多维位移可放大微型机电执行器结构和阵列的制作方法

专利名称：多维位移可放大微型机电执行器结构和阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及微型机电执行器结构，更具体地，涉及在多维方向位移可放大的热激励微型机电执行器结构和阵列。
目前，由于微型机电结构(MEMS)和其他微型制造装置具有尺寸、成本及可靠性等方面的优点而正被大量应用。目前已经制造了许多各种各样的MEMS装置，包括能够运动或加力的微型齿轮、微型马达以及其他显微加工的装置。这些MEMS装置可以用于各种应用，包括使用MEMS泵或阀的液压应用和使用MEMS光阀及光闸的光应用。
MEMS装置采用各种技术来产生引起这些微型结构内的运动所需的力。有些MEMS装置由电磁场驱动，而有些显微机械加工的结构由压电力或静电力驱动。最近，出现了由执行器或其他MEMS组件的受控热膨胀驱动的MEMS装置。例如，在转让给本发明受让人MCNC的U.S专利申请No.08/767,192；08/936,598及08/965,277中，介绍了多种类型的热激励MEMS装置。在此，引入这些申请的内容作为参考。这些申请中所介绍的热拱形梁执行器包含由硅或金属材料构成的拱形梁，拱形梁受热时进一步弯曲或偏离而生成原动力。这些申请同样介绍了各种加热拱形梁使其进一步弯曲的直接或间接加热装置。上述热执行器被设计为在一个方向即一维方向上运动。进而，热执行器阵列通常地用于提高所产生的驱动力大小。这些热激励MEMS装置可以用于多种MEMS应用，如MEMS继电器、阀等等，一些使用MEMS热执行器的应用需要其他类型的位移如两维或三维运动。
目前已经研制出了能够两维或三维方向运动的热驱动MEMS装置。例如加利福尼亚的lucas novasensor of Fremont已经研制出能够进行两维或三维运动的多种热激励MEMS装置。这些能够进行两维运动的装置一般包含随热激励作用而在平面内偏转的一个或多个拱形梁。可以进行三维运动的装置在没有热激励时位于与衬底平行的平面内。当施加热激励时，这些装置产生运动而超出这个平面，如旋转或升高而超出该平面。为平面外运动设计了另一类热激励装置，在没有热激励时位于平面外。例如，这些装置包括carr等享有的U.S专利5,796,152和saif等享有的U.S专利5,862,003中所介绍的热激励装置。通常地，这些装置一端固定在所述衬底上而另一端在热激励作用下可自由运动。由于这种设计，超出平面的相对位移量受到限制。另外，尽管所有上述装置可以布置成阵列，但该阵列所产生位移量与阵列中结合的装置的数目并不成比例地增加。
因此，尽管已经研制出了能够在一维、二维和三维方向运动的热激励MEMS结构，但是研制更优化的可增加这些方向上的位移量的装置仍然是有益的。例如，研制可放大形成阵列的热激励MEMS装置以相应地联合阵列中单个装置的位移量由此产生比常规MEMS装置更大的位移量，这是有益的。进而，研制在热激励作用下可在多于一维方向产生运动的改进的MEMS装置也是有意义的。例如，为了新应用需要或更好地服务于现有应用，也需要能够产生较大的平面内和平面外位移的改进的热激励MEMS装置。
本发明包括几个在一维或多维方向具有可放大移动的热激励微机电结构，以共同克服常规MEMS装置中存在的上述缺点。具体地，本发明中这些MEMS结构不仅可以在两维和三维方向产生运动，而且在构成阵列时具有比常规热激励MEMS装置大许多的位移范围。
如此，本发明的一个实施例提供包含微电子衬底、至少一个锚和一对拱形梁的热激励微型机电结构。微电子衬底作为放置热激励微机电结构的基底。在这点上，至少有一个锚固定在微电子衬底上而MEMS结构的其余部分从锚伸出覆在衬底上方。拱形梁对中的每个都具有中间部分和两个端部。拱形梁对的相对的端部可操作地相互连接。进而，拱形梁对中一个梁的中间部分与至少一个锚连接，因此，拱形梁对以悬臂梁结构从至少一个锚伸出，覆在微电子衬底上。一旦向此处施加热激励，一对拱形梁进一步弯曲由此引起一对拱形梁相应地沿预定路线相对于衬底移动。如此，该实施例的MEMS结构可以在平行于微电子衬底的平面上沿一维或两维路线运动。
该实施例的MEMS结构也可以包含放置在拱形梁对之间用于连接拱形梁对的相对的端部的横梁。当微型机电结构受到热激励时，最好使横梁受热比拱形梁对少。通过利用横梁连结拱形梁的端部，该实施例的MEMS结构比常规MEMS装置具有大许多的位移量。
在一个实施例中，放置拱形梁对，使其凹入部分互相面对，从而形成一个一般菱状的结构而能够在热激励作用下膨胀。作为选择地，另外一个实施例中，放置拱形梁对使其凸出部分互相面对，从而形成一般蝴蝶结形状结构而能够在热激励作用下收缩。本发明进一步提供热激励微机电阵列，其中，为了提供更大的位移量上述热激励微机电结构包含位于阵列中的单元。
本发明的一个实施例提供的热激励结构包含微电子衬底、至少一个固定其上的锚、拱形梁和横梁。拱形梁具有中间部分和两个端部。横梁可操作地连接拱形梁相对两端部，因此拱形梁的中间部分和两个端部与横梁之间的间隔不同。如此，拱形梁的中间部分相对于横梁拱起。锚与拱形梁或横梁或者二者同时相连，因此拱形梁和横梁以悬臂梁结构覆在微电子衬底上。热激励使得中间部分更加弯曲从而改变中间部分与横梁之间的间隔，因此沿预定路线相对于微电子衬底移动。如果中间部分与横梁之间的间隔大于两个端部与横梁的间隔，在热激励作用下中间部分将拱起而进一步远离横梁。然而，如果中间部分与横梁之间的间隔小于两个端部与横梁之间的间隔，在热激励作用下中间部分将拱起而进一步靠近横梁。
在另一个实施例中，热激励微机电结构进一步包含引导面和在热激励作用下引导热激励结构沿导向槽运动的相对低摩擦工具。引导工具包含至少一个滚轴或沿引导面纵长方向形成的轨道。每个滚轴放置在拱形梁对和轨平面之间，因而在热激励作用下拱形梁对随滚轴在轨平面上的移动而沿预定路线运动。轨道负载拱形梁对并沿预定运动路线延伸，因此在热激励作用下拱形梁对被引导沿轨道滑动。
本发明的另外一个实施例中，提供的热激励微机电结构可在与微电子衬底表面所形成平面的平行的平面内运动。该实施例中的MEMS结构包含微电子衬底、至少一个固定在衬底上的锚和至少一个与锚相连的拱形梁。每个拱形梁具有中间部分和两个端部，并且在没有热激励作用时向与微电子衬底所形成的常平表面不平行的方向拱起。在拱形梁受到热激励时，受激励拱形梁向与常平表面的不平行的方向进一步拱起，因此中间部分比此处两个相对的端部拱起弧度大。在选择性热激励的作用下，每个热激励拱形梁的中间部分与常平表面之间的间隔相应地改变。
本实施例中MEMS结构的拱形梁可以用其他几种方式构成。在一个实施例中，拱形梁包含第一层和至少一部分覆在第一层上的第二层。在这种情况下，中间部分和两个端部处于不同的层中。另一种方法是，由单层构成拱形梁，因此中间部分在两个相对的端部之间光滑的拱起。
本发明中热激励微机电结构的另外一个实施例包含微电子衬底、第一拱形梁、第二拱形梁、互连横杆、至少一个固定在衬底上并与第一拱形梁、第二拱形梁和互连横杆中的至少一个相连的锚。微电子衬底形成常平表面并作为热激励微机电结构的基底。第一和第二拱形梁都具有中间部分和两个端部。在没有热激励时，第一拱形梁拱起，因此中间部分比两个端部更远离微电子衬底。相反地，在没有热激励时，第二拱形梁拱起，因此中间部分比两个端部更靠近微电子衬底。互连横杆可以连接第一和第二拱形梁的端部。当对本实施例的MEMS结构施加选择性热激励时，拱形梁进一步拱起从而改变互连横杆和常平表面之间的间隔。通过可操作地在互连横杆上安装一个平台，则该平台将沿与微电子衬底的常平表面不平行的方向移动。
如前，热激励微型机电结构可以层叠而在热激励微型机电阵列内形成单元。在本发明的阵列实施例中，至少两个热激励单元可以通过一个热激励单元中第一上拱起梁的中间部分和邻近热激励单元中第二下拱起梁的中间部分互相连接。在另一个阵列实施例中，至少有两个热激励单元通过两个邻近热激励单元中第一上拱起梁的中间部分互相连接。进而，一个阵列实施例中具有至少四个通过各自第一拱形梁的中间部分互相连接的邻近热激励单元。在所有这些阵列实施例中，当至少一个互相连接的热激励单元受到选择性热激励时，互相连接的中间部分与由微电子衬底形成的常平表面之间的间隔改变。上述阵列实施例可以进一步包含一个与相邻热激励单元的互连的中间部分相连的平台，因此，由于选择性热激励作用，平台与常平表面之间的间隔可以改变。
进而，本发明提供包含联合上述不同类型热激励单元的热激励微机电阵列。第一类热激励单元具有使相应单元格在与微电子衬底所形成的X-Y平面平行的平面内运动的拱形梁。另外一种热激励单元具有使相应单元格在与该X-Y平面垂直的Z方向运动的拱形梁，因此其与X-Y平面之间的间隔改变。如此，对热激励微机电阵列中的单元施加选择性热激励可以提供平行和(或)垂直于微电子衬底形成的X-Y平面的运动。另外，本发明还提供对此处所述所有拱形梁施加热激励的直接和间接加热技术。
如此，上述MEMS结构的各种实施例可以提供沿一维、两维和(或)三维方向的可控运动。此外，本发明的MEMS结构可以提供比常规MEMS结构大许多的位移量。如此，本发明的MEMS结构可以满足现代应用的更高要求。


图1(a)、1(b)和1(c)所示为几个热激励拱形梁执行器实施例的平面图。
图2(a)到2(d)所示为本发明中各种共面热激励执行器实施例的平面图。
图3(a)到3(d)分别表示本发明中两个横梁实施例和两个共面热拱形梁阵列实施例的平面图。
图4(a)和4(b)所示为本发明中用于共面热激励阵列的两个直接加热实施例平面图。
图5所示为本发明中可旋转引导的热激励拱形梁阵列实施例的平面图。
图6(a)到6(f)所示为本发明中六个共面热激励阵列实施例的平面图。
图7(a)和(b)所示为本发明中U-D-U和D-U-D不共面热激励结构实施例的平面图。
图8所示为本发明中D-U-D不共面热激励结构实施例的透视图。
图9(a)到9(b)分别为本发明中集成U-D-U和D-U-D不共面热激励结构实施例的平面图及其示意图。
图10所示为本发明中集成U-D-U和D-U-D不共面热激励阵列实施例的透视图。
图11所示为本发明中集成U-D-U和D-U-D不共面热激励阵列实施例的平面图。
图12所示为本发明中集成U-D-U和D-U-D不共面热激励阵列实施例的平面图。
图13所示为本发明中集成共面和不共面热激励阵列实施例的平面图。
图14所示为本发明中用于一个共面热激励阵列的直接加热实施例的平面图。
图15所示为本发明中用于另一个共面热激励阵列的直接加热实施例的平面图。
图16所示为本发明中热激励阵列的横梁有电流通过时的平面图。
以下根据示出本发明优选实施例的附图更加全面地介绍本发明。本发明可以体现为多种不同形式并且不应解释为仅局限于此处所提出的实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开文本更透彻完整并且向本领域普通技术人员充分传达本发明的范围。附图中的特征没有必要按比例画出，仅用于说明本发明。相同的数字一直表示相同的元件。
本发明提供的热激励微机电执行器结构和阵列是可放大的并且能在多维方向产生相当大的位移量，例如可以在一维、二维和(或)三维方向具有相当大的位移。本发明中的‘可放大’表示微型机电执行器结构或单元可以互相连接成阵列从而能够联合每个结构或单元在热激励作用下的位移。本发明中所有热激励结构或阵列实施例都放置在下置微电子衬底上，最好是在它的通常为平面的表面(下称“常平表面”)上。下置微电子衬底可以用任何合适的材料构成，如玻璃、硅、其他半导体或其他材料。对于本发明的每个实施例，原动力的基本来源包含一个或多个热激励拱形梁执行器，如下所述。
热拱形梁执行器尽管本发明的热激励微型机电执行器结构可有许多不同实施例，但是这些结构最好由热拱形梁(TAB)执行器驱动，如U.S专利申请No.08/767,192中所述，其内容在此引作参考。在这一点上，图1说明了一些基本热拱形梁执行器结构，这有助于理解其工作。如图1(a)和1(b)中所示，热拱形梁执行器可以包括单个或多个拱形梁。图1(a)中所示为单梁热拱形梁执行器的一个例子。该单梁热拱形梁执行器包含至少两个锚，例如所示锚32和33。每个锚都固定在微电子衬底10上用于支撑热拱形梁执行器。进而，该热拱形梁执行器包含一个位于至少一对锚之间的拱形梁35。拱形梁在一对锚之间延伸从而其两个端部固定在锚上支撑拱形梁位于微电子衬底上面。
在没有热激励作用时，拱形梁在预定方向50拱起。此外，拱形梁在选择性热激励作用下向所述预定方向进一步拱起。拱形梁的热激励可以以多种方式进行，如电流流经拱形梁的直接加热技术以及通过邻近的加热源加热拱形梁的间接加热技术。当受到热激励时拱形梁进一步拱起从而同时产生力和位移。换言之，在热激励作用下拱形梁35向预定方向进一步移位。如此，在拱形梁35受到热激励时，平台20随着拱形梁的移动而在预定方向50移动。一旦撤除热激励，拱形梁将向与预定方向50相反的方向运动，返回到初始无激励拱起位置。
如图1(b)和1(c)中所示，热拱形梁执行器也可以包含多个位于一对锚之间的拱形梁。例如，图1(b)中所示的拱形梁35、36、37可以单个也可以同时受到热激励。如前，在没有热激励时拱形梁在预定方向拱起而在选择性热激励作用下进一步向预定方向拱起。联接器60用于可操作地互相连接多个拱形梁，从而在热激励作用时可以将每个拱形梁产生的力和位移合并起来。
拱形梁最好用随温度变化形状显著变化如膨胀的材料制造。尽管拱形梁可用具有负热膨胀系数即随温度升高而收缩的材料制造，但最好用具有正热膨胀系数的材料制造。因此，拱形梁最好用随温度升高而膨胀的材料制造，从而在受到热激励时拱形梁进一步拱起。此外，尽管热拱形梁执行器优选用金属材料如镍制造，但是热拱形梁执行器的热拱形梁和(或)其他部件如锚也可以用单晶材料如硅制造。对于用镍制造的部件，上述引作参考的U.S.专利申请No.08/736,598中介绍了同样可以在微电子衬底上生成这些结构的镍电镀工艺。对于由单晶体材料如硅制造的拱形梁和锚，可以用已有微型制造技术如表面显微机械加工技术制造。当然，所有热拱形梁执行器的热拱形梁、锚和其他部件可以根据需要用不同材料和(或)用不同材料的层制造。
可以设计热拱形梁结构使所选工作特性最优化。构造图1中所示热拱形梁执行器的例子，使其具有较大的机械稳定性、力和鲁棒性(robustness)。此外，通常地，这些热拱形梁执行器可以在平面内沿一维如预定移动方向50形成的线性坐标轴运动。然而，为了提供大的变形量，这些例子中的热拱形梁需要较长的拱形梁和较高的温度。即，可以构造这些TAB执行器使其具有最优鲁棒性、力和机械稳定性，但产生给定位移需要相对较大的衬底面积和更高的工作温度。如下所述，可以用其他结构形式构造TAB执行器，例如，优化设计执行器以使其在平面内产生更大的可放大位移。
平面内位移执行器结构和阵列本发明提供的热激励微型机电结构能够产生给定位移量但需要相对较低的工作温度并且所用拱形梁比常规TAB执行器相对较短。如此，这些热激励微型机电结构包含的TAB执行器能产生给定的平面内位移量而所需衬底面积和工作温度最小。进而，可以通过将这些可放大热激励微型机电结构形成阵列而产生相对较大的位移量。如本发明中所采用的平面内位移结构能够在平面，如一般与衬底表面所形成的平面平行的平面，内产生一维和(或)二维运动。例如，平面内位移结构可以沿X轴、Y轴或两个轴运动。此外，能够产生一维运动的结构可以有益地相互连接，从而也可以产生两维运动。这些热激励结构的例子如图2和3所示。
一般地，本发明的一个实施例提供的热激励微型机电结构包含微电子衬底、至少一个固定在衬底上的锚和拱形梁对。每个拱形梁具有中间部分和两个端部。如图所示，拱形梁对的相对的端部可操作地互相连接。进而，拱形梁对中的一个拱形梁的中间部分与至少一个锚联接，因此拱形梁对以悬臂梁结构伸出而覆在微型电子衬底之上。在没有热激励时，每个可操作地互相连接的拱形梁对有偏移而向预定方向拱起。在没有热激励时，所有拱形梁对中的拱形梁可以向相同方向或者不同方向偏移。当拱形梁对受热激励时，拱形梁对相应地沿预定路线相对于微电子衬底移动。位于与微电子衬底所形成平面平行的平面内的预定路线最好沿一维方向，是线性的。例如，图2(a)中所示结构的预定路线为沿箭头51所指方向。这个普通热激励微型机电结构是可放大的，即可以构成阵列以在平面内产生不同类型和大小的位移。
本发明的一个实施例提供一种热激励微型机电结构能够在拱形梁对受到热激励时产生膨胀。该结构的例子如图2(a)所示，其中拱形梁对能够以相对较小的衬底面积、较短的拱形梁以及较低的工作温度产生给定位移量。该实施例同样是可放大的从而可以根据需要构成阵列以产生较大位移量。如上所述邻近锚100的拱形梁对构造为固定在锚上。具体地，该实施例具有固定在微电子衬底10上的锚100和分别如115和120指示的热拱形梁对。
如图所示，所述拱形梁包含中间部分和两个端部，并且拱形梁对在两个相对的端部处可操作地相互连接。此外，拱形梁120拱起的中间部分与锚100相连。进而，放置拱形梁对使得其凹入部分互相面对因此形成一般菱型结构。换言之，即使没有热激励作用，由于拱起的中间部分相互背离拱起而使得拱形梁对有偏移。此外，在热激励作用下，拱形梁对将进一步拱起并沿箭头51所示的预定路线膨胀。尽管图中所示菱型执行器实施例包含的拱形梁具有两个线性段，该拱形梁也可以由一个光滑连续段或者其他形式构成。相应地，当拱形梁组件受到热激励时，该菱型热激励微型机电结构由于膨胀而产生位移。当撤除此处的热激励时，菱型热激励微型机电结构恢复到其初始位置如偏移拱起位置。
本发明的另外一个实施例提供的一种热激励微型机电结构能够在拱形梁对受到热激励时收缩。该结构的例子如图2(c)所示，其中拱形梁对能够以较小的衬底面积、较短的拱形梁及较低的工作温度产生给定的位移量。如前，该实施例是可放大的从而可以根据需要构成阵列以产生的较大位移量。如上所述邻近锚100的拱形梁对构造为固定在锚上。具体地，该实施例具有固定在微电子衬底10上的锚100和分别如150和155所示的热拱形梁对。
如图2(c)所示，拱形梁包括中间部分和两个端部。如前，拱形梁对在两个相对的端部处可操作地相互连接。与前一个实施例不同，拱形梁的相对的端部通过框架部分可操作地相互连接，如图151和156所示。进而，拱形梁150拱起的中间部分与锚100连接。此外，布置拱形梁对使得其凸出部分相互连接由此形成蝴蝶结型结构。换言之，中间部分相互对向拱起使得拱形梁对在没有热激励作用时也有偏移。进而，在热激励作用下，拱形梁对进一步拱起而沿箭头52所示的预定路线收缩。如同菱型实施例，尽管图中所示蝴蝶结型结构实施例的拱形梁包含两个线性段，该拱形梁也可以由一个光滑连续段或者其他形式构成。相应地，当拱形梁组件受到热激励时，该蝴蝶结型热激励微型机电结构由于收缩而产生位移。如前，当撤除热激励时，蝴蝶结型热激励微型机电结构恢复到其初始位置如偏移拱起位置。
本发明的其他实施例对上述实施例进行了补充和修改。在一个实施例中，热激励结构进一步包含横梁，横梁最好位于两个拱形梁之间从而可操作地连接每对拱形梁的两个相对的端部。例如，图2(a)中的菱型结构具有位于拱形梁115和120的相对的端部之间的横梁125，而图2(c)中的蝴蝶结型结构具有位于拱形梁150和155的相对的端部之间的横梁140。为了正常工作，所述热激励微型机电结构要求横梁和拱形梁之间具有膨胀梯度，从而横梁比拱形梁膨胀较少或者较多。换言之，横梁膨胀量与拱形梁不同。例如，这可以通过对横梁和拱形梁有区别地施加热激励或由不同材料制造来实现。此外，图3(c)所示的菱型结构和图3(d)所示的蝴蝶结型结构包括位于横梁两侧的多个拱形梁其优化构造为可以在一维运动方向上位移量相同的情况下施加相对较大的力。横梁可以增加机械稳定性并且支撑相互连接的拱形梁对。另外，横梁可以有益地以几种方式使用，从而使拱形梁的热激励效率更高。由于其构造和加热拱形梁的方式而使横梁膨胀比该处互相连接的拱形梁小。如此，横梁限制了拱形梁相对的端部的外向运动，因此拱形梁进一步拱起引起拱形梁中间部分的显著拱起和位移。相应地，为了节省能量及限制横梁的膨胀，每个热激励微型机电结构中横梁最好比对应的拱形梁受热少。
如图3(a)和3(b)所示，横梁可以包含具有类似散热器作用的热瓶颈，从而使得菱型或蝴蝶结型结构中横梁保持比拱形梁对凉并且膨胀较小。换言之，根据需要横梁可以具有有利的热特性。例如，横梁的几何形状和(或)所用材料使横梁的作用如同散热器或热瓶颈。无论组成横梁的材料是否与对应的热拱形梁相同，都可以增加横梁的表面积使其更好地散热从而保持比对应热拱形梁凉。例如，如上述图中所示，至少每个横梁125的中间部分的表面积比横梁的其余部分和热拱形梁大。通常，表面积越大热耗散越多。此外，横梁可以用与热拱形梁不同的材料制造，从而具有如同散热器的优点并且(或)产生的膨胀比对应的热拱形梁小。例如，拱形梁和横梁可以选择热膨胀系数不同的材料，使得横梁在受到热激励时膨胀较小。例如，拱形梁对可以由金属材料制造，而横梁用硅制造。由于硅比金属材料膨胀小，因而在温度升高时横梁比拱形梁膨胀小的多。进而，用热膨胀系数比横梁大的材料制造拱形梁使得热激励MEMS结构可以作为自动调温器或温度传感器，因为位移可以表示为温度的函数。如即将介绍的，无论使用直接或间接加热技术提供热激励，横梁可以具有其他的构造以提供更高效率的热激励。
本发明的一个实施例提供的热激励微型机电结构包括微电子衬底、至少一个固定在衬底上的锚、拱形梁和横梁。锚和微电子衬底如上所述，锚固定在微电子衬底上。进而，拱形梁具有中间部分和两个端部。横梁可操作地连接拱形梁的相对的端部，因而中间部分和端部与横梁之间的间隔不同。如此，拱形梁的中间部分相对于横梁拱起。锚与拱形梁或横梁或二者同时连接，因而拱形梁和横梁以悬臂梁结构覆在微电子衬底上。当对热激励微型机电结构施加热激励时，拱形梁进一步拱起其中间部分从而改变与横梁之间的间隔，因此沿预定方向产生相对于微电子衬底的位移。
该实施例结构的一个例子如图4(a)所示。微电子衬底10和锚100如前所述，而拱形梁264具有中间部分267和分别如265、266所示两个端部。本实施例中横梁262可操作地连接拱形梁的相对的端部265和266，因而中间部分267拱起而远离横梁，因此在没有热激励作用时一般形成D型执行器结构。在此情况下，中间部分与横梁之间的间隔大于两个端部与横梁之间的间隔。锚可操作地与拱形梁和横梁中的至少一个连接，因而拱形梁和横梁以悬臂梁结构覆在微电子衬底上。当至少对D型执行器结构的拱形梁施加热激励时，拱形梁的中间部分进一步远离横梁拱起从而沿预定方向如箭头269所示的方向相对于微电子衬底发生位移。
该实施例的另外一个例子如图4(b)所示。同上，微电子衬底10和锚100如前所述，拱形梁264具有由267表示的中间部分和分别由265、266表示的两个端部。不同的是，横梁具有两个边部如271，因而形成支撑拱形梁的C型框架。如前，横梁可操作地连接拱形梁的相对的端部。然而，在此情形下，没有热激励时中间部分267向C型横梁的内部拱起。如此，中间部分与横梁之间的间隔小于两个端部与横梁之间的间隔。锚可操作地与拱形梁和横梁中的至少一个连接，从而拱形梁和横梁以悬臂梁结构覆在微电子衬底上。当至少对该热激励执行器结构的拱形梁施加热激励时，拱形梁的中间部分进一步向横梁拱起从而沿预定方向如箭头270的方向产生相对于微电子衬底的位移。
对于上述实施例，可以用多种形式构造横梁262。在热激励微型机电结构的优选实施例中，当微型机电执行器结构受热激励时，可使横梁受热比拱形梁少。例如，可以放置外部加热器使得拱形梁获得的热量比横梁多。此外，横梁和拱形梁可以由具有不同热膨胀系数的材料构成，从而拱形梁和横梁对温度变化的响应不同。如上所述，横梁最好由随温度升高膨胀比拱形梁小的材料制造。进而，横梁的横截面积可以比拱形梁大。如此，如果需要，横梁的电阻可以比拱形梁小。同样，如上所述，横截面积较大的横梁可作为散热器。
此外，可将加热器加入上述实施例中并根据需要放置从而可以选择性地对拱形梁或横梁或二者同时施加热激励。加热器可以位于热激励执行器结构之外，也可以由在内部直接加热的电能源构成。一个实施例还包含多个热激励单元，并且每个热激励单元可包含上述任何执行器结构实施例。每个单元与邻近的单元相互连接，例如通过如图4(a)和4(b)所示的互连构件268互连。如此，当至少一个热激励单元受到热激励时，多个单元沿预定路线协同移动。例如，对图4(a)中的一个或多个D型执行器单元施加热激励将使D型热激励单元阵列在箭头269所示方向相应地移动，而对图4(b)中的一个或多个执行器单元施加热激励，使阵列在箭头270所示方向相应地移动。
在另外一个实施例中，本发明的热激励微型机电结构可以还包含用于引导热拱形梁在热激励作用下沿一定路线移动的低电阻装置。如此，该实施例使得热激励微型机电结构能够沿预定路线产生较小摩擦力的受引导移动，例如使用滚动或滑动接触面。如图5所示，可以在所述菱型、蝴蝶结型或其他任何热激励微型机电结构中加入至少一个引导面如引导面201和(或)202以及至少一个滚轴如滚轴200。在一些点处最好用至少一个锚100将热激励结构固定在微电子衬底上。进而，每个滚轴位于拱形梁对的端部和邻近的引导面之间，通常引导面由微电子衬底的一部分构成。因此通过滚轴沿引导面的移动引导拱形梁对沿箭头203所示预定方向移动，因此在选择性热激励作用下拱形梁对产生位移。进一步的例子中，热激励结构可以具有滑动界面。可以提供引导面以形成沿热拱形梁对的预定移动路线纵向延伸的轨道。轨道可以支撑拱形梁对从而引导拱形梁在热激励作用下沿位移预定路线移动。例如，图4中可以去掉拱形梁对中的滚轴。此外，引导面201或202可以形成承载拱形梁对的轨道并作为沿预定热激励移动路线的导向装置。
如上所述，可以放置多个拱形梁对使其协同响应热激励作用。相应地，本发明一个实施例的热激励微型机电阵列能够在与微电子衬底所形成平面平行的平面内沿一维和(或)多维移动路线移动。可以通过互相连接至少两个任何类型的所述热激励微型机电结构构成热激励微型机电阵列，最好是至少两个相同类型的热激励微型机电结构。由于热激励微型机电结构是可放大的，因而可以通过将这些结构构成阵列以产生相对较大的位移量。一般地，如前所述，本发明的一个实施例中提供的热激励微型机电阵列包含微电子衬底和固定在衬底上的至少一个锚。此外，所述阵列包含多个热激励微型机电单元。如前所述，每个热激励微型机电单元包含在相对的端部处可操作地互相连接的拱形梁对。第一热激励微型机电单元与至少一个锚相连如通过一个拱形梁的中间部分相连，并且由此伸展。阵列中其余的热激励微型机电单元与一个锚连接，因此每个单元都可操作地与第一热激励微型机电单元连接。如此，多个微型机电单元从至少一个锚上以悬臂梁状结构伸出并覆在微电子衬底之上从而提供所需的位移量。
如前，没有热激励作用时每个单元内可操作地互相连接的拱形梁对向预定方向拱起。当向至少一个热激励微型机电单元施加选择性热激励时，该处的拱形梁进一步拱起，从而引起阵列中的多个热激励单元相应地沿预定路线相对于微电子衬底移动。当然，热激励作用可以施加到热激励微型机电阵列的部分或全部热激励单元上。当不再对热激励单元施加热激励时，该处的拱形梁恢复到初始拱起位置。本领域的技术人员懂得，横梁、引导滚动或滑动工具、加热技术和其他一些修改及改进可用于此处所述的任何热激励微型机电结构和单元及由其构成的任何热激励微型机电阵列。
上述本发明所提供的菱型和蝴蝶结型热激励微型机电结构可以在其他许多实施例中有益地构成阵列。例如，图2(a)和2(b)说明了由多个菱型热激励微型机电结构或单元构成的两个热激励微型机电阵列的例子。为了更好地说明这些相对较复杂的阵列，示意画出菱型和蝴蝶结型单元而不画出横杆。当然，这仅仅是为了便于说明，组成阵列的每个菱型或蝴堞结型单元最好包含横杆。如图2(a)所示，菱型单元首尾串联可以构成对于运动的一维方向膨胀所产生的位移而言最优的纵向结构。另外，如图2(b)所示，菱型单元可以构成在运动的一维方向提供较大位移范围的最优矩阵或蜂巢状阵列结构，如虚线所示。该蜂巢状阵列在位于阵列每边的一个或多个菱型单元处向微电子衬底拱起。
类似地，图2(c)和图2(d)说明了由多个蝴蝶结型热激励微型机电结构或单元构成的两个热激励微型机电阵列的例子。如图2(c)所示，蝴蝶结型单元可以首尾串联构成对于运动的一维方向收缩所产生的位移而言最优化的纵向结构。此外，如图2(d)所示，蝴蝶结型单元可以构成在运动的一维方向提供较大位移范围的最优矩阵或蜂巢状阵列结构。如图所示，邻近的蝴蝶结型单元可以通过连结构件158相互连接。此外，该蜂巢状阵列在位于阵列每边的一个或多个蝴蝶结型单元处向微电子衬底拱起。
本领域的技术人员明白，可以利用此处所述热激励微型机电结构和单元构成能够在一维和(或)两维方向运动的许多热激励阵列的排列和组合。此外，通过将这些可放大结构和单元构成阵列，可以产生相对大的位移量。一些热激励阵列可以联合上述结构、单元和阵列，从而在与下置微电子衬底所形成平面平行的平面内产生两维运动。下面结合图6(a)到6(f)介绍这些热激励阵列的至少一些例子。
如图6(a)所示，多个图2(a)中所示的菱型热激励阵列可以成对结合成一个热激励阵列。菱型阵列对平行放置并通过横向构件220互相连接。通过向至少一个菱型阵列对施加热激励，多菱型热激励阵列相应地移动。如果仅向位于该结构一边的菱型阵列施加热激励，例如“+”边或“-”边的菱型阵列受到激励时，多菱型热激励阵列将向没有受到热激励的一边稍微旋转。两边的菱型阵列同时受到热激励时，那么多菱型热激励阵列沿箭头221所指方向大致呈线性移动。因而多菱型热激励阵列结构不但可以根据需要在一维或二维方向具有一定角度的旋转和相对较大的位移，而且由于菱型阵列的平行布置也可以产生相对较大的力。
图6(b)所示的实施例提供了另一个由前述菱阵列构成的多菱型热激励阵列。如所述，热激励结构或单元可以互相连接从而形成两两成对布置的四个阵列。进而，两对阵列可以互相连接形成一个组合热激励阵列。如前，可以向单个或成对的蝴蝶结型阵列施加选择性热激励。然而，与图6(a)所示平行菱型阵列对不同，该菱型阵列对互相垂直放置并且通过L型构件225连接在每个菱型阵列对的底部末端而互相连接。如此，靠近箭头226的菱型阵列对受到选择性热激励时使得L型构件沿箭头226所示方向移动。不同的是，靠近箭头227的菱型阵列对受到选择性热激励时使得L型构件沿箭头227所示方向移动。通过向一个或两个菱型阵列对施加相同或不同程度的热激励，L型构件可以根据需要运动，如在两个箭头所示方向或在包含菱型阵列对的平面内运动。
与上不同，图6(c)和(d)说明蝴蝶结和菱型热激励阵列可以有益地结合在更大的热激励阵列内。所有这些图中的阵列都由锚100锚定，并且与分别由“+”和“-”标记部位的附近的热激励源如电能源连接。图6(c)所示的第一个例子显示菱型和蝴蝶结型热激励阵列可以通过横向构件230互相连接并互相平行。只向“+”边的菱型热激励阵列施加热激励将引起膨胀，从而使横向构件向箭头231所示方向旋转。进而，只向“-”边的蝴蝶结型热激励阵列施加热激励将引起收缩，从而使横向构件也向箭头231所示方向旋转。当然，同时对两边施加热激励将在箭头231所示方向产生更大的旋转。如图所示，可以将小梁232与横向构件垂直连接。当施加热激励时，小梁将相应地前后旋转，与模拟仪表如模拟电压表中的指针类似。图6(c)所示的实施例中，蝴蝶结型和菱型阵列共同工作从而在所述箭头方向产生不同角度的旋转。
然而，蝴蝶结型和菱型阵列也可以串联成推挽式结构共同工作。如图6(d)所示，标记为“+”的一个菱型热激励阵列可操作地与标记为“-”的蝴蝶结型热激励阵列串联。蝴蝶结型和菱型阵列通过与两个阵列垂直相交的横向构件235互相连接。当然，也可以使用其他形状的构件连接蝴蝶结和菱型阵列。只向“+”边的菱型热激励阵列施加热激励将引起膨胀从而使横向构件向箭头236所示方向移动。此外，只向“-”边的蝴蝶结型热激励阵列施加热激励将引起收缩从而使得横向构件向相同方向移动。因此，由于阵列一致收缩和膨胀，对两边同时施加热激励将在箭头236方向产生更大的位移。如前，当菱型阵列膨胀而蝴蝶结型阵列同时收缩时，将共同产生更大的力。
此外，可以将热激励阵列结合形成可响应热激励的热拱形梁状结构。如图6(e)所示，可以将两个菱型热激励阵列串联，如通过构件240串联。在没有热激励时，阵列中的菱型单元或结构拱起，如在箭头241所示方向拱起。相应地，该阵列呈现出与具有正热膨胀系数的材料所构成的热拱形梁特点相似的热激励结构。进而，当受热激励时，该单个菱型结构进一步膨胀从而引起互相连接的阵列进一步拱起而在箭头241所示方向产生位移。与之不同，图6(f)显示了两个同样串联的蝴蝶结型热激励阵列，如通过构件243串联。在这种情况下，在没有热激励时组合蝴蝶结型阵列向与箭头244相反的方向拱起。当受到热激励时，单个蝴蝶结型结构将进一步收缩从而共同引起互相连接的阵列在箭头244所示方向产生位移。后面互相连接的蝴蝶结型阵列的响应与具有负热膨胀系数的材料所构成的热拱形梁相似。类似于通常的热拱形梁结构，串联的菱型阵列在热激励作用下将膨胀而进一步拱起。此外，在热激励作用下串联蝴蝶结型阵列收缩使得拱起程度变小而变直。本领域技术人员知道，此处只列出了本发明的热激励阵列的几个例子。重要的是，这些阵列可以在平面内一维和(或)二维方向产生相当大的位移量，并且相应地可以以多种方式连接这些阵列。进而，本发明的热激励结构和阵列可以在平面外的第三维或所有三维方向运动。
平面外位移执行器结构和阵列相应地，本发明的一个实施例提供可在第三维方向运动的热激励微型机电结构，即在热激励下产生可改变与下置微电子衬底间隔的运动。如前所述，该实施例是可放大的即可以组成阵列以产生相对大的位移量。通常地，该实施例中的热激励结构可以在与下置微电子衬底的常平表面所形成平面垂直的方向上产生运动或位移。然而，根据需要热激励结构可以在不平行于该常平表面的其他方向产生运动。
该实施例中热激励微型机电结构包含形成常平表面的微电子衬底、至少一个固定在该衬底上的锚和至少一个与锚连接的拱形梁。微电子衬底和锚如前所述。如上所述每个拱形梁具有中间部分和两个端部，但是在没有热激励时至少有一个拱形梁向不平行于衬底的常平表面的方向拱起。如此，在没有热激励时，至少一个拱形梁在不平行于该常平表面的方向有偏移。当受到热激励时，拱形梁相应地向与该常平表面不平行的相同方向进一步拱起。如前，拱形梁的中间部分比两个相对的端部拱起程度大。因此，中间部分与下置微电子衬底所形成常平表面之间的间隔可以相应地改变。例如，根据拱形梁初始拱起方向，中间部分可以拱起从而向接近或远离该常平表面的方向移动。换言之，如果假设该常平表面代表X-Y平面，中间部分可以相应地在不平行于X-Y平面的Z轴移动。本领域的技术人员会理解这一点，即这些热激励结构可沿Z轴在两个方向移动，例如靠近或远离微电子衬底的常平表面形成的X-Y平面。在这些结构可向该常平表面移动的情况下，需要在微电子衬底上蚀刻或制造沟槽或腔，从而热激励结构可以进入沟槽并(或)完全穿过微电子衬底。根据热激励结构的结构和构造以及拱形梁拱起方式，可以构造热激励微型机电结构，从而可以在第三维方向产生不同类型的平面外位移。
图7(a)示出本发明中热激励微型机电结构的一个实施例。在热激励作用下该实施例可以在第三维方向移动，具体地，向接近该常平表面方向移动。至少一个热拱形梁的中间部分相应地向接近常平表面方向拱起，因而相应的拱形梁在受到热激励时，其中间部分进一步拱起而向接近该常平表面方向拱起。这种结构用U-D-U(上-下-上)结构表示，因为由于拱形梁的端部比相应的中间部分距离衬底的常平表面远，所以端部位于“上面”而中间部分相对位于“下面”。相应地，“下面”对应于拱形梁的相对离该常平表面较近的部分，而“上面”对应于相对远离该平面的部分。相应地，对于此实施例而言，与两个相对较高的“上面”端部相比，中间部分较低或者向下更接近衬底。尽管没有画出，但是如上所述，拱形梁的端部一般与锚或者其他参考结构如互连横杆连接。
图7(b)所示为本发明中所述热激励微型机电结构的一个相似的实施例，用D-U-D(下-上-下)结构表示。在热激励作用下，该实施例可以在第三维方向移动，具体地，向远离衬底的常平表面的方向移动。在此情况下，至少一个热拱形梁的中间部分相应地向远离常平表面的方向拱起，在拱形梁受到热激励作用时其中间部分进一步向远离该常平表面的方向拱起。换言之，在该D-U-D实施例中，拱形梁的中间部分比对应的端部离该常平表面远。图8所示为处于无激励状态和受激励状态时D-U-D拱形梁结构的一个例子。无热激励状态用用虚线表示，其位于用加黑实线表示的由于处于热激励状态而拱起较大的D-U-D结构下面。
如图7所示，可以利用已有微型制造技术及工艺沉积的两层或多层材料构成U-D-U和D-U-D结构。相应地，至少一个拱形梁包含距离下置微电子衬底最近的第一层和从衬底上进一步沉积而部分位于第一层上的第二层。例如，如图所示，多晶硅构成的第一和第二层可用于构成U-D-U和D-U-D结构，因而其中间部分和各个端部相应地由不同多晶硅层构成。相应地，需要两个或更多制造工序用于沉积生成分别对应D和U部分的第一和第二层。
然而，U-D-U和D-U-D结构也可以由单个材料层构成。例如，可以在微电子衬底上沉积生成不同区域具有不同高度和面积的牺牲层。然后，在牺牲区域上沉积热响应材料层如多晶硅层。由于热响应材料层与牺牲层及显露的衬底轮廓一致，热响应材料层可以具有相似的弯曲形状。随后可以去除牺牲层，从而形成由单材料层构成的拱形梁，其具有如前所述的中间部分和端部，拱形梁离开衬底从而使得中间部分和两个端部与下置衬底的间隔不同。相应地，在拱形梁的两个端部之间，中间部分光滑地拱起。后面将说明，可以采用多种材料和已有微型制造技术制造由单个共形层构成的U-D-U和D-U-D结构。
尽管所述U-D-U和D-U-D结构可以相应地用于构成可第三维移动的热激励结构，但是这些单个的结构在这点上受一定限制。例如，在热激励作用下，U-D-U结构能够进一步移动，远离下置衬底；而D-U-D结构能够进一步移动，接近下置衬底。U-D-U和D-U-D结构是可放大的即可以构成阵列提供相对大的位移量。相应地，本发明的一个实施例提供集成热激励U-D-U和D-U-D结构的能力的热激励结构。如图9(a)所示是本发明提供的集成U-D-U和D-U-D结构的热激励微型机电结构的实施例。该实施例包含形成常平表面的下置衬底、第一拱形梁、第二拱形梁、互连横杆和一个锚。衬底、拱形梁和锚如前所述，而互连横杆最好由相同材料构成，但这不是必要的，拱形梁同样如此。与如前所述的横梁相似，互连横杆由比第一和第二拱形梁的热膨胀系数小的材料构成。如此，热激励结构可以产生可预测的、作为温度的函数的位移量，因此可以被用作温度调节器或温度传感器。如前，在热激励作用时，U-D-U和D-U-D实施例需要在互连横杆与第一和第二拱形梁之间具有膨胀梯度。如前，在工作过程中，当向第一和第二拱形梁施加热激励时，互连横杆的膨胀最好与拱形梁不同，如更大或更小。对于前一例子，这可以通过对互连横杆和第一及第二拱形梁施加不同热激励或者为其选择不同材料来实现。
第一和第二拱形梁包含中间部分和两个端部。例如，一个拱形梁可以具有U-D-U结构，而另外一个拱形梁具有D-U-D结构。在没有热激励时，第一拱形梁拱起，从而其中间部分与微电子衬底之间间隔比两个端部大。例如，如图所示，D-U-D结构表示第一拱形梁。相反地，在没有热激励时，第二拱形梁拱起，从而其中间部分与微电子衬底之间间隔比两个端部小。例如，如图所示，U-D-U结构表示第二拱形梁。进而，互连横杆可操作地将第一和第二拱形梁的端部互相连接。例如，如图所示，互连横杆一般地为I型，当然也可以采用其他许多形状。如图9(a)所示，连接构件如247可以位于任何拱形梁上从而可以根据需要将U-D-U和D-U-D结构与其他结构相连。至少有一个锚固定在衬底上并且根据不同应用与第一拱形梁、第二拱形梁和互连横杆中的至少一个相连接。然而，如上所述，锚通常地与一个拱形梁连接。当向该实施例的热激励微型机电结构施加选择性热激励时，热激励拱形梁进一步拱起，从而改变横杆与下置衬底所形成的常平表面之间的间隔。
相应地，对第一梁即D-U-D梁结构施加热激励，使中间部分与该常平表面进一步分开，从而相应地进一步由此分开或提高互连横杆。对第一和第二拱形梁同时施加热激励，使D-U-D和U-D-U结构进一步拱起，从而使得本实施例的热激励微型机电结构呈现一般的泪珠形状。当被完全激励时，第一拱形梁的中间部分如D-U-D结构的U型部分与该常平表面之间间隔为最大，对应于泪珠状形状的顶部。如图10所示为本实施例中所述热激励微型机电结构的例子处于平整无激励泪珠状和完全热激励泪珠状的情形，其中显示了互相连接的热激励结构构成的阵列。此外，为了便于说明，图9(a)中示意表示由U-D-U梁、D-U-D梁和互连横杆构成的单元。
尽管可以对集成U-D-U和D-U-D的热激励微型机电结构完全施加热激励时使位移在第三维方向最大，但是位移总量受结构大小的限制。相应地，可以通过将这些热激励微型机电结构有益地结合成阵列而进一步增大位移量。如前，本发明的提供的热激励微电子阵列包含形成常平表面的微电子衬底和至少一个固定在衬底上的锚。此外，该热激励阵列包含多个热激励单元，每个单元包含如上所述的集成U-D-U和D-U-D热激励微型机电结构。至少有一个热激励微型机电单元连接到至少一个通常地与一个拱形梁的中间部分相连的锚上并由此伸出。邻近单元最好分别通过拱形梁的中间部分互相连接。例如，两个U-D-U梁的中间部分与两个D-U-D梁的中间部分或者一个U-D-U梁的中间部分与一个D-U-D梁的中间部分可以在邻近热激励单元之间互相连接。如图9(a)所示，本实施例的热激励阵列可以利用连接构件247互相连接邻近热激励单元构成，其中连接构件247从热激励单元内的U-D-U和(或)D-U-D梁的中间部分伸出。
在一个有益的实施例中，其中所述的能够进行第三维运动的任何热激励微型机电阵列包含可操作地连接邻近热激励单元的平台。例如，平台250可用图11、12和13中热激励阵列内所示的黑盘表示。例如利用互连构件，将平台安装在阵列上由阵列支撑，因此在对应单元或阵列受选择性热激励时，相应单元或结构与下置微电子衬底之间的间隔将改变。如果具有平台，则平台或盘可以是点、小圆点或者是可以根据实际应用需要具有任何形状和面积的结构。此外，平台可以支撑指示器或者本身作为指示器。进而，在一个有益的实施例中，平台包含透镜。尽管可采用任何类型的透镜或快门结构，平台最好具有菲涅耳透镜。对于与下置微电子衬底间隔可改变的任何结构，透镜平台是具体有用的，从而透镜可以相应地用于聚焦或指引电能束。最好的是，图12中所示热激励阵列实施例具有透镜平台，因为这个金字塔状结构适合于将透镜相对于下置衬底升高或降低。进而，任何热激励实施例中所用平台可以支撑或者本身作为可在热激励作用下与电磁辐射束选择性相交的弹出镜。如此，为了截取聚焦电磁能，可以根据需要将镜平台升高或降低。
能够在第三维方向运动的热激励微型机电阵列的一个例子包含多个可操作地互相连接的热激励单元。热激励单元通过将一个热激励单元中第一拱形梁的中间部分与另一个邻近热激励单元中第二拱形梁的中间部分相互连接而连接起来。当至少一个热激励单元受到热激励时，相互连接的中间部分与微电子衬底形成的常平表面之间的间隔相应地改变。如此，邻近单元层叠在一起从而将每个单元在第三维方向对位移的贡献结合在一起。该实施例如图10所示，并且在完全受热激励时类似于扩展三角构架或楼梯状。
热激励微型机电阵列的更进一步相关实施例如图11所示，其中示意画出了由D-U-D梁和相互连接的D-U-D梁构成的热激励单元。在这个能够第三维运动的附加实施例中，至少两个热激励单元可操作地互相连接。热激励单元通过两个邻近热激励单元中第一拱形梁的中间部分连接。如前，当至少一个热激励单元受到热激励时，相互连接的中间部分与微电子衬底所形成的常平表面之间间隔相应地改变。相应地，邻近热激励单元互相连接从而在受到热激励时形成与三角构架结构类似的尖顶。
能够第三维运动的热激励微型机电阵列的一个相关实施例如图12所示。当完全受热激励时，该结构类似于金字塔，其中金字塔的顶点可远离或接近下置衬底及其常平表面。在这个实施例中，至少有四个热激励单元可操作地互相连接作为金字塔基。热激励单元通过所有四个邻近热激励单元中第一拱形梁的中间部分连接。如前，当至少一个热激励单元受到热激励时，相互连接的中间部分与微电子衬底所形成的常平表面之间间隔相应地改变。相应地，邻近单元互相连接从而在受到热激励时形成金字塔状。尽管其中介绍了许多能够沿一维、二维或三维方向或轴运动的实施例，本领域的技术人员知道，许多其他可在一维或多维方向运动的结构也包含在本发明精神和范围之内。
混合三维位移阵列结构如所介绍，可以用其中所述热激励结构和单元构成许多不同的热激励阵列结构。对于所述结构和单元构成的阵列，它同样是可放大的即可以构造产生相对大的位移量。前面的实施例已经包含了可在X-Y平面内运动的阵列和其他可沿Z轴运动的阵列。然而，这些阵列能够以多种方式有益地结合在一起构成既可以在X-Y平面内也可在与X-Y面相交的Z轴方向运动的阵列实施例。图13只显示了该混合热激励阵列的许多例子中的一个例子。实质上，图中的阵列包含前述阵列的互相连接的组合，如一个共面菱型热激励阵列与两个集成U-D-U/D-U-D阵列互相连接。标记为V1、V2、V3和V4的结点表示向一个或多个组成阵列选择地施加热激励的点。向共面阵列施加热激励将使得X-Y/Z混合热激励阵列根据需要在X-Y平面内运动。向一个或多个非共面集成U-D-U/D-U-D阵列施加热激励将相应地使混合热激励阵列沿垂直于X-Y面的Z轴方向移动。当然，可以对X-Y和Z轴热激励阵列同时施加热激励，从而可根据需要在所有三维方向的运动。本领域技术人员明白，可以对这些热激励阵列进行各种改变和组合，包括此处没有具体介绍的可在X-Y和Z方向运动的其他许多实施例。进而，根据上面所述，这些实施例包含在此处所述的本发明热激励结构和阵列的精神和范围之内。
热激励的直接和间接加热方法如上所述，在本发明中，热激励是热激励结构和阵列运动及位移的根源。热激励要求待移动的结构如热拱形梁在热激励作用下相对于邻近结构和微电子衬底优先产生膨胀。通常地，使待移动结构保持在相对较高的温度。另一种方法是，用对温度变化更敏感的材料制造待移动结构。此外，可以有选择性的施加热激励，将热激励施加到所选择的结构上并且可以根据需要施加激励或撤除激励。有许多技术可以用于可控地产生热激励。在这点上，可以对待移动结构进行间接热激励，例如通过外部加热器。不同温度的气体和液体可用于加热或冷却这些结构从而产生间接热激励。另外一种方法是，通过直接加热提供热激励，如至少在拱形梁的一些部分通过电流。直接加热与间接加热相比一般可以提供效率较高的热激励。由于拱形梁具有电阻，当电流流经拱形梁时将直接产生热量。因为产生的热量最靠近加热地点，所以直接加热具有较高效率的热激励，因而使热量的损失最小化。
无论热激励由直接加热还是间接加热产生，都可以采用其他技术提高热激励效率。例如，有益地放置间接或外部加热器使得只对需要热激励的绝大部分或全部的结构进行加热，例如靠近热拱形梁。进而，如图3(a)和3(b)所示以及前面对横梁的介绍，可以用散热器或类似装置使不需要热激励的结构保持比需要热激励的结构冷。此外，由于相当多的热量流失到微电子衬底中，因此热激励结构下面最好具有沟槽或腔，气隙将拱形梁热隔离以减少热量损失。尽管这些技术可以用于提高热激励效率，但是当采用间接加热移动结构时仍然存在固有的低效率问题。例如，放置间接加热器使得它在容许的移动路线上可以始终加热移动结构。相应地，在采用基于间接加热的热激励时，总会有一部分热量流失到微电子衬底及周围的空气中。
如上所述，在向移动结构施加热激励时，可以采用直接加热技术以减少热量损失。由于通过在拱形梁或其他移动结构中接通电流产生热量，避免了不必要的热量损失。直接加热方式可以用于单个热激励结构或单元中的拱形梁也可以用于热激励阵列。如图1(a)和1(c)所示，可以设计热拱形梁执行器通过使电流流经拱形梁跨度的至少一部分提供直接加热拱形梁从而使执行器直接受到热激励。例如，图1(a)显示电流I流经由单材料制造拱形梁35的整个跨度从而电阻在整个跨度上是均匀的。在这个例子中，拱形梁35最好由单晶材料如硅或金属材料如镍构成。
拱形梁或其他结构横截面积的不同可用于提供不同电阻，从而反过来在通过电流时产生差温加热。例如，拱形梁的横截面积较小的部分具有较高的电阻从而受热较多而比横截面积较大的部分移动即膨胀大。可以随意地在拱形梁上可控地掺杂从而形成加热所需要的预定电阻值。然而，如果拱形梁是一致的，那么流通电流所产生的热量在拱形梁的整个跨度上均匀分布。在电流流经拱形梁的整个跨度并加热拱形梁的各个部分的例子中，其中所产生热量的相当大一部分通过位于拱形梁侧面端部的锚流失到微电子衬底中。如此，加热拱形梁的中间部分比比加热拱形梁的侧面端部对拱形梁移动的贡献大许多。因此，因为拱形梁与锚之间的热隔绝，加热拱形梁的中间部分可以用更高的效率移动拱形梁。
相应地，一个实施例的热拱形梁执行器设计为拱形梁的中间部分中产生的热量比拱形梁的其余端部多。图1(c)说明了该实施例的一个例子。如此，拱形梁的一些部分如中间部分具有更高电阻值，因而更多的热量聚集在这些部分，因此其对拱形梁最终位移的贡献更大，从而大大避免了热量在拱形梁侧部的流失。不同于图1(a)和(b)中所示的实施例，此实施例中拱形梁构造是不均匀的。
例如，如图1(c)所示，至少锚和拱形梁侧面端部的一部分可用作导电通道，从而拱形梁的中间部分的电阻相对较大。拱形梁最好由半导体材料如硅构成，掺杂级别可根据需要变化以控制拱形梁跨度上的电阻，从而中间部分的电阻比端部大。另外一种方法是，拱形梁跨度的至少一部分如侧面端部采用导电材料。可采用比适宜于制造拱形梁的半导体材料导电性能更好的导电材料如金属，更具体地如金或铝。如上所述，当电流i流经具有中间部分和端部的拱形梁的跨度时，在具有较大电阻的中间部分中将产生明显更多的电热能。在任何情况下，拱形梁的中间部分将被优先加热，从而引起至少拱形梁的中间部分进一步拱起而不会对电阻较小的拱形梁的侧端部进行不必要地加热，因此大大避免了通过锚的热量损失。由于较少的热量浪费在拱形梁的端部，从而提供了效率更高的直接加热。
直接加热可有益地用于本发明所提供的共面、不共面和混合热激励结构和阵列。例如，如图2(a)所示，一对触点盘105和110可以放置在锚100上并与连续的导电通道连接，该通道至少包括图中所示所有三个菱型热激励结构/单元中拱形梁对的一部分。当电能源260分别与触点盘可操作地连接时，例如在二者之间施加一定电压差时，电流i流经导电通道而对至少一个拱形梁有选择地通电并进行热激励。尽管本图所示导电通道处于三个菱型热激励结构外部圆周附近，本领域技术人员知道，导电通道也可处于单个菱型热激励结构或单元圆周附近。例如，可以在触点盘105和100之间通过热拱形梁120和115形成连续电路回路，因此只有触点盘附近的菱型单元可以被电加热。
如前，通过选择性掺杂或把导线用在拱形梁上，使导电通道沿热拱形梁布置。导电通道的电阻最好比拱形梁其他部分的电阻小，但是电阻足够大使得沿拱形梁跨度产生所需的热量。如下所述，横梁最好不覆盖导电材料从而使得大部分电流经过拱形梁从触点盘流到触点盘。如果横梁也是导电的，因为平行于电路通道放置的横梁端部之间的电压差尽量最小，因而只有最小的漏泄电流流经横梁。例如，如图16所示，从锚100流入菱型结构的电流i分成沿拱形梁流经导电通道的实质上相等的两个i/2部分。相应地，如果有电流流经横梁，则电流很小，因为没有电压差产生流经横梁的电流。例如，如果在结点a和b之间没有电位差，则当然没有电流流经横梁125。
在工作过程中，在拱形梁中通过电流对菱型热激励阵列进行热激励，例如如图2所示通过提供电能源260产生电流在触点盘105和110之间流动。当电流i沿导电材料构成的通道流动时，相应地沿热拱形梁产生热量。热量从导电材料通道传递到拱形梁的其余部分从而将拱形梁加热。如此，每个拱形梁进一步拱起，因而在热激励作用下随着每对梁进一步分开使每个菱型单元产生膨胀。每对梁的膨胀协同使得热激励菱型阵列沿预选方向51移动，因而使平台相应地移动。当撤除电流时，每个菱型单元内的拱形梁对恢复到无激励时的位置。
类似地，上述讨论适用于单个或成阵列的蝴蝶结型热激励结构或单元。例如，用于蝴蝶结型结构的直接加热方法详细情况类似地在图2(c)中显示，其中，在三个蝴蝶结型热激励单元形成的圆周附近通过触点盘105和110形成导电通道。在工作过程中，蝴蝶结型阵列是独特的，因为当热拱形组件梁受到热激励时蝴蝶结型阵列收缩而不是膨胀。每对梁协同收缩或缩短引起蝴蝶结型阵列沿预选方向52移动，因此相应地使平台移动。
图4(a)和4(b)中的热激励执行器结构可以被直接加热，尽管这些结构仅包含一个拱形梁。尽管仅根据图4(a)所示D型执行器介绍直接加热法，该讨论同样适用于图4(b)所示执行器。对于这些执行器结构，采用横梁对于直接加热是有益地。如图4(a)中所示，例如，可以通过位于锚100处的触点盘如“+”和“-”引进电流i。横梁262最好导电并且电阻比拱形梁264小。相应地，电流对等地分开并分别流经拱形梁的两半，如两个箭头i/2所示。随后电流将流经互连构件268而合并在一起流入下一个横梁。在流经下一个拱形梁时电流将重新分开。电流以这种方式流经电路回路中连续的横梁和拱形梁，重复上述的电流分开和合并过程直到电流i离开对应地触点盘。由于横梁最好具有较小的电阻，拱形梁被电加热而受到热激励达到更大范围。如果横梁由与拱形梁相同的材料构成，根据加热需要可利用不同的横截面积在横梁和拱形梁之间分布电阻。进而，同样地可采用金属沉积或受控掺杂方法来定制电阻。类似于对应于菱型和蝴蝶结型阵列的图14和15所示结构，D型执行器结构也可以以平行阵列结构被直接加热。
可以采用其他技术直接加热共面菱型和蝴蝶结型热激励阵列。例如，图14和15中显示了分别用于菱型和蝴蝶结型阵列的替代直接加热装置。在各图中，通过锚100提供以“+”和“-”表示的触点盘，尽管无须考虑其间电流的极性也同样地能够进行直接加热。对于这些实施例，电流从一个触点盘中流出经过第一阵列和串联的第二阵列逐步回到另一个触点盘从而形成连续回路。实质上，电路回路由串联的热激励阵列构成。这种结构可以为反射热激励阵列提供较大的力，但实现这种结构需要很大的面积。尽管分别如图2(a)和2(c)所示的直接加热装置产生的离较小，但最好选择这些装置，因为它们需要的衬底面积比图14和15中的装置小许多。
此外，也可以使用直接加热方法对非共面结构如图7到12中所示的U-D-U和D-U-D热激励结构施加热激励。进而，可以对上述可三维移动的混合X-Y平面/Z轴热激励阵列进行直接加热。例如，图13中的混合阵列具有用于施加热激励的四个结点V1-V4。通过控制四个结点处的电压，可以对一个、几个或所有X-Y和Z阵列组件有选择地施加热激励。因此，这种结构可以提供使阵列受热激励的直接加热和(或)控制。例如，如果设定结点V1和V3的电势为+V伏特，结点V2和V4的电势为-V伏特，则箭头251将沿Z方向运动。如果设定V1和V2为+V伏特，结点V3和V4为-V伏特，则箭头251可同时沿Z和Y方向运动。当然，在本发明范围内也可以有许多其他阵列构造和结点电压设定。热激励阵列越复杂，直接加热的选择性热激励的益处和效率会越高。
如上所述，所述MEMS热激励结构和阵列在一、二和(或)三维方向是可移动的。此外，该热激励结构和阵列可以提供很大的移动和位移量。如此，这些热激励MEMS结构可用于各种需要或喜欢在这些方向有位移的应用中。例如，上述MEMS热激励结构和阵列的实施例可用于各种大量应用，例如可变电容器、感应器、电阻器、开关和继电器、光开关和互连阵列、电磁闸、阀、自动调温器、温度传感器等等。
在附图和说明中，公开了本发明的典型的优选实施例，尽管其中使用了特定术语，但是仅在一般及描述意义上使用，并不是为了限制随后的权利要求要求的本发明的范围。
权利要求
1．一种热激励微型机电机构，包括微电子衬底；至少一个固定在所述微电子衬底上的锚；以及一对拱形梁，每个拱形梁具有中间部分和两个端部，其中所述拱形梁对的相对的端部可操作地互相连接，并且其中，所述拱形梁对中的一个拱形梁与至少一个锚连接，使得拱形梁对从至少一个锚上伸出形成悬臂梁结构，覆在所述微电子衬底上，并且其中，热激励作用使拱形梁对进一步拱起，从而相应地沿预定路径相对于微电子衬底移动。
2．如权利要求1所述的微型机电结构，还具有横梁，其放置在所述拱形梁对之间，从而可操作地连接所述拱形梁对的相对的端部。
3．如权利要求2所述的微型机电结构，其中当微型机电结构受热激励时，横梁比拱形梁对受热少。
4．如权利要求1所述的微型机电结构，其中所述拱形梁对排列为，使其凹进部分互相面对，形成可在热激励作用下沿预定路线膨胀的一般菱型结构。
5．如权利要求1所述的微型机电结构，其中所述拱形梁对排列为，使得其凸出部分互相面对，形成可在热激励作用下沿预定路线收缩的一般蝴蝶结型结构。
6．如权利要求1所述的微型机电结构，还具有导向面，以及，至少一个滚轴，其放置在拱形梁对和所述导向面之间，使得在热激励作用下，通过至少一个滚轴沿导向面的移动而引导拱形梁对沿预定路线移动。
7．如权利要求1所述的微型机电机构，还具有导向面，所述导向面确定了在长度方向上延伸以确定所述拱形梁对的预定运动路线的轨道，其中所述拱形梁对被该轨道接受，从而响应于选择性的热激励作用沿预定运动路线被导引。
8．如权利要求1所述的微型机电机构，还包括用来向所述拱形梁对选择性地施加热激励的加热器。
9．如权利要求8所述的微型机电机构，其中所述加热器包括电源和导电路径，所述导电路径沿所述拱形梁对设置，所述电源可操作地连接于所述导电路径以对所述拱形梁对选择性地加热。
10．如权利要求1所述的微型机电机构，其中使所述拱形梁对沿从一维运动路线和二维运动路线中选择的预定路线移动。
11．一种热激励微型机电机构，包括微电子衬底；至少一个固定在所述微电子衬底上的锚；一个拱形梁，该拱形梁具有中间部分和两个端部；以及一个横梁，该横梁与所述拱形梁的相对的端部可操作地连接，使得所述中间部分与该横梁的距离不同于所述两个端部与该横梁的距离，其中所述拱形梁和所述横梁中的至少一个与至少一个锚连接，使得所述拱形梁和所述横梁以悬臂梁结构覆盖在所述微电子、衬底上，而且其中，热激励作用使所述中间部分进一步拱起以改变其与横梁的距离，从而沿预定路径相对于微电子衬底移动。
12．如权利要求11所述的微型机电结构，其中当微型机电结构受热激励时，横梁比所述拱形梁受热少。
13．如权利要求11所述的微型机电机构，其中所述横梁和所述拱形梁用具有不同热膨胀系数的材料形成。
14．如权利要求11所述的微型机电机构所述横梁的横截面积大于所述拱形梁。
15．如权利要求11所述的微型机电机构，还包括用来向所述拱形梁和所述横梁中的至少一个选择性地施加热激励的加热器。
16．如权利要求11所述的微型机电机构，其中所述中间部分与该横梁的距离大于所述两个端部与该横梁的距离，使得响应于热激励，所述中间部分拱起更远离所述拱梁。
17．如权利要求11所述的微型机电机构，其中所述中间部分与该横梁的距离小于所述两个端部与该横梁的距离，使得响应于热激励，所述中间部分拱起更靠近所述拱梁。
18．如权利要求11所述的微型机电机构，其中所述拱形梁和所述横梁还包括一个热激励单元，所述微机电结构还包括多个热激励单元，各热激励单元都与相邻的热激励的单元互连，使得所述各个热激励单元响应于至少一个单元的热激励可操作地沿预定路线移动。
19．一种热激励微型机电阵列，包括微电子衬底；至少一个固定在所述微电子衬底上的锚；以及多个热激励的微机电单元，其中每个热激励的微机电单元包括一对可操作地端部相互的拱形梁，其中第一热激励的微机电单元与至少一个锚相连并从其延伸，其它的热激励的微机电单元与该第一热激励的微机电单元相连，使得多个微机电单元由此从所述一个锚上延伸形成悬臂梁结构，覆盖在所述微电子衬底上，并且其中，选择性热激励作用使至少一个热激励的微机电单元的拱形梁对进一步拱起，从而使多个热激励的微机电单元相应地沿预定路径相对于微电子衬底移动。
20．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中每个热激励的微机电结构还具有横梁，其放置在所述拱形梁对之间，从而可操作地连接拱形梁对的相对的端部。
21．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中当各个热激励的微机电单元受热激励时，横梁比拱形梁对受热少。
22．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中所述第一热激励的微机电单元通过第一热激励的单元内的所述拱形梁对的一个的中间部分与所述一个锚相连。
23．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中至少一个热激励的微机电单元的所述拱形梁对排列为，使其凹进部分互相面对，形成可在热激励作用下沿预定路线膨胀的一般菱型结构。
24．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中至少一个热激励的微机电单元的所述拱形梁对排列为，使得其凸出部分互相面对，形成可在热激励作用下沿预定路线收缩的一般蝴蝶结型结构。
25．如权利要求19所述的微型机电阵列，还具有导向面，以及，至少一个滚轴，其放置在拱形梁对和所述导向面之间，使得在热激励作用下，通过至少一个滚轴沿导向面的移动而引导拱形梁对沿预定路线移动。
26．如权利要求19所述的微型机电阵列，还包括用来向所述至少一个热激励的微机电单元选择性地施加热激励的加热器。
27．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中所述加热器包括电源和导电路径，所述导电路径沿所述拱形梁对设置，所述电源可操作地连接于所述导电路径以对所述拱形梁对选择性地加热。
28．如权利要求19所述的微型机电阵列，其中使所述多个热激励的微机电单元沿从一维运动路线和二维运动路线中选择的预定路线移动。
29．如权利要求19所述的微型机电机构阵列，其中还包括多个Z轴垫激励单元，其中所述微电子衬底定义通常为平面的X-Y面，且各Z轴热激励单元包括第一拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第一拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更远离所述X-Y面；第二拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第二拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更靠近所述X-Y面；互连横杆，其可操作地将所述第一和第二拱形梁的端部互连，其还被可操作地可连相邻的热激励单元，其中所述热激励的微机电单元与所述多个Z轴热激励单元可操作地连接，使得所述热激励微机电单元的选择性热激励将其中的拱形梁进一步拱起以在与X-Y面平行的平面内移动可操作地相连的Z轴热激励单元和热激励微型机电单元，并使得所述Z轴热激励单元的选择性热激励将其中的拱形梁进一步拱起，以沿Z轴与X-Y垂直地移动可操作地相连的Z轴热激励单元和热激励微型机电单元。
30．如权利要求29所述的微型机电阵列，还包括一个与所述热激励的微机电单元与所述多个Z轴热激励单元可操作地相连的平台，使得响应于选择性热激励可改变平台与微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
31．一种热激励微型机电机构，包括微电子衬底，其定义一个通常为平面的表面；至少一个固定在所述微电子衬底上的锚；以及至少一个拱形梁，该至少一个拱形梁具有中间部分和两个端部，并与至少一个锚连接，在没有热激励的情况下所述至少一个拱形梁沿与所述衬底的通常为平面的表面不平行的方向拱起；其中所述至少一个拱形梁的选择性热激励使所述至少一个拱形梁沿与所述衬底的通常为平面的表面不平行的方向进一步拱起，使得中间部分拱形梁比两端的角度大，由此进一步改变中间部分到所述衬底的通常为平面的表面的距离。
32．如权利要求31所述的微型机电机构所述至少一个拱形梁沿远离所述衬底的通常为平面的表面的方向拱起，使得所述至少一个拱形梁的中间部分响应于其选择性热激励进一步远离通常为平面的表面。
33．如权利要求31所述的微型机电机构所述至少一个拱形梁沿靠近所述衬底的通常为平面的表面的方向拱起，使得所述至少一个拱形梁的中间部分响应于其选择性热激励进一步靠近通常为平面的表面。
34．如权利要求31所述的微型机电机构，其中所述至上拱形梁包含第一层和第二层，第二层至少部分地覆盖第一层，且其中间部分和两个端部分别位于不同的层上。
35．如权利要求31所述的微型机电机构，其中所述至少一个拱形梁的中间部分在两个端部之间平滑地拱起。
36．如权利要求31所述的微型机电机构，还包括用来向所述至少一个拱形梁选择性地施加热激励的加热器。
37．如权利要求31所述的微型机电机构，其中所述加热器包括电源和导电路径，所述导电路径沿所述至少一个拱形梁设置，所述电源可操作地连接于所述导电路径以对所述至少一个拱形梁选择性地加热。
38．一种热激励微型机电机构，包括微电子衬底，其定义一个通常为平面的表面；第一拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第一拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更远离所述衬底、第二拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第二拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更靠近所述所述衬底、以及互连横杆，其可操作地将所述第一和第二拱形梁的端部互连，其还被可操作地可连相邻的热激励单元；以及至少一个固定在所述微电子衬底上的锚，该至少一个锚固定在所述第一拱形梁、第二拱形梁和互连横杆中的至少一个上；其中所述至少一个拱形梁的选择性热激励使所述至少一个拱形梁进一步拱起，以改变通常为平面的表面到所述微电子衬底的距离。
39．如权利要求38所述的微型机电机构，还包括用来向所述第一拱形梁和第二拱形梁的至少一部分选择性地施加热激励的加热器。
40．如权利要求38所述的微型机电机构，其中所述加热器包括电源和导电路径，所述导电路径沿所述第一拱形梁和第二拱形梁设置，所述电源可操作地连接于所述导电路径以对所述第一拱形梁和第二拱形梁选择性地加热。
41．一种热激励微型机电阵列，包括微电子衬底，其定义一个通常为平面的表面；至少一个固定在所述微电子衬底上的锚；以及多个热激励单元，其中至少一个热激励单元与至少一个锚相连并从其延伸，且各热激励单元还包括第一拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第一拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更远离所述衬底第二拱形梁，其具有中间部分和两个端部，其中在没有热激励时，该第二拱形梁拱起以使得中间部分比两个相对的端部更靠近所述所述衬底；以及互连横杆，其可操作地将所述第一和第二拱形梁的端部互连，其还被可操作地可连相邻的热激励单元
42．如权利要求41所述的微型机电阵列，还包括用来向各热激励单元的所述第一拱形梁和第二拱形梁的至少一部分选择性地施加热激励的加热器。
43．如权利要求41所述的微型机电阵列，其中所述加热器包括电源和导电路径，所述导电路径沿各热激励单元的所述第一拱形梁和第二拱形梁设置，所述电源可操作地连接于所述导电路径以对所述第一拱形梁和第二拱形梁选择性地加热。
44．如权利要求41所述的微型机电阵列，其中至少两个相邻的热激励单元通过一个热激励单元的第一拱形梁的中间部分和另一个相邻的热激励单元的第二拱形梁的中间部分可操作地连接，使得响应于至少所述两个的热激励单元中的至少一个热激励单元的热激励，改变所述互连的中间部分和微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
45．如权利要求41所述的微型机电阵列，其中至少两个相邻的热激励单元通过一个热激励单元的第一拱形梁的中间部分和另一个相邻的热激励单元的第一拱形梁的中间部分可操作地连接，使得响应于至少所述两个的热激励单元中的至少一个热激励单元的选择性热激励，改变所述互连的中间部分和微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
46．如权利要求45所述的微型机电阵列，还包括一个与所述至少两个的热激励单元的互连的中间部分可操作地相连的平台，使得响应于选择性热激励可改变平台与微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
47．如权利要求41所述的微型机电阵列，其中至少四个相邻的热激励单元通过四个热激励单元的每一个的第一拱形梁的中间部分可操作地连接，使得响应于所述至少四个热激励单元中的至少一个热激励单元的热激励，改变所述互连的中间部分和微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
48．如权利要求47所述的微型机电阵列，还包括一个与所述至少四个的热激励单元的互连的中间部分可操作地相连的平台，使得响应于选择性热激励可改变互连的中间部分与微电子衬底的通常为平面的表面的距离。
全文摘要
提供能够在选择性热激励作用下沿一维、二维和(或)三维方向运动的微型机电系统(MEMS)结构和阵列。可提供相当大的可放大位移。在一个实施例中,热拱形梁对可操作地互相连接并受到热激励,从而形成能够在平行于下置衬底的平面内沿一维和(或)两维运动。一个实施例具有与横梁可操作地连接的拱形梁由此在受热激励时其中间部分进一步拱起而改变与横梁之间的间隔。在另一个实施例中,至少一个热拱形梁能够在不平行于下置衬底的平面的方向移动。在热激励作用下,该拱形梁的中间部分拱起程度比热拱形梁端部大,从而改变中间部分与下置衬底之间的间隔。一个实施例结合具有中间部分的第一和第二拱形梁,从而可以在与下置衬底所形成平面不平行的相反方向拱起程度更大。在热激励作用下,该中间部分在与下置衬底不平行的相反方向拱起,从而改变中间部分与下置衬底之间的间隔。提供的混合热激励结构将可在平面内和非平面内运动的阵列结合起来,从而在选择性热激励作用下可以实现所有三维运动。
文档编号H01H1/00GK1302445SQ00800739
公开日2001年7月4日 申请日期2000年4月6日 优先权日1999年5月3日
发明者爱德华·A·希尔, 威加亚库马·R·德胡勒 申请人:克罗诺斯集成微系统公司