具有增强的恢复力的弯曲的致动器 本发明涉及一种静电致动器，尤其涉及一种具有增强的恢复力的改进的致动器。
静电致动器已被选择用作使用的功率小、操作速度高、生产成本低并且体积小的致动器。这些器件具有许多重要的优点：和热器件相比，其要求小得多的功率，和电磁器件相比，其使用较小的功率并具有较小的体积，或者和压电致动器相比，压电致动器具有较高的成本和小得多的运动幅值。
然而，至今还没有在市场上可以得到的静电致动器。其中尤其关心的是具有介电绝缘之电极地静电致动器，其中具有许多特殊问题。
在静电致动器中，所需的位移是由在两个物体上分布的相反电荷之间的相互作用而产生的静电吸力引起的，其中所述两个物体中的一个物体是可以运动的。为了说明本发明，这两个物体被称为致动器板。所述致动器板被分开一个预定距离。然后，通过在两个作为致动器板的一部分的导电电极之间提供一个电位差产生电荷分布。当在电极之间施加电位差时，所述致动器处于ON状态或ON方式，当两个电极处于相同的电位时，致动器处于0FF状态。
一个同族专利披露了一种流体控制，其中使用微型阀、检测器和使用在一个入口和一个出口之间的主通道的其它元件，在入口和出口之间还有一个伺服通道。所述伺服通道利用控制流量管控制，使得调节片以静电方式运动。Bonne等人的美国专利5176358披露了一种这样的流体调节装置，而分案的美国专利5323999和5441597涉及另外的实施例。
上述专利只对实际的静电装置作了简短的说明，其中至少一个被作为介电层的一部分形成的调节片在装置被启动时离开或朝向小孔运动，用于改变和其相连的至少一个电极的电位，从而产生静电力。
上述的参考专利和另一个同族专利一样，其中具有关于使用静电力的微型阀的其它信息。涉及到首先提及的那些专利的待审专利已被批准为Bonne等人的美国专利5082242。该专利披露了一种作为一种整体结构的微型阀，这种结构被制造在一个硅片上，使得该装置成为一种具有被设置在硅片上的相对侧上的入口和出口的流量控制阀。这种控制阀由在底座上的接点控制，其中表面必须匹配，以便避免阀门性能的变劣。US5180623和US5244527两个专利是关于第一专利的分案申请。这些专利基本上披露了利用各种电压源驱动的静电阀的操作。具体地说，所述的控制阀通过在电极之间施加直流电压作为具有两个位置的控制阀进行操作，其具有完全打开位置和完全闭合位置。此外，还披露了作为比例控制阀进行操作，其中施加为闭合阀门所需的电压成比例的电压。最后，这些专利披露了利用脉冲宽度调制电压信号控制这些阀门，以便调制通过阀门的气体流量。
在一些静电致动器中，在正常的操作周期期间，致动器板必须紧密接触。这些致动器有时被称为触摸式静电致动器。为了阻止在操作周期的触摸阶段期间发生电短路，导电电极利用介电层相互绝缘。为了从特定装置获得最大功，通常在两个导电电极之间产生大的电场。静电吸引作用的非线性特征产生咬合作用，其中致动器板以高达108g的加速度和超过103m/sec的速度彼此相向运动。在撞击之后，致动器板的自由表面被以静电方式产生的大的压力彼此相互推动。这种操作方式可以引起大的机械撞击，因而在致动器板之间产生大的相互作用力。这些力可以在除去致动器板之间的电位差之后继续起作用。在一些情况下，这些力大于用于使电极回到其原始位置的恢复力。在这种情况下，两个电极暂时或永久地保持连接，因而致动器停止进行所需的操作。这种状态有时被称为被“黏住”。在现有技术中的静电致动器产生被减小的恢复力使得它们由于永久的粘连现象而易于发生故障。
在静电致动器中产生粘连的主要的力是表面相互作用力(固态桥接、凡得华力、氢键)以及由暂时地或永久地陷入介电质中的电荷产生的力。为了减少表面相互作用力，使用两个办法。第一种办法是减少接触面积，这需要更复杂的结构，并且要失去一些可以利用的静电力。第二种办法是减少接触的层的表面能量，目前还没有基于这个概念的成功的例子。
现有技术的静电致动器的另一个缺点在于难于控制致动器的机械形状。已经知道，静电驱动的致动器当运动部件之间分开的间隙小时可以提供大的力。但是，这种强制条件使得把以静电方式驱动的致动器的最大位移限制于几微米或更小。为了增加最大位移而不牺牲可利用的力，以前提出了一种预应力的向上弯曲的悬臂结构，其中利用滚动型的运动。见前述的Bonne的美国专利5176358以及相关的专利。事实上，这种结构和前述专利相比具有这样的优点，其在以铰链连接的电极之间具有小的分开间隙，从而引起大的静电力，并且，通过利用抛物线形状，产生较高的最大位移。其具有简单的结构，其中利用单个芯片和表面微型机加工工艺，并且需要低的电压(几十伏)和非常低的功率。然而，这种结构也具有一些缺点。其很难控制应力梯度，即很难控制最大位移和恢复力。此外，其具有很小的恢复力，有时小于表面交界处的粘合力，因而引起致动器部件的永久性黏连，使致动器发生故障。
如果能够减少或者完全消除导致故障的现有技术中的这些困难，则会带来巨大的优点。
如果能够提供一种改进的用于静电致动器的驱动方法，用于任何致动器及其物理元件的结构，则会给本领域带来另外巨大的优点。
如果能够减少一些应力梯度，使得能够更好地控制所述装置，则会给本领域带来另一个优点。
如果能够制造一种装置，其能够防止永久性黏连，则会给本领域带来另一个优点，因为在触摸式致动器中，黏连是一种最重要的故障机制。
其它的优点将从后面看出。
现在已经发现，本发明的上述和其它目的可以利用下述方式来实现。具体地说，本发明提供一种改进的弯曲的结构，其消除了现有技术中的缺点，而不损失已经实现的优点。
本发明的致动器是一种多相的弯曲致动器，其保持了目前已知的简单结构、大的静电力和大的位移，同时增加了大的恢复力和更容易控制的形状，从而减少由于现有技术中的黏连而引起的毁坏。这种致动器可以用于微型阀中，使得改善微型阀的效率。
本发明的致动器包括被支撑在具有嵌入的电极的两侧上的桥形结构。在所述桥上的电极和在支撑件上的电极是与之绝缘的，从而防止在触摸操作方式下发生电短路。这通过在桥上或者在支撑件上的电极或者在两者上的电极上附加一个绝缘层来实现。
弯曲的电极具有这样的形状，当对尚未接合的一对电极施加电压时，所述形状适用于向其和静止的支撑件接触的部分传递恢复力。
优选的电压提供一种多相的驱动力，其中包括在一个操作周期的一个时间间隔内施加于第一对电极的电压，在同一个周期的一个时间间隔内施加于第二对电极的电压，最好在施加每个电压之后具有一个不施加电压的暂间的时间间隔。
可以把多个所述致动器并联，例如形成两维的致动器阵列。在所述阵列中的致动器根据阵列的特定用途能够同时地被寻址或者单独地被寻址。
为了更完整地理解本发明，可以参看附图，其中：
图1A-1C是本发明的一个实施例的示意图，用于表示在操作的3个阶段中的致动器；
图2说明图1的装置的驱动电压；
图3是类似于图1的装置的另一个实施例的示意图，也用于说明两一相的驱动；
图4和图5是另一个实施例的示意图，其中使用4个电极，每个电极具有不同的结构；
图6A，6B，7A，和7B说明使用本发明的致动器的两个常开的微型阀实施例，表示每个的打开和关闭状态；
图8A，8B，8C，9A，9B和9C是三路微型阀的两种另外的形式的示意图；以及
图10A，10B是安装本发明的致动器阵列的示意图，其中图10A的阵列同时被寻址，图10B的阵列单独被寻址。
本发明利用一种弯曲的结构被限定而成，其消除了现有技术的缺点而不放弃新发现的优点。本发明的静电致动器使用弯曲的桥形结构。如同在现有技术中那样，在支撑上具有小的分开的间隙，从而产生高的静电力。具有高的在中心偏移的最大位移。这是一种通过表面微加工而被形成在一个芯片上的简单的结构。当然，其具有低的驱动电压和非常低的功率。
因为其具有的特定形状，弯曲的桥形结构具有最大的位移，所述位移由平均压缩应力控制而不由应力梯度控制。平均应力比应力梯度容易进行控制。此外，通过使用3个(或更多)的电极结构，这种结构能够产生高的恢复力。这个特征能够阻止永久黏连，这在触摸式致动器中是最重要的故障机制，这在以前的静电致动器中是没有的。因而本发明的致动器能够产生极其可靠和有效的驱动力，用于微型阀和其它装置，在这些装置中，可靠性和克服黏连是重要的。
如图1A所示，致动器10一般包括静止的支撑11，其和一个弯曲的支撑13相连。弯曲的支撑13被支持在静止支撑11上的两端，并且比支撑之间的距离较长。用于形成这种弯曲的支撑13的优选的方法是通过牺牲的层刻蚀方法，这是一种公知的半导体处理技术。当被释放时，所述桥便形成一个气囊(bubble)。
在本发明的一个基本的实施例中，第一电极15被形成在弯曲的支撑13上，第二和第三电极17和19被形成在静止支撑件上。在第一电极15上，或者在支撑11上的两个电极17和19上，或者在两者上设置有不导电的绝缘层21以确保不导电。这种结构必须具有至少3个电极，不过下面所示的其它实施例还包括至少一个附加的电极。
图1A，1B和1C的致动器具有电压源装置23，在本实施例中其包括和第一电极15相连的电压源25，和第二电极17相连的第二电压源27，以及和第三电极19相连的第三电压源29。在图1A所示的空载状态下，电压源27的电压等于电压源29的电压，两者都是0V。当施加用于电极17的操作电压27时，如图1B所示，桥支撑13的左侧被向下推动，从而电极15和17实现静电接触(但是它们是电绝缘的)。
在现有技术的装置中，静摩擦迟早会使两个电极15和17黏连，从而阻止在解除电压27时使电极返回。然而，在本发明中，电压源29施加的电压使得向下朝向第三电极19推动第一电极15。气囊支撑件13的移动实际上使第一电极15和衬底上的第二电极17剥离，从而提供防止黏连的恢复力。
图2表示用于图1A-C的合适的驱动电压，其中电源27和29是相对于0电压25的电位，用于产生驱动静电力。
图3说明使用本发明的同一原理的另一个实施例，其中第一电极15在弯曲的支撑件13上和第三电极19成对，而第二电极17盖住静止支撑11的较多的表面。不过，因为弯曲的支撑结构，当剥离力被加到第二对电极上时，通过电压源25和29按顺序施加两相驱动电压将引起电极对之间的相同的交替吸引，这将在电极之间具有同样的剥离力，而不再受到静电力。
图4和图5说明本发明的两个附加的实施例，其中使用了第四电极31。在图4中，第四电极31位于弯曲的可动的支撑13上，使得电极15和17形成一对，电极19和31形成第二对。这个实施例基本上是图1和图3所示的实施例的组合，其中具有两个电极的静止支撑11和弯曲支撑13。在图5中，弯曲支撑13具有第一电极15，和图1一样，静止支撑11具有第二电极17、第三电极19和第四电极31，如图所示。图4和图5所示的实施例通过所需的电压源由多相驱动电压驱动。图4包括4个电压源连接，它们分别是25，27，29和33，而图5包括一种不同的多相驱动方式，其中没有编号。
如上所述，本发明极好地适用于微型阀系统，这是因为上述的静电致动器能够消除粘连。图6A和图6B分别示出了静电驱动的微型阀37的打开和闭合方式，微型阀在总体上用标号37表示，其限定了一个阀室，并且包括在静止的衬底11上的阀门开口39。形成有第二电极17，以便允许流体通过开口39，如图6A所示，当静电力使第一电极15吸在第二电极17上时，弯曲的可动支撑件13则关闭阀门开口39，如图6B所示。在本实施例中，静电力使电极吸在一起，从而关闭阀门开口。
在图7A和7B中，第二静止支撑41帮助利用第一静止支撑件11限定了所述阀室，并且第二支撑41包括一个常开的阀门开口39，这是一种和图6A和6B类似的静电驱动的微型阀以正常开度工作，不过，通过激励第一电极15和第二电极17之间的吸引使阀门开口39关闭，其中弯曲的可动支撑件13接合并关闭阀门开口39。在这种情况下，通过当电极的其它部分被静电致动时，由弯曲的支撑件移动实现接合而引起阀门开口的关闭。
图8A-9C还示出了另一个实施例，现在说明如下。在图8A-8C中，示出了一种三路的微型阀，在第一静止支撑件11和第二静止支撑件41中中具有阀门开口，并且限定了一个阀室。如图8A-8C所示，当弯曲的可动支撑件和另一个电极接合，并且如前所述提供恢复力使另一对电极分开时，阀门开口43，45和47在多相驱动周期中的不同时间打开或关闭。阀门开口43是常闭开口，阀门开口45和47是常开开口，在静电驱动力的操作期间，使阀门开口43打开，并分别使阀门开口45和47打开和闭合。
图9A-9C说明三路阀的另一种型式，其中在顶部衬底41中的阀门开口43具有常开状态，而不是图8A的常闭状态。阀门开口45和47也是按照顺序打开和闭合。
图10A和10B说明两个实施例，其中多个上述的致动器并联连接，以便满足宽的压力和流量范围。具体地说，图10A说明一个阵列，其中所有的致动器被同时寻址，使得阀门同步工作，因而每个致动器都贡献于阵列的总输出。在图10B中，每个阀门可以被单独地寻址和启动，因而能够一个极宽的范围内控制压力和流量。
上面所示的所有的实施例都利用了在两侧被支撑的可移动的支撑的改变位置的弯曲的状态，当其移动得和在静止支撑上的电极接合与脱离时便改变位置和弯曲。一种滚动型的静电致动将向着未被致动的区域推动该气囊结构之额外的长度，从而提供反抗粘连的恢复力。为了增加机械强度和保护免受过大的压力，所有的结构都可以具有顶盖状的支撑件41，例如作为止动件。
虽然已经说明了本发明的特定实施例，但是这些实施例并不用来限定本发明，本发明的范围由所附的权利要求限定。