用于微型相机的自动对焦、光学防抖和超分辨率成像的五个自由度MEMS致动器的制作方法

本发明总体上涉及mems静电致动器的领域，该mems静电致动器提供大力并且能够平移和旋转大质量，尤其涉及微型相机的领域，以实现自动对焦(af)和/或光学图像稳定(ois)来抵消手部晃动，并通过超分辨率成像实现变焦。

背景技术：

不同类型的mems静电微致动器已用于实现微型相机的自动对焦(af)和光学图像稳定(ois)。美国专利us9264591b2公开了一种mems静电致动器，其通过提供多个自由度(dof)运动来移动图像传感器来实现ois和af。致动器还利用驱动梳状电极和负载台之间的机械挠曲/弹簧来放大旋转行程并减小沿不同轴的运动之间的耦合效果。这种结构，即负载和驱动电极之间的弹性挠曲，大大降低了作用在负载上的静电力。当一组弹簧(即四个机械弹簧)连接到单个负载台并且负责使负载台沿多个轴移动时，它也在不同运动之间引入了机械耦合。当驱动电极通过施加通过两个弹簧传递到负载的力沿一个运动轴移动负载时，连接到负载的另外两个弹簧将运动传递到其他不动的电极，反之亦然。这种机械耦合在mems致动中是不希望有的。

另一个mems静电致动器用于在微型相机中实现ois，并在美国专利us9578217b2中提出。致动器能够使图像传感器沿3-dof平面内运动，即沿x和y轴平移并绕z轴旋转以实现ois。该致动器不能提供沿光轴z的平移运动以实现自动对焦，这使其在紧凑型相机中得到了使用。因此，它的好处有限，因为它仅为相机提供部分功能(仅实现ois而不实现af)。

对这样的单个致动器的需求日益增长：该致动器能够提供大力并沿3个轴(x，y和z)完全解耦运动，从而使用该单个mems致动器能够自动对焦、光学图像稳定和超分辨率成像。

技术实现要素：

本发明公开了一种5自由度(5-dof)静电微致动器，其能够提供沿着x、y和z轴的平移运动以及围绕x轴和y轴的两个双轴倾斜运动。该致动器利用嵌套的mems结构，使得沿着每个轴的平移运动与沿着其他轴的运动完全解耦。

新颖的5自由度(5-dof)静电微致动器由3个相互嵌套的mems结构组成。这些结构被称为内部mems结构、中间mems结构和外部mems结构。内部mems结构沿x轴提供平面内平移运动，并保持负载台。内部mems结构刚性地附接到中间mems结构的转子，并且通过沟槽与中间mems结构的定子机械分离。因此，保持目标负载的内部mems结构被认为是必须由提供沿y轴平移运动的中间mems结构的转子移动的负载。类似地，中间mems结构刚性地附接到外部mems结构的转子，并且与外部mems结构的定子机械地分离。因此，内部mems结构和外部mems结构被认为是需要以3-dof运动(即沿z轴平移，以及绕x和y轴双轴倾斜)通过外部mems结构的转子进行移动的负载。

使用两个硅晶片(上部和下部)制造致动器。下部是绝缘体上硅(soi)，其具有绝缘层，可用于各种mems结构之间的电绝缘。上部结构是标准的硅晶片。在这些晶片的厚度内形成3个mems结构的不同部分。

内部mems结构由内部定子和内部转子组成。内部定子包括基座、电绝缘层、电连接层、固定梳状电极、固定梳状支撑柱以及将中间mems结构的转子与内部mems结构机械连接的结合框架。内部转子包括负载台、移动梳状电极，所述移动梳状电极彼此刚性地连接并且通过多个机械弹簧附接到内部定子。移动梳状电极与内部定子中的固定梳状电极沿x-y平面水平对齐。

内部转子的机械弹簧设计为沿平面内轴x柔顺/弹性，并沿其他运动轴(y和z)高刚度。当在内部mems结构中的固定和移动梳状电极上施加电压电势时，在电极之间会产生静电力，这会导致负载台和内部转子沿x轴平移。固定梳状电极可分为两个或多个固定梳状阵列，使得它们能够沿x轴双向平移。

中间mems结构由中间定子和中间转子组成。中间定子包括基座、电绝缘层、电连接层、固定梳状支撑柱，固定梳状电极以及将外部mems结构的转子与中间mems结构机械连接的结合框架。中间转子保持内部mems结构，并由相互刚性连接并通过多个机械弹簧连接到中间定子的移动梳状电极组成。中间转子的移动梳状电极与中间定子的固定梳状电极沿x-y平面水平对齐。

中间转子的机械弹簧设计为沿平面内轴y柔顺/有弹性，并沿其他运动轴(x和z)具有很高的刚度。当在中间mems结构中的固定和移动梳状电极上施加电压电势时，在电极之间会产生静电力，从而导致中间转子平移，该中间转子将整个内部mems结构保持在y轴上。中间定子中的固定梳状电极可分为两个或多个固定梳状阵列，使得它们能够沿y轴双向平移。

外部mems结构由外部定子和外部转子组成。外部定子包括基座、电绝缘层、电连接层、竖直突出的被称为活塞的支柱以及将外部定子机械连接到外部固定外围框架的结合框架。可以通过绝缘层将活塞电分为多个阵列，以提供沿z轴的平移运动和绕x和y轴的双轴倾斜。外部转子同时保持内部和中间mems结构，并由多个称为管的通孔组成，这些通孔与外部转子中的活塞竖直对齐，并通过多个机械弹簧连接到致动器的外部固定外围框架。

外部转子的机械弹簧设计为沿平面外轴(z)柔顺/弹性，并沿平面内轴(x和y)高刚度。当在外部定子中的所有活塞阵列和外部转子中的所有管上施加电压电势时，在活塞和管的壁之间会产生静电力，从而导致保持内部和中间mems结构的外部转子沿z轴平移。当仅将电压施加到单个活塞阵列上，从而导致这些活塞的壁与外部转子中的相应管之间的电压差时，会产生静电转矩，其会导致外部转子绕x轴或y轴倾斜。

本发明表现出许多优点，包括沿三个轴(x，y，z)的平移运动之间的完全解耦。运动轴之间的解耦是致动器的重要特征，当在紧凑型相机中实现自动对焦和光学图像稳定时，可以实现更好的性能。通过光学元件(透镜或图像传感器)沿光轴(z)的平移运动实现自动对焦，而通过光学元件沿x和y轴的平面内平移运动实现图像稳定。这种平移必须完全彼此解耦，以实现自动对焦和光学图像稳定方面的更好性能。

本发明的另一个优点是致动器结构的移动部件(转子)的高刚度。转子结合了梳状驱动器和使转子具有网状结构的管。每个移动梳的两端都受到支撑，这导致转子的刚度增加，可以抵抗高加速度的冲击。

本发明还利用一种电极构造，该电极构造使得致动器的紧凑尺寸内的大电容区域能够产生大的力。由于可将移动梳视为侧面带有齿的通孔，因此可将移动梳状驱动器或管的数量沿每个转子中的x-y平面增加，因此类似于外部转子结构中使用的管。这些孔可以很容易地在每个转子的x-y平面上增加。

附图说明

在下文中，将结合所提供的附图描述各实施方案，所述附图用于说明而非限制权利要求的范围，其中，相同的标号表示相同的元件，并且其中：

图1a示出了5-dofmems静电致动器的透视图。

图1b示出了5-dofmems静电致动器的俯视图，其示出了致动器的三个主要内部结构。

图1c示出了图1a示出的制造致动器的两个晶片的分解图。

图1d示出了图1a示出的致动器的三个mems结构的主要部分的分解图。

图1e示出了5-dofmems静电致动器的分解截面图，其示出了致动器的不同部分。

图2a示出了致动器的内部mems结构的分解图，其示出了内部转子和定子。

图2b示出了致动器的内部mems结构的截面图，其示出了内部转子和定子的各个部分。

图2c是示出当在内部mems结构中的梳状驱动电极之间施加电压时内部转子沿x轴的平移运动的顶视图。

图3a示出了致动器的中间mems结构的分解图，其示出了中间转子和定子。

图3b示出了致动器的中间mems结构的截面图，其示出了中间转子和定子的各个部分。

图3c是示出当在中间mems结构中的梳状驱动电极之间施加电压时，中间转子沿y轴的平移运动的顶视图。

图4a示出了致动器的外部mems结构的分解图，其示出了外部转子和定子。

图4b示出了致动器的外部mems结构的截面图，其示出了外部转子和定子的各个部分。

图4c是示出当在外部mems结构中的活塞和管之间施加电压时，外部转子沿z轴的平移运动的前后透视图。

图4d是示出当在外部mems结构中的活塞和管的单个阵列之间施加电压时，外部转子绕x轴的倾斜运动的前后透视图。

图4e是示出当在外部mems结构中的活塞和管的单个阵列之间施加电压时，外部转子围绕y轴的倾斜运动的前后透视图。

图5是5-dofmems静电致动器的透视图，其示出了由三个mems结构沿着x，y和z轴提供的三个平移运动。

图6是装载图像传感器的5-dofmems静电致动器的透视图。

图7是结合了本发明的5-dofmems静电致动器以实现af、ois和超分辨率成像的照相机模块的侧视图。

图8是结合了本发明的5-dofmems静电致动器和3-dofmems活塞-管静电致动器，以实现af、ois、超分辨率成像以及静态和动态倾斜功能校正的延长行程的照相机模块的侧视图。

具体实施方式

在图1a-1e中示出了本发明的5dofmems静电微致动器100。致动器主要由彼此嵌套的三个主mems结构组成，即内部mems结构200、中间mems结构300和外部mems结构400，请参见图1b。内部mems结构可承受负载并提供沿x轴的平面内平移运动。中间mems结构保持内部mems结构并提供沿y轴的平面内平移运动。外部mems结构保持中间和内部mems结构，并提供沿z轴的平面外平移运动，以及绕x和y轴的双轴倾斜。三个mems结构可以互换。在本发明的一个实施方案中，内部mems结构负责提供y轴运动或z轴运动，中间mems结构负责提供x轴运动或z轴运动，最后外部结构是负责x轴或y轴的运动。

通过结合两个硅晶片(下部110和上部120)来制造致动器。下部晶片最好是绝缘体上硅(soi)晶片，在其厚度范围内具有一氧化层，以提供致动器的各电极之间的电绝缘。顶部晶片是标准硅晶片。两个晶片形成致动器的各个部分，包括移动部分和固定部分。在本发明的其他实施方案中，可以使用任何其他金属或半导体材料来制造致动器。

内部mems结构200在图1d-e和图2a-c中示出。它包括内部定子230和内部转子220，参见图1d。图2b中所示的内部定子包括定子基部231、电绝缘层122、电连接层121、固定梳状电极223的阵列、固定梳状支撑柱232以及将内部mems结构与中间mems结构的转子机械连接的结合框架240。内部转子220包括负载台224、通孔225，通孔225具有从所述通孔的壁沿x-y平面突出的移动梳齿222。通孔的壁彼此刚性连接，并通过多个机械弹簧221连接到内部定子。内部转子中的移动梳齿与固定梳状电极在沿内部定子中的x-y平面沿x轴对齐。

固定梳状支撑柱用于将固定梳沿x-y平面与转子中的移动梳对齐，并为固定梳提供电气路径。可以将内部定子中的固定梳状电极的阵列分组为一个或多个电极子阵列，其中每组中的固定梳状电极通过硅连接层121的薄层电连接，并共同形成一个单子定子。电绝缘层122用于在各个子定子之间提供电绝缘。理想情况下，应将阵列分组为固定梳状电极的两个子阵列-两个子定子-以便沿平面内轴(x)进行双向平移运动。如果仅形成一个固定梳状电极阵列，则内部转子将沿x轴的正方向或负方向以单向运动移动。

当内部定子仅被分成两个子定子时，一个子定子中的固定梳齿将沿与另一子定子中的固定梳相反的方向延伸。这是为了使转子能够双向运动。

绝缘层可以是soi晶片厚度范围内的氧化物层，并且可以使用器件层的深反应离子刻蚀(drie)通过沟槽来实现不同硅区域之间的电绝缘，该沟槽将隔离定子层中的不同的硅区域。可以使用器件层的深反应离子刻蚀(drie)形成硅薄层，以使硅薄层留在soi晶片的氧化物层上方，并在固定梳状支撑柱之间电连接。内部子定子到外部电路的电气布线可以通过直接在可创建在固定梳的顶侧上的电焊盘上进行引线键合来完成。

内部转子结构具有很高的刚度，因为它包含通孔，移动指从这些孔的壁延伸。这样的孔/开口使转子结构良好地连接并且是刚性的，以吸收致动器可能遭受的任何冲击力。它还防止转子结构内的变形，使得静电力直接施加到放置在负载台上的任何负载上。保持内部转子的机械弹簧可以是任何设计-蟹腿形、蛇形、折叠式弹簧等-使得它们沿运动轴(在这种情况下为x)是柔顺的，而沿其他轴(y和z)是高度僵硬的。

当在内部转子(公共电极)和一个或多个内部子定子上施加电压信号时，活动梳和固定梳齿之间会产生静电力，在有源子定子的方向上推动内部转子。图2c示出了内部转子朝向有源子定子(在图中示出为在转子的左侧上)平移运动250。在运动期间，内部转子的梳齿和有源子定子的梳齿啮合251，同时内部转子的梳齿和无源子定子的梳齿脱开252。

内部mems结构通过内部结合框架240刚性连接到中间mems结构的中间转子，参见图3b，并通过沟槽341与中间mems结构的定子机械隔离。这种(内部mems结构与中间转子之间的)机械连接/附接以及(内部mems结构与中间定子之间的)机械隔离使内部mems结构和中间mems结构中的运动之间完全脱钩。这是因为内部mems结构(保持目标负载)被认为是刚性附接到中间转子上的负载。因此，内部mems结构内的任何运动都会受到中间转子的运动的影响，反之亦然。

在图1d-e和图3a-c中示出了中间mems结构300。它包括中间定子330和中间转子320，参见图3a。在图3b中清楚地示出的中间定子包括定子基座331、电绝缘层122、电连接层121、固定梳状电极323的阵列、固定梳状支撑柱332以及将内部mems结构机械连接到中间mems结构的转子的结合框架240。类似于内部转子设计，中间转子320包括多个通孔325，所述多个通孔325具有从所述通孔的壁沿x-y平面突出的移动梳齿322。通孔的壁形成一个主体(即，由同一晶片形成)，并通过多个机械弹簧321连接到中间定子。中间转子中的移动梳齿沿x-y平面与沿y轴的中间定子中的固定梳状电极对齐。

固定梳状支撑柱332用于将中间定子中的固定梳沿x-y平面与中间转子中的移动梳对齐，并向中间定子中的固定梳提供电路由。可以将中间定子中的固定梳状电极的阵列分组为一个或多个固定梳状电极的子阵列，其中每组中的固定梳状电极通过硅薄层-连接层121-电连接并共同形成单个子定子。电绝缘层122用于在各个子定子之间提供电绝缘。理想情况下，应将阵列分组为固定梳状电极的两个子阵列-两个子定子-以便沿平面内轴(y)进行双向平移运动。如果仅形成一列固定梳状电极(一个定子)，则中间转子将沿y轴的正方向或负方向单向运动。

当中间定子被分成两个子定子时，一个子定子中的固定梳齿将沿与另一子定子中的固定梳相反的方向延伸。这是为了实现中间转子的双向运动。

由于中间mems结构的转子的中部承受着整个内部mems结构以及施加在其上的负载，因此随着负载大小(目标负载与内部结构质量的结合)变大，将中间转子固定到外部mems结构的机械弹簧必须比沿运动轴的内部转子弹簧更硬。这是为了确保内部转子和中间转子都具有相似的动态性能。

与内部转子相似，中间转子结构具有较高的刚性，因为它包含通孔，并且移动指从这些孔的壁伸出。此类孔/开口使结构结实和坚固，以吸收致动器可能遭受的任何冲击力。它还防止转子结构内的变形，使得静电力直接施加到放置在负载台上的任何负载上。

当在整个中间转子(公共电极，因为三个转子都具有相同的极性)和中间子定子之一上施加电压信号时，在移动梳齿和固定梳齿之间会产生静电力，沿着有源中间子定子的方向推动中间转子。图3c示出了朝着已有源子定子(在图3c中示出在中间mems结构的上半部)平移运动350的中间转子。在运动期间，中间转子的梳齿和有源中间子定子的梳齿啮合351，同时中间转子的梳齿和无源子定子的梳齿脱离352。

外部mems结构400在图1d-e和图4a-c中示出。它包括外部定子430和外部转子420，参见图4a。在图4b中清楚地示出的外部定子包括定子基座431、电绝缘层122、电连接层121、沿z轴竖直突出的活塞阵列432和将外部mems结构与致动器的外部固定外围框架441机械连接的结合框架440。外部转子420包括沿轴线z形成并被称为管的多个通孔422。管的壁彼此刚性连接，并通过多个机械弹簧421附接到外部固定外围框架441。外部转子中的管沿z轴与外部定子中的活塞竖直对齐。

外部定子中的活塞可以被分组为一个或多个活塞子阵列，其中每个子阵列中的活塞通过薄层硅-连接层121电连接并共同形成单个子定子。电绝缘层122用于在各个子定子之间提供电绝缘。理想情况下，应将活塞阵列分组为固定梳状电极的四个子阵列-四个子定子-以实现围绕平面内轴(x和y)的双轴倾斜运动。

与内部转子和中间转子相似，外部转子结构具有很高的刚性，因为它包含通孔(管)，这些通孔(管)使结构坚固和刚性，以吸收致动器可能遭受的任何冲击力。它还防止转子结构内的变形，使得静电力直接施加到放置在转子上的任何负载。

中间mems结构又通过中间结合框架340刚性地附接到外部mems结构的外部转子，参见图4b，并且通过沟槽441与外部mems结构的定子机械隔离。这种(中间mems结构与外部mems结构的外部转子之间的)机械连接/附接以及(中间mems结构与外部定子之间的)机械隔离使得中间和外部mems结构中的运动之间能够完全脱钩。这是因为中间mems结构(保持内部mems结构和目标负载)被认为是刚性地附接到外部转子上的负载；因此内部和中间mems结构内的任何运动均不受外部转子的运动的影响，反之亦然。

当在所有/一些外部子定子和外部转子上施加电压时，在外部转子中的管的内壁与外部定子中的活塞的壁之间会产生静电力/转矩。该力或转矩以3-dof运动驱动外部转子(将整个中间和内部mems结构与目标负载保持在一起)，3-dof运动即沿z轴450平移(参见图4c)、绕x轴451倾斜(参见图4d)以及绕y轴452倾斜(参见图4e)。

结果，内部mems结构的负载台上的目标负载经历了由致动器提供的5-dof运动，参见图5：由内部mems结构提供的沿x轴的平移运动501，由中间mems结构提供的沿y轴的平移运动502和由外部mems结构提供的3个运动(沿z轴的平移503以及围绕平面内轴(x和y)的双轴倾斜)。

在本发明的一个实施方案中，使用5dofmems静电致动器在5-dof运动的相机模块内移动图像传感器600(参见图6)，以补偿用户的手抖(ois功能)，通过沿x和y轴平移图像传感器以及沿z轴移动以实现自动对焦来获得更清晰的图像。致动器的其他2个dof运动(围绕x和y轴的双轴倾斜)可用于校正由于相机组件的缺陷而导致的不希望的镜头倾斜或启用新的相机功能。使用粘合剂将图像传感器附接到内部mems结构的转子内的负载台。图像传感器可以直接引线键合到pcb板上，而无需经过mems致动器结构。图7示出了结合有5-dofmems静电致动器的照相机模块。照相机由外壳701、柔性/pcb板703、图像传感器600、5-dofmems致动器100和镜筒702组成。图像传感器600使用粘合剂附接到5-dofmems致动器100，然后使用背面的粘合剂将致动器连接到柔性/pcb板上。在另一个实施方案中，柔性/pcb板从mems的前侧附接到mems，以便于引线键合。外壳包含一个镜筒，该镜筒使用粘合剂固定在柔性/pcb板上。在这样的照相机中，镜筒可以是大型设计，并且镜头可以由诸如玻璃的重质材料制成。由于镜头无需为af和ois而移动，因此这是可能的，因此，光学元件的重量很轻。在本发明中，两个特征(af和ois)都可以通过图像传感器的运动实现，该图像传感器的重量较小。

摄像头模块内图像传感器的平面内平移也可以实现超分辨率成像，其中致动器将沿x和y轴的亚微米运动施加到图像传感器，以捕捉许多子像素/像素偏移的图像。然后将这些图像叠加以创建单个高分辨率图像。但是，由于难以控制相同的转子(内部和中间)同时实现两种功能(ois和超分辨率)，因此在ois系统运行时很难实现这种功能。因此，使用图像传感器的外部转子致动的图像传感器的双轴倾斜可用于实现超分辨率，因为图像传感器的倾斜会产生图像偏移。但是，由于传感器倾斜运动产生的图像偏移在整个图像上不均匀，因此这种方法不是实现超分辨率的理想方法。

图8示出了能够同时实现ois和超分辨率的照相机模块。该相机结合了本发明的5-dofmems静电致动器100、us10122924b2(其通过引用并入本文)中提出的3-dofmems活塞管致动器800、外壳701、柔性/pcb板703和镜筒702。5-dofmems致动器使图像传感器沿光轴z平移以实现af，并沿x和y轴平移图像传感器以实现ois，而3-dofmems活塞-管致动器(它由固定镜头的定子801和转子802组成)使镜筒围绕平面内轴(x和y)倾斜，以亚微米运动移动图像传感器平面上的图像，以实现超分辨率成像。在此相机系统中，使用两个不同的致动器即可实现ois和超分辨率成像的功能，这使得控制变得更加容易。

对于具有本领域普通技术的人来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可以以许多方式改变本发明。例如，可以在内部、中间和/或外部mems结构的位置之间改变。因此，所有三个mems结构都是可以互换的，其中一个结构可以移动到另一个结构的位置。

对于具有本领域普通技术的人来说，显而易见的是，当前的致动器发明可以用作mems传感器。代替施加电压以提供运动，本发明可以用于读取致动器电极的电容，以响应例如力、加速度、接触可通过电极电容变化测量的任何其他物理性质。

前述内容仅被认为是本发明原理的示例。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和改变，因此不希望将本发明限制于所示出和描述的确切构造和操作，因此，可以采用落在本发明的范围内的所有合适的修改和等同方式。

关于以上描述，应当认识到，本发明的部件在尺寸、形状、形式、材料、功能和操作方式、组装和使用方面的最佳关系被认为对于本领域技术人员是显而易见的，与附图中示出的和说明书中描述的那些关系的所有等效关系旨在被本发明所涵盖。