用于与体积流高效相互作用的MEMS制造技术

本发明专利技术涉及一种具有分层结构的MEMS，其包含空腔，该空腔设置于该分层结构中且通过该分层结构中的至少一个开口流体耦接至该分层结构的外部环境。该MEMS包含相互作用结构，该相互作用结构布置于第一MEMS平面中且在该空腔中使得它可沿着平面方向移动且被设计为与该空腔中的流体相互作用，其中该相互作用结构的移动与该流体通过该至少一个开口的移动因果地相关。该MEMS进一步包含主动结构，该主动结构布置于垂直于该平面方向布置的第二MEMS平面上，该主动结构机械地耦接至相互作用结构且被配置为使得该主动结构的电触点处的电信号与该主动结构的变形因果地相关，其中该主动结构的该变形与该流体的移动因果地相关。构的该变形与该流体的移动因果地相关。构的该变形与该流体的移动因果地相关。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于与体积流高效相互作用的MEMS


[0001]本专利技术涉及微机电系统(MEMS)，其中用于与流体相互作用的可移动布置的相互作用结构及主动结构被布置在不同MEMS层中，在该主动结构中，电信号与主动结构的变形因果地相关，主动结构的变形又与流体的移动因果地相关。本专利技术还涉及MEMS，其具有包含以电绝缘方式固定在离散区处的第一、第二及第三杆的可移动布置的层组件，所述离散区以偏移方式布置在所述杆之间。本专利技术进一步涉及一种用于与流体的体积流相互作用的MEMS换能器，诸如MEMS扬声器、MEMS麦克风或MEMS泵。

技术介绍

[0002]纳米级静电驱动器(NED)的原理描述于WO 2012/095185A1中。NED为新颖MEMS致动器原理(MEMS＝微机电系统)。此处，可移动元件是由硅材料形成，其具有至少两个间隔开的电极。电极的长度比电极的厚度大得多且也比电极的高度(即，沿硅材料的深度方向的尺寸)大得多。这些杆状的电极彼此间隔开，且为局部电绝缘的且彼此固定。通过施加电位，在这些电极之间产生电场，从而在电极之间产生吸引力或排斥力，且因此在电极材料中产生应力。材料通过尝试采用可能的低应力状态而努力使这些应力均匀化，从而导致移动。通过电极的某一几何形状及外形，此移动可以使得电极的长度改变且因此发生可偏转元件的横向移动的方式受影响。
[0003]在JP
‑
H5252760A中，展示致动器，其由许多小圆柱形或波形驱动单元组成，所述驱动单元由两个波形及绝缘电极构成。绝缘电极的二端彼此连接，且驱动单元因静电力而具有用于变形的狭窄间隙。然而，此类致动器的移动经受几何约束。例如，当静电力与结构的刚度平衡时，致动器的变形停止。另一缺点为所得致动器为金属电极材料与聚合物绝缘体的复合物。这使得CMOS技术(CMOS＝互补金属氧化物半导体)中的低成本生产是不可能的，这是明显竞争性缺点。
[0004]为了将MEMS装置整合至装置及系统中，需要设计出用于以空间高效方式与流体相互作用的MEMS，这意味着例如获得对流体移动的高灵敏度和/或可移动大量流体，从而产生较高声压。
[0005]因此，本专利技术的任务是产生就安装空间而言是高效的MEMS。

技术实现思路

[0006]此任务是通过独立专利权利要求的主题来解决。
[0007]根据第一方面，应认识到，通过在第MEMS水平面中布置与流体相互作用的相互作用结构且通过在第二MEMS水平面中布置机械耦接至相互作用结构的主动结构，可获得MEMS的高效率，这是由于可主要在相应MEMS水平面中执行与流体相互作用且产生/处理电信号的相应子任务，使得可在那里集中相应子任务。
[0008]根据第二方面，已认识到，通过使离散区偏移，可获得可移动层结构通过所施加电信号或通过作用的流体的高效偏转，在所述离散区中，一系列至少三个杆电极彼此电绝缘，
使得第一外部电极以电绝缘方式与中心电极固定的位置不同于第二外部电极与中心电极固定的位置。
[0009]两个概念可彼此组合，但也可独立地实施。
[0010]根据第一方面的实施例，MEMS包含分层结构。空腔被布置于分层结构中且通过分层结构中的至少一个开口流体耦接至分层结构的外部环境。相互作用结构被布置于第一MEMS平面中且被布置于空腔中，该相互作用结构可沿着平面方向(即，面内)移动。相互作用结构被配置为与空腔中的流体相互作用，其中相互作用结构的移动与流体通过至少一个孔口的移动因果地相关。在垂直于平面方向布置的第二MEMS平面中，布置主动结构，该主动结构机械地耦接至相互作用结构且被配置为使得主动结构的电触点处的电信号与主动结构的变形因果地相关。主动结构的变形又与流体的移动因果地相关。
[0011]根据第二方面的实施例，MEMS包含分层结构及设置于分层结构中的空腔。可移动层组件被提供在空腔中，该可移动层组件包含第一杆、第二杆及设置于第一杆与第二杆之间且在离散区处与第一杆及第二杆电隔离的第三杆。可移动层组件适于响应于第一杆与第三杆之间的电位或响应于第二杆与第三杆之间的电位而沿着基底平面中的移动方向(即在平面方向上)移动。一方面用于固定第一杆及第三杆且另一方面用于固定第二杆及第三杆的离散区沿着可移动层组件的轴向路径布置成彼此偏移。
[0012]在从属专利权利要求中定义其他实施例。
附图说明
[0013]在下文中参考附图来解释本专利技术的优选实施例。其中：
[0014]图1展示了根据第一方面的实施例实例的MEMS的示意性透视图；
[0015]图2展示了根据第一方面的实施例实例的MEMS的示意性透视图；
[0016]图3a展示了根据第一方面的实施例实例的MEMS的主动结构的一部分的示意性俯视图；
[0017]图3b展示了根据第一方面的实施例实例的主动结构的一部分的示意图，其中另外提供绝缘层；
[0018]图3c展示了根据另一实施例实例的主动结构的一部分的示意性俯视图，其继续图3a的设计；
[0019]图3d展示了根据第一方面的实施例实例的主动结构的一部分的示意性俯视图，其中绝缘层的形状适应于电极形状；
[0020]图3e展示了根据第一方面的实施例实例的主动结构的一部分的扫描电子显微照片及示意性俯视图；
[0021]图4a展示了根据第一方面的实施例实例的相互作用结构的示意性俯视图；
[0022]图4b展示了来自图4a的相互作用结构的示意性透视图；
[0023]图5a展示了根据第一方面的实施例实例的MEMS的另一主动结构的示意性俯视图；
[0024]图5b展示了根据第一方面的实施例实例的可移动层布置的示意性俯视图，诸如可用于图5a的MEMS中；
[0025]图6a展示了根据第一方面的实施例实例的另一MEMS的一部分的示意性透视图；
[0026]图6b展示了图6a的区段的示意性透视图；
[0027]图7a展示了根据第一方面的实施例实例的图2的MEMS的相互作用结构的示意性俯视图；
[0028]图7b展示了来自图7a的沿着正y方向偏转的相互作用结构的示意图；
[0029]图7c展示了来自图7a的相较于图7b沿着相对负y方向偏转的相互作用结构的示意图；
[0030]图7d至图7f展示了根据第一方面的实施例实例的图7a的相互作用结构的示意图，其另外展示空腔的开口的组；
[0031]图7g展示了根据第一方面的实施例实例的开口的替代实施例的示意图；
[0032]图8a至图8c展示了在主动结构的平面中且根据第一方面的实施例实例的图2的MEMS的示意性透视图；
[0033]图9a展示了根据第一方面的实施例实例的另一相互作用结构的示意性俯视图；
[0034]图9b展示了图9a中的相互作用结构的示意性透视图；
[0035]图9c展示了图9a及图9b的区段的示意性透视图；
[0036]图9d展示了图9a中的相互作用结构的一部分的较详细示意图；
[0037]图10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有分层结构(12)的MEMS，其包含：空腔(16)，其设置于该分层结构(12)中且通过该分层结构(12)中的至少一个开口流体耦接至该分层结构(12)的外部环境；相互作用结构(24)，其沿着平面方向可移动地设置于第一MEMS平面及该空腔(16)中且适于与该空腔(16)中的流体相互作用，其中该相互作用结构(24)的移动与该流体通过该至少一个开口的移动因果地相关；主动结构(26)，其设置于垂直于该平面方向的第二MEMS平面中且机械地耦接至该相互作用结构(24)；且被配置为使得该主动结构的电触点处的电信号(32)与该主动结构(26)的变形因果地相关；其中该主动结构(26)的该变形与该流体的该移动因果地相关。2.如权利要求1所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含致动器结构，该致动器结构被配置为在将电信号(32)施加至端子后引起该主动结构(26)的变形，从而引起该相互作用结构(24)的移动及该流体的移动。3.如权利要求2所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含静电、压电或热机械电极结构。4.如前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含彼此相对布置的两个致动方向(26a、26b)且适于基于第一致动信号在该第二MEMS平面中执行沿着致动方向的移动，且基于第二致动信号在该第二MEMS平面中执行与该致动方向相对的互补移动。5.如权利要求4所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含用于转换该第一致动信号的第一致动器(26a)及用于转换该第二致动信号的第二致动器(26b)。6.如权利要求5所述的MEMS，其中该第一致动器(26a)及该第二致动器(26b)彼此相对地布置，且用于提供与该相互作用结构(24)的机械耦接件(28)的耦接元件被布置在该第一致动器与该第二致动器之间。7.如权利要求4至6中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)适于基于该第一致动信号在平行于该致动方向的第一区中伸长且在第二子区中缩短；且基于该第二致动信号在平行于该致动方向的该第一区中缩短且在该第二子区中伸长。8.如前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含并排布置且分组成电极对的多个电极元件(46)，相邻电极对的主侧被布置成面向彼此，且通过内部间隔元件(54)在所述电极元件的中心区(52)中在离散位置处连接。9.如权利要求8所述的MEMS，其中该主动结构(26)适于基于一对电极的电极元件(46)之间的所施加电位而引起该第二MEMS平面内沿着一定方向的长度改变，其被传输至该相互作用结构(24)。10.如前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含各自具有第一电极元件及第二电极元件(46)的多个电极对(48)；且所述电极元件的中心区(52)中的相邻电极对(48)通过内部间隔元件(54)在离散位置处连接。11.如权利要求10所述的MEMS，其中一对电极的该第一电极元件及该第二电极元件通过离散外部间隔元件(56)机械地固定在所述电极元件的边缘区中；或其中一对电极的第一电极元件及第二电极元件与该层结构(12)机械地固定在边缘部分处；以调整该第一电极部件与该第二电极部件之间的距离。12.如权利要求10或11所述的MEMS，其中该第一电极元件及该第二电极元件以至少0.01μm且至多200μm的距离固定。
13.如权利要求8至12中任一项所述的MEMS，其中通过所述内部间隔元件调整的距离具有至少0.01μm且至多200μm的值。14.如权利要求8至13中任一项所述的MEMS，其中电绝缘层(58)设置于一对电极的相邻电极之间。15.如权利要求14所述的MEMS，其中电绝缘层(58)被悬置在外部间隔元件(56)之间，所述外部间隔元件(56)被布置于该电极对的所述电极的边缘区中以机械地固定所述电极。16.如权利要求14或15所述的MEMS，其中该绝缘层(58)的形状适应于该电极对的所述电极的形状，所述电极的该形状在该MEMS的被动状态中被预引导。17.如权利要求16所述的MEMS，其中第一绝缘层子层(58a)遵循该电极对的第一电极(461)的预成型形状，且第二绝缘层子层(58b)遵循该电极对的第二电极(462)的预成型形状；其中该第一子层与该第二子层的相对主表面之间的距离沿着该第二MEMS平面中自第一子层附接区至第二子层附接区的电极路径是可变的。18.如权利要求8至17中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)的电极对被布置成至少一列(86)或彼此平行延伸的至少两列。19.如权利要求8至18中任一项所述的MEMS，其中第一电极对在该第二MEMS平面中布置成平行于第一方向的第一列以实现该相互作用结构(24)沿着第一方向在该第一MEMS平面中的移动；且其中第二电极对在该第二MEMS平面中布置成平行于第二方向的第二列以实现该相互作用结构(24)沿着第二方向在该第一MEMS平面中的移动。20.如权利要求8至19中任一项所述的MEMS，其中所述电极对形成为互锁电极梳状结构。21.如权利要求20所述的MEMS，其中具有电极梳状结构(114)的第三电极与该对电极相关联以形成三个电极的组，所述电极中的中间电极可基于该三个电极中的外部电极的交替激励而在不同方向上偏转。22.如权利要求20所述的MEMS，其中该对电极包含固定梳状电极及可相对于该固定梳状电极移动的可移动梳状电极且为第一对梳状电极；该MEMS包含至少第二对梳状电极；其中该第一对梳状电极及该第二对梳状电极中的所述可移动梳状电极彼此机械地耦接且彼此电绝缘，并且适于在一定时间点被施加彼此不同的电位；其中该MEMS适于将时变电位施加至该第一对及该第二对的静止梳状电极；且其中该MEMS适于将时变电位施加至该第一对及该第二对的所述静止梳状电极。23.如权利要求1至3中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含机械地连接在MEMS基底与耦接元件(28)之间的多个可移动层组件，该耦接元件机械地固定至该相互作用结构(24)；其中每一可移动层组件包含第一杆(761)、第二杆(762)及设置于该第一杆与该第二杆之间且在其离散区处与该第一杆及该第二杆电隔离的第三杆(763)，且适于响应于该第一杆与该第三杆之间的电位或响应于该第二杆与该第三杆之间的电位而在该第二MEMS平面中沿着移动方向移动，以移动该耦接元件。24.如权利要求23所述的MEMS，其中至少第一可移动层组件及第二可移动层组件在该耦接元件与该基底之间机械地串联连接，其中该第一可移动层组件及该第二可移动层组件的曲率分布的梯度具有交替符号。
25.如权利要求23或24所述的MEMS，其中多个可移动层布置在该第二MEMS平面中对称地布置。26.如权利要求1至3中任一项所述的MEMS，其中该主动结构(26)包含机械地连接在MEMS基底与耦接元件之间的可移动层组件，该耦接元件机械地固定至该相互作用结构(24)；其中该可移动层组件包含第一杆(761)、第二杆(762)及设置于该第一杆与该第二杆之间且在离散区处与该第一杆及该第二杆电隔离的第三杆(763)，且适于响应于该第一杆与该第三杆之间的电位或响应于该第二杆与该第三杆之间的电位而在该第二MEMS平面中沿着移动方向移动，以移动该耦接元件，其中一方面用于固定该第一杆及该第三杆且另一方面用于固定该第二杆及该第三杆的所述离散区(78)被布置成在该第二MEMS平面中沿着该可移动层组件的轴向路径彼此偏移。27.如权利要求26所述的MEMS，其中该可移动层布置沿着该轴向路径在不同方向上数次弯曲形成。28.如权利要求27所述的MEMS，其中所述离散区被布置在曲率改变的外侧上。29.如权利要求26至28中任一项所述的MEMS，其中所述可移动层组件中的每一个在两侧被固定地夹持。30.如权利要求26至29中任一项所述的MEMS，其中第一杆在组合离散区(78c)处另外连接至第二杆及第三杆。31.如权利要求25至29中任一项所述的MEMS，其中沿着相邻杆的离散区之间的方向的离...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：