，而與信號(hào)發(fā)生器657的電連接可以經(jīng)過(guò)各自的錨固點(diǎn)827和927而提供。
在上面所討論的例子中，每個(gè)主動(dòng)段都彎曲或偏折從而提供圍繞著受動(dòng)元件要圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)的軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，而反向段則通過(guò)不偏折或彎曲而將這種轉(zhuǎn)動(dòng)放大。換句話說(shuō)，反向段由于交替的主動(dòng)段和反向段的盤旋結(jié)構(gòu)而提供對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)的放大。如果反向段以相反于主動(dòng)段彎曲或偏折的方向彎曲或偏折，則還可提供對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)一步的放大。在這個(gè)意義上，反向段就它們以相反于受動(dòng)元件的方向彎曲或偏折這一點(diǎn)而言可以認(rèn)為是不起作用的。因此，反向段這個(gè)術(shù)語(yǔ)包括了在盤旋型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用下不彎曲或不偏折的分段，在受到盤旋型執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用時(shí)以相反于主動(dòng)段彎曲或偏折的方向彎曲或偏折的分段，以及與主動(dòng)段以相同方向彎曲但彎曲程度較小的分段。
圖8說(shuō)明了一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的例子，它包括以遠(yuǎn)離基體51″的第一方向彎曲或偏折的主動(dòng)段23A″-23D″和以與第一方向相反趨向基體的第二方向彎曲或偏折的反向段25A′-C″的盤旋結(jié)構(gòu)。它的工作方式是由這樣一種結(jié)構(gòu)提供的，即其中的主動(dòng)段23A″-23D″具有這樣的雙晶結(jié)構(gòu)，使得加熱會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)離基體的偏折或彎曲，而其中的反向段25A″-25C″則具有這樣的雙晶結(jié)構(gòu)，使得加熱會(huì)導(dǎo)致趨向基體的偏折或彎曲。換句話說(shuō)，主動(dòng)段可以包括第一和第二層，其中鄰近基體的第一層具有比與基體相對(duì)的第二層更高的熱膨脹系數(shù)，而反向段可以包括第三和第四層，其中鄰近于基體的第三層具有比與基體相對(duì)的第四層更低的熱膨脹系數(shù)。例如，第一和第四層可以包括一種共同的材料，例如金，而第二和第三層可以包括一種共同的材料，例如鋁。此外，第二和第三層可以從一層共同的鋁層來(lái)制造圖形，從而在形成主動(dòng)和反向段時(shí)可以只使用三次沉積和制圖的步驟。
這樣，圖8的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就具有如圖1所示的主動(dòng)和反向段的盤旋結(jié)構(gòu)，其中反向段以相反于主動(dòng)段的方向偏折或彎曲。圖8的截面圖說(shuō)明了圖2的自由端33′相比時(shí)自由端33″的轉(zhuǎn)動(dòng)的增大的情況。和以前所討論的各種執(zhí)行結(jié)構(gòu)一樣，圖8的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成在不施加作用時(shí)其靜止位置處于基本上并行于基體的位置。
上面所討論的例子表明，按照本發(fā)明的系統(tǒng)可以用來(lái)動(dòng)作微型機(jī)械反射鏡，例如掃描器。不過(guò)，按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)還可以用在光學(xué)設(shè)備上，例如衰減器、快門、以及交叉連接的開(kāi)關(guān)等。按照本發(fā)明的執(zhí)行機(jī)構(gòu)還可以用于其它用途，例如可變電容器、可變電感器、開(kāi)關(guān)、繼電器、以及閥門等。
在附圖和說(shuō)明中，已經(jīng)揭示了本發(fā)明的典型的優(yōu)選實(shí)施例，并且，雖然使用了專門的術(shù)語(yǔ)，但它們只是以廣義的和說(shuō)明性的而非以限制為目的的意義上使用的，本發(fā)明的范圍是在下面的權(quán)利要求中提出的。
權(quán)利要求
1．一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于由交替的主動(dòng)段(123)和反向段(125)組成的盤旋結(jié)構(gòu)，其中的主動(dòng)段響應(yīng)在其上的作用而偏折。
2．按照權(quán)利要求1的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征還在于主動(dòng)段中的每一段(123)包括一個(gè)雙晶段，該雙晶段包括具有第一熱膨脹系數(shù)的第一種材料構(gòu)成的第一層(325)和具有與第一熱膨脹系數(shù)不同的第二熱膨脹系數(shù)的第二種材料構(gòu)成的第二層(323)，從而使主動(dòng)段(123)依據(jù)它的溫度變化而偏折。
3．按照權(quán)利要求1的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征還在于一個(gè)基體(151)，盤旋結(jié)構(gòu)的第一端就錨固在基體(151)上，而盤旋結(jié)構(gòu)的第二端則在主動(dòng)段(123)偏折時(shí)相對(duì)于基體(151)運(yùn)動(dòng)。
4．按照權(quán)利要求3的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征還在于受動(dòng)元件(153)被連接在盤旋結(jié)構(gòu)的第二端，使得在主動(dòng)段偏折時(shí)該受動(dòng)元件(153)相對(duì)于基體運(yùn)動(dòng)。
5．按照權(quán)利要求3的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征還在于該基體(151)包括一個(gè)鄰近于盤旋結(jié)構(gòu)的在基體上的槽(159)。
6．一種在基體(151)上形成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方法，該方法的特征在于形成一由交替的主動(dòng)段(123)和反向段(125)組成的盤旋結(jié)構(gòu)，其第一端錨固在基體(151)上，其中的主動(dòng)段(123)響應(yīng)在其上的作用而偏折，從而使盤旋結(jié)構(gòu)的第二端在主動(dòng)段(123)偏折時(shí)相對(duì)于基體(151)運(yùn)動(dòng)。
7．按照權(quán)利要求6的方法，其中形成盤旋結(jié)構(gòu)的步驟的特征還在于在基體上形成一個(gè)錨固點(diǎn)(127)，在基體上形成一個(gè)損耗層(319)，在損耗層(319)上形成由交替的主動(dòng)段(123)和反向段(125)組成的盤旋結(jié)構(gòu)，它的第一端固定在錨固點(diǎn)(127)上，以及在形成盤旋結(jié)構(gòu)后，去掉損耗層。
8．按照權(quán)利要求6的方法，其特征還在于每一個(gè)主動(dòng)段(123)包含一個(gè)雙晶段，它包括具有第一熱膨脹系數(shù)的第一種材料構(gòu)成的第一層(325)和具有不同于第一熱膨脹系數(shù)的第二熱膨脹系數(shù)的第二種材料構(gòu)成的第二層(323)，從而使主動(dòng)段(123)響應(yīng)于它的溫度的變化而偏折。
9．按照權(quán)利要求6的方法，其特征還在于形成固定在該盤旋結(jié)構(gòu)的第二端上的受動(dòng)元件(153)，以使受動(dòng)元件(153)在主動(dòng)段(123)偏折時(shí)相對(duì)于基體運(yùn)動(dòng)。
10．按照權(quán)利要求6的方法，其特征還在于在基體(151)上鄰近于盤旋結(jié)構(gòu)處形成一個(gè)槽(159)。
全文摘要
一種微型機(jī)械系統(tǒng),可以包括一個(gè)基體、一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)受動(dòng)元件。具體說(shuō)來(lái),該執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以包括一個(gè)由交替的主動(dòng)段和反向段組成的盤旋結(jié)構(gòu),其第一端錨固在基體上,其中的主動(dòng)段響應(yīng)其上的作用而偏折,從而使盤旋結(jié)構(gòu)的第二端在主動(dòng)段偏折時(shí)相對(duì)于基體運(yùn)動(dòng)。受動(dòng)元件被固定在盤旋結(jié)構(gòu)的第二端,使得受動(dòng)元件在主動(dòng)段偏折時(shí)相對(duì)于基體而運(yùn)動(dòng)。相關(guān)的方法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)也作了討論。
文檔編號(hào)H01H1/00GK1319943SQ0110336
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月4日
發(fā)明者愛(ài)德華·阿瑟·西爾, 維加亞庫(kù)馬爾·魯?shù)吕痢さ潞?申請(qǐng)人:克羅諾斯集成微系統(tǒng)公司