专利名称：用于微型机械装置的非线性铰链的制作方法
技术领域：
本发明涉及微型机械装置，尤其涉及具有利用扭转铰链旋转的一个或多个可动元件的此类装置。
机电领域中最近的一个改进已使得各种机械装置小型化。这些装置的特征是微小的传动装置、控制杆和阀门。这些“微型机械”装置利用集成电路技术并常结合电气控制电路来制造。通常使用包括加速表、压力传感器和致动器。作为另一个例子，空间光调制器可由微型机械反射镜元件构成。
微型机械装置的一个类型是数字微型镜装置(DMD)，有时也叫做可形变镜装置。DMD具有上百或上千个微小的倾斜镜的阵列。入射到DMD上的光选择性地从每块镜子反射到成像平面或不被反射，以形成图像。为了使镜子倾斜，把每块镜子安装到一个或多个扭转铰链上。利用位于下层控制电路上的空气间隙来隔开镜子。控制电路提供可引起每块镜子选择性地倾斜的静电力。为了获得最佳的操作，每块镜子在需要时应立即返回其不倾斜(平衡)的位置。
可预见其它的微型机械装置也使用扭转铰链。对于DMD，希望设计出可自动回复到它们平衡位置的铰链。
本发明的一个方面是某种类型改进的微型机械装置，此类型具有至少一个被扭转铰链支撑的旋转元件，从而旋转元件可绕一旋转轴旋转。此铰链条包括至少两个铰链。在同一平面中这些铰链条是隔开的，从而至少一个铰链条的旋转轴基本上平行但偏离旋转元件的旋转轴。
本发明的一个优点是它提供了一种铰链，其转矩随安装有铰链的旋转元件的旋转角呈非线性地增加。对利用静电引力操作的铰链，此非线性转矩相应于所加电场的非线性力。结果，该铰链具有更大的回复力，用于起始旋转所加的力可保持相当小。落到另一个表面上的旋转元件将降落得不是很快。
图1是数字微型镜装置(DMD)隐藏铰链型镜子元件的分解立体图，此装置具有依据本发明的非线性铰链。
图2是DMD扭转杆型镜子元件的立体图，此装置具有依据本发明的非线性铰链。
图3更详细地示出图1和2的铰链。
图4示出图1和2铰链的另一实施例。
图5示出非线性铰链的另一类型。
图6示出与通常的微型机械装置相比，依据本发明的微型机械铰链中转矩—角度的非线性关系。
为了示例，以下的描述是利用一种特殊类型的微型机械装置，即“数字微型镜装置”(DMD)，有时也叫做“可变形镜装置”。如背景技术中所述，DMD包括微小的铰接镜，每块镜子支撑在控制电路的衬底上。本发明的目的是一种改进的扭转铰链，其中“扭转铰链”的意思是一种可通过扭转而不是弯曲而操作的铰链。
DMD的一个应用是用于形成图像，这里DMD具有可选择性地把光反射到成像平面的可偏转镜的阵列。由DMD形成的图像可用于显示系统或非撞击打印的应用中。DMD的其它应用是可不涉及图像的形成，诸如光学驾驶、光学转换和加速表。在其中的一些应用中，“镜子”不需要是反射型的。在一些应用中，也可以模拟而不是数字模式操作DMD。一般，这里使用的词“DMD”包括任意类型的微型机械装置，这些装置都具有至少一个由来自衬底的空气间隙所隔开的铰接可偏转元件，它可相对该衬底运动。
本发明也可应用到有安装到扭转铰链的旋转元件的其它类型的微型机械装置。象DMD的镜子元件一样，其它微型机械装置也具有旋转零件，其运动是由扭转铰链的扭转引起的。这里对DMD铰链讨论的相同的概念可应用到任何微型机械扭转铰链中。
图1是DMD中单个镜子元件10分解的立体图。在图1中，镜子11是不偏转的，但如箭头所指，其扭转铰链12使它可沿两个方向中的任一个偏转。如上所述，各种DMD设备可单独或以阵列的形式使用这些镜子元件10。
图1中的镜子元件10称为“隐藏铰链”镜子元件。也可制造其它类型的镜子元件10，包括以下将结合图2描述的“扭转杆”型，这里镜子直接安装到铰链上，而不是安装在装有铰链的支架上。在第4,662,746号名为“空间光调制器和方法”的美国专利；第4,956,610号名为“空间光调制器”的美国专利；第5,061,049号名为“空间光调制器和方法”的美国专利；第5,083,857号名为“多级可变形镜装置”的美国专利；以及流水号为08/171,303号名为“改进的多级微型镜装置”的美国专利中描述了不同的DMD类型。上述每个专利都转让给德克萨斯仪器股份有限公司，都引入了这些专利作为参考。
对于其它的隐藏铰链DMD设计，镜子元件10的铰链12由衬底上形成的铰链支撑柱13支撑。寻址电极14由电极支撑柱15(它们与铰链12和铰链支撑柱13在同一水平内)支撑。
镜子支撑柱16安装在搭接支架17上。搭接支架17安装在两个铰链12中每个的一端。每个铰链12的另一端安装到铰链支撑柱13。铰链支撑柱13和电极支撑柱15支撑位于具有搭接衬垫18a和寻址电极18b的衬底上的铰链12、寻址电极14和的搭接支架17。当镜子11倾斜时，搭接支架17的顶部与衬底18的搭接衬垫18a相接触。搭接衬垫18a和寻址电极18b与存储单元(未示出)适当地电气连接，该存储单元特有地用CMOS制造技术做在同一衬底18中。
图2示出扭转杆型DMD的镜子元件20。铰链22是不隐藏的，而是从镜子21相对的两侧延伸。铰链22安装在铰链支撑柱23上。寻址电极26提供了倾斜镜子21(它接触搭接衬垫27)的引力。在具有存储单元和控制电路的衬底28上制造镜子元件20。
图1和2的许多设计变化是可能的。例如，支架27(或镜子21)可开槽，从而可放入铰链12(或22)。铰链12(或22)可安装如图1所示支架17(或镜子21)的一侧或如图2所示安装在一角。此外，铰链安装不需要在相对的角上或侧面上。可安装铰链，以允许不对称的倾斜。
在用于图像显示设备的操作中，并用镜子元件20的阵列为例，光源照亮DMD的表面。可使用透镜系统使光大致成形为镜子元件20阵列的尺寸，并把此光指向镜子元件20。把基于衬底28的存储元件中数据的电压加到寻址电极26。通过把电压选择性地加到寻址电极26，可在镜子21及其寻址电极26之间产生静电力。此静电力引起每块镜子21倾斜大约+10度(开)或大约-10度(关)，从而调制入射到DMD表面的光。从“开”镜21反射的光通过显示器镜片被指向成像平面。从“关”镜21反射的光远离成像平面。获得的图案形成了图像。在镜子21为“开”的每个图像帧中时间的比例确定了灰度梯度。色彩可利用色轮或三-DMD配置来加。
事实上，镜子21及其寻址电极26形成电容器。但对镜子21及其寻址电极26加上适当的电压时，获得的静电力(引力或斥力)引起镜子21向相引寻址电极26或远离相斥寻址电极26倾斜。镜子21保持倾斜，直到其边缘接触下层搭接衬垫27。一旦除去了寻址电极26和镜子21之间的静电力，存储在铰链22中的能量就提供回复力，以使镜子21返回到不偏转的位置。可对镜子21或寻址电极26加上适当的电压，以帮助镜子21返回其不偏转的位置。
本发明的一个方面是认为当镜子21(或支架1)旋转时，电场非线性地增加。为了防止立即降落，以及为了提供较强的回复力，铰链22(或12)应非线性的响应。如以下所述，这是通过从两个邻近铰链条中做每个铰链12和22来实现的。
图3更详细地示出镜子21和铰链22。对于本发明的目的，镜子元件10的支架17和铰链12在结构上和在操作上是等同的。镜子21的旋转轴沿Y-Y方向。每个铰链22包括一对铰链条22a，位于同一平面中的铰链条是隔开的。每个铰链条22a具有它自身的旋转轴。在此描述的例子中，每个铰链的铰链条22a是对准成一直线的，从而有两个旋转轴h1-h1和h2-h2。如图所示，这些旋转轴线平行于、但又偏离镜子21的旋转轴。结果，在镜子21旋转期间，铰链条22a伸长。伸长铰链条22a所需增大的力导致回复转矩的增加。
通过在镜子21的每一面上刻蚀两铰链条22a而不是一片铰链，可把依据本发明的铰链22包含DMD的制造过程中。典型的DMD具有大约16平方微米的镜子21。对于该尺寸的镜子21，铰链条22a的宽度w大约是1微米。其长度大约是4微米。它们之间的距离d大约是1微米。W和d的大小受光刻蚀能力的限制；更好的解决能力可使尺寸更小。
可由铰链22中铰链条22a之间的间隔距离来调节像素每旋转一度时铰链伸长的量。间隔距离较大将造成非线性的程度也较大。由某间隔距离d产生的附加铰链伸长的小角近似为εelongation＝0.5(dθ/2L)2式中εelongation＝伸长应力d＝邻近铰链之间的间隔距离θ＝镜子旋转角L＝铰链长度图4示出铰链22的另一实施例。可对铰链12进行类似的改变。与互相平行不同的是，每个铰链22中的铰链条22a形成V字形。此设计使铰链形状可适应周围的结构。
图5示出铰链22的另一实施例的铰链52。与具有两隔开的铰链条不同的是每个铰链52很宽。其宽度与长度的比值很大，从而当镜子21的旋转角增加时获得非线性转矩。也可对铰链12进行类似的改变。宽铰链52的一个例子是2微米宽和4微米长。
图6示出依据本发明的非线性铰链和通常的微型机械铰链之间转矩—角度的关系。非线性铰链有两个1微米宽、4微米长及间距1微米的条1。线性铰链是1微米宽和4微米长的单片。对于线性铰链，其旋转轴相应于镜子的旋转轴，其转矩—角度的关系是线性的。
其它实施例虽然已参考具体实施例描述了本发明，但此描述并不意味着限制的意思。对所述实施例的各种改变，以及可供选择的实施例将对本领域中的熟练技术人员是明显的。因此，试图使附加的权利要求书覆盖落在本发明实际范围内的所有变化。
权利要求
1.一种改进的微型机械装置，它属于具有至少一个由铰链支撑的旋转元件，从而所述旋转元件可绕旋转轴旋转的类型，其特征在于该改进包括所述铰链包括至少两个铰链条，所述铰链条在同一平面中相互隔开，从而至少一个所述铰链条的旋转轴平行于、但偏离所述运动元件的旋转轴。
2.如权利要求1所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述诸铰链条基本上平行。
3.如权利要求1所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述诸铰链条基本上形成V字形。
4.如权利要求1所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述每个铰链条的宽度都近似于1微米。
5.如权利要求1所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述诸铰链条隔开大约1微米远。
6.如权利要求1所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述每个铰链条宽度与长度的比值近似于1∶4或更小。
7.一种改进的微型机械装置，它属于具有至少一个由铰链支撑的旋转元件，从而所述旋转元件可绕旋转轴旋转的类型，其特征在于该改进包括所述铰链具有宽度相对于长度的尺寸，从而当所述旋转元件旋转时，所述铰链的边缘经历非线性的伸长应变。
8.如权利要求7所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述铰链宽度与长度的比值大于1∶2。
9.如权利要求7所述的改进的微型机械装置，其特征在于所述铰链的尺寸是大约2微米宽，4微米长。
10.一种数字微型镜装置(DMD)，其特征在于包括其上制备有下述元件的衬底至少一个搭接电极、一支撑柱、至少一个从所述支撑柱延伸的铰链、装在所述铰链上的一镜子，其中所述至少一个铰链可变形，从而使所述镜子受到所施加力的作用向所述搭接电极移动；以及所述铰链包括至少两个铰链条，所述铰链条在同一平面上相互隔开，从而至少一个所述铰链条的旋转轴平行于、但偏离所述运动元件的旋转轴。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述铰链条基本上平行。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述铰链条基本上形成V字形。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述每个铰链条的宽度都近似于1微米。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述诸铰链条隔开大约1微米远。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于所述每个铰链条宽度对长度的比值近似于1∶4或更小。
全文摘要
一种用于具有一铰接的可运动元件(11,21)的微型机械装置(10,20)的非线性扭转铰链(12,22)。每个铰链(22)包括在同一平面内隔开的两个铰链条(22a),从而至少一个铰链条(22a)的旋转轴不同于可运动元件(21)的旋转轴。结果,铰链条(22a)在被扭转时必定伸长,从而提供较大的回复转矩。
文档编号F16C11/00GK1173594SQ9611181
公开日1998年2月18日 申请日期1996年8月8日 优先权日1996年8月8日
发明者R·L·奈普, D·A·韦布 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司