專利名稱：多維位移可放大微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及在多維方向位移可放大的熱激勵微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和陣列。
目前，由于微型機電結(jié)構(gòu)(MEMS)和其他微型制造裝置具有尺寸、成本及可靠性等方面的優(yōu)點而正被大量應(yīng)用。目前已經(jīng)制造了許多各種各樣的MEMS裝置，包括能夠運動或加力的微型齒輪、微型馬達以及其他顯微加工的裝置。這些MEMS裝置可以用于各種應(yīng)用，包括使用MEMS泵或閥的液壓應(yīng)用和使用MEMS光閥及光閘的光應(yīng)用。
MEMS裝置采用各種技術(shù)來產(chǎn)生引起這些微型結(jié)構(gòu)內(nèi)的運動所需的力。有些MEMS裝置由電磁場驅(qū)動，而有些顯微機械加工的結(jié)構(gòu)由壓電力或靜電力驅(qū)動。最近，出現(xiàn)了由執(zhí)行器或其他MEMS組件的受控?zé)崤蛎涷?qū)動的MEMS裝置。例如，在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人MCNC的U.S專利申請No.08/767,192；08/936,598及08/965,277中，介紹了多種類型的熱激勵MEMS裝置。在此，引入這些申請的內(nèi)容作為參考。這些申請中所介紹的熱拱形梁執(zhí)行器包含由硅或金屬材料構(gòu)成的拱形梁，拱形梁受熱時進一步彎曲或偏離而生成原動力。這些申請同樣介紹了各種加熱拱形梁使其進一步彎曲的直接或間接加熱裝置。上述熱執(zhí)行器被設(shè)計為在一個方向即一維方向上運動。進而，熱執(zhí)行器陣列通常地用于提高所產(chǎn)生的驅(qū)動力大小。這些熱激勵MEMS裝置可以用于多種MEMS應(yīng)用，如MEMS繼電器、閥等等，一些使用MEMS熱執(zhí)行器的應(yīng)用需要其他類型的位移如兩維或三維運動。
目前已經(jīng)研制出了能夠兩維或三維方向運動的熱驅(qū)動MEMS裝置。例如加利福尼亞的lucas novasensor of Fremont已經(jīng)研制出能夠進行兩維或三維運動的多種熱激勵MEMS裝置。這些能夠進行兩維運動的裝置一般包含隨熱激勵作用而在平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)的一個或多個拱形梁?？梢赃M行三維運動的裝置在沒有熱激勵時位于與襯底平行的平面內(nèi)。當(dāng)施加熱激勵時，這些裝置產(chǎn)生運動而超出這個平面，如旋轉(zhuǎn)或升高而超出該平面。為平面外運動設(shè)計了另一類熱激勵裝置，在沒有熱激勵時位于平面外。例如，這些裝置包括carr等享有的U.S專利5,796,152和saif等享有的U.S專利5,862,003中所介紹的熱激勵裝置。通常地，這些裝置一端固定在所述襯底上而另一端在熱激勵作用下可自由運動。由于這種設(shè)計，超出平面的相對位移量受到限制。另外，盡管所有上述裝置可以布置成陣列，但該陣列所產(chǎn)生位移量與陣列中結(jié)合的裝置的數(shù)目并不成比例地增加。
因此，盡管已經(jīng)研制出了能夠在一維、二維和三維方向運動的熱激勵MEMS結(jié)構(gòu)，但是研制更優(yōu)化的可增加這些方向上的位移量的裝置仍然是有益的。例如，研制可放大形成陣列的熱激勵MEMS裝置以相應(yīng)地聯(lián)合陣列中單個裝置的位移量由此產(chǎn)生比常規(guī)MEMS裝置更大的位移量，這是有益的。進而，研制在熱激勵作用下可在多于一維方向產(chǎn)生運動的改進的MEMS裝置也是有意義的。例如，為了新應(yīng)用需要或更好地服務(wù)于現(xiàn)有應(yīng)用，也需要能夠產(chǎn)生較大的平面內(nèi)和平面外位移的改進的熱激勵MEMS裝置。
本發(fā)明包括幾個在一維或多維方向具有可放大移動的熱激勵微機電結(jié)構(gòu)，以共同克服常規(guī)MEMS裝置中存在的上述缺點。具體地，本發(fā)明中這些MEMS結(jié)構(gòu)不僅可以在兩維和三維方向產(chǎn)生運動，而且在構(gòu)成陣列時具有比常規(guī)熱激勵MEMS裝置大許多的位移范圍。
如此，本發(fā)明的一個實施例提供包含微電子襯底、至少一個錨和一對拱形梁的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)。微電子襯底作為放置熱激勵微機電結(jié)構(gòu)的基底。在這點上，至少有一個錨固定在微電子襯底上而MEMS結(jié)構(gòu)的其余部分從錨伸出覆在襯底上方。拱形梁對中的每個都具有中間部分和兩個端部。拱形梁對的相對的端部可操作地相互連接。進而，拱形梁對中一個梁的中間部分與至少一個錨連接，因此，拱形梁對以懸臂梁結(jié)構(gòu)從至少一個錨伸出，覆在微電子襯底上。一旦向此處施加熱激勵，一對拱形梁進一步彎曲由此引起一對拱形梁相應(yīng)地沿預(yù)定路線相對于襯底移動。如此，該實施例的MEMS結(jié)構(gòu)可以在平行于微電子襯底的平面上沿一維或兩維路線運動。
該實施例的MEMS結(jié)構(gòu)也可以包含放置在拱形梁對之間用于連接拱形梁對的相對的端部的橫梁。當(dāng)微型機電結(jié)構(gòu)受到熱激勵時，最好使橫梁受熱比拱形梁對少。通過利用橫梁連結(jié)拱形梁的端部，該實施例的MEMS結(jié)構(gòu)比常規(guī)MEMS裝置具有大許多的位移量。
在一個實施例中，放置拱形梁對，使其凹入部分互相面對，從而形成一個一般菱狀的結(jié)構(gòu)而能夠在熱激勵作用下膨脹。作為選擇地，另外一個實施例中，放置拱形梁對使其凸出部分互相面對，從而形成一般蝴蝶結(jié)形狀結(jié)構(gòu)而能夠在熱激勵作用下收縮。本發(fā)明進一步提供熱激勵微機電陣列，其中，為了提供更大的位移量上述熱激勵微機電結(jié)構(gòu)包含位于陣列中的單元。
本發(fā)明的一個實施例提供的熱激勵結(jié)構(gòu)包含微電子襯底、至少一個固定其上的錨、拱形梁和橫梁。拱形梁具有中間部分和兩個端部。橫梁可操作地連接拱形梁相對兩端部，因此拱形梁的中間部分和兩個端部與橫梁之間的間隔不同。如此，拱形梁的中間部分相對于橫梁拱起。錨與拱形梁或橫梁或者二者同時相連，因此拱形梁和橫梁以懸臂梁結(jié)構(gòu)覆在微電子襯底上。熱激勵使得中間部分更加彎曲從而改變中間部分與橫梁之間的間隔，因此沿預(yù)定路線相對于微電子襯底移動。如果中間部分與橫梁之間的間隔大于兩個端部與橫梁的間隔，在熱激勵作用下中間部分將拱起而進一步遠(yuǎn)離橫梁。然而，如果中間部分與橫梁之間的間隔小于兩個端部與橫梁之間的間隔，在熱激勵作用下中間部分將拱起而進一步靠近橫梁。
在另一個實施例中，熱激勵微機電結(jié)構(gòu)進一步包含引導(dǎo)面和在熱激勵作用下引導(dǎo)熱激勵結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)向槽運動的相對低摩擦工具。引導(dǎo)工具包含至少一個滾軸或沿引導(dǎo)面縱長方向形成的軌道。每個滾軸放置在拱形梁對和軌平面之間，因而在熱激勵作用下拱形梁對隨滾軸在軌平面上的移動而沿預(yù)定路線運動。軌道負(fù)載拱形梁對并沿預(yù)定運動路線延伸，因此在熱激勵作用下拱形梁對被引導(dǎo)沿軌道滑動。
本發(fā)明的另外一個實施例中，提供的熱激勵微機電結(jié)構(gòu)可在與微電子襯底表面所形成平面的平行的平面內(nèi)運動。該實施例中的MEMS結(jié)構(gòu)包含微電子襯底、至少一個固定在襯底上的錨和至少一個與錨相連的拱形梁。每個拱形梁具有中間部分和兩個端部，并且在沒有熱激勵作用時向與微電子襯底所形成的常平表面不平行的方向拱起。在拱形梁受到熱激勵時，受激勵拱形梁向與常平表面的不平行的方向進一步拱起，因此中間部分比此處兩個相對的端部拱起弧度大。在選擇性熱激勵的作用下，每個熱激勵拱形梁的中間部分與常平表面之間的間隔相應(yīng)地改變。
本實施例中MEMS結(jié)構(gòu)的拱形梁可以用其他幾種方式構(gòu)成。在一個實施例中，拱形梁包含第一層和至少一部分覆在第一層上的第二層。在這種情況下，中間部分和兩個端部處于不同的層中。另一種方法是，由單層構(gòu)成拱形梁，因此中間部分在兩個相對的端部之間光滑的拱起。
本發(fā)明中熱激勵微機電結(jié)構(gòu)的另外一個實施例包含微電子襯底、第一拱形梁、第二拱形梁、互連橫桿、至少一個固定在襯底上并與第一拱形梁、第二拱形梁和互連橫桿中的至少一個相連的錨。微電子襯底形成常平表面并作為熱激勵微機電結(jié)構(gòu)的基底。第一和第二拱形梁都具有中間部分和兩個端部。在沒有熱激勵時，第一拱形梁拱起，因此中間部分比兩個端部更遠(yuǎn)離微電子襯底。相反地，在沒有熱激勵時，第二拱形梁拱起，因此中間部分比兩個端部更靠近微電子襯底。互連橫桿可以連接第一和第二拱形梁的端部。當(dāng)對本實施例的MEMS結(jié)構(gòu)施加選擇性熱激勵時，拱形梁進一步拱起從而改變互連橫桿和常平表面之間的間隔。通過可操作地在互連橫桿上安裝一個平臺，則該平臺將沿與微電子襯底的常平表面不平行的方向移動。
如前，熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)可以層疊而在熱激勵微型機電陣列內(nèi)形成單元。在本發(fā)明的陣列實施例中，至少兩個熱激勵單元可以通過一個熱激勵單元中第一上拱起梁的中間部分和鄰近熱激勵單元中第二下拱起梁的中間部分互相連接。在另一個陣列實施例中，至少有兩個熱激勵單元通過兩個鄰近熱激勵單元中第一上拱起梁的中間部分互相連接。進而，一個陣列實施例中具有至少四個通過各自第一拱形梁的中間部分互相連接的鄰近熱激勵單元。在所有這些陣列實施例中，當(dāng)至少一個互相連接的熱激勵單元受到選擇性熱激勵時，互相連接的中間部分與由微電子襯底形成的常平表面之間的間隔改變。上述陣列實施例可以進一步包含一個與相鄰熱激勵單元的互連的中間部分相連的平臺，因此，由于選擇性熱激勵作用，平臺與常平表面之間的間隔可以改變。
進而，本發(fā)明提供包含聯(lián)合上述不同類型熱激勵單元的熱激勵微機電陣列。第一類熱激勵單元具有使相應(yīng)單元格在與微電子襯底所形成的X-Y平面平行的平面內(nèi)運動的拱形梁。另外一種熱激勵單元具有使相應(yīng)單元格在與該X-Y平面垂直的Z方向運動的拱形梁，因此其與X-Y平面之間的間隔改變。如此，對熱激勵微機電陣列中的單元施加選擇性熱激勵可以提供平行和(或)垂直于微電子襯底形成的X-Y平面的運動。另外，本發(fā)明還提供對此處所述所有拱形梁施加熱激勵的直接和間接加熱技術(shù)。
如此，上述MEMS結(jié)構(gòu)的各種實施例可以提供沿一維、兩維和(或)三維方向的可控運動。此外，本發(fā)明的MEMS結(jié)構(gòu)可以提供比常規(guī)MEMS結(jié)構(gòu)大許多的位移量。如此，本發(fā)明的MEMS結(jié)構(gòu)可以滿足現(xiàn)代應(yīng)用的更高要求。


圖1(a)、1(b)和1(c)所示為幾個熱激勵拱形梁執(zhí)行器實施例的平面圖。
圖2(a)到2(d)所示為本發(fā)明中各種共面熱激勵執(zhí)行器實施例的平面圖。
圖3(a)到3(d)分別表示本發(fā)明中兩個橫梁實施例和兩個共面熱拱形梁陣列實施例的平面圖。
圖4(a)和4(b)所示為本發(fā)明中用于共面熱激勵陣列的兩個直接加熱實施例平面圖。
圖5所示為本發(fā)明中可旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)的熱激勵拱形梁陣列實施例的平面圖。
圖6(a)到6(f)所示為本發(fā)明中六個共面熱激勵陣列實施例的平面圖。
圖7(a)和(b)所示為本發(fā)明中U-D-U和D-U-D不共面熱激勵結(jié)構(gòu)實施例的平面圖。
圖8所示為本發(fā)明中D-U-D不共面熱激勵結(jié)構(gòu)實施例的透視圖。
圖9(a)到9(b)分別為本發(fā)明中集成U-D-U和D-U-D不共面熱激勵結(jié)構(gòu)實施例的平面圖及其示意圖。
圖10所示為本發(fā)明中集成U-D-U和D-U-D不共面熱激勵陣列實施例的透視圖。
圖11所示為本發(fā)明中集成U-D-U和D-U-D不共面熱激勵陣列實施例的平面圖。
圖12所示為本發(fā)明中集成U-D-U和D-U-D不共面熱激勵陣列實施例的平面圖。
圖13所示為本發(fā)明中集成共面和不共面熱激勵陣列實施例的平面圖。
圖14所示為本發(fā)明中用于一個共面熱激勵陣列的直接加熱實施例的平面圖。
圖15所示為本發(fā)明中用于另一個共面熱激勵陣列的直接加熱實施例的平面圖。
圖16所示為本發(fā)明中熱激勵陣列的橫梁有電流通過時的平面圖。
以下根據(jù)示出本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖更加全面地介紹本發(fā)明。本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式并且不應(yīng)解釋為僅局限于此處所提出的實施例；相反，提供這些實施例是為了使本公開文本更透徹完整并且向本領(lǐng)域普通技術(shù)人員充分傳達本發(fā)明的范圍。附圖中的特征沒有必要按比例畫出，僅用于說明本發(fā)明。相同的數(shù)字一直表示相同的元件。
本發(fā)明提供的熱激勵微機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和陣列是可放大的并且能在多維方向產(chǎn)生相當(dāng)大的位移量，例如可以在一維、二維和(或)三維方向具有相當(dāng)大的位移。本發(fā)明中的‘可放大’表示微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)或單元可以互相連接成陣列從而能夠聯(lián)合每個結(jié)構(gòu)或單元在熱激勵作用下的位移。本發(fā)明中所有熱激勵結(jié)構(gòu)或陣列實施例都放置在下置微電子襯底上，最好是在它的通常為平面的表面(下稱“常平表面”)上。下置微電子襯底可以用任何合適的材料構(gòu)成，如玻璃、硅、其他半導(dǎo)體或其他材料。對于本發(fā)明的每個實施例，原動力的基本來源包含一個或多個熱激勵拱形梁執(zhí)行器，如下所述。
熱拱形梁執(zhí)行器盡管本發(fā)明的熱激勵微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)可有許多不同實施例，但是這些結(jié)構(gòu)最好由熱拱形梁(TAB)執(zhí)行器驅(qū)動，如U.S專利申請No.08/767,192中所述，其內(nèi)容在此引作參考。在這一點上，圖1說明了一些基本熱拱形梁執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，這有助于理解其工作。如圖1(a)和1(b)中所示，熱拱形梁執(zhí)行器可以包括單個或多個拱形梁。圖1(a)中所示為單梁熱拱形梁執(zhí)行器的一個例子。該單梁熱拱形梁執(zhí)行器包含至少兩個錨，例如所示錨32和33。每個錨都固定在微電子襯底10上用于支撐熱拱形梁執(zhí)行器。進而，該熱拱形梁執(zhí)行器包含一個位于至少一對錨之間的拱形梁35。拱形梁在一對錨之間延伸從而其兩個端部固定在錨上支撐拱形梁位于微電子襯底上面。
在沒有熱激勵作用時，拱形梁在預(yù)定方向50拱起。此外，拱形梁在選擇性熱激勵作用下向所述預(yù)定方向進一步拱起。拱形梁的熱激勵可以以多種方式進行，如電流流經(jīng)拱形梁的直接加熱技術(shù)以及通過鄰近的加熱源加熱拱形梁的間接加熱技術(shù)。當(dāng)受到熱激勵時拱形梁進一步拱起從而同時產(chǎn)生力和位移。換言之，在熱激勵作用下拱形梁35向預(yù)定方向進一步移位。如此，在拱形梁35受到熱激勵時，平臺20隨著拱形梁的移動而在預(yù)定方向50移動。一旦撤除熱激勵，拱形梁將向與預(yù)定方向50相反的方向運動，返回到初始無激勵拱起位置。
如圖1(b)和1(c)中所示，熱拱形梁執(zhí)行器也可以包含多個位于一對錨之間的拱形梁。例如，圖1(b)中所示的拱形梁35、36、37可以單個也可以同時受到熱激勵。如前，在沒有熱激勵時拱形梁在預(yù)定方向拱起而在選擇性熱激勵作用下進一步向預(yù)定方向拱起。聯(lián)接器60用于可操作地互相連接多個拱形梁，從而在熱激勵作用時可以將每個拱形梁產(chǎn)生的力和位移合并起來。
拱形梁最好用隨溫度變化形狀顯著變化如膨脹的材料制造。盡管拱形梁可用具有負(fù)熱膨脹系數(shù)即隨溫度升高而收縮的材料制造，但最好用具有正熱膨脹系數(shù)的材料制造。因此，拱形梁最好用隨溫度升高而膨脹的材料制造，從而在受到熱激勵時拱形梁進一步拱起。此外，盡管熱拱形梁執(zhí)行器優(yōu)選用金屬材料如鎳制造，但是熱拱形梁執(zhí)行器的熱拱形梁和(或)其他部件如錨也可以用單晶材料如硅制造。對于用鎳制造的部件，上述引作參考的U.S.專利申請No.08/736,598中介紹了同樣可以在微電子襯底上生成這些結(jié)構(gòu)的鎳電鍍工藝。對于由單晶體材料如硅制造的拱形梁和錨，可以用已有微型制造技術(shù)如表面顯微機械加工技術(shù)制造。當(dāng)然，所有熱拱形梁執(zhí)行器的熱拱形梁、錨和其他部件可以根據(jù)需要用不同材料和(或)用不同材料的層制造。
可以設(shè)計熱拱形梁結(jié)構(gòu)使所選工作特性最優(yōu)化。構(gòu)造圖1中所示熱拱形梁執(zhí)行器的例子，使其具有較大的機械穩(wěn)定性、力和魯棒性(robustness)。此外，通常地，這些熱拱形梁執(zhí)行器可以在平面內(nèi)沿一維如預(yù)定移動方向50形成的線性坐標(biāo)軸運動。然而，為了提供大的變形量，這些例子中的熱拱形梁需要較長的拱形梁和較高的溫度。即，可以構(gòu)造這些TAB執(zhí)行器使其具有最優(yōu)魯棒性、力和機械穩(wěn)定性，但產(chǎn)生給定位移需要相對較大的襯底面積和更高的工作溫度。如下所述，可以用其他結(jié)構(gòu)形式構(gòu)造TAB執(zhí)行器，例如，優(yōu)化設(shè)計執(zhí)行器以使其在平面內(nèi)產(chǎn)生更大的可放大位移。
平面內(nèi)位移執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和陣列本發(fā)明提供的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生給定位移量但需要相對較低的工作溫度并且所用拱形梁比常規(guī)TAB執(zhí)行器相對較短。如此，這些熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)包含的TAB執(zhí)行器能產(chǎn)生給定的平面內(nèi)位移量而所需襯底面積和工作溫度最小。進而，可以通過將這些可放大熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)形成陣列而產(chǎn)生相對較大的位移量。如本發(fā)明中所采用的平面內(nèi)位移結(jié)構(gòu)能夠在平面，如一般與襯底表面所形成的平面平行的平面，內(nèi)產(chǎn)生一維和(或)二維運動。例如，平面內(nèi)位移結(jié)構(gòu)可以沿X軸、Y軸或兩個軸運動。此外，能夠產(chǎn)生一維運動的結(jié)構(gòu)可以有益地相互連接，從而也可以產(chǎn)生兩維運動。這些熱激勵結(jié)構(gòu)的例子如圖2和3所示。
一般地，本發(fā)明的一個實施例提供的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)包含微電子襯底、至少一個固定在襯底上的錨和拱形梁對。每個拱形梁具有中間部分和兩個端部。如圖所示，拱形梁對的相對的端部可操作地互相連接。進而，拱形梁對中的一個拱形梁的中間部分與至少一個錨聯(lián)接，因此拱形梁對以懸臂梁結(jié)構(gòu)伸出而覆在微型電子襯底之上。在沒有熱激勵時，每個可操作地互相連接的拱形梁對有偏移而向預(yù)定方向拱起。在沒有熱激勵時，所有拱形梁對中的拱形梁可以向相同方向或者不同方向偏移。當(dāng)拱形梁對受熱激勵時，拱形梁對相應(yīng)地沿預(yù)定路線相對于微電子襯底移動。位于與微電子襯底所形成平面平行的平面內(nèi)的預(yù)定路線最好沿一維方向，是線性的。例如，圖2(a)中所示結(jié)構(gòu)的預(yù)定路線為沿箭頭51所指方向。這個普通熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)是可放大的，即可以構(gòu)成陣列以在平面內(nèi)產(chǎn)生不同類型和大小的位移。
本發(fā)明的一個實施例提供一種熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)能夠在拱形梁對受到熱激勵時產(chǎn)生膨脹。該結(jié)構(gòu)的例子如圖2(a)所示，其中拱形梁對能夠以相對較小的襯底面積、較短的拱形梁以及較低的工作溫度產(chǎn)生給定位移量。該實施例同樣是可放大的從而可以根據(jù)需要構(gòu)成陣列以產(chǎn)生較大位移量。如上所述鄰近錨100的拱形梁對構(gòu)造為固定在錨上。具體地，該實施例具有固定在微電子襯底10上的錨100和分別如115和120指示的熱拱形梁對。
如圖所示，所述拱形梁包含中間部分和兩個端部，并且拱形梁對在兩個相對的端部處可操作地相互連接。此外，拱形梁120拱起的中間部分與錨100相連。進而，放置拱形梁對使得其凹入部分互相面對因此形成一般菱型結(jié)構(gòu)。換言之，即使沒有熱激勵作用，由于拱起的中間部分相互背離拱起而使得拱形梁對有偏移。此外，在熱激勵作用下，拱形梁對將進一步拱起并沿箭頭51所示的預(yù)定路線膨脹。盡管圖中所示菱型執(zhí)行器實施例包含的拱形梁具有兩個線性段，該拱形梁也可以由一個光滑連續(xù)段或者其他形式構(gòu)成。相應(yīng)地，當(dāng)拱形梁組件受到熱激勵時，該菱型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)由于膨脹而產(chǎn)生位移。當(dāng)撤除此處的熱激勵時，菱型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)恢復(fù)到其初始位置如偏移拱起位置。
本發(fā)明的另外一個實施例提供的一種熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)能夠在拱形梁對受到熱激勵時收縮。該結(jié)構(gòu)的例子如圖2(c)所示，其中拱形梁對能夠以較小的襯底面積、較短的拱形梁及較低的工作溫度產(chǎn)生給定的位移量。如前，該實施例是可放大的從而可以根據(jù)需要構(gòu)成陣列以產(chǎn)生的較大位移量。如上所述鄰近錨100的拱形梁對構(gòu)造為固定在錨上。具體地，該實施例具有固定在微電子襯底10上的錨100和分別如150和155所示的熱拱形梁對。
如圖2(c)所示，拱形梁包括中間部分和兩個端部。如前，拱形梁對在兩個相對的端部處可操作地相互連接。與前一個實施例不同，拱形梁的相對的端部通過框架部分可操作地相互連接，如圖151和156所示。進而，拱形梁150拱起的中間部分與錨100連接。此外，布置拱形梁對使得其凸出部分相互連接由此形成蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)。換言之，中間部分相互對向拱起使得拱形梁對在沒有熱激勵作用時也有偏移。進而，在熱激勵作用下，拱形梁對進一步拱起而沿箭頭52所示的預(yù)定路線收縮。如同菱型實施例，盡管圖中所示蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)實施例的拱形梁包含兩個線性段，該拱形梁也可以由一個光滑連續(xù)段或者其他形式構(gòu)成。相應(yīng)地，當(dāng)拱形梁組件受到熱激勵時，該蝴蝶結(jié)型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)由于收縮而產(chǎn)生位移。如前，當(dāng)撤除熱激勵時，蝴蝶結(jié)型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)恢復(fù)到其初始位置如偏移拱起位置。
本發(fā)明的其他實施例對上述實施例進行了補充和修改。在一個實施例中，熱激勵結(jié)構(gòu)進一步包含橫梁，橫梁最好位于兩個拱形梁之間從而可操作地連接每對拱形梁的兩個相對的端部。例如，圖2(a)中的菱型結(jié)構(gòu)具有位于拱形梁115和120的相對的端部之間的橫梁125，而圖2(c)中的蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)具有位于拱形梁150和155的相對的端部之間的橫梁140。為了正常工作，所述熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)要求橫梁和拱形梁之間具有膨脹梯度，從而橫梁比拱形梁膨脹較少或者較多。換言之，橫梁膨脹量與拱形梁不同。例如，這可以通過對橫梁和拱形梁有區(qū)別地施加熱激勵或由不同材料制造來實現(xiàn)。此外，圖3(c)所示的菱型結(jié)構(gòu)和圖3(d)所示的蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)包括位于橫梁兩側(cè)的多個拱形梁其優(yōu)化構(gòu)造為可以在一維運動方向上位移量相同的情況下施加相對較大的力。橫梁可以增加機械穩(wěn)定性并且支撐相互連接的拱形梁對。另外，橫梁可以有益地以幾種方式使用，從而使拱形梁的熱激勵效率更高。由于其構(gòu)造和加熱拱形梁的方式而使橫梁膨脹比該處互相連接的拱形梁小。如此，橫梁限制了拱形梁相對的端部的外向運動，因此拱形梁進一步拱起引起拱形梁中間部分的顯著拱起和位移。相應(yīng)地，為了節(jié)省能量及限制橫梁的膨脹，每個熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)中橫梁最好比對應(yīng)的拱形梁受熱少。
如圖3(a)和3(b)所示，橫梁可以包含具有類似散熱器作用的熱瓶頸，從而使得菱型或蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)中橫梁保持比拱形梁對涼并且膨脹較小。換言之，根據(jù)需要橫梁可以具有有利的熱特性。例如，橫梁的幾何形狀和(或)所用材料使橫梁的作用如同散熱器或熱瓶頸。無論組成橫梁的材料是否與對應(yīng)的熱拱形梁相同，都可以增加橫梁的表面積使其更好地散熱從而保持比對應(yīng)熱拱形梁涼。例如，如上述圖中所示，至少每個橫梁125的中間部分的表面積比橫梁的其余部分和熱拱形梁大。通常，表面積越大熱耗散越多。此外，橫梁可以用與熱拱形梁不同的材料制造，從而具有如同散熱器的優(yōu)點并且(或)產(chǎn)生的膨脹比對應(yīng)的熱拱形梁小。例如，拱形梁和橫梁可以選擇熱膨脹系數(shù)不同的材料，使得橫梁在受到熱激勵時膨脹較小。例如，拱形梁對可以由金屬材料制造，而橫梁用硅制造。由于硅比金屬材料膨脹小，因而在溫度升高時橫梁比拱形梁膨脹小的多。進而，用熱膨脹系數(shù)比橫梁大的材料制造拱形梁使得熱激勵MEMS結(jié)構(gòu)可以作為自動調(diào)溫器或溫度傳感器，因為位移可以表示為溫度的函數(shù)。如即將介紹的，無論使用直接或間接加熱技術(shù)提供熱激勵，橫梁可以具有其他的構(gòu)造以提供更高效率的熱激勵。
本發(fā)明的一個實施例提供的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)包括微電子襯底、至少一個固定在襯底上的錨、拱形梁和橫梁。錨和微電子襯底如上所述，錨固定在微電子襯底上。進而，拱形梁具有中間部分和兩個端部。橫梁可操作地連接拱形梁的相對的端部，因而中間部分和端部與橫梁之間的間隔不同。如此，拱形梁的中間部分相對于橫梁拱起。錨與拱形梁或橫梁或二者同時連接，因而拱形梁和橫梁以懸臂梁結(jié)構(gòu)覆在微電子襯底上。當(dāng)對熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)施加熱激勵時，拱形梁進一步拱起其中間部分從而改變與橫梁之間的間隔，因此沿預(yù)定方向產(chǎn)生相對于微電子襯底的位移。
該實施例結(jié)構(gòu)的一個例子如圖4(a)所示。微電子襯底10和錨100如前所述，而拱形梁264具有中間部分267和分別如265、266所示兩個端部。本實施例中橫梁262可操作地連接拱形梁的相對的端部265和266，因而中間部分267拱起而遠(yuǎn)離橫梁，因此在沒有熱激勵作用時一般形成D型執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。在此情況下，中間部分與橫梁之間的間隔大于兩個端部與橫梁之間的間隔。錨可操作地與拱形梁和橫梁中的至少一個連接，因而拱形梁和橫梁以懸臂梁結(jié)構(gòu)覆在微電子襯底上。當(dāng)至少對D型執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的拱形梁施加熱激勵時，拱形梁的中間部分進一步遠(yuǎn)離橫梁拱起從而沿預(yù)定方向如箭頭269所示的方向相對于微電子襯底發(fā)生位移。
該實施例的另外一個例子如圖4(b)所示。同上，微電子襯底10和錨100如前所述，拱形梁264具有由267表示的中間部分和分別由265、266表示的兩個端部。不同的是，橫梁具有兩個邊部如271，因而形成支撐拱形梁的C型框架。如前，橫梁可操作地連接拱形梁的相對的端部。然而，在此情形下，沒有熱激勵時中間部分267向C型橫梁的內(nèi)部拱起。如此，中間部分與橫梁之間的間隔小于兩個端部與橫梁之間的間隔。錨可操作地與拱形梁和橫梁中的至少一個連接，從而拱形梁和橫梁以懸臂梁結(jié)構(gòu)覆在微電子襯底上。當(dāng)至少對該熱激勵執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的拱形梁施加熱激勵時，拱形梁的中間部分進一步向橫梁拱起從而沿預(yù)定方向如箭頭270的方向產(chǎn)生相對于微電子襯底的位移。
對于上述實施例，可以用多種形式構(gòu)造橫梁262。在熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施例中，當(dāng)微型機電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)受熱激勵時，可使橫梁受熱比拱形梁少。例如，可以放置外部加熱器使得拱形梁獲得的熱量比橫梁多。此外，橫梁和拱形梁可以由具有不同熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成，從而拱形梁和橫梁對溫度變化的響應(yīng)不同。如上所述，橫梁最好由隨溫度升高膨脹比拱形梁小的材料制造。進而，橫梁的橫截面積可以比拱形梁大。如此，如果需要，橫梁的電阻可以比拱形梁小。同樣，如上所述，橫截面積較大的橫梁可作為散熱器。
此外，可將加熱器加入上述實施例中并根據(jù)需要放置從而可以選擇性地對拱形梁或橫梁或二者同時施加熱激勵。加熱器可以位于熱激勵執(zhí)行器結(jié)構(gòu)之外，也可以由在內(nèi)部直接加熱的電能源構(gòu)成。一個實施例還包含多個熱激勵單元，并且每個熱激勵單元可包含上述任何執(zhí)行器結(jié)構(gòu)實施例。每個單元與鄰近的單元相互連接，例如通過如圖4(a)和4(b)所示的互連構(gòu)件268互連。如此，當(dāng)至少一個熱激勵單元受到熱激勵時，多個單元沿預(yù)定路線協(xié)同移動。例如，對圖4(a)中的一個或多個D型執(zhí)行器單元施加熱激勵將使D型熱激勵單元陣列在箭頭269所示方向相應(yīng)地移動，而對圖4(b)中的一個或多個執(zhí)行器單元施加熱激勵，使陣列在箭頭270所示方向相應(yīng)地移動。
在另外一個實施例中，本發(fā)明的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)可以還包含用于引導(dǎo)熱拱形梁在熱激勵作用下沿一定路線移動的低電阻裝置。如此，該實施例使得熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)能夠沿預(yù)定路線產(chǎn)生較小摩擦力的受引導(dǎo)移動，例如使用滾動或滑動接觸面。如圖5所示，可以在所述菱型、蝴蝶結(jié)型或其他任何熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)中加入至少一個引導(dǎo)面如引導(dǎo)面201和(或)202以及至少一個滾軸如滾軸200。在一些點處最好用至少一個錨100將熱激勵結(jié)構(gòu)固定在微電子襯底上。進而，每個滾軸位于拱形梁對的端部和鄰近的引導(dǎo)面之間，通常引導(dǎo)面由微電子襯底的一部分構(gòu)成。因此通過滾軸沿引導(dǎo)面的移動引導(dǎo)拱形梁對沿箭頭203所示預(yù)定方向移動，因此在選擇性熱激勵作用下拱形梁對產(chǎn)生位移。進一步的例子中，熱激勵結(jié)構(gòu)可以具有滑動界面?？梢蕴峁┮龑?dǎo)面以形成沿?zé)峁靶瘟簩Φ念A(yù)定移動路線縱向延伸的軌道。軌道可以支撐拱形梁對從而引導(dǎo)拱形梁在熱激勵作用下沿位移預(yù)定路線移動。例如，圖4中可以去掉拱形梁對中的滾軸。此外，引導(dǎo)面201或202可以形成承載拱形梁對的軌道并作為沿預(yù)定熱激勵移動路線的導(dǎo)向裝置。
如上所述，可以放置多個拱形梁對使其協(xié)同響應(yīng)熱激勵作用。相應(yīng)地，本發(fā)明一個實施例的熱激勵微型機電陣列能夠在與微電子襯底所形成平面平行的平面內(nèi)沿一維和(或)多維移動路線移動。可以通過互相連接至少兩個任何類型的所述熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)構(gòu)成熱激勵微型機電陣列，最好是至少兩個相同類型的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)。由于熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)是可放大的，因而可以通過將這些結(jié)構(gòu)構(gòu)成陣列以產(chǎn)生相對較大的位移量。一般地，如前所述，本發(fā)明的一個實施例中提供的熱激勵微型機電陣列包含微電子襯底和固定在襯底上的至少一個錨。此外，所述陣列包含多個熱激勵微型機電單元。如前所述，每個熱激勵微型機電單元包含在相對的端部處可操作地互相連接的拱形梁對。第一熱激勵微型機電單元與至少一個錨相連如通過一個拱形梁的中間部分相連，并且由此伸展。陣列中其余的熱激勵微型機電單元與一個錨連接，因此每個單元都可操作地與第一熱激勵微型機電單元連接。如此，多個微型機電單元從至少一個錨上以懸臂梁狀結(jié)構(gòu)伸出并覆在微電子襯底之上從而提供所需的位移量。
如前，沒有熱激勵作用時每個單元內(nèi)可操作地互相連接的拱形梁對向預(yù)定方向拱起。當(dāng)向至少一個熱激勵微型機電單元施加選擇性熱激勵時，該處的拱形梁進一步拱起，從而引起陣列中的多個熱激勵單元相應(yīng)地沿預(yù)定路線相對于微電子襯底移動。當(dāng)然，熱激勵作用可以施加到熱激勵微型機電陣列的部分或全部熱激勵單元上。當(dāng)不再對熱激勵單元施加熱激勵時，該處的拱形梁恢復(fù)到初始拱起位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員懂得，橫梁、引導(dǎo)滾動或滑動工具、加熱技術(shù)和其他一些修改及改進可用于此處所述的任何熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)和單元及由其構(gòu)成的任何熱激勵微型機電陣列。
上述本發(fā)明所提供的菱型和蝴蝶結(jié)型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)可以在其他許多實施例中有益地構(gòu)成陣列。例如，圖2(a)和2(b)說明了由多個菱型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)或單元構(gòu)成的兩個熱激勵微型機電陣列的例子。為了更好地說明這些相對較復(fù)雜的陣列，示意畫出菱型和蝴蝶結(jié)型單元而不畫出橫桿。當(dāng)然，這僅僅是為了便于說明，組成陣列的每個菱型或蝴堞結(jié)型單元最好包含橫桿。如圖2(a)所示，菱型單元首尾串聯(lián)可以構(gòu)成對于運動的一維方向膨脹所產(chǎn)生的位移而言最優(yōu)的縱向結(jié)構(gòu)。另外，如圖2(b)所示，菱型單元可以構(gòu)成在運動的一維方向提供較大位移范圍的最優(yōu)矩陣或蜂巢狀陣列結(jié)構(gòu)，如虛線所示。該蜂巢狀陣列在位于陣列每邊的一個或多個菱型單元處向微電子襯底拱起。
類似地，圖2(c)和圖2(d)說明了由多個蝴蝶結(jié)型熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)或單元構(gòu)成的兩個熱激勵微型機電陣列的例子。如圖2(c)所示，蝴蝶結(jié)型單元可以首尾串聯(lián)構(gòu)成對于運動的一維方向收縮所產(chǎn)生的位移而言最優(yōu)化的縱向結(jié)構(gòu)。此外，如圖2(d)所示，蝴蝶結(jié)型單元可以構(gòu)成在運動的一維方向提供較大位移范圍的最優(yōu)矩陣或蜂巢狀陣列結(jié)構(gòu)。如圖所示，鄰近的蝴蝶結(jié)型單元可以通過連結(jié)構(gòu)件158相互連接。此外，該蜂巢狀陣列在位于陣列每邊的一個或多個蝴蝶結(jié)型單元處向微電子襯底拱起。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員明白，可以利用此處所述熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)成能夠在一維和(或)兩維方向運動的許多熱激勵陣列的排列和組合。此外，通過將這些可放大結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)成陣列，可以產(chǎn)生相對大的位移量。一些熱激勵陣列可以聯(lián)合上述結(jié)構(gòu)、單元和陣列，從而在與下置微電子襯底所形成平面平行的平面內(nèi)產(chǎn)生兩維運動。下面結(jié)合圖6(a)到6(f)介紹這些熱激勵陣列的至少一些例子。
如圖6(a)所示，多個圖2(a)中所示的菱型熱激勵陣列可以成對結(jié)合成一個熱激勵陣列。菱型陣列對平行放置并通過橫向構(gòu)件220互相連接。通過向至少一個菱型陣列對施加熱激勵，多菱型熱激勵陣列相應(yīng)地移動。如果僅向位于該結(jié)構(gòu)一邊的菱型陣列施加熱激勵，例如“+”邊或“-”邊的菱型陣列受到激勵時，多菱型熱激勵陣列將向沒有受到熱激勵的一邊稍微旋轉(zhuǎn)。兩邊的菱型陣列同時受到熱激勵時，那么多菱型熱激勵陣列沿箭頭221所指方向大致呈線性移動。因而多菱型熱激勵陣列結(jié)構(gòu)不但可以根據(jù)需要在一維或二維方向具有一定角度的旋轉(zhuǎn)和相對較大的位移，而且由于菱型陣列的平行布置也可以產(chǎn)生相對較大的力。
圖6(b)所示的實施例提供了另一個由前述菱陣列構(gòu)成的多菱型熱激勵陣列。如所述，熱激勵結(jié)構(gòu)或單元可以互相連接從而形成兩兩成對布置的四個陣列。進而，兩對陣列可以互相連接形成一個組合熱激勵陣列。如前，可以向單個或成對的蝴蝶結(jié)型陣列施加選擇性熱激勵。然而，與圖6(a)所示平行菱型陣列對不同，該菱型陣列對互相垂直放置并且通過L型構(gòu)件225連接在每個菱型陣列對的底部末端而互相連接。如此，靠近箭頭226的菱型陣列對受到選擇性熱激勵時使得L型構(gòu)件沿箭頭226所示方向移動。不同的是，靠近箭頭227的菱型陣列對受到選擇性熱激勵時使得L型構(gòu)件沿箭頭227所示方向移動。通過向一個或兩個菱型陣列對施加相同或不同程度的熱激勵，L型構(gòu)件可以根據(jù)需要運動，如在兩個箭頭所示方向或在包含菱型陣列對的平面內(nèi)運動。
與上不同，圖6(c)和(d)說明蝴蝶結(jié)和菱型熱激勵陣列可以有益地結(jié)合在更大的熱激勵陣列內(nèi)。所有這些圖中的陣列都由錨100錨定，并且與分別由“+”和“-”標(biāo)記部位的附近的熱激勵源如電能源連接。圖6(c)所示的第一個例子顯示菱型和蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列可以通過橫向構(gòu)件230互相連接并互相平行。只向“+”邊的菱型熱激勵陣列施加熱激勵將引起膨脹，從而使橫向構(gòu)件向箭頭231所示方向旋轉(zhuǎn)。進而，只向“-”邊的蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列施加熱激勵將引起收縮，從而使橫向構(gòu)件也向箭頭231所示方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)然，同時對兩邊施加熱激勵將在箭頭231所示方向產(chǎn)生更大的旋轉(zhuǎn)。如圖所示，可以將小梁232與橫向構(gòu)件垂直連接。當(dāng)施加熱激勵時，小梁將相應(yīng)地前后旋轉(zhuǎn)，與模擬儀表如模擬電壓表中的指針類似。圖6(c)所示的實施例中，蝴蝶結(jié)型和菱型陣列共同工作從而在所述箭頭方向產(chǎn)生不同角度的旋轉(zhuǎn)。
然而，蝴蝶結(jié)型和菱型陣列也可以串聯(lián)成推挽式結(jié)構(gòu)共同工作。如圖6(d)所示，標(biāo)記為“+”的一個菱型熱激勵陣列可操作地與標(biāo)記為“-”的蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列串聯(lián)。蝴蝶結(jié)型和菱型陣列通過與兩個陣列垂直相交的橫向構(gòu)件235互相連接。當(dāng)然，也可以使用其他形狀的構(gòu)件連接蝴蝶結(jié)和菱型陣列。只向“+”邊的菱型熱激勵陣列施加熱激勵將引起膨脹從而使橫向構(gòu)件向箭頭236所示方向移動。此外，只向“-”邊的蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列施加熱激勵將引起收縮從而使得橫向構(gòu)件向相同方向移動。因此，由于陣列一致收縮和膨脹，對兩邊同時施加熱激勵將在箭頭236方向產(chǎn)生更大的位移。如前，當(dāng)菱型陣列膨脹而蝴蝶結(jié)型陣列同時收縮時，將共同產(chǎn)生更大的力。
此外，可以將熱激勵陣列結(jié)合形成可響應(yīng)熱激勵的熱拱形梁狀結(jié)構(gòu)。如圖6(e)所示，可以將兩個菱型熱激勵陣列串聯(lián)，如通過構(gòu)件240串聯(lián)。在沒有熱激勵時，陣列中的菱型單元或結(jié)構(gòu)拱起，如在箭頭241所示方向拱起。相應(yīng)地，該陣列呈現(xiàn)出與具有正熱膨脹系數(shù)的材料所構(gòu)成的熱拱形梁特點相似的熱激勵結(jié)構(gòu)。進而，當(dāng)受熱激勵時，該單個菱型結(jié)構(gòu)進一步膨脹從而引起互相連接的陣列進一步拱起而在箭頭241所示方向產(chǎn)生位移。與之不同，圖6(f)顯示了兩個同樣串聯(lián)的蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列，如通過構(gòu)件243串聯(lián)。在這種情況下，在沒有熱激勵時組合蝴蝶結(jié)型陣列向與箭頭244相反的方向拱起。當(dāng)受到熱激勵時，單個蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)將進一步收縮從而共同引起互相連接的陣列在箭頭244所示方向產(chǎn)生位移。后面互相連接的蝴蝶結(jié)型陣列的響應(yīng)與具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料所構(gòu)成的熱拱形梁相似。類似于通常的熱拱形梁結(jié)構(gòu)，串聯(lián)的菱型陣列在熱激勵作用下將膨脹而進一步拱起。此外，在熱激勵作用下串聯(lián)蝴蝶結(jié)型陣列收縮使得拱起程度變小而變直。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，此處只列出了本發(fā)明的熱激勵陣列的幾個例子。重要的是，這些陣列可以在平面內(nèi)一維和(或)二維方向產(chǎn)生相當(dāng)大的位移量，并且相應(yīng)地可以以多種方式連接這些陣列。進而，本發(fā)明的熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列可以在平面外的第三維或所有三維方向運動。
平面外位移執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和陣列相應(yīng)地，本發(fā)明的一個實施例提供可在第三維方向運動的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)，即在熱激勵下產(chǎn)生可改變與下置微電子襯底間隔的運動。如前所述，該實施例是可放大的即可以組成陣列以產(chǎn)生相對大的位移量。通常地，該實施例中的熱激勵結(jié)構(gòu)可以在與下置微電子襯底的常平表面所形成平面垂直的方向上產(chǎn)生運動或位移。然而，根據(jù)需要熱激勵結(jié)構(gòu)可以在不平行于該常平表面的其他方向產(chǎn)生運動。
該實施例中熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)包含形成常平表面的微電子襯底、至少一個固定在該襯底上的錨和至少一個與錨連接的拱形梁。微電子襯底和錨如前所述。如上所述每個拱形梁具有中間部分和兩個端部，但是在沒有熱激勵時至少有一個拱形梁向不平行于襯底的常平表面的方向拱起。如此，在沒有熱激勵時，至少一個拱形梁在不平行于該常平表面的方向有偏移。當(dāng)受到熱激勵時，拱形梁相應(yīng)地向與該常平表面不平行的相同方向進一步拱起。如前，拱形梁的中間部分比兩個相對的端部拱起程度大。因此，中間部分與下置微電子襯底所形成常平表面之間的間隔可以相應(yīng)地改變。例如，根據(jù)拱形梁初始拱起方向，中間部分可以拱起從而向接近或遠(yuǎn)離該常平表面的方向移動。換言之，如果假設(shè)該常平表面代表X-Y平面，中間部分可以相應(yīng)地在不平行于X-Y平面的Z軸移動。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會理解這一點，即這些熱激勵結(jié)構(gòu)可沿Z軸在兩個方向移動，例如靠近或遠(yuǎn)離微電子襯底的常平表面形成的X-Y平面。在這些結(jié)構(gòu)可向該常平表面移動的情況下，需要在微電子襯底上蝕刻或制造溝槽或腔，從而熱激勵結(jié)構(gòu)可以進入溝槽并(或)完全穿過微電子襯底。根據(jù)熱激勵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及拱形梁拱起方式，可以構(gòu)造熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)，從而可以在第三維方向產(chǎn)生不同類型的平面外位移。
圖7(a)示出本發(fā)明中熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)的一個實施例。在熱激勵作用下該實施例可以在第三維方向移動，具體地，向接近該常平表面方向移動。至少一個熱拱形梁的中間部分相應(yīng)地向接近常平表面方向拱起，因而相應(yīng)的拱形梁在受到熱激勵時，其中間部分進一步拱起而向接近該常平表面方向拱起。這種結(jié)構(gòu)用U-D-U(上-下-上)結(jié)構(gòu)表示，因為由于拱形梁的端部比相應(yīng)的中間部分距離襯底的常平表面遠(yuǎn)，所以端部位于“上面”而中間部分相對位于“下面”。相應(yīng)地，“下面”對應(yīng)于拱形梁的相對離該常平表面較近的部分，而“上面”對應(yīng)于相對遠(yuǎn)離該平面的部分。相應(yīng)地，對于此實施例而言，與兩個相對較高的“上面”端部相比，中間部分較低或者向下更接近襯底。盡管沒有畫出，但是如上所述，拱形梁的端部一般與錨或者其他參考結(jié)構(gòu)如互連橫桿連接。
圖7(b)所示為本發(fā)明中所述熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)的一個相似的實施例，用D-U-D(下-上-下)結(jié)構(gòu)表示。在熱激勵作用下，該實施例可以在第三維方向移動，具體地，向遠(yuǎn)離襯底的常平表面的方向移動。在此情況下，至少一個熱拱形梁的中間部分相應(yīng)地向遠(yuǎn)離常平表面的方向拱起，在拱形梁受到熱激勵作用時其中間部分進一步向遠(yuǎn)離該常平表面的方向拱起。換言之，在該D-U-D實施例中，拱形梁的中間部分比對應(yīng)的端部離該常平表面遠(yuǎn)。圖8所示為處于無激勵狀態(tài)和受激勵狀態(tài)時D-U-D拱形梁結(jié)構(gòu)的一個例子。無熱激勵狀態(tài)用用虛線表示，其位于用加黑實線表示的由于處于熱激勵狀態(tài)而拱起較大的D-U-D結(jié)構(gòu)下面。
如圖7所示，可以利用已有微型制造技術(shù)及工藝沉積的兩層或多層材料構(gòu)成U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，至少一個拱形梁包含距離下置微電子襯底最近的第一層和從襯底上進一步沉積而部分位于第一層上的第二層。例如，如圖所示，多晶硅構(gòu)成的第一和第二層可用于構(gòu)成U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)，因而其中間部分和各個端部相應(yīng)地由不同多晶硅層構(gòu)成。相應(yīng)地，需要兩個或更多制造工序用于沉積生成分別對應(yīng)D和U部分的第一和第二層。
然而，U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)也可以由單個材料層構(gòu)成。例如，可以在微電子襯底上沉積生成不同區(qū)域具有不同高度和面積的犧牲層。然后，在犧牲區(qū)域上沉積熱響應(yīng)材料層如多晶硅層。由于熱響應(yīng)材料層與犧牲層及顯露的襯底輪廓一致，熱響應(yīng)材料層可以具有相似的彎曲形狀。隨后可以去除犧牲層，從而形成由單材料層構(gòu)成的拱形梁，其具有如前所述的中間部分和端部，拱形梁離開襯底從而使得中間部分和兩個端部與下置襯底的間隔不同。相應(yīng)地，在拱形梁的兩個端部之間，中間部分光滑地拱起。后面將說明，可以采用多種材料和已有微型制造技術(shù)制造由單個共形層構(gòu)成的U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)。
盡管所述U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)地用于構(gòu)成可第三維移動的熱激勵結(jié)構(gòu)，但是這些單個的結(jié)構(gòu)在這點上受一定限制。例如，在熱激勵作用下，U-D-U結(jié)構(gòu)能夠進一步移動，遠(yuǎn)離下置襯底；而D-U-D結(jié)構(gòu)能夠進一步移動，接近下置襯底。U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)是可放大的即可以構(gòu)成陣列提供相對大的位移量。相應(yīng)地，本發(fā)明的一個實施例提供集成熱激勵U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)的能力的熱激勵結(jié)構(gòu)。如圖9(a)所示是本發(fā)明提供的集成U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)的實施例。該實施例包含形成常平表面的下置襯底、第一拱形梁、第二拱形梁、互連橫桿和一個錨。襯底、拱形梁和錨如前所述，而互連橫桿最好由相同材料構(gòu)成，但這不是必要的，拱形梁同樣如此。與如前所述的橫梁相似，互連橫桿由比第一和第二拱形梁的熱膨脹系數(shù)小的材料構(gòu)成。如此，熱激勵結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生可預(yù)測的、作為溫度的函數(shù)的位移量，因此可以被用作溫度調(diào)節(jié)器或溫度傳感器。如前，在熱激勵作用時，U-D-U和D-U-D實施例需要在互連橫桿與第一和第二拱形梁之間具有膨脹梯度。如前，在工作過程中，當(dāng)向第一和第二拱形梁施加熱激勵時，互連橫桿的膨脹最好與拱形梁不同，如更大或更小。對于前一例子，這可以通過對互連橫桿和第一及第二拱形梁施加不同熱激勵或者為其選擇不同材料來實現(xiàn)。
第一和第二拱形梁包含中間部分和兩個端部。例如，一個拱形梁可以具有U-D-U結(jié)構(gòu)，而另外一個拱形梁具有D-U-D結(jié)構(gòu)。在沒有熱激勵時，第一拱形梁拱起，從而其中間部分與微電子襯底之間間隔比兩個端部大。例如，如圖所示，D-U-D結(jié)構(gòu)表示第一拱形梁。相反地，在沒有熱激勵時，第二拱形梁拱起，從而其中間部分與微電子襯底之間間隔比兩個端部小。例如，如圖所示，U-D-U結(jié)構(gòu)表示第二拱形梁。進而，互連橫桿可操作地將第一和第二拱形梁的端部互相連接。例如，如圖所示，互連橫桿一般地為I型，當(dāng)然也可以采用其他許多形狀。如圖9(a)所示，連接構(gòu)件如247可以位于任何拱形梁上從而可以根據(jù)需要將U-D-U和D-U-D結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相連。至少有一個錨固定在襯底上并且根據(jù)不同應(yīng)用與第一拱形梁、第二拱形梁和互連橫桿中的至少一個相連接。然而，如上所述，錨通常地與一個拱形梁連接。當(dāng)向該實施例的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)施加選擇性熱激勵時，熱激勵拱形梁進一步拱起，從而改變橫桿與下置襯底所形成的常平表面之間的間隔。
相應(yīng)地，對第一梁即D-U-D梁結(jié)構(gòu)施加熱激勵，使中間部分與該常平表面進一步分開，從而相應(yīng)地進一步由此分開或提高互連橫桿。對第一和第二拱形梁同時施加熱激勵，使D-U-D和U-D-U結(jié)構(gòu)進一步拱起，從而使得本實施例的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一般的淚珠形狀。當(dāng)被完全激勵時，第一拱形梁的中間部分如D-U-D結(jié)構(gòu)的U型部分與該常平表面之間間隔為最大，對應(yīng)于淚珠狀形狀的頂部。如圖10所示為本實施例中所述熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)的例子處于平整無激勵淚珠狀和完全熱激勵淚珠狀的情形，其中顯示了互相連接的熱激勵結(jié)構(gòu)構(gòu)成的陣列。此外，為了便于說明，圖9(a)中示意表示由U-D-U梁、D-U-D梁和互連橫桿構(gòu)成的單元。
盡管可以對集成U-D-U和D-U-D的熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)完全施加熱激勵時使位移在第三維方向最大，但是位移總量受結(jié)構(gòu)大小的限制。相應(yīng)地，可以通過將這些熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)有益地結(jié)合成陣列而進一步增大位移量。如前，本發(fā)明的提供的熱激勵微電子陣列包含形成常平表面的微電子襯底和至少一個固定在襯底上的錨。此外，該熱激勵陣列包含多個熱激勵單元，每個單元包含如上所述的集成U-D-U和D-U-D熱激勵微型機電結(jié)構(gòu)。至少有一個熱激勵微型機電單元連接到至少一個通常地與一個拱形梁的中間部分相連的錨上并由此伸出。鄰近單元最好分別通過拱形梁的中間部分互相連接。例如，兩個U-D-U梁的中間部分與兩個D-U-D梁的中間部分或者一個U-D-U梁的中間部分與一個D-U-D梁的中間部分可以在鄰近熱激勵單元之間互相連接。如圖9(a)所示，本實施例的熱激勵陣列可以利用連接構(gòu)件247互相連接鄰近熱激勵單元構(gòu)成，其中連接構(gòu)件247從熱激勵單元內(nèi)的U-D-U和(或)D-U-D梁的中間部分伸出。
在一個有益的實施例中，其中所述的能夠進行第三維運動的任何熱激勵微型機電陣列包含可操作地連接鄰近熱激勵單元的平臺。例如，平臺250可用圖11、12和13中熱激勵陣列內(nèi)所示的黑盤表示。例如利用互連構(gòu)件，將平臺安裝在陣列上由陣列支撐，因此在對應(yīng)單元或陣列受選擇性熱激勵時，相應(yīng)單元或結(jié)構(gòu)與下置微電子襯底之間的間隔將改變。如果具有平臺，則平臺或盤可以是點、小圓點或者是可以根據(jù)實際應(yīng)用需要具有任何形狀和面積的結(jié)構(gòu)。此外，平臺可以支撐指示器或者本身作為指示器。進而，在一個有益的實施例中，平臺包含透鏡。盡管可采用任何類型的透鏡或快門結(jié)構(gòu)，平臺最好具有菲涅耳透鏡。對于與下置微電子襯底間隔可改變的任何結(jié)構(gòu)，透鏡平臺是具體有用的，從而透鏡可以相應(yīng)地用于聚焦或指引電能束。最好的是，圖12中所示熱激勵陣列實施例具有透鏡平臺，因為這個金字塔狀結(jié)構(gòu)適合于將透鏡相對于下置襯底升高或降低。進而，任何熱激勵實施例中所用平臺可以支撐或者本身作為可在熱激勵作用下與電磁輻射束選擇性相交的彈出鏡。如此，為了截取聚焦電磁能，可以根據(jù)需要將鏡平臺升高或降低。
能夠在第三維方向運動的熱激勵微型機電陣列的一個例子包含多個可操作地互相連接的熱激勵單元。熱激勵單元通過將一個熱激勵單元中第一拱形梁的中間部分與另一個鄰近熱激勵單元中第二拱形梁的中間部分相互連接而連接起來。當(dāng)至少一個熱激勵單元受到熱激勵時，相互連接的中間部分與微電子襯底形成的常平表面之間的間隔相應(yīng)地改變。如此，鄰近單元層疊在一起從而將每個單元在第三維方向?qū)ξ灰频呢暙I結(jié)合在一起。該實施例如圖10所示，并且在完全受熱激勵時類似于擴展三角構(gòu)架或樓梯狀。
熱激勵微型機電陣列的更進一步相關(guān)實施例如圖11所示，其中示意畫出了由D-U-D梁和相互連接的D-U-D梁構(gòu)成的熱激勵單元。在這個能夠第三維運動的附加實施例中，至少兩個熱激勵單元可操作地互相連接。熱激勵單元通過兩個鄰近熱激勵單元中第一拱形梁的中間部分連接。如前，當(dāng)至少一個熱激勵單元受到熱激勵時，相互連接的中間部分與微電子襯底所形成的常平表面之間間隔相應(yīng)地改變。相應(yīng)地，鄰近熱激勵單元互相連接從而在受到熱激勵時形成與三角構(gòu)架結(jié)構(gòu)類似的尖頂。
能夠第三維運動的熱激勵微型機電陣列的一個相關(guān)實施例如圖12所示。當(dāng)完全受熱激勵時，該結(jié)構(gòu)類似于金字塔，其中金字塔的頂點可遠(yuǎn)離或接近下置襯底及其常平表面。在這個實施例中，至少有四個熱激勵單元可操作地互相連接作為金字塔基。熱激勵單元通過所有四個鄰近熱激勵單元中第一拱形梁的中間部分連接。如前，當(dāng)至少一個熱激勵單元受到熱激勵時，相互連接的中間部分與微電子襯底所形成的常平表面之間間隔相應(yīng)地改變。相應(yīng)地，鄰近單元互相連接從而在受到熱激勵時形成金字塔狀。盡管其中介紹了許多能夠沿一維、二維或三維方向或軸運動的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，許多其他可在一維或多維方向運動的結(jié)構(gòu)也包含在本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)。
混合三維位移陣列結(jié)構(gòu)如所介紹，可以用其中所述熱激勵結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)成許多不同的熱激勵陣列結(jié)構(gòu)。對于所述結(jié)構(gòu)和單元構(gòu)成的陣列，它同樣是可放大的即可以構(gòu)造產(chǎn)生相對大的位移量。前面的實施例已經(jīng)包含了可在X-Y平面內(nèi)運動的陣列和其他可沿Z軸運動的陣列。然而，這些陣列能夠以多種方式有益地結(jié)合在一起構(gòu)成既可以在X-Y平面內(nèi)也可在與X-Y面相交的Z軸方向運動的陣列實施例。圖13只顯示了該混合熱激勵陣列的許多例子中的一個例子。實質(zhì)上，圖中的陣列包含前述陣列的互相連接的組合，如一個共面菱型熱激勵陣列與兩個集成U-D-U/D-U-D陣列互相連接。標(biāo)記為V1、V2、V3和V4的結(jié)點表示向一個或多個組成陣列選擇地施加熱激勵的點。向共面陣列施加熱激勵將使得X-Y/Z混合熱激勵陣列根據(jù)需要在X-Y平面內(nèi)運動。向一個或多個非共面集成U-D-U/D-U-D陣列施加熱激勵將相應(yīng)地使混合熱激勵陣列沿垂直于X-Y面的Z軸方向移動。當(dāng)然，可以對X-Y和Z軸熱激勵陣列同時施加熱激勵，從而可根據(jù)需要在所有三維方向的運動。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，可以對這些熱激勵陣列進行各種改變和組合，包括此處沒有具體介紹的可在X-Y和Z方向運動的其他許多實施例。進而，根據(jù)上面所述，這些實施例包含在此處所述的本發(fā)明熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列的精神和范圍之內(nèi)。
熱激勵的直接和間接加熱方法如上所述，在本發(fā)明中，熱激勵是熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列運動及位移的根源。熱激勵要求待移動的結(jié)構(gòu)如熱拱形梁在熱激勵作用下相對于鄰近結(jié)構(gòu)和微電子襯底優(yōu)先產(chǎn)生膨脹。通常地，使待移動結(jié)構(gòu)保持在相對較高的溫度。另一種方法是，用對溫度變化更敏感的材料制造待移動結(jié)構(gòu)。此外，可以有選擇性的施加熱激勵，將熱激勵施加到所選擇的結(jié)構(gòu)上并且可以根據(jù)需要施加激勵或撤除激勵。有許多技術(shù)可以用于可控地產(chǎn)生熱激勵。在這點上，可以對待移動結(jié)構(gòu)進行間接熱激勵，例如通過外部加熱器。不同溫度的氣體和液體可用于加熱或冷卻這些結(jié)構(gòu)從而產(chǎn)生間接熱激勵。另外一種方法是，通過直接加熱提供熱激勵，如至少在拱形梁的一些部分通過電流。直接加熱與間接加熱相比一般可以提供效率較高的熱激勵。由于拱形梁具有電阻，當(dāng)電流流經(jīng)拱形梁時將直接產(chǎn)生熱量。因為產(chǎn)生的熱量最靠近加熱地點，所以直接加熱具有較高效率的熱激勵，因而使熱量的損失最小化。
無論熱激勵由直接加熱還是間接加熱產(chǎn)生，都可以采用其他技術(shù)提高熱激勵效率。例如，有益地放置間接或外部加熱器使得只對需要熱激勵的絕大部分或全部的結(jié)構(gòu)進行加熱，例如靠近熱拱形梁。進而，如圖3(a)和3(b)所示以及前面對橫梁的介紹，可以用散熱器或類似裝置使不需要熱激勵的結(jié)構(gòu)保持比需要熱激勵的結(jié)構(gòu)冷。此外，由于相當(dāng)多的熱量流失到微電子襯底中，因此熱激勵結(jié)構(gòu)下面最好具有溝槽或腔，氣隙將拱形梁熱隔離以減少熱量損失。盡管這些技術(shù)可以用于提高熱激勵效率，但是當(dāng)采用間接加熱移動結(jié)構(gòu)時仍然存在固有的低效率問題。例如，放置間接加熱器使得它在容許的移動路線上可以始終加熱移動結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，在采用基于間接加熱的熱激勵時，總會有一部分熱量流失到微電子襯底及周圍的空氣中。
如上所述，在向移動結(jié)構(gòu)施加熱激勵時，可以采用直接加熱技術(shù)以減少熱量損失。由于通過在拱形梁或其他移動結(jié)構(gòu)中接通電流產(chǎn)生熱量，避免了不必要的熱量損失。直接加熱方式可以用于單個熱激勵結(jié)構(gòu)或單元中的拱形梁也可以用于熱激勵陣列。如圖1(a)和1(c)所示，可以設(shè)計熱拱形梁執(zhí)行器通過使電流流經(jīng)拱形梁跨度的至少一部分提供直接加熱拱形梁從而使執(zhí)行器直接受到熱激勵。例如，圖1(a)顯示電流I流經(jīng)由單材料制造拱形梁35的整個跨度從而電阻在整個跨度上是均勻的。在這個例子中，拱形梁35最好由單晶材料如硅或金屬材料如鎳構(gòu)成。
拱形梁或其他結(jié)構(gòu)橫截面積的不同可用于提供不同電阻，從而反過來在通過電流時產(chǎn)生差溫加熱。例如，拱形梁的橫截面積較小的部分具有較高的電阻從而受熱較多而比橫截面積較大的部分移動即膨脹大?？梢噪S意地在拱形梁上可控地?fù)诫s從而形成加熱所需要的預(yù)定電阻值。然而，如果拱形梁是一致的，那么流通電流所產(chǎn)生的熱量在拱形梁的整個跨度上均勻分布。在電流流經(jīng)拱形梁的整個跨度并加熱拱形梁的各個部分的例子中，其中所產(chǎn)生熱量的相當(dāng)大一部分通過位于拱形梁側(cè)面端部的錨流失到微電子襯底中。如此，加熱拱形梁的中間部分比比加熱拱形梁的側(cè)面端部對拱形梁移動的貢獻大許多。因此，因為拱形梁與錨之間的熱隔絕，加熱拱形梁的中間部分可以用更高的效率移動拱形梁。
相應(yīng)地，一個實施例的熱拱形梁執(zhí)行器設(shè)計為拱形梁的中間部分中產(chǎn)生的熱量比拱形梁的其余端部多。圖1(c)說明了該實施例的一個例子。如此，拱形梁的一些部分如中間部分具有更高電阻值，因而更多的熱量聚集在這些部分，因此其對拱形梁最終位移的貢獻更大，從而大大避免了熱量在拱形梁側(cè)部的流失。不同于圖1(a)和(b)中所示的實施例，此實施例中拱形梁構(gòu)造是不均勻的。
例如，如圖1(c)所示，至少錨和拱形梁側(cè)面端部的一部分可用作導(dǎo)電通道，從而拱形梁的中間部分的電阻相對較大。拱形梁最好由半導(dǎo)體材料如硅構(gòu)成，摻雜級別可根據(jù)需要變化以控制拱形梁跨度上的電阻，從而中間部分的電阻比端部大。另外一種方法是，拱形梁跨度的至少一部分如側(cè)面端部采用導(dǎo)電材料?？刹捎帽冗m宜于制造拱形梁的半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能更好的導(dǎo)電材料如金屬，更具體地如金或鋁。如上所述，當(dāng)電流i流經(jīng)具有中間部分和端部的拱形梁的跨度時，在具有較大電阻的中間部分中將產(chǎn)生明顯更多的電熱能。在任何情況下，拱形梁的中間部分將被優(yōu)先加熱，從而引起至少拱形梁的中間部分進一步拱起而不會對電阻較小的拱形梁的側(cè)端部進行不必要地加熱，因此大大避免了通過錨的熱量損失。由于較少的熱量浪費在拱形梁的端部，從而提供了效率更高的直接加熱。
直接加熱可有益地用于本發(fā)明所提供的共面、不共面和混合熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列。例如，如圖2(a)所示，一對觸點盤105和110可以放置在錨100上并與連續(xù)的導(dǎo)電通道連接，該通道至少包括圖中所示所有三個菱型熱激勵結(jié)構(gòu)/單元中拱形梁對的一部分。當(dāng)電能源260分別與觸點盤可操作地連接時，例如在二者之間施加一定電壓差時，電流i流經(jīng)導(dǎo)電通道而對至少一個拱形梁有選擇地通電并進行熱激勵。盡管本圖所示導(dǎo)電通道處于三個菱型熱激勵結(jié)構(gòu)外部圓周附近，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，導(dǎo)電通道也可處于單個菱型熱激勵結(jié)構(gòu)或單元圓周附近。例如，可以在觸點盤105和100之間通過熱拱形梁120和115形成連續(xù)電路回路，因此只有觸點盤附近的菱型單元可以被電加熱。
如前，通過選擇性摻雜或把導(dǎo)線用在拱形梁上，使導(dǎo)電通道沿?zé)峁靶瘟翰贾谩?dǎo)電通道的電阻最好比拱形梁其他部分的電阻小，但是電阻足夠大使得沿拱形梁跨度產(chǎn)生所需的熱量。如下所述，橫梁最好不覆蓋導(dǎo)電材料從而使得大部分電流經(jīng)過拱形梁從觸點盤流到觸點盤。如果橫梁也是導(dǎo)電的，因為平行于電路通道放置的橫梁端部之間的電壓差盡量最小，因而只有最小的漏泄電流流經(jīng)橫梁。例如，如圖16所示，從錨100流入菱型結(jié)構(gòu)的電流i分成沿拱形梁流經(jīng)導(dǎo)電通道的實質(zhì)上相等的兩個i/2部分。相應(yīng)地，如果有電流流經(jīng)橫梁，則電流很小，因為沒有電壓差產(chǎn)生流經(jīng)橫梁的電流。例如，如果在結(jié)點a和b之間沒有電位差，則當(dāng)然沒有電流流經(jīng)橫梁125。
在工作過程中，在拱形梁中通過電流對菱型熱激勵陣列進行熱激勵，例如如圖2所示通過提供電能源260產(chǎn)生電流在觸點盤105和110之間流動。當(dāng)電流i沿導(dǎo)電材料構(gòu)成的通道流動時，相應(yīng)地沿?zé)峁靶瘟寒a(chǎn)生熱量。熱量從導(dǎo)電材料通道傳遞到拱形梁的其余部分從而將拱形梁加熱。如此，每個拱形梁進一步拱起，因而在熱激勵作用下隨著每對梁進一步分開使每個菱型單元產(chǎn)生膨脹。每對梁的膨脹協(xié)同使得熱激勵菱型陣列沿預(yù)選方向51移動，因而使平臺相應(yīng)地移動。當(dāng)撤除電流時，每個菱型單元內(nèi)的拱形梁對恢復(fù)到無激勵時的位置。
類似地，上述討論適用于單個或成陣列的蝴蝶結(jié)型熱激勵結(jié)構(gòu)或單元。例如，用于蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)的直接加熱方法詳細(xì)情況類似地在圖2(c)中顯示，其中，在三個蝴蝶結(jié)型熱激勵單元形成的圓周附近通過觸點盤105和110形成導(dǎo)電通道。在工作過程中，蝴蝶結(jié)型陣列是獨特的，因為當(dāng)熱拱形組件梁受到熱激勵時蝴蝶結(jié)型陣列收縮而不是膨脹。每對梁協(xié)同收縮或縮短引起蝴蝶結(jié)型陣列沿預(yù)選方向52移動，因此相應(yīng)地使平臺移動。
圖4(a)和4(b)中的熱激勵執(zhí)行器結(jié)構(gòu)可以被直接加熱，盡管這些結(jié)構(gòu)僅包含一個拱形梁。盡管僅根據(jù)圖4(a)所示D型執(zhí)行器介紹直接加熱法，該討論同樣適用于圖4(b)所示執(zhí)行器。對于這些執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，采用橫梁對于直接加熱是有益地。如圖4(a)中所示，例如，可以通過位于錨100處的觸點盤如“+”和“-”引進電流i。橫梁262最好導(dǎo)電并且電阻比拱形梁264小。相應(yīng)地，電流對等地分開并分別流經(jīng)拱形梁的兩半，如兩個箭頭i/2所示。隨后電流將流經(jīng)互連構(gòu)件268而合并在一起流入下一個橫梁。在流經(jīng)下一個拱形梁時電流將重新分開。電流以這種方式流經(jīng)電路回路中連續(xù)的橫梁和拱形梁，重復(fù)上述的電流分開和合并過程直到電流i離開對應(yīng)地觸點盤。由于橫梁最好具有較小的電阻，拱形梁被電加熱而受到熱激勵達到更大范圍。如果橫梁由與拱形梁相同的材料構(gòu)成，根據(jù)加熱需要可利用不同的橫截面積在橫梁和拱形梁之間分布電阻。進而，同樣地可采用金屬沉積或受控?fù)诫s方法來定制電阻。類似于對應(yīng)于菱型和蝴蝶結(jié)型陣列的圖14和15所示結(jié)構(gòu)，D型執(zhí)行器結(jié)構(gòu)也可以以平行陣列結(jié)構(gòu)被直接加熱。
可以采用其他技術(shù)直接加熱共面菱型和蝴蝶結(jié)型熱激勵陣列。例如，圖14和15中顯示了分別用于菱型和蝴蝶結(jié)型陣列的替代直接加熱裝置。在各圖中，通過錨100提供以“+”和“-”表示的觸點盤，盡管無須考慮其間電流的極性也同樣地能夠進行直接加熱。對于這些實施例，電流從一個觸點盤中流出經(jīng)過第一陣列和串聯(lián)的第二陣列逐步回到另一個觸點盤從而形成連續(xù)回路。實質(zhì)上，電路回路由串聯(lián)的熱激勵陣列構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)可以為反射熱激勵陣列提供較大的力，但實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)需要很大的面積。盡管分別如圖2(a)和2(c)所示的直接加熱裝置產(chǎn)生的離較小，但最好選擇這些裝置，因為它們需要的襯底面積比圖14和15中的裝置小許多。
此外，也可以使用直接加熱方法對非共面結(jié)構(gòu)如圖7到12中所示的U-D-U和D-U-D熱激勵結(jié)構(gòu)施加熱激勵。進而，可以對上述可三維移動的混合X-Y平面/Z軸熱激勵陣列進行直接加熱。例如，圖13中的混合陣列具有用于施加熱激勵的四個結(jié)點V1-V4。通過控制四個結(jié)點處的電壓，可以對一個、幾個或所有X-Y和Z陣列組件有選擇地施加熱激勵。因此，這種結(jié)構(gòu)可以提供使陣列受熱激勵的直接加熱和(或)控制。例如，如果設(shè)定結(jié)點V1和V3的電勢為+V伏特，結(jié)點V2和V4的電勢為-V伏特，則箭頭251將沿Z方向運動。如果設(shè)定V1和V2為+V伏特，結(jié)點V3和V4為-V伏特，則箭頭251可同時沿Z和Y方向運動。當(dāng)然，在本發(fā)明范圍內(nèi)也可以有許多其他陣列構(gòu)造和結(jié)點電壓設(shè)定。熱激勵陣列越復(fù)雜，直接加熱的選擇性熱激勵的益處和效率會越高。
如上所述，所述MEMS熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列在一、二和(或)三維方向是可移動的。此外，該熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列可以提供很大的移動和位移量。如此，這些熱激勵MEMS結(jié)構(gòu)可用于各種需要或喜歡在這些方向有位移的應(yīng)用中。例如，上述MEMS熱激勵結(jié)構(gòu)和陣列的實施例可用于各種大量應(yīng)用，例如可變電容器、感應(yīng)器、電阻器、開關(guān)和繼電器、光開關(guān)和互連陣列、電磁閘、閥、自動調(diào)溫器、溫度傳感器等等。
在附圖和說明中，公開了本發(fā)明的典型的優(yōu)選實施例，盡管其中使用了特定術(shù)語，但是僅在一般及描述意義上使用，并不是為了限制隨后的權(quán)利要求要求的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種熱激勵微型機電機構(gòu)，包括微電子襯底；至少一個固定在所述微電子襯底上的錨；以及一對拱形梁，每個拱形梁具有中間部分和兩個端部，其中所述拱形梁對的相對的端部可操作地互相連接，并且其中，所述拱形梁對中的一個拱形梁與至少一個錨連接，使得拱形梁對從至少一個錨上伸出形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，覆在所述微電子襯底上，并且其中，熱激勵作用使拱形梁對進一步拱起，從而相應(yīng)地沿預(yù)定路徑相對于微電子襯底移動。
2．如權(quán)利要求1所述的微型機電結(jié)構(gòu)，還具有橫梁，其放置在所述拱形梁對之間，從而可操作地連接所述拱形梁對的相對的端部。
3．如權(quán)利要求2所述的微型機電結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)微型機電結(jié)構(gòu)受熱激勵時，橫梁比拱形梁對受熱少。
4．如權(quán)利要求1所述的微型機電結(jié)構(gòu)，其中所述拱形梁對排列為，使其凹進部分互相面對，形成可在熱激勵作用下沿預(yù)定路線膨脹的一般菱型結(jié)構(gòu)。
5．如權(quán)利要求1所述的微型機電結(jié)構(gòu)，其中所述拱形梁對排列為，使得其凸出部分互相面對，形成可在熱激勵作用下沿預(yù)定路線收縮的一般蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)。
6．如權(quán)利要求1所述的微型機電結(jié)構(gòu)，還具有導(dǎo)向面，以及，至少一個滾軸，其放置在拱形梁對和所述導(dǎo)向面之間，使得在熱激勵作用下，通過至少一個滾軸沿導(dǎo)向面的移動而引導(dǎo)拱形梁對沿預(yù)定路線移動。
7．如權(quán)利要求1所述的微型機電機構(gòu)，還具有導(dǎo)向面，所述導(dǎo)向面確定了在長度方向上延伸以確定所述拱形梁對的預(yù)定運動路線的軌道，其中所述拱形梁對被該軌道接受，從而響應(yīng)于選擇性的熱激勵作用沿預(yù)定運動路線被導(dǎo)引。
8．如權(quán)利要求1所述的微型機電機構(gòu)，還包括用來向所述拱形梁對選擇性地施加熱激勵的加熱器。
9．如權(quán)利要求8所述的微型機電機構(gòu)，其中所述加熱器包括電源和導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑沿所述拱形梁對設(shè)置，所述電源可操作地連接于所述導(dǎo)電路徑以對所述拱形梁對選擇性地加熱。
10．如權(quán)利要求1所述的微型機電機構(gòu)，其中使所述拱形梁對沿從一維運動路線和二維運動路線中選擇的預(yù)定路線移動。
11．一種熱激勵微型機電機構(gòu)，包括微電子襯底；至少一個固定在所述微電子襯底上的錨；一個拱形梁，該拱形梁具有中間部分和兩個端部；以及一個橫梁，該橫梁與所述拱形梁的相對的端部可操作地連接，使得所述中間部分與該橫梁的距離不同于所述兩個端部與該橫梁的距離，其中所述拱形梁和所述橫梁中的至少一個與至少一個錨連接，使得所述拱形梁和所述橫梁以懸臂梁結(jié)構(gòu)覆蓋在所述微電子、襯底上，而且其中，熱激勵作用使所述中間部分進一步拱起以改變其與橫梁的距離，從而沿預(yù)定路徑相對于微電子襯底移動。
12．如權(quán)利要求11所述的微型機電結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)微型機電結(jié)構(gòu)受熱激勵時，橫梁比所述拱形梁受熱少。
13．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)，其中所述橫梁和所述拱形梁用具有不同熱膨脹系數(shù)的材料形成。
14．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)所述橫梁的橫截面積大于所述拱形梁。
15．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)，還包括用來向所述拱形梁和所述橫梁中的至少一個選擇性地施加熱激勵的加熱器。
16．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)，其中所述中間部分與該橫梁的距離大于所述兩個端部與該橫梁的距離，使得響應(yīng)于熱激勵，所述中間部分拱起更遠(yuǎn)離所述拱梁。
17．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)，其中所述中間部分與該橫梁的距離小于所述兩個端部與該橫梁的距離，使得響應(yīng)于熱激勵，所述中間部分拱起更靠近所述拱梁。
18．如權(quán)利要求11所述的微型機電機構(gòu)，其中所述拱形梁和所述橫梁還包括一個熱激勵單元，所述微機電結(jié)構(gòu)還包括多個熱激勵單元，各熱激勵單元都與相鄰的熱激勵的單元互連，使得所述各個熱激勵單元響應(yīng)于至少一個單元的熱激勵可操作地沿預(yù)定路線移動。
19．一種熱激勵微型機電陣列，包括微電子襯底；至少一個固定在所述微電子襯底上的錨；以及多個熱激勵的微機電單元，其中每個熱激勵的微機電單元包括一對可操作地端部相互的拱形梁，其中第一熱激勵的微機電單元與至少一個錨相連并從其延伸，其它的熱激勵的微機電單元與該第一熱激勵的微機電單元相連，使得多個微機電單元由此從所述一個錨上延伸形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，覆蓋在所述微電子襯底上，并且其中，選擇性熱激勵作用使至少一個熱激勵的微機電單元的拱形梁對進一步拱起，從而使多個熱激勵的微機電單元相應(yīng)地沿預(yù)定路徑相對于微電子襯底移動。
20．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中每個熱激勵的微機電結(jié)構(gòu)還具有橫梁，其放置在所述拱形梁對之間，從而可操作地連接拱形梁對的相對的端部。
21．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中當(dāng)各個熱激勵的微機電單元受熱激勵時，橫梁比拱形梁對受熱少。
22．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中所述第一熱激勵的微機電單元通過第一熱激勵的單元內(nèi)的所述拱形梁對的一個的中間部分與所述一個錨相連。
23．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中至少一個熱激勵的微機電單元的所述拱形梁對排列為，使其凹進部分互相面對，形成可在熱激勵作用下沿預(yù)定路線膨脹的一般菱型結(jié)構(gòu)。
24．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中至少一個熱激勵的微機電單元的所述拱形梁對排列為，使得其凸出部分互相面對，形成可在熱激勵作用下沿預(yù)定路線收縮的一般蝴蝶結(jié)型結(jié)構(gòu)。
25．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，還具有導(dǎo)向面，以及，至少一個滾軸，其放置在拱形梁對和所述導(dǎo)向面之間，使得在熱激勵作用下，通過至少一個滾軸沿導(dǎo)向面的移動而引導(dǎo)拱形梁對沿預(yù)定路線移動。
26．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，還包括用來向所述至少一個熱激勵的微機電單元選擇性地施加熱激勵的加熱器。
27．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中所述加熱器包括電源和導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑沿所述拱形梁對設(shè)置，所述電源可操作地連接于所述導(dǎo)電路徑以對所述拱形梁對選擇性地加熱。
28．如權(quán)利要求19所述的微型機電陣列，其中使所述多個熱激勵的微機電單元沿從一維運動路線和二維運動路線中選擇的預(yù)定路線移動。
29．如權(quán)利要求19所述的微型機電機構(gòu)陣列，其中還包括多個Z軸墊激勵單元，其中所述微電子襯底定義通常為平面的X-Y面，且各Z軸熱激勵單元包括第一拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第一拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更遠(yuǎn)離所述X-Y面；第二拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第二拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更靠近所述X-Y面；互連橫桿，其可操作地將所述第一和第二拱形梁的端部互連，其還被可操作地可連相鄰的熱激勵單元，其中所述熱激勵的微機電單元與所述多個Z軸熱激勵單元可操作地連接，使得所述熱激勵微機電單元的選擇性熱激勵將其中的拱形梁進一步拱起以在與X-Y面平行的平面內(nèi)移動可操作地相連的Z軸熱激勵單元和熱激勵微型機電單元，并使得所述Z軸熱激勵單元的選擇性熱激勵將其中的拱形梁進一步拱起，以沿Z軸與X-Y垂直地移動可操作地相連的Z軸熱激勵單元和熱激勵微型機電單元。
30．如權(quán)利要求29所述的微型機電陣列，還包括一個與所述熱激勵的微機電單元與所述多個Z軸熱激勵單元可操作地相連的平臺，使得響應(yīng)于選擇性熱激勵可改變平臺與微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
31．一種熱激勵微型機電機構(gòu)，包括微電子襯底，其定義一個通常為平面的表面；至少一個固定在所述微電子襯底上的錨；以及至少一個拱形梁，該至少一個拱形梁具有中間部分和兩個端部，并與至少一個錨連接，在沒有熱激勵的情況下所述至少一個拱形梁沿與所述襯底的通常為平面的表面不平行的方向拱起；其中所述至少一個拱形梁的選擇性熱激勵使所述至少一個拱形梁沿與所述襯底的通常為平面的表面不平行的方向進一步拱起，使得中間部分拱形梁比兩端的角度大，由此進一步改變中間部分到所述襯底的通常為平面的表面的距離。
32．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)所述至少一個拱形梁沿遠(yuǎn)離所述襯底的通常為平面的表面的方向拱起，使得所述至少一個拱形梁的中間部分響應(yīng)于其選擇性熱激勵進一步遠(yuǎn)離通常為平面的表面。
33．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)所述至少一個拱形梁沿靠近所述襯底的通常為平面的表面的方向拱起，使得所述至少一個拱形梁的中間部分響應(yīng)于其選擇性熱激勵進一步靠近通常為平面的表面。
34．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)，其中所述至上拱形梁包含第一層和第二層，第二層至少部分地覆蓋第一層，且其中間部分和兩個端部分別位于不同的層上。
35．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)，其中所述至少一個拱形梁的中間部分在兩個端部之間平滑地拱起。
36．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)，還包括用來向所述至少一個拱形梁選擇性地施加熱激勵的加熱器。
37．如權(quán)利要求31所述的微型機電機構(gòu)，其中所述加熱器包括電源和導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑沿所述至少一個拱形梁設(shè)置，所述電源可操作地連接于所述導(dǎo)電路徑以對所述至少一個拱形梁選擇性地加熱。
38．一種熱激勵微型機電機構(gòu)，包括微電子襯底，其定義一個通常為平面的表面；第一拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第一拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更遠(yuǎn)離所述襯底、第二拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第二拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更靠近所述所述襯底、以及互連橫桿，其可操作地將所述第一和第二拱形梁的端部互連，其還被可操作地可連相鄰的熱激勵單元；以及至少一個固定在所述微電子襯底上的錨，該至少一個錨固定在所述第一拱形梁、第二拱形梁和互連橫桿中的至少一個上；其中所述至少一個拱形梁的選擇性熱激勵使所述至少一個拱形梁進一步拱起，以改變通常為平面的表面到所述微電子襯底的距離。
39．如權(quán)利要求38所述的微型機電機構(gòu)，還包括用來向所述第一拱形梁和第二拱形梁的至少一部分選擇性地施加熱激勵的加熱器。
40．如權(quán)利要求38所述的微型機電機構(gòu)，其中所述加熱器包括電源和導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑沿所述第一拱形梁和第二拱形梁設(shè)置，所述電源可操作地連接于所述導(dǎo)電路徑以對所述第一拱形梁和第二拱形梁選擇性地加熱。
41．一種熱激勵微型機電陣列，包括微電子襯底，其定義一個通常為平面的表面；至少一個固定在所述微電子襯底上的錨；以及多個熱激勵單元，其中至少一個熱激勵單元與至少一個錨相連并從其延伸，且各熱激勵單元還包括第一拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第一拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更遠(yuǎn)離所述襯底第二拱形梁，其具有中間部分和兩個端部，其中在沒有熱激勵時，該第二拱形梁拱起以使得中間部分比兩個相對的端部更靠近所述所述襯底；以及互連橫桿，其可操作地將所述第一和第二拱形梁的端部互連，其還被可操作地可連相鄰的熱激勵單元
42．如權(quán)利要求41所述的微型機電陣列，還包括用來向各熱激勵單元的所述第一拱形梁和第二拱形梁的至少一部分選擇性地施加熱激勵的加熱器。
43．如權(quán)利要求41所述的微型機電陣列，其中所述加熱器包括電源和導(dǎo)電路徑，所述導(dǎo)電路徑沿各熱激勵單元的所述第一拱形梁和第二拱形梁設(shè)置，所述電源可操作地連接于所述導(dǎo)電路徑以對所述第一拱形梁和第二拱形梁選擇性地加熱。
44．如權(quán)利要求41所述的微型機電陣列，其中至少兩個相鄰的熱激勵單元通過一個熱激勵單元的第一拱形梁的中間部分和另一個相鄰的熱激勵單元的第二拱形梁的中間部分可操作地連接，使得響應(yīng)于至少所述兩個的熱激勵單元中的至少一個熱激勵單元的熱激勵，改變所述互連的中間部分和微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
45．如權(quán)利要求41所述的微型機電陣列，其中至少兩個相鄰的熱激勵單元通過一個熱激勵單元的第一拱形梁的中間部分和另一個相鄰的熱激勵單元的第一拱形梁的中間部分可操作地連接，使得響應(yīng)于至少所述兩個的熱激勵單元中的至少一個熱激勵單元的選擇性熱激勵，改變所述互連的中間部分和微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
46．如權(quán)利要求45所述的微型機電陣列，還包括一個與所述至少兩個的熱激勵單元的互連的中間部分可操作地相連的平臺，使得響應(yīng)于選擇性熱激勵可改變平臺與微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
47．如權(quán)利要求41所述的微型機電陣列，其中至少四個相鄰的熱激勵單元通過四個熱激勵單元的每一個的第一拱形梁的中間部分可操作地連接，使得響應(yīng)于所述至少四個熱激勵單元中的至少一個熱激勵單元的熱激勵，改變所述互連的中間部分和微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
48．如權(quán)利要求47所述的微型機電陣列，還包括一個與所述至少四個的熱激勵單元的互連的中間部分可操作地相連的平臺，使得響應(yīng)于選擇性熱激勵可改變互連的中間部分與微電子襯底的通常為平面的表面的距離。
全文摘要
提供能夠在選擇性熱激勵作用下沿一維、二維和(或)三維方向運動的微型機電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)和陣列?？商峁┫喈?dāng)大的可放大位移。在一個實施例中,熱拱形梁對可操作地互相連接并受到熱激勵,從而形成能夠在平行于下置襯底的平面內(nèi)沿一維和(或)兩維運動。一個實施例具有與橫梁可操作地連接的拱形梁由此在受熱激勵時其中間部分進一步拱起而改變與橫梁之間的間隔。在另一個實施例中,至少一個熱拱形梁能夠在不平行于下置襯底的平面的方向移動。在熱激勵作用下,該拱形梁的中間部分拱起程度比熱拱形梁端部大,從而改變中間部分與下置襯底之間的間隔。一個實施例結(jié)合具有中間部分的第一和第二拱形梁,從而可以在與下置襯底所形成平面不平行的相反方向拱起程度更大。在熱激勵作用下,該中間部分在與下置襯底不平行的相反方向拱起,從而改變中間部分與下置襯底之間的間隔。提供的混合熱激勵結(jié)構(gòu)將可在平面內(nèi)和非平面內(nèi)運動的陣列結(jié)合起來,從而在選擇性熱激勵作用下可以實現(xiàn)所有三維運動。
文檔編號H01H1/00GK1302445SQ00800739
公開日2001年7月4日 申請日期2000年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月3日
發(fā)明者愛德華·A·希爾, 威加亞庫馬·R·德胡勒 申請人:克羅諾斯集成微系統(tǒng)公司