对拉入有弹性的长冲程MEMS致动器和包括致动器的电子系统的制作方法

本公开涉及对拉入有弹性的长冲程mems致动器以及包括该长冲程mems致动器的电子系统。

背景技术：

1、众所周知，现在微机电(mems)致动器是可用的。例如，图1a示出了由mems致动器1实现的致动图。

2、详细地，mems致动器1包括与mems致动器1的衬底(未示出)集成的定子区域2，以及形成所谓的梭4和转子致动区域6的转子区域3。梭4和转子致动区域6形成单件。

3、转子区域被3悬置在空腔9中。具体地，mems致动器1包括与衬底集成的一对支柱10；转子区域3通过两对用作弹簧的弯曲梁11机械地耦合到支柱10。特别地，第一对弯曲梁11在梭4的第一侧和两个支柱10中的一个支柱之间延伸，而第二对弯曲梁11在梭4的第二侧和另一个支柱11之间延伸，相对于第一对弯曲梁11对称。

4、定子区域2形成多个第一长形元件13，其彼此等同并且沿正交xyz参考系的y轴具有细长形状，这些第一长形元件13沿x轴侧向偏移。转子致动区域6形成多个第二长形元件15，这些第二长形元件彼此等同并且沿y轴线具有长形形状并且沿x轴线侧向地偏移，以便相对于第一长形元件13相互交叉。特别地，在静止状态下，第一长形元件和第二长形元件13、15在侧视图中部分重叠。

5、实际上，第一长形元件和第二长形元件13、15形成可变电容器的极板。此外，通过在定子区域2和转子区域3之间应用电压，沿y轴生成静电力，该静电力倾向于沿y轴朝向定子区域2平移转子区域3(因此，该静电力是正的，给定图1a中所示的xyz参考系统的取向)，从而增加了第一长形元件和第二长形元件13、15之间在侧视图中的重叠的程度，如图1b中所示。弯曲梁11允许沿转子区域3的y轴平移，并且因此允许沿梭4的y轴平移，弯曲梁11沿y轴是顺应性的，沿x轴和沿z轴是刚性的。

6、此外，当转子区域3移动离开其处于静止状态的位置时，转子区域3受到沿y的弹性回复力(由图2中所示的弹性常数ktravel指示)，该弹性回复力是由于弯曲梁11沿y轴的刚度而产生的，并且具有与上述沿y轴的静电力相反的方向。

7、实际上，关于转子区域3沿y轴的移动，当存在于定子区域2和转子区域3之间的电压的模数增加时，转子区域3相对于静止位置的平移程度发生增加，静止位置是当零电压存在于定子区域2和转子区域3之间时由转子区域3呈现的位置。换言之，随着定子区域2和转子区域3之间存在的电压的模量增加，转子区域3的冲程增加，因此梭4的冲程增加。

8、此外，当在定子区域2和转子区域3之间存在电压时，转子区域3受到沿x轴的静电力，随着转子区域2和转子区域3之间的电压增加，这导致沿x轴的刚度减小，该减小是由于具有负值的静电常数kelectical，并且其模量随着在定子区域2和转子区域3之间存在的电压增加而增加。

9、此外，转子区域3受到沿y的弹性回复力(由图2中所示的弹性常数kbearing指示，其中为了简化表示，转子区域3的形状与图1a－1b中所示的不完全一致)，这是由于弯曲梁11沿x轴的刚度。如果静电常数kelectrical的模量超过弹性常数kbearing的模量，则发生所谓的拉入现象，即，转子区域3变得不稳定并且倾向于以不受控制的(和不期望的)方式沿x轴平移，直到其接触定子区域2。

10、实际上，由于静电常数kelectrical随定子区域2和转子区域3之间的电压增加而增加，所以该电压不能随意增加以增加mems致动器的冲程。事实上，避免不期望的拉入现象的需要限制了通过增加定子区域2和转子区域3之间的电压来增加冲程的可能性；换言之，存在被称为拉入电压的限制，其不能被超过。

11、为了部分地克服这个问题，已经提出了多种解决方案，这些解决方案寻求增加沿转子区域与衬底之间的耦合的x轴线的刚度，而不增加沿y轴线的刚度，但这需要增加大小。其它解决方案提供了增加第一长形元件和第二长形元件13、15之间的横向距离，以便在定子区域2和转子区域3之间应用相同电压的情况下减小静电常数kelectrical，然而这些解决方案也需要增加大小。

12、us 6,785,086公开了一种用于相对于轨道移动换能头的滑块，该滑块包括转子部分，该转子部分承载换能头并且通过弹簧被连接到定子部分。定子部包括多个定子电极；转子部分包括被悬置在定子电极之间的多个转子电极。通过在定子电极和转子电极之间应用电压，可以生成沿横向方向和垂直方向的力，以相对于定子部分移动转子部分。

13、论文“a 3-dof mems electrostatic piston-tube actuator”，journal ofmicroelectromechanical systems,vol.24,no.4,1august 2015,pp.1173-1184公开了mems致动器的另一示例，其包括三个自由度。

技术实现思路

1、本公开提供并且公开了一种mems致动器，其至少部分地克服了如本文前面所讨论的现有技术的缺点。

2、根据本发明，本文中提供了mems致动器和控制方法的至少一些实施例。

3、例如，在本公开的至少一个实施例中，一种mems致动器包括：衬底；在衬底的顶部上延伸的第一半导体层；在第一半导体层的顶部上延伸的第二半导体层；包括多个横向区域的框架，横向区域由第二半导体层形成，平行于第一方向伸长并且沿第二方向偏移；以及可变形结构，其由第一半导体层和第二半导体层中的至少一个形成并且将框架机械地耦合到衬底，使得框架可平行于第二方向相对于衬底移动；所述mems致动器进一步包括，针对每个横向区域：由第一半导体层形成的多个对应的前转子区域被固定到横向区域，以沿横向区域侧向偏移并且悬置在衬底上方，所述前转子区域相对于横向区域平行于第二方向突出；至少一个相应的第一定子单元包括至少一个第一定子区域和一个第二定子区域，其由第一半导体层形成并且被固定到衬底，使得沿第二方向，第二定子区域被布置在第一定子区域的下游，第一定子区域和第二定子区域沿第一方向进一步侧向偏移，以便部分地面对；并且其中所述第一定子区域和第二定子区域进一步被布置，使得当框架处于一个静止位置时，横向区域相对于该第一定子区域和第二定子区域侧向地偏移，并且所述对应的前转子区域的至少一个第一前转子区域至少部分地面对该第一定子区域，所述第一定子区域和第二定子区域进一步被布置，使得在框架从静止位置沿该第二方向的平移期间，当该横向区域开始重叠在该第一定子区域上时，所述对应的前转子区域的第一前转子区域和/或第二前转子区域至少部分地面对该第二定子区域。

技术特征：

1.一种mems致动器，包括：

2.根据权利要求1所述的mems致动器，进一步包括：

3.根据权利要求1所述的mems致动器，所述mems致动器能够被电子地控制成：

4.根据权利要求1所述的mems致动器，其中

5.根据权利要求4所述的mems致动器，其中所述第一定子单元进一步包括一对第三定子区域，所述一对第三定子区域由所述第一半导体层形成，所述一对第三定子区域被固定到所述衬底并且平行于所述第二方向分别与所述一对第一定子区域对准，所述第三定子区域进一步沿所述第二方向被布置在所述第二定子区域的下游并且相对于所述第二定子区域彼此对称，所述第三定子区域部分地面对所述第二定子区域，使得在所述框架沿所述第二方向的所述平移期间，当所述横向区域开始重叠在所述第二定子区域上时，所述第一前转子区域和所述第二前转子区域中的每个前转子区域至少部分地面对所述一对第三定子区域中的相应的定子区域。

6.根据权利要求1所述的mems致动器，其中所述第一定子单元包括：

7.根据权利要求6所述的mems致动器，其中所述一对第一定子区域和所述一对第二定子区域被布置，使得在所述框架沿所述第二方向的所述平移期间，所述对应的前转子区域的第三前转子区域部分地在所述一对第一定子区域与所述一对第二定子区域之间移动。

8.根据权利要求6所述的mems致动器，其中所述第一定子单元进一步包括一对第三定子区域，所述一对第三定子区域由所述第一半导体层形成，所述一对第三定子区域被固定到所述衬底，所述一对第三定子区域相对于平行于所述第二方向的对应方向对称，并且被配置为偏置到相同电压，所述第三定子区域进一步平行于所述第二方向分别与所述第一定子区域对准，所述一对第三定子区域进一步沿所述第二方向被布置在所述一对第二定子区域的下游，使得所述第三定子区域中的一个第三定子区域部分地面对所述第二定子区域中的一个第二定子区域，所述一对第三定子区域进一步被布置，使得在所述框架沿所述第二方向的所述平移期间，当所述横向区域开始重叠在所述第二定子区域上时，所述第一前转子区域至少部分地被插入在所述第三定子区域之间。

9.根据权利要求6所述的mems致动器，所述mems致动器针对每个横向区域包括至少一个第二定子单元，所述至少一个第二定子单元沿所述第一方向相对于所述对应的第一定子单元偏移并且相对于所述对应的第一定子单元对称。

10.根据权利要求1所述的mems致动器，针对每个横向区域进一步包括：

11.根据权利要求3所述的mems致动器，其中所述前转子区域彼此等同。

12.根据权利要求3所述的mems致动器，其中所述可变形结构平行于所述第二方向是顺应性的。

13.根据权利要求3所述的mems致动器，其中所述前转子区域与相应的所述横向区域电接触。

14.一种mems致动器，包括：

15.根据权利要求14所述的mems致动器，其中所述内部框架进一步包括从所述第三部分向外延伸并且远离所述框架部分的所述第一部分和所述第二部分的耦合区域。

16.根据权利要求15所述的mems致动器，进一步包括：

17.根据权利要求14所述的mems致动器，进一步包括：

18.根据权利要求17所述的mems致动器，其中：

19.根据权利要求14所述的mems致动器，进一步包括：

20.一种系统，包括：

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述多个定子区域包括：

技术总结本公开涉及对拉入有弹性的长冲程MEMS致动器和包括致动器的电子系统。MEMS致动器，包括：衬底；第一半导体层和第二半导体层；框架，其包括由第二半导体层形成的横向区域，平行于第一方向伸长并且沿第二方向偏移，框架可平行于第二方向移动。MEMS致动器包括，针对每个横向区域：对应的前转子区域，其被固定到横向区域并且被悬置在衬底上方；第一定子区域和第二定子区域，其由第一半导体层形成，使得当框架处于静止位置时，横向区域相对于第一定子区域和第二定子区域侧向偏移，并且第一前转子区域部分地面对第一定子区域，并且使得在框架沿第二方向平移期间，当横向区域开始叠加在第一定子区域上时，第一前转子区域和/或第二前转子区域至少部分地面对第二定子区域。技术研发人员：A·奥普雷尼,V·泽加,A·弗兰吉,G·加特瑞,M·里亚尼受保护的技术使用者：意法半导体股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/14