压电型微机电致动器装置和集成微机电致动器装置的设备
1.本技术是申请日为2018年11月27日、申请号为201811430201.x、发明名称为“压电型微机电致动器装置和集成微机电致动器装置的设备”的申请的分案申请。
技术领域
2.本文描述的技术涉及基于压电技术的致动器装置以及包括致动器装置的设备，特别是扬声器。具体地，在下文中将参考通过mems(微机电系统)技术实现的致动器。
背景技术：
3.已知的微机械致动器具有膜结构，其利用半导体材料技术制造。设置有一个或多个压电元件的膜通过适当控制压电元件而在驱动方向上偏转。根据使用它的应用，膜的机械变形具有特定的用途。例如，在流体应用中，膜可以形成微泵或打印头(printhead)的一部分，并且其偏转可以用于引起大量流体的移位。
4.微机械致动器的其他应用包括例如声学应用。压电致动的膜例如用于集成在便携式设备中的小型化扬声器，例如便携式计算机、膝上型计算机、笔记本电脑(包括超薄笔记本电脑)、pda、平板电脑和智能电话。
5.由于尺寸小，所述装置使得可以在面积和厚度方面遵守关于占用空间的严格要求。
6.已经发现，通常，已知类型的致动器的膜在垂直于膜本身的平面的方向上具有几百微米(500-2000μm)的偏转(面外偏转)。这种性能可以通过增加膜的面积来获得，代价是占用空间。
7.本领域需要提供一种具有压电致动的微机电装置，其将克服现有技术的缺点。
技术实现要素：
8.在一个实施例中，微机电致动器装置包括固定结构和移动结构。移动结构被配置为沿着驱动方向移动并且包括第一可变形带、第二可变形带和第三可变形带，其在第一操作状态下位于静止平面中并且具有沿着与所述驱动方向正交的第一方向的相应主延伸部。第一可变形带被布置在第二和第三可变形带之间，并且通过相应的第一和第二贯穿沟槽而沿着第一方向与第二和第三可变形带机械地去耦。
9.第一、第二和第三可变形带均具有相应的端部并在其端部处连接在一起。
10.第二可变形带通过第一支撑元件进一步耦合到固定结构，并且第三可变形带通过第二支撑元件固定到固定结构，至少在第一操作状态，第一和第二支撑元件沿着与第一方向正交对称的相同的第一对称轴彼此对准。
11.第一，第二和第三可变形带分别容纳第一、第二和第三压电体。
12.第二和第三可变形带以及相应的第二和第三压电体相对于彼此布置并且被配置成使得在第二和第三压电体被工作电压偏置的第二操作状态下，第二和第三可变形带经历负弯曲，该负弯曲引起所述端部的平移以及第一可变形带的在所述驱动方向上的平移。
13.第一可变形带和相应的第一压电体相对于彼此布置并且被配置为使得在第一压电体被偏置在工作电压时，第一可变形带经历正弯曲，该正弯曲引起第一可变形带的至少一部分的在驱动方向上的另一平移，其在第一可变形带的所述端部之间延伸。
附图说明
14.为了更好地理解，现在参考附图纯粹通过非限制性示例描述实施例，其中：
15.图1以俯视图示出了根据本发明的一个方面的mems致动器；
16.图2以俯视图示出了根据本发明的另一方面的图1的mems致动器；
17.图3以横向剖视图示出了图2的mems致动器；
18.图4a和图4b以更高的细节程度示出了图3的mems致动器的部分；
19.图5a以透视图示出了根据本发明的mems致动器；
20.图5b示出了图5a的mems致动器的放大细节；
21.图6示出了根据本公开的另一实施例的mems致动器；
22.图7示出了根据本发明的另一实施例的mems致动器；以及
23.图8示出了根据本公开实施例的包括mems致动器的装置。
具体实施方式
24.图1示出了三轴参考系统中的微机电类型的致动器1的一部分，其具有相互正交的轴x、y、z。具体地，图1以俯视图示出了根据一个实施例的平面xy中的致动器1。
25.致动器1设置有可变形结构2，该可变形结构2被设计成在轴线z的方向上弯曲并且与平面xy正交。可变形结构2由固定类型的框架4支撑，框架4完全包围可变形结构2。在未示出的不同实施例中，框架4可仅部分地围绕可变形结构2。
26.如在图3中可以看到的，在下文更全面地描述，可变形结构2悬挂在腔6上，例如通过使用微机械加工技术蚀刻到衬底8中而获得。在该实施例中，可变形结构2在衬底8的前侧8a上延伸。
27.衬底8是单片块还是由彼此叠置的多个区域或层(例如，外延生长的层)形成无关紧要。衬底8可以包括一种或多种半导体和/或绝缘材料。框架4可以集成在衬底8中，或者也可以由衬底8自身形成。
28.框架4通过第一支撑元件或约束件12和第二支撑元件或约束件14机械地耦合到可变形结构2，第一支撑元件或约束件14具有彼此基本相同的形状和尺寸并且在平行于轴x的方向上彼此对准。在一个实施例中，第一支撑元件12和第二支撑元件14都处于静止状态和操作状态(后者在下文中更全面地示出)，其位于平行于平面xy的相同平面中。
29.第一和第二支撑元件12、14例如形成为框架4的局部延长部分。
30.举例来说，框架4具有四边形形状，沿轴线x的延伸部大约为2mm，并且沿轴线y的延伸部大约为2mm。作为示例，第一和第二支撑元件12、14具有四边形形状，沿轴线x的延伸部大约为20μm，并且沿轴线y的延伸部大约为85μm。
31.第一和第二支撑元件12、14沿轴线z的厚度约为4μm。
32.在一个实施例中，框架4包括，例如，在衬底8的正面8a上沉积或生长的(单晶或多晶)硅层；显然，除了硅之外或代替硅，可以使用其他材料。
33.根据一个实施例，在衬底8的正面8a上沉积或生长的上述(单晶或多晶)硅层同样形成限定可变形结构2的形状的基底支撑层2’(参见，例如，图3)。
34.沿着轴z测量的基底支撑层2’的厚度例如在0.5μm和20μm之间。
35.在一个实施例中，框架4、第一和第二支撑元件12、14以及可变形结构2由单件制成，并且在静止状态下，位于同一平面(这里是平面xy)中。
36.可变形结构2和支撑框架4可以使用半导体加工技术，例如蚀刻、生长、沉积和/或选择性去除，从半导体材料的晶片(例如硅)开始获得。
37.可变形结构2在此具有四边形形状，特别是矩形，沿轴线y具有主侧面ly，沿轴线x具有副侧面l
x
。例如，主侧面ly为2.5mm，副侧面l
x
为2mm。
38.可变形结构2相对于对称轴a进一步对称，平行于轴线x并且穿过限定可变形结构2的外边缘的边ly和l
x
的矩形的几何中心o，并且相对于对称轴线b，平行于轴线y并穿过几何中心o。第一和第二支撑元件12、14沿对称轴线a相对于彼此对齐并且相对于对称轴线a对称；它们进一步相对于对称轴线b彼此对称。
39.可变形结构2包括第一功能子结构18、第二功能子结构20和第三功能子结构22。第一、第二和第三功能子结构18、20和22还具有四边形，具体是矩形。第一、第二和第三功能子结构18、20和22具有相应的外边缘，该外边缘限定相应的相互同心的矩形，即具有相同几何中心的矩形，对应于如上所述的边ly和l
x
的矩形的几何中心o。
40.第一、第二和第三功能子结构18、20和22通过耦合或约束元件23、24和26、27机械地耦合在一起。耦合元件23和24将第一功能子结构18耦合到第二功能子结构20相对于对称轴线b对称地延伸，并且沿着第一对称轴线a(沿着轴x)对准。耦合元件23和24同样沿轴线a对准第一和第二支撑元件12和14。耦合元件26和27将第二功能子结构20约束到第三功能子结构22并延伸，相对于对称轴线b彼此对称，并且沿着第一对称轴线a对准到第一和第二支撑元件12、14以及耦合元件23和24。
41.换句话说，框架4和第一、第二和第三功能子结构18、20和22相互共面并且在静止状态下位于平面xy中，并且延伸使得：框架4在平面xy中完全围绕第一功能子结构18；第一功能子结构18在平面xy中完全围绕第二功能子结构20；第二功能子结构20在平面xy中完全围绕第三功能子结构22。第一、第二和第三功能子结构18、20和22通过第一和第二支撑元件12、14以及耦合元件23、24、26和27保持在腔6上方的位置。
42.还可以注意到，框架4通过第一贯穿沟槽30与第一功能子结构18分离，第一贯穿沟槽30沿着轴线z在整个可变形结构2的厚度上延伸，并且在平面xy中在框架4和第一功能子结构18之间延伸，除了由第一和第二支撑元件12、14提供的约束区域之外。
43.第二功能子结构20通过第二贯穿沟槽32与第一功能子结构18分离，第二贯穿沟槽32在第一和第二功能子结构18、20之间延伸，除了由耦合元件23、24提供的约束区域之外。
44.第三功能子结构22通过第三贯穿沟槽34与第二功能子结构20分离，第三贯穿沟槽34在第二和第三功能子结构20、22之间延伸，除了由耦合元件26、27提供的约束区域之外。
45.详细地，第一、第二和第三功能子结构18、20和22均包括多个致动臂，分别由附图标记18a、18b；20a、20b；和22a表示。致动臂相互平行并且具有沿轴线y的主延伸部的方向。此外，致动臂18a相对于对称轴线b对称于致动臂18b；致动臂20a相对于对称轴b对称于致动臂20b；最后，致动臂22a沿对称轴线b延伸并且包括可变形结构2的几何中心o。相对于对称
轴线b观察，致动臂22a也是对称的。
46.第一、第二和第三功能子结构18、20和22中的每一个还包括多个连接臂，分别由附图标记18a’、18b’；20a’、20b’所示，它们分别在横向于连接臂18a、18b和20a’、20b’的方向上延伸。连接臂18a’、18b’、20a’、20b’相互平行并且具有沿轴线x的主延伸方向。在致动臂18a、18b的相对端部处，连接臂18a’和18b’机械地耦合到致动臂18a、18b。换句话说，连接臂18a’将致动臂18a的一端机械地连接到致动臂18b的相应端部，而连接臂18b’将致动臂18a的另一端机械地连接到致动臂18b的另一相应端部。
47.连接臂20a’和20b’以类似于先前所述的方式机械地耦合到致动臂20a、20b，即，在致动臂20a、20b的相对端处。
48.当连接臂18a’和20a’相对于对称轴线a被考虑时，连接臂18a’和20a’分别与连接臂18b’、20b’对称。
49.显然，在一个实施例中，连接臂作为致动臂的端部的延长部分延伸，它们连接在一起而没有任何不连续性(即，没有连续性断裂)；例如，它们形成在共同的材料层中并且通过至少部分共同的制造步骤形成。
50.根据另一方面，致动臂18a具有贯穿沟槽36，贯穿沟槽36在致动臂18a的整个厚度上沿轴线z延伸，并且具有平行于轴线y的主延伸部的方向；贯穿沟槽36将臂18a分成两个子部分38a、38b，部分地将它们分开。实际上，子部分38a、38b设计成在使用中沿轴线z的方向弯曲，但是具有彼此相反的取向(例如，子部分38a可以沿着轴线z的负方向弯曲，并且同时子部分38b可以在轴线z的正方向上弯曲)。
51.致动臂18b类似于致动臂18a，并且具有沿着轴线z在致动臂18b的整个厚度上延伸的相应的贯穿沟槽37，以及具有平行于轴线y的方向的主延伸部的方向；贯穿沟槽37将致动臂18b分成两个子部分39a、39b，使它们部分地去耦，使得它们能够在z方向上以相反的定向彼此独立地弯曲(例如，子部分39a可以沿着轴线z的负方向弯曲，并且同时子部分39b可以在轴线z的正方向上弯曲)。
52.如上所述，致动臂20a具有沿着轴线z在致动臂20a的整个厚度上延伸的贯穿沟槽42，并且具有平行于轴线y的方向的主延伸部的方向；贯穿沟槽42将致动臂20a分成两个子部分40a、40b，这两个子部分被设计成在z方向上以相反定向彼此独立地弯曲(例如，子部分40a可以在轴线z的负方向上弯曲，并且同时子部分40b可以在轴线z的正方向上弯曲)。
53.臂20b类似于致动臂20a，并且具有沿着轴线z在致动臂20b的整个厚度上延伸的相应的贯通沟槽43，以及具有平行于轴线y的方向的主延伸部的方向；贯穿沟槽43将臂20b分成两个子部分41a、41b，这两个子部分41a、41b被设计成在z方向上以相反定向彼此独立地弯曲(例如，子部分41a可以在轴线z的负方向上弯曲，并且同时子部分41b可以在轴线z的正方向上弯曲)。
54.致动臂22具有沿着轴线z在致动臂22的整个厚度上延伸的两个贯通沟槽45、46，以及具有平行于轴线y的方向的主延伸部的方向；贯穿沟槽45、46相对于对称轴线b彼此对称，并且将致动臂22分成三个子部分47a、47b、47c，将它们部分地去耦并使它们能够在z方向上以相反定向彼此独立地弯曲(例如，子部分47a和47b可以在轴线z的负方向上弯曲，并且同时子部分47c可以在轴线z的正方向上弯曲)。
55.如图2所示，每个子部分38a、38b、39a、39b、40a、40b、41a、41b、47a-47c承载压电材
料的相应致动带50a-50k(在下文中，也称为作为“压电带”)。
56.图3以平面xz的横向剖视图示出了图2的致动器1，沿着图2的剖面iii-iii的线截取。
57.如图4a和图4b所示，在一个实施例中，每个压电带50a-50k均包括由第一电极51(例如，由pt制成)形成的堆叠、压电材料层52(例如，由pzt制成)和第二电极53(例如，由tiw制成)。绝缘层56(例如，sio2)在相应的堆叠51-53下面延伸。因此，每个压电带50a-50k可以电气表示为电容器，其第一电极51接地，并且其第二电极53以下文所述的方式偏置。
58.图4a具体表示压电带50a、50c、50e、50g、50i、50j。在这种情况下，叠层51-53在绝缘层56上延伸，绝缘层56又在基底支撑层2’上延伸；在基底支撑层2’的相对面上，在对应于叠层51-53的区域中延伸的是厚度增加层57，例如由多晶硅制成。在由多晶硅制成的情况下，厚度增加层57沿轴线z测量的厚度为例如4μm。可以使用与多晶硅不同的其他材料。在这种情况下，根据所需的刚度选择厚度，后者是杨氏模量与所用材料厚度之比的函数。通常，厚度增加层57的所需刚度在100kpa
·
m和1600kpa
·
m之间。
59.相反，图4b表示压电带50b、50d、50f、50h、50k。在这种情况下，相应堆叠51-53在基底支撑层2’和绝缘层56上延伸，并且被厚度增加层58覆盖，该厚度增加层58例如由氮化硅制成。在由氮化硅制成的情况下，厚度增加层58沿轴线z测量的厚度为例如3μm。可以使用与氮化硅不同的其他材料。在这种情况下，根据厚度增加层58的所需刚度选择厚度。通常，厚度增加层58的所需刚度在100kpa
·
m和1600kpa
·
m之间。
60.根据以上所述，对于每个致动臂18a、18b、20a、20b和22a，相应的子部分38b、39b、40b、41b和47c承载图4a中所示类型的相应的压电带50b、50d、50f、50h、50k，其具有氮化硅结构层58但没有多晶硅结构层57。此外，对于每个致动臂18a、18b、20a、20b和22a，相应的子部分38a、39a、40a、41a和47a-47b承载图4b中所示类型的相应压电带50a、50c、50e、50g、50i-50j，其没有氮化硅结构层58但是提供有多晶硅结构层57。
61.压电带50a、50b、50c和50d沿着轴线y具有主延伸部l
p1
，其等于沿对应子部分38a、38b、39a、39b的轴线y的延伸部的大约一半。它们是耦合的(即等于ly/2)。每个压电带50a、50b、50c和50d相对于对称轴a对称。例如，l
p1
的值是1300μm。
62.压电带50e、50f、50h和50g沿着轴线y具有主延伸部l
p2
，其等于沿对应子部分40a、40b、41a、41b的轴线y的延伸部的大约一半。它们是耦合的。每个压电带50e、50f、50h和50g相对于对称轴a对称。例如，l
p2
的值是1000μm。
63.压电带50i、50k和50j沿着轴线y具有主延伸部l
p3
，其等于沿着对应子部分47a、4cb、47b的轴线y的延伸部的大约一半。它们是耦合的。每个压电带50i、50k和50j相对于对称轴a对称。例如，l
p3
的值是800μm。
64.压电带50a、50c、50e、50g、50i、50j电连接到第一电压发生器76，压电带50b、50d、50f、50h、50k经由所示的金属连接电连接到第二电压发生器77，在图4a和图4b中仅示意性地示出了它们本身是已知类型的。在一个实施例中，电压发生器76和77可以彼此重合。电压发生器76和77被配置为将压电频带偏置在工作电压，例如被包括在0v和80v之间。工作电压尤其是单极或单向类型(即，工作电压总是包括在零和最大正或负电压之间；换句话说，电源信号在时间上仅假设负电压值，或者仅假设正电压值)。
65.图5a以透视图示意性地示出了在操作状态期间的致动器1；图5b是图5a中圈出的
部分的放大视图。
66.从图5a和图5b中可以注意到，当压电带50a-50k被偏置在工作电压时，它们在它们所耦合的臂18a-22a的子部分38a-47c中产生应力，因此产生子部分38a-47c本身的弯曲。
67.由pzt中的电场引起的应力在子部分38a-47c中产生凹或凸偏转，这是厚度增加层57和58的存在/不存在的函数。具体地，压电带50b、50d、50f、50h、50k在氮化硅层58中产生拉伸应力，该拉伸应力由厚度增加层58传递到绝缘层56和基底支撑层2’，引起相应子部分38b、39b、40b、41b和47c的向下弯曲，通常也称为“正弯曲”。压电带50a、50c、50e、50g、50i-50j在厚度增加层57中产生压缩应力，该压缩应力引起相应子部分38a、39a、40a、41a和47a-47b的向上弯曲，通常也称为“负弯曲”。
68.由于可变形结构2仅由第一和第二支撑元件12、14耦合到框架4，因此子部分38a和39a的正弯曲导致连接臂18a’和18b’的在轴线z的正方向上(即，远离腔体6)的位移或平移。。由于子部分38b、39b耦合到连接臂18a’和18b’，它们将在轴线z的正方向上经历类似的位移。此外，由于压电带50b、50d的偏置，子部分38b、39b经历负弯曲，其引起在轴线z的正方向上(即，远离腔体6)进一步移位或平移它们在连接臂18a’和18b”之间的部分。在子部分38b、39b的质心处，即在对应于对称轴a的位置处获得最大位移。
69.由于耦合元件23、24将子部分38b、39b约束到致动臂20a、20b，致动臂20a、20b在轴线z的正方向上经历位移，该位移等于子部分38a(分别为39a)和子部分38b(分别为39b)的位移的总和。
70.接下来，子部分40a-40b和41a-41b分别经历与子部分38a-38b和39a-39b所描述的弯曲类似的弯曲。
71.由于耦合元件26、27将子部分40b、41b约束到致动臂22，致动臂22在轴线z的正方向上经历位移，该位移等于子部分38a的位移、子部分38b的位移、子部分40a的位移、和子部分40b的位移(对应于子部分39a的位移、子部分39b的位移、子部分41a的位移、和子部分41b的位移的总和)。
72.反过来，子部分47a和47b经历类似于针对子部分38a、39a、40a和41a所描述的弯曲，而子部分47c经历类似于针对子部分38b、40b、39b和41b所描述的弯曲。
73.因此，获得了子部分47c在轴线z的正方向上的有效位移，该位移相对于位于平面xy中的静止状态等于子部分38a、38b、40a、40b和47a的位移之和(等效于子部分39a、39b、41a、41b和47b的位移的总和)。
74.在使用中，电压发生器76、77是相位控制的。具体地，作为所需位移的函数，即，作为沿轴线z达到的最大高度的函数，向压电带50a-50k施加致动电压，特别是单极型的致动电压，该压电带50a-50k被包括在0v(静止状态下的可变形结构2)和40v(沿轴线z的最大延伸部的状态下的可变形结构2)。如上所述，在这些条件下，致动臂经历变形和弯曲，并且弯曲越突出，施加到压电带50a-50k的电压越高。
75.如图5a和5b所示，每个子部分38a、39a、40a、41a、47c的偏转角度(相对于平面xy测量)随着后者远离支撑(也被认为是耦合和/或锚固元件12、14、23-27)而增加，在连接臂18a’、18b’、20a’、20b’处最多达10
°
。
76.致动器1例如应用在便携式电子设备100中的扬声器101中，如图8所示。扬声器101集成了致动器1，致动器1在启动时具有按顺序移动隔膜的功能，以便产生声波。驱动电路
102被配置为提供偏置压电所需的操作电压，用于根据先前描述的致动器1的致动。
77.致动器装置的其他应用涉及高度微定位器，机械微升降机或纳米升降机(伸缩式或微型升降机)，沿轴线z具有一定间隙的两个触头之间的微接触器等。
78.本文描述的致动器1具有许多优点。具体地，本文描述的技术使得可以在使用中获得致动部分(这里，子部分47c)相对于其静止状态的显著位移。总位移由局部位移的总和给出。在致动部分达到相同的最大高度的情况下，与已知类型的膜致动器相比，本文描述的技术能够减少面积消耗。
79.最后，清楚的是，可以对本文描述和示出的微电子器件进行修改和变化，而不脱离本文描述的技术的范围，如所附权利要求中所限定的。
80.例如，如图6所示，在根据另一实施例的致动器85中，不存在第一功能子结构18。在这种情况下，第二功能子结构20通过类似于支撑元件12、14的支撑元件80、81被机械地耦合到框架4。在这种情况下，贯穿沟槽30在框架4和第二功能子结构20之间延伸，除了存在支撑元件80、81的区域之外。因此，第二功能子结构20仅在对应于支撑元件80、81的位置处耦合到框架4，并且否则相对于框架4自由移动。同样作为操作原理，其余的技术特征是根据已经参考前述附图和各个实施例描述的那些，并且因此出于简洁的原因在此不再进一步描述。
81.在根据另一实施例(图7中示出)的致动器95中，既不存在第一功能子结构18也不存在第二功能子结构20。在这种情况下，第三功能子结构22通过类似于支撑元件12、14的支撑元件82、84机械地耦合到框架4。在这种情况下，贯穿沟槽30在框架4和第三功能子结构22之间延伸，除了存在支撑元件82、84的区域之外。因此，第三功能子结构22仅在支撑元件82、84处耦合到框架4，并且否则相对于框架4自由移动。同样作为操作原理，其余的技术特征也是根据已经参考前述附图和各个实施例描述的那些，并且因此出于简洁的原因在此不再进一步描述。
82.在另一实施例中(图中未示出)，可以存在类似于功能子结构18或20的其他功能子结构(即，具有相似的形状并且包括相同的机械元件和致动压电体)，在框架4和第一功能子结构18之间和/或在第一功能子结构18和第二功能子结构20之间和/或在第二功能子结构20和第三功能子结构22之间延伸的另外的功能子结构。
83.此外，先前参考用于控制压电体的尺寸、材料和电压指示的示例应被视为纯粹指示本文描述的技术的可能的非限制性实施例。基于本公开的教导、形状、材料、尺寸和控制电压的变化是可能的并且在本领域技术人员的能力范围内。