[发明专利]机电动态力分布接合机制

说明书

技术领域

本发明一般涉及MEMS设备领域，尤其涉及基于MEMS的平板显示器领域， 其中控制动态变形膜的形状和行为的能力确保所考虑的MEMS设备的更期望的行 为。

背景信息

包括利用受抑全内反射(FTIR)原理引起系统光发射的平板显示器的基于 MEMS的系统，必须满足关键的物理标准才能正确发挥功能。作为更大类基于FTIR 的MEMS设备的代表，美国专利No.5,319,491(通过引用整体结合于此)中公开 的显示系统示出在这种设备中起作用的基本原理。这一设备能够选择性地抑制在 (通常)平面波导内进行全内反射的光。当这种抑制发生时，抑制区域构成适于外 部控制的像素。这些像素可被配置成MEMS设备，尤其是配置成推动两个不同位 置和/或形状之间的可变形膜的平行板电容器系统，其中两个位置和/或形状之一对 应于因膜向波导不充分靠近而不发生FTIR的静止的非活动状态，另一个对应于因 充分靠近而发生FTIR的活动的耦合状态，上述两种状态与像素的关闭和打开状态 相对应。通常由电气/电子装置控制的这种基于MEMS像素区域的矩形阵列在平面 波导的顶部活动表面上制成。在适当配置的情况下，该基于MEMS的聚集结构通 常通过利用场序彩色和脉宽调制技术来充当能够产生色彩的视频显示器。

这种基于MEMS的FTIR系统正确发挥功能所要满足的标准可涉及对在激活 和减活期间电学变形的膜形状的控制。通常为这种实现而选择的最简单MEMS结 构涉及使用如下配置的相对导体：它们之间电势差的出现引起施加库仑吸引，从而 导致导体之一或两者与同它们接合的任何其它材料的相对运动。这一系统通常称为 平行板致动器系统，其中将导体之一固定，而将另一个置于能够运动(通常通过适 当的系绳或偏距层固定在其假定边缘上)或者弹性形变的构件上，以可控地闭合固 定和可移动导体区域之间的间隙。

当所考虑(在其上施加电压势以诱导它们之间相对运动的导电区域)是刚性 平行板时，平行板致动器系统的机电行为通常是最佳的。假设有质动力和安装板所 用的固定和可移动元件二者伴随固定或栓系的原本适当分布，则它们的刚性有助于 保持板平行。例如，如果可移动板不是刚性，而是弹性的，则显然在这一系统的致 动事件过程中，存在这样的时刻：由于非刚性可移动板在自然分布的有质动力的影 响下几何变形以在致动过程中一直确保最低势能状态，板不再彼此平行。

在导致相应板偏离相互平行间隔关系的弹性形变过程中，系统行为的机电参 数以显著方式位移，这种方式在大多数情形中被视为对正确和/或最佳MEMS操作 是有害和不利的。在板之一很柔韧并能显著弹性形变的系统的背景下，恢复与双刚 性板系统相关联的更期望行为的装置可恢复所需的MEMS行为，同时保持利用弹 性形变实现板的可控相对运动来定义的MEMS所具有的其它已知优点。

因此，本领域中需要在一个或多个元件实际上不是刚性但能够形变时恢复与 刚性平行板致动器元件相关联的MEMS行为的装置。在实际上由一个或多个非刚 性板结构构成的情况下，享有与刚性板相互作用相关联的机电行为分布的MEMS 设备会带来在单个MEMS设备结构上承载的两种架构(刚性和非刚性)的优点。

发明内容

以上简述的问题可通过三种方法之一至少部分地解决。第一，在弹性可变形 膜充当从底层加固平行板MEMS致动器系统的可移动件的主要部件的情况下，可 以通过在该膜上局部追加刚性材料局部刚性化上述膜，将近似平行的动态行为恢复 到该系统所用的性能标准的所需限制内。

第二，对导电平面之一或另一个或两者上导电区域作形状的几何接合，可导 致能够充分模仿所需刚性板运动的机电行为。最简单的示例是在导电平面中设置圆 孔，使得没有静电引力被施加到孔附近的弹性膜上(其中不存在导体)。则该膜通 过在圆孔周围和之外起作用的力而变形。在圆孔周围的力会形成等力线(有质动力 相等的区域)，这是刚性板的关键行为(其中有质动力的这种相等通过保持相应导 电平面彼此平行而获得)。通常由于形变的靠近以及所伴随的更小间隙而具有更大 力的形变区域中心会因有意去除该区域中导体而没有作用于其上的力。这种环形等 力线区域的出现与导电平面上的孔位于导电区域之一或两者上无关，只要孔位于其 一上，由此避免了在这种MEMS设备的制作过程中对层的多次精确对准。