[发明专利]基于微机电系统的装置的高速静电致动

说明书

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(MEMS)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。

附图说明

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1A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1B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；

图1C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(MEMS)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。