專(zhuān)利名稱(chēng):用于微型機(jī)械裝置的非線性鉸鏈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及微型機(jī)械裝置,尤其涉及具有利用扭轉(zhuǎn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)的一個(gè)或多個(gè)可動(dòng)元件的此類(lèi)裝置。
機(jī)電領(lǐng)域中最近的一個(gè)改進(jìn)已使得各種機(jī)械裝置小型化。這些裝置的特征是微小的傳動(dòng)裝置、控制桿和閥門(mén)。這些“微型機(jī)械”裝置利用集成電路技術(shù)并常結(jié)合電氣控制電路來(lái)制造。通常使用包括加速表、壓力傳感器和致動(dòng)器。作為另一個(gè)例子,空間光調(diào)制器可由微型機(jī)械反射鏡元件構(gòu)成。
微型機(jī)械裝置的一個(gè)類(lèi)型是數(shù)字微型鏡裝置(DMD),有時(shí)也叫做可形變鏡裝置。DMD具有上百或上千個(gè)微小的傾斜鏡的陣列。入射到DMD上的光選擇性地從每塊鏡子反射到成像平面或不被反射,以形成圖像。為了使鏡子傾斜,把每塊鏡子安裝到一個(gè)或多個(gè)扭轉(zhuǎn)鉸鏈上。利用位于下層控制電路上的空氣間隙來(lái)隔開(kāi)鏡子??刂齐娐诽峁┛梢鹈繅K鏡子選擇性地傾斜的靜電力。為了獲得最佳的操作,每塊鏡子在需要時(shí)應(yīng)立即返回其不傾斜(平衡)的位置。
可預(yù)見(jiàn)其它的微型機(jī)械裝置也使用扭轉(zhuǎn)鉸鏈。對(duì)于DMD,希望設(shè)計(jì)出可自動(dòng)回復(fù)到它們平衡位置的鉸鏈。
本發(fā)明的一個(gè)方面是某種類(lèi)型改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,此類(lèi)型具有至少一個(gè)被扭轉(zhuǎn)鉸鏈支撐的旋轉(zhuǎn)元件,從而旋轉(zhuǎn)元件可繞一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。此鉸鏈條包括至少兩個(gè)鉸鏈。在同一平面中這些鉸鏈條是隔開(kāi)的,從而至少一個(gè)鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸基本上平行但偏離旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)軸。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它提供了一種鉸鏈,其轉(zhuǎn)矩隨安裝有鉸鏈的旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)角呈非線性地增加。對(duì)利用靜電引力操作的鉸鏈,此非線性轉(zhuǎn)矩相應(yīng)于所加電場(chǎng)的非線性力。結(jié)果,該鉸鏈具有更大的回復(fù)力,用于起始旋轉(zhuǎn)所加的力可保持相當(dāng)小。落到另一個(gè)表面上的旋轉(zhuǎn)元件將降落得不是很快。
圖1是數(shù)字微型鏡裝置(DMD)隱藏鉸鏈型鏡子元件的分解立體圖,此裝置具有依據(jù)本發(fā)明的非線性鉸鏈。
圖2是DMD扭轉(zhuǎn)桿型鏡子元件的立體圖,此裝置具有依據(jù)本發(fā)明的非線性鉸鏈。
圖3更詳細(xì)地示出圖1和2的鉸鏈。
圖4示出圖1和2鉸鏈的另一實(shí)施例。
圖5示出非線性鉸鏈的另一類(lèi)型。
圖6示出與通常的微型機(jī)械裝置相比,依據(jù)本發(fā)明的微型機(jī)械鉸鏈中轉(zhuǎn)矩—角度的非線性關(guān)系。
為了示例,以下的描述是利用一種特殊類(lèi)型的微型機(jī)械裝置,即“數(shù)字微型鏡裝置”(DMD),有時(shí)也叫做“可變形鏡裝置”。如背景技術(shù)中所述,DMD包括微小的鉸接鏡,每塊鏡子支撐在控制電路的襯底上。本發(fā)明的目的是一種改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)鉸鏈,其中“扭轉(zhuǎn)鉸鏈”的意思是一種可通過(guò)扭轉(zhuǎn)而不是彎曲而操作的鉸鏈。
DMD的一個(gè)應(yīng)用是用于形成圖像,這里DMD具有可選擇性地把光反射到成像平面的可偏轉(zhuǎn)鏡的陣列。由DMD形成的圖像可用于顯示系統(tǒng)或非撞擊打印的應(yīng)用中。DMD的其它應(yīng)用是可不涉及圖像的形成,諸如光學(xué)駕駛、光學(xué)轉(zhuǎn)換和加速表。在其中的一些應(yīng)用中,“鏡子”不需要是反射型的。在一些應(yīng)用中,也可以模擬而不是數(shù)字模式操作DMD。一般,這里使用的詞“DMD”包括任意類(lèi)型的微型機(jī)械裝置,這些裝置都具有至少一個(gè)由來(lái)自襯底的空氣間隙所隔開(kāi)的鉸接可偏轉(zhuǎn)元件,它可相對(duì)該襯底運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明也可應(yīng)用到有安裝到扭轉(zhuǎn)鉸鏈的旋轉(zhuǎn)元件的其它類(lèi)型的微型機(jī)械裝置。象DMD的鏡子元件一樣,其它微型機(jī)械裝置也具有旋轉(zhuǎn)零件,其運(yùn)動(dòng)是由扭轉(zhuǎn)鉸鏈的扭轉(zhuǎn)引起的。這里對(duì)DMD鉸鏈討論的相同的概念可應(yīng)用到任何微型機(jī)械扭轉(zhuǎn)鉸鏈中。
圖1是DMD中單個(gè)鏡子元件10分解的立體圖。在圖1中,鏡子11是不偏轉(zhuǎn)的,但如箭頭所指,其扭轉(zhuǎn)鉸鏈12使它可沿兩個(gè)方向中的任一個(gè)偏轉(zhuǎn)。如上所述,各種DMD設(shè)備可單獨(dú)或以陣列的形式使用這些鏡子元件10。
圖1中的鏡子元件10稱(chēng)為“隱藏鉸鏈”鏡子元件。也可制造其它類(lèi)型的鏡子元件10,包括以下將結(jié)合圖2描述的“扭轉(zhuǎn)桿”型,這里鏡子直接安裝到鉸鏈上,而不是安裝在裝有鉸鏈的支架上。在第4,662,746號(hào)名為“空間光調(diào)制器和方法”的美國(guó)專(zhuān)利;第4,956,610號(hào)名為“空間光調(diào)制器”的美國(guó)專(zhuān)利;第5,061,049號(hào)名為“空間光調(diào)制器和方法”的美國(guó)專(zhuān)利;第5,083,857號(hào)名為“多級(jí)可變形鏡裝置”的美國(guó)專(zhuān)利;以及流水號(hào)為08/171,303號(hào)名為“改進(jìn)的多級(jí)微型鏡裝置”的美國(guó)專(zhuān)利中描述了不同的DMD類(lèi)型。上述每個(gè)專(zhuān)利都轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司,都引入了這些專(zhuān)利作為參考。
對(duì)于其它的隱藏鉸鏈DMD設(shè)計(jì),鏡子元件10的鉸鏈12由襯底上形成的鉸鏈支撐柱13支撐。尋址電極14由電極支撐柱15(它們與鉸鏈12和鉸鏈支撐柱13在同一水平內(nèi))支撐。
鏡子支撐柱16安裝在搭接支架17上。搭接支架17安裝在兩個(gè)鉸鏈12中每個(gè)的一端。每個(gè)鉸鏈12的另一端安裝到鉸鏈支撐柱13。鉸鏈支撐柱13和電極支撐柱15支撐位于具有搭接襯墊18a和尋址電極18b的襯底上的鉸鏈12、尋址電極14和的搭接支架17。當(dāng)鏡子11傾斜時(shí),搭接支架17的頂部與襯底18的搭接襯墊18a相接觸。搭接襯墊18a和尋址電極18b與存儲(chǔ)單元(未示出)適當(dāng)?shù)仉姎膺B接,該存儲(chǔ)單元特有地用CMOS制造技術(shù)做在同一襯底18中。
圖2示出扭轉(zhuǎn)桿型DMD的鏡子元件20。鉸鏈22是不隱藏的,而是從鏡子21相對(duì)的兩側(cè)延伸。鉸鏈22安裝在鉸鏈支撐柱23上。尋址電極26提供了傾斜鏡子21(它接觸搭接襯墊27)的引力。在具有存儲(chǔ)單元和控制電路的襯底28上制造鏡子元件20。
圖1和2的許多設(shè)計(jì)變化是可能的。例如,支架27(或鏡子21)可開(kāi)槽,從而可放入鉸鏈12(或22)。鉸鏈12(或22)可安裝如圖1所示支架17(或鏡子21)的一側(cè)或如圖2所示安裝在一角。此外,鉸鏈安裝不需要在相對(duì)的角上或側(cè)面上??砂惭b鉸鏈,以允許不對(duì)稱(chēng)的傾斜。
在用于圖像顯示設(shè)備的操作中,并用鏡子元件20的陣列為例,光源照亮DMD的表面??墒褂猛哥R系統(tǒng)使光大致成形為鏡子元件20陣列的尺寸,并把此光指向鏡子元件20。把基于襯底28的存儲(chǔ)元件中數(shù)據(jù)的電壓加到尋址電極26。通過(guò)把電壓選擇性地加到尋址電極26,可在鏡子21及其尋址電極26之間產(chǎn)生靜電力。此靜電力引起每塊鏡子21傾斜大約+10度(開(kāi))或大約-10度(關(guān)),從而調(diào)制入射到DMD表面的光。從“開(kāi)”鏡21反射的光通過(guò)顯示器鏡片被指向成像平面。從“關(guān)”鏡21反射的光遠(yuǎn)離成像平面。獲得的圖案形成了圖像。在鏡子21為“開(kāi)”的每個(gè)圖像幀中時(shí)間的比例確定了灰度梯度。色彩可利用色輪或三-DMD配置來(lái)加。
事實(shí)上,鏡子21及其尋址電極26形成電容器。但對(duì)鏡子21及其尋址電極26加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí),獲得的靜電力(引力或斥力)引起鏡子21向相引尋址電極26或遠(yuǎn)離相斥尋址電極26傾斜。鏡子21保持傾斜,直到其邊緣接觸下層搭接襯墊27。一旦除去了尋址電極26和鏡子21之間的靜電力,存儲(chǔ)在鉸鏈22中的能量就提供回復(fù)力,以使鏡子21返回到不偏轉(zhuǎn)的位置。可對(duì)鏡子21或?qū)ぶ冯姌O26加上適當(dāng)?shù)碾妷海詭椭R子21返回其不偏轉(zhuǎn)的位置。
本發(fā)明的一個(gè)方面是認(rèn)為當(dāng)鏡子21(或支架1)旋轉(zhuǎn)時(shí),電場(chǎng)非線性地增加。為了防止立即降落,以及為了提供較強(qiáng)的回復(fù)力,鉸鏈22(或12)應(yīng)非線性的響應(yīng)。如以下所述,這是通過(guò)從兩個(gè)鄰近鉸鏈條中做每個(gè)鉸鏈12和22來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
圖3更詳細(xì)地示出鏡子21和鉸鏈22。對(duì)于本發(fā)明的目的,鏡子元件10的支架17和鉸鏈12在結(jié)構(gòu)上和在操作上是等同的。鏡子21的旋轉(zhuǎn)軸沿Y-Y方向。每個(gè)鉸鏈22包括一對(duì)鉸鏈條22a,位于同一平面中的鉸鏈條是隔開(kāi)的。每個(gè)鉸鏈條22a具有它自身的旋轉(zhuǎn)軸。在此描述的例子中,每個(gè)鉸鏈的鉸鏈條22a是對(duì)準(zhǔn)成一直線的,從而有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸h1-h1和h2-h2。如圖所示,這些旋轉(zhuǎn)軸線平行于、但又偏離鏡子21的旋轉(zhuǎn)軸。結(jié)果,在鏡子21旋轉(zhuǎn)期間,鉸鏈條22a伸長(zhǎng)。伸長(zhǎng)鉸鏈條22a所需增大的力導(dǎo)致回復(fù)轉(zhuǎn)矩的增加。
通過(guò)在鏡子21的每一面上刻蝕兩鉸鏈條22a而不是一片鉸鏈,可把依據(jù)本發(fā)明的鉸鏈22包含DMD的制造過(guò)程中。典型的DMD具有大約16平方微米的鏡子21。對(duì)于該尺寸的鏡子21,鉸鏈條22a的寬度w大約是1微米。其長(zhǎng)度大約是4微米。它們之間的距離d大約是1微米。W和d的大小受光刻蝕能力的限制;更好的解決能力可使尺寸更小。
可由鉸鏈22中鉸鏈條22a之間的間隔距離來(lái)調(diào)節(jié)像素每旋轉(zhuǎn)一度時(shí)鉸鏈伸長(zhǎng)的量。間隔距離較大將造成非線性的程度也較大。由某間隔距離d產(chǎn)生的附加鉸鏈伸長(zhǎng)的小角近似為εelongation=0.5(dθ/2L)2式中εelongation=伸長(zhǎng)應(yīng)力d=鄰近鉸鏈之間的間隔距離θ=鏡子旋轉(zhuǎn)角L=鉸鏈長(zhǎng)度圖4示出鉸鏈22的另一實(shí)施例??蓪?duì)鉸鏈12進(jìn)行類(lèi)似的改變。與互相平行不同的是,每個(gè)鉸鏈22中的鉸鏈條22a形成V字形。此設(shè)計(jì)使鉸鏈形狀可適應(yīng)周?chē)慕Y(jié)構(gòu)。
圖5示出鉸鏈22的另一實(shí)施例的鉸鏈52。與具有兩隔開(kāi)的鉸鏈條不同的是每個(gè)鉸鏈52很寬。其寬度與長(zhǎng)度的比值很大,從而當(dāng)鏡子21的旋轉(zhuǎn)角增加時(shí)獲得非線性轉(zhuǎn)矩。也可對(duì)鉸鏈12進(jìn)行類(lèi)似的改變。寬鉸鏈52的一個(gè)例子是2微米寬和4微米長(zhǎng)。
圖6示出依據(jù)本發(fā)明的非線性鉸鏈和通常的微型機(jī)械鉸鏈之間轉(zhuǎn)矩—角度的關(guān)系。非線性鉸鏈有兩個(gè)1微米寬、4微米長(zhǎng)及間距1微米的條1。線性鉸鏈?zhǔn)?微米寬和4微米長(zhǎng)的單片。對(duì)于線性鉸鏈,其旋轉(zhuǎn)軸相應(yīng)于鏡子的旋轉(zhuǎn)軸,其轉(zhuǎn)矩—角度的關(guān)系是線性的。
其它實(shí)施例雖然已參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明,但此描述并不意味著限制的意思。對(duì)所述實(shí)施例的各種改變,以及可供選擇的實(shí)施例將對(duì)本領(lǐng)域中的熟練技術(shù)人員是明顯的。因此,試圖使附加的權(quán)利要求書(shū)覆蓋落在本發(fā)明實(shí)際范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,它屬于具有至少一個(gè)由鉸鏈支撐的旋轉(zhuǎn)元件,從而所述旋轉(zhuǎn)元件可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的類(lèi)型,其特征在于該改進(jìn)包括所述鉸鏈包括至少兩個(gè)鉸鏈條,所述鉸鏈條在同一平面中相互隔開(kāi),從而至少一個(gè)所述鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸平行于、但偏離所述運(yùn)動(dòng)元件的旋轉(zhuǎn)軸。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述諸鉸鏈條基本上平行。
3.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述諸鉸鏈條基本上形成V字形。
4.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述每個(gè)鉸鏈條的寬度都近似于1微米。
5.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述諸鉸鏈條隔開(kāi)大約1微米遠(yuǎn)。
6.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述每個(gè)鉸鏈條寬度與長(zhǎng)度的比值近似于1∶4或更小。
7.一種改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,它屬于具有至少一個(gè)由鉸鏈支撐的旋轉(zhuǎn)元件,從而所述旋轉(zhuǎn)元件可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的類(lèi)型,其特征在于該改進(jìn)包括所述鉸鏈具有寬度相對(duì)于長(zhǎng)度的尺寸,從而當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)時(shí),所述鉸鏈的邊緣經(jīng)歷非線性的伸長(zhǎng)應(yīng)變。
8.如權(quán)利要求7所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述鉸鏈寬度與長(zhǎng)度的比值大于1∶2。
9.如權(quán)利要求7所述的改進(jìn)的微型機(jī)械裝置,其特征在于所述鉸鏈的尺寸是大約2微米寬,4微米長(zhǎng)。
10.一種數(shù)字微型鏡裝置(DMD),其特征在于包括其上制備有下述元件的襯底至少一個(gè)搭接電極、一支撐柱、至少一個(gè)從所述支撐柱延伸的鉸鏈、裝在所述鉸鏈上的一鏡子,其中所述至少一個(gè)鉸鏈可變形,從而使所述鏡子受到所施加力的作用向所述搭接電極移動(dòng);以及所述鉸鏈包括至少兩個(gè)鉸鏈條,所述鉸鏈條在同一平面上相互隔開(kāi),從而至少一個(gè)所述鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸平行于、但偏離所述運(yùn)動(dòng)元件的旋轉(zhuǎn)軸。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述鉸鏈條基本上平行。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述鉸鏈條基本上形成V字形。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述每個(gè)鉸鏈條的寬度都近似于1微米。
14.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述諸鉸鏈條隔開(kāi)大約1微米遠(yuǎn)。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置,其特征在于所述每個(gè)鉸鏈條寬度對(duì)長(zhǎng)度的比值近似于1∶4或更小。
全文摘要
一種用于具有一鉸接的可運(yùn)動(dòng)元件(11,21)的微型機(jī)械裝置(10,20)的非線性扭轉(zhuǎn)鉸鏈(12,22)。每個(gè)鉸鏈(22)包括在同一平面內(nèi)隔開(kāi)的兩個(gè)鉸鏈條(22a),從而至少一個(gè)鉸鏈條(22a)的旋轉(zhuǎn)軸不同于可運(yùn)動(dòng)元件(21)的旋轉(zhuǎn)軸。結(jié)果,鉸鏈條(22a)在被扭轉(zhuǎn)時(shí)必定伸長(zhǎng),從而提供較大的回復(fù)轉(zhuǎn)矩。
文檔編號(hào)F16C11/00GK1173594SQ9611181
公開(kāi)日1998年2月18日 申請(qǐng)日期1996年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年8月8日
發(fā)明者R·L·奈普, D·A·韋布 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司