壓電型微機電致動器設備制造技術

本公開涉及可在平面中移動的壓電型微機電致動器設備。例如，一種形成在襯底(28)上的壓電型MEMS致動器設備(100)，該壓電型MEMS致動器設備具有包括基礎梁元件(20)的基礎單元(22A)，該基礎梁元件具有在延伸平面中的主延伸以及在垂直于該延伸平面的厚度方向上的小于該主延伸的厚度。壓電區(29)在該梁元件之上延伸。錨區(23)剛性連接至該基礎梁元件以及至該襯底(28)?；A約束結構(21)連接至該基礎梁元件(20)的一端并且被配置成用于允許該基礎梁元件在該延伸平面中的變形并基本上減少該基礎梁元件在該厚度方向上的變形。

【技術實現步驟摘要】
壓電型微機電致動器設備
本技術涉及一種壓電型微機電致動器設備。
技術介紹
如已知的，致動器是將一種類型的物理變量轉換成不同類型的物理變量的設備，并且源自該轉換的變量通常涉及某種形式的移動或機械動作。最近，已經提出了可以利用所謂的MEMS(微機電系統)半導體技術獲得并且可以因此以非常受限的成本生產的微米和納米尺寸致動器(也稱作微致動器或納米致動器)。它們可以用在各種設備中，尤其是在移動設備和便攜設備中。微致動器的示例為閥、開關、泵、線性和旋轉微電機、以及線性定位設備。已知的微致動器基本上根據四個物理學原理進行工作：-靜電原理：它們利用以相反方式充電的導體之間的吸引；-熱原理：它們利用由于熱膨脹或收縮而導致的位移；-壓電原理：它們利用由于電場感應到的應變和應力而導致的位移；以及-磁原理：它們利用由于具有磁特性的不同元件(比如永磁體、外部磁場、可磁化材料和電流導體)之間的交互而導致的位移。關于功耗、移動速度、施加的力、移動幅度、移動軌跡、易制性、施加的電信號的幅度、魯棒性以及敏感度，每種技術都有優點和限制，這些優點和限制使其在特定應用(而非其他應用)中是有利的并且因此確定了使用領域。在下文中，MEMS致動器設備被認為根據壓電原理進行操作并且尤其能夠利用TFP(薄膜壓電)MEMS技術。TFPMEMS技術目前使用單層壓電片致動模式，在該模式中，通常包括安排在彼此頂部上的至少兩層的結構(薄膜、梁或懸臂)由于感應到的應變的變化而彎曲。在此情況下，這些層之一(稱作“有源層”)中存在受控的應變改變，導致了其他一層或多層(還稱作“非有源層或無源層”)的“無源”應變，因此使該結構彎曲。上述技術有利地用于在期望豎直移動(即，在垂直于該結構的位置的平面的方向上的移動)的應用中(比如在液體噴墨印刷頭、自動調焦系統、微泵、微開關等等中)使薄膜或梁或懸臂彎曲。例如，在圖1A和圖1B中，展示了在第一端2處被約束并且在第二端3處自由彎曲的懸臂梁1。梁1在此由層的堆疊形成，該層堆疊包括例如采用第一導電類型(在此為P型)的半導體材料的支撐層5、形成壓電層的例如采用本征(非摻雜)半導體材料的有源層6、以及例如采用第二導電類型(在此為N型)的半導體材料的頂層7。在反向偏置的情況下，如在圖1B中所展示的，所施加的電場導致了使自由端3向下彎曲的梁1的應變。在圖2A和圖2B中展示了應用在光學設備中的壓電式MEMS致動器的實施例。在這些附圖中，用10標示的光學設備包括玻璃制薄膜15，該薄膜通過采用聚合材料的透鏡元件11擱置在支撐體12(同樣是玻璃的)上并且承載被安排成距彼此一定距離的兩個壓電區13。在未進行偏置的情況下，薄膜15和透鏡元件11具有平坦的表面并且并未修改橫向于該薄膜和該透鏡元件的光束16的路徑。在對壓電區13進行偏置時，這些壓電區導致薄膜15變形。薄膜15的中心區域的變形被傳輸至透鏡元件11，該透鏡元件的頂表面變彎，從而修改了透鏡元件11的焦點以及因此光束16的路徑。因此可以修改設備10的光學傳輸特性。在圖1A、圖1B、圖2A和圖2B所展示的示例中，通過對壓電層進行偏置而生成的應變導致了在垂直于壓電層的延伸平面的豎直方向上的變形。直到現在，還不可以利用壓電原理來生成梁或薄膜“在平面中”(即，在平行于這兩個主延伸方向的方向上)的移動。
技術實現思路
本技術的目的是提供一種根據壓電原理進行操作并且在平面中作用的MEMS致動器。根據本技術，提供了一種壓電型MEMS致動器設備(100；200)，包括襯底(28)和基礎單元(22A；122A)，所述基礎單元包括：基礎梁元件(20)，所述基礎梁元件具有第一端(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；壓電區(29)，所述壓電區在所述梁元件之上或之中；錨區(23)，所述錨區相對于所述基礎梁元件并且相對于所述襯底(28)被固定；以及基礎約束結構(21)，所述基礎約束結構連接至所述基礎梁元件(20)的所述第二端，所述約束結構被配置成用于基本上允許所述基礎梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移動并且防止或基本上減少所述基礎梁元件在所述厚度方向上的變形。在一些實施例中，所述基礎約束結構包括基礎約束元件(31)和基礎鉸鏈結構(25；125)，所述基礎約束元件在所述厚度方向上不可變形，所述基礎鉸鏈結構被安排在所述基礎梁元件(20)與所述基礎約束元件(31)之間。在一些實施例中，所述基礎約束元件(31)具有大于所述基礎梁元件(20)的厚度。在一些實施例中，所述錨區(23)在所述基礎梁元件(20)的所述第一端與所述襯底(28)之間延伸，并且所述基礎約束元件(31)包括壁，所述壁平行于所述基礎梁元件延伸并且錨定至所述襯底(28)。在一些實施例中，所述基礎鉸鏈結構(25)包括鉸鏈區(26，27)，所述鉸鏈區連接至所述基礎梁元件(20)的所述第二端以及至所述基礎約束元件(31)，所述鉸鏈區具有比所述基礎梁元件和所述約束元件更小的寬度以及在所述厚度方向上大于所述基礎梁元件(20)的厚度。在一些實施例中，所述基礎單元(22A)通過所述基礎鉸鏈結構(25)連接至第一橫向單元(22B)，所述第一橫向單元(22B)由第一橫向梁元件(40)和第一橫向約束結構(41)形成，所述第一橫向梁元件(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、對應的第一端(40A)以及對應的第二端(40B)，并且承載對應的壓電區(49)，所述第一橫向約束結構(41)剛性連接至所述第一橫向梁元件(40)的所述第一端(40A)并且鉸接至所述第一橫向梁元件的所述第二端(40B)，所述第一橫向約束結構(41)被配置成基本上允許所述第一橫向梁元件在所述延伸平面中的變形并且防止或基本上減少所述第一橫向梁元件在所述厚度方向上的變形。在一些實施例中，所述基礎單元(22A)通過基礎杠桿臂(33)連接至所述第一橫向單元(22B)，所述基礎杠桿臂連接至所述基礎鉸鏈結構(25)以及至所述第一橫向約束結構(41)。在一些實施例中，所述第一橫向梁元件(40)在靜止時平行于所述基礎梁元件(20)延伸，并且所述基礎杠桿臂(33)在靜止時垂直于所述基礎梁元件(20)延伸。在一些實施例中，所述基礎鉸鏈結構(25；125)包括第一基礎鉸鏈元件(26)和第二基礎鉸鏈元件(27)，所述第一基礎鉸鏈元件安排在所述基礎梁元件(20)的所述第二端與所述基礎杠桿臂(33)的一端之間，所述第二基礎鉸鏈元件安排在所述基礎杠桿臂(33)的所述端與所述基礎約束元件(31)之間，所述第一和第二基礎鉸鏈元件(26，27)具有在所述厚度方向上大于所述基礎梁元件(20)的對應厚度以及在所述延伸平面中小于所述基礎梁元件和所述基礎杠桿臂(33)的寬度。在一些實施例中，所述第一橫向單元(22B)包括第一橫向杠桿臂(42)，所述第一橫向杠桿臂耦合至所述第一橫向梁元件(40)的所述第二端(40B)并且連接至所述基礎杠桿臂(33)。在一些實施例中，所述第一橫向約束結構(41)包括第一橫向約束臂(52)和第一橫向鉸鏈結構(44)，所述第一橫向約束臂(52)在靜止時平行于所述第一橫向梁元件(40)且在距其一定距離處延伸并且具本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種壓電型微機電致動器設備(100；200)，包括襯底(28)和基礎單元(22A；122A)，其特征在于，所述基礎單元包括：基礎梁元件(20)，所述基礎梁元件具有第一端(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；壓電區(29)，所述壓電區在所述梁元件之上或之中；錨區(23)，所述錨區相對于所述基礎梁元件并且相對于所述襯底(28)被固定；以及基礎約束結構(21)，所述基礎約束結構連接至所述基礎梁元件(20)的所述第二端，所述約束結構被配置成用于基本上允許所述基礎梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移動并且防止或基本上減少所述基礎梁元件在所述厚度方向上的變形。

【技術特征摘要】
2016.12.29 IT 1020160001321441.一種壓電型微機電致動器設備(100；200)，包括襯底(28)和基礎單元(22A；122A)，其特征在于，所述基礎單元包括：基礎梁元件(20)，所述基礎梁元件具有第一端(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；壓電區(29)，所述壓電區在所述梁元件之上或之中；錨區(23)，所述錨區相對于所述基礎梁元件并且相對于所述襯底(28)被固定；以及基礎約束結構(21)，所述基礎約束結構連接至所述基礎梁元件(20)的所述第二端，所述約束結構被配置成用于基本上允許所述基礎梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移動并且防止或基本上減少所述基礎梁元件在所述厚度方向上的變形。2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，所述基礎約束結構包括基礎約束元件(31)和基礎鉸鏈結構(25；125)，所述基礎約束元件在所述厚度方向上不可變形，所述基礎鉸鏈結構被安排在所述基礎梁元件(20)與所述基礎約束元件(31)之間。3.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述基礎約束元件(31)具有大于所述基礎梁元件(20)的厚度。4.根據權利要求2所述的設備，其特征在于，所述錨區(23)在所述基礎梁元件(20)的所述第一端與所述襯底(28)之間延伸，并且所述基礎約束元件(31)包括壁，所述壁平行于所述基礎梁元件延伸并且錨定至所述襯底(28)。5.根據權利要求2至4中任一項所述的設備，其特征在于，所述基礎鉸鏈結構(25)包括鉸鏈區(26，27)，所述鉸鏈區連接至所述基礎梁元件(20)的所述第二端以及至所述基礎約束元件(31)，所述鉸鏈區具有比所述基礎梁元件和所述約束元件更小的寬度以及在所述厚度方向上大于所述基礎梁元件(20)的厚度。6.根據權利要求2至4中任一項所述的設備，其特征在于，所述基礎單元(22A)通過所述基礎鉸鏈結構(25)連接至第一橫向單元(22B)，所述第一橫向單元(22B)由第一橫向梁元件(40)和第一橫向約束結構(41)形成，所述第一橫向梁元件(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、對應的第一端(40A)以及對應的第二端(40B)，并且承載對應的壓電區(49)，所述第一橫向約束結構(41)剛性連接至所述第一橫向梁元件(40)的所述第一端(40A)并且鉸接至所述第一橫向梁元件的所述第二端(40B)，所述第一橫向約束結構(41)被配置成基本上允許所述第一橫向梁元件在所述延伸平面中的變形并且防止或基本上減少所述第一橫向梁元件在所述厚度方向上的變形。7.根據權利要求6所述的設備，其特征在于，所述基礎單元(22A)通過基礎杠桿臂(33)連接至所述第一橫向單元(22B)，所述基礎杠桿臂連接至所述基礎鉸鏈結構(25)以及至所述第一橫向約束結構(41)。8.根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述第一橫向梁元件(40)在靜止時平行于所述基礎梁元件(20)延伸，并且所述基礎杠桿臂(33)在靜止時垂直于所述基礎梁元件(20)延伸。9.根據權利要求8所述的設備，其特征在于，所述基礎鉸鏈結構(25；125)包括第一基礎鉸鏈元件(26)和第二基礎鉸鏈元件(27)，所述第一基礎鉸鏈元件安排在所述基礎梁元件(20)的所述第二端與所述基礎杠桿臂(33)的一端之間，所述第二基礎鉸鏈元件安排在所述基礎杠桿臂(33)的所述端與所述基礎約束元件(31)之間，所述第一和第二基礎鉸鏈元件(26，27)具有在所述厚度方向上大于所述基礎梁元件(20)的對應厚度以及在所述延伸平面中小于所述基礎梁元件和所述基礎杠桿臂(33)的寬度。10.根據權利要求7所述的設備，其特征在于，所述第一橫向單元(22B)包括第一橫向杠桿臂(42)，所述第一橫向杠桿臂耦合至所述第一橫向梁元件(40)的所述第二端(40B)并且連接至所述基礎杠桿臂(33)。11.根據權利要求10所述的設備，其特征在于，所述第一橫向約束結構(41)包括第一橫向約束臂(52)和第一橫向鉸鏈結構(44)，所述第一橫向約束臂(52)在靜止時平行于所述第一橫向梁元件(40)且在距其一定距離處延伸并且具有第一端和第二端，所述第一端剛性地連接至所述第一橫向梁元件(40)的所述第一端(40A)，所述第二端通過所述第一橫向鉸鏈結構(44)連接至所述第一橫向梁元件(40)的所述第二端(40B)。12.根據權利要求11...

【專利技術屬性】
技術研發人員：D·朱斯蒂，A·艾樂桑德利，
申請(專利權)人：意法半導體股份有限公司，
類型：新型
國別省市：意大利,IT