基于微机电系统的装置的高速静电致动的制作方法
专利名称：基于微机电系统的装置的高速静电致动的制作方法
技术领域：
本发明涉及纳米微机电(MEM)装置的致动，更具体地，涉及通过对控制脉冲整形来提高MEMs装置响应时间的系统和方法。
背景技术：
为了使基于微机电系统(MEMS)的装置致动，要持续地施加静电电压。静电是基于微机电系统(MEMQ的装置中致动的优选模式。但是，装置的动态会由于这种致动方案而变为非线性。非线性动态的推入不稳定性(pull-in instability)出现在超出微结构之间初始间隙的三分之一的行进距离。例如，平行板MEMS结构响应施加的输入电压而非线性地移动，并且可能导致静电电荷部分彼此瓦解。简单来说，典型小幅度、长时间规模的台阶或者正弦电压波形施加到这些装置。这些装置相比于它们可实现的速度非常慢地操作，以避免非线性瞬变响应。对于静电微系统提速操作的强烈需要，使得MEMS缓慢而规律的移动在许多应用中是不合乎要求的。
发明内容
一种微机电装置包括第一结构和与该第一结构偏离一间隙的第二结构。该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转。脉冲发生器配置为合并至少两个不同的脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。另一装置包括微机电装置的阵列。该装置为集成电路，其上形成有多个微机电装置。该微机电装置包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。控制器配置为控制多个微机电装置的致动。一种致动微机电装置的方法，包括采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，该脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加至该装置的第一结构和第二结构中的至少之一；以及施加该至少两个不同脉冲，以在初始位置与最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。从以下对示例性实施例的详细说明中，并结合附图，这些和其它特征和优点将变得更为清楚。
本发明将参考以下附图提供优选实施例的以下说明的细节。图IA为根据本发明致动的以微悬臂形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图；图IB为根据本发明致动的以微梁形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图IC为根据本发明致动的以微镜形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图；图2为根据本发明采用脉冲整形器从第一位置向第二位置偏转的微悬臂的侧视图；图3A为在未进行脉冲整形的情况下示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图;3B为响应图3A所示的输入电压偏转相对于时间的曲线图；图4A为根据本发明进行脉冲整形的情况下示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图4B为根据本发明响应图4A所示的输入电压偏转相对于时间的曲线图，其示出瞬变现象减少或消除；图5A为根据本发明用于数据存储应用的间断接触(敲击)采用脉冲整形的示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图5B为采用图2中的装置编程(采用表面凹坑)的基于探针的数据存储表面；图6为示例性示出根据本发明具有板上脉冲整形器的MEMS阵列的集成电路布局的图示；以及图7为示出根据本发明用于致动MEMS装置的系统/方法的框图/流程图。
具体实施例方式本发明包括施加的输入电压的新型整形方案，其提供微机电系统(MEMQ装置的超快响应。本发明采用最优控制理论来控制静电致动的MEMS装置型非线性系统。本实施例示例性描述一种产生输入电压信号的方法，以指数快速地将MEMS结构从初始位置驱动到最终位置。指数快速地达到零的最终速度，并且使最终位置保持期望长的时间。在一个实例中，输入信号包括两个脉冲(或者更多脉冲)，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压。第一脉冲被选择为在施加时上述结构朝向最终位置移动。脉冲的转换时间为使得上述结构朝向最终位置移动，同时在达到最终位置时速度降至零。转换时间优选地保持为最小(像需要的那样小)。最终电压设置为对应于装置最终位置的平衡电压达到期望该位置所保持的时间。本发明的实施例可采取全部硬件实施例、全部软件实施例或者既包括硬件又包括软件元件的实施例的形式。在优选实施例中，本发明以具有软件元件的硬件实施，其可包括但不限于固件、常驻软件、微码等等。此外，本发明或其部分可采取从计算机可用或计算机可读介质获取的计算机程序产品的形式，上述介质提供计算机或任何指令执行系统使用或者与其相关的程序代码。为了这里说明的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是包括、存储、通信、传播或者传送指令执行系统、设备或装置使用或者与其相关的程序的任何设备。上述介质可以是电、磁、 光、电磁、红外或者半导体系统(或者为设备或装置)或者传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或者固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读 / 写(CD-R/W)和 DVD。适于存储和/或执行程序代码的数据处理系统可包括通过系统总线与存储元件直接或间接连接的至少一个处理器。存储元件可包括实际执行程序代码期间采用的本地存储器、大容量存储器(bulk storage)以及提供至少一些程序代码的临时存储以减少执行期间从大容量存储器取回代码次数的高速缓冲存储器。输入/输出或者I/O装置(包括但不限于键盘、显示器、指向装置等等)可以直接或通过中间I/O控制器联接到系统。网络适配器也可以联接到上述系统，以使得数据处理系统通过中间的私有或公用网络而联接到其它数据处理系统或者远程打印机或者存储装置。调制解调器、电缆调制解调器以及以太网卡只是几种目前可获得类型的网络适配器。MEMS装置和控制电路可以实施为集成电路芯片设计的部分。芯片设计是以图形计算机编程语言创建的，并且存储在计算机存储介质(诸如盘、带、物理硬盘或者虚拟硬盘， 诸如在存储存取网络中)中。如果设计者不制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，设计者通过物理设备(例如，通过提供存储设计的存储介质的副本)或者电子地(例如，通过互联网)将产生的设计直接或间接传输到这些实体。然后，将存储的设计转换成适当的格式 (例如，图形数据系统II (GDSII))以制造光刻掩模，其典型地包括在晶片上将形成的有关芯片设计的多个副本。光刻掩模用于定义晶片(和/或其上的层)将要蚀刻或以其它方式处理的区域。产生的集成电路芯片被制造者以未加工晶片的形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸管芯或者以封装的形式分配。在后者的情况下，将芯片安装在单个芯片封装(诸如、塑料载体，其具有固定于母板或其它更高级载体上的引线)中或者在多芯片封装(诸如，陶瓷载体，其具有表面互连或者掩埋互连或者二者兼有)中。在任何情况下，然后将芯片与其它芯片、分离的电路元件和/或其它信号处理装置整合，作为诸如母板的(a)中间产品或者(b)最终产品的部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品， 涵盖从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或者其它输入装置以及中央处理器的高级计算机产品。参照附图，其中相同的标号表示相同或者类似的元件，并且始于图1A-1C，三个示例性MEMS装置102、112和122的透视图被示例性地表示以示范本发明。图IA示出微悬臂结构102，其中根据通过电源108施加到悬臂104和/或基底结构106的静电电荷101和 103，悬臂104朝向或者背离基底结构106偏转。根据一个实施例，采用脉冲整形器或者脉冲发生器110，以根据本发明将静电电荷(101/103)施加到悬臂104和/或基底结构106。 脉冲整形器110可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS 102，以提供悬臂104相对于基底结构106的所期望的移动。在一个实施例中，脉冲整形器110施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构102。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，脉冲的幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。图IB示出微梁结构112，其中根据通过电源118施加到梁114和/或基底结构116 上的静电电荷111和113，梁114朝向或者背离基底结构116偏转。根据一个实施例，采用脉冲整形器120，以根据本发明将静电电荷(111/113)施加到梁114和/或基底结构116。 脉冲整形器或发生器120可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS112，以提供梁114相对于基底结构116的所期望的移动。在一个实施例中，如上文，脉冲整形器120施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构112。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加 Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。静电力为引力，其独立于施加到各MEMS结构的电压信号或者电荷的极性。它是微结构之间的瞬间电势差和间隔的非线性函数。静电致动的最大和最小输入为如下所述。例如，在微悬臂结构102中，最大输入对应于输入电压源的绝对值的最大值，而最小输入对应于零电压。在微镜122或者双路微开关等的情况下，最大和最小输入对应于分别施加到一个基底结构126以及然后其它基底结构1 的最大绝对输入电压和零电压。当施加第一脉冲时，移动结构的位置和速度指数地快速增加，这是可获得的最大速率。当施加第二脉冲时，位置和速度指数地快速降低至所期望的位置和零速度。通过施加平衡电压Veq而保持最终位置。微结构的机电模型为非线性模型，为了获得施加脉冲的转换时间或者规则而对其进行模拟。对于MEMS装置的小移动，在装置的操作区域附近可获得线性模型，并且从时间-最优控制理论可获得转换时间。对于转换时间的精确选择，可考虑具有包括放大器和滤波器的致动电子装置的MEMS装置的广泛机电模型。用于MEMS装置的静电致动的电源包括电压源、电流源和电荷源。图IC示出微镜结构122，其中根据通过电源1 施加到镜IM和/或一个基底结构126上的静电电荷121和123，镜IM朝向或者背离(以箭头A表示)充电的基底结构 1 旋转地偏转。开关125受到控制以激活一个基底结构126，从而允许镜朝向(或者背离)一个基底结构126旋转。根据一个实施例，采用脉冲整形器或脉冲发生器130，以根据本发明将静电电荷(121/12 施加到镜IM和/或一个基底结构126。脉冲整形器130可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS 122，以提供镜IM相对于基底结构126的所期望的移动。在一个实施例中，脉冲整形器130施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构122。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。 在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。根据本发明，示例性地描述了微悬臂(例如，用于以低的力进行表面的高速探询)、微梁、微镜(例如高速数字光处理)。根据本发明，也可以采用其它结构。例如，可以采用用于无线通信中需要的用于高速操作的微开关、微泵、微夹、微阀门等。参照图2，根据一个示例性实施例的MEMS 200示出用于证明本发明的实验设备。 MEMS 200包括使用静电电荷致动的微悬臂202。脉冲整形器210用以输入用于控制微悬臂 202的偏转220的电压脉冲。在微悬臂202与衬底214之间静电电荷受到控制。聚合物介质212被提供以接触微悬臂202的尖端204。对于实验中采用的平行板(悬臂_衬底)型 MEMS装置，谐振频率f0 = 80kHz，并且品质因子Q = 3. 2。
参照图3A和;3B，示出输入信号(图3A)，其导致如图所示的偏转。输入信号为方波，其产生包括瞬变和振动的偏转信号。如图所示，MEMS 200需要大约60 μ s以偏转 250nm。由于存在非线性，上述偏转是不对称的。参照图4A和4B，来自脉冲整形器210的输入信号(图4A)包括第一脉冲302和第二脉冲304。根据本发明，第一脉冲302和第二脉冲304导致如图4B所示的偏转。多个脉冲输入信号产生消除瞬变和振动的偏转信号。如图所示，MEMS 200需要大约3μ s以偏转 250nm。尽管存在非线性，上述偏转为对称的，并且瞬变被减少或消除。有利地，对于开环定位(open-loop positioning)，获得了时间上多于一个量级的提高。参照图5A和5B，示例性示出输入信号402，用于基于探针的数据存储中的中间接触(敲击)读取应用。这一应用以高数据率提供高信号完整性(即SNIO。例如，采用标准方波输入的敲击频率=25kHz，而根据本发明采用脉冲整形的敲击频率(低于最佳)获得 40kHz或者更高。图5B示出通过敲击处理获得的数据存储介质的图像(同时参见图2，其中聚合物介质为敲击表面)。在示例性示出的基于探针的数据存储中，面积密度=lTb/in2， SNR= 7. 95(在没有误差校正的原始数据中le-4误差率是足够的)。参照图6，示出了具有MEMS装置610的阵列的示例性集成电路装置600。MEMS 610 布置在阵列中，并且可以包括用于执行不同功能的任意多个MEMS结构。MEMS 610可以采用寻址电路608来寻址，以选择性地激活/不激活各MEMS装置。阵列610中的MEMS装置可采用电压源604和脉冲整形器602来供电，以为每个装置提供多个脉冲，如上所述。给定 MEMS装置的初始位置和最终位置对的有限集合，对于每一对可存储转换时间和最终平衡电压(附加中间电压和位置也被预期)。一般，通过参照区块602中提供的查询表，可以开环操作MEMS装置，区块602中提供的查询表可包括用于不同控制指令或者移动的脉冲信息。 上述装置也可采用软件编程控制或者其它技术，以控制上述装置的移动。在装置的阵列610 的情况下，当这些装置被批量制造时每个MEMS装置之间模型失配非常小。当通过考虑将标称模型(nominal model)用于所有装置而并行地运行装置时，单个查询表(602)可用于每个装置。处理逻辑606可用于协助对查询表编程、调整脉冲整形器、进行寻址操作等等。致动方法可基于最优控制理论的原理，并且采用装置动态为MEMS装置制定致动方法。更快的操作是可实现的，而独立于特定装置的设计和应用。参照图7，根据一个示例性实施例，示例性描绘了用于致动微机电装置的系统/方法。在区块702中，采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，上述脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加到装置的第一结构和第二结构中的至少之一。在区块704中，施加上述至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动第一结构和第二结构中的至少之一。在一个实施例中，施加至少两个不同脉冲包括使得初始位置和最终位置之间的速度和位置指数地改变(快速移动)。至少两个不同脉冲中的至少之一可包括用于装置的最大允许输入电压幅度。最大允许输入电压幅度可以等于最大允许输入电压和最小允许输入电压之一。至少两个不同脉冲中的第一脉冲可选择为使得当施加第一脉冲时第一结构朝向最终位置移动。不同脉冲的转换时间为使得第一结构朝向最终位置移动，同时在达到最终位置时速度降至零。在区块706中，通过施加静电平衡电压保持最终位置。已经描述了用于基于MEMS的装置的高速静电致动的优选实施例(其意在为示例性，而非限制性)，应该注意本领域的技术人员鉴于上述教导可进行更改和变化。因此可以理解，在随附权利要求限定的本发明的范围和精神之内对于特定实施例可进行改变。通过专利法要求的细节和特殊性，这样描述了本发明的一些方面，其为随附权利要求中阐明主张和需要保护的。
权利要求
1.一种微机电装置，包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于该第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
2.根据权利要求1所述的装置，其中该初始位置和该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
3.根据权利要求1所述的装置，其中通过静电施加的平衡电压保持该最终位置。
4.根据权利要求1所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
5.根据权利要求4所述的装置，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
6.根据权利要求1所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
7.根据权利要求1所述的装置，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
8.一种具有微机电装置阵列的装置，包括集成电路，其上形成有多个微机电装置，该微机电装置包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于该第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一；以及控制器，配置为控制该多个微机电装置的致动。
9.根据权利要求8所述的装置，其中该初始位置和该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
10.根据权利要求8所述的装置，其中通过静电施加的平衡电压保持该最终位置。
11.根据权利要求8所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
13.根据权利要求8所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
14.根据权利要求8所述的装置，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
15.一种用于致动微机电装置的方法，包括采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，该脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加至该装置的第一结构和第二结构中的至少之一；以及施加该至少两个不同脉冲，以在初始位置与最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
16.根据权利要求15所述的方法，其中施加该至少两个不同脉冲包括使得在该初始位置与该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括通过施加静电平衡电压保持该最终位置。
18.根据权利要求15所述的方法，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
20.根据权利要求15所述的方法，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
21.根据权利要求15所述的方法，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
全文摘要
一种微机电装置，包括第一结构(104)；第二结构(106)，与该第一结构偏离一间隙。该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转。脉冲发生器配置为合并至少两个不同的脉冲(302，304)，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
文档编号G09G3/34GK102317998SQ201080007515
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月12日
发明者A.塞巴斯蒂安, A.潘塔齐, C.波齐迪斯, D.R.萨胡 申请人:国际商业机器公司
技术领域：
本发明涉及纳米微机电(MEM)装置的致动，更具体地，涉及通过对控制脉冲整形来提高MEMs装置响应时间的系统和方法。
背景技术：
为了使基于微机电系统(MEMS)的装置致动，要持续地施加静电电压。静电是基于微机电系统(MEMQ的装置中致动的优选模式。但是，装置的动态会由于这种致动方案而变为非线性。非线性动态的推入不稳定性(pull-in instability)出现在超出微结构之间初始间隙的三分之一的行进距离。例如，平行板MEMS结构响应施加的输入电压而非线性地移动，并且可能导致静电电荷部分彼此瓦解。简单来说，典型小幅度、长时间规模的台阶或者正弦电压波形施加到这些装置。这些装置相比于它们可实现的速度非常慢地操作，以避免非线性瞬变响应。对于静电微系统提速操作的强烈需要，使得MEMS缓慢而规律的移动在许多应用中是不合乎要求的。
发明内容
一种微机电装置包括第一结构和与该第一结构偏离一间隙的第二结构。该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转。脉冲发生器配置为合并至少两个不同的脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。另一装置包括微机电装置的阵列。该装置为集成电路，其上形成有多个微机电装置。该微机电装置包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。控制器配置为控制多个微机电装置的致动。一种致动微机电装置的方法，包括采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，该脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加至该装置的第一结构和第二结构中的至少之一；以及施加该至少两个不同脉冲，以在初始位置与最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。从以下对示例性实施例的详细说明中，并结合附图，这些和其它特征和优点将变得更为清楚。
本发明将参考以下附图提供优选实施例的以下说明的细节。图IA为根据本发明致动的以微悬臂形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图；图IB为根据本发明致动的以微梁形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图IC为根据本发明致动的以微镜形式的基于微机电系统(MEMS)的装置的透视图；图2为根据本发明采用脉冲整形器从第一位置向第二位置偏转的微悬臂的侧视图；图3A为在未进行脉冲整形的情况下示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图;3B为响应图3A所示的输入电压偏转相对于时间的曲线图；图4A为根据本发明进行脉冲整形的情况下示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图4B为根据本发明响应图4A所示的输入电压偏转相对于时间的曲线图，其示出瞬变现象减少或消除；图5A为根据本发明用于数据存储应用的间断接触(敲击)采用脉冲整形的示例性输入电压信号关于时间的坐标图；图5B为采用图2中的装置编程(采用表面凹坑)的基于探针的数据存储表面；图6为示例性示出根据本发明具有板上脉冲整形器的MEMS阵列的集成电路布局的图示；以及图7为示出根据本发明用于致动MEMS装置的系统/方法的框图/流程图。
具体实施例方式本发明包括施加的输入电压的新型整形方案，其提供微机电系统(MEMQ装置的超快响应。本发明采用最优控制理论来控制静电致动的MEMS装置型非线性系统。本实施例示例性描述一种产生输入电压信号的方法，以指数快速地将MEMS结构从初始位置驱动到最终位置。指数快速地达到零的最终速度，并且使最终位置保持期望长的时间。在一个实例中，输入信号包括两个脉冲(或者更多脉冲)，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压。第一脉冲被选择为在施加时上述结构朝向最终位置移动。脉冲的转换时间为使得上述结构朝向最终位置移动，同时在达到最终位置时速度降至零。转换时间优选地保持为最小(像需要的那样小)。最终电压设置为对应于装置最终位置的平衡电压达到期望该位置所保持的时间。本发明的实施例可采取全部硬件实施例、全部软件实施例或者既包括硬件又包括软件元件的实施例的形式。在优选实施例中，本发明以具有软件元件的硬件实施，其可包括但不限于固件、常驻软件、微码等等。此外，本发明或其部分可采取从计算机可用或计算机可读介质获取的计算机程序产品的形式，上述介质提供计算机或任何指令执行系统使用或者与其相关的程序代码。为了这里说明的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是包括、存储、通信、传播或者传送指令执行系统、设备或装置使用或者与其相关的程序的任何设备。上述介质可以是电、磁、 光、电磁、红外或者半导体系统(或者为设备或装置)或者传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或者固态存储器、磁带、可移动计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬磁盘以及光盘。光盘的当前示例包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读 / 写(CD-R/W)和 DVD。适于存储和/或执行程序代码的数据处理系统可包括通过系统总线与存储元件直接或间接连接的至少一个处理器。存储元件可包括实际执行程序代码期间采用的本地存储器、大容量存储器(bulk storage)以及提供至少一些程序代码的临时存储以减少执行期间从大容量存储器取回代码次数的高速缓冲存储器。输入/输出或者I/O装置(包括但不限于键盘、显示器、指向装置等等)可以直接或通过中间I/O控制器联接到系统。网络适配器也可以联接到上述系统，以使得数据处理系统通过中间的私有或公用网络而联接到其它数据处理系统或者远程打印机或者存储装置。调制解调器、电缆调制解调器以及以太网卡只是几种目前可获得类型的网络适配器。MEMS装置和控制电路可以实施为集成电路芯片设计的部分。芯片设计是以图形计算机编程语言创建的，并且存储在计算机存储介质(诸如盘、带、物理硬盘或者虚拟硬盘， 诸如在存储存取网络中)中。如果设计者不制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，设计者通过物理设备(例如，通过提供存储设计的存储介质的副本)或者电子地(例如，通过互联网)将产生的设计直接或间接传输到这些实体。然后，将存储的设计转换成适当的格式 (例如，图形数据系统II (GDSII))以制造光刻掩模，其典型地包括在晶片上将形成的有关芯片设计的多个副本。光刻掩模用于定义晶片(和/或其上的层)将要蚀刻或以其它方式处理的区域。产生的集成电路芯片被制造者以未加工晶片的形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸管芯或者以封装的形式分配。在后者的情况下，将芯片安装在单个芯片封装(诸如、塑料载体，其具有固定于母板或其它更高级载体上的引线)中或者在多芯片封装(诸如，陶瓷载体，其具有表面互连或者掩埋互连或者二者兼有)中。在任何情况下，然后将芯片与其它芯片、分离的电路元件和/或其它信号处理装置整合，作为诸如母板的(a)中间产品或者(b)最终产品的部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品， 涵盖从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或者其它输入装置以及中央处理器的高级计算机产品。参照附图，其中相同的标号表示相同或者类似的元件，并且始于图1A-1C，三个示例性MEMS装置102、112和122的透视图被示例性地表示以示范本发明。图IA示出微悬臂结构102，其中根据通过电源108施加到悬臂104和/或基底结构106的静电电荷101和 103，悬臂104朝向或者背离基底结构106偏转。根据一个实施例，采用脉冲整形器或者脉冲发生器110，以根据本发明将静电电荷(101/103)施加到悬臂104和/或基底结构106。 脉冲整形器110可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS 102，以提供悬臂104相对于基底结构106的所期望的移动。在一个实施例中，脉冲整形器110施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构102。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，脉冲的幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。图IB示出微梁结构112，其中根据通过电源118施加到梁114和/或基底结构116 上的静电电荷111和113，梁114朝向或者背离基底结构116偏转。根据一个实施例，采用脉冲整形器120，以根据本发明将静电电荷(111/113)施加到梁114和/或基底结构116。 脉冲整形器或发生器120可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS112，以提供梁114相对于基底结构116的所期望的移动。在一个实施例中，如上文，脉冲整形器120施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构112。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加 Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。静电力为引力，其独立于施加到各MEMS结构的电压信号或者电荷的极性。它是微结构之间的瞬间电势差和间隔的非线性函数。静电致动的最大和最小输入为如下所述。例如，在微悬臂结构102中，最大输入对应于输入电压源的绝对值的最大值，而最小输入对应于零电压。在微镜122或者双路微开关等的情况下，最大和最小输入对应于分别施加到一个基底结构126以及然后其它基底结构1 的最大绝对输入电压和零电压。当施加第一脉冲时，移动结构的位置和速度指数地快速增加，这是可获得的最大速率。当施加第二脉冲时，位置和速度指数地快速降低至所期望的位置和零速度。通过施加平衡电压Veq而保持最终位置。微结构的机电模型为非线性模型，为了获得施加脉冲的转换时间或者规则而对其进行模拟。对于MEMS装置的小移动，在装置的操作区域附近可获得线性模型，并且从时间-最优控制理论可获得转换时间。对于转换时间的精确选择，可考虑具有包括放大器和滤波器的致动电子装置的MEMS装置的广泛机电模型。用于MEMS装置的静电致动的电源包括电压源、电流源和电荷源。图IC示出微镜结构122，其中根据通过电源1 施加到镜IM和/或一个基底结构126上的静电电荷121和123，镜IM朝向或者背离(以箭头A表示)充电的基底结构 1 旋转地偏转。开关125受到控制以激活一个基底结构126，从而允许镜朝向(或者背离)一个基底结构126旋转。根据一个实施例，采用脉冲整形器或脉冲发生器130，以根据本发明将静电电荷(121/12 施加到镜IM和/或一个基底结构126。脉冲整形器130可以包括一个或更多存储的脉冲形状，上述脉冲被施加到MEMS 122，以提供镜IM相对于基底结构126的所期望的移动。在一个实施例中，脉冲整形器130施加或产生输入电压信号以驱动MEMS结构122。输入信号包括两个脉冲或者更多脉冲，其幅度等于允许输入电压的最大值或最小值，随后为对应于装置最终位置的平衡电压VEQ。脉冲的转换时间为使得上述结构的速度开始从零增加，然后当达到最终位置时降至零。转换时间的数量如所需那样少。 在处理期间位置和速度指数地改变。根据通过施加Veq而施加的脉冲，在再次达到零速度后保持最终位置。根据本发明，示例性地描述了微悬臂(例如，用于以低的力进行表面的高速探询)、微梁、微镜(例如高速数字光处理)。根据本发明，也可以采用其它结构。例如，可以采用用于无线通信中需要的用于高速操作的微开关、微泵、微夹、微阀门等。参照图2，根据一个示例性实施例的MEMS 200示出用于证明本发明的实验设备。 MEMS 200包括使用静电电荷致动的微悬臂202。脉冲整形器210用以输入用于控制微悬臂 202的偏转220的电压脉冲。在微悬臂202与衬底214之间静电电荷受到控制。聚合物介质212被提供以接触微悬臂202的尖端204。对于实验中采用的平行板(悬臂_衬底)型 MEMS装置，谐振频率f0 = 80kHz，并且品质因子Q = 3. 2。
参照图3A和;3B，示出输入信号(图3A)，其导致如图所示的偏转。输入信号为方波，其产生包括瞬变和振动的偏转信号。如图所示，MEMS 200需要大约60 μ s以偏转 250nm。由于存在非线性，上述偏转是不对称的。参照图4A和4B，来自脉冲整形器210的输入信号(图4A)包括第一脉冲302和第二脉冲304。根据本发明，第一脉冲302和第二脉冲304导致如图4B所示的偏转。多个脉冲输入信号产生消除瞬变和振动的偏转信号。如图所示，MEMS 200需要大约3μ s以偏转 250nm。尽管存在非线性，上述偏转为对称的，并且瞬变被减少或消除。有利地，对于开环定位(open-loop positioning)，获得了时间上多于一个量级的提高。参照图5A和5B，示例性示出输入信号402，用于基于探针的数据存储中的中间接触(敲击)读取应用。这一应用以高数据率提供高信号完整性(即SNIO。例如，采用标准方波输入的敲击频率=25kHz，而根据本发明采用脉冲整形的敲击频率(低于最佳)获得 40kHz或者更高。图5B示出通过敲击处理获得的数据存储介质的图像(同时参见图2，其中聚合物介质为敲击表面)。在示例性示出的基于探针的数据存储中，面积密度=lTb/in2， SNR= 7. 95(在没有误差校正的原始数据中le-4误差率是足够的)。参照图6，示出了具有MEMS装置610的阵列的示例性集成电路装置600。MEMS 610 布置在阵列中，并且可以包括用于执行不同功能的任意多个MEMS结构。MEMS 610可以采用寻址电路608来寻址，以选择性地激活/不激活各MEMS装置。阵列610中的MEMS装置可采用电压源604和脉冲整形器602来供电，以为每个装置提供多个脉冲，如上所述。给定 MEMS装置的初始位置和最终位置对的有限集合，对于每一对可存储转换时间和最终平衡电压(附加中间电压和位置也被预期)。一般，通过参照区块602中提供的查询表，可以开环操作MEMS装置，区块602中提供的查询表可包括用于不同控制指令或者移动的脉冲信息。 上述装置也可采用软件编程控制或者其它技术，以控制上述装置的移动。在装置的阵列610 的情况下，当这些装置被批量制造时每个MEMS装置之间模型失配非常小。当通过考虑将标称模型(nominal model)用于所有装置而并行地运行装置时，单个查询表(602)可用于每个装置。处理逻辑606可用于协助对查询表编程、调整脉冲整形器、进行寻址操作等等。致动方法可基于最优控制理论的原理，并且采用装置动态为MEMS装置制定致动方法。更快的操作是可实现的，而独立于特定装置的设计和应用。参照图7，根据一个示例性实施例，示例性描绘了用于致动微机电装置的系统/方法。在区块702中，采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，上述脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加到装置的第一结构和第二结构中的至少之一。在区块704中，施加上述至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动第一结构和第二结构中的至少之一。在一个实施例中，施加至少两个不同脉冲包括使得初始位置和最终位置之间的速度和位置指数地改变(快速移动)。至少两个不同脉冲中的至少之一可包括用于装置的最大允许输入电压幅度。最大允许输入电压幅度可以等于最大允许输入电压和最小允许输入电压之一。至少两个不同脉冲中的第一脉冲可选择为使得当施加第一脉冲时第一结构朝向最终位置移动。不同脉冲的转换时间为使得第一结构朝向最终位置移动，同时在达到最终位置时速度降至零。在区块706中，通过施加静电平衡电压保持最终位置。已经描述了用于基于MEMS的装置的高速静电致动的优选实施例(其意在为示例性，而非限制性)，应该注意本领域的技术人员鉴于上述教导可进行更改和变化。因此可以理解，在随附权利要求限定的本发明的范围和精神之内对于特定实施例可进行改变。通过专利法要求的细节和特殊性，这样描述了本发明的一些方面，其为随附权利要求中阐明主张和需要保护的。
权利要求
1.一种微机电装置，包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于该第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
2.根据权利要求1所述的装置，其中该初始位置和该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
3.根据权利要求1所述的装置，其中通过静电施加的平衡电压保持该最终位置。
4.根据权利要求1所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
5.根据权利要求4所述的装置，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
6.根据权利要求1所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
7.根据权利要求1所述的装置，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
8.一种具有微机电装置阵列的装置，包括集成电路，其上形成有多个微机电装置，该微机电装置包括第一结构；第二结构，与该第一结构偏离一间隙，其中该第一结构配置为被静电致动以相对于该第二结构偏转；以及脉冲发生器，配置为合并至少两个不同脉冲，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一；以及控制器，配置为控制该多个微机电装置的致动。
9.根据权利要求8所述的装置，其中该初始位置和该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
10.根据权利要求8所述的装置，其中通过静电施加的平衡电压保持该最终位置。
11.根据权利要求8所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
12.根据权利要求11所述的装置，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
13.根据权利要求8所述的装置，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
14.根据权利要求8所述的装置，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
15.一种用于致动微机电装置的方法，包括采用脉冲整形器对输入电压进行脉冲整形，该脉冲整形器配置为合并至少两个不同脉冲以施加至该装置的第一结构和第二结构中的至少之一；以及施加该至少两个不同脉冲，以在初始位置与最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
16.根据权利要求15所述的方法，其中施加该至少两个不同脉冲包括使得在该初始位置与该最终位置之间的速度和位置指数地改变。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括通过施加静电平衡电压保持该最终位置。
18.根据权利要求15所述的方法，其中该至少两个不同脉冲中的至少之一包括用于该装置的最大允许输入电压幅度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中该最大允许输入电压幅度等于最大允许输入电压和最小允许输入电压中的一个。
20.根据权利要求15所述的方法，其中该至少两个不同脉冲中的第一脉冲选择为使得施加该第一脉冲时该第一结构朝向该最终位置移动。
21.根据权利要求15所述的方法，其中该不同脉冲的转换时间为使得该第一结构朝向该最终位置移动，同时在达到该最终位置时速度降至零。
全文摘要
一种微机电装置，包括第一结构(104)；第二结构(106)，与该第一结构偏离一间隙。该第一结构配置为被静电致动以相对于第二结构偏转。脉冲发生器配置为合并至少两个不同的脉冲(302，304)，以在初始位置和最终位置之间静电驱动该第一结构和该第二结构中的至少之一。
文档编号G09G3/34GK102317998SQ201080007515
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月12日
发明者A.塞巴斯蒂安, A.潘塔齐, C.波齐迪斯, D.R.萨胡 申请人:国际商业机器公司
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