包括波状梁结构的微机电致动器

本发明涉及微机电系统(MEMS)，更具体地涉及MEMS致动器。

作为传统的机电装置如继电器、致动器、阀及传感器的替代物，微机电系 统(MEMS)系统已经被开发。由于使用了微电子制造技术，MEMS装置是潜 在的低成本装置。因为MEMS装置可以比传统的机电装置小得多，可设置新 的功能。

许多MEMS技术的应用使用致动器，它包括一个或多个通过静电、磁、 热和/或使用另外形式的能量致动的梁。在授予Wood等人的美国专利 US5,909,078中描述了使用热弓形梁结构的MEMS致动器的例子，它所公开的 内容结合于此作为参考。在其中所描述的弓形梁结构中包括一个或多个弓形梁 的结构，这些弓形梁延伸在隔开地设在电子衬底上的支承之间并响应加热和冷 却而膨胀及收缩，由此引起弓形梁的位移。

这种热弓形梁结构可用来提供致动器，继电器，传感器，微型阀及其它 MEMS装置。热弓形梁微机电装置及其制造方法的例子还被描述在授予Dhuler 等人的题为“热弓形梁微机电开关阵列”的美国专利US5,955,817，授予Dhuler 等人的题为“微机电定位装置”的美国专利US5,962,949，授予Dhuler等人的 题为“热弓形梁微机电装置及其制造方法”的美国专利US5,994,816，授予Dhuler 等人的题为“热弓形梁微机电结构”的美国专利US6,023,121，及1999年3月 23日提交的属于Edward A.Hill的美国专利申请系列号09/275,058(律师案卷 号9134-25)中，它们所公开的所有内容完全结合于此作为参考。

MEMS技术的发展导致了致动器能提供所需的位移及力负荷能力。但是， 其位移，力和/或这些装置的可靠性受到材料及结构设计的限制。例如，在弓形 梁致动器中产生的应力在不引起永久变形或损坏的情况下将限制梁被操作的位 移和/或力的范围。MEMS致动器的性能将受到稳定性考虑的限制。因此，不 断地要求MEMS致动器具有比传统设计更大的稳定性及可靠性。

根据本发明的实施例，微机电致动器包括一个衬底。一个梁具有分别连接 在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间具有波状形状的主 体。主体包括与致动对象连接并响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力在 垂直于梁的方向上对致动对象施加力的工作部分。该波状形状可为正弦波。例 如，该波状形状可为接近余弦曲线单个周期或正弦曲线单个周期。梁的第一及 第二端部可均固定在衬底上，或第一及第二端部中至少一个通过至少一个可移 动载体、如致动器梁连接在衬底上。根据本发明的另外实施例，波状形状近似 为一个直梁的弯曲波模形状。梁的形状譬如可为连续地或分段地近似弯曲波模 的形状。

根据本发明的另一实施例，微机电致动器包括一个衬底及梁具有分别连接 在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间具有波状形状的主 体。主体包括与致动对象连接并响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力在 垂直于梁的方向上对致动对象施加力的工作部分。梁被设计成：主体如果离开 衬底则其显现波状形状。该波状形状可为正弦波，例如，该波状形状可为连续 地或分段地近似弯曲波模的形状。

根据本发明的的另一实施例，一种微机电旋转致动器包括一个梁，该梁具 有连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主体。主体 包括会合在第一及第二端部之间的点上的第一及第二相反弯曲的部分。主体被 操作及与致动对象连接，以响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力使致动 对象绕相反弯曲部分会合点转动。第一及第二相反弯曲的部分可为曲线形状， 例如，主体可具有接近正弦曲线一个周期的正弦波形状。

在本发明另一实施例中，旋转致动器包括第一及第二梁，其中每个梁具有 连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主体。每个主 体包括会合在第一及第二端部之间点上的第一及第二相反弯曲的部分。第一及 第二梁的主体彼此相交在第一及第二梁的主体的第一及第二相反弯曲部分的会 合点上。第一及第二梁的主体被操作及与致动对象连接，以响应作用于第一及 第二梁的压缩力及张力中至少一种力使致动对象绕第一及第二主体相交点转 动。

根据本发明的另一实施例，微结构包括一个衬底及在衬底上的一个暂用 层。梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间 并在暂用层上的正弦波状主体。该正弦波状主体例如可具有接近正弦曲线一个 周期或余弦曲线一个周期的形状。

在本发明的另一实施例中，微结构包括一个衬底及在衬底上的一个暂用 层。梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间 并在暂用层上的主体。主体具有近似为一个直梁的弯曲波模形状。主体的形状 可为实质上连续地或分段地近似弯曲波模的形状。

根据本发明的方法方面，微结构的制造通过在衬底上形成一个暂用层，及 形成具有各连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间并在 暂用层上的正弦波状主体的梁。将至少一部分暂用层除去以释放正弦波状主 体。该正弦波状主体例如具有接近正弦曲线一个周期或余弦曲线一个周期的形 状。

根据另一方法方面，微结构的制造通过在衬底上形成一个暂用层，及形成 具有各连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间并分布在 暂用层上的主体的梁，该主体具有近似为一个弯曲波模形状。主体的形状可为 实质上连续地或分段地近似弯曲波模的形状。

根据本发明的又一方法方面，通过梁与致动对象连接使致动对象转动，该 梁具有各连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主 体，该主体包括会合在第一及第二端部之间点上的第一及第二相反弯曲的部 分。一个压缩力或张力施加在梁上使致动对象绕相反弯曲部分的会合点转动。 该梁的主体可具有正弦波形状，例如，该主体形状接近正弦曲线一个周期或一 个直梁的第二弯曲波模的形状。致动对象与第一及第二梁连接，其中每个梁具 有连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主体，每个 主体包括会合在第一及第二端部之间点上的第一及第二相反弯曲的部分，其中 第一及第二梁的主体彼此相交在第一及第二主体的第一及第二相反弯曲部分的 会合点上。响应的压缩力及张力可作用于第一及第二梁上使致动对象绕第一及 第二主体相交点转动。

图1及2分别是根据本发明的实施例的具有余弦形梁的MEMS致动器的 平面图及侧视图。

图3及4分别是根据本发明的实施例的具有正弦形梁的MEMS旋转致动 器的平面图及侧视图。

图5A-5F是说明根据本发明的实施例的MEMS致动器的平面图及侧视 图。

图6及7用曲线图表示根据本发明实施例的MEMS梁与传统MEMS梁的 仿真性能特性的比较。

图8及9表示根据本发明实施例的作为替换的MEMS致动器梁的形状。

图10及11表示根据本发明实施例的作为替换的MEMS梁的形状。

图12及13表示根据本发明实施例的旋转式MEMS致动器。

现在将参照附图更详细地将本发明描述如下，附图中表示出本发明的优选 实施例。但本发明可用多种不同形式实施及不被限制在所述的实施例上；而这 些实施例的设立为的是，使本发明的公开对于本技术领域的熟练技术人员来说 能彻底及全面，及能全面覆盖本发明的范围。为了明嘹起见，在附图中，厚度、 位移及另外特征将被夸张；相似的单元将标以相同的标号。可以理解，当一个 单元如层、区或衬底涉及到在另一单元“上面”，“连接到”或“耦合到”另 一单元时，它可直接地在另一单元“上面”，直接地“连接到”或直接地“耦 合到”另一单元，或设置中间单元。相反地，当一个单元涉及到直接地在另一 单元“上面”，直接地“连接到”或直接地“耦合到”另一单元时，将无中间 单元。

热弓形梁(TAB)致动器被描述在美国专利US5,909,078，US5,962,949， US5,994,816，US5,995,817及US6,023,121中，它们所公开的全部内容将结合 于此作为参考。这种TABs可被耦合到TAB和/或衬底上的内部和/或外部加热 器加热。一个或多个TABs可耦合在一起及可由一对或多对载体支承。使用驱 动弓形梁的MEMS致动器被描述在2000年4月5日提交的属于Hill等人的题 为“包括具有机械优点的驱动弓形梁的微机电致动器”的美国专利申请系列号 09/542,672(律师案卷号9134-15)中及其所有内容结合于此作为参考。通过使 用至少一个连接在驱动梁的至少一端的TAB来压缩和/或膨胀该驱动梁可获得 机械的优点。可以理解，这里所述的梁也可被热驱动，即通过响应于梁的加热 或冷却的梁本身的膨胀或收缩被驱动，或通过另外的驱动器如TAB来驱动。

这里所述MEMS梁可总地描述成包括一个“波形”形状的部分。如这里 所使用的，“波形”形状通常是具有至少两个相邻的相反弯曲部分的纵长形状。 例如，“波形”形状可包括正弦形状及似正弦形状、如正弦形状的分段近似。 有代表性的正弦形状包括：具有会合在一个中间曲点上两个相邻的相反弯曲部 分的形状、如接近正弦曲线一个周期的形状，及具有会合在两个各自曲点上两 个相邻的相反弯曲部分的形状、如接近余弦曲线一个周期的形状。

图1及2分别表示根据本发明实施例的一个MEMS致动器100的平面图 及侧面图。该致动器100包括具有第一及第二端部110a，110b及主体110c的 梁110。主体110c包括会合在第一曲点115a上的第一对相邻的相反弯曲部分 111a，111b及会合在第二曲点115b上的第二对相邻的相反弯曲部分111b，111c。 主体110c可被描述为具有近似余弦曲线的一个周期，即在具有原点在第一端 部110a上的坐标范围中的一个余弦曲线。如图2中所示，第一及第二端部110a， 110b通过固定载体120a，120b被连接在微电子衬底101上，以致梁110的主 体110c可相对衬底101自由运动。可以理解，载体120a，120b及梁110可包 括一个连续的材料件，或可形成为分开结构。主体110c响应施加给梁110的 压缩力和/或张力F而被操作，以与致动器10的对象连接及对致动器10的对象 施加力Fa，该力垂直于梁110。

可以理解，梁110可由各种不同材料作成。例如，梁110可包括导电材料， 如镍、铜或金，或金属合金如镍磷合金。梁110也可由多晶硅和/或非导电材料 作成。如图所示，梁110固定地连接在衬底101上，因此适于通过梁110的加 热及冷却来致动，以通过梁110的膨胀及收缩来产生压缩力和/或张力F。为此， 可有利地由呈现理想热膨胀特性的镍或镍合金作成梁。如果梁110被通过梁110 的电流加热，则可有利地由呈现相对高电阻率的镍磷合金作成梁110。该梁110 也可由放置在该梁附近或与它接触的外部阻性半导体或另外的加热器和/或冷却 器来加热和/或冷却。也可将多个余弦形状的梁、如梁110形成阵列，来产生力。

可以理解，致动器10的对象可包括各种不同的对象，如电子元件、光元 件、液压元件和/或另外的显微装置。这些元件可包括但不局限于，继电器触头、 可变电容器极板、可变电阻触头、镜、光开关、减光器和/或微型液压阀元件。

图3及4表示根据本发明另一实施例的一个MEMS致动器200。该致动 器200包括具有第一及第二端部210a，210b及主体210c的梁，该主体具有包 括会合在中间曲点215上的第一及第二弯曲部分211a，211b的近似正弦曲线 一个周期的形状。如图4所第一及第二端部210a，210b通过固定载体220a，220b 被连接在微电子衬底201上，以致梁210的主体210c可相对衬底201自由运 动。可以理解，载体220a，220b及梁210可包括一个连续的材料件，或可形 成为分开结构。主体210c响应施加给梁210的压缩力和/或张力F而被操作， 以与致动器20的对象连接及对致动器20的对象施加力Fa，该力施加在曲点215 的第一及第二侧及沿垂直于梁210的各相反方向上。

可以理解，梁210可由各种不同材料作成。例如，梁210可包括导电材料， 如镍、铜或金，或金属合金如镍磷合金。梁210也可由多晶硅和/或非导电材料 作成。最好梁的“高度”、即在与形成梁的衬底垂直的方向上的厚度应大于其 宽度、即与衬底平行的方向上的厚度。此外，适当的厚度可根据作成梁的材料 而改变。如图所示，梁210固定地连接在衬底201上，因此适于通过梁210的 加热及冷却来致动，以通过梁210的膨胀及收缩来产生压缩力和/或张力F。为 此，可有利地由呈现理想热膨胀特性的镍或镍合金作成梁。如果梁210被通过 梁210的电流加热，则可有利地由呈现相对高电阻率的镍磷合金作成梁210。 可以理解，该梁210也可由放置在该梁附近或与它接触的外部阻性半导体或另 外的加热器和/或冷却器来加热和/或冷却。

可以理解，致动器20的对象可包括各种不同的对象，如电子元件、光元 件、液压元件和/或另外的显微装置。这些元件可包括但不局限于，继电器触头、 可变电容器极板、可变电阻触头、镜、光开关、减光器和/或微型液压阀元件。 可以理解，梁210能以多个不同方式与致动器20的对象连接。例如，梁210 可固定地在曲点215上或其附近连接在致动器20的对象上。梁210也可使用 非固定装置连接到致动器20的对象上，例如连锁片或其它表面。

图5A-5F表示根据本发明实施例的制造MEMS梁结构的示范操作。可以 理解，通过本发明可以使用各种各样的材料及制造工艺，它包括但不限制于： 整体微型机械加工，表面微型机械加工，及大长宽尺寸比微型机械加工、如LIGA 工艺。LIGA及其它的传统微型机械加工是本技术领域的熟练技术人员所公知 的。微型机械加工的例子被描述在MUMPsTM设计手册(修改版5.0，Cronos Integrated Microsystems 出版，2000，)中及可由http： //www.memsrus.com/cronos/svcsmumps.html网址得到，其全部结合于此作为参 考。

参照图5A，在微电子衬底501上放置一层暂用材料及通过构型形成一个 暂用材料层502。然后在衬底501及暂用材料层502上形成一个梁材料层503 如镍、铜、金、镍合金或多晶硅的层。

参照图5B，梁材料层503通过构型形成一个梁，它具有第一及第二端部 510a，510b及主体510c，后者被布置在暂用层502上。主体510c总地具有正 弦曲线形状，如图5C所示。参照图5D，然后，在主体510c下面的暂用材料 层502的部分通过使用譬如湿刻处理来除去。以此方式，使主体510c离开衬 底501，而其端部510a，510b仍保留与衬底510相连接。

如图5E所示，在离开暂用层502时，主体510c可保持正弦曲线形状。但 是，根据由整体结构和/或环境条件施加给梁510的压缩力或张力，该被释放的 主体显现另外的形状。例如，如图5F所示，主体510c通过施加给梁510的张 力F可变形为直线形状。可以理解，但由于梁510的制造方式，梁510可这样 地构型，即如果梁510的一个或两个端部510a，510b脱离衬底501，梁将趋于 恢复它预成型的正弦波形状。

可以理解，用于形成暂用层502及梁材料层503的材料可根据被制造梁所 需的性能来选择。例如，如果需要相对大的正膨胀系数，则可使用镍或镍磷合 金作为梁材料层503，及由具有相对梁材料所需蚀刻性能的材料构成暂用层 502。例如，正某些应用中，梁材料层503可为金属如镍或合金、如镍磷合金， 则希望用金属如铜和/或钛形成暂用层。在另外的应用中，梁材料层503可为多 晶硅，而暂用层可由磷硅玻璃(PSG)构成。还可理解，在图5A-5F中所示的 操作及制造产品是用于说明的目的，根据本发明也可使用另外的技术。例如， 可使用形成梁材料及暂用层的不同构型及技术。

通过不构成对本发明范围限制的工作原理，可相信，在MEMS致动器中 引起的应力量值可通过以近似直梁的弯波模形状形成MEMS致动器梁来减小。 仿真结果表明：具有根据本发明实施例的构型的梁与传统弓形梁相比，对于施 加给梁的给定量值的力趋于显现低应力。仿真还表明，阈值应力特性、即梁显 现永久变形时的压缩力或张力量值可通过根据本发明的梁构型得到改善。这种 下降的应力特性的潜在优点包括获得给定位移的能力，而很少引起梁的应力， 它可减小机械疲劳和/或故障的或然率。

因此，根据本发明的构思，MEMS梁可被视为具有近似一个直梁弯波模 的形状。例如，图1中所示的余弦形状的梁110可被视为接近直梁第一弯波模 的波型形状。类似地，图3中所示的正弦形状的梁210可被视为接近直梁第二 弯波模的波型形状。

图6及7用曲线图表示具有传统弓形(圆形)及线性(弯形)的热致动镍 梁的仿真性能特性与根据本发明实施例的具有余弦形状的梁的仿真性能特性的 比较。每个仿真梁为1.5毫米长，10微米厚(平行于衬底的尺寸)，及25微米 高(垂直于衬底方向上的5层厚)，及每个梁被作成在致动方向上(即垂直于 梁及平行于衬底)具有原始位移15微米。如图6中所示，其中分别表示圆形、 直线形及余弦形梁的位移相对温度的特性曲线610，620，630，它们基本上相 似(在一些温度下余弦形梁显现较小的位移)。但是，现在参照图7，将仿真余 弦形梁的应力相对温度的特性曲线730与曲线及直线形梁的应力相对温度的特 性曲线710，720分别进行比较，表明显现较小应力及对于余弦形梁在高温下 通过应力阈值引起的永久变形比另外两个梁小。基于该观察，认为余弦形梁与 传统的弓形及线形梁相比，在相对低的梁应力下可获得给定量的位移，通过使 用这种梁的形状可产生低的机械疲劳及故障的或然率。

可以理解，正弦形以外的梁形状可在本发明的范围内。例如，在图8所示 的本发明的实施例中，MEMS致动器梁810可具有分段地近似第一弯波模形状 的余弦曲线周期的形状。梁810的特征可为：类似图1的余弦形梁110，梁810 具有会合在点815a，815b上的相邻、相反弯曲部分811a，811b，811c。类似 地，如图9所示，MEMS致动器梁910可具有分段地近似第二弯波模形状的正 弦曲线周期的形状。梁910的特征可为：类似图3的正弦形梁210，梁910具 有会合在点915上的相邻、相反弯曲部分911a，911b。可以理解，本发明还可 使用其它的类似正弦波或波模的形状，包括由曲线段形成的分段近似及具有比 图8及9所示的梁810，910更多直线数或曲线段数的分段地线性近似。这种 梁例如可使用类似于参照图5A-5F所述的技术来制造。

根据本发明的其它实施例，MEMS致动器梁可通过一个或多个对梁施加 压缩力和/或张力的可移动载体连接到衬底上，而不是如图1-5F所示地亮度固 定在其上。例如，如图10中所示，热MEMS致动器1010可包括一个阵列的 多个余弦形、热致动梁1002并可连接到具有正弦形主体1010c的梁1010的第 一端部1010a，及对梁1010施加压缩力和/或张力F，因此提供机械上的优点。 梁1010的第二端部将被固定地连接到衬底上。在图11所示的本发明的另一实 施例中，压缩力和/或张力F可分别被热MEMS致动器1101，1102施加，它们 分别与具有波型主体1110c的梁1110的端部1110a，1110b相连接。如图10及 11中所示的装置可用来对与梁连接的操作对象提供转动和/或平移。可以理解， 也可使用图10及11中所示的热驱动梁结构以外的其它驱动结构。例如，可使 用在上述的属于Hil等人的题为“包括具有机械优点的驱动弓形梁的微机电致 动器”的美国专利申请系列号09/542,672中所描述的梁驱动结构及可操作波状 梁载体端部及对其施加压缩力和/或张力的其它结构。

如上所述，正弦形梁结构尤其适用于实施旋转致动器。如图12所示，一 个具有1.5毫米长、10微米厚及25微米高的仿真镍梁1200可在400℃上使致 动对象20共得13.1度的转动。为了增加转动量梁1200可被另外的致动器驱动， 如热梁致动器。

图12的构型可被视为两重对称，及可产生出n重对称。例如，图13表示 根据本发明另一实施例的四重对称旋转MEMS致动器1300，它包括相交于点 1315的第一及第二正弦形梁1310，1320，在该交点处会合了梁1310，1320的 相反弯曲部分1311a，1311b。1321a，1321b。梁1310，1320被构成为：连接 到致动对象20及被操作，即响应于施加给它的压缩力和/或张力F使致动对象 20绕交点1315转动。可以理解，梁1310，1320可用多种不同方式连接到致动 对象20。例如，梁1310，1320可彼此固定连接和/或在交点1315上或其附近 连接到致动对象20。梁1310，1320也可使用非固定装置、如连锁片或另外的 面彼此连接和/或连接到致动对象20。可以理解，压缩力和/或张力F可利用各 种技术被施加给梁1310，1320，包括通过加热或冷却梁1310，1320以产生梁 1310，1320的热收缩或膨胀。梁1310，1320也可用另外的致动器驱动，如用 参照图10及11所述的致动器驱动，以获得大的转动。

致动器1300相对传统的旋转致动器设计可提供多个潜在优点。例如，传 统的旋转致动器的设计具有多个复杂的结构部件如，弹簧、臂及轴，它们比图 13的结构更难制造。传统的旋转致动器设计比致动器1300的稳定性差，后者 利用梁1310，1320形状的稳定性能。可以理解，本发明并不被限制在图13的 四重对称结构上，它可产生多于两个交点的n重对称组合。

根据本发明的MEMS致动器的实施例拉具有许多应用。例如，这里所述 的一个线性作用的余弦梁MEMS致动器可用来驱动可变减光器和或光交叉连 接开关装置。这里所述的一个旋转正弦波MEMS致动器譬如可用于驱动旋转 光学元件、如镜。这里所述的致动器还可具有各种其它的广泛应用，如微型液 压控制还微型气动控制的应用。

虽然在公开本发明典型实施例的附图镜说明中使用力专门的术语，它们仅 用于普遍性及说明的意义，而非限制的目的，本发明的范围由下面的 书给出。