微机电旋转结构

本发明涉及微机电旋转结构，特别是热驱动的微机电旋转结 构。

微机电旋转结构(MEMS)和其他微型设计装置由于这些装置 所提供的尺寸、价格和可靠性方面的优越性，目前正在研究各种广 泛的运用。已经创造了许多不同种类的MEMS装置，包括微型齿轮、 微型电动机和其他能够运动或者施加力的微型加工的装置。这些 MEMS装置可以用在各种方面，包括水力应用，其中利用MEMS 泵或者阀门，和包括MEMS光阀门和快门的光学应用。

MEMS装置依靠各种技术，提供在这些微型结构内引起所希望 的运动所需要的力。例如，已经利用悬臂施加机械力，使微加工的 弹簧和齿轮旋转。此外，一些微型电动机是由电磁场驱动，另一些 微型机械结构是由压电或者静电力驱动。最近，已经开发了由驱动 器或者其他MEMS元件的可控热膨胀驱动的MEMS装置。例如， 转让给MCNC(本发明的受让人)的美国专利申请序列号 08/767,192；08/936,598和08/965,277叙述了各种类型的热驱动 MEMS装置。此外，最近已经开发的MEMS装置包括旋转连接，用 比扭力杆连接更小的扭应力和更低的外施力就可以旋转。例如，也 转让给MCNC的US专利序列号08/719,711叙述了各种旋转MEMS 连接。这里每一个申请的内容在此引入作为参考。

不论驱动源是什么，通常大多数MEMS装置提供线性运动。同 样也需要提供包括旋转运动在内的非线性运动的MEMS装置，从而 使MEMS装置可以有更广泛的应用。

本发明提供了能够旋转的微机电旋转结构，所得到的MEMS结 构可以用在需要旋转运动的更广泛的各种应用中。在一个实施例 中，MEMS结构包括微电子基片和固定到微电子基片表面上的轮毂 结构。该MEMS结构也包括一个或者多个从轮毂外延的轮毂轮辐部 件。最好使每一个轮毂轮辐部件中贯穿每一个轮毂轮辐部件的至少 一部分的虚线与轮毂的中心轴略有偏移。换言之，每一个轮毂轮辐 部件的至少一部分与延伸出轮毂轮辐部件的轮毂中心有一定程度的 偏移。根据本发明的这一实施例，相应于轮毂轮辐部件的温度变化， 轮毂轮辐部件用来对轮毂施加旋转力。随着温度变化，由轮毂轮辐 部件的通常为长度的尺寸变化产生旋转力。

一个实施例的MEMS结构也包括与微电子基片隔开的圆环，它 至少部分地包围轮毂。该圆环附加在轮毂轮辐部件上，使轮毂轮辐 部件在轮毂和圆环之间延伸。在这一实施例中，利用轮毂轮辐部件 对圆环施加旋转力，随着轮毂轮辐部件温度的变化，圆环可以相对 于轮毂顺时针或者逆时针旋转。

一个实施例的MEMS结构也包括连接到微电子基片表面的一个 或者多个锚，和安排在圆环和对应的各个锚部件之间的一个或者多 个锚定轮辐部件。用锚定轮辐部件响应温度的变化，例如通过长度 的变化，对圆环施加旋转力。如前所述，该旋转力使圆环相对于轮 毂顺时针或者逆时针旋转。

一个实施例MEMS结构可以包括连接到轮毂轮辐部件的至少一 个微机电触发器，轮毂轮辐部件响应热触发可控制地运动。微机电 触发器包括连接到微电子基片表面的至少两个锚部件、和在触发器 部件之间延伸的至少一个拱形梁。拱形梁响应热触发进一步拱起， 从而使轮毂轮辐部件运动，接着在轮毂上施加旋转力。另外，这一 MEMS结构可以进一步包括圆环，至少一个微机电触发器可操作地 不是连接到轮毂轮辐部件上，而是连接到圆环轮辐部件上。同样， 微机电触发器的热触发使拱形梁进一步拱起，从而使得圆环轮辐部 件运动，接着使得圆环运动。

上述实施例的MEMS结构的每一个都可以有选择地包括多个微 机电驱动器。在一个实施例中，配置微机电驱动器产生力，使得轮 毂和/或圆环以同样方向旋转。在另一个实施例中，MEMS结构可以 包括第一和第二组微机电驱动器。根据这一实施例，第一组产生的 力使轮毂和/或圆环以同样方向旋转；而第二组产生的力使轮毂和/ 或圆环以相反方向旋转。这样，该轮毂和/或者圆环可以响应第一和 第二组微机电驱动器的驱动，以顺时针方向或者逆时针方向旋转。

在一个最佳实施例中，至少圆环的一部分包括反射表面，允许 MEMS结构在可控旋转时有选择地反射光。在另一个实施例中，圆 环限定了至少一个孔，孔具有和基片表面相交的轴。同样，孔相对 于基片表面的位置随着圆环转动而变化。进一步，这一实施例的 MEMS结构的微电子基片也可以限定至少一个孔，随着圆环旋转， 它和圆环上限定的一个或者多个孔交替地对中和错开。同样，本实 施例的MEMS结构限定了一条通过圆环和交替的基片的通道，作为 阀门或者光学快门。

另一个实施例的MEMS结构包括在微电子基片表面上的导电表 面，和覆盖在基片上、且与其隔开的圆环上的辅助导电表面。圆环 在基片表面上方旋转时，导电表面之间重叠的区域变化，使得MEMS 结构可以作为可变电容器。更进一步，另一个实施例的MEMS结构 包括附加到微电子基片表面的至少一个触点，和附加到圆环上的至 少一个触点，随着圆环的旋转，触点交替接触和分开，使得MEMS 结构可以作为开关。进一步，触点可以在电气上连接，随着圆环的 转动，可以有选择地产生不同量的电阻。

本发明的MEMS结构由于它的构造用来提供可控的旋转运 动。同样，MEMS结构可以有各种广泛的应用，包括阀，快门、可 变电容、开关、继电器和其他以上已经叙述过的一些应用。

尽管将详细叙述上述发明，很显然，在这里所叙述的发明范围 内，可以作一些变化和修正。

图1(a)和图1(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动 轮毂MEMS旋转结构沿a-a线的顶视图和剖面图。

图2(a)和图2(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动 外圆环MEMS旋转结构沿b-b线的顶视图和剖面图。

图3(a)和图3(b)分别为根据本发明一个实施例的简单活动 中圆环MEMS旋转结构沿c-c线的顶视图和剖面图。

图4(a)至图4(e)为根据本发明一个实施例的各种MEMSTAB (热拱形梁)结构的顶视图。

图5(a)和图5(b)为根据本发明活动轮毂旋转结构的两个不 同实施例的顶视图，其中，TAB驱动器对活动轮毂施加旋转力。

图6(a)和图6(b)为根据本发明MEMS旋转结构的两个不 同实施例的顶视图，它分别包括从圆环和从轮毂径向延伸的杆。

图7(a)和图7(b)分别为根据本发明一个实施例具有反射表 面的MEMS旋转结构沿d-d线的顶视图和剖面图。

图8(a)和图8(b)分别为根据本发明一个实施例的MEMS 旋转阀或者快门结构沿e-e线的顶视图和剖面图。

图9(a)和图9(b)分别为根据本发明一个实施例的MEMS 旋转开关结构的原理性侧视图，其中，布置在圆环上和基本基片上 的触点分别断开和连接。

图10(a)、图10(b)和图10(c)为根据本发明一个实施例 MEMS可变电容旋转结构沿10c-10c线的两个顶视图和剖面图，其 中，导体之间的重叠度变化使它们之间的电容变化。

图11(a)和图11(b)分别为顶视图和原理性视图，说明根据 本发明任何一个实施例MEMS旋转结构中布置在基本微电子基片上 的针和轮毂之间的旋转连接。

以下将参考示出本发明最佳实施例的附图，更全面地叙述本发 明。然而，本发明可以有许多不同的实施方式，不应该解释为局限 于这里给出的实施例；提供这些实施例，使得专利公开彻底和完整， 将本发明的范围完全传达给本领域技术人员。图中的特征不一定按 比例，仅仅用来说明本发明。相同的标号全部表示相同的元件。

活动轮毂

根据一个实施例的MEMS旋转结构由图1(a)的顶视图和图1 (b)沿a-a线的剖视图表示。本实施例的MEMS旋转结构包括布 置并且悬挂在微电子基片10表面上方的轮毂100，和从轮毂向外径 向延伸、与基片以间隙175隔开的至少两个轮毂轮辐部件110组成。 响应温度变化，该轮毂轮辐部件对轮毂施加旋转力，具体如下所述。 所示的轮毂为实心圆柱形元件，它也可以是其他形状并不一定是实 心的，可以是管状或者是其他形状。

典型的微电子基片用硅片形成。也可以用其他材料，诸如玻璃 或者其他半导体，构成微电子基片。此外，典型的轮毂和轮毂轮辐 部件由金属构成，例如镍，它通过集成电路制造过程例如电镀沉淀 在基片上，如同US专利申请序列号08/767,192，08/965,277和 08/936,958的热拱形梁驱动器所叙述的同样方法；它们的内容已经引 入作为参考。然而，MEMS旋转结构，特别是轮毂和轮毂轮辐部件， 也可以用不同的技术和包括硅的不同金属构成，都不脱离本发明的 精神和范围。

如图1(a)和图1(b)所示，轮毂100限定了和微电子基片表 面相交的中心轴105。此外，每一个轮毂轮辐部件110限定了纵向贯 穿其中的虚线。根据本发明，每一个轮毂轮辐部件连接到轮毂上， 略偏移于轮毂的中心轴。在这点上，纵向贯穿每一个轮毂轮辐部件 的虚线和轮毂相交于略偏移轮毂中心轴的位置。同样，轮毂轮辐部 件可以在热触发期间，随着轮毂轮辐部件膨胀或者收缩，对轮毂施 加力矩或旋转力。

如图1(a)和图1(b)所示，本发明的MEMS旋转结构也包 括附加到基片的至少两个锚部件。每一个锚部件最好由轮毂和轮毂 轮辐部件同样的过程和同样的材料，例如镍形成。进一步，每一个 轮毂轮辐部件在轮毂和相应的锚部件之间延伸，虽然如上所述，每 一个轮毂轮辐部件略偏移于轮毂的中心轴。由于每一个轮毂轮辐部 件的一端通过锚部件附加到基片，轮毂轮辐部件被加热和膨胀时， 由于轮毂轮辐部件和轮毂中心轴的偏移，该轮毂轮辐部件对轮毂产 生力，使轮毂按一个方向旋转。进一步，当轮毂轮辐冷却和收缩时， 该轮毂轮辐部件将对轮毂产生旋转力，使轮毂以相反方向旋转。在 任何一种情况下，根据轮毂轮辐附加到轮毂上相对于轮毂中心轴的 什么地方，和轮毂部件是加热还是冷却，可以提供顺时针方向或者 逆时针方向旋转。本领域的技术人员将可以用许多不同的技术加热 或者冷却轮毂轮辐部件。例如，可以通过改变周围环境温度，有选 择地用液体或者气体、或者有选择地通过电流来改变轮毂轮辐部件 的环境温度。

活动外圆环

图2(a)和图2(b)示出根据包括活动外圆环的本发明另一个 实施例MEMS旋转结构。如上所述，本实施例的MEMS旋转结构 包括附加到微电子基片10表面的轮毂100，和至少两个等间距的轮 毂轮辐部件，响应温度的变化，对轮毂施加旋转力。与前相同，轮 毂100限定了和微电子基片表面相交的中心轴105。每一个轮毂轮辐 部件120从轮毂100外延，限定了纵向延伸的虚线。如上所述，每 一个轮毂轮辐部件略有偏移于轮毂的中心轴，以便随着轮毂轮辐部 件膨胀或者收缩，对轮毂提供力矩和旋转力。

虽然MEMS旋转结构只需要有两个轮毂轮辐部件，MEMS旋转 结构通常包括三个或者更多个从轮毂外延的轮毂轮辐部件。如上所 说，轮毂轮辐部件既包括在轮毂MEMS旋转结构又包括在轮毂与圆 环的MEMS旋转结构中。轮毂轮辐部件可以有不同的结构安排，通 常轮毂轮辐部件在轮毂周围有相等的角度增量间隔。例如，MEMS 旋转结构可以包括在轮毂周围有相等的90°间隔的4个轮毂轮辐部 件，如图1(a)和2(a)所示。

此外，本实施例的MEMS旋转结构进一步包括与微电子基片隔 开的圆环200。圆环200至少部分地环绕在轮毂100的周围，通过至 少两个轮毂轮辐部件120与轮毂连接。同样地，每一个轮毂轮辐部 件在轮毂和圆环之间延伸。在运行时，当轮毂轮辐部件加热和膨胀 时，轮毂轮辐就在一个方向上对圆环施加旋转力。此外，当轮毂轮 辐部件冷却和收缩时，轮毂轮辐在相反方向对圆环施加旋转力。重 要的是采用热驱动引起旋转时，轮毂轮辐部件维持在相对与圆环不 同的温度，或者更热，或者更冷。可以采用数码技术热驱动轮毂轮 辐部件。可以采用不直接加热最近的轮毂轮辐部件方法。最好用如 下所述电流通过轮毂轮辐部件的直接加热。

如图2(a)所示，轮毂通常可以包括用气隙105分开的两个半 圆形部分。在如图所示的第一部分102和第二部分103的轮毂的两 个部分之间加电压差，电流就可以如图2(a)所示流过MEMS旋转 结构，从而直接加热轮毂轮辐部件并且引起热驱动。特别是一对轮 毂轮辐部件分别布置在圆环和轮毂的第一和第二部分之间，由于电 流流过轮毂的两个部分的直接加热的结果，产生热驱动。

活动中圆环

如图3(a)和3(b)所描述的，图2(a)和2(b)中的MEMS 旋转结构可以修正为包括至少两个锚定轮辐部件150、和至少一个对 应的锚170。本实施例的MEMS旋转结构最好是包括在圆环周围以 相等的角度分开的多个锚定轮辐部件，和与对应的锚定轮辐连接的 等量的锚。每一个锚定轮辐部件150布置在圆环200和对应的锚170 之间。如图3(b)所示，锚定轮辐部件与基片隔开，锚170附加到 微电子基片10的表面上，以支持锚定轮辐部件150。

本实施例的MEMS旋转结构包括轮毂轮辐部件和锚定轮辐部件 两部分。无论是轮毂轮辐部件、锚定轮辐部件，或者它们两者，都 可以被热驱动，使得轮毂和圆环旋转。在本实施例中，轮毂既可以 悬挂在微电子基片上方，也可以附加到微电子基片的表面。在图示 的实施例中，用锚定轮辐部件对圆环，继而对轮毂施加旋转力，这 是因为锚定轮辐部件和圆环以非正交的角度安置。同样地，锚定轮 辐部件在长度方向的膨胀或者收缩将引起圆环旋转。由于圆环是通 过轮毂轮辐部件连接到轮毂上，圆环的旋转引起轮毂旋转。由于用 锚定轮辐部件使所示实施例的MEMS旋转结构转动，轮毂轮辐部件 不需要像以上相关的其他实施例那样，与轮毂的中心轴偏移。

在运行时，图3(a)和3(b)中MEMS旋转结构的锚定轮辐 加热和膨胀，受热的轮辐就在一个方向对轮毂和圆环施加旋转力。 反过来，锚定轮辐部件冷却和收缩时，冷却的轮辐在相反的方向对 轮毂和圆环施加旋转力。除了锚定轮辐部件作旋转运动，轮毂轮辐 部件能够用以前实施例所描述的方法做旋转运动。本领域技术人员 将理解，锚定轮辐部件和轮毂轮辐部件响应温度变化可以提供相同 或者相反方向的旋转力。也就是说，轮辐可以用来提供相同方向的 旋转，也可以用来提供相反方向的旋转。在本实施例中，可以有几 种方法改变旋转。例如，改变轮辐相对于轮毂中心轴的位置可以改 变旋转。例如，偏移中心轴越远的轮辐可以提供较大的旋转力。本 领域技术人员因而将认识到，与以前的实施例相比较，本实施例的 MEMS旋转结构提供了改进的旋转位移和更多的旋转模式。重要的 是本领域技术人员将意识到，可以采用除了热拱形梁驱动以外的驱 动器，对本发明MEMS旋转结构的全部实施例提供旋转力。

TAB驱动活动轮毂

图5(a)和图5(b)给出本发明另一个实施例的MEMS旋转 结构。以前实施例中所示的轮毂轮辐部件可以是线性的，而图5(a) 和图5(b)所示的轮毂轮辐部件也可以是非线性的。为了对轮毂施 加旋转力，纵向贯穿轮毂轮辐部件至少一部分的虚线必须偏移轮毂 的中心轴。同样地，即使纵向贯穿轮毂轮辐部件其他部分的虚线贯 穿中心轴，旋转力仍然施加在轮毂上。

本实施例的MEMS旋转结构也包括一个或者多个布置在微电子 基片表面的TAB微机电驱动器。每一个驱动器连接到相应的轮毂轮 辐部件，以便使轮辐部件响应热驱动而移动。虽然轮毂轮辐部件可 以如其他实施例中所叙述的那样对热响应，本实施例的轮毂轮辐部 件不需要用其长度随温度变化而明显变化的材料制成，因为微机电 驱动器提供了足够的移动力。

微机电驱动器可以有许多不同的实施例，微机电驱动器最好包 括如美国专利申请序列号08/767,192所叙述的热拱形梁(TAB)驱 动器，其内容已经引入作为参考。在此，各种TAB驱动器在图4中 给出。

图4(a)所示为具有单个拱形梁的TAB驱动器。如图所示，TAB 驱动器构造在基本微电子基片10上。该TAB梁驱动器包括附加到 基本微电子基片上的两个支架20和30，和在两个支架之间延伸的拱 形梁40。拱形梁的两端附加到支架上，使得拱形梁固定在基本微电 子基片的表面上方。支架和拱形梁最好用导电金属制成，例如电镀 镍，也可以用半导体制成，例如硅。在任何情况下，必须用响应温 度变化而膨胀或者收缩的材料制成拱形梁。典型的梁是用热膨胀系 数为正的材料制成，它随着温度上升而膨胀。然而，梁也可以用热 膨胀系数为负的材料制成，它随着温度上升而收缩。如图所示，单 个梁在预先规定的方向50拱起，热膨胀将使得梁在同一方向更加拱 起。

TAB驱动器也可以包括通过对单个拱形梁加上或者移去热，来 改变它的温度的装置。当拱形梁的温度变化，它就以箭头所示的方 向膨胀，或者以箭头相反的方向收缩。可以采用各种手段来加热或 者冷却单个梁，从而使得梁膨胀或者收缩。流过梁的电流可以直接 在梁的内部产生热，或者可以采用另一种不直接的外部加热。也可 以用拱形梁周围气体或者液体流来加热或冷却拱形梁。采用这些和 其他的加热或冷却技术的组合也可以用在本发明内。

另一种TAB驱动器的实施例如图4(b)所示。如图所示，TAB 驱动器可以包括两个支架20和30之间延伸的两个或者更多的拱形 梁40，41和42。进一步，本实施例的TAB驱动器可以包括至少一 个连接器60，用于连接两个或者多个拱形梁。连接器将使多个的梁 所产生的力合起来，以提供更大的力、更大的位移和更刚性和更强 有力的驱动器设计。本领域技术人员将认识到，采用任何数量的拱 形梁和连接器都在本发明的范围内。例如，图4(c)所示为八个梁 TAB驱动器。当拱形梁受热，它们在预先确定的方向更加拱起。同 样地，至少一个梁加热和膨胀时，连接器沿箭头50的方向运动。相 反地，至少一个梁冷却和收缩时，连接器沿箭头50的相反方向运动。 本领域技术人员将理解，拱形梁最好以相同的方向拱起，虽然其中 一些的梁以不同的或者相反的方向拱起的另一种安排也是可能的。 只有单个拱形梁情况下，TAB驱动器可以包括各种手段对多个拱形 梁的一个或几个加热或者冷却。

图4(c)所示采用直接加热拱形梁的TAB驱动器的一个实施例。 在此情况下，电流流过每一个拱形梁，对梁提供直接的电阻性加热， 使得每一个梁在预先确定的方向50上延伸和更加拱起。图4(d)为 TAB驱动器的另一个实施例，其中，只有一部分拱形梁是由电流直 接通过来加热。如这一例子所示，一部分梁通过电流i直接加热，而 其他梁不加热，或者由附近带电的梁间接加热。其他的梁不通过电 流，因为依靠绝缘器21和31，它们与通过电流的梁和支架30在电 气上绝缘。本领域技术人员将理解，可以采用直接和间接加热的不 同组合，通过拱形梁的电流也不一定相等。图4(e)为TAB驱动器 的另一个实施例，它具有外部加热器90，以蜿蜒的图案布置在基片 上，轮流加热环境和拱形梁。如图所示，采用触点91和92，电气上 向外部加热器90充电，外部加热器90典型地用导电金属或者半导 体材料制成。

在叙述了一些有代表性的TAB驱动器以后，我们回到对图5(a) 和5(b)所示MEMS旋转结构实施例的讨论。不管TAB驱动器的 类型如何，每一个轮毂轮辐部件130可操作地连接到TAB驱动器300 和轮毂100两者上，把旋转力从TAB列传递到轮毂。每一个轮毂轮 辐部件可操作地连接到相应的TAB驱动器的拱形梁上，TAB驱动器 的热驱动使拱形梁在预定的方向更加拱起，从而使轮毂轮辐部件在 预定的方向移动。布置每一个轮毂轮辐部件对可操作地连接的轮毂 施加旋转力。虽然所示实施例并不包括圆环，MEMS旋转结构可以 有选择的进一步包括圆环以及如前所述安置在圆环和轮毂之间相应 的轮辐部件。

在一个特殊的MEMS旋转结构内，TAB驱动器可以使轮毂顺 时针或者逆时针方向旋转。如图5(a)所示的例子中，TAB驱动 器集合安置，向轮毂提供顺时针的旋转力。相反地，如图5(b)所 示的另一个例子中，TAB驱动器为另一种安置，在MEMS旋转结构 内提供顺时针和逆时针的旋转力。根据加热图5(b)中哪一个TAB 驱动器，轮毂可以有选择的以顺时针和逆时针方向旋转。例如，TAB 驱动器302和304配合使轮毂轮辐130按方向50移动，从而使轮毂 100顺时针旋转。相反地，驱动器301和303配合使轮毂轮辐130按 方向51移动，从而使轮毂逆时针旋转。

带有杆的MEMS旋转结构

以上叙述的MEMS旋转结构的各种实施例可以用在广泛的各种 应用中，包括用作驱动器，温度传感器等等。然而，本发明的MEMS旋 转结构还可以包括其他特性，使MEMS旋转结构用到其他更多的应 用中。在这点上，图6(a)和6(b)给出对以上讨论的MEMS旋 转结构可以作的选择性的修改。可以把杆250加到任何圆环结构如 图6(a)所示。此外，如图6(b)所示，可以把杆250加到这里叙 述的任何轮毂结构。如图所示，杆可以附加到轮毂或者圆环上，并 且从轮毂和圆环向外延伸。此外，杆可以从圆环向轮毂向内延伸。 进一步，轮毂和圆环可以包括向外和向内部延伸组合的杆，或者有 另一些其他结构。在任何情况下，杆随着轮毂和/或者圆环旋转，可 以用于传递力。本领域技术人员将理解，随着轮毂和圆环旋转，杆 可以允许有若干个其他结构，被选择地驱动。MEMS旋转结构的应 用包括但又不局限于杆环绕，开关，继电器，流体阀、泵，电磁快 门，和其他驱动器驱动的装置。

具有反射表面的MEMS旋转结构

图7(a)和7(b)叙述了具有反射表面的MEMS旋转结构。 在所述的实施例中，圆环200的至少一部分表面具有反射表面300。 反射表面300可以布置在圆环的上表面，下表面，或者周边表面。 反射表面可以用微工程技术作为圆环上的一层或者涂层。例如，反 射表面可以是反射金属层，例如金层。另外，反射表面也可以通过 处理圆环表面形成。例如，如果圆环是由硅制的，反射表面可以通 过抛光硅形成。随着圆环的旋转，圆环表面的反射部分最好可以有 选择地旋转进入或者离开光通道。这样一来，反射表面可以用来反 射光，或者作为光阀或快门。如果反射表面由导电材料制成，反射 表面可以用来吸收或阻断电磁能。例如，可以采用金属反射表面有 选择地阻断无线电频率的能量。本领域技术人员将理解，具有可控 制旋转反射表面的MEMS旋转结构可以用作其他用途。

阀和快门圆环结构

如图8(a)和8(b)所示，MEMS旋转结构稍作修改，可以用 作阀门或快门。如图所示，圆环可以限定第一孔320，其轴与微电子 基片10的表面相交。此外，限定通过微电子基片10的第二孔310。 第一和第二孔的安置使得通过圆环的第一孔320和通过微电子基片 10的第二孔310可以有选择地在圆环旋转时对中，以便提供通过圆 环和微电子基片的通道。一旦圆环旋转使第一和第二孔对中，气体， 流体，固体，或者电磁射线便可以穿过圆环和基片。在圆环不旋转 和在第一第二孔不对中的情况下，MEMS旋转结构将阻断气体，流 体等通过。同样地，本实施例的MEMS旋转结构可以作为阀，快门 等。本领域技术人员将认识到，本实施例的MEMS旋转结构并不局 限于以上所述的应用。更有甚者，本实施例的MEMS旋转结构可以 设计为在MEMS旋转结构停止时第一和第二孔对中，也就是不驱动 时对中，而在MEMS旋转结构被驱动时不对中。

如图8(a)所示，圆环也可以包括一个以上的孔。孔可以假使 为各种尺寸，形状，位置和沿圆环的周边相对分散。进一步，在基 片上也可以包括一个以上的孔，同样，基片上的孔可以假设为各种 尺寸，形状，位置和沿圆环的周边相对分散。根据给定应用的要求， 在圆环和/或者基片可以提供作为阀或者快门的一个或多个孔。在圆 环上的一个或者多个孔和在基片的一个或者多个孔可以有选择地对 中，以限定一个或者多个贯穿其中的通道。

旋转开关圆环结构

图9(a)和9(b)所示为设计作为旋转开关运行的MEMS旋 转结构。该MEMS旋转结构包括第一电气触点330，它作为圆环的 一部分，或者附加到圆环200的表面。此外，MEMS旋转结构包括 辅助第二电气触点340，附加到微电子基片10的表面。如图9(a) 和9(b)所示，第二电气触点340由微电子基片上方的支架350定 位，使它接近第一电气触点。虽然图中没有示出，通过或者沿轮毂 轮辐部件的圆环和轮毂提供了第一触点的第一电气通道，通过或者 沿作为第二触点的基片的第二电气通道，使电流流到每一个触点。 虽然第二电气触点布置在相对于微电子基片的固定位置，圆环相对 于基片旋转时，第一电气触点随着圆环旋转。为了可控制地连接第 一和第二触点，第一和第二触点可以随着圆环旋转，有选择地对中。 按照这种方式，MEMS旋转结构可以用做电气开关或者继电器。虽 然叙述了一个最佳实施例，本领域技术人员将理解，第一和第二触 点可以相反地布置在圆环和微电子基片上，仍然允许这一结构起旋 转电子开关或者继电器的功能。例如，MEMS旋转结构可以包括部 分圆环，允许第一和第二触点相互接触于垂直于微电子基片表面的 平面上。进一步，在圆环和基片上的电气触点可以有其他安排，以 适合于几种其他应用，例如可变电阻，或者电位计。为了用作电位 计，电气触点在MEMS旋转结构旋转时保持电连接，以保持触点之 间的电阻。可以用电气触点形成电阻，或者将分开的装置连接到电 气触点上。当MEMS旋转结构旋转时，电阻值可选择地改变，使得 本实施例的MEMS旋转结构可以作为可变电阻。

可变电容圆环结构

图10(a)-(c)所示为MEMS旋转结构，它已经适用于作为 可变电容器。可以用MEMS旋转结构形成一个或者多个可变电容 器。为了形成可变电容器，MEMS旋转结构包括第一导电表面，典 型由金制成，如图10(a)所示，安置于微电子基片10的表面上。 最好由一个绝缘层覆盖并且保护第一导电表面。该绝缘层通常由氮 化硅制成，置于第一导电表面上面。第一导电表面包括对应于所示 第一可变电容C1的第一盘390。第一导电表面可选择进一步包括在 电气上与第一盘绝缘的第二盘391，形成第二可变电容C2。第一和 第二盘可各自包括一个或多个在相应盘上形成的齿，例如，如图10 (a)所示，第一盘390具有齿392，第二盘391具有齿393。熟悉 本技术的人将认识到，在根据本发明形成可变电容的时候，可能采 用不同形状和放置方向的第一和第二盘。

如图10(b)所示，本实施例的MEMS旋转结构还包括辅助 的第二导电表面380，置于圆环上面或由圆环200支持，并且至少部 分地与第一导电表面390重叠。在圆环上的第二导电表面最好如图 所示包括一个或多个齿。如图10(b)中，用虚线表示包括第一和第 二盘的第一导电表面。第一导电表面的第一和第二盘最好相对于圆 环和第二导电表面居中地安放。第一和第二导电表面最好临近设置 并相互面对，仅由图10(c)中区域400表示的一个小的气隙，或一 薄层绝缘的介电材料隔开。

希望第一和第二导电表面之间的重合和形成的电容可以在圆 圆环转动时有选择地改变。相应地，根据本发明，有许多技术和结 构可用于形成可变电容实施例。在一个实施例中，第一导电表面的 或更特指是第一或第二盘上的一个或多个齿，在圆环转动时，可以 有选择地重叠第二导电表面的一个或多个齿。例如，如图10(b)所 示，圆环在转动时，各个齿可以部分或全部重叠，或完全不重叠， 以改变它们之间的电容值。例如，第一导电表面的第一盘上的齿392 在位于圆环上的第二导电表面的齿202的上面，并部分与之重叠， 如图10(b)中示出的平面图和图10(c)中的断面图所示。最好是 在圆环和在基片上分布的齿是交错的，圆环在转动时，第一和第二 导电表面上分布的齿之间的重叠也改变，从而提供可变的电容。熟 悉本技术的人将理解到，根据本发明的精神可以提供不同尺寸和形 状的齿，例如矩形，方形，圆形或其他形状的齿。在圆环转动时， 根据重叠的齿的位置，可以提供线性，非线性，对数的或其他变化 特性的电容。此外，齿之间的重叠相对最小或最大时，电容也可以 在最小或最大值之间转动地变化。

但是，在没有形成齿的第一和第二导电表面重叠部分也能够建 立电容。最好是第一和第二导电表面的没有齿的部分之间很少或者 没有重叠。同样，因为齿间不重叠时，寄生电容比较小，电容可以 在相对低到相对高的值之间变化。例如，希望在没有齿的基片上的 第一和第二盘的部分与没有齿的圆环的部分之间的重叠尽量少。在 这种情况下，电容基本确定，并且根据分布在第一和第二导电表面 上的齿的重叠情况而变化。这个概念可以用许多种办法完成。

例如，圆环可以比由第一和第二盘决定的圆周的半径小。齿可 以从圆环向外布置。因此，圆环转动时，圆环和盘上的齿可选择地 重叠，此时第一和第二盘的其他部分不与圆环重叠。例如，可以改 变C形第一和第二盘，使得连接齿的导电部分比齿的表面积明显 小。这样，圆环上的齿可以布置得与第一和第二盘上的齿重叠，而 第一和第二导电表面的无齿部分之间的重叠尽量小或者没有重叠。 在有些情况下，第一和第二导电表面的无齿部分间的重叠可能有好 处。在此情况下，至少有一部分的第一和第二导电表面可以布置得 重叠，与圆环的转动无关，这样可变电容总能够提供一个最小电容。 根据以上所有的叙述，本领域技术人员将认识到，圆环、第一盘、 第二盘以及相应的齿的布置可以根据需要而改变，以便在圆环转动 时提供可变电容。

此外，圆环200上的第二导电表面可以用作为一个以上的可变 电容的部分。如图10(b)所示，圆环同时作为可变电容C1和可变 电容C2的一个盘。这样，可变电容C1和C2通过圆环的第二导电 表面有效地串联。

第一和第二导电表面之间的重叠面积能够受控制地变化，以便 在圆环转动时改变它们之间的电容。尽管可以用半导体材料制成的 层作为导电表面，但是，导电表面最好用金属制成。尽管没有示出， 本实施例的MEMS旋转结构可以包括连接第一和第二导电表面的电 气引线或者通路，以便测量其间的电容。如前所述，本领域技术人 员将认识到，在不背离本发明的精神范围内，MEMS旋转结构可以 提供许多其他旋转可变电容设计的实施例。

用于轮毂和圆环结构的旋转连接元件

有两种主要技术可以将轮毂100，和选择地将圆环附加到微电子 基片10上。首先，在一些实施例中，轮毂可以被刚性附加到微电子 基片上。在此情况下，轮毂可以直接附加到基片上，或者通过锚或 者其他间接地附加到其上。此外，该轮毂可以旋转地连接到下面的 微电子基片上，便可以相对自由的转动。

在一个实施例中，轮毂可以通过转动的连接元件附加到微电子 基片上。例如，可以采用转动接触诸如转动件轴承，滚珠或者球窝 轴承，或者如美国专利申请号08/719,711所叙述的其他一些滚动接 触，其内容已经在此引入。通过旋转连接元件，轮毂和圆环可以相 对于微电子基片自由转动。最好能用针状连接机构提供至微电子基 片的旋转连接，如图11(a)和(b)所示。尽管在该实施例中示出 轮毂，销状接头完全可以同样地用到圆环的实施例中。销360附加 到基本微电子基片10上。例如，在轮毂100中提供了一个合适的间 隙362，使得销可以置入其中。同样，轮毂或者轮毂和圆环得到如图 所示的锚或者由其他类似物很好的支持。但是，该轮毂或者轮毂和 圆环可以响应前述任何热驱动源，围绕着销旋转或者转动。该间隙 可以根据转动的需要，做得相对大些或小些。

不管所采用的转动连接元件的形式如何，当采用旋转连接时， 由于只要克服相对小的摩擦力或者扭应力，该轮毂总能够自由转 动。一旦轮毂开始旋转，只要有相对小的恒定的转动力，就能够使 轮毂连续转动。当带有转动触点的轮毂转到给定位置，甚至当旋转 力已经去掉，轮毂会保持在此位置。当然，熟悉本技术的人将认识 到可以应用许多其他旋转连接方法，而不偏离本发明的范围和精 神。

如上所述，MEMS旋转结构的不同实施例可以广泛用到各种不 同的应用，诸如转动开关，驱动器，可变电容，可变电阻，快门， 阀和其他类似物，本领域技术人员将理解存在其他一些这里没有提 到的应用。因此，本发明的MEMS旋转结构可以用在要求或希望非 线性运动的不同应用中，在这些场合常规线性MEMS驱动器可能不 适合了。

在附图和说明中，已经揭示了本发明典型的最佳实施例，尽管 使用了专业用语，但仅用于上位的和说明性的目的，并没有限制本 发明在下述权利要求中提到的范围。