专利名称：使用微机电系统装置的压力测量的制作方法
使用微机电系统装置的压力测量
背景技术：
微机电系统(MEMQ包含微机械元件、激活器和电子元件。可使用沉积、蚀刻和/或 其它蚀刻掉衬底和/或已沉积材料层的部分或者添加层以形成电装置和机电装置的微加 工工艺来产生微机械元件。一种类型的MEMS装置称为干涉式调制器。如本文所使用，术语 干涉式调制器或干涉式光调制器指的是一种使用光学干涉原理选择性地吸收、发射且/或 反射光的装置。在某些实施例中，干涉式调制器可包括一对导电板，其中的一或两者可能整 体或部分透明且/或具有反射性，且能够在施加适当电信号时进行相对运动。在特定实施 例中，一个板可包括沉积在衬底上的固定层，且另一个板可包括通过气隙与固定层分离的 金属薄膜。如本文更详细描述，一个板相对于另一个板的位置可改变入射在干涉式调制器 上的光的光学干涉。这些装置具有广范围的应用，且在此项技术中，利用且/或修改这些类 型装置的特性使得其特征可被发掘用于改进现有产品和创建尚未开发的新产品，将是有益 的。当前发明的装置希望测量所述装置周围的压力，且尽管其具有与干涉式调制器相 类似的结构，但其可具有或者可不具有典型的干涉调制器的光学特性。

发明内容
本发明的一个方面是用于测量压力的装置，所述装置包括至少一个包括由空间 分离的两个层的元件，其中所述空间的尺寸在可变的时间周期中响应于施加在所述两个层 上的电压而改变；以及测量模块，其经配置以测量所述时间周期，其中所述时间周期指示所 述装置周围的环境压力。本发明的另一方面是一种测量环境压力的方法，其包括将电压施加在MEMS装置 的两个层上，测量所述装置的响应时间的值特征，以及基于所测得的值来确定所述装置周 围的压力。本发明的又一方面是一种用于测量压力的装置，所述装置包括至少一个包括由 空间分离的两个导电层的元件，其中所述空间的尺寸在可变的时间周期中响应于施加在所 述两个层上的电压的变化而改变；测量模块，其经配置以当施加在所述两个导电板之间的 电压存在改变时测量随着时间而变在两个导电层之间流动的电流；以及处理器，其经配置 以确定施加电压脉冲时与发生运动电流的局部最大值时之间的时间差，其中所述处理器进 一步经配置以使所述时间差与环境压力相关联。


图IA展示处于释放状态的本发明的实施例。图IB展示处于激活状态的本发明的实施例。图IC展示施加电压和归因于所述施加电压的本发明的一个实施例的电流响应。图2是展示根据本发明的一个实施例的测量压力的方法的流程图。图3是MEMS装置的一个示范性实施例的可移动镜位置对施加电压的图表。
图4是描绘作为干涉式调制器显示器的本发明的一个实施例的一部分的等角视 图，其中第一干涉式调制器的第一层(可移动反射层)处于松弛位置，且第二干涉式调制器 的第一层处于激活位置。图5是本发明的示范性实施例。
具体实施例方式对干涉式光调制器的典型使用涉及利用所述装置的光学特性。在一些实施例中， 所述干涉式光调制器是具有两个状态的双稳装置，每一状态具有不同的光学特性。特定调 制器所处的状态可通过施加适当的电信号来控制。因此，干涉式光调制器较好地适合于显 示器应用。然而，具有与干涉式光调制器类似的结构的MEMS装置的其它特性可用于其它目 的，例如，对所述装置周围的环境压力进行的测量。图IA展示在第一时间处于松弛状态的本发明的实施例，且图IB展示在第二时间 处于激活状态的同一 MEMS装置。图IC展示能够导致激活的施加电压和归因于所述施加电 压的本发明的一个实施例的电流响应。图IA和图IB中所示的MEMS装置包括第一层对和 第二层沈。所述两个层可由支撑件观分离。当电压立即施加到装置的所述两个层上时，所 述装置需要一些时间使状态从图IA中所示的松弛状态改变到图IB中所示的激活状态。应 了解，所述装置可设计为不具有支撑件观，或两个层可在施加电压后即刻向彼此移动。此MEMS装置激活或释放所花的时间取决于所述装置的设计、电压信号和环境压 力。在一个实施例中，所述调制器的激活时间是环境压力的线性函数。如此，在适当的控制 和测量电路的情况下，MEMS装置可用作压力传感器。在一个实施例中，施加电压30从第一值32改变到第二值34导致第一层M开始 向第二层沈移动。所得电流响应36可展现多个峰，如由在第一层M与第二层沈之间连 接的电流表22所测得的。一般来说，可通过以下等式来描述电流响应36 = +
dt dt dt第一峰38由施加电压30从第一值32改变到第二值34引起，如由以上等式中的 第一项所描述。第二峰40由与第一层M相对于第二层沈的移动相关联的电容改变引起， 如由以上等式中的第二项所描述。第一层M相对于第二层沈的运动，且因此电流响应36 中的第二峰40，受环境压力的影响。由于第一层M随着其向第二层沈移动而加快速度，所以对应于第二峰40的左半 边的测得的电流增加。在最大速度点处，第一层M随着其将在其与第二层沈之间的空气 推出而开始减速。此点由电流响应36的第二峰40中的最大值指示。最后，第一层M达到 休止，其中所述装置处于激活状态。因此可以若干方式测量装置的激活时间。举例来说，可 将激活时间认为是第一层M到达最大速度所需的时间的量。还可将激活时间认为是第一 层从松弛状态充分移动到激活状态所需的时间的量。激活时间可通过测量第二峰40的锐 度而定性，例如，测量当第二峰40在增加时第一次到达50 %的最大值时与当第二峰40在减 少时第二次到达50%的最大值时之间的时间。释放时间，即，从激活状态到松弛状态的改变 所花的时间，也是压力的函数，且还可用以测量装置向其暴露的环境压力。
图2是展示根据本发明的一个实施例的测量压力的方法50的流程图。在第一阶 段，将电压施加到MEMS装置的两个层上(7 。在下一阶段，测量从此施加电压所得的电流 响应(74)。在下一阶段，基于测得的电流响应来获得所述装置的响应时间的值特征(76)。 在最终阶段，基于响应时间的值特征来获得装置周围的压力(78)。通过线性机械力与非线性静电力竞争而实现此MEMS装置的双稳特性。这在装置 中产生滞后。在本发明的一个实施例中，如图3中所示，当没有电压施加到第一层M和第 二层沈上时，第一层M的位置离开第二层，且所述装置处于松弛状态，如点A所指示。随 着所述两个层上的电压增加，MEMS装置仍然处于松弛状态直到到达阈值为止，如点B所指 示。在所述两个层上的电压超过此阈值后，第一层M改变位置为更靠近第二层沈且所述 MEMS装置处于激活状态，由点C所指示。随着电压减少，即使在电压减少到首先弓丨起元件激 活的电压之下时，所述MEMS装置也停留在激活状态，由点D所指示。在电压已减少到第二 阈值之下后，MEMS装置进入松弛状态，又由点A所指示。发生滞后效应，而与电压的极性无 关，即，在使用负电压而不是正电压的情况下也是如此。如刚刚所描述的，本发明的一个实施例展现滞后。因此，为激活或释放所述装置而 施加的电压可采取很多形式。如图IC中所示，所施加的电压可以是从释放电压到激活电压 的阶跃函数。然而，从保持电压(例如，5伏特)到激活电压(例如，10伏特)的改变还可 引起处于释放状态的装置的激活。类似地，尽管阶跃函数展示在图IC中，但周期函数(例 如方波)可有利于随着装置重复地改变状态而重复地测量装置周围的压力。双层MEMS装置或此MEMS装置的阵列作为压力传感器的使用与典型的压力传感器 相比具有许多优点。在一些实施例中，此MEMS装置的构造适合于此装置的阵列的产生。阵 列的使用给测量增加了冗余。如果元件或者甚至元件的一小部分无法操作，那么装置作为 整体仍可用以测量压力。作为压力传感器，所述装置可用作气压计来测量环境压力。所述装置可用作高度 计。所述装置可用作血压计的一部分来测量血压。在适当的设计下，所述装置可用以记录 由用户施加的压力。在本发明的一个实施例中，所述装置进一步被配置为具有特别可配置 的光学特性的干涉式调制器，如下文所描述。如此，将所述装置用作触摸屏显示器的一部分 可能是可能的。而且，尽管所述装置被描述为测量气压，但应注意此经配置的MEMS装置还 可测量其它形式的压力。图4是描绘干涉式调制器阵列的一个实施例的一部分的等角视图，其中第一干涉 式调制器的可移动反射层处于松弛位置，且第二干涉式调制器的可移动反射层处于激活位 置。如所描述，经设计以测量压力的MEMS装置可进一步配置有特定光学特性。类似地，标 准干涉调制器可用作一般MEMS装置以测量环境压力。图4中调制器阵列的所描绘部分包 含两个邻近干涉式调制器1 和12b。在左侧干涉式调制器12a中，说明第一层(可移动反 射层14a)处于距第二层(包含部分反射层的光学堆叠16a)预定距离处的松弛位置中。在 右侧干涉式调制器12b中，说明可移动反射层14b处于邻近于光学堆叠16b的激活位置中。光学堆叠16a和16b (统称为光学堆叠16)通常包括若干熔合层(fused layer)， 所述熔合层可包含例如氧化铟锡(ITO)的电极层、例如铬的部分反射层和透明电介质。因 此，光学堆叠16是导电的、部分透明且部分反射的，且可通过(例如)将上述层的一者或一 者以上沉积到透明衬底20上来制造。部分反射层可由例如各种金属、半导体和电介质等部分反射的多种材料形成。部分反射层可由一个或一个以上材料层形成，且所述层的每一者 可由单一材料或材料的组合形成。在一些实施例中，光学堆叠16的层经图案化成为多个平行条带，且如下文中进一 步描述，可在显示装置中形成行电极。可移动反射层14a、14b可形成为沉积金属层(一层 或多层)的一系列平行条带(与16a、16b的行电极垂直)，所述金属层沉积在柱18和沉积 于柱18之间的介入牺牲材料的顶部上。当蚀刻去除牺牲材料时，可移动反射层14a、14b通 过所界定的间隙19而与光学堆叠16a、16b分离。例如铝的高度导电且反射的材料可用于 反射层14，且这些条带可在显示装置中形成列电极。在没有施加电压的情况下，间隙19保留在可移动反射层1 与光学堆叠16a之 间，其中可移动反射层Ha处于机械松弛状态，如图4中像素1 所说明。然而，当将电位 差施加到选定的行和列时，在对应像素处的行电极与列电极的交叉处形成的电容器变得带 电，且静电力将所述电极拉在一起。如果电压足够高，那么可移动反射层14变形且被迫抵 靠光学堆叠16。光学堆叠16内的电介质层(在此图中未说明)可防止短路并控制层14与 16之间的分离距离，如图4中右侧的干涉式光调制器12b所说明。不管所施加的电位差的 极性如何，表现均相同。以此方式，可控制反射像素状态对非反射像素状态的行/列激活在 许多方面类似于常规LCD和其它显示技术中所使用的行/列激活。本发明的一些实施例可包含用以输出测得的环境压力的显示器元件。所述显示器 元件可以是LCD显示器，例如用于手表中的LCD显示器，或者所述显示器元件可以是干涉式 阵列。在干涉式阵列用以显示环境压力的情况下，对所述阵列进行配置以既测量又显示装 置周围的环境压力可能是可能的。图5是本发明的示范性实施例。在此实施例中，装置50包括处理器52、存储器54、 输入56、图像源模块58、收发器60、测量模块62、控制器64、驱动器66以及显示器68。在 一示范性操作中，希望测量所述装置周围的压力的用户使用输入56指示此愿望。处理器52 将此指令传递到控制器64，这激活驱动显示器68的驱动器66。连接到显示器68的测量模 块62测量体现在显示器68中的MEMS装置中的至少一者的电流响应，且将此信息传递到处 理器52。所述处理器可存取存储有用以根据测得的电流响应计算装置周围的压力的代码的 存储器54。所述装置可体现于从图像源模块58接收图像的一般显示器单元中。另外，所述 图像源模块58连接到收发器60，所述收发器60可充当发射器和接收器，以便接收新图像。前述描述陈述本文中揭示的本发明的各种优选实施例和其它示范性但非限制性 实施例。所述描述给出一些有关所揭示的发明的组合和模式的细节。实施例的所揭示的特 征和方面的其它改变、组合、修改、模式和/或应用也在本发明内容的范围内，包含所属领 域的技术人员在读到本说明书就明白的那些内容。因此，应该只有通过对所附的权利要求 书的仔细阅读来确定本文中主张的本发明的范围。
权利要求
1.一种用于测量压力的装置，其包括至少一个包括由空间分离的两个层的元件，其中所述空间的尺寸在可变的时间周期中 响应于施加在所述两个层上的电压而改变；以及测量模块，其经配置以测量所述时间周期，其中所述时间周期指示所述装置周围的环 境压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述时间周期是所述装置周围的所述环境压力的 线性函数。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述可变的时间周期是施加电压时与所述层 中的至少一者的运动到达最大速度时之间的时间。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的装置，其中所述时间周期是通过测量由 所述层中的至少一者的运动引发的电流来测量。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的装置，其中所述装置包括经布置以在所 述时间周期的所述测量中提供冗余的多个元件。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的装置，其中所述装置向所述装置的用户 输出所述环境压力。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的装置，其中所述环境压力指示高度，且其 中所述装置向所述装置的用户输出所述高度。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的装置，其中所述测量模块经配置以重复 地测量所述时间周期以持续地监控所述装置周围的所述环境压力。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的装置，其进一步包括用以将电压施加到 所述两个层上的控制模块。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述施加的电压是方波。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的装置，其进一步包括显不器；处理器，其经配置以与所述显示器通信，所述处理器经配置以处理图像数据；以及存储器装置，其经配置以与所述处理器通信。
12.根据权利要求11所述的装置，其进一步包括经配置以向所述显示器发送至少一个 信号的驱动器电路。
13.根据权利要求12所述的装置，其进一步包括经配置以向所述驱动器电路发送所述 图像数据的至少一部分的控制器。
14.根据权利要求11到13中任一权利要求所述的装置，其进一步包括经配置以向所述 处理器发送所述图像数据的图像源模块。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述图像源模块包括接收器、收发器和发射器 中的至少一者。
16.根据权利要求11到15中任一权利要求所述的装置，其进一步包括经配置以接收输 入数据且将所述输入数据传送到所述处理器的输入装置。
17.—种测量压力的方法，其包括将电压施加到MEMS装置的两个层上；测量所述装置的响应时间的值特征；以及基于所述测得的值来确定所述装置周围的压力。
18.根据权利要求17所述的方法，其中通过测量由所述层中的至少一者的运动引发的 电流来测量所述响应时间的所述值特征。
19.一种用于测量压力的装置，其包括用于将电压施加到MEMS装置的层上的装置；用于测量所述装置的响应时间的装置；以及用于基于所述测得的响应时间来确定所述装置周围的压力的装置。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述用于施加的装置包括处理器、控制器以及 驱动器中的至少一者。
21.根据权利要求19或20所述的装置，其中所述用于测量的装置包括测量模块和电流 表中的至少一者。
22.根据权利要求19到21中任一权利要求所述的装置，其中所述用于确定的装置包括 处理器。
23.一种用于测量压力的装置，其包括至少一个包括由空间分离的两个导电层的元件，其中所述空间的尺寸在可变的时间周 期中响应于施加在所述两个层上的电压的变化而改变；测量模块，其经配置以当施加在所述两个导电板之间的电压存在变化时测量随着时间 而变在所述两个导电层之间流动的电流；以及处理器，其经配置以确定施加电压脉冲时与发生运动电流的局部最大值时之间的时间 差，其中所述处理器进一步经配置以使所述时间差与环境压力相关联。
全文摘要
本发明揭示一种用以测量压力的装置。在一个实施例中，所述装置包括至少一个包括由空间分离的两个层(24、26)的元件，其中所述空间的尺寸在可变的时间周期中响应于施加在所述两个层上的电压而改变；以及测量模块，其经配置以测量所述时间周期，其中所述时间周期指示所述装置周围的环境压力。
文档编号G01L9/00GK102066891SQ200980122695
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月16日 优先权日2008年6月18日
发明者卡斯拉·哈泽尼 申请人:高通Mems科技公司