專利名稱：用于微型機械裝置的非線性鉸鏈的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微型機械裝置，尤其涉及具有利用扭轉(zhuǎn)鉸鏈旋轉(zhuǎn)的一個或多個可動元件的此類裝置。
機電領域中最近的一個改進已使得各種機械裝置小型化。這些裝置的特征是微小的傳動裝置、控制桿和閥門。這些“微型機械”裝置利用集成電路技術并常結(jié)合電氣控制電路來制造。通常使用包括加速表、壓力傳感器和致動器。作為另一個例子，空間光調(diào)制器可由微型機械反射鏡元件構(gòu)成。
微型機械裝置的一個類型是數(shù)字微型鏡裝置(DMD)，有時也叫做可形變鏡裝置。DMD具有上百或上千個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或多個扭轉(zhuǎn)鉸鏈上。利用位于下層控制電路上的空氣間隙來隔開鏡子。控制電路提供可引起每塊鏡子選擇性地傾斜的靜電力。為了獲得最佳的操作，每塊鏡子在需要時應立即返回其不傾斜(平衡)的位置。
可預見其它的微型機械裝置也使用扭轉(zhuǎn)鉸鏈。對于DMD，希望設計出可自動回復到它們平衡位置的鉸鏈。
本發(fā)明的一個方面是某種類型改進的微型機械裝置，此類型具有至少一個被扭轉(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鉸鏈。在同一平面中這些鉸鏈條是隔開的，從而至少一個鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸基本上平行但偏離旋轉(zhuǎn)元件的旋轉(zhuǎn)軸。
本發(fā)明的一個優(yōu)點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。對利用靜電引力操作的鉸鏈，此非線性轉(zhuǎn)矩相應于所加電場的非線性力。結(jié)果，該鉸鏈具有更大的回復力，用于起始旋轉(zhuǎn)所加的力可保持相當小。落到另一個表面上的旋轉(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更詳細地示出圖1和2的鉸鏈。
圖4示出圖1和2鉸鏈的另一實施例。
圖5示出非線性鉸鏈的另一類型。
圖6示出與通常的微型機械裝置相比，依據(jù)本發(fā)明的微型機械鉸鏈中轉(zhuǎn)矩—角度的非線性關系。
為了示例，以下的描述是利用一種特殊類型的微型機械裝置，即“數(shù)字微型鏡裝置”(DMD)，有時也叫做“可變形鏡裝置”。如背景技術中所述，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的扭轉(zhuǎn)鉸鏈，其中“扭轉(zhuǎn)鉸鏈”的意思是一種可通過扭轉(zhuǎn)而不是彎曲而操作的鉸鏈。
DMD的一個應用是用于形成圖像，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)或非撞擊打印的應用中。DMD的其它應用是可不涉及圖像的形成，諸如光學駕駛、光學轉(zhuǎn)換和加速表。在其中的一些應用中，“鏡子”不需要是反射型的。在一些應用中，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”包括任意類型的微型機械裝置，這些裝置都具有至少一個由來自襯底的空氣間隙所隔開的鉸接可偏轉(zhuǎn)元件，它可相對該襯底運動。
本發(fā)明也可應用到有安裝到扭轉(zhuǎn)鉸鏈的旋轉(zhuǎn)元件的其它類型的微型機械裝置。象DMD的鏡子元件一樣，其它微型機械裝置也具有旋轉(zhuǎn)零件，其運動是由扭轉(zhuǎn)鉸鏈的扭轉(zhuǎn)引起的。這里對DMD鉸鏈討論的相同的概念可應用到任何微型機械扭轉(zhuǎn)鉸鏈中。
圖1是DMD中單個鏡子元件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使它可沿兩個方向中的任一個偏轉(zhuǎn)。如上所述，各種DMD設備可單獨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稱為“隱藏鉸鏈”鏡子元件。也可制造其它類型的鏡子元件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號名為“空間光調(diào)制器和方法”的美國專利；第4,956,610號名為“空間光調(diào)制器”的美國專利；第5,061,049號名為“空間光調(diào)制器和方法”的美國專利；第5,083,857號名為“多級可變形鏡裝置”的美國專利；以及流水號為08/171,303號名為“改進的多級微型鏡裝置”的美國專利中描述了不同的DMD類型。上述每個專利都轉(zhuǎn)讓給德克薩斯儀器股份有限公司，都引入了這些專利作為參考。
對于其它的隱藏鉸鏈DMD設計，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安裝在兩個鉸鏈12中每個的一端。每個鉸鏈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。當鏡子11傾斜時，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與存儲單元(未示出)適當?shù)仉姎膺B接，該存儲單元特有地用CMOS制造技術做在同一襯底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的許多設計變化是可能的。例如，支架27(或鏡子21)可開槽，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的角上或側(cè)面上?？砂惭b鉸鏈，以允許不對稱的傾斜。
在用于圖像顯示設備的操作中，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的存儲元件中數(shù)據(jù)的電壓加到尋址電極26。通過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)或大約-10度(關)，從而調(diào)制入射到DMD表面的光。從“開”鏡21反射的光通過顯示器鏡片被指向成像平面。從“關”鏡21反射的光遠離成像平面。獲得的圖案形成了圖像。在鏡子21為“開”的每個圖像幀中時間的比例確定了灰度梯度。色彩可利用色輪或三-DMD配置來加。
事實上，鏡子21及其尋址電極26形成電容器。但對鏡子21及其尋址電極26加上適當?shù)碾妷簳r，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，存儲在鉸鏈22中的能量就提供回復力，以使鏡子21返回到不偏轉(zhuǎn)的位置。可對鏡子21或?qū)ぶ冯姌O26加上適當?shù)碾妷?，以幫助鏡子21返回其不偏轉(zhuǎn)的位置。
本發(fā)明的一個方面是認為當鏡子21(或支架1)旋轉(zhuǎn)時，電場非線性地增加。為了防止立即降落，以及為了提供較強的回復力，鉸鏈22(或12)應非線性的響應。如以下所述，這是通過從兩個鄰近鉸鏈條中做每個鉸鏈12和22來實現(xiàn)的。
圖3更詳細地示出鏡子21和鉸鏈22。對于本發(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。每個鉸鏈22包括一對鉸鏈條22a，位于同一平面中的鉸鏈條是隔開的。每個鉸鏈條22a具有它自身的旋轉(zhuǎn)軸。在此描述的例子中，每個鉸鏈的鉸鏈條22a是對準成一直線的，從而有兩個旋轉(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。伸長鉸鏈條22a所需增大的力導致回復轉(zhuǎn)矩的增加。
通過在鏡子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的制造過程中。典型的DMD具有大約16平方微米的鏡子21。對于該尺寸的鏡子21，鉸鏈條22a的寬度w大約是1微米。其長度大約是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之間的間隔距離來調(diào)節(jié)像素每旋轉(zhuǎn)一度時鉸鏈伸長的量。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)生的附加鉸鏈伸長的小角近似為εelongation＝0.5(dθ/2L)2式中εelongation＝伸長應力d＝鄰近鉸鏈之間的間隔距離θ＝鏡子旋轉(zhuǎn)角L＝鉸鏈長度圖4示出鉸鏈22的另一實施例?？蓪︺q鏈12進行類似的改變。與互相平行不同的是，每個鉸鏈22中的鉸鏈條22a形成V字形。此設計使鉸鏈形狀可適應周圍的結(jié)構(gòu)。
圖5示出鉸鏈22的另一實施例的鉸鏈52。與具有兩隔開的鉸鏈條不同的是每個鉸鏈52很寬。其寬度與長度的比值很大，從而當鏡子21的旋轉(zhuǎn)角增加時獲得非線性轉(zhuǎn)矩。也可對鉸鏈12進行類似的改變。寬鉸鏈52的一個例子是2微米寬和4微米長。
圖6示出依據(jù)本發(fā)明的非線性鉸鏈和通常的微型機械鉸鏈之間轉(zhuǎn)矩—角度的關系。非線性鉸鏈有兩個1微米寬、4微米長及間距1微米的條1。線性鉸鏈是1微米寬和4微米長的單片。對于線性鉸鏈，其旋轉(zhuǎn)軸相應于鏡子的旋轉(zhuǎn)軸，其轉(zhuǎn)矩—角度的關系是線性的。
其它實施例雖然已參考具體實施例描述了本發(fā)明，但此描述并不意味著限制的意思。對所述實施例的各種改變，以及可供選擇的實施例將對本領域中的熟練技術人員是明顯的。因此，試圖使附加的權利要求書覆蓋落在本發(fā)明實際范圍內(nèi)的所有變化。
權利要求
1.一種改進的微型機械裝置，它屬于具有至少一個由鉸鏈支撐的旋轉(zhuǎn)元件，從而所述旋轉(zhuǎn)元件可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的類型，其特征在于該改進包括所述鉸鏈包括至少兩個鉸鏈條，所述鉸鏈條在同一平面中相互隔開，從而至少一個所述鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸平行于、但偏離所述運動元件的旋轉(zhuǎn)軸。
2.如權利要求1所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述諸鉸鏈條基本上平行。
3.如權利要求1所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述諸鉸鏈條基本上形成V字形。
4.如權利要求1所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述每個鉸鏈條的寬度都近似于1微米。
5.如權利要求1所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述諸鉸鏈條隔開大約1微米遠。
6.如權利要求1所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述每個鉸鏈條寬度與長度的比值近似于1∶4或更小。
7.一種改進的微型機械裝置，它屬于具有至少一個由鉸鏈支撐的旋轉(zhuǎn)元件，從而所述旋轉(zhuǎn)元件可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的類型，其特征在于該改進包括所述鉸鏈具有寬度相對于長度的尺寸，從而當所述旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)時，所述鉸鏈的邊緣經(jīng)歷非線性的伸長應變。
8.如權利要求7所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述鉸鏈寬度與長度的比值大于1∶2。
9.如權利要求7所述的改進的微型機械裝置，其特征在于所述鉸鏈的尺寸是大約2微米寬，4微米長。
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搭接電極、一支撐柱、至少一個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；以及所述鉸鏈包括至少兩個鉸鏈條，所述鉸鏈條在同一平面上相互隔開，從而至少一個所述鉸鏈條的旋轉(zhuǎn)軸平行于、但偏離所述運動元件的旋轉(zhuǎn)軸。
11.如權利要求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.如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述每個鉸鏈條的寬度都近似于1微米。
14.如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述諸鉸鏈條隔開大約1微米遠。
15.如權利要求10所述的裝置，其特征在于所述每個鉸鏈條寬度對長度的比值近似于1∶4或更小。
全文摘要
一種用于具有一鉸接的可運動元件(11,21)的微型機械裝置(10,20)的非線性扭轉(zhuǎn)鉸鏈(12,22)。每個鉸鏈(22)包括在同一平面內(nèi)隔開的兩個鉸鏈條(22a),從而至少一個鉸鏈條(22a)的旋轉(zhuǎn)軸不同于可運動元件(21)的旋轉(zhuǎn)軸。結(jié)果,鉸鏈條(22a)在被扭轉(zhuǎn)時必定伸長,從而提供較大的回復轉(zhuǎn)矩。
文檔編號F16C11/00GK1173594SQ9611181
公開日1998年2月18日 申請日期1996年8月8日 優(yōu)先權日1996年8月8日
發(fā)明者R·L·奈普, D·A·韋布 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司