Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet mikroelektromechanischer Vorrichtungen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Ladungssteuerschaltung für eine mikroelektromechanische Vorrichtung.

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind Systeme, die unter Verwendung einer Dünnfilmtechnologie entwickelt werden, und die sowohl elektrische als auch mikromechanische Komponenten beinhalten. MEMS-Vorrichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wie z. B. optischen Anzeigesystemen, Drucksensoren, Flusssensoren und Ladungssteuerbetätigungselementen. MEMS-Vorrichtungen verwenden eine elektrostatische Kraft oder Energie zur Bewegung oder Überwachung der Bewegung mikromechanischer Elektroden, die eine Ladung speichern können. Die Größe eines Zwischenraums zwischen den Elektroden wird durch ein Ausgleichen einer elektrostatischen Kraft und einer mechanischen Rückstellkraft gesteuert. Digitale MEMS-Vorrichtungen verwenden zwei Spaltabstände, während analoge MEMS-Vorrichtungen mehrere Spaltabstände verwenden.

MEMS-Vorrichtungen wurden unter Verwendung einer Vielzahl von Ansätzen entwickelt. Bei einem Ansatz ist eine verformbare Ablenkmembran über einer Elektrode positioniert und wird elektrostatisch zu der Elektrode angezogen. Andere Ansätze verwenden Klappen oder Träger aus Silizium oder Aluminium, die eine obere leitende Schicht bilden. Bei optischen Anwendungen ist die leitende Schicht reflektierend und wird unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft zur Streuung von Licht, das auf die leitende Schicht einfällt, verformt.

Diese Ansätze leiden unter einer elektrostatischen Instabilität, die zu einem stark reduzierten Bewegungsbereich führt. Die Instabilität tritt auf, wenn eine Spannung, die die Elektroden steuert, erhöht wird, um den Spaltabstand zu steuern. Da die Elektroden einen variablen Kondensator bilden, ist das Ergebnis eine Ladungsinstabilität, wenn die Kapazität aufgrund einer Reduzierung des Spaltabstands erhöht wird. Mit zunehmender Kapazität wird mehr und mehr elektrische Ladung auf den Kondensator gezogen, was zu einer Ladungsinstabilität führt. Da die Menge einer Ladung, die auf dem Kondensator gespeichert ist, nicht gesteuert wird, ist eine Steuerung der Elektrodenbewegung für nur etwa ein Drittel des Gesamtspaltabstands möglich, da außerhalb dieses Bereichs die Elektrode zu mechanischen Anschlägen „herunterschnappt". So liegt eine nichtlineare Beziehung zwischen der Elektrodenspannung und einer Elektrodenplatzierung über einen großen Bereich von Spaltabständen vor. Diese Unfähigkeit einer Steuerung des Spaltabstands für mehr als etwa ein Drittel des Gesamtspaltabstands beschränkt die Verwendbarkeit der MEMS-Vorrichtungen. Bei optischen Anzeigesystemen z. B. sollten Lichtmodulator-MEMS-Vorrichtungen auf Interferenz- oder Defraktionsbasis vorzugsweise einen großen Bereich einer Spaltabstandsteuerung aufweisen, um einen größeren optischen Bereich sichtbaren Lichts, das durch die optische MEMS-Vorrichtung gestreut wird, zu steuern.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Ladungssteuerschaltung zum Steuern einer mikroelektromechanischen Vorrichtung mit variabler Kapazität bereit. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Ladungsspeichervorrichtung zum Speichern einer Ladungsmenge konfiguriert. Eine Schalterschaltung ist konfiguriert, um die variable Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung durch ein gemeinschaftliches Verwenden der Ladungsmenge durch die Ladungsspeichervorrichtung und die mikroelektromechanische Vorrichtung zu steuern, um die Ladungsspeichervorrichtung und die mikroelektromechanische Vorrichtung auf eine gleiche Spannung abzugleichen.

1 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

2 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer mikroelektromechanischen Vorrichtung darstellt.

3 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Ladungssteuerschaltung darstellt.

4 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

5 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines ersten Schalters darstellt.

6 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines zweiten und eines dritten Schalters darstellt.

In der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil derselben bilden, und in denen zur Darstellung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden könnte. Es wird darauf verwiesen, dass andere Ausführungsbeispiele eingesetzt und strukturelle oder logische Änderungen durchgeführt werden könnten, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende detaillierte Beschreibung soll deshalb in keinem einschränkenden Sinn aufgefasst werden und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.

1 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Systems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das mikroelektromechanische System 10 umfasst eine variable Leistungsversorgung 12, eine Ladungssteuerschaltung 16, eine mikroelektromechanische Vorrichtung 26 und eine Steuerung 28. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst die Ladungssteuerschaltung 16 eine Schalterschaltung 18 und eine Ladungsspeichervorrichtung 22. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 durch eine Ladung gesteuert und besitzt eine variable Kapazität, die durch ein gemeinschaftliches Verwenden einer Ladungsmenge durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ausgewählt wird. Die Ladungsspeichervorrichtung 22 ist konfiguriert, um die Ladungsmenge zu speichern. Zur Auswahl einer Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 wird die Ladungsmenge, die in der Ladungsspeichervorrichtung 22 gespeichert ist, gemeinschaftlich durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 verwendet, so dass die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine gleiche Spannung abgeglichen werden. Mit diesem Ansatz wählt die Ladung, die in der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 gespeichert ist, die Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 aus und kann genau gesteuert werden. Dies ist so, da die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine gleiche Spannung abgeglichen sind und die Beziehung zwischen der Ladungsmenge und der Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 bekannt ist. Die Beziehung zwischen der Ladung, die in der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 gespeichert ist, und der Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 ist über einen breiten Bereich von Spaltabständen oder Breiten linear.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die variable Leistungsversorgung 12 eine variable Spannungsquelle, die mit der Schalterschaltung 18 gekoppelt ist, und die konfiguriert ist, um die Ladungsmenge an die Ladungsspeichervorrichtung 22 zu liefern. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wählt oder steuert die Steuerung 28 die Menge an Ladung, die durch die variable Leistungsversorgung 12 an die Ladungsspeichervorrichtung 22 bereitgestellt wird, um die Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 auszuwählen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Ansätze verwendet werden, um die Menge einer Ladung, die durch die variable Leistungsversorgung 12 an die Ladungsspeichervorrichtung 22 geliefert wird, auszuwählen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die variable Leistungsversorgung 12 eine variable Spannungsquelle und liefert die Ladungsmenge durch ein Laden der Ladungsspeichervorrichtung 22 von einem Massepotential auf eine Spannung, die der Ladungsmenge entspricht, an die Ladungsspeichervorrichtung 22. Die Spannung wird durch die Steuerung 28, die die variable Leistungsversorgung 12 steuert, ausgewählt. Bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen können andere Ansätze zur Steuerung der variablen Leistungsversorgung 12 verwendet werden. Bei verschiedenen anderen Ausführungsbeispielen ist die variable Leistungsversorgung 12 eine Stromquelle, die konfiguriert ist, um die Ladungsmenge an die Ladungsspeichervorrichtung 22 zu liefern. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Ladungsspeichervorrichtung 22 ein Kondensator. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Ladungsspeichervorrichtung 22 in einer beliebigen Einrichtung oder einem beliebigen Ansatz ausgeführt sein, die/der zur Speicherung der Ladungsmenge verwendet werden kann.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein variabler Kondensator, in dem die Kapazität gemäß der Ladung, die in der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 gespeichert ist, ausgewählt ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein elektrostatisch gesteuertes Parallelplattenbetätigungsglied, das eine erste Platte 30 und eine zweite Platte 32 umfasst (siehe auch 2). Das Parallelplattenbetätigungsglied besitzt eine variable Kapazität, die durch ein Speichern einer vorbestimmten Menge einer Ladung auf der ersten Platte 30 und der zweiten Platte 32 ausgewählt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein passiver Pixelmechanismus, der einen elektrostatisch anpassbaren oberen Reflektor 30 und unteren Reflektor 32 umfasst, die konfiguriert sind, um einen optischen Resonanzhohlraum 34 zu definieren.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein variabler Kondensator, der gemäß der Menge einer Ladung, die durch die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 gespeichert wird, geladen, gesteuert oder ausgewählt wird. Bei einem exemplarischen Verfahren ist die Ladungsmenge in der Ladungsspeichervorrichtung 22 gespeichert. Als Nächstes wird die Ladungsmenge, die in der Ladungsspeichervorrichtung 22 gespeichert ist, gemeinschaftlich durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 verwendet, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf einen gleichen Spannungswert abzugleichen. Bei dem exemplarischen Verfahren steuert die Steuerung 28 die variable Leistungsversorgung 12 und wählt eine Ausgangsspannung aus, die durch die variable Leistungsversorgung 12 auf einer Leitung 14 bereitgestellt wird. Die Steuerung 28 aktiviert die Schalterschaltung 18, die einen leitfähigen Pfad zwischen der variablen Leistungsversorgung 12 und der Ladungsspeichervorrichtung 22 bereitstellt, so dass die Ladungsspeichervorrichtung 22 auf die ausgewählte Spannung aufgeladen werden kann. Als Nächstes stellt die Schalterschaltung 18 einen leitfähigen Pfad zwischen der Ladungsspeichervorrichtung 22 und der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 bereit, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine gleiche Spannung abzugleichen. Sobald die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf die gleiche Spannung abgeglichen wurden, erliegt eine Ladungsleitung zwischen der Ladungsspeichervorrichtung 22 und der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26. Eine genaue Beziehung kann zwischen der Spannung, die durch die variable Leistungsversorgung 12 ausgewählt wird, oder alternativ der Ladungsmenge, die durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 gespeichert wird, und der Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 eingerichtet werden.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann eine Anzahl geeigneter Spannungswerte, die durch die variable Leistungsversorgung 12 bereitgestellt werden, ausgewählt werden, wobei jeder der Anzahl von Spannungswerten einer Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 entspricht. Die Kapazität der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 wird durch ein Aufladen der Ladungsspeichervorrichtung 22 auf den ausgewählten Spannungswert und ein gemeinschaftliches Verwenden der Ladungsmenge, die in der Ladungsspeichervorrichtung 22 gespeichert ist, die dem ausgewählten Spannungswert entspricht, mit der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26, so dass die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf den gleichen Spannungswert abgeglichen werden, ausgewählt.

2 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 darstellt. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel zeigt die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zumindest teilweise ein Pixel eines anzeigbaren Bilds an. Die Vorrichtung 26 umfasst einen oberen Reflektor 30 und einen unteren Reflektor 32, sowie eine Biegevorrichtung 38 und einen Federmechanismus 40. Ein optischer Resonanzhohlraum 34 ist durch die Reflektoren 30 und 32 definiert, der eine variable Dicke oder Breite 36 aufweist. Der obere Reflektor 30 ist bei einem Ausführungsbeispiel semitransparent oder semireflektierend. Der untere Reflektor 32 ist bei einem Ausführungsbeispiel stark reflektierend oder vollständig reflektierend. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der obere Reflektor 30 stark reflektierend oder vollständig reflektierend und der untere Reflektor 32 ist semitransparent oder semireflektierend. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Federmechanismus 40 ein beliebiges geeignetes flexibles Material, wie z. B. ein Polymer, das eine lineare oder nichtlineare Federfunktionalität besitzt, sein.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der optische Hohlraum 34 durch optische Interferenz variabel selektiv für eine sichtbare Wellenlänge bei einer Intensität. Abhängig von der erwünschten Konfiguration der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 kann der optische Hohlraum 34 die Wellenlänge bei der Intensität entweder reflektieren oder durchlassen. Dies bedeutet, dass der Hohlraum 34 reflektierender oder durchlässiger Natur sein kann. Kein Licht wird durch den optischen Hohlraum 34 erzeugt, so dass die Vorrichtung 26 sich auf Umgebungslicht oder Licht, das durch die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 bereitgestellt wird, das durch den Hohlraum 34 reflektiert oder durchgelassen wird, stützt. Die sichtbare Wellenlänge, die durch den optischen Hohlraum 34 ausgewählt wird, und deren Intensität, die durch den optischen Hohlraum 34 ausgewählt wird, sind abhängig von der Dicke 36 des Hohlraums 34. Dies bedeutet, dass der optische Hohlraum 34 durch Steuerung seiner Dicke 36 auf eine erwünschte Wellenlänge bei einer erwünschten Intensität abgestimmt werden kann.

Die Biegevorrichtung 38 und der Federmechanismus 40 erlauben es, dass die Dicke 36 des Hohlraums 34 variieren kann, indem sich der obere Reflektor 30 bewegen darf. Allgemeiner bilden die Biegevorrichtung 38 und der Federmechanismus 40 einen Mechanismus, der es ermöglicht, dass eine Variation der optischen Eigenschaften des optischen Hohlraums 34 variabel eine sichtbare Wellenlänge bei einer Intensität auswählt. Die optischen Eigenschaften umfassen einen optischen Index des Hohlraums 34 und/oder die optische Dicke des Hohlraums 34. Eine elektrische Ladung, die auf den Reflektoren 30 und 32 gespeichert ist, bewirkt eine Veränderung der Dicke 36 des Hohlraums 34, da die Biegevorrichtung 38 und der Federmechanismus 40 eine Bewegung des Reflektors 30 erlauben. So besitzt die Biegevorrichtung 38 eine Steifigkeit und der Federmechanismus 40 besitzt eine Federrückstellkraft, derart, dass die Ladung, die auf den Reflektoren 30 und 32 gespeichert ist, bewirkt, dass die Biegevorrichtung 38 und der Federmechanismus 40 nachgeben und eine Bewegung des Reflektors 30 erlauben, wodurch die erwünschte Dicke 36 erzielt wird. Keine Leistung wird bei der Beibehaltung einer bestimmten Dicke 36 abgeleitet.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der untere Reflektor 32 auf einer festen Spannung beibehalten. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die feste Spannung ein Massepotential. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist der Reflektor 30, wenn eine Ladung auf den Reflektoren 30 und 32 gespeichert ist, eine Spannung auf, die der gespeicherten Ladung und der festen Spannung des unteren Reflektors entspricht. Die Ladung entspricht der erwünschten sichtbaren Wellenlänge und der erwünschten Intensität, kalibriert auf die Steifigkeit der Biegevorrichtung 38. Während die Biegevorrichtung 38, die in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel dargestellt ist, unter dem unteren Reflektor 32 positioniert ist, kann sie bei einem anderen Ausführungsbeispiel über dem unteren Reflektor 32 positioniert sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Biegevorrichtung 38 auch über oder unter dem oberen Reflektor 30 positioniert sein, derart, dass der untere Reflektor 32 bewegbar ist, anstelle des oberen Reflektors 30, um die Dicke 36 des optischen Hohlraums 34 einzustellen. Ferner kann es bei weiteren Ausführungsbeispielen mehr als einen optischen Hohlraum geben, derart, dass der optische Hohlraum 34 mehr als einen derartigen Hohlraum beinhaltet.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind der untere Reflektor 32 und der obere Reflektor 30 Platten eines variablen Kondensators oder eines Parallelplattenbetätigungsglieds, wobei der optische Hohlraum 34 ein Dielektrikum zwischen denselben darstellt. Eine Ladung, die auf dem oberen Reflektor 30 und dem unteren Reflektor 32 gespeichert ist, bewegt den oberen Reflektor 30 aufgrund der Biegevorrichtung 38 und des Federmechanismus 40. Es ist diese elektrostatische Ladung, die eine Beibehaltung der bestimmten Dicke 36 ohne weiter Ladungsanlegung über den oberen Reflektor 30 und den unteren Reflektor 32 ermöglicht.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel entsprechen die Wellenlänge und die Intensität, die durch den optischen Hohlraum 34 ausgewählt werden, einem Pixel eines anzeigbaren Bilds. So zeigt bei einem Ausführungsbeispiel die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zumindest teilweise das Pixel des Bilds an. Die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 kann in entweder einem analogen oder einem Digitalmodus arbeiten. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie z. B. einer analogen Vorrichtung, wählt die Vorrichtung 26 eine sichtbare Wellenlänge von Licht und eine Intensität, die der Farbe und der Intensität der Farbe des Pixels entsprechen, aus. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung 26 verwendet, um das Pixel in einer analogen Weise in Schwarz-und-Weiß oder in Grauskalierung anstelle von Farbe anzuzeigen.

Bei einem Ausführungsbeispiel, wie z. B. einer digitalen Vorrichtung, ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 verantwortlich für entweder die Rot-, Grün- oder Blau-Farbkomponente des Pixels. Die Vorrichtung 26 behält eine statische sichtbare Wellenlänge, entweder Rot, Grün oder Blau, bei und variiert die Intensität dieser Wellenlänge entsprechend der Rot-, Grün- oder Blau-Farbkomponente des Pixels. Deshalb werden drei mikroelektromechanische Vorrichtung 26 benötigt, um das Pixel digital anzuzeigen, wobei eine Vorrichtung 26 eine Rot-Wellenlänge auswählt, eine andere Vorrichtung 26 eine Grün-Wellenlänge auswählt und eine dritte Vorrichtung 26 eine Blau-Wellenlänge auswählt. Allgemeiner gibt es eine mikroelektromechanische Vorrichtung 26 für jede Farbkomponente des Pixels oder Abschnitt des Bilds. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 verwendet werden, um das Pixel in einer digitalen Weise in Schwarz-und-Weiß oder in Grauskalierung anstelle von Farbe anzuzeigen.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet der optische Hohlraum 34 der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 optische Interferenz zum durchlassenden oder reflektierenden Auswählen einer Wellenlänge bei einer Intensität. Der optische Hohlraum 34 bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Dünnfilm mit einer Lichtweglänge gleich der Dicke 36. Licht wird von den Grenzen der Reflektoren 30 und 32 auf beiden Seiten des Hohlraums 34 reflektiert und interferiert mit sich selbst. Die Phasendifferenz zwischen dem eingehenden Strahl und seinem reflektierten Bild beträgt k(2d), wobei d die Dicke 36 ist, da sich der reflektierte Strahl über die Entfernung 2d innerhalb des Hohlraums 34 bewegt. Da k = 2&pgr;&lgr; gilt, beträgt, wenn d = &lgr;2 ist, die Phasendifferenz zwischen der eingehenden und der reflektierten Welle k2d = 2&pgr;, was eine konstruktive Interferenz ergibt. Alle Vielfache von &pgr;/2, die die Moden des optischen Hohlraums 34 sind, werden durchgelassen. Als ein Ergebnis der optischen Interferenz lässt dann der optische Hohlraum 34 den Großteil von Licht bei ganzzahligen Vielfachen von &lgr;/2 und die geringste Menge von Licht bei ungeraden ganzzahligen Vielfachen von &lgr;/4 durch.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel erlauben die Biegevorrichtung 38 und der Federmechanismus 40 eine Veränderung der Dicke 36 des optischen Hohlraums 34, wenn eine geeignete Menge an Ladung auf den Reflektoren 30 und 32 gespeichert wurde, derart, dass eine erwünschte Wellenlänge bei einer erwünschten Intensität ausgewählt wird. Diese Ladung und die entsprechende Spannung werden gemäß der folgenden Gleichung bestimmt, die die Anziehungskraft zwischen den Reflektoren 30 und 32 ist, die als Platten eines Parallelplattenkondensators wirken, und Randfelder nicht berücksichtigt:

Deshalb liefert eine Menge einer Ladung, die einer kleinen Spannung zwischen den Reflektoren 30 und 32 entspricht, eine ausreichende Kraft, um den oberen Reflektor 30 zu bewegen und denselben gegen Schwerkraft und Erschütterungen zu halten. Die elektrostatische Ladung, die in den Reflektoren 30 und 32 gespeichert ist, ist ausreichend, um den oberen Reflektor 30 ohne zusätzliche Leistung an seinem Ort zu halten. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen könnte ein Ladungslecken ein gelegentliches Auffrischen der Ladung erfordern.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die in Gleichung (1) definierte Kraft mit der linearen Federkraft, die durch den Federmechanismus 40 bereitgestellt wird, ausgeglichen: F = k(d₀ – d)(2) wobei k die lineare Federkonstante ist und d₀ der Anfangswert der Dicke 36 ist. Da die Kapazität durch Ladung gesteuert wird, kann die Kraft zwischen den Reflektoren 30 und 32 der Gleichung (1) stattdessen als eine Funktion der Ladung geschrieben werden:

Obwohl die Beschreibung der vorherigen Absätze unter Bezugnahme auf einen idealen Parallelplattenkondensator und eine ideale lineare Federrückstellkraft erfolgt, werden durchschnittliche Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass die beschriebenen Prinzipien auf andere mikroelektromechanische Vorrichtungen 26 angewendet werden können, wie z. B. Anzeigevorrichtungen auf Interferenzbasis oder Beugungsbasis, Parallelplattenbetätigungsglieder, nichtlineare Federn und andere Typen von Kondensatoren. Mit Anzeigevorrichtungen können, wenn der verwendbare Bereich erhöht wird, mehr Farben, Sättigungspegel und Intensitäten erzielt werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein Parallelplattenbetätigungsglied 26. Das Parallelplattenbetätigungsglied 26 umfasst eine Biegevorrichtung 38 in einem Federmechanismus 40. Der Federmechanismus 40 ist angepasst, um eine erste Platte 30 zu unterstützen und eine Rückstellkraft bereitzustellen, um die erste Platte 30 von der zweiten Platte 32 zu trennen. Die Biegevorrichtung 38 ist an dem Federmechanismus 40 angebracht und ist angepasst, um die zweite Platte 32 zu unterstützen. Der Federmechanismus 40 und die Biegevorrichtung 38 behalten die erste Platte 30 in einer Ablenkentfernung 36 oder Dicke 36 in einer etwa parallelen Ausrichtung in Bezug auf die zweite Platte 32.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein passiver Pixelmechanismus 26. Der Pixelmechanismus 26 umfasst einen elektrostatisch einstellbaren oberen Reflektor 30 und unteren Reflektor 32, die konfiguriert sind, um einen optischen Resonanzhohlraum 34 zu definieren. Eine Ladungssteuerschaltung 16 ist konfiguriert, um eine sichtbare Wellenlänge des passiven Pixelmechanismus 26 auszuwählen, indem eine gespeicherte Ladungsmenge gemeinschaftlich mit dem oberen Reflektor 30 und dem unteren Reflektor 32 verwendet wird, um eine Ablenkentfernung 36 oder Dicke 36 zu steuern.

3 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Ladungssteuerschaltung 16darstellt. Die Ladungssteuerschaltung 16 umfasst einen ersten Schalter 42, der mit einer Ladungsspeichervorrichtung 22 gekoppelt ist, und der konfiguriert ist, um die Ladungsmenge von einer Leitung 14 auf die Ladungsspeichervorrichtung 22 zu leiten. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die Leitung 14 mit einem Ausgang einer variablen Leistungsversorgung 12 gekoppelt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Ladungsmenge von anderen geeigneten Quellen, wie z. B. einer Stromquelle, bereitgestellt werden. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der Schalter 42 durch eine Steuerung 28 aktiviert und liefert einen leitfähigen Pfad zwischen der Leitung 14 und einer Leitung 20, um die Ladungsmenge zu der Ladungsspeichervorrichtung 22 zu leiten.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst die Schalterschaltung 16 einen zweiten Schalter 44, der zwischen die Leitung 20 und eine Leitung 24 geschaltet ist. Der Schalter 44 wird durch die Steuerung 28 aktiviert, um einen leitfähigen Pfad bereitzustellen, um Ladung von der Ladungsspeichervorrichtung 22 zu einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 zu leiten, die mit der Leitung 24 gekoppelt ist. Mit dem leitfähigen Pfad gleichen die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine gleiche Spannung ab. Ein dritter Schalter 46 ist zwischen die Leitung 24 und ein Massepotential geschaltet und ist konfiguriert, um die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zu entladen, bevor der zweite Schalter 44 aktiviert wird, um den leitfähigen Pfad zwischen der Ladungsspeichervorrichtung 22 und der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 bereitzustellen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der dritte Schalter 46 durch die Steuerung 28 aktiviert. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der erste Schalter 42 aktiviert, um die Ladungsmenge zu der Ladungsspeichervorrichtung 22 zu leiten, und der dritte Schalter 46 wird aktiviert, um die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zu entladen, bevor der zweite Schalter 44 den leitfähigen Pfad bereitstellt, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf die gleiche Spannung abzugleichen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel steuert die Steuerung 28 den ersten Schalter 42, den zweiten Schalter 44 und den dritten Schalter 46. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können andere geeignete Ansätze verwendet werden, um den ersten Schalter 42, den zweiten Schalter 44 und den dritten Schalter 46 zu steuern. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind der erste Schalter 42, der zweite Schalter 44 und der dritte Schalter 46 Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Transistoren. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können der erste Schalter 42, der zweite Schalter 44 und der dritte Schalter 46 andere geeignete Vorrichtungstypen sein, die ausgewählt oder aktiviert werden können, um leitfähige Pfade bereitzustellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen z. B. können die Schalter andere Vorrichtungstypen sein, wie z. B. Galliumarsenid-Metallhalbleiter-Feldeffekttransistoren (GaAs-MESFETs) oder Bipolartransistoren.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein elektrostatisch gesteuertes Parallelplattenbetätigungsglied 26, das eine erste Platte 30 und eine zweite Platte 32 umfasst. Der erste Schalter 42 ist konfiguriert, um einen Kondensator 22 auf eine erste Spannung zu laden. Der zweite Schalter 44 ist konfiguriert, um eine Ablenkentfernung zwischen der ersten Platte 30 und der zweiten Platte 32 durch ein Parallelschalten des Kondensators 22 und des Parallelplattenbetätigungsglieds 26 zu steuern, so dass der Kondensator 22 das Parallelplattenbetätigungsglied 26 auf eine zweite Spannung lädt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Spannung kleiner als die erste Spannung. Der Kondensator 22 lädt das Parallelplattenbetätigungsglied 26 auf die zweite Spannung, während der Kondensator 22 von der ersten Spannung auf die zweite Spannung entladen wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein dritter Schalter 46 über das Parallelplattenbetätigungsglied 26 gekoppelt und ist konfiguriert, um das Parallelplattenbetätigungsglied 26 zu entladen, bevor der zweite Schalter 44 den Kondensator 22 und das Parallelplattenbetätigungsglied 26 parallel schaltet.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 ein passiver Pixelmechanismus 26. Die Ladungssteuerschaltung 16 umfasst einen Kondensator 22, der konfiguriert ist, um eine Ladungsmenge zu speichern, einen ersten Schalter 42 und einen zweiten Schalter 44. Der erste Schalter 42 ist an der Leitung 20 mit dem Kondensator 22 gekoppelt und ist konfiguriert, um die Ladungsmenge zu dem Kondensator 22 zu leiten. Der zweite Schalter 44 ist an der Leitung 20 mit dem Kondensator 22 gekoppelt und mit dem passiven Pixelmechanismus 26. Der zweite Schalter 44 liefert einen leitfähigen Pfad, um den Kondensator 22 und den passiven Pixelmechanismus 26 auf eine gleiche Spannung abzugleichen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein dritter Schalter 46 an der Leitung 24 zwischen den passiven Pixelmechanismus 26 und ein Massepotential geschaltet und ist konfiguriert, um den passiven Pixelmechanismus 26 zu entladen, bevor der zweite Schalter 44 den leitfähigen Pfad bereitstellt. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die variable Leistungsversorgung 12 eine variable Spannungsquelle 12 und ist mit dem ersten Schalter 42 an der Leitung 14 gekoppelt und ist konfiguriert, um die Ladungsmenge an den Kondensator 22 zu liefern. Der passive Pixelmechanismus 26 umfasst einen elektrostatisch einstellbaren oberen Reflektor 30 und unteren Reflektor 32, die konfiguriert sind, um einen optischen Resonanzhohlraum 34 zu definieren. Die Ladungssteuerschaltung 16 ist konfiguriert, um eine sichtbare Wellenlänge für den passiven Pixelmechanismus 26 auszuwählen, indem die Ladungsmenge, die in dem Kondensator 22 gespeichert ist, gemeinschaftlich mit dem oberen Reflektor 30 und dem unteren Reflektor 32 verwendet wird, um eine Ablenkentfernung zu steuern.

4 ist ein Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines mikroelektromechanischen Systems 50gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst das mikroelektromechanische System 50 eine Mehrzahl mikroelektromechanischer Vorrichtungen 26, die bei 26a, 26b bzw. 26c dargestellt sind, für eine mikroelektromechanische Vorrichtung 1, 2 und N. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann N eine beliebige geeignete Zahl sein. Jede der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 umfasst eine erste Platte 30 und eine zweite Platte 32. Das mikroelektromechanische System 50 umfasst eine Ladungsspeichervorrichtung 22, die konfiguriert ist, um eine Ladungsmenge zu speichern. Obwohl nur eine Ladungsspeichervorrichtung 22 dargestellt ist, um die Erläuterung der Erfindung zu vereinfachen, kann in anderen Ausführungsbeispielen eine beliebige geeignete Anzahl von Ladungsspeichervorrichtungen 22 verwendet werden. Ein erster Schalter ist bei 51 beinhaltet und ist konfiguriert, um die Ladungsmenge von einer variablen Leistungsversorgung 12 zu der Ladungsspeichervorrichtung 22 zu leiten, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 auf eine erste Spannung zu laden. Der erste Schalter 51 ist mit der variablen Leistungsversorgung 12 über eine Leitung 14 verbunden und ist über eine Leitung 52 mit der Ladungsspeichervorrichtung 22 verbunden.

Das mikroelektromechanische System 50 umfasst eine Vielzahl von Schaltern 56, die bei 56a, 56b bzw. 56c dargestellt sind, für Schalter 1, 2 und N. Jeder der Schalter 56 ist konfiguriert, um eine Kapazität einer entsprechenden der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 auszuwählen, indem die Ladungsmenge durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende mikroelektromechanische Vorrichtung 26 gemeinschaftlich verwendet wird, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine gleiche Spannung abzugleichen. So ist der Schalter 1 bei 56a mit der Ladungsspeichervorrichtung 22 über eine Leitung 54a gekoppelt und mit der mikroelektromechanischen Vorrichtung 1 bei 26a über eine Leitung 58a. Ähnlich ist der Schalter 2 bei 56b mit der Ladungsspeichervorrichtung 22 über eine Leitung 54b gekoppelt und mit der mikroelektromechanischen Vorrichtung 2 bei 26b über eine Leitung 58b und der Schalter N bei 56c ist mit der Ladungsspeichervorrichtung 22 über eine Leitung 54c gekoppelt und mit der mikroelektromechanischen Vorrichtung N bei 26c über eine Leitung 58c. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann N eine beliebige geeignete Zahl sein, so dass es eine beliebige geeignete Anzahl von Schaltern 56 geben kann. Jeder Schalter 56 entspricht einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 26. Jeder der Schalter 56 ist konfiguriert, um eine Kapazität der entsprechenden mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 auszuwählen, indem die Ladungsmenge durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 gemeinschaftlich verwendet wird, um die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 auf eine gleiche Spannung abzugleichen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist jeder Schalter 56 konfiguriert, um die entsprechende der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 zu entladen, bevor die Ladungsmenge durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 gemeinschaftlich verwendet wird.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird die Ladungsspeichervorrichtung 22 von einem Massepotential auf die erste Spannung geladen, wobei die erste Spannung der Ladungsmenge entspricht. Nachdem die Ladung gemeinschaftlich durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die entsprechende der mikroelektromechanischen Vorrichtungen 26 verwendet wurde, wird die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf eine zweite Spannung geladen. Die zweite Spannung ist kleiner als die erste Spannung und entspricht einem Spannungswert, bei dem sich die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 und die Ladungsspeichervorrichtung 22 abgeglichen haben, so dass kein Strom mehr zwischen der Ladungsspeichervorrichtung 22 und der mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 geleitet wird.

5 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines ersten Schalters 51 darstellt. Der Schalter 51 ist zwischen eine Leitung 14 und eine Leitung 52 geschaltet. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird der erste Schalter 51 durch eine Steuerung 60 gesteuert und wird durch die Steuerung 60 aktiviert, um einen leitfähigen Pfad zwischen einer Leistungsversorgung 12 an der Leitung 14 und einer Ladungsspeichervorrichtung 22 an der Leitung 52 bereitzustellen, um die Ladungsmenge an die Ladungsspeichervorrichtung 22 zu liefern. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist der erste Schalter 51 ein CMOS-Transistor. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann der erste Schalter 50 andere geeignete Vorrichtungstypen sein.

6 ist ein schematisches Diagramm, das ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines zweiten Schalters 62 und eines dritten Schalters 64 darstellt. Der zweite Schalter 62 und der dritte Schalter 64 sind bei 56 dargestellt. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann der zweite Schalter 62 aktiviert werden, um einen leitfähigen Pfad zwischen einer Ladungsspeichervorrichtung 22 an einer Leitung 54 und einer mikroelektromechanischen Vorrichtung 26 an einer Leitung 58 bereitzustellen, um eine Ladungsmenge gemeinschaftlich durch die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zu verwenden. Dies gleicht die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 auf die zweite Spannung ab. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist die zweite Spannung kleiner als die erste Spannung. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird, sobald der zweite Schalter 62 aktiviert oder in einen leitfähigen Modus angeschaltet wurde, die Ladungsspeichervorrichtung 22 von der ersten Spannung auf die zweite Spannung entladen und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 wird auf die zweite Spannung geladen. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein dritter Schalter 64 über die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 bei einer Leitung 58 und ein Massepotential geschaltet und ist konfiguriert, um die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 zu entladen, bevor der zweite Schalter 62 die Ladungsspeichervorrichtung 22 und die mikroelektromechanische Vorrichtung 26 parallel schaltet.

Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind der zweite Schalter 62 und der dritte Schalter 64 CMOS-Transistoren. Bei anderen Ausführungsbeispielen können der zweite Schalter 62 und der dritte Schalter 64 andere geeignete Vorrichtungstypen sein. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel steuert und aktiviert die Steuerung 60 den zweiten Schalter 62 und den dritten Schalter 64. Bei anderen Ausführungsbeispielen können der zweite Schalter 62 und der dritte Schalter 64 durch andere geeignete Mittel gesteuert oder aktiviert werden.

Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin zu Zwecken einer Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachleute auf dem Gebiet zu erkennen, dass eine breite Vielzahl anderer und/oder äquivalente Implementierungen anstelle der gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele eingesetzt werden könnte, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Fachleute auf dem Gebiet der Chemie, Mechanik, Elektromechanik, Elektrik und Computertechnik werden ohne Weiteres erkennen, dass die vorliegende Erfindung in einer sehr breiten Vielzahl von Ausführungsbeispielen implementiert sein könnte. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Abänderungen der hierin erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiele abdecken. Deshalb ist explizit beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt sein soll.

Die vorliegende Erfindung stellt ein mikroelektromechanisches System (10) bereit, das eine elektrostatisch gesteuerte Mikroelektromechanik-System-(MEMS-)Vorrichtung (26) mit einer ersten Platte und einer zweiten Platte, die um eine Ablenkentfernung basierend auf einer variablen Kapazität getrennt sind, eine Ladungsspeichervorrichtung (22), die konfiguriert ist, um eine Ladungsmenge zu speichern, und eine Schalterschaltung (18) aufweist. Die Schalterschaltung ist konfiguriert, um die variable Kapazität der MEMS-Vorrichtung zu steuern, indem die Ladungsmenge gemeinschaftlich durch die Ladungsspeichervorrichtung und die MEMS-Vorrichtung verwendet wird, um die Ladungsspeichervorrichtung und die MEMS-Vorrichtung auf eine gleiche Spannung abzugleichen.