專利名稱：彈性體微機(jī)電系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明有關(guān)一種微機(jī)電轉(zhuǎn)換器，它包括多個(gè)被彈性地支承在彈性體微結(jié)構(gòu)之上的微電極。
發(fā)明的背景過去的十年中，在微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域中取得了長足的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)的英文縮寫通常為“MEMS”。如其名字所包含的意義那樣，MEMS基本上為結(jié)合有某種形式的機(jī)電轉(zhuǎn)換以達(dá)到一定功能的微系統(tǒng)。在這種情況下，“微”意指零件尺寸為微米量級。MEMS裝置方面的例子有微型泵、微型馬達(dá)、微光學(xué)平鏡等。在IEEE Spectrum，May 1994，pp.20-31上刊載有一篇題為“Micromachines on the March，”(前進(jìn)中的微機(jī)械)的文章，對MEMS當(dāng)前的發(fā)展水平作了回顧。
文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的許多MEMS裝置均采用靜電轉(zhuǎn)換。如大多數(shù)的機(jī)電轉(zhuǎn)換器一樣，靜電轉(zhuǎn)換器也可被配置為致動(dòng)器或者傳感器的形式。當(dāng)被配置成致動(dòng)器時(shí)(這種形式特別關(guān)系到本發(fā)明的應(yīng)用)，靜電轉(zhuǎn)換器利用極性相反電荷間的吸引作用來產(chǎn)生吸引力。對于一平行板結(jié)構(gòu)型式，這一力(或壓力)P可容易地被計(jì)算如下P=12ϵ0E2=12ϵ0(vd)2---(1)]]>式中ε0為空氣的介電常數(shù)(8.85×10-12F/m)，E為電場強(qiáng)度。在兩平行電極的場合，E＝v/d，因而要用到第二步的關(guān)系式。
在MEMS裝置的有關(guān)文獻(xiàn)中舉出了許多的例子，它們均采用靜電致動(dòng)力。例如下列文章Zengerle，R.et al.，1992，“A Micro MembranePump with Electro static Actuation，”IEEE Micro Electro MechanicalSystems Workshop.；Gabriel K.J.et al.，1992，“Surface Normal Electro-static/Pneumatic Actuator，”IEEE Micro Electro Mechanical SystemsWorkshop；bobbio et al.，1993，“Integrated force Arrags，”Proc.ofIEEE MEMS 1993 Workshop，pp.149-154；以及K.Minami et al.，1993，“Fabri cation of Distributed Electrostatic Micro Actuator(DEMA)，”J.of MEMS，vol.2，No.3，1993。
選擇靜電轉(zhuǎn)換而不采用其它轉(zhuǎn)換方法的某些主要原因如下(1)能量密度對于兩電極間所施加的一定電壓，電場強(qiáng)度隨兩電極間間距的減小而增加。由于靜電力與電場強(qiáng)度的平方成正比，當(dāng)施加的電壓一樣時(shí)，兩電極間距離減小一個(gè)數(shù)量級則會使產(chǎn)生的靜電力增大兩個(gè)數(shù)量級。與此相關(guān)的是，大部分氣體的電場強(qiáng)度也隨著極間距的減小而迅速增加(例見H.L.Saums，“Materials for ElectricalInsulating and Dielectric Functrions，”Hayden Book Co.1973)。因此可看出，靜電力很適合用于MEMS裝置中。
(2)效率靜電裝置典型地具有較高的效率，因?yàn)樗鼈儾恍枰蟮碾娏髅芏?，因而電阻損耗小，而這些常常是磁性的或形狀記憶合金為基礎(chǔ)的致動(dòng)器所固有的，當(dāng)一個(gè)靜電裝置它的電極運(yùn)動(dòng)僅為極間距的幾分之一時(shí)(MEMS裝置中常常是這種情形)，它的效率就特別的高。
(3)費(fèi)用不同于大部分其它的轉(zhuǎn)換器，尤其不同于壓電轉(zhuǎn)換器和磁致伸縮轉(zhuǎn)換器，靜電轉(zhuǎn)換僅需具有相對電荷的兩電極來產(chǎn)生機(jī)械力。僅僅淀積兩個(gè)電極要比淀積兩電極加一種(比如)壓電材料(該壓電材料其后由電極所激勵(lì))便宜得多。
盡管靜電致動(dòng)機(jī)構(gòu)具有上述所需的特征，仍有某些例子其中效率并非是十分關(guān)鍵的因素，因而在這些例子中采用磁致動(dòng)要更為優(yōu)越些。磁致動(dòng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生在較長距離上作用的力，因?yàn)榱Φ臏p小僅僅與微電極距離線性相關(guān)，這一點(diǎn)與在分別給定電流和電勢之下靜電力與電極間距成平方關(guān)系的場合是不一樣的。此外，在磁驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器中典型地可使用較低的電壓，因?yàn)樗鼈兊男阅芘c所加電壓無關(guān)，而僅取決于電流。即使效率并不十分重要，仍需注意由載有致動(dòng)電流的微電極的電阻性功耗所產(chǎn)生的熱耗散。
MEMS的研究領(lǐng)域似乎是從兩個(gè)因素中產(chǎn)生的對探索機(jī)電裝置小型化所能達(dá)到的極限的好奇心(例見Feynman，R.，1993，“InfintesimalMachinery，”J.MEMS，Vol.2.No.1，)以及廣泛地可得到用于集成電路制造的微加工設(shè)備。微加工技術(shù)目前已相當(dāng)先進(jìn)，特別是最近又增加了如LIGA法，硅熔接法等技術(shù)；且可用于制造相當(dāng)多種類的裝置。但是，這些微加工技術(shù)對每單位加工面積的費(fèi)用就很貴，即使是對大批量的生產(chǎn)也是一樣，因此它們似乎僅僅只能被用于單位面積價(jià)值很高的微加工表面。
限制當(dāng)前MEMS技術(shù)發(fā)展的另一因素是能使電極間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的手段是電機(jī)械鉸鏈機(jī)構(gòu)、或是由彎曲薄的、做成高度懸臂梁形式的結(jié)構(gòu)來提供。例如，在Bobbio等人文章中所描述的裝置中，規(guī)定陣列中每個(gè)“單元”(cell)的支承點(diǎn)間的距離相對于聚酰胺/金屬結(jié)構(gòu)的厚度應(yīng)足夠大，這是因?yàn)檫@些材料具有較高的彈性模量的緣故。這些相對較薄的結(jié)構(gòu)除了使設(shè)計(jì)和制造這些裝置變得相當(dāng)復(fù)雜之外，還是十分易碎的，因而也不十分適用于要求高耐用性的場合。已有MEMS技術(shù)的這樣和那樣的缺點(diǎn)可通過使用如下所述的一種新型的、稱之為彈性體微機(jī)電系統(tǒng)(“EMEMS”)的MEMS技術(shù)來加以克服。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是提供一種微機(jī)電裝置，其中支承于一彈性體微結(jié)構(gòu)之上的微電極在靜電力的作用下經(jīng)受實(shí)質(zhì)性的相對運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種微機(jī)電轉(zhuǎn)換器，通過采用模制彈性體膜的微結(jié)構(gòu)僅表面可便宜地構(gòu)造這種轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的再一目的是為有關(guān)的氣體和氣壓在EMEMS中相反極性的兩微電極間使用一定范圍的極間距，即小于兩倍的Paschen最小距離。
本發(fā)明的還一個(gè)目的是提供一種手段來在與相對極性的微電極相互接觸的固體表面上增加路徑長度，且同時(shí)還提供一種手段來構(gòu)造上述微電極的圖形且擴(kuò)展氣流路徑區(qū)域。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種手段來通過采用相對微結(jié)構(gòu)化表面來制造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。
上述目的及其他目的是通過提供一種微機(jī)電轉(zhuǎn)換器來達(dá)到的，在這種轉(zhuǎn)換器中將微電極有選擇地淀積到一微結(jié)構(gòu)化表面上。這些微結(jié)構(gòu)被選擇性地連結(jié)到激勵(lì)它們的一種裝置上，其方式能在任何兩相反極性的微電極間或在一微電極和一與之鄰近的宏電極間產(chǎn)生靜電力。
微電極的構(gòu)造材料優(yōu)選地采用一種具有高彈性應(yīng)變極限值的低彈性模量材料，這些材料通常被稱做彈性體。這種材料的選擇加上對微電極作的合適的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配置，能使靜電力在兩極性相反的電極間產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的相對運(yùn)動(dòng)，或在一微電極和另一與之鄰近的宏電極間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。這種EMEMS設(shè)計(jì)技術(shù)能提供優(yōu)于常規(guī)MEMS裝置的專門性能優(yōu)點(diǎn)，比如改善了耐用性。但是，預(yù)期的最重要的優(yōu)點(diǎn)還是大大降低了單位面積的制造費(fèi)用。
制造具有低彈性模量和高彈性的彈性體材料的微結(jié)構(gòu)能使微結(jié)構(gòu)具有相對較低的縱橫比，然而卻仍是高度柔性的。與此相反，常規(guī)MEMS裝置中所用的高彈性模量硅微結(jié)構(gòu)要求有較高的縱橫比以使之具實(shí)質(zhì)性的柔性。采用低縱橫比能有助于采用兩種關(guān)鍵加工技術(shù)。首先，可將微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成在一膜狀彈性體片材之上的可模制表面結(jié)構(gòu)的形式。其次，采用熟知的大規(guī)模微細(xì)加工技術(shù)(如金剛石切削)來加工一個(gè)模子用于微細(xì)復(fù)制結(jié)構(gòu)化的表面彈性體薄膜。在薄膜表面作微細(xì)復(fù)制以產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)與常規(guī)微細(xì)加工技術(shù)相比極大地降低了生產(chǎn)費(fèi)用。最后，采用合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和物理氣相淀積技術(shù)，則可選擇性地淀積微電極，而無需采用在制造常規(guī)MEMS裝置中通常所用的昂貴的掩模工序。所有這些特點(diǎn)綜合起來便可使人們采用熟知的大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)來便宜地生產(chǎn)EMEMS裝置。
附圖簡介

圖1A為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的放大了的局部剖視透視圖。
圖1B為圖1A所示結(jié)構(gòu)的局部剖面正視圖，示出當(dāng)微電極位于一種由施加圖中所標(biāo)記電勢而引起的激勵(lì)狀態(tài)時(shí)所在的位置。
圖1C為圖1A所示結(jié)構(gòu)的局部剖面正視圖，示出當(dāng)微電極位于一由施加圖中所標(biāo)記電勢而引起的第二激勵(lì)狀態(tài)時(shí)所在的第二位置。
圖1D示出圖1A的結(jié)構(gòu)外加一連結(jié)裝置用于與每個(gè)電極實(shí)現(xiàn)電氣接觸。
圖1E為圖1D所示結(jié)構(gòu)的頂視圖。
圖2A為圖1A所示結(jié)構(gòu)的剖面正視圖，圖中示出如何能將微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理用于取得本發(fā)明的各個(gè)目的。
圖2B為一掃描電鏡圖，示出根據(jù)本發(fā)明的方法制造的一金屬鍍層彈性體微結(jié)構(gòu)。
圖3示出一對放大了的、相對的微結(jié)構(gòu)化表面，它們提供了多個(gè)儲氣室。
圖4與圖3類似，但去掉了上部微結(jié)構(gòu)部分，示出在下部微結(jié)構(gòu)中儲氣室的位置以及彈性支撐在該微結(jié)構(gòu)之上的一宏電極。
圖5A和5B示出本發(fā)明的一實(shí)施例，它具有一位于圖1實(shí)施例下方的一宏電極。
圖6示出與圖1A-1D的實(shí)施例相類似的一實(shí)施例，其中載有微電極的彈性體微結(jié)構(gòu)被提供在一平面襯底的兩側(cè)。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明圖1A提供的是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所制造的一裝置的剖視透視圖。該裝置具有一組線性排列的(通常超過1000個(gè))均勻間隔開的微電極6，每個(gè)電極均被支承在微結(jié)構(gòu)化的彈性體脊5的頂部。微結(jié)構(gòu)化的彈性體脊5作為表面特征被形成在一彈性體襯底膜或片4之上。
可采用大批量模制微復(fù)制技術(shù)來經(jīng)濟(jì)地制造這種微結(jié)構(gòu)脊5，已知的有如制造象微棱鏡式光學(xué)膜片等微結(jié)構(gòu)化表面產(chǎn)品?？梢圆捎迷S多好的導(dǎo)電性材料中的任何一種來形成微電極6，例如純金屬(如Al，Cu，Au)、合金、金屬氧化物(如銦錫氧化物)、超導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、形狀記憶合金；或?qū)щ姀椥泽w。
在導(dǎo)電材料要求的應(yīng)變相對較高的場合，則需采用導(dǎo)電彈性體材料制作微電極以降低機(jī)械疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)，這種機(jī)械疲勞失效會導(dǎo)致微電極失去導(dǎo)電性。以下將更詳細(xì)地?cái)⑹鲆环N用于將微電極淀積在微結(jié)構(gòu)脊5之上的優(yōu)選技術(shù)。
圖1A所示裝置的一個(gè)重要目的是要使微電極6在完全平行于微結(jié)構(gòu)化底片4的方向上以一定的頻率f且作為時(shí)間t的函數(shù)作一種簡諧運(yùn)動(dòng)。這種簡諧運(yùn)動(dòng)對許多流體力學(xué)的應(yīng)用是有用的，例如邊界層控制，其中需要對流體表面相互作用進(jìn)行微觀控制以便對宏觀流產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。例如，可利用這種效果來增加混合在邊界層中的流體量級并由此增加其動(dòng)量交換。在某些電驅(qū)動(dòng)條件下，也可以使用這種效果來減少所混合入的湍流量級并由此亦降低在諸如飛機(jī)這樣的空氣動(dòng)力體之上的表面阻力。在許多參考文獻(xiàn)中已對使用微機(jī)械裝置來與液體流相互作用作了詳細(xì)討論，如Ho，Chih-Ming，“Interaction Between Fluid DynamicsAnd New Technology，”IEEE International Conference on flowInteraction，Keynote Talk，Sept.5-9，1994。
下面根據(jù)圖1B和1C來討論能用來得到微電極6的簡諧運(yùn)動(dòng)的手段。將4個(gè)獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)電勢函數(shù)a、b、c、d中的一個(gè)施加于每個(gè)微電極6，其中a＝+V B＝+VSin(2πft)c＝-V d＝-VSin(2πft)如圖1B所示的那樣，這些函數(shù)被反復(fù)地交替施加到鄰近微電極上。由這種驅(qū)動(dòng)電勢序列所產(chǎn)生的靜電力通過支撐微電極6的微結(jié)構(gòu)化彈性體脊5的變形以下列的方式來產(chǎn)生微電極6的簡諧運(yùn)動(dòng)。在時(shí)間t＝0時(shí)，微電極6處于圖1A所示的未變形狀態(tài)。在t＝1(4f)時(shí)，微電極6處于圖1B所示的最大變形狀態(tài)。在t＝1/(2f)時(shí)，微電極6將經(jīng)過圖1A所示的未變形狀態(tài)。最后在t＝3/(4f)時(shí)，微電極6將處于圖1C所示的最大變形的相反極性狀態(tài)。這一運(yùn)動(dòng)模式被以頻率f反復(fù)進(jìn)行并由此取得所需的操作。由此可知，所施加的電勢交替地在相鄰電極6對之間誘發(fā)吸引力，從而使微電極產(chǎn)生受控的時(shí)變位移。
每個(gè)微電極6優(yōu)選地具有小于0.01mm2的橫截面積，且產(chǎn)生的位移超過這一面積的平方根值的1％。
可采用一邊緣連接帶10來將微電極6電氣地連接到一合適的電源11(如圖1D和1E所示)。連接帶10由一系列突出的微結(jié)構(gòu)化脊8組成，它們隔開且支承住倒“U”型電觸頭9。脊8的幾何形狀被做成能同時(shí)插進(jìn)微結(jié)構(gòu)化彈性體脊5之間。脊的幾何形狀要做成使相互交錯(cuò)的脊5和8間的間隙足以能容易地插入但卻要仍能在觸頭9和各電極6的相鄰表面間提供很好的電接觸。
每個(gè)倒“U”型電觸頭9組成從電源11運(yùn)載合適驅(qū)動(dòng)信號(即a、b、c或d)的導(dǎo)電路徑的一部分。采用諸如光刻法那樣的眾所周知的集成電路制造工藝來將一種微圖形化的接線方案應(yīng)用于連接帶10可很方便地實(shí)現(xiàn)上述這一點(diǎn)。由于微電極6和觸頭9緊密接觸，因而可得到十分好的電連接，可能的話還可借助于如導(dǎo)電膠那樣的導(dǎo)電粘性材料在將微電極和觸頭如前所述地交錯(cuò)插入之前將導(dǎo)電膠涂在一個(gè)表面上。將諸如聚酰胺那樣的一種具有適當(dāng)較高的電場強(qiáng)度絕緣性材料用來形成每個(gè)脊8的主體并用來絕緣鄰近的導(dǎo)電通路。
在微電極6之間可被產(chǎn)生的最大靜電力是受相鄰電極間的靜擊穿所限制。盡管發(fā)明者并不愿意被任何特殊理論所約束，但看起來在如上所述的一EMEMS裝置中通常仍存在有三種主要的電擊穿方式。
第一種主要的電擊穿方式是在微電極6和/或平面電極間的整個(gè)彈性體表面上的表面放電。如碳化這樣的許多機(jī)理均可引起在原本非導(dǎo)電表面上產(chǎn)生表面放電。在大多數(shù)場合，表面放電的機(jī)率隨每單位路徑長度上的電壓的增加而增加。這樣便希望盡可能長地增加路徑長度。這一點(diǎn)在優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中是通過利用長的路徑長度“S”(圖2A)來達(dá)到的，而這種長的路徑長度“S”則是橫過位于彈性體脊5之上的微電極6(見圖2A)之間的凹槽所要求的。
第二種主要的電擊穿方式是位于電極間的氣體的雪崩擊穿。當(dāng)電壓超過給定氣體的Paschen曲線值的電壓時(shí)，則會產(chǎn)生氣體雪崩擊穿。Paschen曲線可參考某些學(xué)術(shù)著作來加以確定，如Kuffel，E.Et al，“TheSparking Uoltage-Faschem’s Law，”pp.354-361 in High UoltageEngineering Fundamentals，Pergamon Press，Oxford，1984.Paschen定理講述不發(fā)生雪崩擊穿所能獲取的最大電壓V是一個(gè)僅與氣壓p和間隙d的乘積有關(guān)的函數(shù)，即V＝f(pd)。這樣便希望使電極間隙3(圖1A)做得盡量小以防止氣體擊穿。然而，這一點(diǎn)必須針對如下的事實(shí)來加以平衡，即電極間隙3的減小也會減小微電極6的最大位移量，而這將限制裝置的有用性。某些類型的氣體，尤其象六氟化硫這樣的負(fù)電性氣體，較之空氣具有對雪崩擊穿更高的抵抗性且可提供一種增加絕緣強(qiáng)度的有用手段。
第三種主要的電擊穿方式是場致發(fā)射。場致發(fā)射是在一個(gè)表面上電子穿過勢壘的隧道效應(yīng)，它反過來又導(dǎo)致一系列的擊穿機(jī)理。從理論上講，勢壘值太大以致不可能允許產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的隧道效應(yīng)，除非電場強(qiáng)度達(dá)到3000MV/m這樣大的量級。然而在實(shí)際中，實(shí)質(zhì)性的場致發(fā)射仍可在標(biāo)稱電場強(qiáng)度達(dá)到比上述值低兩個(gè)數(shù)量級的值時(shí)(即30MV/m)開始發(fā)生。這種減弱性看起來似乎是由大量的微凸起所造成的，它們即使是在高度拋光過的表面中也是固有地存在的。這些微凸起能使局部電場強(qiáng)度增大兩個(gè)數(shù)量級且因此而導(dǎo)致場致發(fā)射擊穿。所以，為防止場致發(fā)射，必須采用一種手段來減小表面粗糙度。也有證據(jù)表明，除了電場強(qiáng)度值之外，電極間距(它影響著施加在間隙兩端的整個(gè)電壓)也能起作用(例見A.Kojima et al.，“Effect of Gap Length on Effective FieldStrength，”Proc.3rd Intl.Conf on Properties and Applications ofDielectric Maferiais，July 8-12，1991，Tokyo，Japan)。這一點(diǎn)進(jìn)一步表明，應(yīng)將電極間距盡量做得切合實(shí)際地小。
總的說來，作為薄弱環(huán)節(jié)的擊穿機(jī)理將取決于一系列的因素，諸如表面路徑長度、電極間距、介電氣體類型、電極表面等。例如如果要在一高真空環(huán)境中來操作上述裝置，就必須實(shí)質(zhì)性地減少氣體擊穿機(jī)理且僅需對付表面放電和場致發(fā)射。根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)，對涉及的氣體和氣壓來說，應(yīng)使電極間距小于2倍的Paschen最小距離。這樣可原則上保證能得到實(shí)質(zhì)性的靜電力而不生產(chǎn)出氣體擊穿或不需要過分高的工作電壓。
現(xiàn)在來討論用來將微電極6有選擇地淀積在脊5頂部的方法。如上所述，需要有選擇地將微電極6以一種便宜的、大規(guī)模生產(chǎn)的方式淀積在脊5的某些部分。一種這樣的方法是采用物理氣相淀積原子的定向性質(zhì)與彈性體的微結(jié)構(gòu)相結(jié)合來制造微遮蔽效應(yīng)。微遮蔽技術(shù)已被用于本領(lǐng)域的其它地方，如用在Bobblo等人所描述的裝置中，見Babbio et al.，“Integrated Force Arrays，”Proc.1993 IEEE MEMSWorkshop，p.150。
參照圖2A，通過將金屬原子沿與垂直于脊5的方向成α的角度進(jìn)行投射(該角度α足以產(chǎn)生所需的遮蔽度)，可獲得微遮蔽效應(yīng)。圖2A示出一45°的投射角(α。這樣可提供一相對較長的表面擊穿路徑長度，同時(shí)也在靠近脊5頂部的地方造成到電場的一光滑過渡。較小的角度將會使金屬限制在脊5頂部的一較小區(qū)域中，但這些較小區(qū)域的邊緣會產(chǎn)生很高的電場，這些電場有可能成為電擊穿源。圖2B是在與一個(gè)裝置的微結(jié)構(gòu)化表面成一斜角的方向上拍攝的掃描電鏡圖，該裝置是根據(jù)上述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例所構(gòu)造的。在該掃描電鏡圖中，淺陰影區(qū)32代表鉭金屬鍍層，而深陰影區(qū)33則代表硅彈性體。
在某些場合需要使用兩相對且相互接觸的微結(jié)構(gòu)化表面圖3中示出一個(gè)這樣的實(shí)施例的一小部分。圖3的下部表示載有多個(gè)第一彈性體脊5的一彈性體微結(jié)構(gòu)化襯底4，每個(gè)彈性體脊均如前所述如圖1A所示的那樣覆蓋有一第一微電極6。圖3的上部表示一第二彈性體微結(jié)構(gòu)化襯底12，在其中連接有多個(gè)第二微電極14，其方式為每個(gè)微電極14面對多個(gè)相應(yīng)的微電極6。圖3的尺度是不成比例的，實(shí)際中，上彈性體微結(jié)構(gòu)化襯底12的厚度要遠(yuǎn)大于下彈性體微結(jié)構(gòu)化襯底4的厚度。
一系列的彈性體脊16從上微結(jié)構(gòu)化襯底12的下伸出以規(guī)則的間隔同下微結(jié)構(gòu)化襯底4相接觸，這樣便限定了微電極6和14間的一極間距18。象空氣這樣的一種氣體充實(shí)了由兩微結(jié)構(gòu)化襯底所包圍的空間20。優(yōu)選地將一種粘接劑涂到兩微結(jié)構(gòu)間的觸點(diǎn)22上。將微電極14連到一電壓源的一端，而面對電極14的微電極6則被連至另一端。在上微結(jié)構(gòu)化襯底12上等間隔地做有多個(gè)凹槽以提供多個(gè)儲氣室24用于下面所述的目的。
圖3實(shí)施例的操作如下在兩組微電極6和14間施加一電勢差以產(chǎn)生一靜電吸引力。這一靜電吸引力使彈性體脊16變形，從而使這兩組微電極相互間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)微電極運(yùn)動(dòng)時(shí)，被圍在空間20中的氣體在上、下微結(jié)構(gòu)間被壓縮。在微電極6和14間的氣體壓縮要大于儲氣室24內(nèi)的氣體壓縮，這樣氣體傾向于被壓進(jìn)、壓出儲氣室24。因此，如果不提供儲氣室24的話，整個(gè)氣體壓縮量要小得多。由于空間20中的氣體具有壓縮剛性，因此儲氣室24相應(yīng)地減少了對兩微結(jié)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)的阻力，且因此也無需再構(gòu)造具有高縱橫比的下微結(jié)構(gòu)，而這種高縱橫比的下微結(jié)構(gòu)通常是難于制造的。
氣體流進(jìn)流出儲氣室24帶來了粘性阻尼，這種阻尼在許多場合通常是不希望的。為減少粘性阻尼，應(yīng)減小流體流進(jìn)流出儲氣室24的速度。這一點(diǎn)比如可通過將各儲氣室24安排得更靠近些來達(dá)到，因?yàn)檫@樣僅需移動(dòng)較少的氣流量，或者可增加儲氣室橫截面積以降低平均氣流速度。再次參考圖2A，與凹槽區(qū)“r”相關(guān)的被增加的截面積除被用于其它前述的增加表面擊穿路徑長度和能進(jìn)行微電極6的微遮蔽之外，還可用來進(jìn)行上述第二途徑。
圖4為圖3裝置的一替補(bǔ)方案，它消除了對上微結(jié)構(gòu)的需要，如圖4所見，一個(gè)或多個(gè)宏電極32(它們是毫米量級的平面結(jié)構(gòu))高出微電極6被支承在從襯底4向上伸出的彈性體脊16之上。采用有選擇地移去襯底4和彈性體脊5的某些部分來制造出儲氣室24，操作時(shí)，將電勢差施加于微電極6和宏電極32之間，以在它們之間產(chǎn)生一靜電吸引力。這一靜電吸引力使彈性體脊16產(chǎn)生變形，從而使微電極和宏電極相互間產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。在此運(yùn)動(dòng)期間，被圍在空間20中的氣體在宏電極和襯底4間被壓縮。
圖5A和5B示出一進(jìn)一步的替補(bǔ)實(shí)施例，其中將一個(gè)或多個(gè)宏電極30加于襯底4的基底上。操作時(shí)，將一電勢差加于微電極6和宏電極30之間，以在它們之間產(chǎn)生一靜電吸引力。該靜電吸引力使彈性體脊5變形，從而使微電極6如圖5B所示的那樣相對于宏電極30移動(dòng)。
圖6示出一更進(jìn)一步的替補(bǔ)實(shí)施例，其中將微電極6和6’施加于襯底4的兩側(cè)?？煽吹竭@樣便提供了上、下兩結(jié)構(gòu)(對稱于襯底4的平面)，每一結(jié)構(gòu)以上述圖1A-1D所示的方式工作。這樣一種雙邊結(jié)構(gòu)可被用于例如改善通過薄膜的對流熱傳遞。
根據(jù)前面披露的內(nèi)容，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人將可看到，在實(shí)施本發(fā)明過程中在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下仍會有許多替代方案和修改。因此，有必要根據(jù)以下權(quán)利要求所述的精神來解釋本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為(a)一個(gè)第一襯底(4)，在上述襯底的一側(cè)載有多個(gè)第一彈性體微結(jié)構(gòu)(5)；(b)在上述多個(gè)第一彈性體微結(jié)構(gòu)的每一個(gè)上的一第一微電極(6)；以及(c)用于對上述微電極施加電勢進(jìn)行控制的、與上述微電極電氣連接的電源(11)裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述電勢在相鄰對的上述微電極之間交替地誘發(fā)吸引力，從而使上述微電極產(chǎn)生受控的、時(shí)變位移。
3.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，它進(jìn)一步包括位于上述襯底的相對一側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)宏電極(32)，其中(a)上述電源裝置被進(jìn)一步連接到上述一個(gè)或多個(gè)宏電極上；以及(b)上述電勢在上述微電極和上述一個(gè)或多個(gè)宏電極之間交替地誘發(fā)吸引力，從而使上述微電極產(chǎn)生相對于上述一個(gè)或多個(gè)宏電極的受控的、時(shí)變位移。
4.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，它進(jìn)一步包括被彈性地支撐在高出上述微電極之上的一個(gè)或多個(gè)宏電極，其中(a)上述電源裝置被進(jìn)一步電氣連接到上述一個(gè)或多個(gè)宏電極上；以及(b)上述電勢在上述微電極和上述一個(gè)或多個(gè)宏電極之間交替地誘發(fā)吸引力，從而從上述微電極產(chǎn)生相對于上述一個(gè)或多個(gè)宏電極的受控的、時(shí)變位移。
5.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述第一彈性體微結(jié)構(gòu)的數(shù)量超過1000。
6.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為(a)上述第一襯底為一彈性體片狀材料；以及(b)上述微結(jié)構(gòu)被成型為上述片狀材料的集成表面特征。
7.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括(a)載有多個(gè)第二彈性體微結(jié)構(gòu)(16)的一第二襯底(12)，上述第二襯底鄰接于且面對著上述第一襯底，上述多個(gè)第二彈性體微電極與上述第一襯底相接觸；以及(b)位于上述第二襯底之上的多個(gè)第二微電極(14)；其中上述電源裝置被進(jìn)一步電氣連接到上述第二微電極，用于控制將上述電勢施加到上述第二微電極以便在上述多個(gè)第一和第二微電極間交替地誘發(fā)吸引力，從而使上述多個(gè)第一和第二微電極產(chǎn)生受控的、時(shí)變位移。
8.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括(a)載有多個(gè)第二彈性體微結(jié)構(gòu)(16)的一第二襯底(12)，上述第二襯底鄰接于且面對著上述第一襯底，上述多個(gè)第二彈性體微結(jié)構(gòu)與上述第一襯底相接觸；以及(b)一個(gè)或多個(gè)宏電極(32)被上述多個(gè)第二彈性體微結(jié)構(gòu)支承高出上述微電極；其中上述電源裝置被進(jìn)一步電氣連接至上述一個(gè)或多個(gè)宏電極上，用于控制將上述電勢施加到一個(gè)或多個(gè)宏電極以便在上述微電極和上述一個(gè)或多個(gè)宏電極間交替地誘發(fā)吸引力，從而使上述微電極產(chǎn)生相對于上述一個(gè)或多個(gè)宏電極的受控制的、時(shí)變位移。
9.如如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為(a)相鄰對的上述第一微電極被一充氣間隙(3)所分隔開，上述間隙的特征是在一特定的氣壓之下具有一Paschen最小距離“d”；以及(b)上述間隙寬度小于兩倍的Paschen最小距離“d”。
10.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述第一微電極具有一導(dǎo)電的彈性體。
11.如權(quán)利要求1所述的一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述微結(jié)構(gòu)的幾何形狀被做成能將導(dǎo)電材料定向地淀積到上述微結(jié)構(gòu)上，用于在當(dāng)一預(yù)定的表面微圖形淀積在上述微結(jié)構(gòu)上時(shí)形成上述微電極。
12.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括位于每一相鄰對的上述多個(gè)第一微結(jié)構(gòu)間的一凹槽，每個(gè)上述凹槽限定了位于上述相鄰微結(jié)構(gòu)之上的上述第一微電極間的一表面路徑長度，上述表面路徑長度應(yīng)實(shí)質(zhì)性地超過位于相鄰微結(jié)構(gòu)之上的上述第一微電極間的任何直接的路程長度。
13.如權(quán)利要求7所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括在上述第二襯底中的多個(gè)儲氣室(24)，用于上述微電極作上述位移期間使上述微電極間的氣流流進(jìn)和流出上述儲氣室。
14.如權(quán)利要求4所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括在上述第一襯底中的多個(gè)儲氣室(24)，用于在上述微電極作上述位移期間使上述微電極間的氣流流進(jìn)和流出上述儲氣室。
15.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述微電極各自具有小于0.01mm2的橫截面積。
16.如權(quán)利要求2所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征為上述微電極各自具有小于0.01mm2的橫截面積，且上述位移量超過上述橫截面積值的平方根的1％。
17.如權(quán)利要求1所述的機(jī)電轉(zhuǎn)換器，其特征在于，進(jìn)一步包括(a)位于上述襯底的一相對側(cè)之上的多個(gè)第二彈性體微結(jié)構(gòu)(5’)；以及(b)位于上述多個(gè)第二微結(jié)構(gòu)之一上的一第二微電極(6’)；其中，上述電源裝置被進(jìn)一步電氣連接到上述第二微電極之上，用于控制將一電勢施加到上述第二微電極上。
全文摘要
一種機(jī)電轉(zhuǎn)換器,它具有一載有多個(gè)彈性體微結(jié)構(gòu)(5)的襯底(4),在每個(gè)微結(jié)構(gòu)上有一微電極(6)。將一電源(11)電氣連接到微電極上,用于控制將一電勢施加到微電極上,該電勢交替地在相鄰對的微電極間誘發(fā)吸引力,從而使微電極產(chǎn)生受控的、時(shí)變位移。作為替代方案,進(jìn)一步的多個(gè)微電極(14)、或者一個(gè)或多個(gè)宏電極(32)被彈性地支承高出微電極之上,電源則被連接到宏電極上,其方式使施加于微電極和宏電極之間的電勢交替地在微電極和宏電極之間誘發(fā)吸引力,從而使微電極相對于宏電極進(jìn)行受控的、時(shí)變位移。宏電極也可被施加到襯底與微結(jié)構(gòu)相對的一側(cè)。
文檔編號H04R19/01GK1186458SQ96194329
公開日1998年7月1日 申請日期1996年4月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月1日
發(fā)明者洛恩·A·懷特黑德, 布倫特·J·博勒曼 申請人:不列顛哥倫比亞大學(xué)