MEMS致动器组结构的制作方法

本发明通常涉及一种致动器，并且，特别地，涉及一种微型致动器，其被配置成移动各种设计和以各种组形式的光电子装置。

背景技术：

1、致动器用于将电信号转换成机械运动。在诸如例如便携式装置、成像相关装置、电信组件和医疗仪器的许多应用中，微型致动器适配在应用的小尺寸、低功率和成本限制内可能是有益的。

2、微电子机械系统(mems)技术是以其最一般形式可以定义为使用微制造技术制造的微型机械和机电元件的技术。mems装置的临界尺寸可以从远远低于1微米到几毫米而变化。通常，mems驱动器比传统驱动器更紧凑，而且它们消耗更少功耗。

3、在一些应用中，例如将照相机中的图像传感器移动到自动聚焦(af)或光学图像稳定(ois)中，使用致动器来移动具有多个电输入和输出的光电子装置。例如，fukada等人的题目为“two-dimensional piezoelectric actuator”的欧洲专利no.ep0253375教导了一种可用于在平面中移动图像传感器的二维致动器的设计。但是，由fukada教导的驱动器对于空间受限的应用来说是很大且不可修改的。例如，由于其他较小型装置的相关空间限制，fukuda致动器可用于大型独立数码相机。

4、与传统的致动器不同，mems致动器可用于例如移动或定位小型手机相机内的某些无源元件。作为示例，名称为“受运动控制的致动器”的美国专利no.8,604,663和名称为“mems-based optical image stabilization”的美国专利申请公开no.2013/0077945a1教导了用于在微型相机(例如，用在手机中)中移动镜头。然而，这些mems致动器都不能够移动具有多个电输入和电输出的光电子装置。此外，这些mems驱动器都采用了增加复杂性、尺寸和成本的展开机构。

技术实现思路

1、本发明涉及一种用于以多个自由度移动或定位平台的致动器。刚体在空间中的位置和定向由三个平移分量和三个旋转分量限定，并且本发明提供了致动器组件，致动器组件提供六个自由度。在各种实施方式中，致动器包括用于平面xy内移动的静电梳状驱动致动器和用于平面外移动的压电“z”致动器。在本发明的各种实施方式中，封装包括两个致动器，包括用于xy平面内移动的梳状驱动致动器，所述梳状驱动致动器是mems致动器并且被称为xy或“平面内”mems致动器，并且z或“平面外”致动器，其提供包括与xy平面正交的方向的多个方向上的运动。总之，由组合致动器提供六个自由度，包括旋转和平移运动。在各种封装实施方式中，z致动器安装在底部，mems致动器安装在z致动器的顶部，并且光电子装置安装在xy面内mems致动器的顶部，但其他安装和封装布置是在其他实施方式中使用。致动器用于将光电子装置或其他装置定位在手机或其他光电或电子装置中。在其他实施方式中，封装仅包括一个致动器、xy平面内mems致动器。

2、在各种实施方式中，xy平面内致动器具有四个或偶数个梳状驱动区。在一些实施方式中，每个梳状驱动器具有矩形或正方形形状，以及设置在梳状驱动器的外边缘附近的运动控制悬臂。在每个梳状驱动区中，都有一对运动控制挠曲件，以使得或者确保指状物平行移动。偶数梳状驱动器可以围绕xy平面内致动器的中心有规律地定位，并且梳状驱动运动通过关键悬臂挠曲件转移到有效载荷平台，关键悬臂挠曲件的运动损失可以忽略不计。光电子装置或其他装置所接合到的有效载荷平台可以附接到各种光电子装置中的任何一个。在一些实施方式中，光电子装置的质量可以高达100mg。在xy平面内致动器的一些实施方式中，一个梳状驱动区具有固定的梳状物和可移动的梳状物，所述固定的梳状物可以被胶粘或以其他方式固定到固定部分，所述可移动的梳状物连接到长的运动转移悬臂。

3、在各种实施方式中，长的悬臂一端连接到有效载荷平台并且在另一端连接到梳状驱动器的移动梳状物。悬臂被设计成在一个平移和旋转自由度上更灵活，但是在其他自由度上是刚性的，以确保悬臂可以隔离不同的运动模式，例如以避免x和y之间的干涉。

4、所公开的致动器和致动器组件提供了非常灵活和稳健的优点。在一些实施方式中，一个或多个致动器包括弯曲或柔性电连接件。如美国专利申请us 14/677,730中所示，其内容通过引用如同以其整体阐述的那样整体并入本文，弯曲的屈曲的、即屈曲的或柔性电气连接件用于实现灵活性。该致动器可以使用市面上可以得到的或其他标准或非标准mems制造/处理技术和mems工艺流程(包括沟槽深反应离子蚀刻(drie)、氧化、多晶硅填充、金属沉积、drie和rie释放)制造。本发明中的弯曲电连接件不是运动控制弯曲件，因此连接件被设计成提供最小刚度，同时导电。灵活的电气连接件可以在x、y和z方向上移动，以实现x、y和z运动。在一个示例性实施方式中，示出了柔性电连接件的3d视图。连接件被弯曲并在它们所联接的表面之上，以实现所需的灵活性。在一些实施方式中，柔性电连接件的一端连接到装置的移动部分，另一端连接到装置的固定部分。连接弯曲是导电的。在一些实施方式中，导电性由沉积在硅或其他材料表面上的金属合金层提供。在各种实施方式中，柔性电连接件可以由复合材料形成，并且可以包括多个层，如氧化物、硅、多晶硅和金属。

5、在一些实施方式中，xy平面内致动器的每个梳状驱动区包括一对梳状物，梳状物包括附接到固定脊部的固定指状物的梳状物和附接到移动脊部的移动指状物的梳状物。在每个梳状物对中，指尖可以具有重叠(见图5)，例如，不限于10-50um的重叠部分，以确保当施加电信号时平滑的力的斜升。

6、在一个实施方式中，xy平面内的致动器的每个梳状驱动区包括一对梳状物，梳状物包括固定指状物的梳状物和固定指状物的梳状物，梳状物连接到固定的脊状物移动脊部。在每个指状物对中，指尖可以具有重叠(见图5)，例如但不限于10-50μm重叠，以确保在施加电信号时平稳的力量增加。

7、在一个实施方式中，xy平面内的mems通过胶合或以其他方式安装到z平面外致动器，其将xy平面内的致动器的中心和外框架固定到z平面外致动器，z平面外致动器固定在电路板上，例如pcb或陶瓷电路板等。在各种实施方式中，例如其中z致动器未被利用的实施方式，xy平面内致动器也可以直接固定到电路板。xy致动器可以被安装成使得外框架和梳状驱动区的固定部分直接安装到电路板。当xy驱动器安装到z驱动器或电路板上时，中心固定部分和外框架固定在同一平面上，因此在组装过程中不需要偏移。它简化了装配流程。

8、在每个梳状驱动区中，可以有多对梳状物。在一些实施方式中，一个梳对具有中心脊部，并且指状物从两侧附接到脊部。指状物的每一侧都将梳状脊部移动到它们的面内方向。脊部的形状可以在各种实施方式中变化，并且可以是不同的和不规则的。可以使用指状物和脊部之间的各种角度。包括导电挠曲件的电连接件从指状梳状物路由到移动平台，然后，通过表面上的迹线和3d柔性挠曲件固定到外固定杆。不同定向的指状梳状物由绝缘层电隔离，绝缘层使用mems工艺沉积。每个区的分离的x和y平面内移动能够实现各种不同的移动组合。

9、在本发明的一个实施方式中，封装包括陶瓷电路板、压电式平面外致动器、安装在压电平面外致动器上的mems平面内致动器、安装在mems平面内驱动器上的压电装置、以及带窗户的盖子。在一个实施方式中，当电信号施加在致动梁上时，平面z外致动器变形以将光电子装置平移并旋转地移出平面。进一步的实施方式利用不同配置的mems静电平面内致动器和z平面外致动器(其可以是压电致动器)来实现额外的运动。可以使用各种其他微型致动器来实现多达六个自由度的各种类型的运动。

10、公开了压电z平面外致动器的各种实施方式。所公开的封装方法确保了这样的功能性：其中，z平面外压电致动器在平面外方向上移动一定质量的光电子装置和一定移动质量的平面内致动器。该方法减小了压电致动器的有效载荷要求，使得在有限的空间内设计致动器内部的致动梁和电连接挠曲件具有更大的灵活性。这两种梁(致动梁和电连接挠曲梁)在z方向上实现了所需的柔性，并在其他方向上实现了高刚度。

11、在一些实施方式中，压电z平面外致动器包括附接有效载荷、外框架的一个或多个中心台，用于固定致动器、中间台、一个或多个致动梁和电挠曲件。中间台的数量可以是多个，并且它们用于将处于相同高度的致动梁和电挠曲件连接在一起。致动梁和电连接挠曲梁被设计成满足刚度要求，例如，行进方向需要较软的刚度，但其他方向需要具有高得多的刚度。每个级别的驱动梁和电挠曲数量可能会有所不同，以实现力要求和电气连接要求。当电信号被施加到偏振pzt材料以实现所需变形时，致动梁变形。致动器形状在各种实施方式中变化。

12、在本发明的另一方面中，公开了用于底部压电z平面外致动器的各种电连接方法。在一些实施方式中，z平面外致动器可以包括平面内mems致动器中的电连接通孔。孔中的导电环氧树脂、银膏或电镀铜可以将压电z平面外致动器电连接到平面内mems致动器，但是在其他实施方式中使用其他导电连接方法。

13、本发明的另一方面提供了整个封装组装流程顺序。根据各种实施方式，封装顺序提供了将两个致动器组装成封装的方法。封装方法在机械和电气方面达到要求。