CN102844263B - 电磁致动微快门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁致动微控制器，包括：一块活动板(1)，该活动板可绕一个轴(11)旋转，由在该板的两侧上对齐到所述轴(11)的两个臂形件(7，9)连接到一个静止框架(3)上，并在其***上包括一个导电环(13)；以及在由该静止框架和该活动板形成的组件下面，一组磁铁(51，53，55)具有相异磁定向，以关于该活动板在该框架的平面中创建相对于该旋转轴的倾斜的一个横向磁场(57)的方式排列。

Description

电磁致动微快门

技术领域

本发明涉及由制造微机电***(MEMS)的方法形成的活动微快门。具体而言，其属于一种新型电磁致动微快门结构。本发明应用的一个例子涉及电磁致动微镜。

背景技术

基于MEMS技术的活动微快门用于众多器件，例如用于小型化投影***和可见或红外光传感器例如条形码阅读器。这里感兴趣的是通过轴附加到框架上并通过电磁装置围绕该轴可定向的微镜。

图1示意示出了在一个硅晶圆中形成的包括一个电磁致动活动微镜的一个MEMS结构。该结构包括附加到一个静止框架3上的一块反射活动小板件1或微镜。一个缝隙5在活动板1和框架3之间延伸。板件1由在该板的两侧上沿一个相同轴11对齐的两个臂形件7和9连接到框架3上。因此，板件1围绕臂形件7和9形成的轴11可旋转。板件1的移动在臂形件7和9上施加扭转。

一条导电路径13沿着板件1正面的***。路径13横穿臂形件7并在框架3上形成的触点15和17终止。触点15和17以电流在由箭头19表示的方向上在导电路径13中流动的方式(在直流的情况下)连接到未示出的一个电源上。

框架3和板件1的组装受到由箭头21表示的一个横向磁场，其中场线基本垂直于轴11并基本平行于框架3的平面。

在电流流过导电路径13时，相反拉普拉斯力在平行于轴11并且相反电流在其中流动的路径13的部分上正交地施加到框架的平面上。这些结合力产生了板件1围绕其轴11的旋转(其角度由电流方向和强度特别确定)。因此，有可能的是通过改变在触点15和17之间施加的电压的符号和值来调制板件1的定向和斜度。

图2示出了示意表示包括关于图1描述类型的电磁致动微镜的MEMS结构的剖面图。在该图中，人们可以看到硅晶圆在活动板1形成的位置下面是中空的。支架23封闭该凹处。同样一般在微镜上提供一个罩盖，该罩盖未示出并优选透明从而保护板件1免于污染物侵入。

两块磁铁25和27对称放置在轴11的两侧上。具有横向磁定向的磁铁25和27在移动板件1的面积中创建了其场线正交于轴11并平行于框架3平面的一个磁场。

关于图1和2描述类型的微镜结构的一个缺点在于大小与磁铁25和27放置方式有关。

实际上，活动板1可以是在一侧测量约1mm的正方形，缝隙5可测量基本50μm，并且框架可具有基本1mm的宽度。

磁铁25和27的表面积(如从上面观察)添加到框架3的表面积中。然而，磁铁25和27相对远离活动板1。因此，为确保活动板1面积中的充足磁场，它们必须具有约2mm宽、2mm厚和3mm长的尺寸。结构的总表面积因此至少由于磁铁25和27的存在而翻倍。

图3示意示出了包括电磁致动微镜的另一MEMS结构。为清晰起见，仅详述关于图2的不同。

为限制大小，提议由具有垂直磁场定向、放置在由活动板1和框架3形成的组件下面的磁铁31替代图2中具有横向磁场定向的磁铁25和27。磁铁31关于活动板创建了其场线正交于框架3平面的一个磁场。

提供了一个导电线圈，该导电线圈分为具有相反方向的两个分离绕组33和35，这两个绕组排列在板件1的正面上、在平行于旋转轴11的板件1的每个边缘一侧。该线圈适合连接到一个电源上。

当电流在线圈中流动时，相反的吸引力和排斥力在磁铁31和分离绕组33与35中的每一个之间施加，导致活动板1围绕其自己的轴11旋转移动。

该类型微镜的缺点在于损失了活动板1正面上可用表面，这与线圈33和35尺寸有关。活动部件的质量将同样会更大，这需要人们为给定磁场提供更高电流从而使其移位。另外，因为其增加的质量，活动板较低耐受冲击。

发明内容

因此，本发明一个实施方案的一个目的是提出补偿传统结构的全部或一些缺点的电磁致动微快门结构。

本发明一个实施方案的一个目的是提出具有微小表面尺寸的这样的结构。

本发明一个实施方案的一个目的是提出易于制造的这样一种结构。

因此，本发明一个实施方案提供了一种电磁致动微快门，包括：一块板件，该板件绕一个轴可旋转，由在该板的两侧上沿所述轴对齐的两个臂形件连接到一个静止框架上，并在其***上包括一个导电环；以及在由该静止框架和该活动板形成的组件下面，具有相异磁定向的一组磁铁被排列为使得为活动板在框架平面中创建一个相对于旋转轴倾斜的横向磁场。

根据本发明一个实施方案，从自顶向下图，该磁铁群的尺寸严格等于由静止框架和活动板形成的组件的尺寸。

根据本发明一个实施方案，横向磁场正交于旋转轴。

根据本发明一个实施方案，该磁铁群包括三块磁铁，该三块磁铁从顶部观察具有平行于旋转轴的条形，在平行于静止框架平面的相同平面中并置，中心磁铁具有与活动板的宽度相等的宽度并具有横向磁定向；并且***磁铁具有正交于框架平面并在相反方向上的磁定向。

根据本发明一个实施方案，导电环的末端跨过这些臂形件之一并连接到在静止框架上形成的接触元件上。

根据本发明一个实施方案，活动板的上表面是反射性的。

根据本发明一个实施方案，微镜在静止框架上面具有一个保护盖。

根据本发明一个实施方案，活动板经由一个活动框架连接到静止框架上，该活动框架由在活动框架的两侧上相对于一个次旋转轴对齐的两个臂形件连接到静止框架上，该次旋转轴正交于所述轴，该活动框架包括一个导电环。

根据本发明一个实施方案，横向磁场相对于旋转轴是基本45度。

附图说明

将在特定实施方案的以下描述中详细解释通过非限制例子相对于附图给出的这些目的、特性和优点及其它，其中：

较早描述的图1示意示出了包括一个电磁致动微镜的一个结构；

较早描述的图2是关于图1描述类型的一个结构的剖面图；

较早描述的图3是示意示出了包括一个电磁致动微镜的另一结构的一个剖面图；

图4是示意示出了包括一个电磁致动微镜的一个样本结构的一个剖面图；

图5是示意示出了包括根据本发明一个实施方案的一个电磁致动微镜的一个样本结构的一个剖面图；

图6A是包括根据本发明一个设计变体的一个电磁致动微镜的一个结构的一个示意顶视图；

图6B是图6的一个顶部剖面图；以及

图7是示出了关于图5描述的结构一部分的一个应用的另一例子的一个透视图。

具体实施方式

为清晰起见，相同元件在不同图中由相同参考号指定，并另外如在示出微型组件中普遍，各图不按比例绘制。

图4是示意示出了在一个硅晶圆中形成的包括一个电磁致动微镜的一个样本结构的一个剖面图。如同关于图2描述的结构，该结构包括固定在一个静止框架3中的一个反射性活动板1。一个缝隙5将活动板1从框架3分离开。活动板1由未示出的在板件的两侧上沿相同轴11对齐的两个或一对臂形件连接到框架3上。因此，板件11绕轴11可旋转。

一个导电环13沿着活动板1正面的***。路径13的末端跨过例如板件1的支臂之一，并且在未示出的在框架3上形成并适合连接到电源上的触点中结束。

具有横向磁定向的一块磁铁41放置在由活动板1和框架3形成的组件下面。这样的磁铁关于活动板1创建基本正交于旋转轴11的一个磁场。该磁场连接到从磁铁的一极到另一极的返回场线上，并且由箭头43所示的其方向与磁铁41的磁定向基本相反。

在电流流过导电路径13时，相反拉普拉斯力在平行于轴11并且相反电流在其中流动的路径13的部分上施加。这导致活动板1根据由电流方向和强度确定的角度绕其自己的轴11旋转。

然而，这样的结构完全是理论上的。实际上，由磁铁创建的磁场完全围绕其分布，并且关于活动板，磁场不足以获得板件1的显著位移。需要高强度电流移动通过环路13从而获得活动板的显著位移，这将导致能量过多消耗。

图5是示意示出了包括根据本发明一个实施方案的一个电磁致动微镜的一个样本结构的一个剖面图。为清晰起见，这里仅详述与图4中所示结构的不同。

代替具有其横向磁定向的磁铁41，人们提供了具有相异磁定向的一组三块磁铁，该三块磁铁以关于活动板1创建平行于框架3的平面并正交于旋转轴3的磁场的方式排列，该磁场足以在没有能量过多消耗的情况下获得活动板1的位移。

根据一个优选实施方案，提供了从自顶向下图具有平行于轴11的条形并置在平行于框架3的相同平面中的三块磁铁51、53、55。磁铁51具有与活动板1基本相同的宽度，例如大约1mm，并具有与由框架3和板件1形成的组件基本相同的长度，例如约3mm。3块磁铁的组具有与框架3基本相同的宽度。当然应当理解这些尺寸仅为举例目的而给出。中心磁铁51的宽度可例如稍小于或稍大于活动板1的宽度。优选地，为限制大小，该磁铁群的尺寸严格等于或稍小于由静止框架和活动板形成的组件的尺寸。然而，在前文中，应当理解“基本相同的宽度”指代等于基本加或减30％的宽度。

中心磁铁51具有横向磁定向，换言之，基本平行于框架3的平面并基本正交于轴11的定向。

***磁铁53和55具有垂直磁定向，换言之，基本正交于框架3的平面的定向。磁铁53和55的定向在方向上基本相反。

因此，对于活动板1和上面磁铁群的中心部分，由磁铁51、53、55各自创建的场线基本横向并在相同方向上。这些元件用降低的能耗一起创建了由箭头57表示的足以获得活动板1位移的一个横向磁场。然而，关于和活动板1相反的磁铁群，这些场线具有相互抵消的趋势。这使之特别有可能限制与一个器件的其它元件的电磁相互作用。

当然应当理解***磁铁和中心磁铁的磁定向的方向以合适方式被选择，因此这些场线的横向分量在活动板的一侧累加并在这些磁铁的底侧上相互抵消，并且不以相反方式累加或抵消。

图6A和6B示意示出了本发明的一个变体设计。它们描绘了包括一个电磁致动微快门的一个MEMS结构，其中微快门相对于两个相异(例如正交)的旋转轴活动。

图6A是一个自顶向下图。一块活动板61连接到一个活动框架63上，活动框架63其自身连接到一个静止框架65上。两个缝隙67和69在活动板61和活动框架63之间以及在活动框架63和静止框架65之间分别延伸。板件61由在板件的两侧上沿一个相同轴72对齐的两个臂形件71a和71b连接到活动框架63上。因此，板件61绕轴72可旋转。活动框架63由在活动框架的两侧上沿一个相同轴74对齐的两个臂形件73a和73b连接到静止框架65上，例如正交于轴72的轴74。因此，活动框架绕轴74可旋转。板件61因此经活动框架63相对于两个正交旋转轴72和74活动。

如在关于图1、2、4和5描述的例子中，一条导电路径76沿着活动板61正面的***。路径76的末端(未示出)穿过板件61支臂之一，并穿过活动框架63的支臂之一，并在框架65上在适合连接到一个电源的触点中结束。

另外，一条导电路径78沿着活动框架63正面的***。路径78的末端(未示出)穿过活动框架的支臂之一，并在框架65上在适合连接到一个电源的触点中结束。

由框架65、活动框架63和板件61构成的组件受到由箭头80表示的基本平行于框架平面并相对于旋转轴72和74在45°基本定向的一个磁场。

有可能的是通过改变在路径76和78中的每一个中施加的电流的符号和值个别致动轴72和74中的每一个。板件61相对于轴72的旋转移动与正交于轴72的磁场80的分量有关。

图6是图6A的MEMS结构的剖面自顶向下图，示意表示一群三块磁铁，该三块磁铁具有相异磁定向，在图6A中示出的由活动板61、活动框架63和框架65形成的组件下排列。该磁铁群适合为板件61和活动框架63创建基本平行于框架65的平面并相对于旋转轴72和74基本在45°的磁场80。

相似于关于图5描述的实施方案，提供了三块磁铁81、83、85，该三块磁铁在一个自顶向下图中具有正交于磁场80方向的条形，在平行于框架65的一个相同平面中并置。优选地以该磁铁群不延伸越过由框架65、活动框架63和板件61构成的组件的方式切割形成磁铁81、83、85的条形物。

中心磁铁81具有基本平行于框架65的平面并相对于旋转轴72和74基本在45°的横向磁定向。***磁铁83和85具有基本正交于框架65的平面的垂直磁定向。磁铁83和85的磁定向具有基本相反的方向。

关于板件61和活动框架63，由磁铁81、83和85中的每一个创建的场线基本平行于框架65的平面，相对于轴72和74基本在45°，并基本具有相同方向。这些元件一起创建了由箭头80在图6A中示出的磁场。

所提出的实施方案的一个优点是磁铁在由活动板和框架形成的组件下排列，并且它们不延伸越过该组件。这使得人们能够将微镜的表面积相对于在图2中示出类型的传统结构减小至少两倍。另外，在框架的两侧上缺少厚度大于硅的厚度的磁铁允许人们在微镜的情况下增加光线的入射角。

在图6A和6B中示出的结构的一个特别优点是当镜子放置在其侧面之一上的时候，其被定向为水平和垂直地反射一条光束，这对应实际实践中最经常期望的偏转方向。

另外，在所提出的实施方案中，关于活动板创建的磁场足以用降低的能耗获得板件的位移。与传统结构相比，这特别与磁铁非常靠近导电路径放置的事实有关。为进一步减少磁铁和导电路径之间的距离，人们可使用一块薄硅晶圆。

此外，板件的移动由在板件***排列的一个简单环路中的电流流动控制。因此，与导电路径有关的板件上的有用表面积的损失最小化。更一般地，在以上描述的三磁铁结构具有一个小尺寸并在一个局部空间中创建一个强横向磁场的优点。

图7示出了以上描述类型的一个三磁铁结构的一个应用的另一例子。在该例子中，该磁铁群用来与磁性微珠或与在一个生物分析器件中悬挂的细胞相互作用。

该器件包括由分隔物定义的一条通道90。在通道90下，排列了三块磁铁91、93和95，该三块磁铁具有相异磁定向以便关于通道创建一个横向磁场。在该例子中，在图中由箭头表示的磁铁的磁定向与图5的三磁铁组件的磁定向相同。

在通道90中，一个包括磁性微珠97的流体(在技术术语中偶尔由“超顺磁珠”描述)在流动，例如，包括氧化铁微粒并且其直径在50nm和3μm之间的球珠。适合捕捉生物靶(分子、细胞、病毒等)的微粒可首先在球珠97上被移植。可为适合捕捉不同类型生物靶的不同类型球珠和/或不同类型被移植微粒做出规定。

磁场和通道90受到的磁场梯度允许人们诱导球珠从而将已经捕捉到生物靶的球珠从没有捕捉到生物靶的球珠分离。这使得人们例如能够测量流体中所讨论生物靶的浓度。另外，磁场梯度允许人们分离已经捕捉到不同生物靶的球珠。

此外，在流体中，由于细胞的抗磁或顺磁性质，细胞可同样循环，由磁铁结构生成的磁场和磁场梯度直接抽取或排斥。人们于是可以省去作用在这些细胞上的球珠97。

已经描述了本发明的具体实施方案。不同变体和修改对本领域技术人员将变得明显。具体而言，本发明不限于以上描述的应用，即活动微镜。人们可同样在包括电磁致动活动微快门的任何器件上运行之后实施该探索。人们可同样基于使用一个电磁场的电磁致动或移动检测的原理，使本发明适合包括快门、隔膜或其它活动结构，例如加速度传感器、陀螺仪、压力传感器和话筒的其它类型器件。

另外并关于图5和6B，已经描述了本发明优选实施方案包括具有一个横向磁定向的中心磁铁和在相反方向上具有垂直磁定向的两块***磁铁。本领域技术人员在由使用其它配置运行之后获知怎样实施该探索。

此外，关于图5和6A、6B描述的实施方案提供了具有一个垂直磁定向的两块***磁铁。为最优化关于活动板的横向磁场的强度，如必需，人们可使用具有一个相对于垂直稍微倾斜的磁定向的磁场的***磁铁。相似地，中心磁铁可分为具有相对于框架平面稍微倾斜并相对于彼此稍微倾斜的磁定向的一块磁铁的两半。在一个三磁铁组件中，人们可同样提供具有不同宽度的磁铁以便最优化关于活动板的横向磁场。

Claims (9)

1.一种电磁致动微快门，包括：

一块活动板（1），该活动板（1）可绕一个轴（11；72）旋转，由根据所述轴（11）在该活动板的两侧上对齐的两个臂形件（7，9）连接到一个静止框架（3），并在其***上包括一个导电环（13）；以及

在由该静止框架和该活动板形成的组件下面，一群磁铁（51，53，55）具有相异磁定向，以关于该活动板在该框架的平面中创建正交于该旋转轴的一个横向磁场（57）的方式排列；

其中所述磁铁群包括三块磁铁（51，53，55），该三块磁铁在从上面观察时是处于平行于该旋转轴（11）的条的形式，在平行于该静止框架（3）的平面的一个相同平面中并置，中心磁铁（51）具有与该活动板（1）的宽度基本相等的一个宽度和一个横向磁定向；并且***磁铁（53，55）具有正交于该框架的平面并相反方向的磁定向，该磁铁群的尺寸在从上面观察时等于由该静止框架和该活动板形成的组件的尺寸。

2.根据权利要求1所述的微快门，其中该基本相等尺寸等于基本加或减30%。

3.根据权利要求1或2所述的微快门，其中所述横向磁场（43）正交于该旋转轴（11）。

4.根据权利要求1或2所述的微快门，其中所述框架是矩形并且所述臂形件从该矩形的两个相反侧面的中间延伸。

5.根据权利要求1或2所述的微快门，其中该导电环（13；76）的末端穿过所述臂形件（7）之一，并连接到在该静止框架（3；65）上形成的接触元件（15，17）上。

6.根据权利要求1或2所述的微快门，其中该活动板（1；61）的上表面是反射性的。

7.根据权利要求1或2所述的微快门，包括在该静止框架（3）上面的一个保护盖。

8.一种电磁致动微快门，包括：

一块活动板（1），该活动板（1）可绕一个轴（11；72）旋转，由根据所述轴（11）在该活动板的两侧上对齐的两个臂形件（7，9）连接到一个静止框架（3），并在其***上包括一个导电环（13）；以及

在由该静止框架和该活动板形成的组件下面，一群磁铁（51，53，55）具有相异磁定向，以关于该活动板在该框架的平面中创建相对于该旋转轴基本在45度的磁场的方式排列；

其中所述磁铁群包括三块磁铁（51，53，55），该三块磁铁在从上面观察时是处于平行于该旋转轴（11）的条的形式，在平行于该静止框架（3）的平面的一个相同平面中并置，中心磁铁（51）具有与该活动板（1）的宽度相等的一个宽度和一个横向磁定向；并且***磁铁（53，55）具有正交于该框架的平面并相反方向的磁定向，该磁铁群的尺寸在从上面观察时等于由该静止框架和该活动板形成的组件的尺寸；

其中所述框架是矩形并且所述臂形件从该矩形的两个相反侧面的中间延伸；

其中该活动板（61）依靠一个活动框架（63）连接到该静止框架（65）上，该活动框架由根据正交于所述轴的一个次旋转轴在该活动框架的两侧上对齐的两个臂形件（73a，73b）连接到该静止框架上，该活动框架（63）包括一个导电环（78）。

9.根据权利要求8所述的微快门，其中该中心磁铁（81）在正交于该磁场的方向上对角延伸，并且该***磁铁（83，85）设置在由该中心磁铁留下的结构的角落中。