微机电系统致动器和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微机电系统致动器，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、根据本公开，本文中提供了微机电系统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，一种微机电系统致动器包括：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；微机电系统致动器进一步包括，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，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，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，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。

4、根据本公开的第一方面，提供了一种微机电系统致动器，包括：衬底；第一半导体层，在衬底的顶部上延伸；第二半导体层，在第一半导体层的顶部上延伸；框架，包括多个横向区域，多个横向区域由第二半导体层形成，多个横向区域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，可变形结构由第一半导体层和第二半导体层中的至少一个导体层形成并且将框架机械地耦合到衬底，使得框架能够相对于衬底平行于第二方向移动；微机电系统致动器针对每个横向区域进一步包括：多个对应的前转子区域，多个对应的前转子区域由第一半导体层形成，多个对应的前转子区域被固定到横向区域，以便沿横向区域侧向偏移并且悬置在衬底上方，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，至少一个相应的第一定子单元至少包括一个第一定子区域和一个第二定子区域，一个第一定子区域和一个第二定子区域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被侧向偏移，以便部分地面对；并且其中第一定子区域和第二定子区域进一步被布置，使得当框架处于静止位置中时，横向区域相对于第一定子区域和第二定子区域侧向偏移，并且对应的前转子区域中的至少一个第一前转子区域至少部分地面对第一定子区域，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第二方向的平移期间，当横向区域开始重叠在第一定子区域上时，以下中的至少一项至少部分地面对第二定子区域：对应的前转子区域中的第一前转子区域和第二前转子区域。

5、在一些实施例中，微机电系统致动器进一步包括：第一定子电极和第二定子电极，第一定子电极和第二定子电极分别被电耦合到第一定子区域和第二定子区域；以及转子电极，转子电极被电耦合到第一前转子区域和第二前转子区域。

6、在一些实施例中，微机电系统致动器能够被电子地控制成：当框架处于静止位置时，在第一定子区域与对应的前转子区域之间施加电压，以便向第一前转子区域施加第一静电力，第一静电力沿第二方向拖拽框架；以及在横向区域开始重叠在第一定子区域上之前，取消第一定子区域与对应的前转子区域之间的电压并且在第二定子区域与对应的前转子区域之间施加电压，以便向以下中的至少一项施加第二静电力：第一前转子区域和第二前转子区域，第二静电力沿第二方向拖拽框架。

7、在一些实施例中，第一定子单元包括一对第一定子区域，一对第一定子区域相对于第二定子区域彼此对称；并且其中第一前转子区域和第二前转子区域被布置，使得在框架沿第二方向的平移期间，第一前转子区域部分地在第二定子区域与一对第一定子区域中的定子区域之间移动，并且第二前转子区域部分地在第二定子区域与一对第一定子区域中的另一定子区域之间移动。

8、在一些实施例中，第一定子单元进一步包括一对第三定子区域，一对第三定子区域由第一半导体层形成，一对第三定子区域被固定到衬底并且平行于第二方向分别与一对第一定子区域对准，第三定子区域进一步沿第二方向被布置在第二定子区域的下游并且相对于第二定子区域彼此对称，第三定子区域部分地面对第二定子区域，使得在框架沿第二方向的平移期间，当横向区域开始重叠在第二定子区域上时，第一前转子区域和第二前转子区域中的每个前转子区域至少部分地面对一对第三定子区域中的相应的定子区域。

9、在一些实施例中，第一定子单元包括：一对第一定子区域，一对第一定子区域相对于平行于第二方向的对应方向对称并且被配置为被偏置到相同电压；一对第二定子区域，一对第二定子区域相对于平行于第二方向的对应方向对称并且被配置为被偏置到相同电压，一对第二定子区域相对于一对第一定子区域沿第一方向和第二方向侧向偏移；并且其中一对第一定子区域和一对第二定子区域被布置，使得在框架从静止位置沿第二方向的平移期间，第一前转子区域部分地在第一定子区域之间移动并且第二前转子区域部分地在第二定子区域之间移动。

10、在一些实施例中，一对第一定子区域和一对第二定子区域被布置，使得在框架沿第二方向的平移期间，对应的前转子区域的第三前转子区域部分地在一对第一定子区域与一对第二定子区域之间移动。

11、在一些实施例中，第一定子单元进一步包括一对第三定子区域，一对第三定子区域由第一半导体层形成，一对第三定子区域被固定到衬底，一对第三定子区域相对于平行于第二方向的对应方向对称，并且被配置为偏置到相同电压，第三定子区域进一步平行于第二方向分别与第一定子区域对准，一对第三定子区域进一步沿第二方向被布置在一对第二定子区域的下游，使得第三定子区域中的一个第三定子区域部分地面对第二定子区域中的一个第二定子区域，一对第三定子区域进一步被布置，使得在框架沿第二方向的平移期间，当横向区域开始重叠在第二定子区域上时，第一前转子区域至少部分地被插入在第三定子区域之间。

12、在一些实施例中，微机电系统致动器针对每个横向区域包括至少一个第二定子单元，至少一个第二定子单元沿第一方向相对于对应的第一定子单元偏移并且相对于对应的第一定子单元对称。

13、在一些实施例中，微机电系统致动器针对每个横向区域进一步包括：多个对应的后转子区域，多个对应的后转子区域由第一半导体层形成，多个对应的后转子区域被固定到横向区域，多个对应的后转子区域相对于对应的前转子区域对称并且相对于横向区域在与第二方向相反的方向上突出；并且其中，当框架处于静止位置中时，第一横向区域的前转子区域和第二横向区域的后转子区域相对于第一横向区域的第一定子单元对称。

14、在一些实施例中，前转子区域彼此等同。

15、在一些实施例中，可变形结构平行于第二方向是顺应性的。

16、在一些实施例中，前转子区域与相应的横向区域电接触。

17、根据本公开的第一方面，提供了一种微机电系统致动器，包括：衬底；悬置在衬底之上的内部框架，内部框架包括：框架部分，包括：第一部分；第二部分，与第一部分相对；以及第三部分，横向于第一部分和第二部分并且从第一部分延伸到第二部分；横向区域，从第一部分延伸到第二部分，横向区域与框架的第三部分和耦合区域被间隔开，横向区域包括：桥接区域，从第一部分延伸到第二部分；以及第一转子区域，第一转子区域在朝向衬底的第一方向和朝向第三部分的第二方向上从桥接区域突出，第一方向横向于第二方向；以及第二转子区域，第二转子区域在朝向衬底的第一方向上并且在朝向第三部分的第二方向上从桥接区域突出，第二转子区域从第一转子区域偏移并且与第一转子区域被间隔开。

18、在一些实施例中，内部框架进一步包括从第三部分向外延伸并且远离框架部分的第一部分和第二部分的耦合区域。

19、在一些实施例中，微机电系统致动器进一步包括：耦合到衬底的锚固件；第一弹簧，第一弹簧被耦合到锚固件并且被耦合到外部框架；以及第二弹簧，第二弹簧被耦合到内部框架的耦合区域并且被耦合到外部框架。

20、在一些实施例中，微机电系统致动器进一步包括：从衬底突出的第一定子区域，第一定子区域在第一转子区域与第二转子区域之间，并且第一定子区域从第一转子区域和第二转子区域偏移；从衬底突出的第二定子区域，第二定子区域在第一转子区域与第二转子区域之间，第二定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第一定子区域；以及从衬底突出的第三定子区域，第三定子区域在第一转子区域与第二转子区域之间，第三定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第二定子区域，并且第三定子区域与第一定子区域对准。

21、在一些实施例中，第二定子区域在第二方向上在第一定子区域的下游；以及第三定子区域在第二方向上在第一定子区域和第二定子区域的下游。

22、在一些实施例中，微机电系统致动器进一步包括：从衬底突出的第一定子区域，并且第一定子区域从第一转子区域和第二转子区域偏移；从衬底突出的第二定子区域，第二定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第一定子区域，第二定子区域在第二方向上在第一定子区域的下游；以及从衬底突出的第三定子区域，第三定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第二定子区域，第三定子区域与第一定子区域对准，并且第三定子区域在第二方向上在第一定子区域和第二定子区域的下游。

23、在一些实施例中，提供了一种电子系统，包括：微机电系统致动器，包括：衬底；多个定子区域，从衬底突出；悬置在衬底之上的内部框架，内部框架包括：框架部分，包括：第一部分；第二部分，与第一部分相对；以及第三部分，横向于第一部分和第二部分并且从第一部分延伸到第二部分；横向区域，横向区域从第一部分延伸到第二部分，横向区域与框架的第三部分和耦合区域间隔开，横向区域包括：桥接区域，从第一部分延伸到第二部分；以及第一转子区域，在朝向衬底的第一方向和朝向第三部分的第二方向上从桥接区域突出，第一方向横向于第二方向；以及第二转子区域，在朝向衬底的第一方向和朝向第三部分的第二方向上从桥接区域突出，第二转子区域从第一转子区域偏移并且与第一转子区域间隔开；电子控制设备，耦合到微机电系统致动器，电子控制设备被配置为在操作中偏置多个定子区域，从而将内部框架从静止位置朝向平移位置平移。

24、在一些实施例中，多个定子区域包括：第一定子区域，第一定子区域从第一转子区域和第二转子区域偏移；第二定子区域，第二定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第一定子区域，第二定子区域在第二方向上在第一定子区域的下游；以及第三定子区域，第三定子区域偏移第一转子区域、第二转子区域以及第二定子区域，第三定子区域与第一定子区域对准，并且第三定子区域在第二方向上在第一定子区域和第二定子区域的下游。

25、由此，提供了改进的微机电系统致动器。