压电型微机电致动器设备制造技术

本公开涉及可在平面中移动的压电型微机电致动器设备。例如，一种形成在衬底(28)上的压电型MEMS致动器设备(100)，该压电型MEMS致动器设备具有包括基础梁元件(20)的基础单元(22A)，该基础梁元件具有在延伸平面中的主延伸以及在垂直于该延伸平面的厚度方向上的小于该主延伸的厚度。压电区(29)在该梁元件之上延伸。锚区(23)刚性连接至该基础梁元件以及至该衬底(28)。基础约束结构(21)连接至该基础梁元件(20)的一端并且被配置成用于允许该基础梁元件在该延伸平面中的变形并基本上减少该基础梁元件在该厚度方向上的变形。

【技术实现步骤摘要】
压电型微机电致动器设备
本技术涉及一种压电型微机电致动器设备。
技术介绍
如已知的，致动器是将一种类型的物理变量转换成不同类型的物理变量的设备，并且源自该转换的变量通常涉及某种形式的移动或机械动作。最近，已经提出了可以利用所谓的MEMS(微机电系统)半导体技术获得并且可以因此以非常受限的成本生产的微米和纳米尺寸致动器(也称作微致动器或纳米致动器)。它们可以用在各种设备中，尤其是在移动设备和便携设备中。微致动器的示例为阀、开关、泵、线性和旋转微电机、以及线性定位设备。已知的微致动器基本上根据四个物理学原理进行工作：-静电原理：它们利用以相反方式充电的导体之间的吸引；-热原理：它们利用由于热膨胀或收缩而导致的位移；-压电原理：它们利用由于电场感应到的应变和应力而导致的位移；以及-磁原理：它们利用由于具有磁特性的不同元件(比如永磁体、外部磁场、可磁化材料和电流导体)之间的交互而导致的位移。关于功耗、移动速度、施加的力、移动幅度、移动轨迹、易制性、施加的电信号的幅度、鲁棒性以及敏感度，每种技术都有优点和限制，这些优点和限制使其在特定应用(而非其他应用)中是有利的并且因此确定了使用领域。在下文中，MEMS致动器设备被认为根据压电原理进行操作并且尤其能够利用TFP(薄膜压电)MEMS技术。TFPMEMS技术目前使用单层压电片致动模式，在该模式中，通常包括安排在彼此顶部上的至少两层的结构(薄膜、梁或悬臂)由于感应到的应变的变化而弯曲。在此情况下，这些层之一(称作“有源层”)中存在受控的应变改变，导致了其他一层或多层(还称作“非有源层或无源层”)的“无源”应变，因此使该结构弯曲。上述技术有利地用于在期望竖直移动(即，在垂直于该结构的位置的平面的方向上的移动)的应用中(比如在液体喷墨印刷头、自动调焦系统、微泵、微开关等等中)使薄膜或梁或悬臂弯曲。例如，在图1A和图1B中，展示了在第一端2处被约束并且在第二端3处自由弯曲的悬臂梁1。梁1在此由层的堆叠形成，该层堆叠包括例如采用第一导电类型(在此为P型)的半导体材料的支撑层5、形成压电层的例如采用本征(非掺杂)半导体材料的有源层6、以及例如采用第二导电类型(在此为N型)的半导体材料的顶层7。在反向偏置的情况下，如在图1B中所展示的，所施加的电场导致了使自由端3向下弯曲的梁1的应变。在图2A和图2B中展示了应用在光学设备中的压电式MEMS致动器的实施例。在这些附图中，用10标示的光学设备包括玻璃制薄膜15，该薄膜通过采用聚合材料的透镜元件11搁置在支撑体12(同样是玻璃的)上并且承载被安排成距彼此一定距离的两个压电区13。在未进行偏置的情况下，薄膜15和透镜元件11具有平坦的表面并且并未修改横向于该薄膜和该透镜元件的光束16的路径。在对压电区13进行偏置时，这些压电区导致薄膜15变形。薄膜15的中心区域的变形被传输至透镜元件11，该透镜元件的顶表面变弯，从而修改了透镜元件11的焦点以及因此光束16的路径。因此可以修改设备10的光学传输特性。在图1A、图1B、图2A和图2B所展示的示例中，通过对压电层进行偏置而生成的应变导致了在垂直于压电层的延伸平面的竖直方向上的变形。直到现在，还不可以利用压电原理来生成梁或薄膜“在平面中”(即，在平行于这两个主延伸方向的方向上)的移动。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种根据压电原理进行操作并且在平面中作用的MEMS致动器。根据本技术，提供了一种压电型MEMS致动器设备(100；200)，包括衬底(28)和基础单元(22A；122A)，所述基础单元包括：基础梁元件(20)，所述基础梁元件具有第一端(20A)、第二端(20B)、在延伸平面中的主延伸以及在垂直于所述延伸平面的厚度方向上的小于所述主延伸的厚度；压电区(29)，所述压电区在所述梁元件之上或之中；锚区(23)，所述锚区相对于所述基础梁元件并且相对于所述衬底(28)被固定；以及基础约束结构(21)，所述基础约束结构连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端，所述约束结构被配置成用于基本上允许所述基础梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移动并且防止或基本上减少所述基础梁元件在所述厚度方向上的变形。在一些实施例中，所述基础约束结构包括基础约束元件(31)和基础铰链结构(25；125)，所述基础约束元件在所述厚度方向上不可变形，所述基础铰链结构被安排在所述基础梁元件(20)与所述基础约束元件(31)之间。在一些实施例中，所述基础约束元件(31)具有大于所述基础梁元件(20)的厚度。在一些实施例中，所述锚区(23)在所述基础梁元件(20)的所述第一端与所述衬底(28)之间延伸，并且所述基础约束元件(31)包括壁，所述壁平行于所述基础梁元件延伸并且锚定至所述衬底(28)。在一些实施例中，所述基础铰链结构(25)包括铰链区(26，27)，所述铰链区连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端以及至所述基础约束元件(31)，所述铰链区具有比所述基础梁元件和所述约束元件更小的宽度以及在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的厚度。在一些实施例中，所述基础单元(22A)通过所述基础铰链结构(25)连接至第一横向单元(22B)，所述第一横向单元(22B)由第一横向梁元件(40)和第一横向约束结构(41)形成，所述第一横向梁元件(40)具有在所述延伸平面中的主延伸、在所述厚度方向上小于其主延伸的厚度、对应的第一端(40A)以及对应的第二端(40B)，并且承载对应的压电区(49)，所述第一横向约束结构(41)刚性连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)并且铰接至所述第一横向梁元件的所述第二端(40B)，所述第一横向约束结构(41)被配置成基本上允许所述第一横向梁元件在所述延伸平面中的变形并且防止或基本上减少所述第一横向梁元件在所述厚度方向上的变形。在一些实施例中，所述基础单元(22A)通过基础杠杆臂(33)连接至所述第一横向单元(22B)，所述基础杠杆臂连接至所述基础铰链结构(25)以及至所述第一横向约束结构(41)。在一些实施例中，所述第一横向梁元件(40)在静止时平行于所述基础梁元件(20)延伸，并且所述基础杠杆臂(33)在静止时垂直于所述基础梁元件(20)延伸。在一些实施例中，所述基础铰链结构(25；125)包括第一基础铰链元件(26)和第二基础铰链元件(27)，所述第一基础铰链元件安排在所述基础梁元件(20)的所述第二端与所述基础杠杆臂(33)的一端之间，所述第二基础铰链元件安排在所述基础杠杆臂(33)的所述端与所述基础约束元件(31)之间，所述第一和第二基础铰链元件(26，27)具有在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的对应厚度以及在所述延伸平面中小于所述基础梁元件和所述基础杠杆臂(33)的宽度。在一些实施例中，所述第一横向单元(22B)包括第一横向杠杆臂(42)，所述第一横向杠杆臂耦合至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)并且连接至所述基础杠杆臂(33)。在一些实施例中，所述第一横向约束结构(41)包括第一横向约束臂(52)和第一横向铰链结构(44)，所述第一横向约束臂(52)在静止时平行于所述第一横向梁元件(40)且在距其一定距离处延伸并且具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电型微机电致动器设备(100；200)，包括衬底(28)和基础单元(22A；122A)，其特征在于，所述基础单元包括：基础梁元件(20)，所述基础梁元件具有第一端(20A)、第二端(20B)、在延伸平面中的主延伸以及在垂直于所述延伸平面的厚度方向上的小于所述主延伸的厚度；压电区(29)，所述压电区在所述梁元件之上或之中；锚区(23)，所述锚区相对于所述基础梁元件并且相对于所述衬底(28)被固定；以及基础约束结构(21)，所述基础约束结构连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端，所述约束结构被配置成用于基本上允许所述基础梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移动并且防止或基本上减少所述基础梁元件在所述厚度方向上的变形。

【技术特征摘要】
2016.12.29 IT 1020160001321441.一种压电型微机电致动器设备(100；200)，包括衬底(28)和基础单元(22A；122A)，其特征在于，所述基础单元包括：基础梁元件(20)，所述基础梁元件具有第一端(20A)、第二端(20B)、在延伸平面中的主延伸以及在垂直于所述延伸平面的厚度方向上的小于所述主延伸的厚度；压电区(29)，所述压电区在所述梁元件之上或之中；锚区(23)，所述锚区相对于所述基础梁元件并且相对于所述衬底(28)被固定；以及基础约束结构(21)，所述基础约束结构连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端，所述约束结构被配置成用于基本上允许所述基础梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移动并且防止或基本上减少所述基础梁元件在所述厚度方向上的变形。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述基础约束结构包括基础约束元件(31)和基础铰链结构(25；125)，所述基础约束元件在所述厚度方向上不可变形，所述基础铰链结构被安排在所述基础梁元件(20)与所述基础约束元件(31)之间。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述基础约束元件(31)具有大于所述基础梁元件(20)的厚度。4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述锚区(23)在所述基础梁元件(20)的所述第一端与所述衬底(28)之间延伸，并且所述基础约束元件(31)包括壁，所述壁平行于所述基础梁元件延伸并且锚定至所述衬底(28)。5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述基础铰链结构(25)包括铰链区(26，27)，所述铰链区连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端以及至所述基础约束元件(31)，所述铰链区具有比所述基础梁元件和所述约束元件更小的宽度以及在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的厚度。6.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述基础单元(22A)通过所述基础铰链结构(25)连接至第一横向单元(22B)，所述第一横向单元(22B)由第一横向梁元件(40)和第一横向约束结构(41)形成，所述第一横向梁元件(40)具有在所述延伸平面中的主延伸、在所述厚度方向上小于其主延伸的厚度、对应的第一端(40A)以及对应的第二端(40B)，并且承载对应的压电区(49)，所述第一横向约束结构(41)刚性连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)并且铰接至所述第一横向梁元件的所述第二端(40B)，所述第一横向约束结构(41)被配置成基本上允许所述第一横向梁元件在所述延伸平面中的变形并且防止或基本上减少所述第一横向梁元件在所述厚度方向上的变形。7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述基础单元(22A)通过基础杠杆臂(33)连接至所述第一横向单元(22B)，所述基础杠杆臂连接至所述基础铰链结构(25)以及至所述第一横向约束结构(41)。8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一横向梁元件(40)在静止时平行于所述基础梁元件(20)延伸，并且所述基础杠杆臂(33)在静止时垂直于所述基础梁元件(20)延伸。9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述基础铰链结构(25；125)包括第一基础铰链元件(26)和第二基础铰链元件(27)，所述第一基础铰链元件安排在所述基础梁元件(20)的所述第二端与所述基础杠杆臂(33)的一端之间，所述第二基础铰链元件安排在所述基础杠杆臂(33)的所述端与所述基础约束元件(31)之间，所述第一和第二基础铰链元件(26，27)具有在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的对应厚度以及在所述延伸平面中小于所述基础梁元件和所述基础杠杆臂(33)的宽度。10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一横向单元(22B)包括第一横向杠杆臂(42)，所述第一横向杠杆臂耦合至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)并且连接至所述基础杠杆臂(33)。11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述第一横向约束结构(41)包括第一横向约束臂(52)和第一横向铰链结构(44)，所述第一横向约束臂(52)在静止时平行于所述第一横向梁元件(40)且在距其一定距离处延伸并且具有第一端和第二端，所述第一端刚性地连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)，所述第二端通过所述第一横向铰链结构(44)连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)。12.根据权利要求11...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱斯蒂，A·艾乐桑德利，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：意大利,IT