[发明专利]可在平面中移动的压电式微机电致动器设备

说明书

本公开涉及可在平面中移动的压电式微机电致动器设备。例如，一种形成在衬底(28)上的压电型MEMS致动器设备(100)，该压电型MEMS致动器设备具有包括基础梁元件(20)的基础单元(22A)，该基础梁元件具有在延伸平面中的主延伸以及在垂直于该延伸平面的厚度方向上的小于该主延伸的厚度。压电区(29)在该梁元件之上延伸。锚区(23)刚性连接至该基础梁元件以及至该衬底(28)。基础约束结构(21)连接至该基础梁元件(20)的一端并且被配置成用于允许该基础梁元件在该延伸平面中的变形并基本上减少该基础梁元件在该厚度方向上的变形。

技术领域

本发明涉及一种压电式微机电致动器设备。

背景技术

如已知的，致动器是将一种类型的物理变量转换成不同类型的物理变量的设备，并且源自该转换的变量通常涉及某种形式的移动或机械动作。

最近，已经提出了可以利用所谓的MEMS(微机电系统)半导体技术获得并且可以因此以非常受限的成本生产的微米和纳米尺寸致动器(也称作微致动器或纳米致动器)。它们可以用在各种设备中，尤其是在移动设备和便携设备中。

微致动器的示例为阀、开关、泵、线性和旋转微电机、以及线性定位设备。

已知的微致动器基本上根据四个物理学原理进行工作：

-静电原理：它们利用以相反方式充电的导体之间的吸引；

-热原理：它们利用由于热膨胀或收缩而导致的位移；

-压电原理：它们利用由于电场感应到的应变和应力而导致的位移；以及

-磁原理：它们利用由于具有磁特性的不同元件(比如永磁体、外部磁场、可磁化材料和电流导体)之间的交互而导致的位移。

关于功耗、移动速度、施加的力、移动幅度、移动轨迹、易制性、施加的电信号的幅度、鲁棒性以及敏感度，每种技术都有优点和限制，这些优点和限制使其在特定应用(而非其他应用)中是有利的并且因此确定了使用领域。

在下文中，MEMS致动器设备被认为根据压电原理进行操作并且尤其能够利用TFP(薄膜压电)MEMS技术。

TFP MEMS技术目前使用单层压电片致动模式，在该模式中，通常包括安排在彼此顶部上的至少两层的结构(薄膜、梁或悬臂)由于感应到的应变的变化而弯曲。在此情况下，这些层之一(称作“有源层”)中存在受控的应变改变，导致了其他一层或多层(还称作“非有源层或无源层”)的“无源”应变，因此使该结构弯曲。

上述技术有利地用于在期望竖直移动(即，在垂直于该结构的位置的平面的方向上的移动)的应用中(比如在液体喷墨印刷头、自动调焦系统、微泵、微开关等等中)使薄膜或梁或悬臂弯曲。

例如，在图1A和图1B中，展示了在第一端2处被约束并且在第二端3处自由弯曲的悬臂梁1。梁1在此由层的堆叠形成，该层堆叠包括例如采用第一导电类型(在此为P型)的半导体材料的支撑层5、形成压电层的例如采用本征(非掺杂)半导体材料的有源层6、以及例如采用第二导电类型(在此为N型)的半导体材料的顶层7。

在反向偏置的情况下，如在图1B中所展示的，所施加的电场导致了使自由端3向下弯曲的梁1的应变。

在图2A和图2B中展示了应用在光学设备中的压电式MEMS致动器的实施例。在这些附图中，用10标示的光学设备包括玻璃制薄膜15，该薄膜通过采用聚合材料的透镜元件11搁置在支撑体12(同样是玻璃的)上并且承载被安排成距彼此一定距离的两个压电区13。在未进行偏置的情况下，薄膜15和透镜元件11具有平坦的表面并且并未修改横向于该薄膜和该透镜元件的光束16的路径。在对压电区13进行偏置时，这些压电区导致薄膜15变形。薄膜15的中心区域的变形被传输至透镜元件11，该透镜元件的顶表面变弯，从而修改了透镜元件11的焦点以及因此光束16的路径。因此可以修改设备10的光学传输特性。