专利名称：利用真空“零点能”实现驱动的量子微型开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及微型开关，特指一种利用真空“零点能”实现驱动的量子微型开关。
背景技术：
随着集成电路制造技术的发展，各元器件的特征尺寸迅速减小，最近二十年来，减小的幅度大概为每六年减小一倍。目前，各元器件的尺寸和间距已经达到了亚微米级，随着MEMS器件的进一步发展，各元器件的尺寸和间距也必将进一步减小，引起的量子效应就会越来越明显；同时随着尺寸的减小，元器件本身的质量将不断减小，那么综合以上因素，以前可以不考虑的量子机械影响因素就不得不考虑了。目前Casimir力对机构的影响，主要表现为使相邻的薄膜构件发生粘附效应，影响机构的正常运行，同时随着微机械系统的发展，器件的尺寸越来越小，所需的动力相对也不断减小，而Casimir力却不断增大，同时它还可以进行合成，这样人们就在考虑是否可以用它来作为驱动力，实现利用真空“零点能”来进行量子微型开关驱动的目的，进而实现对微机构的精确控制，同时又不需要引入附加能源，可以减化结构，有利于更进一步推进机构的微型化。目前还没有利用真空“零点能”来进行量子微型开关的驱动的相关报道和专利。
发明内容
本发明的目的是利用真空“零点能”设计出一种用于微机械系统内的微型开关，同时该开关不需要外在能源，有利于机构的进一步微型化。
一种利用真空“零点能”实现驱动的量子微型开关，由两个质量块、一个活动平面和一个弹簧组成，两个质量块位于两边且固定不动，活动平面位于两个质量块的中间，通过弹性系数为k的弹簧与左边的质量块连在一起，活动平面与右边质量块的间距小于1000nm，以保证Casimir力的有效作用，活动平面的位置通过一个比例系数δ进行控制，活动平面就在弹簧的约束下沿δ方向做单自由度运动，而活动平面的左右运动就相当于开关的开合，这样就可以实现利用零点能、利用Casimir力来进行驱动的开关设计。
本发明利用的是真空中的零点能，无需外加能源，这样可以简化结构，有利于机构的微型化；同时由于Casimir力对间距的敏感性很强，可以很好的提高开关的灵敏度。
图1是量子微型开关的结构模型。
图2是量子微型开关单位面积上的标准能量曲线图。
具体实施例方式
结合结构图1详细说明本发明。
在图1中，左右两个厚面是固定的，只有中间薄面是可以移动的，它通过弹簧跟左边的平面连接在一起。设中间活动平面上单位面积的质量为m，弹簧的弹性系数为k。当弹簧无伸缩时，中间平面的位置记为0，右边固定平面的位置记为w0，活动平面运动时的位置记为w，我们定义δ≡ww0]]>而活动平面只能沿δ方向移动，它的活动范围为δ≤1。由于w0一定，δ就跟w成线性关系。该系统内部能量守恒，设中间活动平面单位面积上的总势能为U(δ)，这样有U(δ)=Uk(δ)+UC(δ)=Ek(12δ2-13C(1-δ)3)]]>这里Uk(δ)，UC(δ)分别代表活动平面单位面积上的弹性势能和零点能，其中Ek和C的定义如下Ek=kw02]]>C=Rkw05]]>这里C表示w＝0时所受的Casimir力与w＝w0时所受弹性恢复力的比值。对于一定的系统，只要k和w0一定了，那么Ek和C也就有了确定的值，所以在分析某一确定的系统时，C和Ek就可以按定值来对待。
图2为取不同C时，对应的不同U(δ)/Ek曲线图。在一定的C值下，如果活动平面不能越过对应能量曲线右边的峰值，那么它就将在弹性恢复力的作用下回到左边的谷值处；反过来如果活动平面能越过对应能量曲线右边的峰值，那么它就将在Casimir力的作用下吸附在右边的固定质量块上。这样对应于不同的状态，活动平面一般有两种可能结果，一是粘附在右边的固定平面上，另一种则跟右边的固定平面不会接触，这就类似于开关一般也都处于闭、开两种状态，我们就可以利用活动平面的这一特性，来设计一个利用Casimir力作用的微型开关，以期它在MEMS器件中能得到应用。由以上分析可知，通过改变活动平面的性能参数C或者对活动平面施加一个外力(这也相当于改变了活动平面的初始标准能量E)都可达到使开关打开或闭合的目的。对于性能参数C，它只跟w0和k有关，对于一个固定的MEMS系统，k一般只要选定了就很难改变，而w0却很容易被改变和控制，同时C与w0的-5次方成正比，所以它对w0是很敏感的。例如对于一个用压电材料做的薄板，在薄板上方再安装一个薄膜，如果对薄板施加一个很小的电压，使得它的尺寸发生一个很小的变化，就会导致薄板和薄膜组成系统的性能参数C有一个很明显的变化，所以我们可以利用C对w0变化很敏感的特性来检测系统状态的变化。对于外力的作用，这里可以是静电力、机械力或者是气体压力等等，同样只要它能使E的变化越过δmax处所对应的Emax，那么也就可以利用它来作为开关的驱动力了。同时我们知道，在当活动平面跟右边固定平面粘附在一起时，两者间的Casimir力将会很大，为了减小开关闭合时两平面间的相互吸引力，或者说减小在开关闭合时的势井，我们可以在系统内部充有一定的气体，同时保证系统的密封性，这样就可以通过气体的压力来使得开关闭合时两平面间保持足够的间距，以使开关打开变得更为容易实现。
权利要求
1.一种利用真空“零点能”实现驱动的量子微型开关，其特征在于由两个质量块、一个活动平面和一个弹簧组成，两个质量块位于两边且固定不动，活动平面位于两个质量块的中间，通过弹性系数为k的弹簧与左边的质量块连在一起，活动平面与右边质量块的间距小于1000nm。
全文摘要
一种利用真空“零点能”实现驱动的量子微型开关，由两个质量块、一个活动平面和一个弹簧组成，两个质量块位于两边且固定不动，活动平面位于两个质量块的中间，通过弹性系数为k的弹簧与左边的质量块连在一起，活动平面与右边质量块的间距小于1000nm，以保证Casimir力的有效作用，活动平面的位置通过一个比例系数δ进行控制，活动平面就在弹簧的约束下沿δ方向做单自由度运动，而活动平面的左右运动就相当于开关的开合，这样就可以实现利用零点能、利用Casimir力来进行驱动的开关设计。本发明利用的是真空中的零点能，无需外加能源，这样可以简化结构，有利于机构的微型化；同时由于Casimir力对间距的敏感性很强，可以很好的提高开关的灵敏度。
文档编号B81B5/00GK1719568SQ20051004045
公开日2006年1月11日 申请日期2005年6月9日 优先权日2005年6月9日
发明者丁建宁, 朱国华, 杨继昌 申请人:江苏大学