使用微機電系統裝置的壓力測量的制作方法

專利名稱：使用微機電系統裝置的壓力測量的制作方法
使用微機電系統裝置的壓カ測量本申請是國際申請日為2009年6月16日，國際申請號PCT/US2009/047552，發明名稱為“使用微機電系統裝置的壓カ測量”的PCT申請在進入中國國家階段后申請號為200980122695. 8的發明專利申請的分案申請。
背景技術：
微機電系統(MEMS)包含微機械元件、激活 器和電子元件。可使用沉積、蝕刻和/或其它蝕刻掉襯底和/或已沉積材料層的部分或者添加層以形成電裝置和機電裝置的微加エエ藝來產生微機械元件。一種類型的MEMS裝置稱為干涉式調制器。如本文所使用，術語干涉式調制器或干渉式光調制器指的是ー種使用光學干渉原理選擇性地吸收、發射且/或反射光的裝置。在某些實施例中，干涉式調制器可包括ー對導電板，其中的一或兩者可能整體或部分透明且/或具有反射性，且能夠在施加適當電信號時進行相對運動。在特定實施例中，一個板可包括沉積在襯底上的固定層，且另一個板可包括通過氣隙與固定層分離的金屬薄膜。如本文更詳細描述，一個板相對于另一個板的位置可改變入射在干涉式調制器上的光的光學干渉。這些裝置具有廣范圍的應用，且在此項技術中，利用且/或修改這些類型裝置的特性使得其特征可被發掘用于改進現有產品和創建尚未開發的新產品，將是有益的。當前發明的裝置希望測量所述裝置周圍的壓力，且盡管其具有與干涉式調制器相類似的結構，但其可具有或者可不具有典型的干涉調制器的光學特性。

發明內容
本發明的ー個方面是用于測量壓力的裝置，所述裝置包括至少ー個包括由空間分離的兩個層的元件，其中所述空間的尺寸在可變的時間周期中響應于施加在所述兩個層上的電壓而改變；以及測量模塊，其經配置以測量所述時間周期，其中所述時間周期指示所述裝置周圍的環境壓力。本發明的另一方面是ー種測量環境壓力的方法，其包括將電壓施加在MEMS裝置的兩個層上，測量所述裝置的響應時間的值特征，以及基于所測得的值來確定所述裝置周圍的壓力。本發明的又一方面是ー種用于測量壓カ的裝置，所述裝置包括至少ー個包括由空間分離的兩個導電層的元件，其中所述空間的尺寸在可變的時間周期中響應于施加在所述兩個層上的電壓的變化而改變；測量模塊，其經配置以當施加在所述兩個導電板之間的電壓存在改變時測量隨著時間而變在兩個導電層之間流動的電流；以及處理器，其經配置以確定施加電壓脈沖時與發生運動電流的局部最大值時之間的時間差，其中所述處理器進ー步經配置以使所述時間差與環境壓力相關聯。


圖IA展示處于釋放狀態的本發明的實施例。
圖IB展示處于激活狀態的本發明的實施例。圖IC展示施加電壓和歸因于所述施加電壓的本發明的一個實施例的電流響應。圖2是展示根據本發明的一個實施例的測量壓力的方法的流程圖。圖3是MEMS裝置的一個示范性實施例的可移動鏡位置對施加電壓的圖表。 圖4是描繪作為干涉式調制器顯示器的本發明的一個實施例的一部分的等角視圖，其中第一干涉式調制器的第一層(可移動反射層)處于松弛位置，且第二干涉式調制器的第一層處于激活位置。圖5是本發明的示范性實施例。
具體實施例方式對干涉式光調制器的典型使用涉及利用所述裝置的光學特性。在一些實施例中，所述干涉式光調制器是具有兩個狀態的雙穩裝置，每ー狀態具有不同的光學特性。特定調制器所處的狀態可通過施加適當的電信號來控制。因此，干渉式光調制器較好地適合于顯示器應用。然而，具有與干渉式光調制器類似的結構的MEMS裝置的其它特性可用于其它目的，例如，對所述裝置周圍的環境壓カ進行的測量。圖IA展示在第一時間處于松弛狀態的本發明的實施例，且圖IB展示在第二時間處于激活狀態的同一 MEMS裝置。圖IC展示能夠導致激活的施加電壓和歸因于所述施加電壓的本發明的一個實施例的電流響應。圖IA和圖IB中所示的MEMS裝置包括第一層24和第二層26。所述兩個層可由支撐件28分離。當電壓立即施加到裝置的所述兩個層上時，所述裝置需要一些時間使狀態從圖IA中所示的松弛狀態改變到圖IB中所示的激活狀態。應了解，所述裝置可設計為不具有支撐件28，或兩個層可在施加電壓后即刻向彼此移動。此MEMS裝置激活或釋放所花的時間取決于所述裝置的設計、電壓信號和環境壓力。在一個實施例中，所述調制器的激活時間是環境壓カ的線性函數。如此，在適當的控制和測量電路的情況下，MEMS裝置可用作壓カ傳感器。在一個實施例中，施加電壓30從第一值32改變到第二值34導致第一層24開始向第二層26移動。所得電流響應36可展現多個峰，如由在第一層24與第二層26之間連接的電流表22所測得的。一般來說，可通過以下等式來描述電流響應36
r n T dO メ V ,バノC/ = — = C — + I —
di dt ch第一峰38由施加電壓30從第一值32改變到第二值34引起，如由以上等式中的第一項所描述。第二峰40由與第一層24相對于第二層26的移動相關聯的電容改變引起，如由以上等式中的第二項所描述。第一層24相對于第二層26的運動，且因此電流響應36中的第二峰40，受環境壓カ的影響。由于第一層24隨著其向第二層26移動而加快速度，所以對應于第二峰40的左半邊的測得的電流增加。在最大速度點處，第一層24隨著其將在其與第二層26之間的空氣推出而開始減速。此點由電流響應36的第二峰40中的最大值指示。最后，第一層24達到休止，其中所述裝置處于激活狀態。因此可以若干方式測量裝置的激活時間。舉例來說，可將激活時間認為是第一層24到達最大速度所需的時間的量。還可將激活時間認為是第一層從松弛狀態充分移動到激活狀態所需的時間的量。激活時間可通過測量第二峰40的銳度而定性，例如，測量當第二峰40在增加時第一次到達50%的最大值時與當第二峰40在減少時第二次到達50%的最大值時之間的時間。釋放時間，即，從激活狀態到松弛狀態的改變所花的時間，也是壓カ的函數，且還可用以測量裝置向其暴露的環境壓力。圖2是展示根據本發明的一個實施例的測量壓力的方法50的流程圖。在第一階段，將電壓施加到MEMS裝置的兩個層上(72)。在下ー階段，測量從此施加電壓所得的電流響應(74)。在下ー階段，基于測得的電流響應來獲得所述裝置的響應時間的值特征(76)。在最終階段，基于響應時間的值特征來獲得裝置周圍的壓力(78)。通過線性機械カ與非線性靜電カ競爭而實現此MEMS裝置 的雙穩特性。這在裝置中產生滯后。在本發明的一個實施例中，如圖3中所示，當沒有電壓施加到第一層24和第ニ層26上時，第一層24的位置離開第二層，且所述裝置處于松弛狀態，如點A所指示。隨著所述兩個層上的電壓增加，MEMS裝置仍然處于松弛狀態直到到達閾值為止，如點B所指示。在所述兩個層上的電壓超過此閾值后，第一層24改變位置為更靠近第二層26且所述MEMS裝置處于激活狀態，由點C所指示。隨著電壓減少，即使在電壓減少到首先弓丨起元件激活的電壓之下時，所述MEMS裝置也停留在激活狀態，由點D所指示。在電壓已減少到第二閾值之下后，MEMS裝置進入松弛狀態，又由點A所指示。發生滯后效應，而與電壓的極性無關，即，在使用負電壓而不是正電壓的情況下也是如此。如剛剛所描述的，本發明的一個實施例展現滯后。因此，為激活或釋放所述裝置而施加的電壓可采取很多形式。如圖IC中所示，所施加的電壓可以是從釋放電壓到激活電壓的階躍函數。然而，從保持電壓(例如，5伏持)到激活電壓(例如，10伏持)的改變還可引起處于釋放狀態的裝置的激活。類似地，盡管階躍函數展示在圖IC中，但周期函數(例如方波)可有利于隨著裝置重復地改變狀態而重復地測量裝置周圍的壓力。雙層MEMS裝置或此MEMS裝置的陣列作為壓カ傳感器的使用與典型的壓カ傳感器相比具有許多優點。在一些實施例中，此MEMS裝置的構造適合于此裝置的陣列的產生。陣列的使用給測量増加了冗余。如果元件或者甚至元件的一小部分無法操作，那么裝置作為整體仍可用以測量壓力。作為壓カ傳感器，所述裝置可用作氣壓計來測量環境壓力。所述裝置可用作高度計。所述裝置可用作血壓計的一部分來測量血壓。在適當的設計下，所述裝置可用以記錄由用戶施加的壓力。在本發明的一個實施例中，所述裝置進ー步被配置為具有特別可配置的光學特性的干涉式調制器，如下文所描述。如此，將所述裝置用作觸摸屏顯示器的一部分可能是可能的。而且，盡管所述裝置被描述為測量氣壓，但應注意此經配置的MEMS裝置還可測量其它形式的壓力。圖4是描繪干涉式調制器陣列的一個實施例的一部分的等角視圖，其中第一干渉式調制器的可移動反射層處于松弛位置，且第二干涉式調制器的可移動反射層處于激活位置。如所描述，經設計以測量壓カ的MEMS裝置可進ー步配置有特定光學特性。類似地，標準干涉調制器可用作一般MEMS裝置以測量環境壓力。圖4中調制器陣列的所描繪部分包含兩個鄰近干涉式調制器12a和12b。在左側干涉式調制器12a中，說明第一層(可移動反射層14a)處于距第二層(包含部分反射層的光學堆疊16a)預定距離處的松弛位置中。在右側干涉式調制器12b中，說明可移動反射層14b處于鄰近于光學堆疊16b的激活位置中。光學堆疊16a和16b (統稱為光學堆疊16)通常包括若干熔合層(fused layer),所述熔合層可包含例如氧化銦錫(ITO)的電極層、例如鉻的部分反射層和透明電介質。因此，光學堆疊16是導電的、部分透明且部分反射的，且可通過(例如)將上述層的一者或一者以上沉積到透明襯底20上來制造。部分反射層可由例如各種金屬、半導體和電介質等部分反射的多種材料形成。部分反射層可由一個或一個以上材料層形成，且所述層的每一者可由單一材料或材料的組合形成。在一些實施例中，光學堆疊16的層經圖案化成為多個平行條帶，且如下文中進一步描述，可在顯示裝置中形成行電極。可移動反射層14a、14b可形成為沉積金屬層(一層或多層)的一系列平行條帶(與16a、16b的行電極垂直)，所述金屬層沉積在柱18和沉積于柱18之間的介入犧牲材料的頂部上。當蝕刻去除犧牲材料時,可移動反射層14a、14b通過所界定的間隙19而與光學堆疊16a、16b分離。例如鋁的高度導電且反射的材料可用于反射層14，且這些條帶可在顯示裝置中形成列電極。在沒有施加電壓的情況下，間隙19保留在可移動反射層14a與光學堆疊16a之 間，其中可移動反射層14a處于機械松弛狀態，如圖4中像素12a所說明。然而，當將電位差施加到選定的行和列時，在對應像素處的行電極與列電極的交叉處形成的電容器變得帶電，且靜電力將所述電極拉在一起。如果電壓足夠高，那么可移動反射層14變形且被迫抵靠光學堆疊16。光學堆疊16內的電介質層(在此圖中未說明)可防止短路并控制層14與16之間的分離距離，如圖4中右側的干涉式光調制器12b所說明。不管所施加的電位差的極性如何，表現均相同。以此方式，可控制反射像素狀態對非反射像素狀態的行/列激活在許多方面類似于常規LCD和其它顯示技術中所使用的行/列激活。本發明的一些實施例可包含用以輸出測得的環境壓力的顯示器元件。所述顯示器元件可以是LCD顯示器，例如用于手表中的LCD顯示器，或者所述顯示器元件可以是干涉式陣列。在干涉式陣列用以顯示環境壓力的情況下，對所述陣列進行配置以既測量又顯示裝置周圍的環境壓力可能是可能的。圖5是本發明的示范性實施例。在此實施例中，裝置50包括處理器52、存儲器54、輸入56、圖像源模塊58、收發器60、測量模塊62、控制器64、驅動器66以及顯示器68。在一示范性操作中，希望測量所述裝置周圍的壓力的用戶使用輸入56指示此愿望。處理器52將此指令傳遞到控制器64，這激活驅動顯示器68的驅動器66。連接到顯示器68的測量模塊62測量體現在顯示器68中的MEMS裝置中的至少一者的電流響應，且將此信息傳遞到處理器52。所述處理器可存取存儲有用以根據測得的電流響應計算裝置周圍的壓力的代碼的存儲器54。所述裝置可體現于從圖像源模塊58接收圖像的一般顯示器單元中。另外，所述圖像源模塊58連接到收發器60，所述收發器60可充當發射器和接收器，以便接收新圖像。前述描述陳述本文中揭示的本發明的各種優選實施例和其它示范性但非限制性實施例。所述描述給出一些有關所揭示的發明的組合和模式的細節。實施例的所揭示的特征和方面的其它改變、組合、修改、模式和/或應用也在本發明內容的范圍內，包含所屬領域的技術人員在讀到本說明書就明白的那些內容。因此，應該只有通過對所附的權利要求書的仔細閱讀來確定本文中主張的本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于測量壓力的裝置，其包括 至少一個包括由空間分離的兩個層的元件，其中所述空間的尺寸響應于施加的激勵而改變；以及 處理器，其經配置以確定時間周期，經歷所述時間周期所述空間的尺寸由第一尺寸改變為第二尺寸，及基于所確定的時間周期確定所述裝置周圍的環境壓力。
2.根據權利要求I所述的裝置，其中所述至少一個元件包含至少一微機電系統(MEMS)元件。
3.根據權利要求I所述的裝置，其中所述至少一個元件包含至少一干涉式調制器。
4.根據權利要求I所述的裝置，其中所述至少一個元件包含若干包含兩層的元件，且所述處理器經配置以確定若干獨立時間周期；及基于所確定的時間周期確定所述裝置周圍的環境壓力。
5.根據權利要求I所述的裝置，其中所述處理器進一步經配置以施加激勵于所述至少一個兀件。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述激勵包含所述兩層上的施加電壓。
7.根據權利要求I所述的裝置，進一步包含經配置以顯示所確定的電壓的顯示器。
8.根據權利要求I所述的裝置，其中所述處理器進一步經配置以基于所確定的環境壓力確定高度，并進一步包含經配置以顯示所確定的高度的顯示器。
9.根據權利要求I所述的裝置，其中所述處理器經配置以通過測量電流來確定所述時間周期，所述電流層由所述層中的至少一者的運動引發。
10.根據權利要求9所述的裝置，其中所述處理器經配置以通過確定一時長來確定所述時間周期，所述時長是施加電壓于所述兩層上時與所述電流達到相對最大值時之間的時間。
11.根據權利要求9所述的裝置，其中所述處理器經配置以通過確定第一時間與第二時間之間的時長來確定所述時間周期，所述第一時間與第二時間各自是當所述電流達到一相對最大值的預定百分比時。
12.根據權利要求I所述的裝置，其中所述處理器經配置以通過測量所述兩層上的電容來確定所述時間周期。
13.根據權利要求I所述的裝置，其中所述處理器經配置以將所述至少一個元件的釋放時間或激活時間確定為所述時間周期。
14.一種測量壓力的方法，其包括 施加激勵于元件，所述元件包含由空間分割的兩個層，其中所述空間的尺寸響應于所述激勵而改變； 確定時間周期，經歷所述時間周期所述空間的尺寸由第一尺寸改變為第二尺寸；及 基于所確定的時間周期確定所述元件周圍的環境壓力
15.根據權利要求14所述的方法，其中施加所述激勵包含施加電壓于所述兩層上。
16.根據權利要求14所述的方法，其中施加所述激勵包含施加所述激勵于一微機電系統(MHMS)元件。
17.根據權利要求14所述的方法，其中施加所述激勵包含施加電壓于一干涉式調制器的兩層上。
18.根據權利要求14所述的方法，進一步包含顯示所確定的電壓。
19.根據權利要求14所述的方法，進一步包含基于所確定的環境壓力確定高度，并顯不所確定的聞度。
20.根據權利要求14所述的方法，其中確定所述時間周期包含測量由所述層中的至少一者的運動引發的電流。
21.根據權利要求20所述的方法，其中確定所述時間周期包含確定施加電壓于所述兩層上時與所述電流達到相對最大值時之間的時長。
22.根據權利要求20所述的方法，其中確定所述時間周期包含確定第一時間與第二時間之間的時長，所述第一時間與第二時間各自是當所述電流達到一相對最大值的預定百分比時。
23.根據權利要求14所述的方法，其中確定所述時間周期包含測量所述兩層上的電容。
24.根據權利要求14所述的方法，其中確定所述時間周期包含確定所述元件的釋放時間或激活時間。
25.一種測量壓力的系統，其包括 激勵施加裝置，施加激勵于元件，所述元件包含由空間分割的兩個層，其中所述空間的尺寸響應于所述激勵而改變； 時間周期確定裝置，確定時間周期，經歷所述時間周期所述空間的尺寸由第一尺寸改變為第二尺寸 '及 環境壓力確定裝置，基于所確定的時間周期確定所述元件周圍的環境壓力。
26.根據權利要求25所述的系統，其中所述激勵施加裝置包含施加電壓于所述兩層上的裝置。
27.根據權利要求25所述的系統，其中所述激勵施加裝置包含施加所述激勵于一微機電系統(MEMS)元件的裝置。
28.根據權利要求25所述的系統，其中所述激勵施加裝置包含施加電壓于一干涉式調制器的兩層上的裝置。
29.根據權利要求25所述的系統，進一步包含顯示所確定的電壓的裝置。
30.根據權利要求25所述的系統，進一步包含基于所確定的環境壓力確定高度的裝置，及顯示所確定的高度的裝置。
31.根據權利要求25所述的系統，其中所述時間周期確定裝置包含測量由所述層中的至少一者的運動引發的電流的裝置。
32.根據權利要求31所述的系統，其中所述時間周期確定裝置包含時長確定裝置，確定施加電壓于所述兩層上時與所述電流達到相對最大值時之間的時長。
33.根據權利要求31所述的系統，其中所述時間周期確定裝置包含時長確定裝置，確定第一時間與第二時間之間的時長，所述第一時間與第二時間各自是當所述電流達到一相對最大值的預定百分比時。
34.根據權利要求25所述的系統，其中所述時間周期確定裝置包含測量所述兩層上的電容。
35.根據權利要求25所述的系統，其中所述時間周期確定裝置包含確定所述元件的釋放時間或激活時間。
36.根據權利要求25所述的系統，其中所述激勵施加裝置、所述時間周期確定裝置及所述環境壓力確定裝置中的至少一者包含處理器。
37.一種包含指令的非易失性計算機可讀存儲媒質，當所述指令由裝置執行時，引發所述裝置 施加激勵于元件，所述元件包含由空間分割的兩個層，其中所述空間的尺寸響應于所述激勵而改變； 確定時間周期，經歷所述時間周期所述空間的尺寸由第一尺寸改變為第二尺寸；及 基于所確定的時間周期確定所述元件周圍的環境壓力。
38.根據權利要求37所述的非易失性計算機可讀存儲媒質，其中引發所述裝置施加激勵的指令包含引發所述裝置施加電壓于所述兩層上的指令。
39.根據權利要求37所述的非易失性計算機可讀存儲媒質，進一步包含由所述裝置執行時引發所述裝置顯示所確定的電壓的指令。
40.根據權利要求37所述的非易失性計算機可讀存儲媒質，其中引發所述裝置確定時間周期的指令包含引發所述裝置確定施加電壓于所述兩層上時與所述電流達到相對最大值時之間的時長的指令。
全文摘要
本發明揭示一種用以測量壓力的裝置。在一個實施例中，所述裝置包括至少一個包括由空間分離的兩個層(24、26)的元件，其中所述空間的尺寸在可變的時間周期中響應于施加在所述兩個層上的電壓而改變；以及測量模塊，其經配置以測量所述時間周期，其中所述時間周期指示所述裝置周圍的環境壓力。
文檔編號G01L9/00GK102788657SQ201210244380
公開日2012年11月21日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年6月18日
發明者卡斯拉·哈澤尼 申請人:高通Mems科技公司