在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电微操纵装置制造方法及图纸

本公开的实施例涉及一种在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电微操纵装置。MEMS操纵装置具有承载相应的相互面对的夹持元件的第一操纵臂和第二操纵臂。至少第一操纵臂由驱动臂和通过铰接结构被铰链连接在一起的铰接臂形成。第一驱动臂包括第一梁元件和在第一梁元件上的第一压电区域。第一铰接结构包括在厚度方向上不可变形的第一连接元件以及被插入在第一驱动臂、第一铰接臂和第一连接元件之间的第一铰链结构。

【技术实现步骤摘要】
在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电微操纵装置
本公开涉及一种在平面中可移动的、具有压电驱动的微机电操纵装置。
技术介绍
微操纵装置是已知的。它们可以在接触或者非接触模式下操作，并且基于各种物理原理，例如，是光学类型、静电类型、流体静力类型(基于伯努利定理)、超声类型和/或磁性类型。每种类型都具有在特定条件下实现其有利用途而在其它条件下无法实现其有利用途的特性。然而，关于按照简单的方式以高精度以及低成本来处理各种尺寸(dimension)的非常小型的物体(微米数量级)的能力，没有一种类型是完全令人满意的。例如，在微电子应用中，在材料科学、生物学和组织工程学(例如，在对分子、人体组织和生物部分的微操纵中)领域中，这是期望的。另一方面，使产品(诸如，可以利用半导体技术获得的微机电系统(MEMS))小型化的趋势已经刺激了对用于微操纵和组装的技术的广泛研究。特别地，开发用于处理和组装微型物体的小型化系统已经成为未来精密工程的主要挑战。因此，提出了基于静电致动原理使用MEMS技术的微操纵器。然而，即使是MEMS微操纵器也不能完全满足某些应用中所存在的要求。实际上，可以认为可以利用这些装置获得的静电力很弱。因此，为了获得足够的夹持力，向已知的微操纵器提供较高DC电压，大约100-200V，这是不容易实现的，并且在任何情况下都远高于在集成电路中通常使用的电压。此外，所提出的MEMS微操纵器不易于用于操纵浸没在液体中的物体和/或颗粒。实际上，在这种类型的装置中，形成完全包围操纵器的臂的电绝缘层并不简单；因此，存在放电风险。为了减少该问题，通常将操纵器的臂设计为具有相当大的长度，以便允许控制相对于臂的夹持端部的移动的部分电绝缘。然而，除了增加装置的整体尺寸之外，该设计还降低了夹持精度，并且在任何情况下都不总是确保电绝缘。DE19523229公开了未集成的微操纵器，其具有压电转换器，该压电转换器形成单晶(monomorph)致动器，其在电偏置时长度变化，并且逐头地胶合到半导体材料的夹持结构。DE1010707402公开了DE19523229的改进，其能够夹持圆形物体。HPH890478和CN1047647347公开了类似的微型夹持器(microgrip)，其需要部件的组装操作，并且不是以单片方式进行制造的。于2016年12月29日提交的意大利专利申请号102016000132144(与通过引用并入的欧洲专利申请号17177446.6和美国专利申请公开号2018/0190895相对应)描述了由梁元件和在该梁元件上延伸的压电区域形成的压电类型的微致动器，该梁元件由半导体材料制成。梁元件的一个端部被固定，而另一端部被连接至在梁的厚度的方向上不可变形的约束结构的铰链元件。如在该专利申请中详细解释的，由于约束结构在厚度方向上不可变形并且借助于铰链元件，因此，向压电区域施加电压导致梁元件实际上仅在其延伸平面中变形。在上面的专利申请中描述的微致动器是非常有利的，因为可以通过使用传统的半导体微制造技术(因此，以降低的成本，按照高度可控并且可靠的方式)来制造该微致动器。因此，期望向本文中所考虑的类型的微操纵器应用相似的操作原理。本领域需要一种可以通过使用MEMS技术并且基于压电操作原理(即，因此，便宜、可靠、易于控制并且向本领域的技术人员提供相当大的设计自由度)来制造的微操纵器。
技术实现思路
一种MEMS类型的操纵装置包括：基板；第一操纵臂；第一夹持元件，该第一夹持元件由第一操纵臂承载；第二操纵臂；以及第二夹持元件，该第二夹持元件由第二操纵臂承载并且面向第一夹持元件。第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，第一驱动臂和第一铰接臂分别具有相应的第一端部和第二端部，第一驱动臂的第一端部被连接至基板，并且第一驱动臂的第二端部通过第一铰接结构被铰接至第一铰接臂的第一端部。第一驱动臂包括第一梁元件和与第一梁元件相关联的第一压电区域，第一梁元件具有在延伸平面中延伸的主延伸和在垂直于延伸平面的厚度平面中延伸的厚度，第一梁元件在厚度平面中的厚度小于主延伸在延伸平面中的延伸。第一铰接结构包括第一连接元件和被插入在第一驱动臂、第一铰接臂和第一连接元件之间的第一铰链结构。附图说明为了更好地进行理解，现在参照附图仅通过非限制性示例的方式描述优选实施例，其中：图1是本操纵装置的一个实施例的透视俯视图；图2是图1的操纵装置的透视仰视图；图3是图1的操纵装置的细节的俯视平面图；图4A和图4B分别是处于非应力位置和受应力位置的图1的操纵装置的部分被中断的俯视平面图；图5是对图1的操纵装置的一部分中的应力的模拟；图6A是沿图1的平面VI-VI截取的横截面；图6B示出了图6A的变型；图7和图8是本操纵装置的细节的变型的俯视平面图；以及图9至图16是本操纵装置的不同实施例的俯视平面图。具体实施方式图1至图4示出了通过使用MEMS技术制造的操纵装置1的一个实施例。详细地，参照图1，操纵装置1包括操纵结构50和基板28，操纵结构50是单片的，基板28承载操纵结构50。操纵结构50由第一操纵臂40和第二操纵臂41形成。操纵臂40包括第一驱动臂2和第一铰接臂4，操纵臂41包括第二驱动臂3和第二铰接臂5。第一铰接臂4和第二铰接臂5分别被弹性地联接至第一驱动臂2和第二驱动臂3，并且分别承载相应的夹持部分6、7。特别地，第一驱动臂2具有第一端部2A和第二端部2B，第一端部2A被连接至基板28，第二端部2B被铰接至第一铰接臂4的第一端部4A。第二驱动臂3具有第一端部3A和第二端部3B，第一端部3A被连接至基板28，第二端部3B被铰接至第二铰接臂5的第一端部5A。铰接臂4、5分别具有第二端部4B、5B，第二端部4B、5B被加宽并且形成相应的夹持部分6、7。在静止时(在没有偏置的情况下)，夹持部分6、7以一定距离面向彼此。应该注意，在下面的描述中，几何指示(特别是关于方向、形状和相互位置的几何指示)是指没有应力而处于非变形状态的操纵装置1的结构，除非另有说明。在图1和图2的操纵装置1中，驱动臂2、3被布置成以90°彼此交叉，铰接臂4、5被布置成垂直于相应的驱动臂2、3，并且驱动臂2、3的前半部分(靠近第二端部2B、3B)与铰接臂4、5形成悬置的四边形(具体地，正方形)。然而，如在下文中参照图9至图15所讨论的，其它配置是可能的。如下面描述的，铰接结构10被布置在驱动臂2的第二端部2B与相应的铰接臂4的第一端部4A之间，铰接结构11被布置在驱动臂3的第二端部3B与相应的铰接臂5的第一端部5A之间，并且铰接结构10、11基本上使能铰接臂4、5绕着垂直于操纵装置的横卧平面的竖直轴旋转。如在下文中参照图6A和图6B解释的，驱动臂2、驱动臂3、铰接臂4、铰接臂5、夹持部分6、夹持部分7、铰接结构10、铰接结构11以及基板28被形成在单个半导体本体中(即，它们是单片的)。详细地，每个驱动臂2、3大体上由梁20形成(如同样在图6A、图6B中图示的)，该梁20相对于第一支柱23和第二支柱24被固定。如上面提到的以及在图11至图13中图示的，每个驱动臂2、3具有减小的厚度(在与笛卡尔参考系XYZ的轴Z平行的竖直方向上)和与笛卡尔参考系XYZ的相应轴(对于第一驱动臂2为Y，并且对于第二驱动臂3为X)平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS操纵装置，包括：基板；操纵结构，在所述基板上，并且所述操纵结构包括由结构层形成的本体、在所述结构层上的支撑层、以及在所述支撑层上的薄膜压电层，所述操纵结构包括：第一操纵臂；以及第一夹持元件，所述第一夹持元件由所述第一操纵臂承载；其中，所述第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，所述第一驱动臂和所述第一铰接臂均具有相应的第一端部和第二端部，所述第一驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第一驱动臂的所述第二端部通过第一铰接结构被铰接至所述第一铰接臂的所述第一端部；其中，所述第一驱动臂包括第一梁元件和第一压电区域，所述第一梁元件由所述支撑层形成，所述第一压电区域由所述薄膜压电层形成，并且所述第一压电区域与所述第一梁元件相关联，所述第一梁元件具有在延伸平面中延伸的主延伸、以及在与所述延伸平面垂直的厚度平面中延伸的厚度，所述第一梁元件在所述厚度平面中的所述厚度小于所述主延伸在所述延伸平面中的延伸，所述第一驱动臂的所述第一端部和所述第二端部包括所述支撑层的部分和所述结构层的部分；以及其中，所述第一铰接结构包括第一连接元件和第一铰链结构，所述第一铰链结构被插入在所述第一驱动臂、所述第一铰接臂和所述第一连接元件之间。...

【技术特征摘要】
2018.02.02 IT 1020180000023641.一种MEMS操纵装置，包括：基板；操纵结构，在所述基板上，并且所述操纵结构包括由结构层形成的本体、在所述结构层上的支撑层、以及在所述支撑层上的薄膜压电层，所述操纵结构包括：第一操纵臂；以及第一夹持元件，所述第一夹持元件由所述第一操纵臂承载；其中，所述第一操纵臂包括第一驱动臂和第一铰接臂，所述第一驱动臂和所述第一铰接臂均具有相应的第一端部和第二端部，所述第一驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第一驱动臂的所述第二端部通过第一铰接结构被铰接至所述第一铰接臂的所述第一端部；其中，所述第一驱动臂包括第一梁元件和第一压电区域，所述第一梁元件由所述支撑层形成，所述第一压电区域由所述薄膜压电层形成，并且所述第一压电区域与所述第一梁元件相关联，所述第一梁元件具有在延伸平面中延伸的主延伸、以及在与所述延伸平面垂直的厚度平面中延伸的厚度，所述第一梁元件在所述厚度平面中的所述厚度小于所述主延伸在所述延伸平面中的延伸，所述第一驱动臂的所述第一端部和所述第二端部包括所述支撑层的部分和所述结构层的部分；以及其中，所述第一铰接结构包括第一连接元件和第一铰链结构，所述第一铰链结构被插入在所述第一驱动臂、所述第一铰接臂和所述第一连接元件之间。2.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一连接元件和所述第一铰接臂由所述结构层形成，并且具有大于所述第一梁元件的所述厚度的厚度。3.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一连接元件具有与所述第一梁元件相邻、并且被锚固至所述基板的壁。4.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一铰链结构包括：第一铰链元件，所述第一铰链元件被布置在所述第一驱动臂的所述第二端部和所述第一铰接臂的所述第一端部之间；以及第二铰链元件，所述第二铰链元件被布置在所述第一铰接臂的所述第一端部和所述第一连接元件之间；其中，所述第一铰链元件和所述第二铰链元件具有在所述厚度平面中的比所述第一梁元件的所述厚度大的相应厚度、以及在所述延伸平面中的比所述第一驱动臂和所述第一铰接臂的宽度小的宽度。5.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一铰接结构被布置在所述第一梁元件的第一侧上，所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸，所述第一夹持元件被布置在所述第一梁元件的第二侧上，并且所述第一铰接臂的所述第一端部具有沿着所述第一梁元件的所述第一侧延伸、并且被联接至所述第一铰接结构的成角度的部分。6.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一铰接结构面向所述第一驱动臂的所述第二端部的前表面，并且所述第一铰接臂横向于所述第一驱动臂延伸。7.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，其中，所述第一铰接结构被布置在所述第一梁元件的一侧上，并且所述第一铰接臂从所述第一驱动臂的所述第二端部、横向于所述第一驱动臂延伸。8.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，所述第二夹持元件由所述第二操纵臂承载、并且面向所述第一夹持元件；其中，所述第二夹持元件被连接至所述基板、并且面向所述第一夹持元件。9.根据权利要求1所述的MEMS操纵装置，进一步包括：第二操纵臂；以及第二夹持元件，所述第二夹持元件由所述第二操纵臂承载、并且面向所述第一夹持元件；其中，所述第二操纵臂包括第二驱动臂和第二铰接臂，所述第二驱动臂和所述第二铰接臂具有相应的第一端部和第二端部，所述第二驱动臂的所述第一端部被连接至所述基板，并且所述第二驱动臂的所述第二端部通过第二铰接结构被...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·朱斯蒂，L·滕托里，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT