微機械調制裝置,微機械調制裝置陣列，成像設備和設計微機械調制裝置的方法

專利名稱：微機械調制裝置,微機械調制裝置陣列，成像設備和設計微機械調制裝置的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機電調制裝置(具體的是，可由低電壓驅動并雙向旋轉的旋轉系統(tǒng)的微機電調制裝置的結構，以及為在低電壓下驅動該調制裝置的動力學分析和條件設置，包括粘滯影響)，一種微機電調制裝置陣列，一種成像設備和一種設計微機電調制裝置的方法。
背景技術：
近年來，由于MEMS技術(MEMS微機電系統(tǒng))的快速發(fā)展，用于電動移位和電動移動μm尺度的微機械裝置的微機電調制裝置也得到了蓬勃發(fā)展。例如，在微機電調制裝置中，眾所周知的是TexasInstruments Incorporated制造的并能通過傾斜微鏡而使光線偏轉的數(shù)字微鏡裝置(DMD)(參見JP-A-2002-189178(與US2002/0109903A1對應))。該裝置沿著另一方向將靜電力作用到被靜電力傾斜到一側的可移動部分，從而將可移動部分旋轉移位，并調制可移動部分的鏡子部件中的光。DMD在光學信息處理領域廣泛應用，例如投影顯示器、視頻監(jiān)視器、圖形監(jiān)視器、電視機和電子照相打印機等。此外，還期望在光通信、光互聯(lián)(依靠光的信號連接技術，例如并行計算機中的互聯(lián)網(wǎng)絡)、光信息處理(依靠光學計算的信息處理)等中的光開關應用。
在DMD的結構中，可移動部分可以在彈性支持部分的支持下旋轉移位，并且可移動部分在預定的驅動電壓施加到驅動部分時被驅動。
例如，在當前條件下，驅動電壓是20到30伏，或者在其附近，這已經(jīng)是相當高的電壓了。然而，在未來的方案中，由于集成度的改善，象素的尺寸將會減小，這樣就越來越多的需要低電壓驅動了。

發(fā)明內容
由于DMD中可移動部分的過渡時間(可移動部分從一側的狀態(tài)傾斜到另一側的狀態(tài)的時間段)或其響應速度(可移動部分從一側的狀態(tài)傾斜到另一側的狀態(tài)的速度)取決于與可移動部分結構有關的慣性力矩、用于支持可移動部分的支持部分的彈性力以及所施加的電壓大小之間的平衡，所以在常規(guī)的技術范圍中如果該平衡是最優(yōu)化的，那么就可以執(zhí)行恰當?shù)牟僮鳌?br> 然而，在驅動電壓非常低的情況下，某種程度上可以通過常規(guī)設計方法擴展的方式，來完成裝置本身的特性分析，但是微小區(qū)域內的粘滯性的影響肯定要比以前增多。在此條件下，考慮粘滯性的影響的知識是不夠的，尚未徹底的分析裝置在低驅動電壓下的準確行為，以至難于憑借常規(guī)設計方法來處理此種情況，例如，如果是低驅動電壓，那么源于靜電力的吸引力將減小，以致不能將可移動部分拉入到最終移位位置(正常的停止位置)。即使假定可移動部分可以被拉入，其也不能在最終移位位置保持停止狀態(tài)，并且可移動部分最終回復到其原始狀態(tài)。
通常情況下，可移動部分由大于20V的高電壓驅動，在可移動部分移動過程的動力學性能分析中，未特別關注周圍環(huán)境空氣的粘滯性。然而，在進行低電壓驅動的情況下，粘滯性的影響變得相當?shù)闹匾?，并且需要事先進行充分的分析，包括運動中可移動部分的過程，以便應用于適合的結構設計。不過，可以說，實際上考慮粘滯性影響的動力學分析尚是未知的領域。
鑒于上述考慮，作出了本發(fā)明，其目的在于分析旋轉系統(tǒng)的微機電調制裝置的可移動部分的尺寸與彈性支持部分的彈性力之間的關系，包括源于周圍環(huán)境空氣的粘滯性影響，從而闡明可移動部分的動力學行為，并且基于該認知，實現(xiàn)一種結構，在所述結構中，可以在低電壓(例如10V或更低)的條件下，恰當?shù)囊莆豢梢苿硬糠?，并保持在最終移位位置。
可以通過如下配置實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的
(1)一種微機電調制裝置，包括多個可移動部分，每個都支持在固定基板上，可彈性移位，并且適于雙向旋轉移位，每個可移動部分都具有調制功能；多個驅動部分，每個都適于在向其施加電壓時施加物理作用力到可移動部分；其中，通過驅動部分施加的物理作用力，可移動部分能夠在沿第一方向旋轉移位后達到第一停止位置，在該位置，可移動部分接觸并停止在固定基板一側；并且可移動部分能夠在沿不同于第一方向的第二方向旋轉移位后達到第二停止位置，在該位置，可移動部分接觸并停止在固定基板一側；其中，如果將能夠使可移動部分的狀態(tài)原樣保持在每個第一和第二停止位置的電壓設置為保持電壓，并將能夠在過渡時間內，將可移動部分從不在每個第一和第二停止位置的狀態(tài)拉入到每個第一和第二停止位置的狀態(tài)的電壓設置為動態(tài)拉入電壓，設置動態(tài)拉入電壓低于保持電壓，驅動部分通過大于或等于保持電壓的驅動電壓，驅動可移動部分，并且所述驅動電壓小于或等于10V。
定義了“動態(tài)拉入電壓”，即，用于在過渡時間內將可移動部分拉入到正常停止位置所需的電壓(即，涉及可移動部分動力學行為的電壓)。設計可移動部分的結構(與可移動部分尺寸有關的慣性力矩、用于支持可移動部分的支持部分的彈性力以及驅動電壓值中的每一個)以使動態(tài)拉入電壓小于或等于“保持電壓”(在該電壓下，可移動部分的狀態(tài)可以原樣保持在正常的停止位置，在該電壓中存在富余的情況下，優(yōu)選地將該富余中最小的電壓設置為保持電壓；然而，保持電壓不限于此)。根據(jù)該微機電調制裝置，可移動部分能夠適合在10V或更低的低電壓驅動下移位，例如，可以實現(xiàn)適當?shù)拈_/關調制。
(2)根據(jù)(1)中所述的微機電調制裝置，其中可移動部分通過彈性支持部分支持在固定基板上，通過如下的方式繪制彈性支持部分的彈性力相對于可移動部分的尺寸的關系圖，將線A、線B作為邊界，所述線A表示與可移動部分的如下尺寸有關的彈性支持部分的彈性力界限，在向可移動部分施加預定驅動電壓時，該尺寸能使可移動部分保持在每個第一和第二停止位置；線B表示與可移動部分的如下尺寸有關的彈性支持部分的彈性力界限，當以預定驅動電壓驅動可移動部分時，該尺寸能使可移動部分在過渡時間內被拉入到每個第一和第二停止位置；確定與可移動部分的尺寸有關的彈性支持部分的彈性力，以使其處于相對于線A的彈性支持部分的彈性力降低一側的區(qū)域內，并使其處于相對于線B的可移動部分的尺寸減小一側的區(qū)域內。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，可以最優(yōu)化可移動部分的尺寸(有關慣性力矩、粘滯性的參數(shù))和彈性支持部分的彈性力(基于回復力的響應速度參數(shù))之間的關系，以使裝置可以在所需低電壓下驅動。即，例如設置所需驅動電壓為3V(假定該電壓等于保持電壓)，當在平面上小幅改變各個參數(shù)時，所述平面表示彈性支持部分的彈性力與可移動部分尺寸之間的關系，查找限制點，在所述限制點上可移動部分可以在3V或更低的電壓條件下，保持在正常的停止位置。然后，通過連接各個限制點獲得線A(指示根據(jù)保持電壓的觀點所得到的限制的特征線)。此外，在相對于所述線A處于彈性力減小方向的區(qū)域中，查找限制點，在所述限制點上，當未處于停止位置的可移動部分在3V電壓驅動并且過渡時間允許的條件時，可移動部分最終可以到達停止位置(動態(tài)拉入)。然后，通過連接各個限制點獲得線B(指示根據(jù)動態(tài)拉入電壓的觀點所得到的限制的特征線)。然后，確定與可移動部分尺寸有關的彈性支持部分的彈性力，以使其處于相對于線A的彈性支持部分的彈性力降低一側的區(qū)域內，使其處于相對于線B的可移動部分的尺寸減小一側的區(qū)域內。根據(jù)所述的微機電調制裝置，可以設置動態(tài)拉入電壓小于或等于保持電壓。因此，如果驅動電壓大于或等于保持電壓，那么可移動部分可以移位并保持在預定的停止位置，從而可以實現(xiàn)基于低電壓的驅動。
(3)根據(jù)(1)或(2)所述的微機電調制裝置，其中預定電壓為5V電壓。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，可移動部分可以適合在5V或更低的低電壓驅動下移位，例如，可以實現(xiàn)適當?shù)拈_/關調制。
(4)根據(jù)(2)或(3)所述的微機電調制裝置，其中在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大氣壓的情況下，若假定L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力，那么線A通過如下點Pi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)，線B通過如下點Qi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)P5＝(11.6μm，6.22×10-12Nm)P6＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)Q1＝(11.5μm，6.22×10-12Nm)Q2＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)Q3＝(11.6μm，5.35×10-12Nm)Q4＝(11.7μm，4.30×10-12Nm)Q5＝(11.8μm，3.22×10-12Nm)Q6＝(12.0μm，2.17×10-12Nm)Q7＝(12.6μm，1.12×10-12Nm)根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于在上述1個大氣壓和5V電壓驅動的情況下，精確的確定了線A和線B，所以就闡明了可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力的范圍。
(5)根據(jù)(2)或(3)所述的微機電調制裝置，其中在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.5個大氣壓的情況下，若假定L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力，那么線A通過如下點Pi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于在上述大約0.5個大氣壓和5V電壓驅動的情況下，精確的確定了線A和線B，所以就闡明了可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力的范圍。
(6)根據(jù)(1)或(2)所述的微機電調制裝置，其中預定電壓為3V電壓。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，可移動部分可以適合在3V或更低的低電壓驅動下移位，例如，可以實現(xiàn)適當?shù)拈_/關調制。
(7)根據(jù)(6)所述的微機電調制裝置，其中在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大氣壓的情況下，若假定L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力，那么線A通過如下點Pi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)，線B通過如下點Qi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)P4＝(8.30μm，1.61×10-12Nm)P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)Q1＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)Q2＝(8.20μm，1.55×10-12Nm)Q3＝(8.30μm，1.16×10-12Nm)Q4＝(8.40μm，7.75×10-13Nm)Q5＝(8.70μm，3.88×10-13Nm)Q6＝(9.40μm，1.94×10-13Nm)根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于在上述1個大氣壓和3V電壓驅動的情況下，精確的確定了線A和線B，所以就闡明了可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力的范圍。
(8)根據(jù)(2)或(3)所述的微機電調制裝置，其中在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.5個大氣壓的情況下，若假定L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力，那么線A通過如下點Pi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)，線B通過如下點Qi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)P4＝(9.90μm，1.92×10-12Nm)
P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)Q1＝(9.70μm，1.92×10-12Nm)Q2＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)Q3＝(9.80μm，1.55×10-12Nm)Q4＝(9.90μm，1.16×10-12Nm)Q5＝(10.1μm，7.75×10-13Nm)Q6＝(10.5μm，3.88×10-13Nm)Q7＝(11.6μm，1.94×10-13Nm)根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于在上述大約0.5個大氣壓和3V電壓驅動的情況下，精確的確定了線A和線B，所以就闡明了可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力的范圍。
(9)根據(jù)(2)或(3)所述的微機電調制裝置，其中在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.1個大氣壓，并且可移動部分的尺寸是4μm到11.5μm的情況下，若假定L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力，那么線A通過如下點Pi(L，F(xiàn))(其中i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P4＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于在上述大約0.1個大氣壓和3V電壓驅動的情況下，精確的確定了線A和線B，所以就闡明了可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力的范圍。
(10)根據(jù)(1)或(2)所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(4.83×105±3.88×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
(11)根據(jù)(1)或(2)所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(3.79×105±2.86×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
(12)根據(jù)(1)或(2)所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(1.34×105±1.30×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
憑借(10)到(12)這些配置，可以分析旋轉系統(tǒng)微機電裝置的可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力之間的關系，包括周圍環(huán)境大氣的粘滯性的影響，并闡明可移動部分的動力學行為。基于還認知，可以實現(xiàn)一種結構，在所述結構中，可以在低電壓(例如10V或更低)的條件下，恰當?shù)囊莆豢梢苿硬糠郑⒈３衷谧罱K移位位置。
(13)根據(jù)(1)到(12)中任一項所述的微機電調制裝置，其中可移動部分接觸到位于各最終移位位置的制動部件，并停留于此。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，當可移動部分到達最終移位位置時，可移動部分與制動部件接觸，并停止移位操作，其結果是可以防止可移動部分移位超出最終移位位置并產(chǎn)生大的振動。
(14)根據(jù)(1)到(13)中任一項所述的微機電調制裝置，其中施加物理作用力到可移動部分的多個施加點上。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于施加物理作用力到可移動部分的多個施加點上，所以可以雙向驅動可移動部分。
(15)根據(jù)(1)到(14)中任一項所述的微機電調制裝置，其中通過驅動部分用于沿第一方向和第二方向移位可移動部分的物理作用力是靜電力。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于物理作用力是靜電力，所以可移動部分可以實現(xiàn)高速移位。
(16)根據(jù)(1)到(15)中任一項所述的微機電調制裝置，其中可移動部分的平面外形是四邊形。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，由于可移動部分的外形是四邊形，所以在多個可移動部分一維或二維排列的情況下，相鄰的可移動部分之間的縫隙變小，從而提高安裝效率。
(17)根據(jù)(1)到(16)中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于旋轉移位可移動部分的物理作用力的波形包括矩形波、正弦波、余弦波、鋸齒波以及三角波中的任一個。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，可移動部分通過包括矩形波、正弦波、余弦波、鋸齒波以及三角波中任一個的波形旋轉移位。
(18)根據(jù)(1)到(17)中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于以可彈性移位的方式支持可移動部分的彈性支持部分由聚合物材料制成。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，通過使用具有低彈性模量的聚合物材料，可以在使用聚合物材料作為支持部分材料的情況下，將所產(chǎn)生的彈性力抑制到低水平。因此，不必將支持部分的尺寸做的特別小以產(chǎn)生小的彈性力。
(19)根據(jù)(1)到(17)中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于以可彈性移位的方式支持可移動部分的彈性支持部分由金屬材料、樹脂材料及其混合材料中的任一種制成。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，通過使用金屬材料，可以將支持部分做成小片狀，因而，改善了設計裝置外形的自由度，并使得裝置本身尺寸緊湊。此外，通過使用樹脂材料，可以不必將支持部分的尺寸做的特別小。通過使用組合這些材料的混合材料，可以容易的設置所需的彈性力。
(20)根據(jù)(1)到(19)中任一項所述的微機電調制裝置，還包括用于通過驅動可移動部分來控制調制操作的控制部分。
根據(jù)所述的微機電調制裝置，當控制部分驅動可移動部分時，可以任意控制調制操作。
(21)一種微機電調制裝置陣列，包括一維或者二維排列的根據(jù)(1)到(20)中任一項所述的微機電調制裝置。
根據(jù)所述的微機電調制裝置陣列，由于微機電調制裝置是一維或者二維排列的，所以可能同時調制多個微機電調制裝置，并且在調制圖像信號的情況下，實現(xiàn)高速處理。
(22)根據(jù)(21)所述的微機電調制裝置陣列，其中每一個微機電調制裝置含有包括存儲電路的驅動電路，在可移動部分和面向可移動部分的至少兩個或更多的固定部分上設置的電極之一是輸入來自驅動電路的裝置位移信號的信號電極，而另一電極是公共電極。
根據(jù)所述的微機電調制裝置陣列，在可移動部分的電極和設置在面向可移動部分的至少兩個或更多的固定部分上的電極中，其中之一是輸入來自驅動電路(包括存儲電路)的裝置位移信號的信號電極，而另一電極是公共電極。因此，在采用陣列形式的情況下，可以簡化布線。
(23)一種成像設備，包括光源；根據(jù)(21)或(22)所述的微機電調制裝置陣列；照明光學系統(tǒng)，用于將來自光源的光照射到微機電調制裝置陣列；以及投影光學系統(tǒng)，用于將從微機電調制裝置陣列發(fā)射的光投影到圖像形成表面上。
根據(jù)所述的成像設備，可以通過使用低電壓驅動的微機電調制裝置陣列，來實現(xiàn)高速成像。
(24)一種方法，用于設計微機電調制裝置，所述微機電調制裝置具有由彈性支持部分支持的可移動部分的結構，并且該裝置可由低電壓驅動，所述方法包括第一步，通過在平面上描繪限制點的方式獲得特征線A，在所述限制點上，可移動部分可以由所需電壓保持在最終移位位置，所述平面表示彈性支持部分的彈性力與可移動部分的尺寸之間的關系；第二步，通過在該平面上描繪限制點的方式獲得特征線B，在所述限制點上，可移動部分在所需電壓驅動的情況下，可以在過渡時間內被拉入到最終移位位置；以及第三步，確定與可移動部分的尺寸有關的彈性支持部分的彈性力，使其處于以線A為邊界的彈性支持部分的彈性力降低一側的區(qū)域內，并使其處于以線B為邊界的可移動部分的尺寸減小一側的區(qū)域內。
通過使用該技術，可以分析可移動部分的尺寸(可移動部分的慣性力矩)、粘滯性和支持部分的彈性力之間的相互關系，并根據(jù)分析的結果實現(xiàn)一種結構，在所述結構中，可移動部分在低電壓下移位，并保持在適當?shù)奈恢谩?br> (25)根據(jù)(24)所述的微機電調制裝置的設計方法，其中在通過施加驅動電壓到可移動部分分析可移動部分的行為時，可以通過如下公式確定可移動部分的粘滯阻尼比ζ，其中將阻尼作為質量正比阻尼，其中粘滯阻尼比正比于質量ζ∝α/2ω(其中，α為粘滯阻尼常數(shù)，ω振動角頻率)因而，可以分析旋轉系統(tǒng)微機電調制裝置的可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力之間的關系，包括周圍環(huán)境大氣的粘滯性影響，并且闡明可移動部分的動力學行為。
根據(jù)本發(fā)明，可以分析旋轉系統(tǒng)微機電調制裝置的可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力之間的關系，包括周圍環(huán)境大氣的粘滯性影響，并且闡明可移動部分的動力學行為。基于該認知，可以可靠且容易的實現(xiàn)一種結構，在所述結構中，可移動部分可以在低電壓(例如10V或更低)的條件下適當?shù)囊莆?，并保持在最終移位位置。


圖1A和1B是本發(fā)明的微機電調制裝置的示意圖，其中圖1A是該微機電調制裝置的透視圖，圖1B是其縱向截面圖；圖2A到2C是分別示出了該微機電調制裝置操作步驟的示意圖；圖3示出了所施加的電壓和圖1A、1B中所示的微機電調制裝置的移位角度之間的靜態(tài)關系；圖4示出了當將保持電壓(Va)施加到各個微機電調制裝置時(微機電調制裝置的結構A和結構B具有圖3所示的靜態(tài)特征)，可移動部分隨時間流失的行為的示例；圖5所示的示例為，在1atm和0.1atm的環(huán)境壓力下，當施加保持電壓(Va)到各個微機電調制裝置時，裝置中的結構A和結構B具有如圖3所示的靜態(tài)特征，可移動部分隨時間流失的行為；圖6示出了在可移動部分受低電壓驅動的情況下旋轉角度相對于經(jīng)過時間的變化方式；
圖7所示為可移動部分承載外部力矩的動態(tài)平衡示意圖；圖8中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系；圖9中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和0.5個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系；圖10中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和0.1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系；圖11A、11B和11C分別用于說明確定圖8、圖9和圖10中的特征線X1、X2和X3的基礎；圖12A和12B分別用于說明確定圖8和圖9中特征線Y1和Y2的基礎；圖13中的特征圖用于說明，在5V電壓驅動和1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系；圖14中的特征圖用于說明，在5V電壓驅動和0.5個大氣壓及0.1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系；圖15A、15B和15C分別用于說明確定圖13和圖14中的特征線X4和X5的基礎；圖16用于說明確定圖13中特征線Y4的基礎；圖17示出了實施例中微機電調制裝置的結構的詳細示例；圖18用于說明結構設計的具體示例，在該結構中，當在1個大氣壓和3V電壓的條件下，驅動含有圖23A和23B所示的結構和圖17所示的詳細結構的微機電調制裝置時，可移動部分接觸停止位置并保持于此；圖19用于說明結構設計的具體示例，在該結構中，當在1個大氣壓和5V電壓的條件下，驅動含有圖23A和23B所示的結構和圖17所示的詳細結構的微機電調制裝置時，可移動部分接觸停止位置并保持于此；
圖20示出了用于確定粘滯阻尼系數(shù)的裝置的配置；圖21示出了振動角頻率和阻尼比之間的關系；圖22示出了當使結構不同的旋轉系統(tǒng)裝置分別在不同的粘滯條件下自由振動時阻尼比關于振動角頻率的變化的曲線圖；圖23A和23B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電調制裝置模型的配置，其中，圖23A是平面圖，圖23B是沿著圖23A中的P1-P1線的截面圖；圖24A到24D示出了用于同發(fā)明實施例的微機電調制裝置模型比較的通常模型的配置，其中，圖24A是平面圖，圖24B是左側視圖，圖24C是從圖24B中的線P2-P2觀看的平面圖，并且圖24D是底視圖；圖25A到25C分別示出了微機電調制裝置配置的其他示例；圖26是配置的示意圖，在該配置中，多個微機電調制裝置中的每個都含有包括存儲電路的驅動電路；圖27示出了使用本發(fā)明微機電調制裝置陣列的曝光設備的示意配置；以及圖28示出了使用本發(fā)明的微機電調制裝置陣列配置的投影設備的示意配置。
參考數(shù)字和符號的描述11基板13縫隙15可移動部分15A、15B、15C可移動部分17鉸鏈19a、19b墊片21a第一地址電極21b第二地址電極23驅動電路25支持柱37存儲電路39驅動電壓控制電路41照明光源43照明光學系統(tǒng)
45投影光學系統(tǒng)47記錄介質49光吸收體51投影光學系統(tǒng)53屏幕θ傾斜角度T過渡時間K支持部分的彈性力ω振動角頻率100微機電調制裝置200微機電調制裝置陣列300曝光設備400投影儀具體實施方式
下文將參考附圖，具體描述根據(jù)本發(fā)明的微機電調制裝置、微機電調制裝置陣列、成像設備和設計微機電調制裝置的方法的優(yōu)選實施例。
(第一實施例)圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明的微機電調制裝置的概念圖。其中，圖1A是微機電調制裝置的透視圖，圖1B是其縱向截面圖。
本實施例的微機電調制裝置100包括作為基本構成元件的基板11；小片狀的可移動部分15，其平行于基板11布置，并在二者之間留有空隙；鉸鏈17是彈性支持部分，其連接在可移動部分15處于基板11一側的表面，以支持可移動部分15；一對墊片19a和19b，其用于在基板11上通過鉸鏈17支持可移動部分15；以及第一地址電極21a和第二地址電極21b，它們是驅動電極(固定電極)，二者以鉸鏈17為中軸線，分別布置在其兩側。此外，可移動部分15自身是導電的，或是其部件中含有可移動電極?；?1中還含有驅動電路23。根據(jù)上述的配置，當鉸鏈17擺動時，可移動部分15將會響應驅動電路23施加的電壓，以鉸鏈17為軸沿任意方向旋轉移位和被旋轉驅動。
應注意的是，驅動電路23施加的電壓是用于在可移動部分15(可移動電極)與第一地址電極21a之間，和可移動部分15(可移動電極)與第二地址電極21b之間產(chǎn)生電勢差。
在微機電調制裝置100中，可移動部分15的上表面用作光反射部分(微鏡部分)。由于可移動部分15的平面外形是四邊形的，在大量的可移動部分一維或二維陣列布置的情況下，相鄰的可移動部分間的空隙小，從而提高了安裝效率。此外，通過適當選擇可移動部分15的材料或另外設置短路接觸等，根據(jù)本發(fā)明該實施例的微機電調制裝置100可以用作光調制開關、光轉換開關或電子開關。還可能切換聲波、流體和熱射線，或者切換射頻信號。
在本實施例中，當可移動部分15在特定方向上到達轉動操作的最終位移位置時，可移動部分15變?yōu)榕c停止部件接觸并停止。因此，其可以防止可移動部分15被移位到最終位移位置之外并防止大的振動。在所說明的示例中，可移動部分15的表面被絕緣材料覆蓋。第一地址電極21a和第二地址電極21b用作停止部件。也就是說，在該配置中，微機電調制裝置100是接觸式微機電調制裝置。
就微機電調制裝置100的基本操作而言，當分別施加電壓到第一地址電極21a、第二地址電極21b和可移動部分15時，可移動部分15以鉸鏈17為擺動中心擺動移位。即，由于可移動部分15是微鏡部分，所以輻射到微鏡部分的光線的反射方向被切換。
具體地，當驅動電路23分別在第一、第二地址電極21a、21b與可移動部分15之間給出電勢差時，產(chǎn)生的靜電力作為可移動部分15和每個第一及第二地址電極21a、21b之間的物理作用力。結果，以鉸鏈17為中心的旋轉扭矩作用于可移動部分15。此時產(chǎn)生的靜電力的相對強度取決于周圍空氣的介電常數(shù)、可移動部分15的面積(電極面積)、所施加的電壓以及可移動部分15和每個地址電極21a、21b之間的電極距離。
例如，假設可移動部分15和第一地址電極21a之間的電勢差設為Va，可移動部分15和第二地址電極21b之間的電勢差設為Vb，當Va＞Vb時，在第一地址電極21a和可移動部分15之間產(chǎn)生的靜電力大于在第二地址電極21b和可移動部分15之間產(chǎn)生的靜電力，從而可移動部分15傾斜而使其左側下降。相反，當Va＜Vb時，第二地址電極21b和可移動部分15之間產(chǎn)生的靜電力大于在第一地址電極21a和可移動部分15之間產(chǎn)生的靜電力，從而可移動部分15傾斜而使其右側下降。
這樣，可移動部分(可移動電極)15、第一地址電極21a、第二地址電極21b以及驅動電路23就構成了用于旋轉移位可移動部分15驅動裝置。由于該驅動裝置施加到可移動部分15的物理作用力是靜電力，所以能實現(xiàn)可移動部分15的高速旋轉位移。
應注意的是，施加到可移動部分15的物理作用力，可以是靜電力之外的其他物理作用力。作為其它的物理作用力，可以采用由電磁體產(chǎn)生的電磁力、由壓電裝置產(chǎn)生的電致伸縮以及由機械裝置產(chǎn)生的任意力。
這樣，微機電調制裝置100包括在兩個方向上移位的可移動部分15，并且可移動部分15具有切換功能。通過施加物理作用力的多個驅動裝置(可移動部分15的可移動電極、第一地址電極21a、第二地址電極21b以及驅動電路23)，可移動部分15可克服重力和鉸鏈17的彈性力旋轉移位。
下面，參考圖2A至2C和圖3，將具體描述根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電調制裝置100的操作。
圖2A到2C分別示出了微機電調制裝置的操作步驟的示意圖。
在驅動電路23沒有施加電壓的狀態(tài)下，如果使第一地址電極21a和可移動部分15之間的電勢差Va大于第二地址電極21b和可移動部分15之間的電勢差Vb，靜電力施加到可移動部分15，并將可移動部分15吸引向第一地址電極21a。如圖2A所示，靜電力使鉸鏈17克服其彈性力逆時針轉動，并使可移動部分15逆時針傾斜。此時，在鉸鏈17中積累了大小正比于鉸鏈17擺動角的彈性勢能。
由于電勢差Va生成的靜電力大于鉸鏈17中積累的彈性勢能，持續(xù)施加該電勢差到可移動部分15和第一地址電極21a，使得可移動部分15處于逆時針傾斜的狀態(tài)。
接著，如圖2B所示，如果去除可移動部分15和第一地址電極21a之間的電勢差，以釋放鉸鏈17中積累的彈性能，并且將用于生成靜電力的電勢差Vb施加到可移動部分15和第二地址電極21b，可移動部分15開始順時針旋轉。
然后，如圖2C所示，當可移動部分15接觸到第二地址電極21b后，可移動部分15將處于順時針傾斜的狀態(tài)中。隨后，每當電勢差Va和Vb分別被釋放和施加時，重復執(zhí)行相同的操作。
這樣，靜電力旋轉移位可移動部分15，由此引起拉入(pull-in)現(xiàn)象，即可移動部分15的末端快速向下落下。于是，可移動部分15被吸引(粘)到基板11。也就是說，可移動部分15被施加到可移動部分15的可移動電極、第一地址電極21a和第二地址電極21b的拉入電壓所產(chǎn)生的靜電力移位。由于施加低于拉入電壓的拉出(pull-out)電壓到第一地址電極21a，所以被拉向第一地址電極21a的可移動部分15處于被拉入的狀態(tài)(圖2A所示的狀態(tài))。
在具有按上述描述配置的可移動部分15的雙向驅動旋轉系統(tǒng)的裝置100中，當使電極之間電勢差變?yōu)閂b的電壓施加到了第二地址電極21b和可移動部分(可移動電極)15上來使可移動部分15的旋轉角從-θ轉變到+θ時，如果假設裝置的慣性力矩為J＝J1，那么可移動部分15的旋轉角從初始位置-θ直到到達最終位置+θ的過渡時間T由可以作為彈性支持部分的鉸鏈17的支持部分彈性力K決定，或者由與支持部分彈性力K相對應的振動角頻率ω決定。
彈性支持部分可以由例如鋁的金屬制成。此外，通過使用具有低彈性模量的高聚物材料，可以將在高聚物材料用作支持部件的材料時所產(chǎn)生的彈性力抑制到低水平。在這種情況下，支持部分的尺寸不需要做的過小來產(chǎn)生小的彈性力。另外，彈性支持部分可以使用金屬材料、樹脂材料、金屬材料和樹脂材料的混合材料以及電介質材料制成。當使用金屬材料時，彈性支持部分可形成為一小片。因此，可以改進裝置形狀設計的自由度，并且裝置本身可以小型化。此外，當使用樹脂材料時，不需要將彈性支持部分的尺寸做的過小。而且，當使用混合這些材料獲得的混合材料時，想要的彈性力可以輕松獲得。此外，除了以上材料，只要體現(xiàn)本實施例的優(yōu)點，也可以使用其它的材料。(用于實現(xiàn)低電壓驅動的微機電調制裝置的動力學行為分析)為了在10V或更低的電壓(例如5V或3V)下驅動含有上述結構的微機電調制裝置，僅說明該微機電調制裝置的靜態(tài)條件是不夠的，還必須詳細的說明考慮了空氣粘滯性的動力學行為。首先對該方面進行描述。
圖3示出了所施加的電壓和圖1A、1B中所示的微機電調制裝置的移位角度之間的靜態(tài)關系。術語“靜態(tài)關系”在此是指，圖1A和1B中所示的微機電調制裝置的可移動部分，在移位期間其動力學行為可以忽略不計的情況下移位時的關系。
圖3中，P1表示結構A的滯后特征，P2表示結構B的滯后特征。如圖中所示，移位角度隨著從0V開始的施加電壓的增加而逐漸增大。在到達VbB時，結構B瞬間移位到+θ1(最終移位位置)，類似的，在到達VbA時，結構A也瞬間移位到+θ1(最終移位位置)。隨后，即使所施加的電壓逐漸降低，結構A和結構B中的可移動部分15的一端總是保持固定在最終移位位置上一段時間。然而，當所施加的電壓到達Va時，鉸鏈17的彈性力超過了由靜電力產(chǎn)生的吸引，并且變得不能維持可移動部分15的狀態(tài)，從而使可移動部分15向相反方向移位。這里，如果將用于保持可移動部分15處于最終位移位置+θ1(停止位置)所需的驅動電壓稱做保持電壓，那么圖3中的“Va”就被稱之為最小保持電壓。此后，就將Va稱之為保持電壓。另外，VbB和VbA中的每一個都是產(chǎn)生瞬間拉入的驅動電壓，所以其被稱之為靜態(tài)拉入電壓。
從圖3中所示的特征可以理解，盡管結構A和結構B在可移動部分的尺寸上是不同的，但是他們具有同樣的保持電壓Va，還可以理解的是，兩種結構的靜態(tài)拉入電壓(VbB，VbA)是不同的。然而，圖3中僅僅是關于結構A和結構B的滯后特征的說明，并未提供可移動部分15在驅動電壓降低到極端水平時隨時間的流失所表現(xiàn)出來的行為信息。
圖4中示出了當將保持電壓(Va)施加到各個微機電調制裝置時(該微機電調制裝置的結構A和結構B具有圖3所示的靜態(tài)特征)，可移動部分隨時間的流失所表現(xiàn)出來的行為的示例。
正如此前描述，結構A和結構B具有相同的保持電壓Va。然而，由于可移動部分15的尺寸是不同的，所以靜態(tài)拉入電壓和振動頻率是不同的。如果比較當保持電壓Va施加到兩種結構時可移動部分15的移位情況，那么結構A在經(jīng)過過渡時間(T1)后到達最終移位位置，而結構B沒有到達最終移位位置，并且重復自由振動。結構A中，當?shù)刂冯姌OV＝Va(保持)時，拉入可移動部分15的末端到與地址電極接觸，并保持這種狀態(tài)。
在這里，如同結構A那樣，如果施加驅動電壓Va(保持電壓)時，可移動部分的末端可以被拉入到最終移位位置，并保持于此，那么可移動部分恰好能以最小電壓驅動。也就是說，在設計由事先設置的任意驅動電壓Va驅動的旋轉系統(tǒng)裝置時，最優(yōu)化可移動部分的尺寸大小和彈性支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的關系，從而使可移動部分在驅動電壓Va的驅動下，被拉入到與停止位置接觸，并保持于此，由此可以獲得適合低電壓驅動的微機電調制裝置。
此外，由于驅動電壓降低，微機電調制裝置的可移動部分的尺寸減小，空氣的粘滯性使得可能出現(xiàn)通常不同的結果。因此，基本的就是要進行考慮空氣粘滯性的可移動部分動力學行為的詳細的計算機仿真。也就是說，必須分析包含時間變化的行為，例如在過渡時間過后，可移動部分是否隨即被拉入到停止位置，并保持于此，或者是否如圖4中所示的沒有被拉入，而是自由振動，或者是否盡管其被拉入，且到達停止位置，但是未能保持其狀態(tài)，而是移動離開。
因此，本發(fā)明中，通過如下描述的分析方法，可以在相對于以前較小且缺乏有關粘滯性影響的信息的區(qū)域內詳細分析低電壓驅動的可移動部分的動力學行為。進而，根據(jù)分析獲得的數(shù)據(jù)基礎，確定可移動部分的尺寸和彈性支持部分(鉸鏈)的彈性力處于哪一相關區(qū)域，可以獲得適用于低電壓驅動的微機電調制裝置。設計微機電調制裝置的結構，以使得可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力處于所確定的區(qū)域內。在考慮粘滯性的情況下，通過詳細分析動力學行為的方式，根據(jù)本發(fā)明首次使這種區(qū)域的確定變?yōu)榭赡堋?br> 下面，描述粘滯性的影響。
圖5所示的示例為，在1atm和0.1atm的環(huán)境壓力下，當施加保持電壓(Va)到微機電調制裝置時，裝置中的結構A和結構B具有如圖3所示的靜態(tài)特征，可移動部分隨時間流失的行為。
在粘滯性的影響下，當可移動部分從θ1移位到θ2時，可移動部分的最大移位角度根據(jù)影響的程度變化。根據(jù)影響的大小，可移動部分接觸或不接觸停止位置。也就是說，在設計由任意的電壓Va驅動的旋轉系統(tǒng)裝置的情況下，結構移位和保持的范圍由于粘滯性的影響而改變。
圖5中所示的是對于相同結構的裝置，分別在1個大氣壓和0.1個大氣壓的條件下的擺動行為。T1以虛線的形式表示在0.1個大氣壓下，當施加電壓Va時，可移動部分的行為，T2以實線的形式表示在1個大氣壓下，當施加電壓Va時，可移動部分的行為。
在1個大氣壓的條件下，粘滯性的影響大，削弱了可移動部分的振幅，并使可移動部分在施加電壓Va時不能到達停止位置。另一方面，在0.1個大氣壓的條件下，粘滯性的影響小，振幅衰減小，通過施加電壓Va，產(chǎn)生動力拉入，使得可移動部分達到停止位置。
因而，為了分析在低電壓條件下的可移動部分的行為，就不能忽視粘滯性的影響，(分析微機電調制裝置動力學行為的方法)下面，描述分析微機電調制裝置動力學行為的方法。
通過使用下面公式(1)所示的運動方程，可以計算可移動部分從一特定的旋轉角度-θ旋轉到+θ，并到達最終移位位置的時間。根據(jù)可移動部分的位移量，可移動部分(可移動電極)和第一或第二地址電極21a或21b之間的電極間縫隙時刻改變，電極間的靜電力也隨時間而改變。由于該原因，重復如下操作，在某一時間t過后，確定外部力矩Fn和角度θn，進而通過使用外部力矩Fn，在一無窮小的時間Δt過后，確定外部力矩Fn+1和角度θn+1。最終計算出可移動部分的角度隨時間變化的關系。
運動方程Jd2θdt2+adθdt+Kθ=F1---(1)]]>慣性力矩J=ML2212=L1L23Hρ12---(2)]]>粘滯阻尼系數(shù)a支持部分彈性力K=2kGl1=kEl1(l+v)---(3)]]>其中，k=h3l24[163-3.36hl2(1-h412l24)]---(4)]]>外部力矩F1=ϵ0SV22d2×L24=ϵ0L1L22V216d2---(5)]]>振動角頻率ω=kJ-a24J2---(6)]]>上述公式中未說明的各個符號，與稍后提及的圖23A和23B中所示的一致。
這里，若假定可移動部分的初始旋轉角度是θ1，ω02＝K/J，2μ＝a/J并且如果公式(1)中的方程是可解的，那么得出公式(7)。
θ={F1K-θ1}·{-exp(-μt)·cos(ω02-μ2t)+F1F1-Kθ1}---(7)]]>若假定，在進行旋轉角度θ和外部力矩F的耦合分析時，某一時刻t的旋轉角度是θn，外部力矩是F1n，在無窮小時間過后，旋轉角度是θn+1，那么可以通過公式(8)確定θn+1。
θn+1={F1nK-θ1}·{-exp(-μt)·cos(ω02-μ2t)+F1nF1n-Kθ1}---(8)]]>圖6所示為旋轉角度隨經(jīng)過時間變化的情況?？梢苿硬糠值男D角度在初始位置是θ1，并在時間T1過后達到θ2(當θn+1＝θ2時，可移動部分接觸到下部)。若假定，可移動部分旋轉移位后到達θ2的時間是T1，那么該T1構成了過渡時間。前述的分析是通過不同地改變可移動部分尺寸、支持部分的彈性力、施加電壓等進行的。如上述公式(7)和公式(8)所示，可以進行交替確定旋轉角度θn和外部力矩F的耦合分析，并且可以進行對每一時間步驟的擺動分析。
圖7所示為可移動部分承載外部力矩的動態(tài)平衡示意圖。
正如圖中所示，由于在可移動部分15和第一地址電極21a之間存在預定的電勢差，所以外部力矩F作用在使可移動部分15向第一地址電極21a側吸引的方向上。此時，在與外部力矩F相反的方向上，同時產(chǎn)生與可移動部分質量M相應的慣性力矩J和基于周圍環(huán)境大氣的粘滯阻尼系數(shù)a的拉力。此外，在相反的方向還產(chǎn)生了鉸鏈17，也就是彈性支持部分的支持部分彈性力K，其趨向于從扭曲的狀態(tài)回到原狀態(tài)。
粘滯阻尼系數(shù)是與速率成比例的系數(shù)，通常，阻尼力正比于速率。有關粘滯性，將于第二個實施例中進行具體描述。
(低電壓驅動結構的設計標準)如此前所述，為了通過低電壓適當?shù)仳寗涌梢苿硬糠?，最低限度的要求是滿足如下兩個條件結構為，當施加驅動電壓Va時，處于停止位置的可移動部分能夠保持在其所處狀態(tài)(保持條件)；結構為，當可移動部分未處于停止位置時，則拉入可移動部分，并使其隨著時間的變化而移位，適時到達最終移位位置(動態(tài)拉入條件)。
為了滿足這些條件，必須使該結構滿足“保持電壓≥動態(tài)拉入電壓”的關系(必要條件，在實際驅動時，施加的是大于或等于保持電壓的電壓)。
為闡明滿足上述必要條件的結構的范圍，通過使用上述的分析方法，基于仿真進行分析。
(基于仿真的分析結果)(1)3V的驅動電壓(圖8到圖12)該實施例的MEMS裝置芯片以3V或5V的驅動電壓驅動。在這里，根據(jù)每個可移動部分的尺寸，通過設置支持部分的彈性力，使3V成為保持電壓的方式，進行分析。
圖8中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系。
首先，分析在3V電壓的條件下，可移動部分可以保持在停止位置的限制點。圖8中，特征線X1表示3V電壓的條件下可移動部分可以保持在停止位置的界限(邊界)。也就是說，由于處于特征線X1之上的Z1區(qū)域所要求的保持電壓大于3V，所以處于特征線X1之上的Z1區(qū)域不在設計范圍之內。換句話說，處于特征線X1下面的區(qū)域(Z2+Z3)是可以將可移動部分保持在停止位置的區(qū)域，并且可以說設計范圍就處于該區(qū)域。
此外，圖8中的特征線Y1表示在3V電壓驅動下可以實現(xiàn)動態(tài)拉入的界限，在位于特征線Y1右側的Z2區(qū)域中，不能動態(tài)拉入可移動部分，并且即使在過渡時間過后，可移動部分也不能到達停止位置。位于特征線Y1左側的Z3區(qū)域，是在3V時產(chǎn)生動態(tài)拉入的區(qū)域，該區(qū)域Z3表示結構設計的適當范圍。
從圖8中所顯而易見的是，在1個大氣壓下，可移動部分尺寸的邊界點是8.2μm。因而，在可移動部分的尺寸大于等于4μm小于8.2μm的情況下，動態(tài)拉入發(fā)生的區(qū)域就受到特征線X1的限制；在可移動部分的尺寸大于等于8.2μm小于9μm的情況下，該區(qū)域就受到特征線Y1的限制。
也就是說，處于特征線X1下側、特征線Y1左側的區(qū)域Z3，是該結構的區(qū)域，在該結構中，可移動部分能在3V下到達停止位置并保持于此。因而，設計微機電調制裝置的結構使其處于該范圍足矣。
在這里，可以如下定義特征線X1。
在可移動部分的外界環(huán)境壓力是大氣壓力的情況下，若假定可移動部分的尺寸是L，且支持部分的彈性力是F，那么特征線X1(線A)通過如下點Pi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)P4＝(8.30μm，1.61×10-12Nm)P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)
此外，對于上述的特征線X1，支持部分的彈性力F和可移動部分的尺寸L可以通過線性逼近的方式以如下的關系表達式表達F＝1.95×10-7L-1.0×10-14圖9中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和0.5個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系。觀察圖9的方法與圖8類似，位于特征線X2下側和特征線Y2左側的區(qū)域Z4，是與該結構的適當范圍。從圖9中所顯而易見的是，在0.5個大氣壓的條件下，9.8μm是可移動部分尺寸的邊界點。
這種情況下的特征線X2可以定義如下。
特征曲線X2(線A)通過如下點Pi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)P4＝(9.90μm，1.92×10-12Nm)P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)圖10中的特征圖用于說明，在3V電壓驅動和0.1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系。觀察圖10的方法與圖8、圖9類似。然而，如果大氣壓力降低，那么粘滯性下降，從而可移動部分更容易旋轉。因而，如果該范圍內可移動部分可以在3V的電壓下保持在停止位置(圖10中區(qū)域Z)，那么動態(tài)拉入也可以，從而圖10中的可移動部分的尺寸不存在邊界點。
這種情況下的特征線X3可以定義如下。
特征曲線X3(線A)通過如下點Pi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P4＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)下面，將通過圖11A到11C、圖12A和12B來示出用于確定圖8和圖9中的特征線X1、X2、X3、Y1和Y2的基礎。圖11A、11B和11C中的圖分別說明了用于確定圖8、圖9和圖10中的特征線X1、X2和X3的基礎。同時，圖12A和12B中的圖分別說明了用于確定圖8和圖9中特征線Y1和Y2的基礎。
圖11A到11C、圖12A和12B示出了，當在各個粘滯性條件下準備樣本a到g(樣本的可移動部分的尺寸和支持部分的彈性值不同)并施加3V電壓到各個樣本時，可移動部分能否接觸到停止位置的情況。這里，設置支持部分的彈性值，以使得在每個可移動部分的尺寸下，保持電壓都是3V。圖12A和12B也是類似，示出了當在各個粘滯性條件下，施加3V電壓到含有各自的可移動部分尺寸和支持部分彈性值的結構時，可移動部分能否接觸到停止位置。
在圖11A到11C、圖12A和12B中，當通過使可移動部分的尺寸變大0.1μm進行類似的分析時，可移動部分不會接觸到下部。也就是說，圖11A到11C、圖12A和12B中示出了，在可移動部分接觸到停止位置的邊界條件下可移動部分的尺寸和支持部分的彈性值。從這些仿真的結果中，可以確定圖8、圖9和圖10中所示的各個特征線X1、X2、X3、Y1和Y2。
這種情況下的特征線Y1和Y2可以定義如下。
特征線Y1(線B)通過如下點Qi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)Q1＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)Q2＝(8.20μm，1.55×10-12Nm)Q3＝(8.30μm，1.16×10-12Nm)Q4＝(8.40μm，7.75×10-13Nm)Q5＝(8.70μm，3.88×10-13Nm)Q6＝(9.40μm，1.94×10-13Nm)此外，特征線Y2(線B)通過如下點Qi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)Q1＝(9.70μm，1.92×10-12Nm)Q2＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)Q3＝(9.80μm，1.55×10-12Nm)
Q4＝(9.90μm，1.16×10-12Nm)Q5＝(10.1μm，7.75×10-13Nm)Q6＝(10.5μm，3.88×10-13Nm)Q7＝(11.6μm，1.94×10-13Nm)這里，可以將特征線Y1和Y2(對于后面描述的Y3也是如此)設置為連接各個點Q的多邊形線，也能將其定義為沿該多邊形線延伸的光滑曲線。例如，特征線Y1和Y2可以由通過各個點Q的樣條曲線、貝塞爾曲線等確定。另外，特征線Y1和Y2還可以通過近似曲線(例如二次曲線)確定，以使背離點Q的程度最小。
(2)5V驅動電壓(圖13到16)很多MEMS裝置芯片以3V或5V的驅動電壓驅動。這里，根據(jù)每個可移動部分的尺寸，通過設置支持部分的彈性力，使5V成為保持電壓的方式，進行分析。
圖13中的特征圖用于說明，在5V電壓驅動和1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系。
首先，分析在5V電壓的條件下，可移動部分可以保持在停止位置的限制點。圖13中，特征線X4表示5V電壓的條件下可移動部分可以保持在停止位置的界限(邊界)。也就是說，由于處于特征線X4之上的Z8區(qū)域所要求的保持電壓大于5V，所以處于特征線X4之上的Z8區(qū)域不在設計范圍之內。換句話說，處于特征線X4下面的區(qū)域(Z9+Z10)是可以將可移動部分保持在停止位置的區(qū)域，并且可以說設計范圍就處于該區(qū)域。
此外，圖13中的特征線Y4表示在5V電壓驅動下可以實現(xiàn)動態(tài)拉入的界限，在位于特征線Y4右側的Z9區(qū)域中，不能動態(tài)拉入可移動部分，并且即使在過渡時間過后，可移動部分也不能到達停止位置。位于特征線Y4左側的Z10區(qū)域，是在5V時產(chǎn)生動態(tài)拉入的區(qū)域，該區(qū)域Z10表示結構設計的適當范圍。從圖13中所顯而易見的是，在1個大氣壓下，可移動部分尺寸的邊界點是11.5μm。因而，在可移動部分的尺寸大于等于4μm小于11.5μm的情況下，動態(tài)拉入發(fā)生的區(qū)域就受到特征線X4的限制；在可移動部分的尺寸大于等于11.5μm小于12.5μm的情況下，該區(qū)域就受到特征線Y4的限制。
也就是說，處于特征線X4下側、特征線Y4左側的區(qū)域Z10，是該結構的區(qū)域，在該結構中，可移動部分能在5V下到達停止位置并保持于此。因而，設計微機電調制裝置的結構使其處于該范圍足矣。
圖14中的特征圖用于說明，在5V電壓驅動和0.5個大氣壓及0.1個大氣壓的條件下，可移動部分的尺寸和支持部分(鉸鏈)的彈性力之間的適當關系。
觀察圖14的方法與圖13類似。然而，如果大氣壓力降低，那么粘滯性下降，從而可移動部分更容易旋轉。因而，如果該范圍內可移動部分可以在5V的電壓下保持在停止位置(Z11＝Z9+Z10)，那么動態(tài)拉入也可以，從而圖14中的可移動部分的尺寸不存在邊界點。
下面，將通過圖15A到15C和圖16來示出用于確定圖13和圖14中的特征線X4、X5和Y4的基礎。圖15A、15B和15C中的圖分別說明了用于確定圖13和圖14中的特征線X4和X5的基礎。同時，圖16中的圖說明了用于確定圖13中特征線Y4的基礎。
圖15A到15C和圖16示出了，當在各個粘滯性條件下準備樣本a到f(樣本的可移動部分的尺寸和支持部分的彈性值不同)并施加5V電壓到各個樣本時，可移動部分能否接觸到停止位置的情況。這里，設置支持部分的彈性值，以使得在每個可移動部分的尺寸下，保持電壓都是5V。圖16A和12B也是類似的，示出了當在各個粘滯性條件下，施加5V電壓到含有各自的可移動部分尺寸和支持部分彈性值的結構時，可移動部分能否接觸到停止位置。
在圖15A到15C和圖16中，當通過使可移動部分的尺寸變大0.1μm進行類似的分析時，可移動部分不會接觸到下部。也就是說，圖15A到15C和圖16中示出了，在可移動部分接觸到停止位置的邊界條件下可移動部分的尺寸和支持部分的彈性值。從這些仿真的結果中，可以確定圖13和圖14中所示的各個特征線X4、X5和Y4。
特征線X4、X5和Y4可以定義如下。
特征線X4(線A)通過如下點Pi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)
P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)P5＝(11.6μm，6.22×10-12Nm)P6＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)此外，對于上述的特征線X4，支持部分的彈性力F和可移動部分的尺寸L可以通過線性逼近的方式以如下的關系表達式表達F＝5.42×10-7L-3.0×10-14特征線Y4(線B)通過如下點Qi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)Q1＝(11.5μm，6.22×10-12Nm)Q2＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)Q3＝(11.6μm，5.35×10-12Nm)Q4＝(11.7μm，4.30×10-12Nm)Q5＝(11.8μm，3.22×10-12Nm)Q6＝(12.0μm，2.17×10-12Nm)Q7＝(12.6μm，1.12×10-12Nm)在這種情況下，特征線X5可以定義如下。
特征線X5通過如下點Pi(L，F(xiàn))(i是正整數(shù)序號)P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)(分析示例)圖17示出了實施例中微機電調制裝置的結構的詳細示例。此外，圖18用于說明結構設計的具體示例，在該結構中，當在1個大氣壓和3V電壓的條件下，驅動含有圖23A和23B所示的結構和圖17所示的詳細結構的微機電調制裝置時，可移動部分接觸停止位置并保持于此。
在圖18中，特征點S1表示設計示例。應注意的是，假定支持部分的材料為鋁(Al)。
圖19用于說明結構設計的具體示例，在該結構中，當在1個大氣壓和5V電壓的條件下，驅動含有圖23A和23B所示的結構和圖17所示的詳細結構的微機電調制裝置時，可移動部分接觸停止位置并保持于此。
在圖19中，特征點S2表示設計示例。應注意的是，假定支持部分的材料為鋁(Al)。
下面，描述測量前述仿真中使用的粘滯性數(shù)據(jù)的方法。
圖20示出了用于確定粘滯阻尼系數(shù)的裝置的配置。如圖中所示，微機電調制裝置100密封在真空夾具200中，將真空夾具200的內部用真空泵300抽空，并保持在預定的大氣壓力下。然后，施加電壓到微機電調制裝置100一側的電極上，以傾斜可移動部分。如果隨后切斷電壓，那么可移動部分將自由擺動，并受到阻尼，直至靜止在平衡位置。在阻尼期間，通過旋轉移位測量裝置400發(fā)射激光到微機電調制裝置100的可移動部分，根據(jù)讀取的反射光，可以獲得阻尼的時間變化。一邊改變大氣壓力，一邊進行測量。
(關于粘滯阻尼系數(shù))與結構相關的阻尼力可以分為如下兩種形式。
(1)外部阻尼或粘滯阻尼(其是由于諸如結構周圍流體的粘滯性導致的，并與速率成正比，其由靜止的一側起作用)(2)內部阻尼或結構阻尼(由結構內產(chǎn)生的微小摩擦等引起，與應變速度成比例，并通過內部的相互作用起作用)阻尼矩陣正比于質量[M]或剛性[K]矩陣的概念叫做瑞利阻尼。當阻尼矩陣被定義為[C]并且比例常數(shù)被定義為α和β時，阻尼矩陣由下面方程(9)表達。
＝α[M]+β[K](9)這里，[C]只有α項的情況叫做質量正比阻尼，而[C]只有β項的情況叫做剛性正比阻尼。如果修改該方程，獲得以下方程(10)，其中ζ被定義為阻尼比而ω被定義為結構的振動角頻率。
ζ＝α/2ω+βω/2(10)圖21示出了振動角頻率和阻尼比之間的關系。根據(jù)以上方程(10)，質量的影響在振動角頻率ω小的區(qū)域中增加，而剛性的影響在ω大的區(qū)域中增加。(參考文獻“Shindo Moderu to Shimureshon(Vibration Models and Simulation)”(由Kihachiro Tanaka和ShozoMitsueda共同編著，Sangyo Kagaku Systems發(fā)行))。
圖22是示出了當使結構不同的旋轉系統(tǒng)裝置分別在不同的粘滯條件下自由振動時阻尼比關于振動角頻率的變化的曲線圖。在該圖中，針對每一個粘滯條件計算擬合曲線。擬合曲線僅僅在α/2ω項的基礎上擬合。因為擬合結果是令人滿意的，所以可以理解，將本旋轉系統(tǒng)裝置中的阻尼作為質量正比阻尼來處理是合理的。因而，通過使用圖中的α值，使用旋轉系統(tǒng)裝置在每個粘滯條件下的行為來進行仿真分析。粘滯阻尼系數(shù)a可以如下公式(11)表達a=2ζJK---(11)]]>應注意的是，前面所述的擬合曲線中，在1個大氣壓的情況下，粘滯阻尼比ζ包含在公式(12)中ζ＝(4.83×105±3.88×104)/2ω(12)此外，在0.5個大氣壓的情況下，粘滯阻尼比ζ包含在公式(13)中ζ＝(3.79×105±2.86×104)/2ω(13)此外，在0.1個大氣壓的情況下，粘滯阻尼比ζ包含在公式(14)中ζ＝(1.34×105±1.30×104)/2ω(14)(分析條件)下面，基于以上分析方法，通過使用如下變化值和固定值進行分析。假定可移動部分15是正方形，用作彈性支持部分的鉸鏈的尺寸根據(jù)可移動部分15的長度確定，使得鉸鏈17隱藏于可移動部分15之下。假定鋁作為可移動部分和支持部件的材料。
a)變化值可移動部分的長度L1可移動部分的寬度L2(＝L1)支持部分的長度l1(＝(L1-2.2μm)/2)支持部分的寬度l2(＝0.6μm)
支持部分的厚度h(＝0.05μm)可移動部分的質量M電極間距離d電極間電勢差Vb)固定值可移動部分的厚度H＝0.5μm可移動部分的密度ρ＝2.7g/cm3支持部分的楊式模量E＝68.85GPa支持部分的泊松比v＝0.36接觸角θ＝10度粘性系數(shù)a(在1個大氣壓的環(huán)境中設置)圖23A和23B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的微機電調制裝置模型的配置，其中，圖23A是平面圖，圖23B是沿著圖23A中的P1-P1線的截面圖。
在該結構中，可移動部分15和支持柱25形成一體，其中鉸鏈17的近中心端連接到支持柱25。鉸鏈17的其他端分別連接到未示出的鉸鏈固定部分。通過在可移動部分15被傾斜為與第一地址電極21a分開的狀態(tài)下在第一地址電極21a和可移動部分15之間產(chǎn)生電勢差V，因此驅動可移動部分15來接近第一地址電極21a，并計算位移過渡時間。
圖24A到24D示出了用于同本發(fā)明實施例的微機電調制裝置模型比較的通常模型的配置。其中，圖24A是平面圖，圖24B是左側視圖，圖24C是沿圖24B中線P2-P2方向觀看的平面圖，并且圖24D是底視圖。
在該結構中，可移動部分27和支持柱31一體形成，其中鉸鏈29的近中心端連接到支持柱31。鉸鏈29的其他端分別連接到未示出鉸鏈固定部分。通過在可移動部分27被吸引到第二地址電極33b的狀態(tài)下在第一地址電極33a和可移動部分27之間產(chǎn)生電勢差V，因此驅動可移動部分27來接近第一地址電極33a，并分析其動力學行為。
例如，嘗試用10V電壓驅動可移動部分尺寸為10.8μm和12.6μm的微機電調制裝置，但是即使在過渡時間過后，可移動部分也不能拉入到停止位置(最終移位位置)。即，這意味著，在3V到5V或在其附近的電壓下，對于通常結構的調制裝置，其可移動裝置甚至不能到達停止位置(最終移位位置)。
從以上事實可以看出，本發(fā)明中通過基于動力學分析的設計方法所設計的旋轉系統(tǒng)MEMS裝置的結構具有新穎性，其明顯的區(qū)別于常規(guī)的結構。
(第二實施例)微機電調制裝置的結構不限于圖1中所示的結構，也可以有不同的形式。圖25A到25C分別示出了微機電調制裝置配置的其他示例。
在圖25A所示的微機電調制裝置中，鉸鏈17與四邊形的可移動部分15A連接，以使可移動部分15A的一條對角線作為旋轉運動的軸。一對墊片19a和19b分別支持鉸鏈17的兩端。利用該配置，旋轉移位可移動部分15A所需的慣性力較小，這有利于高速驅動。
圖25B中所示的微機電調制裝置含有一對鉸鏈17A和17B，分別從可移動部分15B的兩端延伸出來，還含有一對用于在基板11之上通過鉸鏈17A和17B支持可移動部分15B的墊片19a和19b。利用該配置，可移動部分15B可以通過鉸鏈17A和17B的擺動而旋轉移位，同時該裝置的配置簡單。
在圖25C所示的微機電調制裝置中，可移動部分15C的一端被鉸鏈17A和17B以及墊片19a和19b支持并固定在基板11上，即，可移動部分15C被配置為另一端為自由端的懸臂形式。另外，第一地址電極22a布置在基板11上，其同可移動部分15C的自由端呈面對面的關系，第二地址電極22b位于未示出的相對的基板上，并與第一地址電極22a相對布置，使可移動部分15C位于二者之間。利用該配置，可移動部分15C可以在低電壓下高速移位。
圖26是如下配置的示意圖，在該配置中，多個微機電調制裝置中的每個都含有包括存儲電路的驅動電路。
對于微機電調制裝置陣列200，微機電調制裝置100中的每一個都含有包括存儲電路37的驅動電路23(見圖1)。由于提供了存儲電路37，所以可以預先在存儲電路37中寫入表示裝置的隨后移位運動的移位信號。換句話說，在存儲電路37中預先寫入裝置移位信號，從而當微機電調制裝置陣列200切換時，根據(jù)存儲在微機電調制裝置100的存儲電路37中的裝置移位信號，通過用于控制將電壓施加到每一個微機電調制裝置100的驅動電壓控制電路39，進行調制驅動。
因而，如果通過使用存儲電路37驅動微機電調制裝置100，那么多個微機電調制裝置100中的每一個都可以很容易的在任意的驅動模式下工作，并可以實現(xiàn)高速下的主動驅動。應注意的是，盡管這里所示的是圖1中的微機電調制裝置100的配置，但是微機電調制裝置不限于此，也可以使用其他配置的裝置。
下面，描述通過使用上述微機電調制裝置100配置的成像設備。這里，將首先描述曝光設備300作為成像設備的示例。
圖27示出了使用本發(fā)明微機電調制裝置陣列構成的曝光設備的示意配置。曝光設備300包括照明光源41；照明光學系統(tǒng)43；微機電調制裝置陣列200，其中根據(jù)上述實施例的多個微機電調制裝置100彼此間二維排列整齊；以及投影光學系統(tǒng)45。
照明光源41是光源，例如激光器、高壓水銀燈或者短弧燈等。照明光學系統(tǒng)43例如是使從照明光源41發(fā)射出的平面光成為平行光束的準直透鏡。已穿過準直透鏡的平行光束入射到微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100。用于使從照明光源41發(fā)射出的平面光成為平行光束的方式，除了準直透鏡之外有一種連續(xù)排列兩個顯微鏡的方法。此外，通過使用具有小發(fā)光點的光源(例如短弧燈)作為照明光源41，可以將照明光源41視為點光源，并可以使平行光束入射到微機電調制裝置陣列200。此外，通過使用具有和微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100相對應的LED的LED陣列作為照明光源41，以及通過使LED陣列在LED陣列和微機電調制裝置陣列200相互接近的狀態(tài)下發(fā)射光，可以使平行光束入射到微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100。應當注意，當使用激光器作為照明光源41時，可以省略照明光學系統(tǒng)43。
投影光學系統(tǒng)45將光投射到是圖像形成表面的記錄介質47上。例如，投影光學系統(tǒng)是具有和微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100相對應的顯微鏡的顯微鏡陣列。
在下文中，將描述曝光設備300的操作。
從照明光源41發(fā)射出的平面光入射到照明光學系統(tǒng)43，由此轉換為平行光束的光入射到微機電調制裝置陣列200。根據(jù)圖像信號，控制入射到微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100上的光的反射。從微機電調制裝置陣列200發(fā)射出的光通過投影光學系統(tǒng)45被成像并曝光于記錄介質47的圖像形成表面。成像光被投影并曝光于記錄介質47上，同時它沿著掃描方向相對移動，于是可用高分辨率進行大面積曝光。因為在微機電調制裝置陣列200的光入射平面一側設置準直透鏡，入射到每一個調制裝置的平面基板的光可變成平行光束。應該注意，圖中參考數(shù)字49表示使光中斷的光吸收體。
不僅可以使用準直透鏡，而且可以使用顯微鏡陣列作為照明光學系統(tǒng)43來配置曝光設備300。在這種情況下，顯微鏡陣列的每一個顯微鏡和微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100相對應，并且被設計和調整使得顯微鏡的光軸和焦平面和相應光調制裝置的中心對準。
在這種情況下，來自照明光源41的入射光通過顯微鏡陣列，聚集在面積小于微機電調制裝置100的一個裝置的區(qū)域上，并入射到微機電調制裝置陣列200。根據(jù)輸入的圖像信號，控制入射到微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100的光的反射。從微機電調制裝置陣列200發(fā)射出的光通過投影光學系統(tǒng)45被投影以曝光于記錄介質47的圖像形成表面。投影光被投影以曝光于記錄介質47上，同時沿著掃描方向相對移動，于是可用高分辨率進行大面積曝光。這樣，因為來自照明光源41的光能被顯微鏡陣列聚集，可以實現(xiàn)具有改進的光使用效率的曝光設備。
此外，顯微鏡的鏡頭表面形狀沒有特殊限制，可以是球形表面、半球形表面等，并可以是凸面或凹面。此外，可以采用具有折射率分布的平坦顯微鏡陣列，而且也可以通過二元光學等排列菲涅爾透鏡或衍射型透鏡。作為顯微鏡的材料，例如有透明玻璃或樹脂。樹脂從批量生產(chǎn)的角度看是優(yōu)秀的，而玻璃從壽命和可靠性的角度來看是優(yōu)秀的。從光學角度來看，作為玻璃，石英玻璃、熔融石英、無堿玻璃等是優(yōu)選的；而作為樹脂，丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、聚脂樹脂、聚碳酸脂樹脂、苯乙烯樹脂、氯乙烯樹脂等是優(yōu)選的。應注意，樹脂包括光固化樹脂、熱塑樹脂等，優(yōu)選地根據(jù)顯微鏡的制造工藝進行適當選擇。
接下來，將描述投影設備作為成像設備的另一個例子。
圖28示出了使用本發(fā)明的微機電調制裝置陣列配置的投影設備的示意配置。和圖18中相同的元件將使用相同的參考數(shù)字表示，并且省略其描述。
投影儀400作為投影設備包括照明光源41、照明光學系統(tǒng)43、微機電調制裝置陣列200和投影光學系統(tǒng)51。投影光學系統(tǒng)51是為投影設備將光投影到作為圖像形成表面的屏幕53上的光學系統(tǒng)。照明光學系統(tǒng)43可以是上述的準直透鏡或顯微鏡陣列。
接下來，將描述投影儀400的操作。
例如，從照明光源41發(fā)射出的光通過顯微鏡陣列，聚集在面積小于微機電調制裝置100的一個裝置的區(qū)域上，并入射到微機電調制裝置陣列200。根據(jù)圖像信號，控制入射到微機電調制裝置陣列200的每一個微機電調制裝置100的光的反射。從微機電調制陣列200發(fā)射的光通過投影光學系統(tǒng)51被投影到屏幕53的圖像形成表面。這樣，微機電調制裝置陣列200可以用于投影設備，并且還可應用到顯示裝置上。
因此，在成像設備中，例如曝光設備300或投影儀400，提供以上微機電調制裝置陣列200作為結構的主要部分，因此允許可移動部分15的低壓和高速的位移。因此，允許光敏材料的高速曝光和具有更高數(shù)目像素的投影儀顯示。此外，在其灰度通過接通和切斷曝光光來控制的成像設備(曝光設備300)中，通過縮短接通/切斷時間可以實現(xiàn)更高灰度。結果，允許光敏材料的高速曝光或具有更高數(shù)目像素的投影儀顯示。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以分析旋轉系統(tǒng)微機電調制裝置可移動部分的尺寸和彈性支持部分的彈性力之間的關系，包括由于周圍環(huán)境空氣的粘滯性影響，并闡明可移動部分的動力學行為?；谄湔J知，可以可靠且容易的實現(xiàn)一結構，在該結構中，可移動部分可以適合在低電壓(例如10伏或更低)的條件下移位并保持在最終移位位置。
本發(fā)明在應用于可由低電壓驅動并雙向旋轉的旋轉系統(tǒng)的微機電調制裝置的結構，以及為在低電壓下驅動該調制裝置的動力學分析和條件設置(包括粘滯影響)，微機電調制裝置陣列和成像設備時是有用的。
本申請基于2006年4月4日提出的日本專利申請JP 2006-103359，其整體內容以引用的方式合并于此，一同作為詳細闡明。
權利要求
1.一種微機電調制裝置，包括多個可移動部分，每個都支持在固定基板上，可彈性移位，并且適于雙向旋轉移位，每個可移動部分都具有調制功能；多個驅動部分，每個都適于在向其施加電壓時施加物理作用力到可移動部分；其中，通過驅動部分施加的物理作用力，可移動部分能夠在沿第一方向旋轉移位后達到第一停止位置，在該位置，可移動部分接觸并停止在固定基板一側；并且可移動部分能夠在沿不同于第一方向的第二方向旋轉移位后達到第二停止位置，在該位置，可移動部分接觸并停止在固定基板一側；其中，設置動態(tài)拉入電壓低于保持電壓，驅動部分通過大于或等于保持電壓的驅動電壓，驅動可移動部分，并且所述驅動電壓小于或等于10V，其中，保持電壓是能夠使可移動部分的狀態(tài)原樣保持在每個第一和第二停止位置的電壓，動態(tài)拉入電壓是能夠在過渡時間內，將可移動部分從不在每個第一和第二停止位置的狀態(tài)拉入到每個第一和第二停止位置的狀態(tài)的電壓。
2.根據(jù)權利要求1所述的微機電調制裝置，其中可移動部分通過彈性支持部分支持在固定基板上，通過如下的方式繪制彈性支持部分的彈性力相對于可移動部分的尺寸的關系圖，將線A、線B作為邊界，所述線A表示與可移動部分的如下尺寸有關的彈性支持部分的彈性力界限，在向可移動部分施加預定驅動電壓時，該尺寸能使可移動部分保持在每個第一和第二停止位置；線B表示與可移動部分的如下尺寸有關的彈性支持部分的彈性力界限，當以預定驅動電壓驅動可移動部分時，該尺寸能使可移動部分在過渡時間內被拉入到每個第一和第二停止位置；確定與可移動部分的尺寸有關的彈性支持部分的彈性力，以使其處于相對于線A的彈性支持部分的彈性力降低一側的區(qū)域內，并使其處于相對于線B的可移動部分的尺寸減小一側的區(qū)域內。
3.根據(jù)權利要求2所述的微機電調制裝置，其中所述預定驅動電壓為5V電壓。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的微機電調制裝置，其中，在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大氣壓的情況下，線A是通過如下點Pi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，線B通過是如下點Qi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，其中L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)P5＝(11.6μm，6.22×10-12Nm)P6＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)Q1＝(11.5μm，6.22×10-12Nm)Q2＝(11.5μm，6.16×10-12Nm)Q3＝(11.6μm，5.35×10-12Nm)Q4＝(11.7μm，4.30×10-12Nm)Q5＝(11.8μm，3.22×10-12Nm)Q6＝(12.0μm，2.17×10-12Nm)Q7＝(12.6μm，1.12×10-12Nm)。
5.根據(jù)權利要求2或3所述的微機電調制裝置，其中，在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.5個大氣壓的情況下，線A是通過如下點Pi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力P1＝(6.00μm，3.22×10-12Nm)P2＝(8.00μm，4.30×10-12Nm)P3＝(10.0μm，5.35×10-12Nm)P4＝(12.0μm，6.47×10-12Nm)。
6.根據(jù)權利要求2所述的微機電調制裝置，其中所述預定驅動電壓為3V電壓。
7.根據(jù)權利要求6所述的微機電調制裝置，其中，在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大氣壓的情況下，線A是通過如下點Pi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，線B是通過如下點Qi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，其中L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)P4＝(8.30μm，1.61×10-12Nm)P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)Q1＝(8.20μm，1.59×10-12Nm)Q2＝(8.20μm，1.55×10-12Nm)Q3＝(8.30μm，1.16×10-12Nm)Q4＝(8.40μm，7.75×10-13Nm)Q5＝(8.70μm，3.88×10-13Nm)Q6＝(9.40μm，1.94×10-13Nm)。
8.根據(jù)權利要求2或3所述的微機電調制裝置，其中，在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.5個大氣壓的情況下，線A是通過如下點Pi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，線B是通過如下點Qi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，其中L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)P4＝(9.90μm，1.92×10-12Nm)P5＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P6＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)Q1＝(9.70μm，1.92×10-12Nm)Q2＝(9.80μm，1.90×10-12Nm)Q3＝(9.80μm，1.55×10-12Nm)Q4＝(9.90μm，1.16×10-12Nm)Q5＝(10.1μm，7.75×10-13Nm)Q6＝(10.5μm，3.88×10-13Nm)Q7＝(11.6μm，1.94×10-13Nm)。
9.根據(jù)權利要求2或3所述的微機電調制裝置，其中，在可移動部分的周圍環(huán)境壓力是大約0.1個大氣壓，并且可移動部分的尺寸是4μm到11.5μm的情況下，線A是通過如下點Pi(L，F(xiàn))的線，其中i是正整數(shù)序號，L為可移動部分的尺寸，F(xiàn)為支持部分的彈性力P1＝(6.00μm，1.16×10-12Nm)P2＝(8.00μm，1.55×10-12Nm)P3＝(10.0μm，1.94×10-12Nm)P4＝(12.0μm，2.33×10-12Nm)。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(4.83×105±3.88×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
11.根據(jù)權利要求1或2所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(3.79×105±2.86×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
12.根據(jù)權利要求1或2所述的微機電調制裝置，其中施加了驅動電壓的可移動部分的行為是，可移動部分的粘滯阻尼比ζ滿足如下公式ζ＝(1.34×105±1.30×104)/2ω其中ω是振動角頻率。
13.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中可移動部分接觸到位于各最終移位位置的制動部件，并停留于此。
14.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中施加物理作用力到可移動部分的多個施加點上。
15.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中通過驅動部分用于沿第一方向和第二方向移位可移動部分的物理作用力是靜電力。
16.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中可移動部分的平面外形是四邊形。
17.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于旋轉移位可移動部分的物理作用力的波形包括矩形波、正弦波、余弦波、鋸齒波以及三角波中的至少一種。
18.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于以可彈性移位的方式支持可移動部分的彈性支持部分由聚合物材料制成。
19.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中用于以可彈性移位的方式支持可移動部分的彈性支持部分由金屬材料、樹脂材料及其混合材料中的至少一種制成。
20.根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，還包括用于通過驅動可移動部分來控制調制操作的控制部分。
21.一種微機電調制裝置陣列，包括根據(jù)權利要求1到3中任一項所述的微機電調制裝置，其中微機電調制裝置一維或者二維排列。
22.根據(jù)權利要求21所述的微機電調制裝置陣列，其中每一個微機電調制裝置含有包括存儲電路的驅動電路，在可移動部分和面向可移動部分的至少兩個或更多的固定部分上設置的電極之一是輸入來自驅動電路的裝置位移信號的信號電極，而另一電極是公共電極。
23.一種成像設備，包括光源；根據(jù)權利要求21或22所述的微機電調制裝置陣列；照明光學系統(tǒng)，用于將來自光源的光照射到微機電調制裝置陣列；以及投影光學系統(tǒng)，用于將從微機電調制裝置陣列發(fā)射的光投影到圖像形成表面上。
24.一種方法，用于設計微機電調制裝置，所述微機電調制裝置包括彈性支持部分和由彈性支持部分支持的可移動部分，并且該裝置可由低電壓驅動，所述方法包括通過在平面上描繪限制點的方式獲得特征線A，在所述限制點上，可移動部分可以由所需電壓保持在最終移位位置，所述平面表示彈性支持部分的彈性力與可移動部分的尺寸之間的關系；通過在所述平面上描繪限制點的方式獲得特征線B，在所述限制點上，可移動部分在所需電壓驅動的情況下，可以在過渡時間內被拉入到最終移位位置；以及確定與可移動部分的尺寸有關的彈性支持部分的彈性力，以使其處于以線A為邊界的彈性支持部分的彈性力降低一側的區(qū)域內，并使其處于以線B為邊界的可移動部分的尺寸減小一側的區(qū)域內。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中在通過施加驅動電壓到可移動部分分析可移動部分的行為時，可以通過如下公式確定可移動部分的粘滯阻尼比ζ，其中將阻尼作為質量正比阻尼，其中粘滯阻尼比正比于質量ζ∝α/2ω其中，α為粘滯阻尼常數(shù)，ω振動角頻率。
全文摘要
一種微機電調制裝置，包括多個于此定義的可移動部分，以及多個于此定義的驅動部分，其中設置于此定義的動態(tài)拉入電壓小于于此定義的保持電壓，并且驅動部分通過驅動電壓來驅動可移動部分，所述驅動電壓大于或等于保持電壓，其值小于或等于10V。
文檔編號G02B27/00GK101051115SQ200710092100
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權日2006年4月4日
發(fā)明者荻洼真也, 木村宏一, 望月文彥, 中村博親 申請人:富士膠片株式會社