可偏转结构、微机械机构和用于调节微机械结构的方法

专利名称：可偏转结构、微机械机构和用于调节微机械结构的方法
技术领域：
本发明涉及可偏转结构、包括所述可偏转结构的微机械结构、用于调节微机械结构的方法，具体地，涉及用于定位和偏转MEMS (MEMS二微 机电系统)结构的元件和方法。
背景技术：
在MEMS器件领域中，有利的是能够永久地改变按照平面技术制造 的结构的位置。例如，这可以用于诸如谐振频率之类的部件性质。此外， 这也可以用于在三维空间中结构中限定的定位。在实现相对于层或衬底的平面表面的角度/提升(lift)偏移的现 有技术中存在各种可能性，用于偏转，所述层或衬底中具有所实现的 MEMS器件。第一种方法是利用双压电晶片(bimorph)效应。这里，在所釆用 的结构上通过施加一层而施加有固有应力，导致平坦表面(通常是所述 层的表面)和在所述层中形成的致动器(即MEMS器件)之间的角度或差 别。该过程导致层应力，所述层应力进而导致相对于所述层结构而"定 位"的所述结构。该程序的缺点是所述致动器只要暴露出来就自动地激 活。现有技术中公知的另外方法是采用用于定位致动器的表面力。这里 所使用的结构通过施加液体(例如聚合物)而在所述结构上施加有机械 应力，所述机械应力进而导致所述平坦表面和致动器之间的角度或差别。 与其中所述结构根据层压力进行定位的上述双压电晶片效应不同，这里 基于所使用的聚合物的表面张力来实现所述结构的定位。该程序的缺点 是施加液体要求非常高水平的剂量精确性，以便能够实现表面状态的特 定可重复性。例如Patterson, P. R.等人在2002年IEEE Las Vegas的Micro Electro Mechanical Systems第 544-547 页的"A Scanning Micromirror With Angular Comb Driver Actuation，，中采用使用表面 力的方法。用于定位所述致动器的现有技术公知的另外方法在于使用机械元 件。通过机械元件将这里使用的结构定位于所述平坦表面下面或上面， 可能在该位置处临时使用热固定。例如，这在用于完成器件的制造步骤 的框架内是有效的，例如在结构设计和连接技术的框架内，所述器件在 生产MEME器件的步骤后进行。该程序的缺点是要求非常高水平的定位精 确性或严格容限。例如，该方法由Jongbaeg Kim等人2006年6月在 Journal of Microelectromechanical System中的"Microfabricated Torsional Actuators Using Self-Aligned Plastic Deformation of Silicon"中进行了描述。此外，现有技术已经知道使用所谓的多层的方法。这里，设置了彼 此绝缘的几个导电层的叠层，所述叠层使得能够实现三维电势分布。该 方法只对于昂贵的工艺步骤是可能的，要求昂贵的接触，并且仅导致较 小的偏转。例如，Huikai Xie等人2002年在Interlaken的IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS-2001)第95巻第14期 no. 2-3(参考文献20)第212-221页的"Vertical Comb-finger Capacitive Actuation And Sensing for CMOS-MEMS"中描述了这种方 法。现有技术中公知的另一种方法使用不同的层厚度。这里，选择致动 器和对电极的不同几何尺寸，以使得所述元件能够偏转。该过程的缺点 是只有较小的偏转是可能的，如W.Noell等人2006年在"Compact And Stressreleased Piston Tiptilt Mirror" SPIE 6186-16中所述。以上简要讨论示出了现有技术具有偏转MEMS器件的各种公知方法， 例如致动器，并且将其定位于偏转的位置。然而，所述公知方法具有与 其相关联的许多缺点，即引起偏转和MEMS结构定位的元件内在地具有这 种性质，并且因此不会在任意时间点上使能够实现激活。反而，所述激 活由在全部结构的制造期间的工艺中进行的工艺而特定化。进一步的缺 点是传统的方法只具有较低水平的定位精确度和较低水平的重复性。此外，所述公知方法在对齐精确度方面要求非常高。 发明内容从该现有技术开始，本发明的目的是提供一种改进的可偏转结构、 一种改进的机械结构和调节微机械结构的改进方法，其可以按照简单的 方式在限定的时间点激活用于定位和偏转所述机械结构的元件，以便将 所述机械结构定位和保持在所需位置。该目的是通过如权利要求1所述的可偏转结构和如权利要求25所 述的微机械结构和如权利要求34所述的方法来实现的。 本发明提出了一种可偏转结构，包括 包括第一区域和第二区域的层；在所述层中的沟槽结构，所述沟槽结构穿透所述层，并且将所述第 一区域与所述第二区域分离；第一区域和第二区域之间的第一连接点(junction);以及 第一区域和第二区域之间的第二连接点；通过施加力，第一区域可从相对于第二区域的永久的第一位置永久 地移动到相对于第二区域的第二位置，第二位置相对于第一位置发生偏 转。此外，本发明提出了一种包括一层的微机械结构，所述层还在其中 形成本发明的结构，所述可偏转结构的所述第一区域通过从第一位置到 第二位置的移动而作用于微机械结构。此外，本发明提出了一种调节微机械结构的方法，包括 设置一层，所述层中形成有微机械结构和本发明的可偏转结构；以及向第一区域施加力，以便将第一区域从第一位置移动到第二位置。 本发明的实施例涉及可偏转结构，其中将第一区域和第二区域之间 的第二连接点实现为预定断裂点(breaking point),并且所述可偏转结 构在第一区域中包括配合第一区域产生机械应力的结构，以便使第一区 域相对于第二区域偏置(bias),使得预定断裂点的断裂引起第一区域从 初始的第一位置到相对于第二区域的偏转的第二位置的移动。与上述现有技术相比，本发明的这些实施例遵循新的方法，据此在处理MEMS器件 的同时产生的结构具有内在的固有应力，利用了其横向动作。例如，可 以通过将具有不同热膨胀系数的材料进行组合，例如通过将材料按照不 对称的方式布置来实现这种固有应力。优选地，所使用的材料是单晶硅、 Si02、 Si3N4、 Al、 W和多晶硅。本发明的可偏转结构的几何形状使得应力 或张力引起的任意形状变化将直到激活所述结构之后才产生结果，例如 可能按照热(熔化)或机械(断裂)方式对实现该激激活。根据形状的 变化，然后可以将另外的或相同的元件固定在限定的位置。本发明的优点在于按照这种方式，可以提供可偏转结构，所述可偏 转结构可以在预定时间点处激活。此外，本发明的结构通过不要求高水 平的对齐精确度的限定布局，提供了高水平的定位精确性/可重复性。同 样，可以无需任意额外的支出，将本发明的方法集成到用于微机械结构 的现有制造工艺中。例如，本发明结构的应用示例是机械器件的固有频率的变化，如微 扫描器中和相移元件中的机械器件。进一步的应用例如是要求MEMS器件 准静态偏转的光开关元件、测量装置和投影仪，所述MEMS器件按照旋转 或平移方式操作，如微扫描器或用于光路长度调制的相移镜或可重定位 镜。在这方面，在能量方面最有利的变型是利用静电力用于偏转致动器， 采用最公知的解决方案，即利用与镜片平行面对齐的电极，导致需要极 高的电压，同时可实现低水平的偏转。更有利的方法在于使用具有相应 的三维偏转可能性的致动器片的横向电容，例如指状电极。根据本发明的优选实施例，将可偏转结构中的结构形成为使得实现 与层表面平行方向的移动、或绕与层表面平行的轴的移动，即平移移动 或旋转移动。在前一种情况下(与表面平行的移动)，所述结构穿过所述 层。在第二种情况下(绕与表面平行的轴移动)，所述结构将只部分地进 入到所述层中。所述结构包括由产生应力的材料构成的至少一个部分，所述材料导 致张应力或压应力。作为所要求或所需的力的函数，或者作为所需偏转 的函数，还可以提供几种结构。根据第一实施例，将所述结构按照不对 称方式设置在第一区域中，以便一旦已经中断了预定的断裂点，则引起沿所述至少一个部分的纵向维度的横断方向的移动。代替地，可以将所 述结构按照对称地方式设置在第一区域中，以便一旦已经中断了预定断 裂点，则引起沿所述至少一个部分的纵向维度方向的移动。所述结构越 靠近沟槽，可实现的偏转水平越大。根据本发明的优选实施例，将偏转结构或其第一区域配置为环形或矩形形状，或者具有横梁(beam)的形状。因为不会出现所述横梁中心 的横向移动(这对于横梁形状的结构可能发生)，即因为在预定断裂点断 裂之前所述环形元件将不会改变其形状，所以环形结构是优选的。根据另外的实施例，本发明的可偏转结构可以额外地包括致动元 件，例如栓杆(bolt)等，如果发生预定断裂点的断裂，则所述致动元 件偏转。在这种情况下，优选地，所述致动构件经由第一连接点与所述 层的其余区域相连。在这个实施例中，所述结构还可以设置成包括多个 部分，所述部分相对于所述致动元件对称地排列。此外，所述结构还可 以设置成在所述层中形成承载所述致动元件的结构。根据另外的实施例，所述结构的第一区域可以包括致动区域 (actuating field),可以向所述致动区域施加力，用于通过预定断裂 点而断裂。代替地，可以设置用于提供热能或电能的电源线，以便能够 提供通过所述预定断裂点而断裂所需的能量。类似地，例如，可以借助 于激光，按照非接触的方式施加用于通过所述预定断裂点而断裂的能量。 可以将所述预定断裂点设置在所述沟槽内的任意位置处。还可以设置几 个预定断裂点。本发明的实施例涉及一种可偏转结构，其中所述第一区域包括中心 区，还涉及一种实质上相对的悬挂装置(suspension)，位于第二区域和 第一悬挂装置之间的第一连接点；以及位于第二区域和第二悬挂装置之 间的第二连接点。所述中心部分可以沿与所述层的表面平行的方向从第 一位置到第二位置移动，所述第一悬挂装置和所述第二悬挂装置位于在 第一位置，使得第一连接点和第二连接点沿中心部分的移动方向位于其 中第一和第二悬挂装置分别与中心部分相连的地方的相应悬挂位置前 面，以及将第一悬挂装置和第二悬挂装置设置位于第二位置，使得第一 连接点和第二连接点沿中心部分的移动方向位于相应悬挂位置的后面。所述可偏转结构还可以包括两个另外的悬挂装置，所述两个另外的悬挂 装置位置实质上相对。中心部分和悬挂装置每一个均可以是横梁形状的。 所述中心部分还可以包括其上可以施加用于移动至第二位置的力的区域。所述区域可以包括用于与外部对电极(counter electrode)结构进 行静电耦合的多个电极结构。当使用本发明的可偏转结构时，提供了对于微机械结构的性质的修 改，例如对于MEMS器件。在这方面，例如，可以设置用于去除待修改的 一部分结构，结果将改变微机械元件的谐振性质或扭矩性质。通过断裂 将元件待去除的那部分与所述元件分离，然后所述元件待去除的那部分 将不再对所述元件的性质有影响。在这种情况下，必须确保在断裂之后 断裂边缘彼此分离。为了确保这一目的，提供了本发明的结构，所述结 构在断裂之后基于固有应力来散开所述断裂边缘。当将本发明的可偏转结构用于微机械结构时，例如用于MEMS器件 时，提供了相对于所述层的表面可以偏转的微机械元件，提供所述可偏 转结构以便在所述微机械元件的偏转之后保持所述微机械元件处于偏转 位置、以及从第一位置到第二位置的移动。优选地，所述微机械元件是 可以绕与所述层平行的轴旋转的元件，使得在将所述微机械元件从所述 层的平面旋转之后，以及通过所述可偏转结构从第一位置移动至第二位 置，第一区域或第一区域的致动元件将滑动至所述微机械元件的下面或 上面的位置，并且从而将其保持在所需位置。在另一个实施例中，可以提供微机械元件，包括支撑结构，例如 用于保持扫描镜、电极或电极指状物与所述层的表面间隔开或与所述层 的表面呈一定角度。该支撑结构与根据本发明的可偏转结构相连，使得 所述微机械元件、其支撑结构和本发明的可偏转结构最初位于所述层的 平面内。如果破坏预定断裂点，则将扭矩从所述可偏转结构内释放，引 起与所述微机械元件的支撑结构相连的可偏转结构的第一区域的相应移 动，从而引起固定所述元件，使其与所述层的表面间隔开。在另外的实施例中，本发明的结构与微机械元件相连，以便当破坏 预定断裂点时改变其物理性质。


下面将参考附图详细地解释本发明的优选实施例，其中 图l (A)示出了根据本发明第一实施例的可偏转结构的顶视图； 图1 (B)示出了图1 (A)的可偏转结构的正等轴测图示； 图2 (A)示出了根据本发明第二实施例的可偏转结构的顶视图； 图2 (B)示出了根据本发明第二实施例的另外一种实现的可偏转结 构的顶视图；图3示出了根据本发明第三实施例的可偏转结构的顶视图；图4 (A)示出了根据本发明第四实施例的具有微机械元件和可偏转结构的微机械结构；图4 (B)示出了图4 (A)的结构，其中可偏转结构的栓杆由两边支撑结构来支撑；图5 (A)示出了根据第五实施例的具有微机械元件和可偏转结构的 微机械结构，其中将可偏转结构的栓杆支撑在两边上；图5 (B)示出了图5 (A)的微机械结构，其中将栓杆支撑在一边上；图5 (C)示出了图5 (B)的微机械结构，其中第一区域包括止动 器(stop)和凹槽(groove)或凹坑(d印ression)，用于容纳部分微机械元件5图5 (D)示出了图5 (C)的微机械结构，其中第一区域包括止动 器和钩状物(hook),并且所述微机械结构包括用于容纳钩状物的凹口 (recess).,图6示出了包括另外的微机械元件和图5 (A)的可偏转结构的微机 械结构；图7示出了包括另外的微机械元件和图5 (B)的可偏转结构的微机 械结构；图8示出了按照另外的实现方式实现的包括图7的微机械元件和图 5 (B)的可偏转结构的微机械结构；图9示出了根据第六实施例的包括电极指状物和可偏转结构的微机 械结构；图10示出了包括图8的微机械元件和图9的两个可偏转结构的微 机械结构；以及图11示出了根据本发明另外实施例的可偏转结构的顶视图。
具体实施方式
在以下描述中，术语"多个"应该用于表示两个或更多的意思。 图l (A)示出了本发明的可偏转结构的第一实施例，在全文中用参 考数字100表示。如图l (A)示意性地所示，可偏转结构100是在层102(例如，衬底或板)中形成的。所述层102中形成有沟槽结构104，所述 沟槽结构104完全地穿透所述层。沟槽结构104包括第一沟槽104a和第二 沟槽104b。这样形成沟槽104，使得在层102的第一区域110和层102的第 二区域112之间形成第一连接点106和第二连接点108。第一区域110是由 沟槽结构104以及连接点106和108限定的区域，通过所述沟槽结构与第二 区域112分离，并且只经由连接点106和108与第二区域相连。此外，图l(A)示出了结构114，所述结构114与第一区域配合而产生机械应力、并 且实质上与两个沟槽104a和104b平行地延伸，并且所述结构114形成于第 一区域110中，使得其与沟槽104a间隔开并且与沟槽104b间隔开。图1(A)还表示所示那部分结构的截面图(参见虚线圆圈)。如可以看出的，沟槽 104a和104b从层102的第一表面102a穿透层102至第二表面102b。如还可 以看出的，在优选实施例中，这样形成结构114，使得所述结构114穿透 区域110的整个厚度，即从所述层102的第一表面102a延伸至第二表面 102b。按照这种方式，使得能够实现与所述层表面平行的移动(在预定 断裂点的断裂之后)。从图l (A)中还可以看出除了两个平行的沟槽104a和104b之外， 所述沟槽结构还包括两个另外的部分104c和104d，所述另外的部分104c 和104d彼此相对地位 于各个沟槽的第一部分处，并且通过保留位于所述 部分104c和104d之间区域的层材料限定了第二连接点108。如可以看出 的，将第二连接点108配置为明显地窄于第一连接点106，这是故意的， 因为第二连接点108将用作预定断裂点。该预定断裂点可以使用少量的热支出或机械支出来中断，这将在下面详细地解释。选择预定断裂点的尺 寸，使得其包括足以经受由所述结构引起的力的强度，并且同时使得能够实现简单的解决方案(断裂)。优选地，这样形成沟槽部分104c和104d 之间的距离，使其范围从约O. lto至约5Mm。此外，可以提供对于连接点区域108中的层102的减薄，使得所述层 102具有减小的厚度，以便在施加热能或机械能时实现在该点处实现可靠 的断裂。在图l (A)中所示的可偏转结构中，结构114不对称地位于区域110 内，并且优选地在第一区域110中从第一连接点106延伸至第二连接点 108。将具有结构114的图1 (A)中所示的结构在两个末端106和108处固 定，并且由于固有应力，只要预定断裂点108断裂，元件或区域110沿横 向方向(参见箭头116)移出如图l (A)所示的初始位置。以示例的方式 表示预定断裂点108的位置。也可以将所述预定断裂点设置在不同的位置 处。类似地，可以设置几个预定断裂点。图l (B)示出了图l (A)的本发明结构的正等轴测图示，并且在图 1 (B)中，相同的参考数字表示相同的元件，为了简单起见将省略重复 的描述。如在图l (B)中可以看出的，层102可以包括其中形成本发明结 构的膜片区118。这样形成沟槽104a至104d，使得他们从第一表面102a 至第二表面102b完全地穿透膜片区118中的层102，如参考图l (A)所述。 如可以在图l (B)中看出，在膜片区118中，层102的厚度比膜片区118 外边的厚度小。此外，图l (B)示出了用于支撑其中形成所述结构的层 102的可选支架120。然而，代替所示支架120，其他支撑结构也是可能的， 并且本发明不局限于图l (B)中所示的实施例。例如，可以在没有膜片 的层中产生所述结构，或者优选地在具有膜片的BSOI材料上产生所述结 构。图2 (A)示出了本发明可偏转结构的第二实施例，为相同的元件提 供相同的参考数字，并且在图2 (A)中也省略参考图l (A)已经描述的 这些元件的重复描述。与图l (A)相比，图2 (A)示出了这样的实施例其中一旦已经解除了预定断裂点，则所述区域no沿所述结构的纵向维度的方向移动。如可以从图2 (A)中看出的，已经修改了图l (A)中己知的结构，具体地按照以下方式修改所述结构114包括对称地设置在第一区域110中的第一部分114a和第二部分114b。类似于图l (A)，所述沟槽结构104包括在 所述层中形成的两个平行沟槽104a和104，如可以从放大的截面图示(参 见虚线圆圈)中看出的。此外，将横向沟槽104e形成为与沟槽104a和104b 的两个第一 (图2 (A)中，上部)末端相邻，所述横向沟槽104e与两个 沟槽104a和104b的末端间隔预定的距离，以便限定两个预定断裂点108a 和108b，优选地，这里沟槽的距离范围从O. l!im至5pim。再次，可以提供 在预定断裂点108a和108b的区域中对层102额外地减薄。如从图2 (A) 中也可以看出的，所述结构的所述部分114a与沟槽104a相邻，并且所 述结构的第二部分114b与第一部分114a平行并且与第二沟槽104b相 邻。按照这种方式，限定了两个对称设置的结构114a、 114b。再次经 由连接点106、 108a和108b将元件110固定在两个末端处。 一旦已经撕 破两个预定断裂点108a和108b，由于固有应力，元件110沿横向方向 (如箭头116所示)移出其初始位置(如图2 (A)所示)。基于图2 (A)所示结构的实现和布置，实现了所示偏转。如图2 (B)所示，还可以将仅一个结构114对称地设置在第一区域IIO中，引起如图2 (A)已经描述的元件110的相同偏转。图3示出了根据第三实施例的本发明的可偏转结构的实施例，其中 附加地示出了微机械结构124。图3中所示的可偏转结构与图1 (A)中所 示的结构类似。沟槽结构104包括两个平行的沟槽104a和104b，所述沟槽 在区域126中中断。同样地，所述层102的区域110和区域112之间的第一 连接点由参考数字106示出，沟槽部分104c和104d间隔开，与图l (A)类 似，以限定预定断裂点108。与图2 (A)类似，图3也示出了另外的沟槽 104e，与沟槽104a和104b垂直地延伸，并且设置为与两个沟槽104a和104b 的两个末端间隔开(如图3的上部末端处所示)，以便限定微机械结构124， 例如扭转轴。如在图3中也可以看出的，形成另外的沟槽104f，所述沟槽 104f从第二沟槽104b的任意位置(例如中心)延伸至作为图3中的上部末端的沟槽104b的末端。优选地，沟槽104f配置为具有矩形形状(如图3 所示)，以便包围经由所述部分126与第一区域110相连的矩形区域128。 第一区域128是"致动区域"，例如，可以通过针等经由所述第一区域将 力施加于元件110上，以便引起预定断裂点108的断裂。图3中所示实现的优选使用在于扭转轴124的刚性变化。在图3所示 位置中，将扭转刚度规定为具有基于扭转轴126与区域110的连接的特定 值。为了改变扭转刚度，中断位置108处的连接。 一旦断裂了预定断裂点 108，例如，通过在致动区域(actuating field) 128上施加的压力，引 起扭矩性质的改变，区域110从其根据图3的初始位置移出，并且移开断 裂边缘。通过返回前一个固定(预定断裂点108)，在(例如谐振微镜的) 旋转的情况下不会存在与轴的碰撞，并且因为没有结构断裂开，将不会 存在在随后制造步骤中表示干扰的未限定的碎片，例如结合结构设计和 连接技术。 、图4 (A)示出了与微机械结构结合的本发明的可偏转结构，图4 (A) 示出了根据本发明第四实施例的可偏转结构。参考图1至图3解释实质上 实现为矩形形状的可偏转结构的实施例。然而，本发明不局限于这种结 构。反而，所述可偏转结构可以具有应用领域条件所需的任意形式。将 参考图4 (A)描述其中选择角结构来代替矩形实现的实施例。图4 (A)示出了第一可移动区域110和沟槽结构104，所述沟槽结构 104包括环形沟槽104a和104b。沟槽104a的相邻末端变成沟槽部分104c 和104d。按照圆形形式布置的结构114设置在与内部沟槽结构104b相距一 定距离。可选地，可以提供几种结构，所述结构按照同心圆(circularly Parallel)和/或分段的形式排列。由沟槽104b围绕的区域限定了用于激 活元件的致动区域128,如参考图3所述。在图4 (A)所示的实施例中， 也形成了与区域110相对应的区域110'。第二区域110'几乎与第一区域 IIO—样地构造，并且图4 (A)中的各个元件用相应的参考符号加上撇号 (')来表示。此外，将致动部分132(例如栓杆)限定在区域IIO、 110' 之间，所述致动部分132在末端106处与层102的区域112相连。如可以看 出的，与区域110类似，元件132由层102中的沟槽133a和133b限定。形成两个内部沟槽104a和104a，以便在沟槽104c和104c，之间限定图4 (A) 所示的预定断裂点108。此外，图4 (A)示出了同样由层102中的沟槽结构142限定的微机械 元件140。沟槽结构142的结构使得形成悬挂装置144，元件140的第一部 分146可以绕所述悬挂装置144旋转。此外，通过所述沟槽142的结构形成 了致动区域148，所述致动区域148的致动引起部分146偏转到层表面102a 上面或下面的位置。如果将微机械元件140偏转到层102的表面102a上面 或下面的位置，对可偏转结构110的致动区域128进行致动将引起预定断 裂点108的解除，并且由于固有应力，将存在栓杆132沿箭头150方向的移 动，使得所述栓杆将依靠在元件140下面或上面，并且将该元件140锁定 在相对于层表面102a偏转的位置。如已经注意到的那样，使预定断裂点 断裂也可以通过所产生的热能来实现，例如通过激光束或电流。在后一 种情况下，提供产生预定断裂点的相应电源线(图4中未示出)，以便提 供用于预定断裂点的电能。在图4 (A)中所示的实施例中，可以将可偏转结构称作锁定元件， 该锁定元件包括具有由于结构114而施加到其上的机械压力的偏置环 110、 110，。 一旦借助于表面128上所施加的压力使预定断裂点108断裂， 栓杆132被激活、并且可以将功能元件140锁定在偏转位置，所述功能元 件140通过在表面148上所施加的压力而偏转。例如，所述功能元件140 借助于在表面上所施加的压力而向上偏转，并且最初保持在那里，以避 免回到开始位置。 一旦激活栓杆132，则释放表面148，并且功能元件140 基于所述恢复力设法回到其平衡位置(rest position),但是所述功能 元件140将依靠在栓杆132上。因为没有刚性地安装栓杆，由于功能元件 的恢复力，所述功能元件上将施加有力，这将略微使栓杆偏转。这样， 功能元件的实际偏转量是其中栓杆接触所述功能元件的位置、所作用的 恢复力和栓杆弹力的函数。图4 (B)示出了与图4 (A)类似的元件，但是这里提供另外的沟槽 结构150或152以限定用于栓杆132的支撑结构154、 154'。除此之外，图 4 (B)所示的示例与图4 (A)所示的示例相对应。图5 (A)示出了与图4 (A)类似的另外的微机械元件140，然而其 中与图4 (A)不同，选择相对于栓杆132不对称排列的可偏转结构，并且 其中只采用在图4 (A)的顶部处示出的偏置环IIO。在预定断裂点108的 区域中，沟槽133b具有较大的宽度156。图5 (A)示出了具有两边支撑结 构150、 152、 154、 154'的栓杆132的使用，而图5 (B)示出了用于栓杆 132的单边支撑结构150、 154的使用。图5 (C)示出了图5 (B)的微机械结构，其中第二区域112包括止 动器180。第一区域110依靠在第二位置中的止动器180处，选择使第一区 域110可移动至第二位置的力，使得移动能够越过所述止动器。按照这种 方式，确保了距元件14下面的位置具有足够的位移，然而，同时存在足 够的"能量储备"，使得在通过改变环境因素(例如温度、压力、湿度等) 来减小力的情况下，避免了栓杆132与所述元件140脱开啮合。此外，可以将栓杆132配置为具有凹口182，在所述凹口182内容纳 元件140的部分146以便与所述栓杆闩锁(latch)。按照这种方式，实现 了栓杆与元件140的闩锁，使得甚至在撞击的条件下所述元件也将保持在 所需位置。应该注意的是可以代替地或组合地使用止动器180和凹口182。图5 (D)示出了与图5 (C)类似的结构，然而形成了钩状物184来 代替凹口182。元件140的部分146包括凹口186、与微机械元件140的凹口 186啮合的第二位置中的钩状物184，使得甚至在撞击的情况下所述元件 也将保持在所需位置。应该注意的是可以代替地或组合地使用止动器180 和凹口182。图6示出了微机械器件140的另外实施例，所述可偏转结构与图5(A) 中所示的可偏转结构相对应。所述微机械器件140由叉指式电极的对电极 158组成，例如用于MEMS器件的谐振或准静态静电驱动的叉指式电极。图7示出了其中使用根据图5 (B)的可偏转结构的另外实施例以便 影响另外的微机械器件140，即叉指式电极的对电极158，例如用于光程 长度调制的准静态相移镜或可重定位镜的叉指式电极。通过沟槽结构162 将电极片160及其电极158形成于层102中。所述沟槽结构162连同另外的 沟槽162a-d和162e-h—起形成具有支座(bearings) 166a-166d的两个悬挂装置164a和164b，使得所述电极片160可以旋转至层102表面的上面或 下面的位置。在预定断裂点断裂108断裂的情况下，可偏转结构引起栓杆 132移位至电极片160上面或下面的位置，以便将其锁定在所需位置，通 过层102的厚度来设计相对于层表面的最大量，这也规定了栓杆132的厚 度。栓杆132与电极片160啮合，使得将元件140保持与所述层表面平行， 即所述悬挂装置的恢复力将不会引起相对于层表面倾斜的任何对齐。此 外，可以提供对称设置的几个栓杆，所述栓杆通过一个公共的可偏转结 构或几个可偏转结构来致动。图8示出了另外的实施例，其中使用与图5 (B)类似的可偏转结构， 以便如参考图7所述的那样影响所述元件。与图7不同，这里可偏转结构 不作用于电极片160，而是作用于其悬挂装置164a和164b。为此目的，栓 杆132包括延伸至悬挂装置164a和164b的部分132a和132b。在预定断裂点 108断裂的情况下，可偏转结构引起栓杆部分132a和132b移位至悬挂装置 164a和164b下面或上面的位置，以便按照这种方式将其锁定在所需位置。 与图7不同，相对于层表面的最大量没有由层102的厚度限定，而是作为 其中栓杆部分132a和132b与悬挂装置164a和164b啮合的位置的函数。啮 合位置越靠近支座166a-166d，悬挂装置的竖立(erection)越陡峭。栓 杆132a和132b与电极片160的悬挂装置啮合，使得将元件140保持与层表 面平行，即剩余的悬挂装置的恢复力将不会引起相对于层表面倾斜的任 何对齐。此外，可以提供对称设置的几个栓杆，所述栓杆可以通过一个 公共的可偏转结构或几个可偏转结构来致动。在参考图4至图8所述的实施例中，将材料非对称地定位于环中用于 产生机械应力。在环内侧上，设置产生压縮的材料，而在环的外侧上， 设置产生张应力的材料。针对偏置形式所考虑的是在激活之前他们没有通过固有的机械应 力而变形。图9示出了结合微机械结构的本发明的可偏转结构，图9示出了根据本发明第六实施例的可偏转结构。图9中所的本发明的可偏转结构的第六实施例(在全文中用参考数字200表示)形成于层102中。所述层102中形成有完全穿透所述层102 的沟槽结构204，所述沟槽结构204包括第一沟槽204a和第二沟槽204b。 这样形成所述沟槽204，使得将第一连接点206和第二连接点208形成于层 102中的区域210和剩余层102之间。所述区域210是由沟槽结构204以及连 接点206和208限定的、并且通过所述沟槽结构与剩余区域分离的区域。 图9还示出了结构214，所述结构214在区域210中产生固有应力，与这两 个沟槽204a和204b实质上平行地延伸，并且形成为与第一区域210中的沟 槽204a和204b相距一定距离(优选地与所述沟槽对称)。图9还表示所示 结构的一部分(参见虚线圆圈)的截面图。作为对于图9中所示的连续结 构214的代替，可以同样地进行构造，使得所述结构分段并且具有多个独 立的部分。如可以看出的，所述结构214只部分地穿透层102，并且在所 示实施例中，所述结构214从第一表面102a开始穿透衬底102、而没有到 达第二表面102b。按照这种方式，在预定断裂点已经断裂之后，使得能 够实现所述结构的移动，导致所述结构的一部分移动至层表面上面或下 面的位置。如上所述，可以使用少量的热支出或机械支出来中断所述预 定断裂点208。优选地，所述预定断裂点208具有约0. liim至约5tim的厚度。 此外，可以在连接点208的区域中提供对层102的减薄，使得其将具有 相对于剩余层的减小的厚度，以便在施加热能或机械能时在该位置处实 现可靠的断裂。图9还示出了与结构200—起形成的可偏转结构170。所述结构170 实质上与参考图3所示的结构相对应，参考其描述。结构170具有与图3 所示结构相同的功能。在预定断裂点108/208断裂的情况下，所述结构 170引起断裂边缘彼此移开以便实现可靠的中断。图9还示出了与可偏转结构200相连的微机械器件240。所述微机械 器件240通过沟槽242形成，并且包括如可以采用的叉指式电极的对电极 258，例如用于MEMS器件的谐振或准静态静电驱动。所述微机械器件240 还包括第一支座区260a，限定在微机械器件240的沟槽242和所述结构 170的沟槽104a之间；以及第二支座区260b，限定在微机械器件240的沟 槽242和所述结构200的沟槽204a之间。经由区域264与所述结构200相连的微机械器件240的区域262位于支座区260a和260b之间。所述微机械器 件240绕所述支座区260a和260b是可旋转的，使得可以将电极258按照相 对于层表面的角度布置在所述表面上面或下面。在预定断裂点108/208 断裂之后，通过所述结构200来提供为此所需的力。应该注意的是在这一点上，设置图9中的结构170的结构是可选的。 如果基于预定断裂点的割断类型，确保不会"俘获"断裂边缘，则可以 省略所述结构170。图10示出使用参考图9所述的结构以及已经参考图7所述的微机械 元件140。代替如图7中所述的偏转和锁定，这里使用结构200和200'来 偏转元件140，并且一旦已经割断预定断裂点108/208和108/208'，则 将所述元件140设置在与所述层表面相距一定的距离。可选地提供所述结 构170/170'用于确保断裂边缘的分离。图ll示出了根据本发明另外实施例的可偏转结构的顶视图。如图ll 中示意性所示，可偏转结构300形成于层102 (例如衬底或板)中。所述 层102中形成有完全穿透所述层的沟槽结构104。所述沟槽结构104将所述 层102的第一区域100与所述层102的第二区域112分离。第一区域110经由 连接点106a、 106b和108a、 108b与第二区域112相连。第一区域110包括 中心区302和两个实质上相对的悬挂装置对304a、 304b和306a、 306b，第 一连接点106a设置在第一区域112和第一悬挂装置304a之间，第二连接点 108a设置在第二区域112和第二悬挂装置304b之间，第三连接点106b设置 在第二区域112和第三悬挂装置306a之间，以及第四连接点108b设置在第 二区域112和第四悬挂装置306b之间。中心部分302可以沿箭头150表示的与层102的表面平行的方向从图 ll中所示的第一位置移动至第二位置。将第一悬挂装置304a和第二悬挂 装置304b以及第三悬挂装置306a和第四悬挂装置306b设置在第一位置 中，使得将第一和第三连接点106a、 106b和第二和第四连接点108a、 108b 沿中心部分302的移动方向设置在各个悬挂位置308a、 308b、 310a、 310b 前面，其中所述悬挂装置304a、 304b、 306a、 306b每一个均与中心部分 302相连。在第二位置中，将悬挂装置304a、 304b、 306a、 306b设置为使得将第一和第三连接点106a、 106b以及第二和第四连接点108a、 108b沿 中心部分302的移动方向设置在各个悬挂位置308a、 308b、 310a、 310b后面。中心部分302还包括区域312，经由所述区域312可以施加用于移动 至所述第二位置的力。区域312包括多个电极结构312a、 312b,用于与外 部对电极结构静电连接。在电极312a、 312b或其他合适的结构上施加力时，沿方向150驱动 悬挂装置304a、 304b、 306a、 306b，直到将双稳态的悬挂装置304a、 304b、 306a、 306b从图ll所示的第一位置移动至第二位置中的上述位置为止， 其中只要没有施加相反的力，他们将保持。例如在W.Noell等人在2002 年2月的JSTQE"0ptical MEMS"中的"Application of SOI-based optical MEMS"中描述了(悬挂装置304a、 304b、 306a、 306b的)这种MEMS元件的 基本性质。在图ll中所示的示例中，在所述层中形成参考图4 (a)所述的微机 械元件140，在移动至第二位置之后， 一旦已经通过中心区域302偏转， 就可能锁定所述微机械元件140。代替地，也可以将参考图ll所述的结构 300与上述其他的微机械元件一起使用。如下制造上述结构与电绝缘沟槽一起将所述偏置结构刻蚀为BSOI 致动器层，并且随后用分别在单晶硅上产生压应力的热氧化物和多晶硅 来填充。对所述表面上的结构进行抛光，在通过标准工艺对器件的进一 步处理之后， 一旦已经完成和分离所述元件，可以使用两个取样针来激 活待偏转的结构，或者代替地，使用一根针并且通过所述固定装置进行 熔化。优选地，在一维和二维微扫描器中，将可偏转结构形式的本发明用 于横向驱动电极或致动器的三维偏转。此外，在相移镜或可重定位镜中， 可以将本发明的结构用于光程长度调制、平移镜、横向驱动电极或致动 器的三维偏转。在上述实施例中，可偏转结构与微机械元件相邻，并且在第一区域 中形成的栓杆作用于所述微机械元件。本发明不局限于这种结构。在其中空间条件不允许将可偏转结构和微机械元件相邻布置的情况下，可以 设置传递元件(例如，在所述层中形成的移动杠杆臂)，所述传递元件将 可偏转结构的移动传递至微机械元件。此外，所述可偏转结构可实现的偏转(例如，5pn)可能不是足够的(例如，要求15iim)。在这种情况 下，可以在可偏转结构和微机械元件之间设置具有所需转移比(例如， 1:3)的杠杆臂。本发明还可以包括微机械元件的进一步固定， 一旦已经通过可偏转 结构锁定。例如，在其中所述配置受到机械撞击的情况下，偏转元件提 供的力可能不足以将所述微机械元件锁定在其偏转位置。为了避免所述 微机械元件再次离开其偏转位置，可以为可偏转结构和/或偏转后的微机 械元件提供附加的固定，例如通过给料器施加一滴或几滴固定材料，例 如粘合剂或墨水。
权利要求
1.一种可偏转结构，包括包括第一区域(110；210)和第二区域(112)的层(102)；在所述层(102)中的沟槽结构(104)，所述沟槽结构(104)穿透所述层(102)，并且将所述第一区域(110；210)与所述第二区域(112)分离；所述第一区域(110；210)和所述第二区域(112)之间的第一连接点(106；206)；以及所述第一区域(110；210)和所述第二区域(112)之间的第二连接点(108；208)；通过施加力，所述第一区域(110；210)可以从相对于所述第二区域(112)的永久的第一位置永久地移动至相对于所述第二区域(112)的第二位置，所述第二位置相对于所述第一位置偏转。
2. 根据权利要求1所述的可偏转结构，其中将所述第二连接点(108; 208)配置为所述第一区域(110; 210)和所述第二区域(112)之间的预定断裂点，并且所述可偏转结构在所述第一区域(110; 210)中包括结构(114; 114a， 114b; 214)，所述结构配合所述第一区域产生机械应 力，以便相对于所述第二区域(112)偏置所述第一区域(110; 210)， 使得所述预定断裂点(108; 208)的断裂引起从初始的第一位置到相对 于所述第二区域(112)的偏转的第二位置的移动。
3. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述结构(114， 114a， 114b)配置为引起沿与所述层(102)的表面(102a)平行的方向的移动。
4. 根据权利要求3所述的可偏转结构，其中所述结构(114， 114a， 114b)穿透所述层(102)。
5. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中将所述结构(214)实 现为引起沿所述层(102)的表面(102a)的上面或下面方向的移动。
6. 根据权利要求5所述的可偏转结构，其中所述结构(114， 114a， 114b)部分地进入所述层(102)中。
7. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述结构(114， 114a， 114b; 214)是连续结构或分段结构。
8. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述结构(114， 114a， 114b; 214)包括由产生应力的材料制成的至少一部分(114a， 114b; 214)。
9. 根据权利要求8所述的可偏转结构，其中所述产生应力的材料引 起张应力或压应力。
10. 根据权利要求8所述的可偏转结构，其中所述结构(114)的所 述至少一部分非对称地设置在所述第一区域(IIO)中，以便引起沿所述 至少一部分的纵向维度的横向的移动。
11. 根据权利要求8所述的可偏转结构，其中所述结构(114)的所 述至少一部分对称地设置在所述第一区域(110)中，以便引起沿所述至 少一部分的纵向维度方向的移动。
12. 根据权利要求2所述的可偏转结构，包括对称地或非对称地设 置在所述第一区域(110)中的多个结构(114a、 114b)。
13. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述第一区域(110; 210)是环形形状或矩形形状的。
14. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述第一区域(110) 包括在预定断裂点(180)断裂时偏转的致动元件(132)，所述第一连接 点(106)将所述致动元件(132)与所述层(102)的所述第二区域(112) 相连。
15. 根据权利要求14所述的可偏转结构，其中所述结构(114)包 括相对于所述致动元件(132)对称地设置的多个部分。
16. 根据权利要求14所述的可偏转结构，包括在所述层中形成并且 与所述致动元件(132)相连的支座结构(154)。
17. 根据权利要求2所述的可偏转结构，其中所述第一区域(110) 还包括可以向其施加用于通过预定断裂点(108)导致断裂的力的区域(128)。
18. 根据权利要求1所述的可偏转结构，其中所述第一区域(110) 包括中心部分(302)和两个实质上相对的悬挂装置(304a， 304b)，所 述第一连接点(106a)设置在所述第二区域(112)和所述第一悬挂装置(304a)之间，以及所述第二连接点(108a)设置在所述第二区域(112) 和所述第二悬挂装置(304b)之间。
19. 根据权利要求18所述的可偏转结构，其中所述中心部分(302) 可以沿与所述层(102)的表面(102a)平行的方向从第一位置移动至第 二位置，将所述第一悬挂装置(304a)和所述第二悬挂装置(304b)设 置在所述第一位置，使得所述第一连接点(106a)和所述第二连接点(106b)沿所述中心部分(302)的移动方向设置在相应的悬挂位置(308a、 308b)的前面，在所述悬挂位置(308a、 308b)处第一和第二悬挂装置(304a， 304b)分别与所述中心部分(302)相连，以及将所述第一悬挂 装置(304a)和所述第二悬挂装置(304b)设置于第二位置，使得所述 第一连接点(106a)和所述第二连接点(108a)沿所述中心部分(302) 的移动方向设置在相应的悬挂位置(308a、 308b)的后面。
20. 根据权利要求18所述的可偏转结构，包括两个另外的悬挂装置 (306a， 306b)，所述两个另外的悬挂装置实质上彼此相对设置。
21. 根据权利要求18所述的可偏转结构，其中所述中心部分(302) 和所述悬挂装置(304a， 304b， 306a， 306b)每一个均是横梁形状的。
22. 根据权利要求18所述的可偏转结构，其中所述中心部分(302) 还包括可以在其上施加用于移动至所述第二位置的力的区域(312)。
23. 根据权利要求22所述的可偏转结构，其中所述区域(312)包 括用于与外部对电极结构进行静电耦合的多个电极结构(312a、 312b) 和/或可以热激活或射流地激活的结构。
24. 根据权利要求1所述的可偏转结构，其中所述第二区域(112) 包括止动器，所述第一区域(110)在第二位置中与所述止动器邻接，并 且选择使第一区域可移动至第二位置的力，使得能够实现越过所述止动 器的移动。
25. —种微机械结构，包括层(102)，在所述层(102)中还形成有根据权利要求1至24中任 一项所述的可偏转结构，其中所述可偏转结构的所述第一区域(110; 210)通过从第一位置至第 二位置的移动而作用于所述微机械结构(126， 140; 240)上。
26. 根据权利要求25所述的微机械结构，包括微机械元件(140)，所述微机械元件可以相对于所述层(102)的 表面(102a)偏转，所述可偏转结构通过从第一位置至第二位置的移动， 将所述微机械元件(140)保持在偏转后的位置。
27. 根据权利要求26所述的微机械结构，其中，所述微机械元件 (140)可以绕与所述层(102)平行的轴旋转，通过从第一位置至第二位置的移动，将所述可偏转结构的致动元件(132)配置在所述微机械元 件(140)的下面或上面，以便将所述微机械元件(140)保持在旋转后 的位置。
28. 根据权利要求26所述的微机械结构，其中所述微机械元件(140) 包括支撑结构，所述支撑结构与可偏转结构相连，以便通过从第一位置 至第二位置的移动，将所述微机械元件(140)保持在所述层(102)的 表面(102a)的上面或下面的预定位置处。
29. 根据权利要求25所述的微机械结构，包括微机械元件(126)，所述可偏转结构与所述微机械元件相连，以便 通过从第一位置至第二位置的移动，调节所述微机械元件(126)的物理 性质。
30. 根据权利要求25所述的微机械结构，包括微机械部件，所述微 机械元件包括梳齿状电极，用于被平移或旋转地驱动的微机械部件的静 态或谐振偏转。
31. 根据权利要求30所述的微机械结构，其中所述微机械部件包括 传感器。
32. 根据权利要求25所述的微机械结构，其中所述可偏转结构的第 一区域(110)包括凹口 (182)，在所述可偏转结构的第二位置中所述微 机械元件(140)与所述凹口 (182)啮合。
33. 根据权利要求25所述的微机械结构，其中所述微机械元件(140) 包括凹口 (186)，并且所述可偏转结构的第一区域(110)包括钩状物(184)，在所述可偏转结构的第二位置中所述钩状物(184)与所述微机 械元件(140)的凹口 (186)啮合。
34. —种调节微机械结构(140)的方法，包括设置层(102)，所述层(102)具有微机械结构(140; 240)和在 其中形成的根据权利要求1至24中任一项所述的可偏转结构；以及向所述第一区域施加力，以便将所述第一区域从第一位置移动至第 二位置。
35. 根据权利要求34所述的方法，其中施加所述力包括破坏所述 可偏转结构的预定断裂点(108; 208)，以便引起所述可偏转结构的第一 区域(110; 210)的移动，用于撞击所述微机械结构(140; 240)。
36. 根据权利要求35所述的方法，其中破坏所述预定断裂点(108)包括施加热能或机械力。
37. 根据权利要求36所述的方法，其中施加热能包括向所述预定断 裂点(108; 208)供给电能或电磁辐射。
全文摘要
本发明涉及一种可偏转结构、微机械机构和用于调节微机械结构的方法。其中，可偏转结构包括包括第一区域和第二区域的层；在所述层中的沟槽结构，所述沟槽结构穿透所述层，并且将第一区域与第二区域分离；第一区域和第二区域之间的第一连接点；以及第一区域和第二区域之间的第二连接点；通过施加力，第一区域可以从相对于第二区域的永久的第一位置永久地移动到相对于第二区域的第二位置，第二位置相对于第一位置偏转。
文档编号B81C1/00GK101279707SQ20081008181
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月2日 优先权日2007年4月2日
发明者克里斯蒂安·德拉伯 申请人:弗劳恩霍夫应用研究促进协会