[发明专利]包括波状梁结构的微机电致动器

说明书

本发明涉及微机电系统(MEMS)，更具体地涉及MEMS致动器。

作为传统的机电装置如继电器、致动器、阀及传感器的替代物，微机电系统(MEMS)系统已经被开发。由于使用了微电子制造技术，MEMS装置是潜在的低成本装置。因为MEMS装置可以比传统的机电装置小得多，可设置新的功能。

许多MEMS技术的应用使用致动器，它包括一个或多个通过静电、磁、热和/或使用另外形式的能量致动的梁。在授予Wood等人的美国专利US5,909,078中描述了使用热弓形梁结构的MEMS致动器的例子，它所公开的内容结合于此作为参考。在其中所描述的弓形梁结构中包括一个或多个弓形梁的结构，这些弓形梁延伸在隔开地设在电子衬底上的支承之间并响应加热和冷却而膨胀及收缩，由此引起弓形梁的位移。

这种热弓形梁结构可用来提供致动器，继电器，传感器，微型阀及其它MEMS装置。热弓形梁微机电装置及其制造方法的例子还被描述在授予Dhuler等人的题为“热弓形梁微机电开关阵列”的美国专利US5,955,817，授予Dhuler等人的题为“微机电定位装置”的美国专利US5,962,949，授予Dhuler等人的题为“热弓形梁微机电装置及其制造方法”的美国专利US5,994,816，授予Dhuler等人的题为“热弓形梁微机电结构”的美国专利US6,023,121，及1999年3月23日提交的属于Edward A.Hill的美国专利申请系列号09/275,058(律师案卷号9134-25)中，它们所公开的所有内容完全结合于此作为参考。

MEMS技术的发展导致了致动器能提供所需的位移及力负荷能力。但是，其位移，力和/或这些装置的可靠性受到材料及结构设计的限制。例如，在弓形梁致动器中产生的应力在不引起永久变形或损坏的情况下将限制梁被操作的位移和/或力的范围。MEMS致动器的性能将受到稳定性考虑的限制。因此，不断地要求MEMS致动器具有比传统设计更大的稳定性及可靠性。

根据本发明的实施例，微机电致动器包括一个衬底。一个梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间具有波状形状的主体。主体包括与致动对象连接并响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力在垂直于梁的方向上对致动对象施加力的工作部分。该波状形状可为正弦波。例如，该波状形状可为接近余弦曲线单个周期或正弦曲线单个周期。梁的第一及第二端部可均固定在衬底上，或第一及第二端部中至少一个通过至少一个可移动载体、如致动器梁连接在衬底上。根据本发明的另外实施例，波状形状近似为一个直梁的弯曲波模形状。梁的形状譬如可为连续地或分段地近似弯曲波模的形状。

根据本发明的另一实施例，微机电致动器包括一个衬底及梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间具有波状形状的主体。主体包括与致动对象连接并响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力在垂直于梁的方向上对致动对象施加力的工作部分。梁被设计成：主体如果离开衬底则其显现波状形状。该波状形状可为正弦波，例如，该波状形状可为连续地或分段地近似弯曲波模的形状。

根据本发明的的另一实施例，一种微机电旋转致动器包括一个梁，该梁具有连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主体。主体包括会合在第一及第二端部之间的点上的第一及第二相反弯曲的部分。主体被操作及与致动对象连接，以响应作用于梁的压缩力及张力中至少一种力使致动对象绕相反弯曲部分会合点转动。第一及第二相反弯曲的部分可为曲线形状，例如，主体可具有接近正弦曲线一个周期的正弦波形状。

在本发明另一实施例中，旋转致动器包括第一及第二梁，其中每个梁具有连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间的主体。每个主体包括会合在第一及第二端部之间点上的第一及第二相反弯曲的部分。第一及第二梁的主体彼此相交在第一及第二梁的主体的第一及第二相反弯曲部分的会合点上。第一及第二梁的主体被操作及与致动对象连接，以响应作用于第一及第二梁的压缩力及张力中至少一种力使致动对象绕第一及第二主体相交点转动。

根据本发明的另一实施例，微结构包括一个衬底及在衬底上的一个暂用层。梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间并在暂用层上的正弦波状主体。该正弦波状主体例如可具有接近正弦曲线一个周期或余弦曲线一个周期的形状。

在本发明的另一实施例中，微结构包括一个衬底及在衬底上的一个暂用层。梁具有分别连接在衬底上的第一及第二端部及分布在第一及第二端部之间并在暂用层上的主体。主体具有近似为一个直梁的弯曲波模形状。主体的形状可为实质上连续地或分段地近似弯曲波模的形状。