本实用新型涉及一种压电型微机电致动器设备。
背景技术：
如已知的，致动器是将一种类型的物理变量转换成不同类型的物理变量的设备，并且源自该转换的变量通常涉及某种形式的移动或机械动作。
最近，已经提出了可以利用所谓的MEMS(微机电系统)半导体技术获得并且可以因此以非常受限的成本生产的微米和纳米尺寸致动器(也称作微致动器或纳米致动器)。它们可以用在各种设备中，尤其是在移动设备和便携设备中。
微致动器的示例为阀、开关、泵、线性和旋转微电机、以及线性定位设备。
已知的微致动器基本上根据四个物理学原理进行工作：
-静电原理：它们利用以相反方式充电的导体之间的吸引；
-热原理：它们利用由于热膨胀或收缩而导致的位移；
-压电原理：它们利用由于电场感应到的应变和应力而导致的位移；以及
-磁原理：它们利用由于具有磁特性的不同元件(比如永磁体、外部磁场、可磁化材料和电流导体)之间的交互而导致的位移。
关于功耗、移动速度、施加的力、移动幅度、移动轨迹、易制性、施加的电信号的幅度、鲁棒性以及敏感度，每种技术都有优点和限制，这些优点和限制使其在特定应用(而非其他应用)中是有利的并且因此确定了使用领域。
在下文中，MEMS致动器设备被认为根据压电原理进行操作并且尤其能够利用TFP(薄膜压电)MEMS技术。
TFP MEMS技术目前使用单层压电片致动模式，在该模式中，通常包括安排在彼此顶部上的至少两层的结构(薄膜、梁或悬臂)由于感应到的应变的变化而弯曲。在此情况下，这些层之一(称作“有源层”)中存在受控的应变改变，导致了其他一层或多层(还称作“非有源层或无源层”)的“无源”应变，因此使该结构弯曲。
上述技术有利地用于在期望竖直移动(即，在垂直于该结构的位置的平面的方向上的移动)的应用中(比如在液体喷墨印刷头、自动调焦系统、微泵、微开关等等中)使薄膜或梁或悬臂弯曲。
例如，在图1A和图1B中，展示了在第一端2处被约束并且在第二端3处自由弯曲的悬臂梁1。梁1在此由层的堆叠形成，该层堆叠包括例如采用第一导电类型(在此为P型)的半导体材料的支撑层5、形成压电层的例如采用本征(非掺杂)半导体材料的有源层6、以及例如采用第二导电类型(在此为N型)的半导体材料的顶层7。
在反向偏置的情况下，如在图1B中所展示的，所施加的电场导致了使自由端3向下弯曲的梁1的应变。
在图2A和图2B中展示了应用在光学设备中的压电式MEMS致动器的实施例。在这些附图中，用10标示的光学设备包括玻璃制薄膜15，该薄膜通过采用聚合材料的透镜元件11搁置在支撑体12(同样是玻璃的)上并且承载被安排成距彼此一定距离的两个压电区13。在未进行偏置的情况下，薄膜15和透镜元件11具有平坦的表面并且并未修改横向于该薄膜和该透镜元件的光束16的路径。在对压电区13进行偏置时，这些压电区导致薄膜15变形。薄膜15的中心区域的变形被传输至透镜元件11，该透镜元件的顶表面变弯，从而修改了透镜元件11的焦点以及因此光束16的路径。因此可以修改设备10的光学传输特性。
在图1A、图1B、图2A和图2B所展示的示例中，通过对压电层进行偏置而生成的应变导致了在垂直于压电层的延伸平面的竖直方向上的变形。
直到现在，还不可以利用压电原理来生成梁或薄膜“在平面中”(即，在平行于这两个主延伸方向的方向上)的移动。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种根据压电原理进行操作并且在平面中作用的MEMS致动器。
根据本实用新型，提供了一种压电型MEMS致动器设备(100；200)，包括衬底(28)和基础单元(22A；122A)，所述基础单元包括：基础梁元件(20)，所述基础梁元件具有第一端(20A)、第二端(20B)、在延伸平面中的主延伸以及在垂直于所述延伸平面的厚度方向上的小于所述主延伸的厚度；压电区(29)，所述压电区在所述梁元件之上或之中；锚区(23)，所述锚区相对于所述基础梁元件并且相对于所述衬底(28)被固定；以及基础约束结构(21)，所述基础约束结构连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端，所述约束结构被配置成用于基本上允许所述基础梁元件的所述第二端在所述延伸平面中的移动并且防止或基本上减少所述基础梁元件在所述厚度方向上的变形。
在一些实施例中，所述基础约束结构包括基础约束元件(31)和基础铰链结构(25；125)，所述基础约束元件在所述厚度方向上不可变形，所述基础铰链结构被安排在所述基础梁元件(20)与所述基础约束元件(31)之间。
在一些实施例中，所述基础约束元件(31)具有大于所述基础梁元件(20)的厚度。
在一些实施例中，所述锚区(23)在所述基础梁元件(20)的所述第一端与所述衬底(28)之间延伸，并且所述基础约束元件(31)包括壁，所述壁平行于所述基础梁元件延伸并且锚定至所述衬底(28)。
在一些实施例中，所述基础铰链结构(25)包括铰链区(26，27)，所述铰链区连接至所述基础梁元件(20)的所述第二端以及至所述基础约束元件(31)，所述铰链区具有比所述基础梁元件和所述约束元件更小的宽度以及在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的厚度。
在一些实施例中，所述基础单元(22A)通过所述基础铰链结构(25)连接至第一横向单元(22B)，所述第一横向单元(22B)由第一横向梁元件(40)和第一横向约束结构(41)形成，所述第一横向梁元件(40)具有在所述延伸平面中的主延伸、在所述厚度方向上小于其主延伸的厚度、对应的第一端(40A)以及对应的第二端(40B)，并且承载对应的压电区(49)，所述第一横向约束结构(41)刚性连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)并且铰接至所述第一横向梁元件的所述第二端(40B)，所述第一横向约束结构(41)被配置成基本上允许所述第一横向梁元件在所述延伸平面中的变形并且防止或基本上减少所述第一横向梁元件在所述厚度方向上的变形。
在一些实施例中，所述基础单元(22A)通过基础杠杆臂(33)连接至所述第一横向单元(22B)，所述基础杠杆臂连接至所述基础铰链结构(25)以及至所述第一横向约束结构(41)。
在一些实施例中，所述第一横向梁元件(40)在静止时平行于所述基础梁元件(20)延伸，并且所述基础杠杆臂(33)在静止时垂直于所述基础梁元件(20)延伸。
在一些实施例中，所述基础铰链结构(25；125)包括第一基础铰链元件(26)和第二基础铰链元件(27)，所述第一基础铰链元件安排在所述基础梁元件(20)的所述第二端与所述基础杠杆臂(33)的一端之间，所述第二基础铰链元件安排在所述基础杠杆臂(33)的所述端与所述基础约束元件(31)之间，所述第一和第二基础铰链元件(26，27)具有在所述厚度方向上大于所述基础梁元件(20)的对应厚度以及在所述延伸平面中小于所述基础梁元件和所述基础杠杆臂(33)的宽度。
在一些实施例中，所述第一横向单元(22B)包括第一横向杠杆臂(42)，所述第一横向杠杆臂耦合至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)并且连接至所述基础杠杆臂(33)。
在一些实施例中，所述第一横向约束结构(41)包括第一横向约束臂(52)和第一横向铰链结构(44)，所述第一横向约束臂(52)在静止时平行于所述第一横向梁元件(40)且在距其一定距离处延伸并且具有第一端和第二端，所述第一端刚性地连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)，所述第二端通过所述第一横向铰链结构(44)连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)。
在一些实施例中，所述第一横向铰链结构(44)包括第一横向铰链元件(46)和第二横向铰链元件(47)，所述第一横向铰链元件安排在所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)与所述第一横向杠杆臂(42)之间，所述第二横向铰链元件安排在所述第一横向杠杆臂(42)与所述第一横向约束臂(52)的所述第二端之间，所述第一和第二横向铰链元件(46，47)具有在所述厚度方向上大于所述第一横向梁元件(40)的对应厚度以及在所述延伸平面中小于所述第一横向杠杆臂(42)和所述第一横向约束臂(52)的宽度。
在一些实施例中，所述第一横向单元(22B)包括第二横向杠杆臂(43)，所述第二横向杠杆臂耦合至在所述第一横向杠杆臂(42)的对侧上的所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)，并且所述第一横向约束结构(41)进一步包括第二横向约束臂(53)和第二横向铰链结构(45)，所述第二横向约束臂(53)在静止时平行于所述第一横向梁元件(40)且在距其一定距离处延伸并且具有第一端和第二端，所述第一端刚性地连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)，所述第二端通过所述第二横向铰链结构(45)连接至所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)。
在一些实施例中，所述第二横向铰链结构(45)包括第三横向铰链元件(46)和第四横向铰链元件(47)，所述第三横向铰链元件安排在所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)与所述第二横向杠杆臂(43)之间，所述第四横向铰链元件安排在所述第二横向杠杆臂(43)与所述第一横向约束臂(53)的所述第二端之间，所述第三和第四横向铰链元件(46，47)具有大于所述第一横向梁元件(40)的对应厚度以及在所述延伸平面中小于所述第二横向杠杆臂(43)和所述第二横向约束臂(53)的宽度。
在一些实施例中，所述第一横向单元(22B)通过所述第二横向杠杆臂(43)连接至第二横向单元(22C)，所述第二横向单元(22C)由第二横向梁元件(60)和第二横向约束结构(61)形成，所述第二横向梁元件(60)具有在所述延伸平面中的主延伸、在所述厚度方向上的厚度、对应的第一端(60A)以及对应的第二端(60B)并且承载对应压电区(69)，所述第二横向约束结构(61)相对于所述第二横向梁元件(60)的所述第一端(60A)固定并且铰链至所述第二横向梁元件的所述第二端(60B)以及至所述第一横向单元(22B)，所述第二横向约束结构(61)被配置成用于基本上允许所述第二横向梁元件(60)在所述延伸平面中的变形并且防止或基本上减少所述第二横向梁元件(60)在所述厚度方向上的变形。
在一些实施例中，进一步包括第一连接臂(36)，所述第一连接臂刚性连接至所述基础杠杆臂(33)以及至所述第一横向杠杆臂(42)；所述第一横向杠杆臂在静止时平行于所述基础杠杆臂(33)且在距其一定距离处延伸，并且所述第一连接臂(36)在静止时横向于所述基础杠杆臂(33)以及横向于所述第一横向杠杆臂(42)在所述基础单元(22A)与所述第一横向单元(22B)之间延伸。
在一些实施例中，所述第二横向单元(22C)包括铰链至所述第二横向梁元件(60)的所述第二端(60B)的第三横向杠杆臂(62)，所述设备进一步包括在静止时平行于所述第一和第二横向梁元件(40，60)延伸的第二连接臂(56)，所述第二连接臂(56)相对于所述第二横向杠杆臂(43)并且相对于所述第三横向杠杆臂(62)被固定并且在所述第一与第二横向梁元件(40，60)之间延伸。
在一些实施例中，在静止时，所述第一横向梁元件(40)的所述第一端(40A)和所述第二横向梁元件(60)的所述第一端(60A)相对于彼此对准，并且所述第一横向梁元件(40)的所述第二端(40B)和所述第二横向梁元件(60)的所述第二端(60B)相对于彼此对准。
在一些实施例中，所述基础杠杆臂(33)和所述第一横向杠杆臂(42)沿彼此延伸并且刚性连接至彼此，并且所述第二横向杠杆臂(43)铰链至所述第二横向单元(22C)的所述第二横向约束结构(61)。
在一些实施例中，所述基础单元(22A)以及所述第一和第二横向单元(22B，22C)形成在采用半导体材料的同一单片层(21)中。
在实践中，现有MEMS致动器包括承载压电区并且具有约束至衬底的第一端以及连接至Z约束结构的第二端的梁。Z约束结构防止或基本上减少梁的第二端在竖直方向上的偏转，但是允许第二端在梁通过压电效应经历变形时在平面中移位。具体地，Z约束结构使得竖直方向上的位移相对于平面中的位移少5％。相对于梁的第二端固定并且枢接于Z约束结构处的杠杆结构放大了后者的平面内移动。该平面内移动可以被类似的压电单元进一步放大，以利用期望的幅度生成致动器的平面内移动。
附图说明
为了更好地理解本实用新型，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图来描述本实用新型的优选实施例，在附图中：
-图1A和图1B分别是在静止条件下以及在变形条件下的压电型MEMS致动器的简化侧视图；
-图2A和图2B是在光学设备中使用的另一压电型MEMS致动器的简化侧视图；
-图3是本致动器的实施例的简化透视图；
-图4是图3的致动器的顶视平面图；
-图5是图3的致动器的等效机械图；
-图6是图3和图4的致动器的一部分的放大比例的横截面；
-图7是图3和图4的致动器的一部分在静止条件下(用实线表示)以及在变形条件下(用虚线表示)的简化侧视图；
-图8是图3和图4的致动器的细节在静止条件下(用实线表示)以及在变形条件下(用虚线表示)的放大比例的顶视平面图；
-图9是图3和4的致动器在变形条件下的简化透视图；
-图10是图3和4的致动器在变形条件下的顶视平面图；
-图11以顶视平面图示出了本致动器在变形条件下的不同实施例；以及
-图12以顶视平面图示出了本致动器在变形条件下的又另一实施例。
具体实施方式
图3和图4示出了用MEMS技术制成的致动器100的实施例，该致动器根据压电原理进行操作并且可在平面中移动。
致动器100包括采用半导体材料(例如，单晶硅或多晶硅)的单片区121，该单片区例如通过在牺牲层上的外延生长来获得并且经由常见的光刻掩模和化学蚀刻步骤来限定以形成多个单元22，该多个单元彼此串联连接并且相对于彼此是单片的。
在展示的示例中，单元22包括基础单元22A、第一横向单元22B和第二横向单元22C，第一横向单元和第二横向单元如在下文中所解释的那样安排在基础单元22A的一侧并且串联连接至该基础单元。可能的其他横向单元可以串联连接至第二横向单元22C，如果这样期望的话。此外，其他横向单元可以设置在基础单元22A的相反侧上，在此情况下，基础单元22A具有纵向对称性。
在静止条件下，在展示的实施例中(即，在不存在偏置的情况下)，单元22由平行或横向于彼此(例如，垂直于彼此)延伸的细长元件形成。虽然如参照图7至图10在下文中所描述的那样在致动时单元22的一些元件相对于静止位置经历了变形、旋转或者平移，但是以下说明引用了展示在图3和图4中的静止条件。
基础单元22A基本上由基础梁20、由第一柱23和第二柱24、由约束臂31以及由基础铰链结构25、形成基础约束结构21的约束臂31和基础铰链结构25形成。基础单元22A进一步包括枢接在基础约束结构21上的基础杠杆臂33。
基础梁20具有平行于笛卡尔参考系XYZ的轴Y的主延伸(长度)，并且具有第一端20A和第二端20B。基础梁20的第一端20A通过第一柱23约束到例如单晶硅的衬底28，该第一柱横向于基础梁20延伸、平行于笛卡尔参考系XYZ的轴Z。在展示的实施例中，第一柱23在基础梁20的第一端20A与衬底28之间延伸，并且与它们刚性连接。第二柱24从基础梁20的第二端20B延伸至衬底28、在未约束到衬底28的情况下也平行于轴Z延伸。通常，第二柱24具有略低于第一柱23的高度(在方向Z上)；例如，其形成在如在下文中所解释的那样在释放单片区121时被移除的具有较小深度的牺牲部分上。可替代地，第一柱23和第二柱24可以具有相同的厚度，并且第二柱24下面的衬底可以被移除。例如，基础梁20可以具有3-20μm的厚度(在方向Z上)、大约200-1000μm的长度(在方向Y上)、以及40-100μm的宽度(在方向X上)，第一柱23可以具有大约50-400μm的高度，并且第二柱24可以具有大约40-350μm的高度。
厚度为大约0.2-3μm的例如PZT(铅、锆、三氧化钛)的第一压电带29在基础梁20之上延伸。第一压电带29可以具有略小于基础梁20的面积的延伸(宽度和长度)。
在展示的实施例中，约束臂31由平行于基础梁20延伸的竖直壁形成并且具有靠近基础梁20的第二端20B的约束端31A，该约束端通过基础铰链结构25连接至该第二端。约束臂31在此贯穿其整个长度(在方向Y上)锚定至衬底28，该长度大约是基础梁20的长度的一半，并且具有与第一柱23相同的高度。此外，在展示的实施例中，约束臂31具有小于基础梁20的宽度，例如，10-50μm(通常，其宽度取决于该结构的期望刚度)。
基础铰链结构25包括由较小的厚度部分形成的第一铰链部分26和第二铰链部分27，将基础梁20连接至约束臂31以及至基础杠杆臂33。详细地，基础铰链结构25的第一铰链部分26在基础梁20的第二端20B与基础杠杆臂33之间延伸、表示具有更小宽度(在方向Y上)的该基础杠杆臂的理想延长。例如，在其最小宽度的点上，第一铰链部分26可以具有10-50μm的宽度(通常，其宽度取决于该结构的期望刚度)。基础铰链结构25的第二铰链部分27在基础杠杆臂33与约束臂31之间延伸、表示具有更小宽度(在方向X上)的该约束臂的理想延长。
基础杠杆臂33具有垂直于基础梁20并且因此平行于轴X的主延伸，并且由高度(平行于轴Z)等于第二柱24的壁形成。
铰链部分26、27均具有与第二柱24和基础杠杆臂33相同的高度(在方向Z上)。
以此方式，如在下文中更好地描述的，由于其厚度而沿Z基本上刚性的约束臂31、基础杠杆臂33和基础铰链结构25(大致上)防止基础梁20的第二端20B竖直地弯曲。反而，基础铰链结构25允许基础梁20的第二端20B在平面XY中移动并且形成基础杠杆臂33的支点，该基础杠杆臂因此可以在平面XY中旋转。由于基础杠杆臂33铰接在其一端附近(连接至基础梁20的第二端20B)并且其较长的部分在基础铰链结构25(支点)与另一端之间，因此如在图5中所展示的，该基础杠杆臂放大了基础梁20的第二端20B的位移/旋转移动。
基础单元22A通过第一连接臂36连接至第一横向单元22B。第一连接臂36平行于基础梁20和约束臂31延伸，具有等于基础梁20的长度(在方向Y上)、等于第二柱24的高度(在方向Z上)、以及100-500μm的宽度(在方向X上)。此外，该第一连接臂具有刚性连接至基础杠杆臂33的第一端和刚性连接至第一横向单元22B的第二端。
第一横向单元22B进而包括第一横向梁40和第一横向约束结构41。第一横向单元22B进一步包括第一横向杠杆臂42和第二横向杠杆臂43。第一横向单元22B具有纵向对称结构，其中，每个半结构都类似于基础单元22A，但是翻转了180°。第一横向单元22B与基础单元22A的那些元件类似的元件因此用增加了20的相同参考号来标识。
第一横向梁40在此完全类似于基础梁20并且尤其具有相同长度、相同宽度和相同厚度。该第一横向梁平行于基础梁20延伸并且承载第二压电带49，该第二压电带在此与第一压电带29完全相同，并且因此属于同一材料并且具有相同的几何特性。第一横向梁40具有第一端40A和第二端，该第一端刚性地连接至第一横向约束结构41，该第二端铰接至第一横向约束结构41以及至第一横向杠杆臂42和第二横向杠杆臂43。横向柱部分48像第二柱24那样在未约束到衬底28本身的情况下在平行于轴Z的方向上从第一横向梁40的第二端40B延伸至衬底28。横向柱部分48的高度(在方向Z上)在此基本上等于第二柱24的高度。
第一横向约束结构41包括U形元件50、第一横向铰链结构44和第二横向铰链结构45。U形元件50进而包括垂直于第一横向梁40延伸的基础侧51，以及两个横向约束臂52、53，每个横向约束臂在第一横向梁40的对应侧上、平行于该第一横向梁并且在距其相同距离处延伸。基础侧51相对于第一横向梁40的第一端40A固定并且被安排成使得第一横向梁40恰好在第一横向约束结构41的中心处延伸并且相对于其纵向地延伸，其中，横向约束臂52、53(在静止时)对称地安排在第一横向梁40的两个纵向侧上。第一横向约束结构41的横向约束臂52、53具有大约等于第一横向梁40的长度(在方向Y上)并且通过第一横向铰链结构44和第二横向铰链结构45连接至第一横向梁40的第二端40B(在这些横向约束臂远离基础侧51的端处)。
第一横向约束结构41的基础侧51和两个横向约束臂52、53具有大约等于第一连接臂36的宽度并且具有等于第一连接臂36的深度(在方向Z上)，如针对横向约束臂52可以具体地在图3中注意到的那样。第一横向约束结构41因此在方向Z上基本上是刚性的(不可变形的)。
第一横向铰链结构44和第二横向铰链结构45类似于基础铰链结构25并且各自由对应的由较小的宽度区形成的第一横向铰链部分46和第二横向铰链部分47形成。详细地，第一横向铰链结构44的第一横向铰链部分46在第一横向杠杆臂42与第一横向梁40的第二端40B之间延伸为该第一横向杠杆臂的延长(并且因此邻接横向柱部分48)。第一横向铰链结构44的第二横向铰链部分47在第一横向约束臂52与第二横向杠杆臂43之间延伸为该第一横向约束臂的延长。第二横向铰链结构45的第一横向铰链部分46在第二横向杠杆臂43与第一横向梁40的第二端40B之间延伸为该第二横向杠杆臂的延长(并且因此邻接横向柱部分48)。第二横向铰链结构45的第二横向铰链部分47在第二横向约束臂53与第二横向杠杆臂43之间延伸为该第二横向约束臂的延长。
由此，第一横向约束结构41(大致上)防止第一横向梁40的第二端40B的竖直位移(在方向Z上)；该第一横向梁在被偏置时的收缩和变形导致横向铰接臂42、43绕基本上竖直轴线的平面内旋转，如参照图7至图10在下文中所解释的那样。
第二横向杠杆臂43通过与第一连接臂36完全类似的第二连接臂56连接至第二横向单元22C。该第二横向杠杆臂因此(在静止时)平行于基础梁20延伸、具有等于该基础梁的长度和等于第二柱24的高度。第二连接臂56进一步具有刚性地连接至第二横向杠杆臂43的第一端和刚性地连接至第二横向单元22C的第二端。
第二横向单元22C与第一横向单元22B完全相同，但是翻转了180°。因此，其元件用增加了20的相同参考号来标识。
具体地，第二横向单元22C包括第二横向梁60、第二横向约束结构61、第三横向杠杆臂62和第四横向杠杆臂63。进而，第二横向约束结构61包括U形元件70(包括横向约束臂72、73)、第三横向铰链结构64和第四横向铰链结构65，该U形元件、该第三横向铰链结构和该第四横向铰链结构具有与已针对第一横向单元22B的相应部件40-43、52、53描述的那些相互安排和几何特性相同的相互安排和相同的几何特性。此外，第二横向梁60承载在此与第一压电带29和第二压电带49完全相同的第三压电带69。
第二横向单元22C的第二横向杠杆臂63连接至与第一连接臂36和第二连接臂56完全相同的第三连接臂76。该第二横向杠杆臂可以连接至其他横向单元(未展示)以进一步放大致动移动或简单地形成如在下文中所解释的可以连接至驱动构件(未展示)的致动端。
由此，由于第二横向单元22C相对于第一横向单元22B发生了翻转，因此第一横向梁40的第二端40B和第二横向梁60的第一端60A与基础梁20的第一端20A对准，并且第一横向梁40的第一端40A和第二横向梁60的第二端60B与基础梁20的第二端对准。
在沿图6中的竖直平面截取的截面中示出了基础梁20的以及压电带29的结构的实施例。
详细地，梁20由外延生长硅的支撑层180形成，该支撑层的底部由底部绝缘层181覆盖并且顶部由顶部绝缘层182覆盖(例如，该底部绝缘层和该顶部绝缘层均为热生长氧化硅)。顶部绝缘层182上的堆叠由以下各项形成：采用导电材料(例如，钛(Ti)或铂(Pt))的底电极183；压电材料191；例如TiW的顶电极184；例如CVD(化学气相沉积)沉积的氧化硅和氮化硅的第一电介质层185和第二电介质层186；采用导电材料(例如，铝和/或铜)的接触线189；以及钝化层190(例如，氧化硅和/或VCD沉积的氮化物)。
图6还示出了第一柱23的结构和第二柱24的结构，该第一柱在展示的实施例中包括键合在一起的第一硅部分192’和第二硅部分193，该第二柱由单个硅部分192”形成、与第一柱23的第一硅部分192’同时形成并且具有与其相同的厚度(例如，如在下文中所解释的那样)。
对于本领域技术人员而言，应注意的是，第一柱23可以具有宽面积(具有未展示的部分)，以用于形成与电极183、184进行电连接所必需的焊盘和可能的其他结构。
横向梁40、60的结构是类似的，并且不同之处仅在于这些横向梁具有像第二柱24(而非柱23)那样形成的横向柱部分48或基础侧51。
如上所述，致动器100可以通过键合两个晶片来形成，这两个晶片单独地进行工作并且根据在下文中所描述的制造方法键合在一起。
例如，通过以下方式处理包括衬底28的第一晶片：在衬底28上生长例如厚度为2-10μm的热氧化物的牺牲层；进行第一掩模和蚀刻以在待生长第一柱23和约束臂31的牺牲层中限定贯通开口；外延生长厚度为例如5-20μm的多晶硅；以及研磨和移除外延多晶硅直到到达牺牲层以便在先前限定的贯通开口中仅留下多晶硅部分，由此形成第一柱23的(以及约束臂31的)第二部分193。
同时、之前或之后，处理第二晶片；第二晶片属于例如SOI(绝缘体上硅)型、厚度为400-720μm，在该第二晶片中，中间氧化物层具有0.5-1μm的厚度并且旨在形成图6的底部绝缘层181，两个硅层中的一个硅层(例如，顶部硅层)形成图6的支撑层180，并且另一个硅层(在示例中，为底部硅层)形成图6的部分192’和192”。在此，中间氧化物层(底部绝缘层181)具有应力平衡功能并且在对用于形成部分192’、192”的底部硅层进行蚀刻的同时还作为硬停止进行操作，如在下文中所解释的那样。
例如，通过以下方式处理第二晶片：在顶部硅层(支撑层180)上热生长顶部绝缘层182；以本身已知的方式沉积和图案化旨在形成压电区和相应偏置和电连接结构以及电介质层(图6的区183、184、185、186、190和191)的层；研磨第二晶片的背部直至达到底部硅层中的柱24、48、杠杆臂33、42、43以及铰链结构25、44、45、64、65的期望厚度；掩模和背部蚀刻底部硅层以限定梁20、40和60的结构，直至到达图6的底部绝缘层181(在实践中，提供了在平面图中具有与梁20、40、60的形状相对应的形状的开口)。
然后，通过将第一晶片的部分193对准第二晶片的底部硅层中的相应部分(还未被限定)来键合两个晶片。然后，对图4的几何结构进行限定并且对顶部硅层进行蚀刻直至底部绝缘层181；移除底部绝缘层181以及然后第一晶片的牺牲氧化物层以释放整个单片结构121(除了保持固定至衬底28的柱23和约束臂31之外)。
现在将参照图5以及图7至图10来展示致动器100的操作。
如前所述，在未偏置压电材料带29、49、69时，致动器100处于其在图3至图5中以及在图7和图8中用实线展示的静止配置中。在例如通过将30-40V的电压施加到顶电极184以及将底电极183接地、凭借图6的电极183、184对压电材料带29、49、69进行偏置时，这些压电材料带发生收缩，导致对应梁20、40、60变形。图7以侧视图、用虚线且以夸大的方式(为了清晰起见)示出了在对相应压电带29进行偏置时基础梁20的变形。如所提到的，基础梁20的变形基本上在于其紧缩或收缩，使基础梁20的第二端20B在平面XY中发生位移和旋转(具体地参见图8的顶视平面图)。实际上，基础梁20的第一端20A通过第一柱23约束到衬底28(并且因此大致上不具有任何自由度)。反而，第二端20B由约束臂31约束在方向Z上(并且因此不能自由地向衬底28偏转)，但是可以在平面XY中移动，因为第二柱24未约束到衬底28并且由于存在基础铰链结构25，其(大致上)提供了在平面XY中的(角度)自由度。
在实践中，基础梁20的收缩生成了将基础梁20的第二端20B“拉”向第一端20A的力(如在图7中用虚线以夸大的方式表示的以及在图5、图7和图8中由箭头A指示的)，导致其由于基础约束结构21而在逆时针方向上旋转(如在图5和图8中用虚线所表示的以及由箭头B所指示的)。第二端20B的旋转导致基础杠杆臂33的相应旋转，该基础杠杆臂还在平面XY中旋转，放大了移动(图8的箭头B’)。
如在图9和图10中所展示的，基础杠杆臂33的旋转了相对于基础杠杆臂33以及相对于第一横向杠杆臂42固定的第一连接臂36转移至第一横向单元22B。
第一横向单元22B和第二横向单元22C的同时偏置导致其类似的变形和位移以及作为整体基础单元22A以“手风琴”方式远离横向单元22B、22C的移动。实际上，如尤其在图10中可见的，压电材料带49、69的收缩导致相应横向梁40、60在方向Y上的缩短和变形，其中，机制类似于针对基础梁20所描述的机制。然而，与基础单元20A相反，在横向单元22B、22C中，由于约束结构41、61的对称性，横向梁40、60的第二端40B和60B不能在方向X上发生位移；然而，第二端40B和60B在方向Y上的平移导致了对横向杠杆臂42、43和62、63的“拉”动作以及因此其在平面XY中的旋转(如在图10中用箭头C、C’、D和D’所表示的那样)。
具体地，第一横向杠杆臂42的旋转(箭头C)与基础单元22A的杠杆臂33的旋转(用箭头B来指示)一致(通过第一连接臂36进行传输)并且大致上具有相同量。这导致第一横向梁40旋转通过与第一连接臂36所传输的旋转的角度相等且相反的角度(相对于第一横向杠杆臂42)。因此，大致上，这两种旋转相抵消，并且第一横向梁40相对于笛卡尔参考系XYZ并未发生旋转，而是远离基础单元22A在方向X上横向地移动。
同样地，第一横向单元22B的第二杠杆臂43的旋转(箭头C’)导致第二连接臂56和第二横向单元22C的第一杠杆臂63在顺时针方向上的旋转。与上文类似地，第二横向梁60在与第二横向单元22C的第一杠杆臂63相反的方向上旋转；因此，这两种旋转相抵消，并且第二横向梁60在不旋转的情况下大致上仅经历了方向X上的位移。第一横向单元22A所生成的方向X上的位移因此被第二横向单元22B放大。
每个可能的横向单元(未展示)都可以放大方向X上的移动。该系列的最后单元(在图10中用22N来标示)可以包括直接连接至第n横向梁80的两端中的一端的致动元件95，从而使得其位移大致上仅定向在方向X上(如用箭头E指示的)。然而，其他解决方案是可能的。
以此方式，由于Z约束结构21(约束臂31和基础铰链结构25)的存在，因此基础梁20的第二端20B基本上在平面XY中移动，将通过压电效应生成的以及根据轴Z定向的应变转换成平面内移动。基本上在垂直于单元22的纵向延伸的方向上，基础杠杆臂33和横向单元22B、22C、……、22N放大了此平面内移动以获得更大的致动幅度。
电子设备的致动构件(未展示)因此可以连接至致动元件95。例如，致动元件95可以连接至液体喷墨印刷头、自动调焦系统、微泵、微开关、光纤对准器、用于表面粗糙度测量的原子力显微镜、硬盘设备、精密外科手术器械、精密定位设备等等。
然而，可以修改致动器100的结构以获得该结构的旋转移动(“类风扇”移动)以及因此圆周致动力。例如，图11示出了旋转致动器200的实施例，该旋转致动器包括以相同的方式(即，使得铰链结构125、144、145、164、165(在致动器200的静止条件下)彼此对准)定向的多个单元122A、122B、122C、……。在此情况下，如在图11中所展示的，在致动时，所有单元122A、122B、……、122N在同一方向(在此为逆时针方向)上旋转，从而使得可以获得放大的旋转移动。
根据另一实施例(参见图12)，横向单元222B、222C可以安排成相对于基础单元222A成180°，以获得旋转平移(与能够旋转和延伸的柜门的铰链的移动类似的移动)。
最后，清楚的是，可以对在此描述和展示的致动器做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本实用新型的范围。
例如，基础单元22A可以像横向单元22B、22C那样或者恰好像其一半那样形成，不同之处为基础梁20的第一端20A在任何情况下都通过用于支撑单片区121的第一柱23锚定至衬底28。具体地，约束臂31可能未锚定至衬底28并且贯穿与其平行的基础梁20的整个长度延伸，其中，第一端铰接至基础梁20的第二端20B(如在附图中所展示的)并且第二端连接至基础梁20的第一端20A(如针对横向约束臂52、53在横向单元22A、22B中那样)。
可替代地，约束臂31可以锚定至衬底28，并且以上文所描述的方式贯穿与其平行的基础梁20的整个长度延伸。根据另一实施例，约束臂31可以由锚定至衬底28的简单圆柱形成。
压电带可以是不同的材料，例如，AlN或KNN(铌酸钾钠——(K，Na)NbO3)。
基础单元22A还可以横向地锚定，形成基础梁20的第一端20A，该第一端从相对于衬底28固定并且围绕单片区121的框架突出。