專利名稱：主要用于光學(xué)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)或所謂的MEMS。更具體地，本發(fā)明涉及一種開(kāi)關(guān)裝置，其包括一個(gè)移動(dòng)元件，該元件能夠沿著在一零位置和至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置之間的一個(gè)限定的軌道來(lái)回移動(dòng)，將該移動(dòng)元件連接到一個(gè)基座的一個(gè)彈性元件，以及位于上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置附近的至少一個(gè)固定激勵(lì)電極。本發(fā)明還涉及一種用于操作上述開(kāi)關(guān)裝置的方法以及包括至少一個(gè)這種開(kāi)關(guān)裝置的開(kāi)關(guān)單元。
背景技術(shù)：
已知有很多種分別影響或者切換光束路徑的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的目的是對(duì)來(lái)自基于像素的圖象的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制、處理和/或存儲(chǔ)。
歐洲專利申請(qǐng)0 510 629公開(kāi)了一種基于所謂的可變形的鏡式裝置或者DMD的可偏轉(zhuǎn)裝置，其還被用作選擇性地中斷或者改變光束的通路的快門(mén)裝置。至于其他類型的DMD，該裝置配備有一個(gè)可控制的過(guò)濾板，其既可以繞一軸線旋轉(zhuǎn)也可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)梁，懸臂梁或者鉸鏈以類似于活塞的方式向基座的平面移動(dòng)。其他DMD的例子例如可以在美國(guó)專利4,229,732以及美國(guó)專利5,142,405中找到。
美國(guó)專利5,794,761公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)裝置，其可以被用作光學(xué)應(yīng)用的一個(gè)微型快門(mén)。圖1是此開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)示意圖。根據(jù)此文件，移動(dòng)元件2，或者擺動(dòng)元件能夠在端位置A和B之間移動(dòng)，以選擇性地中斷一光束通過(guò)開(kāi)口7(位于端位置B中)的通道，所述開(kāi)口7被提供在該開(kāi)關(guān)裝置的基座中。電極5，6被安置在端位置A和B附近。提供控制電路8以產(chǎn)生靜電吸引力和/或排斥力，以在該兩端位置之間切換該擺動(dòng)元件2。該擺動(dòng)元件2被以一彈性方式(例如是通過(guò)其一端固定到定位點(diǎn)或者基座4的撓性梁)連接到該基座。更具體地，根據(jù)本文檔，梁3以這樣一種方式來(lái)設(shè)計(jì)，即在一個(gè)必要的幅度范圍中，一個(gè)趨向于零位置O的彈性返回力高于由該控制電路和該電極產(chǎn)生的靜電吸引力。因此，所述開(kāi)關(guān)裝置的特性，例如其響應(yīng)時(shí)間，主要由該結(jié)構(gòu)的機(jī)械特性來(lái)決定。
由G.Perregaux等人與的文章“Electrostatic Microshutter Arraysin Polysilicon”發(fā)表在“CSEM Scientific and Technical Report1999”中，在第99頁(yè)，其公開(kāi)了對(duì)上面提到的開(kāi)關(guān)裝置的一種改進(jìn)。圖2是這另一種開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)示意圖。在沿?fù)闲粤?的整個(gè)長(zhǎng)度提供了電極5，6，該梁3將該擺動(dòng)元件2連接到該基座。在沿著撓性梁3的長(zhǎng)度的兩側(cè)還都提供了制動(dòng)器9，目的是避免該梁與該電極之間的短路。
其他類型的光微快門(mén)裝置可以在美國(guó)專利4,383,255或者美國(guó)專利4,564,836中找到。
根據(jù)所有上面的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，該開(kāi)關(guān)裝置由引力來(lái)啟動(dòng)，即電極關(guān)于移動(dòng)元件軌道橫向安置，以產(chǎn)生基本上與該電極和該擺動(dòng)元件的配合邊正交的靜電力。因此典型地需要制動(dòng)器以限制移動(dòng)元件的移動(dòng)，同時(shí)防止電極與移動(dòng)元件之間的任何的短路。
多晶硅表面(或者其他材料)與制動(dòng)器之間的接觸可能導(dǎo)致過(guò)度的磨損以及碎片的產(chǎn)生，并且最終會(huì)導(dǎo)致該移動(dòng)元件的粘附。所述的“靜摩擦問(wèn)題”(其也遇到了由于毛細(xì)管作用力或者有機(jī)以及無(wú)機(jī)污染引起的問(wèn)題)是微機(jī)械開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)眾所周知的，很實(shí)際并且關(guān)鍵的問(wèn)題。在小尺寸中，隨著該比例降低系數(shù)的反轉(zhuǎn)，隨著由潮濕導(dǎo)致的優(yōu)勢(shì)效果(preponderance effect)，以及表面吸收的電荷或者其他接近力(例如量子范德華力)，粘附效果會(huì)增加。這些靜摩擦力與激勵(lì)力(大約是0.2N/m2)具有相同的數(shù)量級(jí)。因此它們對(duì)這樣的系統(tǒng)的可靠性有顯著的影響。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，一種解決方案是構(gòu)思沒(méi)有制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)。在沒(méi)有制動(dòng)器的情況下，對(duì)該開(kāi)關(guān)裝置的移動(dòng)元件的位移控制高度地依賴于驅(qū)動(dòng)電平或者一自動(dòng)阻塞彈性效果，例如扣住。然而使用扣住效果的結(jié)構(gòu)對(duì)技術(shù)公差非常敏感，因而價(jià)格非常昂貴并且制造復(fù)雜。
另一解決方案是對(duì)裝置表面進(jìn)行化學(xué)處理，并且例如以一個(gè)附加層例如聚合物來(lái)覆蓋該裝置。然而這種解決方案增加了該裝置制造的復(fù)雜程度及其成本。另外，此覆蓋層的過(guò)度的磨損也不可避免地產(chǎn)生上述的靜摩擦問(wèn)題。
因此需要一種更簡(jiǎn)單并且是更可靠的解決方案以克服上面提到的靜摩擦以及短路問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的一個(gè)主要目標(biāo)是提供一種不容易出現(xiàn)靜摩擦問(wèn)題的解決方案，并且所述解決方案盡可能地獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)以及技術(shù)公差以便控制該開(kāi)關(guān)裝置的移動(dòng)元件的位移。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種制造未必復(fù)雜的解決方案。
本發(fā)明的再一個(gè)目標(biāo)是提供可以設(shè)置在一矩陣配置中的開(kāi)關(guān)裝置。
因此提供了一種開(kāi)關(guān)裝置，其特征被列舉在權(quán)利要求1中。
也提供了一種開(kāi)關(guān)單元，其包括一定數(shù)量的這種開(kāi)關(guān)裝置，以及一種激勵(lì)開(kāi)關(guān)裝置的方法，其特征被列舉在權(quán)利要求9中。
本發(fā)明的其他的優(yōu)選的實(shí)施方式是從屬權(quán)利要求的對(duì)象。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，該激勵(lì)電極沒(méi)有被設(shè)置為橫向作用于移動(dòng)元件以產(chǎn)生靜電吸引力，而是作用于該移動(dòng)元件的前邊(frontal edge)(其為基本上平行于該移動(dòng)元件的軌道的一個(gè)邊)。此驅(qū)動(dòng)原則可以被稱為“邊靜電驅(qū)動(dòng)”，也就是說(shuō)移動(dòng)元件的移動(dòng)不是由該激勵(lì)電極產(chǎn)生的吸引力所導(dǎo)致的(如現(xiàn)有技術(shù)解決方案中那樣)，而是由基本上與該固定電極和該移動(dòng)元件的電極的配合前邊平行的側(cè)向力導(dǎo)致的。
在本發(fā)明的范圍中，靜電吸引力應(yīng)該是指傾向于使電極的配合邊更近(或者反之，傾向于分開(kāi)這些配合邊)的靜電力，而側(cè)向靜電力是指傾向于使電極的配合邊彼此對(duì)準(zhǔn)的靜電力。
根據(jù)本發(fā)明，該開(kāi)關(guān)裝置可以被真實(shí)地設(shè)計(jì)為一個(gè)無(wú)接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其可以不受上面提到的靜摩擦問(wèn)題的影響。實(shí)際上，不再需要任何的制動(dòng)器來(lái)限定該移動(dòng)元件的端位置。實(shí)際上，由于力的反轉(zhuǎn)，該移動(dòng)元件被自動(dòng)地穩(wěn)定在其所選位置，所述力由側(cè)向靜電力與施加在該裝置的移動(dòng)元件上的機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明，選擇該裝置的幾何結(jié)構(gòu)以增加側(cè)向靜電力的貢獻(xiàn)。另外，同現(xiàn)有技術(shù)解決方案相比，該裝置的開(kāi)關(guān)位置由在該裝置的移動(dòng)元件上的電極產(chǎn)生的側(cè)向靜電力與將該移動(dòng)元件連接到該裝置的基座元件的彈性元件產(chǎn)生的機(jī)械彈性力之間的一個(gè)平衡點(diǎn)來(lái)確定。由這些側(cè)向靜電力與機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生的力給出此平衡點(diǎn)附近的一個(gè)反轉(zhuǎn)點(diǎn)。
更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，該開(kāi)關(guān)裝置被用作一個(gè)快門(mén)裝置，以選擇性地中斷光束的路徑，該開(kāi)關(guān)裝置可以配備一個(gè)開(kāi)口，其可以由一過(guò)濾板來(lái)開(kāi)或者關(guān)。
應(yīng)該指出的是本發(fā)明可以很好地應(yīng)用于光學(xué)應(yīng)用中，以中斷、調(diào)制或者控制光束的路徑，但并非限制于所述的特殊類型應(yīng)用。


通過(guò)結(jié)合附圖來(lái)閱讀下面的對(duì)非限制性例子以及實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)很明顯，附圖中包括圖1示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的第一開(kāi)關(guān)裝置；圖2示意性地示出了圖1的開(kāi)關(guān)裝置的一種已知的改進(jìn)；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的第一實(shí)施方式；圖4示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的施加到該開(kāi)關(guān)裝置移動(dòng)元件上的側(cè)向靜電力以及機(jī)械彈簧力的演化；以及圖5示意性地示出了一個(gè)二維的開(kāi)關(guān)單元，其包括由四個(gè)類似于圖3的開(kāi)關(guān)裝置組成的一個(gè)陣列。
圖6示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的第二實(shí)施方式；圖6a示意性地示出了圖6中的實(shí)施方式的一種變形；
圖7示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的第三實(shí)施方式；圖8示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的第四實(shí)施方式；圖9示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的第五實(shí)施方式，包括類似于梳子形狀的電極結(jié)構(gòu)；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明不同的可應(yīng)用的快門(mén)葉片結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖3示意性地示出了構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施方式的開(kāi)關(guān)裝置。包括形式為金屬板20的屏蔽的移動(dòng)元件2被附著到一個(gè)彈性桿或梁3。該彈性梁3的另一端被固定到一錨定點(diǎn)或者基座4中。
如圖3中所示，該彈性梁3在一零點(diǎn)或者平衡位置O沿著為解釋的目的而指示的軸“X”延伸。過(guò)濾板20和梁3形成一振蕩機(jī)械系統(tǒng)，其中，過(guò)濾板20可以在這里由參數(shù)A和B指示的兩個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置之間，沿著基本上平行于軸“y”的方向來(lái)回移動(dòng)，所述軸“y”垂直于軸“x”。應(yīng)當(dāng)理解，可以只限定一個(gè)或者多于兩個(gè)的預(yù)定開(kāi)關(guān)位置。根據(jù)此實(shí)施方式，實(shí)際上可注意到該過(guò)濾板的軌道所沿的路徑是彎曲的，并不是嚴(yán)格意義上地平行于軸線y。當(dāng)然還可注意到過(guò)濾板20的軌道的彎曲程度取決于梁3的實(shí)際長(zhǎng)度，并且因此在梁的長(zhǎng)度與移動(dòng)元件的球形路線相比足夠長(zhǎng)時(shí)會(huì)受到限制。為了簡(jiǎn)化的目的，將認(rèn)為該移動(dòng)元件的軌道基本上平行于軸y。
用于移動(dòng)過(guò)濾板20的固定激勵(lì)電極5和6被分別設(shè)置在位置A和B附近。激勵(lì)電極5，6以及也由一電極覆蓋的過(guò)濾板20被電連接到能夠開(kāi)關(guān)該開(kāi)關(guān)裝置的控制電路8。每個(gè)電極5，6有一個(gè)稱為前邊的5a，6a，其與過(guò)濾板20的前邊20a相配合。在平衡位置0，過(guò)濾板20的前邊20a可以部分地與激勵(lì)電極5，6的前邊重合。
在激勵(lì)電極6的附近有一個(gè)開(kāi)口7，當(dāng)過(guò)濾板20在端位置A時(shí)該開(kāi)口是暴露的，當(dāng)過(guò)濾板20在端位置B時(shí)該開(kāi)口被覆蓋。通過(guò)這種方式，可以開(kāi)通或者中斷一個(gè)光學(xué)光束的通道，以使該開(kāi)關(guān)裝置充當(dāng)為一光學(xué)快門(mén)。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式并且對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，電極沒(méi)有被設(shè)置為作用在過(guò)濾板20的側(cè)邊上(這是一個(gè)基本上垂直于該過(guò)濾板的軌道的邊)，而是作用在過(guò)濾板20的前邊20a上，即一個(gè)基本上平行于過(guò)濾板軌道的邊，或者換句話說(shuō)，一個(gè)沿著基本上平行于圖3中的軸線“y”的方向延伸的邊。此驅(qū)動(dòng)原則可以被稱作“邊靜電驅(qū)動(dòng)”，即過(guò)濾板20的移動(dòng)不是由激勵(lì)電極產(chǎn)生的吸引力導(dǎo)致的(如現(xiàn)有技術(shù)解決方案中那樣)，而是由基本上平行于該固定電極以及該過(guò)濾板的電極的配合前邊的側(cè)向力導(dǎo)致的。
可以證明的是施加在一平行結(jié)構(gòu)的兩電極上的側(cè)向靜電力與存在于這兩個(gè)電極之間的間隙成反比。
根據(jù)本發(fā)明，可以注意到該開(kāi)關(guān)裝置通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)中的飽和自動(dòng)穩(wěn)定，也就是說(shuō)該結(jié)構(gòu)不需要任何的制動(dòng)器來(lái)限定該過(guò)濾板20的端位置。這構(gòu)成了相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)解決方案的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛纱朔乐沽嗽摻Y(jié)構(gòu)與該制動(dòng)器的粘附以及該結(jié)構(gòu)與激勵(lì)電極之間的短路或者事故。然而仍然可以有選擇地提供制動(dòng)器以保護(hù)該結(jié)構(gòu)免受外部沖擊。
更具體地，選擇該移動(dòng)元件、，彈性元件以及固定激勵(lì)電極的幾何結(jié)構(gòu)，使得該移動(dòng)元件不會(huì)與任何一個(gè)激勵(lì)電極接觸，并且每個(gè)預(yù)定開(kāi)關(guān)位置由一平衡點(diǎn)來(lái)確定，該平衡點(diǎn)在由該固定激勵(lì)電極在移動(dòng)元件上產(chǎn)生的側(cè)向靜電力與由彈性元件產(chǎn)生的機(jī)械彈簧力之間。這些側(cè)向靜電力與機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生的力在此平衡點(diǎn)附近方向相反。
圖4示意性地說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的在該平衡點(diǎn)(由參數(shù)E指示)附近側(cè)向靜電力(曲線a)以及機(jī)械彈簧力(曲線b，其基本為線性曲線)的演化。優(yōu)選地，該移動(dòng)元件，彈性元件以及固定激勵(lì)電極的幾何結(jié)構(gòu)以這樣的方式來(lái)選擇，即靠近該平衡點(diǎn)時(shí)側(cè)向靜電力呈現(xiàn)出一個(gè)陡峭的下降。此特性也是允許此結(jié)構(gòu)使用在矩陣配置中的基礎(chǔ)，如圖5中的示意性圖示。
另外，仍然由該激勵(lì)電極產(chǎn)生的靜電吸引力在過(guò)濾板20上產(chǎn)生一個(gè)可以被稱之為“側(cè)向沖浪”的反作用。實(shí)際上，該靜電吸引力傾向于將過(guò)濾板20向激勵(lì)電極吸引。然而，由于過(guò)濾板20被梁3夾持，板20受到一個(gè)扭矩的作用，所述扭矩進(jìn)一步將移動(dòng)元件2拉到其選擇的位置。
在預(yù)定的位置A，B，過(guò)濾板20圍繞其選擇位置的振蕩有利地被空氣衰減，同時(shí)由于側(cè)向靜電力與施加在過(guò)濾板20上的機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生的力的反轉(zhuǎn)而被靜電地衰減。必須強(qiáng)調(diào)的是，該衰減是依照本發(fā)明而實(shí)現(xiàn)的，原因是由于側(cè)向靜電力的貢獻(xiàn)使過(guò)濾板實(shí)質(zhì)上被移動(dòng)，并且使用常規(guī)的基于吸引類型驅(qū)動(dòng)原理的系統(tǒng)無(wú)法獲得這樣的衰減效果。
過(guò)濾板20的前邊20a是過(guò)濾板20的最外側(cè)的邊，其被優(yōu)選地設(shè)計(jì)為具有曲線的外形，以便可以降低過(guò)濾板20與電極5，6之間的間隙，從而增加該裝置的靈敏度，而不必?fù)?dān)心在激勵(lì)電極和移動(dòng)元件之間會(huì)發(fā)生短路。
將會(huì)理解的是該激勵(lì)電極5，6與過(guò)濾板20之間的間隙的減小會(huì)增加該開(kāi)關(guān)裝置的靈敏度。關(guān)于這一點(diǎn)，該驅(qū)動(dòng)靈敏度方案可以很容易地通過(guò)對(duì)電極幾何結(jié)構(gòu)的適當(dāng)選擇來(lái)調(diào)節(jié)。在圖3中，激勵(lì)電極5，6被示出為具有一個(gè)斜邊，但是應(yīng)該清楚地理解這些電極可以表現(xiàn)為任何其他適合的形狀，例如基本上與過(guò)濾板軸線末端的外周相匹配的曲線形狀，或者甚至是一個(gè)階梯形狀。
另外需要清楚理解的是葉片2以及該前邊20a的形狀可以表現(xiàn)為與該電極以及作用在該移動(dòng)元件上的力的最佳變化相匹配的任何其他合適的形狀。參見(jiàn)例如圖10a到圖10d。
上面的開(kāi)關(guān)裝置通常是根據(jù)該領(lǐng)域中眾所周知的表面微機(jī)械技術(shù)而產(chǎn)生于一個(gè)基底(其組成例如是硅或者一透明材料例如玻璃)上。例如，自立結(jié)構(gòu)(例如圖3中的過(guò)濾板20以及梁3)通?？梢允褂盟f(shuō)的犧牲層技術(shù)來(lái)制造，即該開(kāi)關(guān)裝置的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)首先制造形成在犧牲層或者隔板的頂部上，并且所述犧牲層的部分隨后被去掉以釋放該開(kāi)關(guān)裝置的所需部分。
過(guò)濾板20基本上是正方形的(其表面區(qū)域大約35×35m2，厚度約2m)，并且被附加到梁3的末端(長(zhǎng)度為大約350到400m，截面積約2.5×2m2)。過(guò)濾板20和梁3可由例如金屬或者多晶硅(或者任何其他的水晶的或者多晶體的材料)制成。梁3既長(zhǎng)又細(xì)，可彈性變形以允許過(guò)濾板20在一與基底的平面基本平行的平面中擺動(dòng)。
在上面的例子中，激勵(lì)電極5，6與過(guò)濾板20的前邊(過(guò)濾板20的最外側(cè)的邊)相配合。然而將會(huì)理解根據(jù)本發(fā)明的該驅(qū)動(dòng)原則可以被應(yīng)用于移動(dòng)元件2的任何其他適合的邊，前提是該邊基本上與該移動(dòng)元件的軌道平行。
優(yōu)選地不單獨(dú)使用根據(jù)本發(fā)明的該開(kāi)關(guān)裝置，而是與其他同樣的或者可能是不同的裝置組合起來(lái)以形成一個(gè)陣列。這些開(kāi)關(guān)裝置可以被布置以形成一個(gè)規(guī)則的二維格子，例如一個(gè)矩形或者蜂窩狀的排列，并且典型地使用行和列線來(lái)尋址。為了解釋，圖5示意性地示出了四個(gè)開(kāi)關(guān)裝置S1到S4(類似于圖3中的開(kāi)關(guān)裝置)，其被布置為兩行兩列。開(kāi)關(guān)裝置S1和S3的兩個(gè)激勵(lì)電極分別通過(guò)兩個(gè)列線A1和B1而連接起來(lái)。類似地，開(kāi)關(guān)裝置S2和S4的兩個(gè)激勵(lì)電極分別通過(guò)兩個(gè)列線A2和B2而連接起來(lái)。在一邊的開(kāi)關(guān)裝置S1和S2的基座，以及在另一邊的開(kāi)關(guān)裝置S3和S4的基座分別在行線R1和R2上被連接起來(lái)。
需要理解的是，可以單獨(dú)地通過(guò)選擇性地激活適當(dāng)?shù)男泻土芯€而對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行尋址?？梢岳斫獾氖菆D5的特定排列是純說(shuō)明性的，而絕非限制性的，并且該開(kāi)關(guān)裝置實(shí)際上將被組織成占用盡可能小的空間，以增加這種裝置在該基底上的密度。
上面已經(jīng)參照一些特定的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，需要理解的是這些實(shí)施方式不意味著對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)際上，對(duì)于本專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，不脫離附加的權(quán)利要求的范圍的各種變化和修改是很明顯的。例如，上面提出的實(shí)施方式并不是必須限制于包括可以僅在兩個(gè)端位置之間來(lái)回移動(dòng)的一個(gè)移動(dòng)元件的結(jié)構(gòu)。由于不再需要任何制動(dòng)器，在該裝置具備足夠數(shù)量的電極的情況下，可以完美地發(fā)想控制該移動(dòng)元件使其在三個(gè)或者更多的預(yù)定位置之間切換。圖6示意性地示出了本發(fā)明的第二實(shí)施方式。此圖中說(shuō)明的該開(kāi)關(guān)裝置與圖3中的該開(kāi)關(guān)裝置的實(shí)質(zhì)不同之處在于將過(guò)濾板20連接到基座4的該彈性元件(其由兩個(gè)不同的基座組成)由折疊的梁結(jié)構(gòu)組成，在此特例中該折疊梁基本上是“E”形狀。此折疊梁結(jié)構(gòu)包括第一對(duì)梁30(但是也可以使用單個(gè)梁)，所述第一對(duì)梁沿與基底的平面5基本平行的方向從基底4延伸到一中間元件32。第二梁3(基本上對(duì)應(yīng)于圖3中的梁3)沿與該第一方向完全相反的第二方向從中間元件32延伸到過(guò)濾板20。將過(guò)濾板20彈性地連接到基座4的該折疊梁結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)可以采用除圖5中所示的任何其他合適的形式。特別地，中間元件32的尺寸可以被減小，以在襯底表面上保留一些空間，并且第一梁30可以以一稍微傾斜的方式延伸，如圖6a中所示。后一種配置允許在同一基底上容納更高密度的開(kāi)關(guān)裝置。
圖7示出了本發(fā)明的第三實(shí)施方式。在此例中，開(kāi)關(guān)裝置1配備有用于以基本線性的方式來(lái)引導(dǎo)過(guò)濾板20的裝置。為此目的，圖3的單梁結(jié)構(gòu)被一個(gè)平行的或者類似于縮放儀(pantograph)的結(jié)構(gòu)所代替。此平行梁結(jié)構(gòu)可以通過(guò)由參數(shù)35和36指示的一對(duì)平行的撓性梁來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的一個(gè)平行結(jié)構(gòu)使過(guò)濾板20被線性地引導(dǎo)，并且不再象在上面描述的解決方案中那樣在被進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。過(guò)濾板20的前邊因而不再需要被彎曲，并且過(guò)濾板20與激勵(lì)電極5，6之間的間隙基本能夠保持恒定。
上面描述的平行結(jié)構(gòu)也可以與圖6的折疊梁結(jié)構(gòu)組合起來(lái)，如圖8第四實(shí)施方式的說(shuō)明。該彈性元件將過(guò)濾板20連接到基座4，其包括從基座4(在此例中實(shí)際是兩個(gè)基座)延伸到中間元件32的第一對(duì)平行撓性梁33，34，以及從中間元件32沿相反方向延伸到過(guò)濾板20的第二對(duì)平行撓性梁35，36。這里還是這樣，過(guò)濾板和激勵(lì)電極5，6之間的間隙可以保持恒定。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)例子，其被配置了梳狀電極結(jié)構(gòu)，此裝置基本上類似于圖8中的裝置。梳狀結(jié)構(gòu)25被提供在移動(dòng)元件2的每側(cè)并且分別與激勵(lì)電極5和6上提供的梳狀電極結(jié)構(gòu)55和65相作用。該梳狀結(jié)構(gòu)25，55和65的每個(gè)齒以基本上平行于該移動(dòng)元件的軌道的方向延伸，并且包括末端部分25a，55a，65a，其尺寸或直徑比將該齒分別連接到移動(dòng)元件2或者激勵(lì)電極5，6的部分更大。因此，激勵(lì)電極還將在移動(dòng)元件2的每個(gè)齒上產(chǎn)生切向的靜電力。
在圖9的例子中，將基座4連接到中間元件32的該對(duì)平行的撓性梁33，34位于將中間元件32連接到移動(dòng)元件2的第二對(duì)撓性梁35，36之間。基座4因而可以有利地用作防止外部沖擊的安全制動(dòng)器。
圖9的開(kāi)關(guān)裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于該結(jié)構(gòu)可以在梳狀結(jié)構(gòu)的齒之間得到高的空氣阻尼。與通過(guò)該梳狀結(jié)構(gòu)而增強(qiáng)的靜電制動(dòng)相結(jié)合，此空氣阻尼有助于縮短該裝置的響應(yīng)時(shí)間。
圖10a到10d說(shuō)明了在本發(fā)明范圍內(nèi)的不同的快門(mén)葉片16的設(shè)計(jì)。
需要注意的是本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式中的快門(mén)葉片16的“角”應(yīng)該是彎曲的/圓的，以使使該葉片的尺寸和重量最小。
考慮了重量/形狀的最佳葉片設(shè)計(jì)使該葉片在被相關(guān)的電極激勵(lì)時(shí)，便于其更快和更容易地加速。
還應(yīng)該注意到該葉片應(yīng)該能夠覆蓋/阻塞一個(gè)相關(guān)的傳輸路徑，根據(jù)本發(fā)明，該傳輸路徑不一定是圓形的。
換句話說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明，如果需要的話，在快門(mén)基底中的光傳輸路徑可以有非圓形的橫截面。
權(quán)利要求
1.一種開(kāi)關(guān)裝置，包括一個(gè)移動(dòng)元件(2)，其能夠沿著在一零位置(O)和至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)之間一限定的軌道來(lái)回移動(dòng)；一個(gè)將上述移動(dòng)元件(2)連接到一基座(4)的彈性元件(3)，上述彈性元件(3)允許上述移動(dòng)元件(2)至少在上述零位置(O)和上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)之間來(lái)回移動(dòng)；以及位于上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)附近的至少一個(gè)固定的激勵(lì)電極(5，6)，用于產(chǎn)生靜電力以使上述移動(dòng)元件(2)移向/遠(yuǎn)離上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)，其中，上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)被設(shè)置為作用在基本與該移動(dòng)元件的軌道平行的上述移動(dòng)元件(2)的至少一個(gè)邊(20a)上，且其中上述移動(dòng)元件(2)、上述彈性元件(3)以及上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)的幾何結(jié)構(gòu)使上述移動(dòng)元件(2)不會(huì)與上述激勵(lì)電極(5，6)相接觸，并且上述至少一個(gè)預(yù)定開(kāi)關(guān)位置(A，B)由在由上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)在上述移動(dòng)元件(2)上產(chǎn)生的側(cè)向靜電力與由上述彈性元件(3)產(chǎn)生的機(jī)械彈簧力之間的一個(gè)平衡點(diǎn)(E)限定，由上述側(cè)向靜電力以及上述機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生的力在上述平衡點(diǎn)(E)附近方向相反。
2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述移動(dòng)元件(2)、上述彈性元件(3)以及上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)的幾何結(jié)構(gòu)使上述側(cè)向靜電力在靠近上述平衡點(diǎn)(E)時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)度的急劇下降。
3.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述開(kāi)關(guān)裝置被生產(chǎn)為微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式，上述裝置還包括一個(gè)基底(10)，所述移動(dòng)元件(2)、所述彈性元件(3)以及所述激勵(lì)電極(5，6)被微機(jī)械加工到上述基底中。
4.如權(quán)利要求3所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述基底(10)包括一種水晶的或者多晶體的材料，例如硅或者多晶硅。
5.如權(quán)利要求3所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述基底包括金屬。
6.如權(quán)利要求3到5中任何一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述移動(dòng)元件(2)包括一個(gè)過(guò)濾板(20)，其能夠在基本平行于上述基底(10)的平面中移動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，在上述基底(10)的平面中提供有一個(gè)開(kāi)口(7)，上述開(kāi)口(7)根據(jù)所述移動(dòng)元件是否在預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(B)而被所述過(guò)濾板(20)關(guān)閉或者打開(kāi)。
8.一種開(kāi)關(guān)單元，其包括多個(gè)如權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)裝置。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述彈性元件(3，30，3232.33.34，35，36)包括一個(gè)折疊的梁結(jié)構(gòu)，其包括至少一個(gè)第一梁(30；33.34)，所述第一梁從上述基座(4)沿基本上平行于上述基底(10)的平面的第一方向延伸到一中間元件(32)，以及至少一個(gè)第二梁(3；35，36)，所述第二梁從上述中間元件(32)沿基本與上述第一方向相反的第二方向延伸到上述移動(dòng)元件(2)。
10.如權(quán)利要求1-9中任何一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述彈性元件(35，36；32，33.34，35，36)包括一個(gè)平行的或者類似于縮放儀的結(jié)構(gòu)，用于引導(dǎo)上述移動(dòng)元件(2)，使其軌道基本呈線性。
11.如權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述移動(dòng)元件(2)和上述激勵(lì)電極(5，6)每一個(gè)包含一個(gè)梳狀結(jié)構(gòu)(25，55，65)，其包括沿基本平行于該移動(dòng)元件軌道的方向延伸的多個(gè)齒，每個(gè)齒包括一個(gè)端部分(25a，55a，65a)以及將上述第一部分分別連接到上述移動(dòng)元件(2)或者上述激勵(lì)電極(5，6)的基座部分，上述基座部分的直徑小于上述端部分(25a，55a，65a)的直徑。
12.如權(quán)利要求11所述的開(kāi)關(guān)裝置，其中，上述梳狀結(jié)構(gòu)(25，55，65)被設(shè)計(jì)為能夠在所述齒之間獲得空氣阻尼。
13.一種激勵(lì)開(kāi)關(guān)裝置的方法，包括一個(gè)移動(dòng)元件(2)，其能夠沿著在一零位置(O)和至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)之間一限定的軌道來(lái)回移動(dòng)；一個(gè)將上述移動(dòng)元件連接到基座(4)的彈性元件(3)，上述彈性元件(3)允許上述移動(dòng)元件至少在上述零位置(O)和上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)之間來(lái)回移動(dòng)；以及位于上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)附近的至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)，用于產(chǎn)生靜電力以使上述移動(dòng)元件(2)至少移向/遠(yuǎn)離上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)，上述方法的特征在于其包括下列步驟設(shè)置上述固定激勵(lì)電極(5，6)，使其作用在上述移動(dòng)元件(2)的基本平行于該移動(dòng)元件的軌道的至少一個(gè)邊(20a)上；以及選擇上述移動(dòng)元件(2)、上述彈性元件(3)以及上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)的幾何結(jié)構(gòu)，使上述移動(dòng)元件(2)不能與上述激勵(lì)電極(5，6)接觸，并且使上述至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)由在由上述至少一個(gè)固定激勵(lì)電極(5，6)在所述移動(dòng)元件(2)上產(chǎn)生的側(cè)向靜電力與由上述彈性元件(3)產(chǎn)生的機(jī)械彈性力之間的一個(gè)平衡點(diǎn)來(lái)限定，由上述側(cè)向靜電力與上述機(jī)械彈簧力的和產(chǎn)生的力在上述平衡點(diǎn)附近方向相反。
全文摘要
描述了一種開(kāi)關(guān)裝置，其包括一移動(dòng)元件(2)，該元件能夠沿著在一零位置(O)和至少一個(gè)預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置(A，B)之間一限定的軌道中來(lái)回移動(dòng)，將該移動(dòng)元件連接到一基座(4)的彈性元件(3)，以及至少一個(gè)固定的激勵(lì)電極(5，6)，其位于該預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置附近以產(chǎn)生靜電力，用于使該移動(dòng)元件移向和/或遠(yuǎn)離該預(yù)定的開(kāi)關(guān)位置。該固定激勵(lì)電極被設(shè)置為作用于該移動(dòng)元件平行于該移動(dòng)元件的軌道的至少一個(gè)邊(20a)。該移動(dòng)元件、彈性元件以及激勵(lì)電極的幾何結(jié)構(gòu)使該移動(dòng)元件不會(huì)與該激勵(lì)電極相接觸，并且該開(kāi)關(guān)位置由在由該固定激勵(lì)電極在該移動(dòng)元件上產(chǎn)生的側(cè)向靜電力與由該彈性元件產(chǎn)生的機(jī)械彈簧力之間的一個(gè)平衡點(diǎn)(E)來(lái)限定。
文檔編號(hào)G02B26/02GK1703645SQ02824306
公開(kāi)日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2002年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月4日
發(fā)明者卡特森·安德伯格, 克勞德·波爾吉斯 申請(qǐng)人:迪康公司