专利名称：微机电旋转结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及微机电旋转结构，特别是热驱动的微机电旋转结构。
微机电旋转结构(MEMS)和其他微型设计装置由于这些装置所提供的尺寸、价格和可靠性方面的优越性，目前正在研究各种广泛的运用。已经创造了许多不同种类的MEMS装置，包括微型齿轮、微型电动机和其他能够运动或者施加力的微型加工的装置。这些MEMS装置可以用在各种方面，包括水力应用，其中利用MEMS泵或者阀门，和包括MEMS光阀门和快门的光学应用。
MEMS装置依靠各种技术，提供在这些微型结构内引起所希望的运动所需要的力。例如，已经利用悬臂施加机械力，使微加工的弹簧和齿轮旋转。此外，一些微型电动机是由电磁场驱动，另一些微型机械结构是由压电或者静电力驱动。最近，已经开发了由驱动器或者其他MEMS元件的可控热膨胀驱动的MEMS装置。例如，转让给MCNC(本发明的受让人)的美国专利申请序列号08/767,192；08/936,598和08/965,277叙述了各种类型的热驱动MEMS装置。此外，最近已经开发的MEMS装置包括旋转连接，用比扭力杆连接更小的扭应力和更低的外施力就可以旋转。例如，也转让给MCNC的US专利序列号08/719,711叙述了各种旋转MEMS连接。这里每一个申请的内容在此引入作为参考。
不论驱动源是什么，通常大多数MEMS装置提供线性运动。同样也需要提供包括旋转运动在内的非线性运动的MEMS装置，从而使MEMS装置可以有更广泛的应用。
本发明提供了能够旋转的微机电旋转结构，所得到的MEMS结构可以用在需要旋转运动的更广泛的各种应用中。在一个实施例中，MEMS结构包括微电子基片和固定到微电子基片表面上的轮毂结构。该MEMS结构也包括一个或者多个从轮毂外延的轮毂轮辐部件。最好使每一个轮毂轮辐部件中贯穿每一个轮毂轮辐部件的至少一部分的虚线与轮毂的中心轴略有偏移。换言之，每一个轮毂轮辐部件的至少一部分与延伸出轮毂轮辐部件的轮毂中心有一定程度的偏移。根据本发明的这一实施例，相应于轮毂轮辐部件的温度变化，轮毂轮辐部件用来对轮毂施加旋转力。随着温度变化，由轮毂轮辐部件的通常为长度的尺寸变化产生旋转力。
一个实施例的MEMS结构也包括与微电子基片隔开的圆环，它至少部分地包围轮毂。该圆环附加在轮毂轮辐部件上，使轮毂轮辐部件在轮毂和圆环之间延伸。在这一实施例中，利用轮毂轮辐部件对圆环施加旋转力，随着轮毂轮辐部件温度的变化，圆环可以相对于轮毂顺时针或者逆时针旋转。
一个实施例的MEMS结构也包括连接到微电子基片表面的一个或者多个锚，和安排在圆环和对应的各个锚部件之间的一个或者多个锚定轮辐部件。用锚定轮辐部件响应温度的变化，例如通过长度的变化，对圆环施加旋转力。如前所述，该旋转力使圆环相对于轮毂顺时针或者逆时针旋转。
一个实施例MEMS结构可以包括连接到轮毂轮辐部件的至少一个微机电触发器，轮毂轮辐部件响应热触发可控制地运动。微机电触发器包括连接到微电子基片表面的至少两个锚部件、和在触发器部件之间延伸的至少一个拱形梁。拱形梁响应热触发进一步拱起，从而使轮毂轮辐部件运动，接着在轮毂上施加旋转力。另外，这一MEMS结构可以进一步包括圆环，至少一个微机电触发器可操作地不是连接到轮毂轮辐部件上，而是连接到圆环轮辐部件上。同样，微机电触发器的热触发使拱形梁进一步拱起，从而使得圆环轮辐部件运动，接着使得圆环运动。
上述实施例的MEMS结构的每一个都可以有选择地包括多个微机电驱动器。在一个实施例中，配置微机电驱动器产生力，使得轮毂和/或圆环以同样方向旋转。在另一个实施例中，MEMS结构可以包括第一和第二组微机电驱动器。根据这一实施例，第一组产生的力使轮毂和/或圆环以同样方向旋转；而第二组产生的力使轮毂和/或圆环以相反方向旋转。这样，该轮毂和/或者圆环可以响应第一和第二组微机电驱动器的驱动，以顺时针方向或者逆时针方向旋转。
在一个最佳实施例中，至少圆环的一部分包括反射表面，允许MEMS结构在可控旋转时有选择地反射光。在另一个实施例中，圆环限定了至少一个孔，孔具有和基片表面相交的轴。同样，孔相对于基片表面的位置随着圆环转动而变化。进一步，这一实施例的MEMS结构的微电子基片也可以限定至少一个孔，随着圆环旋转，它和圆环上限定的一个或者多个孔交替地对中和错开。同样，本实施例的MEMS结构限定了一条通过圆环和交替的基片的通道，作为阀门或者光学快门。
另一个实施例的MEMS结构包括在微电子基片表面上的导电表面，和覆盖在基片上、且与其隔开的圆环上的辅助导电表面。圆环在基片表面上方旋转时，导电表面之间重叠的区域变化，使得MEMS结构可以作为可变电容器。更进一步，另一个实施例的MEMS结构包括附加到微电子基片表面的至少一个触点，和附加到圆环上的至少一个触点，随着圆环的旋转，触点交替接触和分开，使得MEMS结构可以作为开关。进一步，触点可以在电气上连接，随着圆环的转动，可以有选择地产生不同量的电阻。
本发明的MEMS结构由于它的构造用来提供可控的旋转运动。同样，MEMS结构可以有各种广泛的应用，包括阀，快门、可变电容、开关、继电器和其他以上已经叙述过的一些应用。
尽管将详细叙述上述发明，很显然，在这里所叙述的发明范围内，可以作一些变化和修正。
图1(a)和图1(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动轮毂MEMS旋转结构沿a-a线的顶视图和剖面图。
图2(a)和图2(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动外圆环MEMS旋转结构沿b-b线的顶视图和剖面图。
图3(a)和图3(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动中圆环MEMS旋转结构沿c-c线的顶视图和剖面图。
图4(a)至图4(e)为根据本发明一个实施例的各种MEMSTAB(热拱形梁)结构的顶视图。
图5(a)和图5(b)为根据本发明活动轮毂旋转结构的两个不同实施例的顶视图，其中，TAB驱动器对活动轮毂施加旋转力。
图6(a)和图6(b)为根据本发明MEMS旋转结构的两个不同实施例的顶视图，它分别包括从圆环和从轮毂径向延伸的杆。
图7(a)和图7(b)分别为根据本发明一个实施例具有反射表面的MEMS旋转结构沿d-d线的顶视图和剖面图。
图8(a)和图8(b)分别为根据本发明一个实施例的MEMS旋转阀或者快门结构沿e-e线的顶视图和剖面图。
图9(a)和图9(b)分别为根据本发明一个实施例的MEMS旋转开关结构的原理性侧视图，其中，布置在圆环上和基本基片上的触点分别断开和连接。
图10(a)、图10(b)和图10(c)为根据本发明一个实施例MEMS可变电容旋转结构沿10c-10c线的两个顶视图和剖面图，其中，导体之间的重叠度变化使它们之间的电容变化。
图11(a)和图11(b)分别为顶视图和原理性视图，说明根据本发明任何一个实施例MEMS旋转结构中布置在基本微电子基片上的针和轮毂之间的旋转连接。
以下将参考示出本发明最佳实施例的附图，更全面地叙述本发明。然而，本发明可以有许多不同的实施方式，不应该解释为局限于这里给出的实施例；提供这些实施例，使得专利公开彻底和完整，将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。图中的特征不一定按比例，仅仅用来说明本发明。相同的标号全部表示相同的元件。
活动轮毂根据一个实施例的MEMS旋转结构由图1(a)的顶视图和图1(b)沿a-a线的剖视图表示。本实施例的MEMS旋转结构包括布置并且悬挂在微电子基片10表面上方的轮毂100，和从轮毂向外径向延伸、与基片以间隙175隔开的至少两个轮毂轮辐部件110组成。响应温度变化，该轮毂轮辐部件对轮毂施加旋转力，具体如下所述。所示的轮毂为实心圆柱形元件，它也可以是其他形状并不一定是实心的，可以是管状或者是其他形状。
典型的微电子基片用硅片形成。也可以用其他材料，诸如玻璃或者其他半导体，构成微电子基片。此外，典型的轮毂和轮毂轮辐部件由金属构成，例如镍，它通过集成电路制造过程例如电镀沉淀在基片上，如同US专利申请序列号08/767,192，08/965,277和08/936,958的热拱形梁驱动器所叙述的同样方法；它们的内容已经引入作为参考。然而，MEMS旋转结构，特别是轮毂和轮毂轮辐部件，也可以用不同的技术和包括硅的不同金属构成，都不脱离本发明的精神和范围。
如图1(a)和图1(b)所示，轮毂100限定了和微电子基片表面相交的中心轴105。此外，每一个轮毂轮辐部件110限定了纵向贯穿其中的虚线。根据本发明，每一个轮毂轮辐部件连接到轮毂上，略偏移于轮毂的中心轴。在这点上，纵向贯穿每一个轮毂轮辐部件的虚线和轮毂相交于略偏移轮毂中心轴的位置。同样，轮毂轮辐部件可以在热触发期间，随着轮毂轮辐部件膨胀或者收缩，对轮毂施加力矩或旋转力。
如图1(a)和图1(b)所示，本发明的MEMS旋转结构也包括附加到基片的至少两个锚部件。每一个锚部件最好由轮毂和轮毂轮辐部件同样的过程和同样的材料，例如镍形成。进一步，每一个轮毂轮辐部件在轮毂和相应的锚部件之间延伸，虽然如上所述，每一个轮毂轮辐部件略偏移于轮毂的中心轴。由于每一个轮毂轮辐部件的一端通过锚部件附加到基片，轮毂轮辐部件被加热和膨胀时，由于轮毂轮辐部件和轮毂中心轴的偏移，该轮毂轮辐部件对轮毂产生力，使轮毂按一个方向旋转。进一步，当轮毂轮辐冷却和收缩时，该轮毂轮辐部件将对轮毂产生旋转力，使轮毂以相反方向旋转。在任何一种情况下，根据轮毂轮辐附加到轮毂上相对于轮毂中心轴的什么地方，和轮毂部件是加热还是冷却，可以提供顺时针方向或者逆时针方向旋转。本领域的技术人员将可以用许多不同的技术加热或者冷却轮毂轮辐部件。例如，可以通过改变周围环境温度，有选择地用液体或者气体、或者有选择地通过电流来改变轮毂轮辐部件的环境温度。
活动外圆环图2(a)和图2(b)示出根据包括活动外圆环的本发明另一个实施例MEMS旋转结构。如上所述，本实施例的MEMS旋转结构包括附加到微电子基片10表面的轮毂100，和至少两个等间距的轮毂轮辐部件，响应温度的变化，对轮毂施加旋转力。与前相同，轮毂100限定了和微电子基片表面相交的中心轴105。每一个轮毂轮辐部件120从轮毂100外延，限定了纵向延伸的虚线。如上所述，每一个轮毂轮辐部件略有偏移于轮毂的中心轴，以便随着轮毂轮辐部件膨胀或者收缩，对轮毂提供力矩和旋转力。
虽然MEMS旋转结构只需要有两个轮毂轮辐部件，MEMS旋转结构通常包括三个或者更多个从轮毂外延的轮毂轮辐部件。如上所说，轮毂轮辐部件既包括在轮毂MEMS旋转结构又包括在轮毂与圆环的MEMS旋转结构中。轮毂轮辐部件可以有不同的结构安排，通常轮毂轮辐部件在轮毂周围有相等的角度增量间隔。例如，MEMS旋转结构可以包括在轮毂周围有相等的90°间隔的4个轮毂轮辐部件，如图1(a)和2(a)所示。
此外，本实施例的MEMS旋转结构进一步包括与微电子基片隔开的圆环200。圆环200至少部分地环绕在轮毂100的周围，通过至少两个轮毂轮辐部件120与轮毂连接。同样地，每一个轮毂轮辐部件在轮毂和圆环之间延伸。在运行时，当轮毂轮辐部件加热和膨胀时，轮毂轮辐就在一个方向上对圆环施加旋转力。此外，当轮毂轮辐部件冷却和收缩时，轮毂轮辐在相反方向对圆环施加旋转力。重要的是采用热驱动引起旋转时，轮毂轮辐部件维持在相对与圆环不同的温度，或者更热，或者更冷。可以采用数码技术热驱动轮毂轮辐部件。可以采用不直接加热最近的轮毂轮辐部件方法。最好用如下所述电流通过轮毂轮辐部件的直接加热。
如图2(a)所示，轮毂通常可以包括用气隙105分开的两个半圆形部分。在如图所示的第一部分102和第二部分103的轮毂的两个部分之间加电压差，电流就可以如图2(a)所示流过MEMS旋转结构，从而直接加热轮毂轮辐部件并且引起热驱动。特别是一对轮毂轮辐部件分别布置在圆环和轮毂的第一和第二部分之间，由于电流流过轮毂的两个部分的直接加热的结果，产生热驱动。
活动中圆环如图3(a)和3(b)所描述的，图2(a)和2(b)中的MEMS旋转结构可以修正为包括至少两个锚定轮辐部件150、和至少一个对应的锚170。本实施例的MEMS旋转结构最好是包括在圆环周围以相等的角度分开的多个锚定轮辐部件，和与对应的锚定轮辐连接的等量的锚。每一个锚定轮辐部件150布置在圆环200和对应的锚170之间。如图3(b)所示，锚定轮辐部件与基片隔开，锚170附加到微电子基片10的表面上，以支持锚定轮辐部件150。
本实施例的MEMS旋转结构包括轮毂轮辐部件和锚定轮辐部件两部分。无论是轮毂轮辐部件、锚定轮辐部件，或者它们两者，都可以被热驱动，使得轮毂和圆环旋转。在本实施例中，轮毂既可以悬挂在微电子基片上方，也可以附加到微电子基片的表面。在图示的实施例中，用锚定轮辐部件对圆环，继而对轮毂施加旋转力，这是因为锚定轮辐部件和圆环以非正交的角度安置。同样地，锚定轮辐部件在长度方向的膨胀或者收缩将引起圆环旋转。由于圆环是通过轮毂轮辐部件连接到轮毂上，圆环的旋转引起轮毂旋转。由于用锚定轮辐部件使所示实施例的MEMS旋转结构转动，轮毂轮辐部件不需要像以上相关的其他实施例那样，与轮毂的中心轴偏移。
在运行时，图3(a)和3(b)中MEMS旋转结构的锚定轮辐加热和膨胀，受热的轮辐就在一个方向对轮毂和圆环施加旋转力。反过来，锚定轮辐部件冷却和收缩时，冷却的轮辐在相反的方向对轮毂和圆环施加旋转力。除了锚定轮辐部件作旋转运动，轮毂轮辐部件能够用以前实施例所描述的方法做旋转运动。本领域技术人员将理解，锚定轮辐部件和轮毂轮辐部件响应温度变化可以提供相同或者相反方向的旋转力。也就是说，轮辐可以用来提供相同方向的旋转，也可以用来提供相反方向的旋转。在本实施例中，可以有几种方法改变旋转。例如，改变轮辐相对于轮毂中心轴的位置可以改变旋转。例如，偏移中心轴越远的轮辐可以提供较大的旋转力。本领域技术人员因而将认识到，与以前的实施例相比较，本实施例的MEMS旋转结构提供了改进的旋转位移和更多的旋转模式。重要的是本领域技术人员将意识到，可以采用除了热拱形梁驱动以外的驱动器，对本发明MEMS旋转结构的全部实施例提供旋转力。
TAB驱动活动轮毂图5(a)和图5(b)给出本发明另一个实施例的MEMS旋转结构。以前实施例中所示的轮毂轮辐部件可以是线性的，而图5(a)和图5(b)所示的轮毂轮辐部件也可以是非线性的。为了对轮毂施加旋转力，纵向贯穿轮毂轮辐部件至少一部分的虚线必须偏移轮毂的中心轴。同样地，即使纵向贯穿轮毂轮辐部件其他部分的虚线贯穿中心轴，旋转力仍然施加在轮毂上。
本实施例的MEMS旋转结构也包括一个或者多个布置在微电子基片表面的TAB微机电驱动器。每一个驱动器连接到相应的轮毂轮辐部件，以便使轮辐部件响应热驱动而移动。虽然轮毂轮辐部件可以如其他实施例中所叙述的那样对热响应，本实施例的轮毂轮辐部件不需要用其长度随温度变化而明显变化的材料制成，因为微机电驱动器提供了足够的移动力。
微机电驱动器可以有许多不同的实施例，微机电驱动器最好包括如美国专利申请序列号08/767,192所叙述的热拱形梁(TAB)驱动器，其内容已经引入作为参考。在此，各种TAB驱动器在图4中给出。
图4(a)所示为具有单个拱形梁的TAB驱动器。如图所示，TAB驱动器构造在基本微电子基片10上。该TAB梁驱动器包括附加到基本微电子基片上的两个支架20和30，和在两个支架之间延伸的拱形梁40。拱形梁的两端附加到支架上，使得拱形梁固定在基本微电子基片的表面上方。支架和拱形梁最好用导电金属制成，例如电镀镍，也可以用半导体制成，例如硅。在任何情况下，必须用响应温度变化而膨胀或者收缩的材料制成拱形梁。典型的梁是用热膨胀系数为正的材料制成，它随着温度上升而膨胀。然而，梁也可以用热膨胀系数为负的材料制成，它随着温度上升而收缩。如图所示，单个梁在预先规定的方向50拱起，热膨胀将使得梁在同一方向更加拱起。
TAB驱动器也可以包括通过对单个拱形梁加上或者移去热，来改变它的温度的装置。当拱形梁的温度变化，它就以箭头所示的方向膨胀，或者以箭头相反的方向收缩。可以采用各种手段来加热或者冷却单个梁，从而使得梁膨胀或者收缩。流过梁的电流可以直接在梁的内部产生热，或者可以采用另一种不直接的外部加热。也可以用拱形梁周围气体或者液体流来加热或冷却拱形梁。采用这些和其他的加热或冷却技术的组合也可以用在本发明内。
另一种TAB驱动器的实施例如图4(b)所示。如图所示，TAB驱动器可以包括两个支架20和30之间延伸的两个或者更多的拱形梁40，41和42。进一步，本实施例的TAB驱动器可以包括至少一个连接器60，用于连接两个或者多个拱形梁。连接器将使多个的梁所产生的力合起来，以提供更大的力、更大的位移和更刚性和更强有力的驱动器设计。本领域技术人员将认识到，采用任何数量的拱形梁和连接器都在本发明的范围内。例如，图4(c)所示为八个梁TAB驱动器。当拱形梁受热，它们在预先确定的方向更加拱起。同样地，至少一个梁加热和膨胀时，连接器沿箭头50的方向运动。相反地，至少一个梁冷却和收缩时，连接器沿箭头50的相反方向运动。本领域技术人员将理解，拱形梁最好以相同的方向拱起，虽然其中一些的梁以不同的或者相反的方向拱起的另一种安排也是可能的。只有单个拱形梁情况下，TAB驱动器可以包括各种手段对多个拱形梁的一个或几个加热或者冷却。
图4(c)所示采用直接加热拱形梁的TAB驱动器的一个实施例。在此情况下，电流流过每一个拱形梁，对梁提供直接的电阻性加热，使得每一个梁在预先确定的方向50上延伸和更加拱起。图4(d)为TAB驱动器的另一个实施例，其中，只有一部分拱形梁是由电流直接通过来加热。如这一例子所示，一部分梁通过电流i直接加热，而其他梁不加热，或者由附近带电的梁间接加热。其他的梁不通过电流，因为依靠绝缘器21和31，它们与通过电流的梁和支架30在电气上绝缘。本领域技术人员将理解，可以采用直接和间接加热的不同组合，通过拱形梁的电流也不一定相等。图4(e)为TAB驱动器的另一个实施例，它具有外部加热器90，以蜿蜒的图案布置在基片上，轮流加热环境和拱形梁。如图所示，采用触点91和92，电气上向外部加热器90充电，外部加热器90典型地用导电金属或者半导体材料制成。
在叙述了一些有代表性的TAB驱动器以后，我们回到对图5(a)和5(b)所示MEMS旋转结构实施例的讨论。不管TAB驱动器的类型如何，每一个轮毂轮辐部件130可操作地连接到TAB驱动器300和轮毂100两者上，把旋转力从TAB列传递到轮毂。每一个轮毂轮辐部件可操作地连接到相应的TAB驱动器的拱形梁上，TAB驱动器的热驱动使拱形梁在预定的方向更加拱起，从而使轮毂轮辐部件在预定的方向移动。布置每一个轮毂轮辐部件对可操作地连接的轮毂施加旋转力。虽然所示实施例并不包括圆环，MEMS旋转结构可以有选择的进一步包括圆环以及如前所述安置在圆环和轮毂之间相应的轮辐部件。
在一个特殊的MEMS旋转结构内，TAB驱动器可以使轮毂顺时针或者逆时针方向旋转。如图5(a)所示的例子中，TAB驱动器集合安置，向轮毂提供顺时针的旋转力。相反地，如图5(b)所示的另一个例子中，TAB驱动器为另一种安置，在MEMS旋转结构内提供顺时针和逆时针的旋转力。根据加热图5(b)中哪一个TAB驱动器，轮毂可以有选择的以顺时针和逆时针方向旋转。例如，TAB驱动器302和304配合使轮毂轮辐130按方向50移动，从而使轮毂100顺时针旋转。相反地，驱动器301和303配合使轮毂轮辐130按方向51移动，从而使轮毂逆时针旋转。
带有杆的MEMS旋转结构以上叙述的MEMS旋转结构的各种实施例可以用在广泛的各种应用中，包括用作驱动器，温度传感器等等。然而，本发明的MEMS旋转结构还可以包括其他特性，使MEMS旋转结构用到其他更多的应用中。在这点上，图6(a)和6(b)给出对以上讨论的MEMS旋转结构可以作的选择性的修改。可以把杆250加到任何圆环结构如图6(a)所示。此外，如图6(b)所示，可以把杆250加到这里叙述的任何轮毂结构。如图所示，杆可以附加到轮毂或者圆环上，并且从轮毂和圆环向外延伸。此外，杆可以从圆环向轮毂向内延伸。进一步，轮毂和圆环可以包括向外和向内部延伸组合的杆，或者有另一些其他结构。在任何情况下，杆随着轮毂和/或者圆环旋转，可以用于传递力。本领域技术人员将理解，随着轮毂和圆环旋转，杆可以允许有若干个其他结构，被选择地驱动。MEMS旋转结构的应用包括但又不局限于杆环绕，开关，继电器，流体阀、泵，电磁快门，和其他驱动器驱动的装置。
具有反射表面的MEMS旋转结构图7(a)和7(b)叙述了具有反射表面的MEMS旋转结构。在所述的实施例中，圆环200的至少一部分表面具有反射表面300。反射表面300可以布置在圆环的上表面，下表面，或者周边表面。反射表面可以用微工程技术作为圆环上的一层或者涂层。例如，反射表面可以是反射金属层，例如金层。另外，反射表面也可以通过处理圆环表面形成。例如，如果圆环是由硅制的，反射表面可以通过抛光硅形成。随着圆环的旋转，圆环表面的反射部分最好可以有选择地旋转进入或者离开光通道。这样一来，反射表面可以用来反射光，或者作为光阀或快门。如果反射表面由导电材料制成，反射表面可以用来吸收或阻断电磁能。例如，可以采用金属反射表面有选择地阻断无线电频率的能量。本领域技术人员将理解，具有可控制旋转反射表面的MEMS旋转结构可以用作其他用途。
阀和快门圆环结构如图8(a)和8(b)所示，MEMS旋转结构稍作修改，可以用作阀门或快门。如图所示，圆环可以限定第一孔320，其轴与微电子基片10的表面相交。此外，限定通过微电子基片10的第二孔310。第一和第二孔的安置使得通过圆环的第一孔320和通过微电子基片10的第二孔310可以有选择地在圆环旋转时对中，以便提供通过圆环和微电子基片的通道。一旦圆环旋转使第一和第二孔对中，气体，流体，固体，或者电磁射线便可以穿过圆环和基片。在圆环不旋转和在第一第二孔不对中的情况下，MEMS旋转结构将阻断气体，流体等通过。同样地，本实施例的MEMS旋转结构可以作为阀，快门等。本领域技术人员将认识到，本实施例的MEMS旋转结构并不局限于以上所述的应用。更有甚者，本实施例的MEMS旋转结构可以设计为在MEMS旋转结构停止时第一和第二孔对中，也就是不驱动时对中，而在MEMS旋转结构被驱动时不对中。
如图8(a)所示，圆环也可以包括一个以上的孔。孔可以假使为各种尺寸，形状，位置和沿圆环的周边相对分散。进一步，在基片上也可以包括一个以上的孔，同样，基片上的孔可以假设为各种尺寸，形状，位置和沿圆环的周边相对分散。根据给定应用的要求，在圆环和/或者基片可以提供作为阀或者快门的一个或多个孔。在圆环上的一个或者多个孔和在基片的一个或者多个孔可以有选择地对中，以限定一个或者多个贯穿其中的通道。
旋转开关圆环结构图9(a)和9(b)所示为设计作为旋转开关运行的MEMS旋转结构。该MEMS旋转结构包括第一电气触点330，它作为圆环的一部分，或者附加到圆环200的表面。此外，MEMS旋转结构包括辅助第二电气触点340，附加到微电子基片10的表面。如图9(a)和9(b)所示，第二电气触点340由微电子基片上方的支架350定位，使它接近第一电气触点。虽然图中没有示出，通过或者沿轮毂轮辐部件的圆环和轮毂提供了第一触点的第一电气通道，通过或者沿作为第二触点的基片的第二电气通道，使电流流到每一个触点。虽然第二电气触点布置在相对于微电子基片的固定位置，圆环相对于基片旋转时，第一电气触点随着圆环旋转。为了可控制地连接第一和第二触点，第一和第二触点可以随着圆环旋转，有选择地对中。按照这种方式，MEMS旋转结构可以用做电气开关或者继电器。虽然叙述了一个最佳实施例，本领域技术人员将理解，第一和第二触点可以相反地布置在圆环和微电子基片上，仍然允许这一结构起旋转电子开关或者继电器的功能。例如，MEMS旋转结构可以包括部分圆环，允许第一和第二触点相互接触于垂直于微电子基片表面的平面上。进一步，在圆环和基片上的电气触点可以有其他安排，以适合于几种其他应用，例如可变电阻，或者电位计。为了用作电位计，电气触点在MEMS旋转结构旋转时保持电连接，以保持触点之间的电阻。可以用电气触点形成电阻，或者将分开的装置连接到电气触点上。当MEMS旋转结构旋转时，电阻值可选择地改变，使得本实施例的MEMS旋转结构可以作为可变电阻。
可变电容圆环结构图10(a)-(c)所示为MEMS旋转结构，它已经适用于作为可变电容器。可以用MEMS旋转结构形成一个或者多个可变电容器。为了形成可变电容器，MEMS旋转结构包括第一导电表面，典型由金制成，如图10(a)所示，安置于微电子基片10的表面上。最好由一个绝缘层覆盖并且保护第一导电表面。该绝缘层通常由氮化硅制成，置于第一导电表面上面。第一导电表面包括对应于所示第一可变电容C1的第一盘390。第一导电表面可选择进一步包括在电气上与第一盘绝缘的第二盘391，形成第二可变电容C2。第一和第二盘可各自包括一个或多个在相应盘上形成的齿，例如，如图10(a)所示，第一盘390具有齿392，第二盘391具有齿393。熟悉本技术的人将认识到，在根据本发明形成可变电容的时候，可能采用不同形状和放置方向的第一和第二盘。
如图10(b)所示，本实施例的MEMS旋转结构还包括辅助的第二导电表面380，置于圆环上面或由圆环200支持，并且至少部分地与第一导电表面390重叠。在圆环上的第二导电表面最好如图所示包括一个或多个齿。如图10(b)中，用虚线表示包括第一和第二盘的第一导电表面。第一导电表面的第一和第二盘最好相对于圆环和第二导电表面居中地安放。第一和第二导电表面最好临近设置并相互面对，仅由图10(c)中区域400表示的一个小的气隙，或一薄层绝缘的介电材料隔开。
希望第一和第二导电表面之间的重合和形成的电容可以在圆圆环转动时有选择地改变。相应地，根据本发明，有许多技术和结构可用于形成可变电容实施例。在一个实施例中，第一导电表面的或更特指是第一或第二盘上的一个或多个齿，在圆环转动时，可以有选择地重叠第二导电表面的一个或多个齿。例如，如图10(b)所示，圆环在转动时，各个齿可以部分或全部重叠，或完全不重叠，以改变它们之间的电容值。例如，第一导电表面的第一盘上的齿392在位于圆环上的第二导电表面的齿202的上面，并部分与之重叠，如图10(b)中示出的平面图和图10(c)中的断面图所示。最好是在圆环和在基片上分布的齿是交错的，圆环在转动时，第一和第二导电表面上分布的齿之间的重叠也改变，从而提供可变的电容。熟悉本技术的人将理解到，根据本发明的精神可以提供不同尺寸和形状的齿，例如矩形，方形，圆形或其他形状的齿。在圆环转动时，根据重叠的齿的位置，可以提供线性，非线性，对数的或其他变化特性的电容。此外，齿之间的重叠相对最小或最大时，电容也可以在最小或最大值之间转动地变化。
但是，在没有形成齿的第一和第二导电表面重叠部分也能够建立电容。最好是第一和第二导电表面的没有齿的部分之间很少或者没有重叠。同样，因为齿间不重叠时，寄生电容比较小，电容可以在相对低到相对高的值之间变化。例如，希望在没有齿的基片上的第一和第二盘的部分与没有齿的圆环的部分之间的重叠尽量少。在这种情况下，电容基本确定，并且根据分布在第一和第二导电表面上的齿的重叠情况而变化。这个概念可以用许多种办法完成。
例如，圆环可以比由第一和第二盘决定的圆周的半径小。齿可以从圆环向外布置。因此，圆环转动时，圆环和盘上的齿可选择地重叠，此时第一和第二盘的其他部分不与圆环重叠。例如，可以改变C形第一和第二盘，使得连接齿的导电部分比齿的表面积明显小。这样，圆环上的齿可以布置得与第一和第二盘上的齿重叠，而第一和第二导电表面的无齿部分之间的重叠尽量小或者没有重叠。在有些情况下，第一和第二导电表面的无齿部分间的重叠可能有好处。在此情况下，至少有一部分的第一和第二导电表面可以布置得重叠，与圆环的转动无关，这样可变电容总能够提供一个最小电容。根据以上所有的叙述，本领域技术人员将认识到，圆环、第一盘、第二盘以及相应的齿的布置可以根据需要而改变，以便在圆环转动时提供可变电容。
此外，圆环200上的第二导电表面可以用作为一个以上的可变电容的部分。如图10(b)所示，圆环同时作为可变电容C1和可变电容C2的一个盘。这样，可变电容C1和C2通过圆环的第二导电表面有效地串联。
第一和第二导电表面之间的重叠面积能够受控制地变化，以便在圆环转动时改变它们之间的电容。尽管可以用半导体材料制成的层作为导电表面，但是，导电表面最好用金属制成。尽管没有示出，本实施例的MEMS旋转结构可以包括连接第一和第二导电表面的电气引线或者通路，以便测量其间的电容。如前所述，本领域技术人员将认识到，在不背离本发明的精神范围内，MEMS旋转结构可以提供许多其他旋转可变电容设计的实施例。
用于轮毂和圆环结构的旋转连接元件有两种主要技术可以将轮毂100，和选择地将圆环附加到微电子基片10上。首先，在一些实施例中，轮毂可以被刚性附加到微电子基片上。在此情况下，轮毂可以直接附加到基片上，或者通过锚或者其他间接地附加到其上。此外，该轮毂可以旋转地连接到下面的微电子基片上，便可以相对自由的转动。
在一个实施例中，轮毂可以通过转动的连接元件附加到微电子基片上。例如，可以采用转动接触诸如转动件轴承，滚珠或者球窝轴承，或者如美国专利申请号08/719,711所叙述的其他一些滚动接触，其内容已经在此引入。通过旋转连接元件，轮毂和圆环可以相对于微电子基片自由转动。最好能用针状连接机构提供至微电子基片的旋转连接，如图11(a)和(b)所示。尽管在该实施例中示出轮毂，销状接头完全可以同样地用到圆环的实施例中。销360附加到基本微电子基片10上。例如，在轮毂100中提供了一个合适的间隙362，使得销可以置入其中。同样，轮毂或者轮毂和圆环得到如图所示的锚或者由其他类似物很好的支持。但是，该轮毂或者轮毂和圆环可以响应前述任何热驱动源，围绕着销旋转或者转动。该间隙可以根据转动的需要，做得相对大些或小些。
不管所采用的转动连接元件的形式如何，当采用旋转连接时，由于只要克服相对小的摩擦力或者扭应力，该轮毂总能够自由转动。一旦轮毂开始旋转，只要有相对小的恒定的转动力，就能够使轮毂连续转动。当带有转动触点的轮毂转到给定位置，甚至当旋转力已经去掉，轮毂会保持在此位置。当然，熟悉本技术的人将认识到可以应用许多其他旋转连接方法，而不偏离本发明的范围和精神。
如上所述，MEMS旋转结构的不同实施例可以广泛用到各种不同的应用，诸如转动开关，驱动器，可变电容，可变电阻，快门，阀和其他类似物，本领域技术人员将理解存在其他一些这里没有提到的应用。因此，本发明的MEMS旋转结构可以用在要求或希望非线性运动的不同应用中，在这些场合常规线性MEMS驱动器可能不适合了。
在附图和说明中，已经揭示了本发明典型的最佳实施例，尽管使用了专业用语，但仅用于上位的和说明性的目的，并没有限制本发明在下述权利要求中提到的范围。
权利要求
1．一种微机电旋转结构包括微电子基片；设置到所述微电子基片表面上的轮毂，所述轮毂限定了贯穿其中的中心轴；从所述轮毂向外延伸的至少两个轮毂轮辐部件，其中，贯穿所述至少两个轮毂轮辐部件的至少一部分延伸的虚线与所述轮毂中心轴偏移，并且其中，所述至少两个轮毂轮辐部件响应温度变化，对所述轮毂施加旋转力。
2．根据权利要求1的微机电旋转结构，进一步包括与所述微电子基片隔开、至少部分地包围所述轮毂的圆环，其中，所述至少两个轮毂轮辐部件在所述的圆环和所述轮毂之间延伸，并且其中，所述至少两个轮毂轮辐部件响应温度变化而使长度变化，从而使所述圆环相对于所述轮毂旋转。
3．根据权利要求2的微机电旋转结构，其中，所述的至少两个轮毂轮辐部件包括第一和第二轮毂轮辐部件，其中所述轮毂包括可操作地连接到所述第一轮毂轮辐部件的第一部分和可操作地连接到所述第二轮毂轮辐部件的第二部分，其中，所述第一部分和所述第二部分在电气上绝缘，从而加在它们之间的电压差产生电流，从所述第一部分，通过所述第一和第二轮毂轮辐部件，并且通过所述的圆环，流到所述第二部分，从而改变所述第一和第二轮毂轮辐部件的温度。
4．根据权利要求2的微机电旋转结构，进一步包括布置在所述微电子基片表面并且连接其上的至少两个锚部件；和安置在相应的拱部件和所述的圆环之间的至少两个锚定轮辐部件，其中，所述至少两个锚定轮辐部件响应温度的变化而使长度变化，从而使所述的圆环相对于所述轮毂旋转。
5．根据权利要求1的微机电旋转结构，进一步包括对所述至少两个轮毂轮辐部件提供热能的加热器。
6．根据权利要求1的微机电旋转结构，其中，所述至少两个轮毂轮辐部件从包括等角度位移和不等角度位移的组中选择的角度位移，分散在所述轮毂周围。
7．根据权利要求1的微机电旋转结构，进一步包括从所述轮毂延伸的至少一个杆部件。
8．根据权利要求2的微机电旋转结构，进一步包括从所述的圆环延伸的至少一个杆部件。
9．根据权利要求1的微机电旋转结构，进一步包括布置在所述微电子基片表面、可操作地连接到相应的轮毂轮辐部件的至少一个微机电驱动器，从而所述轮毂轮辐部件响应热驱动可控制地移动，所述至少一个微机电驱动器包括布置在所述微电子基片表面并且与其连接的至少两个锚部件；和在所述至少两个锚部件之间延伸的至少一个拱形梁，其中，所述至少一个拱形梁可操作地连接到对应的轮毂轮辐部件上，其中，所述至少一个拱形梁响应热驱动进一步拱起，使得所述对应的轮毂轮辐部件移动，从而对所述轮毂施加旋转力。
10．根据权利要求9的微机电旋转结构，其中，所述至少一个微机电驱动器包括具有拱形梁的第一组微机电驱动器，拱形梁的拱起方向是使所述拱形梁进一步拱起，对所述轮毂施加顺时针方向旋转力；和具有拱形梁的第二组微机电驱动器，拱形梁的拱起方向是使所述拱形梁进一步拱起，对所述轮毂施加逆时针方向旋转力。
11．根据权利要求9的微机电旋转结构，其中，所述至少一个微机电驱动器的至少一个拱形梁包括多个拱形梁，其中，所述至少一个微机电驱动器进一步包括用于连接多个拱形梁的连接器。
12．根据权利要求2的微机电旋转结构，进一步包括至少一个微机电驱动器，布置在所述微电子基片表面，可操作地连接到所述圆环，使得所述的圆环响应热驱动可控制地移动，所述至少一个微机电驱动器包括从所述的圆环向外延伸的至少一个圆环轮辐部件；至少两个布置在所述微电子基片表面并且与其连接的拱形部件；在所述至少两个拱形部件之间延伸的至少一个拱形梁，其中，所述至少一个拱形梁通过所述至少一个圆环轮辐部件，可操作地连接到所述的圆环，其中，所述至少一个拱形梁响应热驱动进一步拱起，使得所述相应的圆环轮辐部件移动，从而使所述的圆环相对于所述轮毂旋转。
13．根据权利要求12的微机电旋转结构，其中，所述至少一个微机电驱动器包括具有拱形梁的第一组微机电驱动器，拱形梁的拱起方向是使所述拱形梁进一步拱起，使所述的圆环相对于所述轮毂以顺时针方向旋转；和具有拱形梁的第二组微机电驱动器，拱形梁的拱起方向是使所述拱形梁更加拱起，使所述的圆环相对于所述轮毂以逆时针方向旋转。
14．根据权利要求12的微机电旋转结构，其中，所述至少一个微机电驱动器的至少一个拱形梁包括多个拱形梁，其中，所述至少一个微机电驱动器进一步包括用于连接多个拱形梁的连接器。
15．一种微机电旋转结构，包括微电子基片；布置在所述微电子基片表面上的轮毂；布置在所述微电子基片表面上方的圆环；和至少一个布置在所述的圆环和所述轮毂之间的轮毂轮辐部件，其中，所述至少一个轮毂轮辐部件，响应温度变化对所述轮毂施加旋转力。
16．根据权利要求15的微机电旋转结构，其中，所述轮毂限定了贯穿其中的中心轴，并且其中，贯穿所述至少一个轮毂轮辐部件的至少一部分的虚线也在偏移所述轮毂中心轴的位置贯穿所述轮毂。
17．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括布置在所述微电子基片表面并且连接其上的至少一个锚部件；和布置在对应的锚部件和所述的圆环之间的至少一个锚定轮辐部件，其中，所述至少一个锚定轮辐部件响应温度的变化而使长度变化，从而使所述的圆环相对于所述轮毂旋转。
18．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括对所述至少一个轮毂轮辐部件提供热能的加热器。
19．根据权利要求15的微机电旋转结构，其中，所述至少一个轮毂轮辐部件包括多个布置在所述轮毂和所述的圆环之间的轮毂轮辐部件，所述多个轮毂轮辐部件用从包括等角度位移和不等角度位移的组中选择的角度位移隔开。
20．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括至少一个从所述的圆环延伸的杆部件。
21．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括在所述轮毂和所述微电子基片之间的旋转连接元件，便于它们之间相对旋转。
22．根据权利要求15的微机电旋转结构，其中，所述的圆环包括在所述的圆环表面至少一部分上的反射表面。
23．根据权利要求15的微机电旋转结构，其中，所述的圆环限定了至少一个孔，其轴和所述微电子基片表面相交，其中，所述的圆环相对于所述轮毂旋转时，由所述的圆环限定的所述至少一个孔布置在接近所述微电子基片表面的预先确定的区域。
24．根据权利要求23的微机电旋转结构，其中，所述微电子基片表面限定了贯穿其中的至少一个孔，所述的至少一个孔限定在所述微电子基片上，所述的圆环限定的至少一个孔和所述微电子基片限定的至少一个孔可以有选择地对中，随着所述的圆环相对于所述轮毂旋转，提供通过所述圆环和所述微电子基片的通道。
25．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括附加到所述微电子基片表面的至少一个触点，和附加到所述的圆环上的至少一个触点，随着圆环相对于轮毂旋转，触点交替连接和断开。
26．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括附加到所述微电子基片表面的至少一个触点，和附加到所述的圆环上随着旋转的至少一个触点，随着所述的圆环相对于所述轮毂旋转，触点有选择地电气接通，以提供不同数值的电阻。
27．根据权利要求15的微机电旋转结构，进一步包括布置在所述微电子基片表面的第一导电表面；置于覆盖于所述微电子基片的所述圆环上的辅助第二导电表面，它与第一导电表面隔开，随着所述的圆环相对于所述轮毂旋转，使得覆盖在所述微电子基片上的第一导电表面部分的辅助第二导电表面的部分变化。
28．一种微机电旋转结构，包括微电子基片；布置在所述微电子基片表面上的轮毂；从所述轮毂向外延伸的至少一个轮毂轮辐部件，它与所述微电子基片表面隔开；布置在所述微电子基片表面上的至少一个微机电驱动器，可操作地连接到相应的轮毂轮辐部件上，使得所述对应的轮毂轮辐部件响应热驱动可控制地移动，所述至少一个微机电驱动器包括布置在所述微电子基片表面的至少两个锚部件；和在所述至少两个锚部件之间延伸的至少一个拱形梁，其中，所述至少一个拱形梁可操作地连接到所述对应的轮毂轮辐部件上，其中，至少一个拱形梁响应热驱动更加拱起，使得相应的轮毂轮辐部件移动，从而在所述轮毂上施加旋转力。
29．根据权利要求28的微机电旋转结构，进一步包括向所述至少一个微机电驱动器提供热能的加热器。
30．根据权利要求28的微机电旋转结构，其中，所述至少一个轮毂轮辐部件包括多个轮毂轮辐部件，从所述轮毂向不同方向外延，其中，所述至少一个微机电驱动器包括多个微机电驱动器，可操作地连接到对应的所述轮毂轮辐部件上。
31．根据权利要求30的微机电旋转结构，其中，所述多个微机电驱动器包括具有拱形梁的第一组微机电驱动器，所述拱形梁的拱起方向使所述拱形梁更加拱起，对所述轮毂施加顺时针方向旋转力；具有拱形梁的第二组微机电驱动器，所述拱形梁的拱起方向使所述拱形梁更加拱起，对所述轮毂施加逆时针方向旋转力；
32．根据权利要求28的微机电旋转结构，其中，所述至少一个微机电驱动器的至少一个拱形梁包括多个拱形梁，其中，所述至少一个微机电驱动器进一步包括连接所述多个拱形梁的连接器。
33．根据权利要求28的微机电旋转结构，其中，所述轮毂限定了贯穿其中的中心轴，其中，贯穿所述至少一个轮毂轮辐部件至少一部分的虚线也在偏移所述轮毂中心轴的位置贯穿所述轮毂。
34．根据权利要求28的微机电旋转结构，进一步包括从所述轮毂延伸的至少一个杆部件。
35．根据权利要求28的微机电旋转结构，进一步包括在所述轮毂和所述微电子基片之间的旋转连接元件，便于它们之间相对旋转。
全文摘要
MEMS(微机电旋转系统)结构提供了用于响应热驱动或其他的旋转设计。在一个实施例中,MEMS旋转结构包括具有一个或者多个径向轮辐部件的轮毂,轮辐部件响应温度的变化,对轮毂施加旋转力。MEMS旋转结构也包括至少一部分包围轮毂的圆环,通过一个或者多个轮毂旋转部件连接到轮毂上。提供了可控制地顺时针方向、逆时针方向、或者既可以顺时针,也可以逆时针地旋转。MEMS旋转结构也可以包括热拱形梁驱动器,可操作地连接到轮辐部件上。随着温度变化,热拱形梁使得轮辐部件移动,以至于MEMS结构旋转。提供了这些旋转MEMS结构的各种应用,包括但并不局限于旋转驱动器、旋转开关和继电器、可变电容器、可变电阻、快门和阀。
文档编号H01H61/00GK1300345SQ00800391
公开日2001年6月20日 申请日期2000年2月16日 优先权日1999年3月23日
发明者爱德华·A·希尔 申请人:克罗诺斯集成微系统公司