包括交替的主动和反向段盘旋结构的执行机构及相关方法

本发明涉及的领域是机械系统及方法，更具体说，涉及机械执行 机构及方法。

在M.Edward Motamedi等人的题为《微机电光学扫描器的发展》 〔光学工程(Opt.Eng.)36(5)1346-1353页、1997年5月〕供参 考的一文中，举例来说，讨论了双晶(Bimorph，双压电晶体)微型 执行机构。具体说，双晶微执行机构是微细加工的横梁(Beam)，其 曲率可通过加上电信号而受控制。最简单的双晶执行机构是一个复合 梁，在它的不同层中有不同的结构上的和电的特性。双晶执行机构的 行为可取决于组成该横梁的不同层次的尺寸、密度、弹性系数、热膨 胀系数、及/或压电特性。

在作为参考的S.Calmes等人的题为《谐振的大角度和低损耗的 微细加工的光学扫描器》(SPIE Vol.3276 PP.96-102,1988)一文中讨 论了双晶执行机构横梁在单片光学集成微型扫描器中的应用。在这篇 参考文献中，该器件含有一个反射镜，位于热双晶执行机构横梁的端 上。该器件用电-热-机的方式在其谐振频率上被激励，从而引起在 低的功率消耗下有大的角度偏转。另外的双晶执行机构的结构在 Xi-Qing Sun等人的题为《基于两片多晶悬臂式执行机构的双稳态微继 电器》(IEEE论文集，微机电系统，1998年pp.154-159)的作为参考 的一文中作了讨论。参考文献Motamedi等人、Calmes等人以及Sun 等人的每一篇的揭示都以其完整形式在此引用作为参考。

尽管上面已讨论了双晶执行机构，但仍然存在着这样的需要，即 要求有改进的执行机构及形成它们的方法的技术。

按照本发明的一种执行机构可以包括由交替的主动段和反向段 组成的盘旋结构，其中的主动段响应于对它的致动作用而偏折。特别 是，在动作期间主动段可能朝第一方向弯曲或偏折而反向段则并不明 显地偏折或以主动段的相反方向偏折。因此，反向段能够增加执行机 构的总体偏折量而不必增加主动段的长度。尤其是，执行机构是尺度 可变的，即通过增加另外的交替的主动段和反向段就可实现更大的偏 折。通过提供以与主动段相反方向偏折的反向段，就可得到更大的偏 折。另一种方式是，反向段也可与主动段以同一方向偏折，只不过偏 折量稍小。

按照本发明的微型机械系统可以包括一个基体，一个执行机构和 一个受动元件。具体说，执行机构可以包括一个由交替的主动段和反 向段组成的盘旋结构，其第一端锚固在基体上，其中的主动段响应加 在其上的作用而偏折，使得盘旋结构的第二端在主动段偏折时相对于 基体运动。受动元件安装在该盘旋结构的第二端，从而使受动元件在 主动段偏折时相对于基体而运动。

更加具体地说，每个主动段可以包括一个双晶段，它含有由具有 第一热膨胀系数的第一种材料构成的第一层和由具有第二热膨胀系数 的第二种材料构成的第二层，这第二热膨胀系数与第一热膨胀系数不 同，从而使主动段依据它的温度变化而偏折。另外，交替的主动和反 向段可以是并行的梁，而盘旋结构的第二端可以沿着与并行梁相垂直 的轴而转动。基体也可以含有一个槽在其中并与盘旋结构相邻以减少 对执行机构的干扰。

这种系统还可以包括第二个执行机构，它含有第二个由交替的主 动段和反向段组成的盘旋结构，并以其第一端锚固在基体上。第二个 执行机构的主动段可根据对它的作用而偏折，从而使第二个盘旋结构 的第二端在主动段偏折时相对于基体而运动，而第二个盘旋结构的第 二端可以安装到受动元件上。另外，该系统在相应的第一和第二个执 行机构的第一和第二盘旋结构的各自的第二端和一个信号发生器之间 可以包括一个电气通路。该信号发生器可以在相应的第一和第二个执 行机构的第一和第二盘旋结构的第一端之间连接，从而由信号发生器 产生的电信号去动作第一和第二个盘旋结构的主动段。

这样，按照本发明的执行机构、系统和方法可以在微型机械系统 中提供增大的旋转和/或运动的范围。

图1是按照本发明的执行机构的平面图。

图2是按照本发明的第一执行机构在被推动状态时的横截面图。

图3是含有两个按照本发明的执行机构的微型机械系统的平面 图。

图4A-D是说明沿着线XX′形成图3所示的微型机械系统的各 步骤的截面图。

图5A-B是说明包括按照本发明的执行机构和静电夹持器的微 型机械系统的截面图。

图6和7是说明含有按照本发明的执行机构的另外两个微型机械 系统的平面图。

图8是按照本发明的第二个执行机构的截面图。

现在将在下面参考所附插图更加详细地说明本发明，本发明的优 选实施例将示于这些图中。但是，本发明可以用许多不同形式来实现， 并且不应理解为限制于这里所提出的实施例，相反，这些实施例的提 供只是为了使这一说明更加透彻和完整，并将向熟悉本技术的人们充 分说明本发明的范围。在附图中，各个层次和区域的厚度为了清晰起 见是跨大的。相同的数字在整体中代表相同的元件。应该理解，当一 个元件，例如一层、一个区或一个基体被说成是在另一元件之“上” 时，它可以是直接在其上面也可能中间还有别的元件。相反，当一个 元件被称为“直接在”另外元件之上时，那就不再有中间元件存在。 此外，当说一个元件被“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以是 直接发连接到或耦合到另一元件，也可能中间存在其它元件。相反， 当说一个元件是“直接连接到”或“值接耦合到”另一元件时，中间 就不存在其它元件。

按照本发明的执行机构21可以如图1所示包括一个交替的主动 分段23A-D和反向分段25A-C的盘旋结构，其中的主动分段23A -D依据对它的作用而偏折。按照本发明的一个特定实施例，每个主 动分段23包括一个双晶段，它含有由具有第一热膨系数的第一材料构 成的第一层和由具有与第一热膨胀系数不同的第二热膨胀系数的第二 材料构成的第二层。因此，通过改变它的温度就可以引起双晶分段的 偏折。另外，根据主动分段所用的各个层次的其它性质，例如构成主 动段的各个层次的尺寸、密度、弹性系数、热膨胀系数、及/或压电性 质等也可提供这种作用。

与此相对照，反向分段25A-C在主动段23A-D的作用下只提 供较小的偏折。按照一特定的实施例，每个主动段23可以只包括一个 单晶段，它含有一层单独的材料，从而在主动段23A-D的作用下反 向的单晶段25A-C并不明显地偏折。更具体地说，包括具有不同的 热膨胀系数的层次的主动双晶分段和具有单独一种材料层次的反向单 晶分段这样两种分段的执行机构21可以被加热，从而使主动又晶段响 应于温度的变化而偏折，而反向单晶段则不会依据温度的变化而明显 地偏折。虽然其它结构也是在本发明的范围之内，但包括主动双晶段 和反向单晶段的执行机构结构将作为本发明的特定实施例而作更加详 细的讨论。不过，熟悉本技术的人们会理解，这样做的目的是为了说 明，而在这里讨论的具体例子不会限制在权利要求中提出的本发明的 范围。

在图1中说明的执行机构中，盘旋结构的第一端31可以在锚固 点27处固定在基体上(如图2所示)，从而使盘旋结构的第一端31相 对于基体是固定的而盘旋结构的第二端33对于基体是活动的。因此， 盘旋结构的第二端33如图1和图2的截面图所示当执行机构被驱动时 就会围绕轴35沿着弧37转动。在图2中，线23D(用交替的点和短 划表示)表示在执行机构未被驱动时主动段23D的位置，同时也表示 主动段23A-C以及反向段25A-C的位置。换句话说，当执行机构 未被驱动时，所有的主动和反向段都可以位于一个平面内，且这个公 共的平面可能和第一端33锚固于其上的基体51的平面相并行。另外， 在基体51上可以提供一个槽53以便为盘旋结构在动作时提供一个间 隙。

主动段和反向段的每一段在动作时的位置用参考数字23A′- 23D′和25A′-25C′示于图2中。如图所示，每个主动段23A′-23D′ (用实线表示)在对它作用时都偏离基体而弯曲或偏折，而每个反向 段25A′-25C′(用虚线表示)则保持较为平直的方向。通过在盘旋结 构中保持较为平直的反向段，自由端33-33′的角位移能够增大而不必 增大主动段的长度。换句话说，自由端33-33′的角位移可以通过增加 盘旋结构中的交替的主动和反向段的数量而增加而不必增加主动或反 向段的长度。

与此相对照，为了在其自由端得到相类似的角位移，具有相同截 面的单一直线型主动段可能需要比图1和2中所示的明显地长得多的 主动段。此外，这样一个更长的直线型主动段为了使它的自由端提供 和图1和2所示的盘旋结构所提供的同样的角位移，其自由端33相对 于基体31可能会产生一个明显地大得多的侧向位移。和单一的直线型 执行机构相比，图1和2的盘旋结构可以在具有减少了长度的执行机 构中提供所需要的角位移而同时又减少了为得到所需的角位移而使用 的侧向位移。此外，图1和2的盘旋结构还可能提供任何长度的单一 直线型主动段所达不到的角位移。

如在下面将更详细地讨论的，主动段23可以使用双晶结构来提 供，这种结构包括具有不同的热膨胀系数材料的各个层次，而反向段 则可使用它包括单独一层材料的单晶结构来提供。反向段也可以另外 用能提供下面将作更多讨论的特性的多层次分段来提供。在加热时， 主动双晶段由于热膨胀系数的差异而弯曲或偏折，而反向单晶段则并 不明显地弯曲或偏折。热可以用焦耳加热来提供，例如使电流流过盘 旋结构。这样就可以通过控制流经盘旋结构的电流来控制其动作。替 代地或外加地，加热元件可以相邻于盘旋结构来提供，及/或外围加热 也可以用来动作盘旋结构。

包括按照本发明的一对执行机构和一个受动元件的微机电系统 的一个例子示于图3中。具体说，第一执行机构包括主动段123A-E 和反向段125A-D的第一盘旋结构，第二执行机构包括主动段223A -E和反向段225A-D的第二盘旋结构。第一和第二锚固点127和227 分别将第一和第二盘旋结构的两个端头锚固在基体151上。第一和第 二盘旋结构的对面一端则耦合到诸如反射镜这样的受动元件153上。

主动和反向段的第一和第二盘旋结构在电气上通过一个电气通 路155连接到受动元件153上。电气通路155可以是单独在受动元件 153上形成的一条导电线。另外的方式是受动元件153可以是由导电 材料形成的，因此受动元件本身能提供电气通路155。因此，由信号 发生器157产生的电信号可以用来驱使电流流经主动段123A-E和反 向段125A-D的第一盘旋结构、电气通路155和主动段223A-E和 反向段225A-D的第二盘旋结构。这样，由信号发生器157驱动的电 流可以用来对主动段123A-E和223A-E加热以实现对它的驱动。 具体说，由两种具有不同的热膨胀系数的材料构成的主动段可以通过 驱使电流流过它而加热。

当没有电流被驱动经过主动段时，主动段123A-E和223A-E、 反向段125A-E和225A-D、以及受动元件153因而都位于同一个并 行于基体151表面的一个公共平面中。通过驱使电流流经主动段以加 热主动段从而使主动段离开基体而弯曲或偏折时，受动元件153会转 动而离开基体。如上面所讨论的，反向段维持一个相对平直的方向从 而增加了受动元件的转动。通过将电流从主动段切断，主动段将冷却 并返回到未动作的平行于基体的位置上。

基体151也可以在其上邻近于主动段(123A-E和223A-E)及 反向段(125A-E和225A-E)的盘旋结构处包含一个槽以便为它提 供一个间隙。如上面结合图2所讨论的，反向段有可能向着基体转回 去。通过提供槽159，可以减少从基体来的干扰。

图4A-D的截面图说明了制造图3的系统的各步骤。具体说， 可以提供一个像硅片这样的一个半导体基体315，在其上可形成一个 掩膜层317，例如氮化硅层。掩膜层317作成如图4A所示那样的图形 以确定基体上的一个区域以便随后在该区域上生成槽159。半导体基 体315和带图形的掩膜层317可以共同确定如图3所示的基体151。

如图4所示可以在包含掩膜层317的基体上形成一个损耗层319 并作上图形。具体说，损耗层可以作上图形以确定用于主动和反向段 的盘旋结构的锚固点。然后损耗层可以用来作为基体以便在其上形成 主动和反向段的盘旋结构和受动元件。然后损耗层可以被去除以便让 主动段和反向段与基体分开。在形成损耗层以后，在损耗层319上形 成导电层323和325，其中的导电层最好有不同的特性(例如不同的 热膨胀系数)。例如，第一导电层325可以是2微米厚的金层而第二导 电层323则可以是2微米厚的铝层。

然后对第二导电层323作上图形以提供带图形的导电层323′，它 确定了主动段123A-E和223A-E的上面一层，如图4B所示。在对 第二导电层作图后，要对第一导电层325作图形以提供作图后的导电 层325′，它确定了反向段123A-E和223A-E，受动元件153，以及 主动段123A-E和223A-E的下面一层，也如图4B所示。然后损耗 层319被移走以便使有图形的导电层325′除锚固点227以外与基体分 开，如图4C所示。一旦损耗层被移走之后，就可以在半导体基体315 的被掩膜317所曝光的那些部分上形成槽159，如图4D所示，以减少 上面已讨论过的对执行机构的干扰。

上面所讨论的与图4A-D相关的各个步骤就可以这样被用来提 供主动段和反向段的盘旋结构，其中每个主动段是一层铝在一层金上， 而其中每个反向段则只是一层金。另外，主动段可以只是一层金。金 和铝的热膨胀系数的差别使得主动段在被加热时偏离基体弯曲或偏 折。而只包含一层金的反向段在加热/冷却时只能膨胀/收缩，因此反向 段由于热膨胀/收缩的均匀性而不会明显地弯曲或偏折。

对一个具有如图3所示的结构的单独的执行机构曾进行了有限元 建模。具体说，对一个具有盘旋结构的执行机构实施了有限元建模， 该结构包括5个500微米长25微米宽的横梁元件，每一元件由2微米 的铝和2微米的金的叠层构成。所用的模型予测利用这一结构可以在 温度变化为100K时转动45度角。

上面讨论了用铝和金作为具有不同的热膨胀系数的导电材料的 例子，但是具有不同的热膨胀系数的其它材料也是可以使用的。例如， 其它金属及/或多晶硅可以用来作为形成盘旋形状结构的各分段所用 的一层或多层的材料。另外，其中有一层可以是电绝缘的。例如，第 二层323可以是电绝缘的而由第一导电层325提供导电通路。如果使 用分开的加热元件或者使用周围温度的变化来动作主动段，则通过分 段的导电通路就可以不需要。如前面所讨论的，除了热膨胀以外的其 它特性也可以用来提供按照本发明的对主动段的作用。

本发明的另一个方面示于图5A和5B中。如图所示，受动元件 53可以在含有如上面讨论的并参考图1和2的盘旋结构的执行机构的 控制下在如图5A所示的平行于基体的第一位置和如图5B所示的垂直 于基体的第二位置之间转动。在图5A和5B的结构中，可以使用一个 静电夹持器在执行机构的电源关掉时仍将受动元件保持在图5B所示 的第二位置上。

具体说，如在上面参照图1-4而讨论的那样，执行机构在加热 时就使受动元件53转动到垂直位置。更具体地说，执行机构可以因将 电流流经它而被加热，只要让电流保持流过执行机构，则受动元件就 会一直保持在第二位置。但是，如果要将受动元件长时间保持在第二 位置，就会消耗过多的能量。

因此，可以提供一个静电夹持器来保持受动元件处于第二位置而 同时关掉流经执行元件的电流。具体说，这个夹持器是这样构成的： 它有一个夹持柱61，上面有一个带有介电层65的夹持电极。当受动 元件接触到含有夹持电极63的夹持柱61时，在电极63和受动元件 53之间的电位差被用来将受动元件53以静电方式夹持在该位置上。 一旦受动元件53被夹持住，流经执行元件的电流就可切断以节省能 量。由于静电夹持器利用静电荷来夹持受动元件，夹持器基本上不消 耗电流，因此将受动元件53保持在动作后的位置上是几乎不消耗能量 的。一旦关掉了静电夹持器，则受执行机构的类似弹簧的性质的作用 执行机构和受动元件将返回到并行于基体的未受推动的位置。

如图5A和5B所示，夹持柱61可以被支持在粘接于第一基体51 上的第二基体67上。另外的方式是，夹持柱也可以支持在第一基体 51上从而省掉了粘接第二基体的需要。按照另外还有一种方案，在基 体51上可以提供一个静电夹持电极以便将受动元件夹持在图5A的并 行于基体51的位置上。虽然在图5A和5B的截面图中没有明显地示 出，应该理解，这两种执行机构都可以用来将受动元件53以类似于图 3和4A-D所示的方式动作。

另外两个包括按照本发明的执行机构的系统在图6和7中作了说 明。在图6的系统中，在受动元件453的相对两侧提供了一对执行机 构，每个执行机构包括主动段(423A-D和523A-D)和反向段(425A -C和525A-C)的盘旋结构，使得受动元件453围绕着穿过受动元 件453的轴线转动。如图所示，锚固点427和527把执行机构的每一 个的一端固定在基体451上，基体上的槽459则为执行机构和受动单 元453提供间隙。如上面讨论的，可以使用信号发生器457把电流流 经执行机构和它们间的电气通路455而加热主动段。如上面讨论的， 如果受动元件本身是导电的，则电气通路455可由受动元件本身来提 供，或者也可以用在受动元件453上形成的导电线来提供导电通路 455。

图7的系统利用第一对执行机构来使受动元件653围绕相对于万 向架753的第一轴635旋转并用第二对执行机构来使万向架753围绕 相对于基体851的第二轴735旋转。如图所示，第一对执行机构600 和700包括各自的盘旋结构中的主动段(623A-D和723A-D)和反 向段(625A-C和725A-C)，第二对执行机构800和900分别包括 盘旋结构中的主动段(823A-D和923A-D)和反向段(825A-C和 925A-C)。此外，这些执行结构的工作情况如同上面参照图1-4所 讨论的。例如，可以用一个信号发生器驱动电流流经两对执行机构以 旋转万向架853和受动元件653。

执行机构600和700可以通过跨越受动元件653的电气通路655 而在电气上相连接。如上面所讨论的，如果受动元件是导电的，那么 电气通路655可由受动元件提供，或者由在受动元件上形成的导线来 提供。执行机构600和700可以分别通过跨越万向架的电气通路755 和757以及通过从万向架853到信号发生器657而提供电气连接的导 电条761和763而与信号发生器657相连。电气通路755和757可以 作为万向架的一部分而提供，如果万向架是由导电材料构成的话，否 则可由在万向架853上形成的导电线提供。导电条761和763最好是 柔性的以便提供电气连接而不会明显地减弱万向架853的转动。

执行机构800和900可以通过跨越万向架853的电气通路855而 在电气上连接起来。如果万向架是导电的，则导电通路855可由万向 架提供，或者导电通路855可以由在万向架上形成的导电线提供。如 图所示，执行机构800和900可以用锚固点827和927锚固在基体上， 而与信号发生器657的电连接可以经过各自的锚固点827和927而提 供。

在上面所讨论的例子中，每个主动段都弯曲或偏折从而提供围绕 着受动元件要围绕着转动的轴而转动，而反向段则通过不偏折或弯曲 而将这种转动放大。换句话说，反向段由于交替的主动段和反向段的 盘旋结构而提供对执行机构的转动的放大。如果反向段以相反于主动 段弯曲或偏折的方向弯曲或偏折，则还可提供对转动的进一步的放大。 在这个意义上，反向段就它们以相反于受动元件的方向弯曲或偏折这 一点而言可以认为是不起作用的。因此，反向段这个术语包括了在盘 旋型执行机构的作用下不弯曲或不偏折的分段，在受到盘旋型执行机 构的作用时以相反于主动段弯曲或偏折的方向弯曲或偏折的分段，以 及与主动段以相同方向弯曲但弯曲程度较小的分段。

图8说明了一个执行机构的例子，它包括以远离基体51″的第一 方向弯曲或偏折的主动段23A″-23D″和以与第一方向相反趋向基体 的第二方向弯曲或偏折的反向段25A′-C″的盘旋结构。它的工作方式 是由这样一种结构提供的，即其中的主动段23A″-23D″具有这样的双 晶结构，使得加热会导致远离基体的偏折或弯曲，而其中的反向段 25A″-25C″则具有这样的双晶结构，使得加热会导致趋向基体的偏折 或弯曲。换句话说，主动段可以包括第一和第二层，其中邻近基体的 第一层具有比与基体相对的第二层更高的热膨胀系数，而反向段可以 包括第三和第四层，其中邻近于基体的第三层具有比与基体相对的第 四层更低的热膨胀系数。例如，第一和第四层可以包括一种共同的材 料，例如金，而第二和第三层可以包括一种共同的材料，例如铝。此 外，第二和第三层可以从一层共同的铝层来制造图形，从而在形成主 动和反向段时可以只使用三次沉积和制图的步骤。

这样，图8的执行机构就具有如图1所示的主动和反向段的盘旋 结构，其中反向段以相反于主动段的方向偏折或弯曲。图8的截面图 说明了图2的自由端33′相比时自由端33″的转动的增大的情况。和以 前所讨论的各种执行结构一样，图8的执行机构可以设计成在不施加 作用时其静止位置处于基本上并行于基体的位置。

上面所讨论的例子表明，按照本发明的系统可以用来动作微型机 械反射镜，例如扫描器。不过，按照本发明的执行机构还可以用在光 学设备上，例如衰减器、快门、以及交叉连接的开关等。按照本发明 的执行机构还可以用于其它用途，例如可变电容器、可变电感器、开 关、继电器、以及阀门等。

在附图和说明中，已经揭示了本发明的典型的优选实施例，并且， 虽然使用了专门的术语，但它们只是以广义的和说明性的而非以限制 为目的的意义上使用的，本发明的范围是在下面的权利要求中提出的。