本公開(kāi)涉及一種微機(jī)電(“微機(jī)電系統(tǒng)”，MEMS)器件，其包括膜和能夠控制膜的彎曲的致動(dòng)器。

背景技術(shù)：

已知的MEMS致動(dòng)器至少部分地由半導(dǎo)體材料制成。這種微機(jī)電致動(dòng)器使得能夠?qū)⒉煌愋偷哪芰啃问睫D(zhuǎn)換成機(jī)械能量。特別地，已知壓電致動(dòng)的MEMS器件，其中壓電材料的薄層在MEMS器件的懸置部分例如懸臂或膜上方延伸。向壓電層施加電場(chǎng)在壓電層上產(chǎn)生應(yīng)力并且隨后產(chǎn)生MEMS器件的懸置部分的彈性變形。

在這種類型的MEMS器件中，由于在制造MEMS器件的工藝結(jié)束時(shí)所出現(xiàn)的殘余應(yīng)力的存在，懸置部分的初始位置，也即是在沒(méi)有施加到壓電層的電場(chǎng)的情況下懸置部分所假定的位置，難以控制。

對(duì)于這些MEMS器件的各種應(yīng)用，諸如射頻開(kāi)關(guān)(“RF開(kāi)關(guān)”) 或具有可重新配置的聚焦透鏡的光學(xué)器件，在沒(méi)有施加到對(duì)應(yīng)壓電層的外部電場(chǎng)的情況下，優(yōu)選的是該懸置部分處于設(shè)計(jì)階段所定義的已知初始位置中，例如處于沒(méi)有殘余應(yīng)力的情況下所假定的位置中。

例如，在射頻開(kāi)關(guān)的情況下，懸置部分可以是可變形的，以便通過(guò)施加電壓控制信號(hào)以已知的方式打開(kāi)或關(guān)閉電路中的電連接；由于殘余應(yīng)力引起的懸置部分的初始位置中的不希望的改變意味著產(chǎn)生打開(kāi)或關(guān)閉電連接所需的懸置部分的彈性變形所需的電壓不同于在設(shè)計(jì)階段所定義的電壓。例如，所需的電壓可能大于在設(shè)計(jì)階段所指定的電壓；所需的電壓甚至可能大于可以被施加到懸置部分的最大電壓，在這種情況下，提供所期望的電連接是不可能的。

圖1和圖2A示意性地示出了從上方觀察的已知類型的光學(xué)器件1，以及由三個(gè)軸x、y、z形成的正交參考系統(tǒng)。

光學(xué)器件1相關(guān)于光軸O具有圓柱對(duì)稱性。

光學(xué)器件1基于已知類型的壓電致動(dòng)的MEMS器件，其包括移動(dòng)部分2和在移動(dòng)部分2上方延伸并與移動(dòng)部分2接觸的壓電致動(dòng)器 4。移動(dòng)部分2包括一層玻璃，例如二氧化硅(SiO2)。壓電致動(dòng)器4 包括壓電層，例如由鋯鈦酸鉛(PZT)制成。特別地，移動(dòng)部分2具有例如圓形形狀的孔3，孔3延伸通過(guò)移動(dòng)部分2的整個(gè)厚度。

移動(dòng)部分2在第一支撐體6上方延伸，第一支撐體6例如由半導(dǎo)體材料制成，特別是硅。將移動(dòng)部分2的周邊區(qū)域固定到第一支撐體 6，而將移動(dòng)部分2的中心區(qū)域粘附到聚合物材料的微透鏡8，該微透鏡8是柔軟(因此是可變形的)且透明的。特別地，微透鏡8在移動(dòng)部分2的中心區(qū)域下方延伸。當(dāng)從上方觀察時(shí)，微透鏡8例如是圓形形狀的。由二氧化硅制成的第二支撐體10例如機(jī)械地耦合到微透鏡8 并在微透鏡8下方延伸。當(dāng)從上方觀察時(shí)，第二支撐體10例如是圓形形狀的。

當(dāng)光學(xué)器件1在使用中時(shí)，光信號(hào)12，例如平行于光軸O的光束，可以穿過(guò)第二支撐體10、微透鏡8和孔3。微透鏡8使得光束能夠取決于微透鏡8的形狀而被聚焦在所期望的距離處。

在使用中，向壓電致動(dòng)器4施加電壓在壓電層上產(chǎn)生拉應(yīng)力并因此使移動(dòng)部分2變形；轉(zhuǎn)而，移動(dòng)部分2的變形致使微透鏡8的變形。因此，通過(guò)提供給光學(xué)器件1的電壓控制信號(hào)來(lái)修改微透鏡8的焦距是可能的。

特別地參考圖2A，這示出了處于第一操作狀況中的光學(xué)器件1，其中微透鏡8的上表面8'垂直于光軸O。因此微透鏡8聚焦在無(wú)限遠(yuǎn)處；因此，如果光信號(hào)12由平行于光軸O的光線形成，則這穿過(guò)微透鏡8而不被偏轉(zhuǎn)。

因此，光學(xué)器件1可以被用于例如使用已知的對(duì)壓電致動(dòng)器4的電壓控制信號(hào)的反饋方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的聚焦(“自動(dòng)聚焦”)功能。在這種上下文中，為了確保正確操作自動(dòng)聚焦過(guò)程，通常期望移動(dòng)部分2 在沒(méi)有施加到壓電致動(dòng)器4的電壓控制信號(hào)的情況下平行于平面xy 延伸，而不會(huì)在微透鏡8中產(chǎn)生變形并因此以如下這種方式起作用：使得微透鏡8具有理論上無(wú)限的焦距(如圖2A中所示)；備選地，一些攝影透鏡制造商優(yōu)選隨著距光軸O的距離減小而使移動(dòng)部分2以向下的曲線延伸，從而在微透鏡8中產(chǎn)生變形，使得微透鏡8具有-2屈光度的折射能力。

遺憾的是，由于在基于已知的MEMS制造方法制造光學(xué)器件1 的工藝結(jié)束時(shí)移動(dòng)部分2中存在殘余應(yīng)力，所以在沒(méi)有施加于壓電致動(dòng)器4的電壓控制信號(hào)的情況下移動(dòng)部分2的初始位置可以與優(yōu)選的初始位置不同。例如，移動(dòng)部分2的初始位置可以使得移動(dòng)部分2隨著距光軸O的距離減小而以向上的曲線延伸，如圖2B中所示。特別地，圖2B涉及其中移動(dòng)部分2經(jīng)受初始應(yīng)力σi的情況。

更詳細(xì)地，微透鏡8的上表面8'具有面向上的凸面。因此，如果光信號(hào)12由平行于光軸O的光線形成，則其被聚焦在微透鏡8的焦點(diǎn)上，該焦點(diǎn)與微透鏡8相距f1，該距離f1平行于軸線z而被測(cè)量。因此，移動(dòng)部分2內(nèi)的應(yīng)力以如下這樣的方式起作用：使得移動(dòng)部分 2的初始形狀不是上述所期望的類型。

現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于，基于PZT的壓電層的壓電致動(dòng)器4是單晶態(tài)型，因此受到與所施加的電壓的符號(hào)無(wú)關(guān)的拉應(yīng)力。特別地，無(wú)論施加到壓電致動(dòng)器4的電壓是正還是負(fù)，壓電致動(dòng)器4都經(jīng)受拉應(yīng)力，從而引起移動(dòng)部分2的相同類型的變形和伴隨的微透鏡8的彎曲。

在這種上下文中，圖2C示出了當(dāng)移動(dòng)部分2仍然經(jīng)受前述初始應(yīng)力σi并且此外非零電壓V被施加到壓電致動(dòng)器4上時(shí)的光學(xué)器件1。電壓V致使移動(dòng)部分2的更大的向上彎曲和微透鏡8的凸面的更大的彎曲，導(dǎo)致微透鏡8的焦距的減小，焦距取值f2<f1。

實(shí)際上，不可能向壓電致動(dòng)器4施加電壓，使得將移動(dòng)部分2置于所期望的初始位置以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦功能，特別是如果移動(dòng)部分2必須向下彎曲以便到達(dá)所期望的位置。因此需要提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的至少一些缺點(diǎn)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，根據(jù)本公開(kāi)，提供了一種MEMS器件，其包括膜和能夠在多個(gè)方向上控制膜的彎曲的致動(dòng)器。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的一個(gè)方面，提供一種MEMS器件，其特征在于，包括：支撐體，至少部分地由半導(dǎo)體材料形成；第一腔體，在所述支撐體內(nèi)延伸；膜，包括第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面，并且所述膜包括在所述第一表面上固定到所述支撐體的周邊部分和在所述第一腔體上方延伸的懸置部分；突出區(qū)域，固定到所述膜的所述第一表面；第一可變形結(jié)構(gòu)，在所述膜的所述懸置部分的所述第二表面上方延伸，與所述膜的所述懸置部分的中心部分相隔一段距離，所述第一可變形結(jié)構(gòu)相對(duì)于所述突出區(qū)域而朝向所述膜的所述周邊部分橫向突出，并且所述突出區(qū)域相對(duì)于所述第一可變形結(jié)構(gòu)而朝向所述膜的所述懸置部分的中心部分橫向突出，所述第一可變形結(jié)構(gòu)以電可控制的方式是可變形的，以致使所述膜的所述懸置部分的變形，從而致使所述懸置部分的中心部分沿第一方向平移；和第二可變形結(jié)構(gòu)，至少部分地在所述膜的所述懸置部分的第二表面上方延伸，所述第二可變形結(jié)構(gòu)在所述膜的所述周邊部分的方向上從所述第一可變形結(jié)構(gòu)橫向偏移，所述第二可變形結(jié)構(gòu)以電可控制的方式是可變形的，以致使所述膜的所述懸置部分的變形，從而致使所述懸置部分的中心部分沿不同于所述第一方向的第二方向平移。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述突出區(qū)域的厚度大于所述膜的厚度的兩倍。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可變形結(jié)構(gòu)包括由壓電材料形成的至少一個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域或者對(duì)應(yīng)的具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的重疊區(qū)域?qū)?；和所述第二可變形結(jié)構(gòu)包括由壓電材料形成的至少一個(gè)外部可變形區(qū)域或者對(duì)應(yīng)的具有不同熱膨脹系數(shù)的材料的重疊區(qū)域?qū)Α?/p>

在一個(gè)實(shí)施例中，所述內(nèi)部可變形區(qū)域圍繞所述膜的所述懸置部分的中心部分，并且其中所述外部可變形區(qū)域以一段距離圍繞所述內(nèi)部可變形區(qū)域。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可變形結(jié)構(gòu)包括多個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域，所述多個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域圍繞所述膜的所述懸置部分的中心部分布置；和所述第二可變形結(jié)構(gòu)包括多個(gè)外部可變形區(qū)域，所述內(nèi)部可變形區(qū)域和所述外部可變形區(qū)域成角度地相互交叉。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述膜的所述懸置部分的中心部分具有對(duì)稱軸線，并且其中所述內(nèi)部可變形區(qū)域最接近所述對(duì)稱軸線并且與所述對(duì)稱軸線間隔開(kāi)第一距離，并且其中最接近所述膜的所述周邊部分的對(duì)稱軸線的點(diǎn)與所述對(duì)稱軸線間隔開(kāi)第二距離，并且其中所述第一距離大于所述第二距離的三分之二。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述至少一個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域和所述至少一個(gè)外部可變形區(qū)域是相同的壓電材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓電材料是單晶態(tài)型壓電材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述壓電材料是PZT。

在一個(gè)實(shí)施例中，MEMS器件還包括延伸通過(guò)所述膜的孔，并且其中所述突出區(qū)域界定延伸通過(guò)所述突出區(qū)域的整個(gè)厚度的第二腔體，所述第二腔體面向所述孔。

在一個(gè)實(shí)施例中，MEMS器件還包括光學(xué)耦合到所述孔和所述次腔體的透鏡，并且其中所述透鏡機(jī)械地耦合到所述膜并且響應(yīng)于所述膜的變形而變形。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的另一方面，提供一種自動(dòng)聚焦系統(tǒng)，其特征在于，包括：MEMS器件，被配置為接收光信號(hào)，所述器件包括：支撐體，包括第一表面和第二表面；第一腔體，在所述支撐體內(nèi)從所述第一表面延伸到所述第二表面，在所述腔體的中心定義對(duì)稱軸線；膜，包括具有第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面的周邊部分，所述膜包括在所述第一表面處附接到所述支撐體的所述第一表面的周邊部分，并且包括在所述第一腔體上方延伸的懸置部分；第一可變形結(jié)構(gòu)，在所述膜的所述懸置部分的所述第二表面上；突出區(qū)域，在所述膜的所述懸置部分的所述第一表面上，所述突出區(qū)域與所述第一可變形結(jié)構(gòu)部分重疊，并且所述突出區(qū)域朝向?qū)ΨQ軸線橫向延伸超過(guò)所述第一可變形結(jié)構(gòu)；第二可變形結(jié)構(gòu)，在所述膜的至少所述周邊部分的所述第二表面上，所述第二可變形結(jié)構(gòu)與所述第一腔體重疊并且在朝向所述膜的所述周邊部分的方向上從所述第一可變形結(jié)構(gòu)橫向偏移；和透鏡，光學(xué)耦合到所述第一腔體，所述透鏡具有聚焦特性；圖像傳感器，被配置為在所述光信號(hào)已經(jīng)穿過(guò)所述MEMS器件的所述透鏡之后接收所述光信號(hào)，并且被配置為生成指示由所述圖像傳感器上的所述光信號(hào)形成的圖像的第一輸出信號(hào)；圖像處理單元，耦合到所述圖像傳感器，并且被配置為基于所述第一輸出信號(hào)確定指示所述圖像的聚焦的至少一個(gè)量；和控制單元，耦合到所述圖像處理單元和所述MEMS器件，所述控制單元被配置為控制所述第一可變形結(jié)構(gòu)和所述第二可變形結(jié)構(gòu)，以基于所述量調(diào)節(jié)所述透鏡的所述聚焦特性。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述聚焦特性包括所述透鏡的焦距。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可變形結(jié)構(gòu)包括多個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域，所述多個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域在距所述對(duì)稱軸線的第一徑向距離處成角度地布置在所述懸置部分的所述第二表面上。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二可變形結(jié)構(gòu)包括多個(gè)外部可變形區(qū)域，所述多個(gè)外部可變形區(qū)域在距所述對(duì)稱軸線的第二徑向距離處成角度地布置在所述周邊部分的所述第二表面上，所述第二徑向距離大于所述第一徑向距離，并且所述多個(gè)外部可變形區(qū)域與所述多個(gè)內(nèi)部可變形區(qū)域成角度地相互交叉。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)外部可變形區(qū)域中的每一個(gè)位于所述膜的所述懸置部分和周邊部分上，并且與所述第一腔體和所述支撐體重疊。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的又一方面，提供一種MEMS器件，其特征在于，包括：支撐體，包括第一表面和第二表面；第一腔體，在所述支撐體內(nèi)從所述第一表面延伸到所述第二表面，在所述腔體的中心定義對(duì)稱軸線；膜，包括在所述第一腔體上方的孔，并且還包括圍繞所述孔的懸置部分和周邊部分，所述膜具有第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面，并且所述周邊部分在所述第一表面處被附接到所述支撐體的所述第一表面，并且所述懸置部分在所述第一腔體上方延伸；第一可變形結(jié)構(gòu)，位于所述膜的所述懸置部分的所述第二表面上，并被配置為接收第一電信號(hào)；突出區(qū)域，在所述膜的所述懸置部分的所述第一表面上，所述突出區(qū)域與所述第一可變形結(jié)構(gòu)部分重疊，并且所述突出區(qū)域朝向?qū)ΨQ軸線橫向延伸超過(guò)所述第一可變形結(jié)構(gòu)；和第二可變形結(jié)構(gòu)，位于所述膜的至少所述周邊部分的所述第二表面上并且被配置為接收第二電信號(hào)，所述第二可變形結(jié)構(gòu)與所述第一腔體重疊并且在朝向所述膜的所述周邊部分的方向上從所述第一可變形結(jié)構(gòu)橫向偏移，并且所述第一可變形結(jié)構(gòu)和所述第二可變形結(jié)構(gòu)被配置為響應(yīng)于所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)，在平行于所述對(duì)稱軸線的第一方向上和與所述第一方向相反的第二方向上平移靠近所述第一腔體的所述懸置部分。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可變形結(jié)構(gòu)和所述第二可變形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)包括壓電材料。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一可變形結(jié)構(gòu)和所述第二可變形結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)包括多個(gè)熱敏區(qū)域，所述多個(gè)熱敏區(qū)域具有不同的熱膨脹系數(shù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述突出部界定第二腔體，所述第二腔體與所述膜中的所述孔對(duì)準(zhǔn)。

根據(jù)本申請(qǐng)實(shí)施例的又一方面，提供一種MEMS器件，其特征在于，包括：支撐體，所述支撐體包括腔體，所述支撐體包括表面；膜，所述膜具有周邊部分和中心部分，所述周邊部分被附接到所述支撐體的所述表面，所述中心部分在所述腔體上方延伸，所述中心部分的厚度大于所述周邊部分的厚度，并且所述膜具有與所述中心部分在所述腔體中露出的表面相對(duì)的表面；以及第一致動(dòng)器和第二致動(dòng)器，所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器在所述膜的所述表面上，與所述中心部分在所述腔體中露出的所述表面相對(duì)，每個(gè)致動(dòng)器至少部分地在所述支撐體和所述膜的對(duì)應(yīng)的周邊部分上方延伸，并且部分地在所述膜的所述中心部分上方延伸。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述第一致動(dòng)器和所述第二致動(dòng)器中的每個(gè)致動(dòng)器包括壓電致動(dòng)器。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述膜包括第一結(jié)構(gòu)層和第二結(jié)構(gòu)層，所述第一結(jié)構(gòu)層形成所述膜的所述周邊部分，所述第二結(jié)構(gòu)層形成所述膜的所述中心部分。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐體包括硅襯底，并且其中所述第一結(jié)構(gòu)層和所述第二結(jié)構(gòu)層分別包括第一外延層和第二外延層。

由此提供改進(jìn)的MEMS器件和自動(dòng)聚焦系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

為了使得本公開(kāi)更容易理解，現(xiàn)在將參照附圖僅通過(guò)非限制性示例描述優(yōu)選實(shí)施例，其中：

圖1示意性地示出了從上方觀察的已知類型的光學(xué)器件；

圖2A至圖2C示意性地示出了圖1中所示的光學(xué)器件在相應(yīng)的操作條件下的橫截面視圖，這些截面沿著圖1的截面線II-II截?。?/p>

圖3A示意性地且未按比例地示出了部分被移除的從上方觀察的根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件；

圖3B示意性地且未按比例示出了沿著圖3A的截面線IIIB-IIIB 截取的、圖3A的MEMS器件的橫截面圖；

圖3C示出了圖3A和圖3B的MEMS器件的一部分的俯視透視圖；

圖4示意性地且未按比例地示出了沿圖3A的截面線IIIB-IIIB截取的、圖3A至圖3C的MEMS器件的一部分的另一橫截面圖；

圖5A至圖5C示意性地且未按比例地示出了沿圖3A的截面線 IIIB-IIIB截取的、在相應(yīng)操作條件下的圖3A中所示的光學(xué)器件的橫截面視圖；

圖6A示意性地且未按比例地示出了部分被移除的從上方觀察的根據(jù)另一實(shí)施例的MEMS器件；

圖6B示出了圖6A的MEMS器件的一部分的俯視透視圖；

圖7示出了包括根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的本MEMS器件的光學(xué)器件的一部分的俯視透視圖；

圖8示出了包括圖7的光學(xué)器件的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的框圖；

圖9示意性地且未按比例地示出了部分被移除的根據(jù)另一實(shí)施例的MEMS器件的橫截面圖；

圖10示意性地且未按比例地示出了部分被移除的根據(jù)另一實(shí)施例的MEMS器件的橫截面圖；

圖11是根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的包括雙厚度膜的壓電致動(dòng)器的橫截面圖；

圖12是圖示了用于與圖11的致動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較的常規(guī)壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；

圖13A至圖13G圖示了根據(jù)本公開(kāi)實(shí)施例的制造具有與圖11的致動(dòng)器類似的結(jié)構(gòu)的壓電致動(dòng)器的工藝；以及

圖14是根據(jù)本公開(kāi)另一實(shí)施例的包括圖11的壓電致動(dòng)器的法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉儀的簡(jiǎn)化橫截面圖。

具體實(shí)施方式

申請(qǐng)人已經(jīng)觀察到，用于向下彎曲移動(dòng)部分的可能解決方案是，在移動(dòng)部分的中心部分上方提供例如由PZT制成的壓電致動(dòng)器。但是，如果這樣做，則移動(dòng)部分的中心部分被致動(dòng)器本身所占據(jù)；這一事實(shí)使得該解決方案不適用于例如其中移動(dòng)部分的中心部分必須允許輻射通過(guò)或者在任何情況下都必須具有與致動(dòng)器的存在不相容的 (例如導(dǎo)電性的)特定特性的各種應(yīng)用。因此，本MEMS器件受到這些觀察的啟發(fā)。

詳細(xì)而言，圖3A至圖3C示出了MEMS器件21，其包括支撐體 22，支撐體22例如由諸如硅之類的半導(dǎo)體材料制成。

支撐體22由下表面22a和上表面22b來(lái)界定。下表面22a和上表面22b平行于平面xy。上表面22b在下表面22a上方延伸，與下表面22a相距例如在50μm和720μm之間的一段距離。

支撐體22界定圓柱形的腔體24。腔體24延伸通過(guò)支撐體22的整個(gè)厚度，并且關(guān)于與軸線z平行的軸線C具有圓柱對(duì)稱性。腔體 24的半徑Rmembrane例如在0.5mm和20mm之間。

膜26在支撐體22上方延伸。特別地，將膜26的周邊部分固定到上表面22b；然而，將膜26的中心部分懸置在腔體24上方。

詳細(xì)地，膜26由第一介電層28、第一結(jié)構(gòu)層30和第二介電層 32形成。

第一介電層28在上表面22b上方延伸，與支撐體22直接接觸。詳細(xì)地，第一介電層28包括相應(yīng)的周邊部分，其被固定到支撐體22，特別是固定到橫向地界定腔體24的支撐體22的那部分。

第一結(jié)構(gòu)層30直接接觸地在第一介電層28上延伸。另外，第二介電層32直接接觸地在第一結(jié)構(gòu)層30上延伸。

第一介電層28由例如通過(guò)熱生長(zhǎng)所產(chǎn)生的二氧化硅、氮化硅、碳化硅或氮氧化硅的絕緣材料制成，并且具有例如1μm和50μm之間的厚度。

第一結(jié)構(gòu)層30由半導(dǎo)體材料(例如硅)或絕緣材料(例如BPSG (“硼磷硅酸鹽玻璃”)或USG(“未摻雜的硅玻璃”))制成，并且具有例如1μm至100μm之間的厚度。

第二介電層32由例如通過(guò)熱生長(zhǎng)所產(chǎn)生的二氧化硅的絕緣材料制成，并且具有例如1μm和50μm之間的厚度。

膜26具有孔34，孔34具有圓柱形狀并且關(guān)于軸線C而被對(duì)稱地定位。孔34延伸通過(guò)膜26的整個(gè)厚度并且具有例如在0.2mm和 15mm之間的半徑Rhole。

MEMS器件21包括第一壓電區(qū)域36，其在下文中被稱為外部壓電區(qū)域36。MEMS器件21還包括第二壓電區(qū)域38，其在下文中被稱為內(nèi)部壓電區(qū)域38。

如下面更詳細(xì)描述的，外部壓電區(qū)域36和內(nèi)部壓電區(qū)域38分別形成外部可變形結(jié)構(gòu)或致動(dòng)器44和內(nèi)部可變形結(jié)構(gòu)或致動(dòng)器45。另外，為了便于可視化，圖3A和圖3B僅示出來(lái)用于外部致動(dòng)器44和內(nèi)部致動(dòng)器45中每一個(gè)的相應(yīng)壓電區(qū)域。出于此原因，外部壓電區(qū)域36和內(nèi)部壓電區(qū)域38中的每一個(gè)相對(duì)于MEMS器件21的其他部分的布置僅僅是定性的。

外部壓電區(qū)域36由PZT形成。外部壓電區(qū)域36也采用空心圓柱體的形式，并且在膜26上方延伸，如下面更詳細(xì)地描述的那樣，外部壓電區(qū)域36機(jī)械地耦合到膜26。

更詳細(xì)地，外部壓電區(qū)域36部分地在膜26的周邊部分上方延伸，并因此在支撐體22上方延伸；外部壓電區(qū)域36也部分地在膜26的中心部分上方延伸，并因此在腔體24上方延伸。

外部壓電區(qū)域36關(guān)于軸線C具有圓柱對(duì)稱性，并且當(dāng)從上方觀察時(shí)，還具有例如1.5μm和3mm之間的長(zhǎng)度Lext，其中長(zhǎng)度Lext被定義為外部壓電區(qū)域36的外圓周的半徑和內(nèi)圓周的半徑之間的差異。外部壓電區(qū)域36也具有例如在0.5μm和10μm之間的厚度。

實(shí)際上，當(dāng)從上方觀察時(shí)，支撐體22和外部壓電區(qū)域36在例如具有在0.5μm和20μm之間的長(zhǎng)度OVR1的圓環(huán)形區(qū)域中重疊。

在未示出的其他實(shí)施例中，外部壓電區(qū)域36不與支撐體22重疊；特別地，外部壓電區(qū)域36的最遠(yuǎn)離對(duì)稱軸線C的側(cè)壁可以沿著軸線 z在腔體24的壁處對(duì)準(zhǔn)；備選地，在距離腔體24的壁0.5μm至2μm 之間的徑向距離處，該側(cè)壁可以相對(duì)于腔體24的壁而朝向?qū)ΨQ軸線C 橫向偏移。但是，根據(jù)圖3B的實(shí)施例的外部壓電區(qū)域36的布置提供更大的壓電致動(dòng)效率。

關(guān)于內(nèi)部壓電區(qū)域38，其由PZT形成。內(nèi)部壓電區(qū)域38也采用空心圓柱體的形式，并且在膜26上方延伸，如下面更詳細(xì)地描述的那樣，內(nèi)部壓電區(qū)域38機(jī)械地耦合到膜26。

更詳細(xì)地，內(nèi)部壓電區(qū)域38完全在膜26的中心部分上方延伸。另外，內(nèi)部壓電區(qū)域38關(guān)于軸線C具有圓柱對(duì)稱性，并且當(dāng)從上方觀察時(shí)，具有在例如1.5μm和3mm之間的長(zhǎng)度Lint。內(nèi)部壓電區(qū)域38也具有在例如0.5μm和10μm之間的厚度。

實(shí)際上，內(nèi)部壓電區(qū)域38被外部壓電區(qū)域36圍繞并且被定位在與外部壓電區(qū)域36相距一段距離處。更詳細(xì)地，內(nèi)部壓電區(qū)域38和外部壓電區(qū)域36被布置成以例如0.5μm和500μm之間的距離Lgap徑向地間隔開(kāi)。

外部壓電區(qū)域36和內(nèi)部壓電區(qū)域38的長(zhǎng)度例如以如下這樣的方式被選擇：使得內(nèi)部壓電區(qū)域38處于與對(duì)稱軸線C的一徑向距離(在對(duì)稱軸線C和內(nèi)部壓電區(qū)域38的最近點(diǎn)之間測(cè)量該距離)處，該徑向距離等于至少最小距離dmin，其中dmin例如等于腔體24的半徑 Rmembrane的三分之二。因此，例如下面的關(guān)系為真：

在這種上下文中，申請(qǐng)人已經(jīng)觀察到前述關(guān)系允許了本MEMS 器件的正確的雙晶態(tài)實(shí)施例，同時(shí)還使得可以定義膜26的中心部分，其不存在致動(dòng)器并且可以例如被用來(lái)形成用于光學(xué)器件的孔或提供電接觸。

MEMS器件21還包括第二結(jié)構(gòu)層40，第二結(jié)構(gòu)層40在膜26下方延伸，第二結(jié)構(gòu)層40機(jī)械地耦合到膜26。第二結(jié)構(gòu)層40在下文中被稱為“突出區(qū)域”40。

突出區(qū)域40采用空心圓柱體的形式并且關(guān)于軸線C具有圓柱對(duì)稱性。突出區(qū)域40還具有例如0.1μm和10mm之間的長(zhǎng)度Lhoof。突出區(qū)域40由半導(dǎo)體材料(例如硅)或絕緣材料(例如BPSG或USG) 制成，并且具有例如10μm和400μm之間的厚度。

當(dāng)從上方觀察時(shí)，突出區(qū)域40和內(nèi)部壓電區(qū)域38部分地在例如具有在0.1μm和50μm之間的長(zhǎng)度OVR2的圓環(huán)形區(qū)域中重疊。突出區(qū)域40也關(guān)于內(nèi)部壓電區(qū)域38而朝向?qū)ΨQ軸線C橫向突出。相反，當(dāng)從上方觀察時(shí)，突出區(qū)域40和外部壓電區(qū)域36徑向地間隔開(kāi)以便不重疊。

在實(shí)踐中，突出區(qū)域40界定對(duì)應(yīng)的腔體39，在下面被稱為次腔體39。另外，在沒(méi)有任何一般性損失的情況下，次腔體39與孔34 對(duì)準(zhǔn)；次腔體39和孔34的側(cè)壁也垂直對(duì)準(zhǔn)。換句話說(shuō)，當(dāng)從上方觀察時(shí)，次腔體39和孔34具有相同的形狀。然而，存在可能的實(shí)施例 (未示出)，其中，例如，突出區(qū)域40關(guān)于孔34突出或向后設(shè)置。

如圖4中所示，MEMS器件21還包括第一金屬層42，第一金屬層42在膜26的第二介電層32上方延伸。

第一金屬層42由例如氧化銥或鉑的導(dǎo)電材料制成，并且具有例如0.01μm和1μm之間的厚度。外部壓電區(qū)域36和內(nèi)部壓電區(qū)域38 位于第一金屬層42上方，它們與第一金屬層42直接接觸。第一金屬層42還用作外部致動(dòng)器44和內(nèi)部致動(dòng)器45的下電極。

MEMS器件21還包括第二金屬層46和第三金屬層47。第二金屬層46在外部壓電區(qū)域36上方延伸，第二金屬層46與外部壓電區(qū)域36直接接觸。第三金屬層47在內(nèi)部壓電區(qū)域38上方延伸，第三金屬層47與內(nèi)部壓電區(qū)域38直接接觸。

第二金屬層46和第三金屬層47由例如鎢鈦合金(TiW)、釕、鉑或銥的導(dǎo)電材料制成，并且具有例如0.01μm和1μm之間的厚度。因此，第二金屬層46和第三金屬層47分別用作外部致動(dòng)器44和內(nèi)部致動(dòng)器45的上電極。

MEMS器件21還包括第三介電層48和第四介電層50。第三介電層48在第二金屬層46和第三金屬層47上方延伸，并且在第一金屬層42的表面上方通過(guò)外部壓電區(qū)域36以及通過(guò)內(nèi)部壓電區(qū)域38 而被保持暴露。第三介電層48還覆蓋外部壓電區(qū)域36、內(nèi)部壓電區(qū)域38、第二金屬層46和第三金屬層47的側(cè)面。

第四介電層50在第三介電層48上方延伸。第三介電層48由例如USG、氮化硅、氮化鋁或氧化鋁的絕緣材料制成，并且具有在例如 0.01μm和2μm之間的厚度。第四介電層50由例如USG、氮化硅、氮化鋁或氧化鋁的絕緣材料制成，并且具有在例如0.01μm至4μm 之間的厚度。

外部致動(dòng)器44和內(nèi)部致動(dòng)器45還包括第四金屬層52和第五金屬層53，其在第四介電層50上方延伸。第四金屬層52和第五金屬層 53也穿過(guò)第三介電層和第四介電層直到它們分別與第二金屬層46和第三金屬層47接觸為止。第四金屬層52和第五金屬層53中的每一個(gè)由例如鋁、銅或金的導(dǎo)電材料制成，并且具有在例如0.01μm和10 μm之間的厚度。第一金屬層42、第四金屬層52和第五金屬層53連接到圖中未示出的相應(yīng)焊盤，以便能夠在使用中提供外部致動(dòng)器44 和內(nèi)部致動(dòng)器45的電壓控制。

MEMS器件21還包括鈍化層54，其在第四介電層50上方以及在第四金屬層52和第五金屬層53上方延伸。鈍化層54由例如氮化硅、氮化鋁或氧化鋁的絕緣材料制成，并且具有在例如0.01μm和4 μm之間的厚度。鈍化層54用作濕氣阻擋層。在未示出的其他實(shí)施例中，可以不存在鈍化層54。

在使用中，在外部致動(dòng)器44的下電極和上電極之間施加電壓在外部壓電區(qū)域36上引起拉應(yīng)力；另外，在內(nèi)部致動(dòng)器45的下電極和上電極之間施加電壓在內(nèi)部壓電區(qū)域38上引起拉應(yīng)力。因此致使膜 26的變形，如下面進(jìn)一步詳述的。

圖5A至圖5C示出了處于相應(yīng)操作配置中的MEMS器件21。特別地，圖5A示出了外部壓電區(qū)域36被具有值Vext的電壓信號(hào)偏置而內(nèi)部壓電區(qū)域38被具有值Vint的電壓信號(hào)偏置的情況。電壓值Vext和Vint是為了抵消膜26內(nèi)的應(yīng)力，使得膜26平行于平面xy延伸。

僅作為示例，假設(shè)MEMS器件21使得當(dāng)電壓值Vext和Vint為零時(shí)，殘余拉應(yīng)力使得膜26以與圖2B中所示類似的方式向上彎曲。僅作為示例，還假設(shè)施加分別等于0V和5V的電壓值Vext和Vint，以便獲得圖5A中所示的操作條件。因此，迫使膜26向下彎曲，同時(shí)抵消預(yù)先存在的彎曲。在這種上下文中，申請(qǐng)人已經(jīng)觀察到：因?yàn)橛捎谕怀鰠^(qū)域40的存在而產(chǎn)生的約束，在內(nèi)部致動(dòng)器38下方的膜26的部分中的更大拉應(yīng)力致使膜26的前述向下彎曲。申請(qǐng)人還觀察到：在沒(méi)有突出區(qū)域40的情況下，相反，電壓Vint的絕對(duì)增加將致使膜26 的向上彎曲。

在另一方面，圖5B示出了這樣的情況，其中外部壓電區(qū)域36被具有值Vext'的電壓信號(hào)偏置，其絕對(duì)值大于Vext的絕對(duì)值，例如等于 10V，而內(nèi)部壓電區(qū)域38被與在圖5A的操作條件中使用的電壓信號(hào)相同的具有值Vint的電壓信號(hào)偏置。

由于施加到外部壓電區(qū)域36的電壓的絕對(duì)值的增加，在外部壓電區(qū)域36下面的膜26的部分中的更大拉應(yīng)力致使膜26的向上彎曲。實(shí)際上，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：內(nèi)部壓電區(qū)域38下方的突出區(qū)域40使得可以將膜26的偏轉(zhuǎn)方向相對(duì)于僅存在外部壓電區(qū)域36的情況下可以獲得的偏轉(zhuǎn)方向而反轉(zhuǎn)。

在另一方面，圖5C示出了這樣的情況，其中內(nèi)部壓電區(qū)域38被具有例如25V的值Vint'的電壓信號(hào)偏置，其絕對(duì)值大于Vint的絕對(duì)值，而外部壓電區(qū)域36被與在圖5A的操作條件中使用的電壓信號(hào)相同的具有值Vext的電壓信號(hào)偏置。因此，膜26的向下彎曲惡化。

在實(shí)踐中，外部致動(dòng)器36、內(nèi)部致動(dòng)器38和突出區(qū)域40形成雙晶態(tài)致動(dòng)器，盡管這由單晶態(tài)壓電材料形成。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓 Vint和Vext的值，膜26可以被賦予期望的彎曲，而與在制造工藝結(jié)束時(shí)的任何殘余彎曲的存在無(wú)關(guān)。

換句話說(shuō)，壓電致動(dòng)的MEMS器件21以受控的方式提供對(duì)膜26 的初始彎曲的精確控制以及使膜26沿相反方向彎曲的可能性。

圖6A和圖6B示出了根據(jù)另一實(shí)施例的MEMS器件61。特別地，圖6B示出了MEMS器件61的四分之一。下面僅根據(jù)與圖3A至圖 3C的MEMS器件21的不同之處來(lái)描述圖6A至圖6B的MEMS器件 61；另外，除非另有說(shuō)明，否則共同的元件由相同的附圖標(biāo)記來(lái)指示。

詳細(xì)地，MEMS器件61包括外部致動(dòng)系統(tǒng)66和內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng) 68。

在不失一般性的情況下，內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68包括十二個(gè)內(nèi)部致動(dòng)器，每個(gè)內(nèi)部致動(dòng)器對(duì)應(yīng)于例如由PZT形成的相應(yīng)的內(nèi)部壓電區(qū)域，在此由69指示；外部致動(dòng)系統(tǒng)66包括十二個(gè)外部致動(dòng)器，每個(gè)外部致動(dòng)器對(duì)應(yīng)于例如由PZT形成的相應(yīng)的外部壓電區(qū)域，在此由67指示。

內(nèi)部壓電區(qū)域69采用平行六面體的形式，具有(平行于軸線z 測(cè)量的)例如在0.01μm和10μm之間的厚度，長(zhǎng)度Li例如在0.05μm 和10mm之間，并且寬度Wi例如在1μm和2mm之間，其中沿著平行六面體的主延伸方向測(cè)量長(zhǎng)度Li。

外部壓電區(qū)域67采用平行六面體的形式，具有(平行于軸線z 測(cè)量的)例如在0.01μm和10μm之間的厚度，長(zhǎng)度Le例如在0.5μm 和10mm之間，并且寬度We例如在1μm和2mm之間，其中沿著平行六面體的主延伸方向測(cè)量長(zhǎng)度Le。

內(nèi)部壓電區(qū)域69與對(duì)稱軸線C徑向等距并且以相等的角度間隔隔開(kāi)。因此，成對(duì)的內(nèi)部壓電區(qū)域69具有30°的角間距。

外部壓電區(qū)域67與對(duì)稱軸線C徑向等距并且以相等的角度間隔隔開(kāi)。因此，成對(duì)的外部壓電區(qū)域67具有30°的角間距。

內(nèi)部壓電區(qū)域69和外部壓電區(qū)域67的角度分布彼此成角度地偏移15°，使得內(nèi)部壓電區(qū)域69和外部壓電區(qū)域67彼此相距一段距離地延伸。換句話說(shuō)，內(nèi)部壓電區(qū)域69在外部壓電區(qū)域67之間成角度地相互交叉。

內(nèi)部壓電區(qū)域69和對(duì)稱軸線C之間的徑向距離小于對(duì)稱軸線C 和外部壓電區(qū)域67之間的徑向距離。

詳細(xì)地，對(duì)于任何內(nèi)部壓電區(qū)域69，存在對(duì)應(yīng)平面，該平面包含對(duì)稱軸線C并且使得內(nèi)部壓電區(qū)域69關(guān)于該平面對(duì)稱。另外，在前述平面中截取的MEMS器件61的橫截面中，內(nèi)部壓電區(qū)域69與突出區(qū)域40重疊的長(zhǎng)度等于前述長(zhǎng)度OVR2。突出區(qū)域40也關(guān)于內(nèi)部壓電區(qū)域69而朝向?qū)ΨQ軸線C橫向突出。

對(duì)于任何外部壓電區(qū)域67，存在對(duì)應(yīng)平面，該平面包含對(duì)稱軸線 C并且使得外部壓電區(qū)域67關(guān)于該平面對(duì)稱。另外，在前述平面中截取的MEMS器件61的橫截面中，外部壓電區(qū)域67與支撐體22重疊的長(zhǎng)度等于前述長(zhǎng)度OVR1，并且還關(guān)于支撐體22以懸臂的形式延伸，但不與突出區(qū)域40重疊。

外部壓電區(qū)域67和內(nèi)部壓電區(qū)域69的長(zhǎng)度例如以如下這樣的方式被選擇：使得內(nèi)部壓電區(qū)域69與對(duì)稱軸線C的徑向距離至少等于最小距離dmin，其中dmin例如等于腔體24的半徑Rmembrane的三分之二。

在附圖中未示出的其他實(shí)施例中，當(dāng)從上方觀察時(shí)，外部壓電區(qū)域67不與支撐體22重疊。

內(nèi)部壓電區(qū)域69可以電連接到單個(gè)焊盤(圖中未示出)，其被用來(lái)控制整個(gè)內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68。在另一個(gè)實(shí)施例中，內(nèi)部壓電區(qū)域69 被分成組，每組被連接到相應(yīng)的焊盤，以便允許獨(dú)立控制相應(yīng)組的內(nèi)部壓電區(qū)域69。相同的考慮適用于外部致動(dòng)系統(tǒng)66的外部壓電區(qū)域 67。

圖6A和圖6B的MEMS器件61具有優(yōu)于圖3A至圖3C的MEMS 器件21的各種優(yōu)點(diǎn)。例如，與MEMS器件21的外部致動(dòng)器36和內(nèi)部致動(dòng)器38相比，交叉配置在外部致動(dòng)系統(tǒng)66和內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68 的設(shè)計(jì)中提供了更大的靈活性。特別地，在MEMS器件21中，外部致動(dòng)器36和內(nèi)部致動(dòng)器38的長(zhǎng)度受以下關(guān)系限制：

Lext-OVR1+Lint＜Rmembrane-Rhole

這個(gè)限制通過(guò)MEMS器件61的交叉配置克服，這使得外部壓電區(qū)域67和內(nèi)部壓電區(qū)域69都能夠在膜26的同一圓環(huán)形區(qū)域上方延伸。換句話說(shuō)，外部壓電區(qū)域67與對(duì)稱軸線C的最小徑向距離可以小于外部壓電區(qū)域69的最大徑向距離。

MEMS器件61的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于：可以獨(dú)立地控制不同組的外部壓電區(qū)域67和/或內(nèi)部壓電區(qū)域69，以便在膜的變形中獲得更大的自由度。

圖7示出了光學(xué)器件71，其類似于圖6A和圖6B的MEMS器件 61，并且僅根據(jù)與該MEMS器件61的不同之處進(jìn)行描述。

詳細(xì)地，在光學(xué)器件71中，由56指示的膜包括二氧化硅(SiO2) 層，其具有例如在0.1μm和50μm之間的厚度。

光學(xué)器件71還包括微透鏡72，微透鏡72由例如聚二甲基硅氧烷 (PDMS)的透明軟聚合物層構(gòu)成，其具有例如在1μm和500μm之間的厚度。微透鏡72機(jī)械地耦合到膜56，并且在膜56下方與支撐體22相距一段距離地延伸。特別地，微透鏡72在孔34的整個(gè)區(qū)域下方并圍繞突出結(jié)構(gòu)40延伸，填充次腔體39。膜56和微透鏡72之間的機(jī)械耦合以如下這樣的方式起作用：使得由于內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68和/或外部致動(dòng)系統(tǒng)66引起的膜56的偏轉(zhuǎn)致使微透鏡72的變形。因此，微透鏡72的光學(xué)校正的值可以通過(guò)內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68和/或外部致動(dòng)系統(tǒng)66的電壓控制來(lái)修改。

光學(xué)器件71還包括透明支撐體74，其由例如二氧化硅(SiO2) 制成，例如具有在1μm至500μm之間的厚度。將透明支撐體74固定到微透鏡72，并在微透鏡72下方與支撐體22相距一段距離地延伸。因此，當(dāng)光學(xué)器件71在使用中時(shí)，光信號(hào)——例如平行于軸線z的光束——可以穿過(guò)透明支撐體74、微透鏡72和孔34。由于透明支撐體74的存在，作為膜56的變形結(jié)果，固定到透明支撐體74的微透鏡72的表面在MEMS器件71的使用期間不會(huì)變形。

在附圖中未示出的另一個(gè)實(shí)施例中，外部致動(dòng)系統(tǒng)66和內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68可以分別由圖3A至圖3C中所示的MEMS器件21的外部壓電區(qū)域36和內(nèi)部壓電區(qū)域38代替。

圖7的光學(xué)器件71的外部致動(dòng)器66和內(nèi)部致動(dòng)器68的交叉配置具有在沒(méi)有圓柱對(duì)稱性的情況下能夠使微透鏡72變形以便校正需要變形的光學(xué)像差例如像散的優(yōu)點(diǎn)。

圖8示出了自動(dòng)聚焦系統(tǒng)81，其包括光學(xué)器件71；光學(xué)耦合到光學(xué)器件71的圖像傳感器82；電耦合到圖像傳感器82的圖像處理單元84；電耦合到圖像處理單元84和光學(xué)器件71的控制單元86。

光學(xué)器件71接收穿過(guò)微透鏡72的光信號(hào)，形成由圖像傳感器82 檢測(cè)的圖像。圖像傳感器82例如是已知類型的CMOS圖像傳感器。

圖像傳感器82基于前述圖像而生成第一輸出信號(hào)，并將其發(fā)送到圖像處理單元84。圖像處理單元84通過(guò)已知方法分析圖像傳感器 82的第一輸出信號(hào)，并基于與第一輸出信號(hào)相關(guān)聯(lián)的圖像的聚焦質(zhì)量對(duì)其指派分?jǐn)?shù)；圖像處理單元84還通過(guò)已知的自動(dòng)聚焦算法確定微透鏡72的校正值，以用于改善聚焦質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖像處理單元84生成第二輸出信號(hào)，其包含關(guān)于微透鏡72的校正值的前述信息，并且其被發(fā)送到控制單元86。控制單元86包括光學(xué)器件71的控制電路，該控制電路能夠確定可以分別控制外部致動(dòng)系統(tǒng)66和內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68的電壓值Vext和Vint，以便提供膜56的偏轉(zhuǎn)，從而致使微透鏡72的變形，該變形對(duì)應(yīng)于由圖像處理單元84所確定的校正值。例如，控制單元86可以訪問(wèn)查找表，該查找表包括可以由微透鏡72提供的每個(gè)校正值的一對(duì)電壓值(Vint，Vext)。通過(guò)到光學(xué)器件71的焊盤的電連接(圖中未示出)，控制單元86還將外部致動(dòng)系統(tǒng)66偏置到電壓Vext并將內(nèi)部致動(dòng)系統(tǒng)68偏置到電壓Vint。

因此，光學(xué)系統(tǒng)81實(shí)現(xiàn)了可以自動(dòng)改善圖像聚焦質(zhì)量的反饋方法。

根據(jù)以上描述，本MEMS器件的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。

特別地，本MEMS器件使得可以以精確的方式控制膜的彎曲，而與膜的殘余應(yīng)力的類型無(wú)關(guān)；特別地，本MEMS器件使得可以在相反方向上使膜偏轉(zhuǎn)，而不需要使用雙晶態(tài)材料。

致動(dòng)器的交叉配置還在膜的變形中提供了更大的自由度，例如通過(guò)允許破壞圓柱形對(duì)稱性。

最后，在不脫離本公開(kāi)的保護(hù)范圍的情況下，可以清楚地修改和改變?cè)诖嗣枋龊蛨D示出的內(nèi)容。

例如，圖9示出了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的MEMS器件91。下面僅根據(jù)與圖3A至圖3C中的MEMS器件21的不同之處來(lái)描述圖9的 MEMS器件91；另外，除非另有說(shuō)明，否則共同的元件由相同的附圖標(biāo)記來(lái)指示。

詳細(xì)地，在MEMS器件91中，由96指示的外部致動(dòng)器包括第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93，第一熱敏區(qū)域92在膜26上方延伸，第一熱敏區(qū)域92機(jī)械耦合到膜26，第二熱敏區(qū)域93在第一熱敏區(qū)域92上方延伸。第一熱敏區(qū)域92例如由鋁、銅或金制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之間的厚度；第二熱敏區(qū)域93例如由鉑、鎢或鈦制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之間的厚度。第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。特別地，第一熱敏區(qū)域92的材料具有比第二熱敏區(qū)域93的材料更高的熱膨脹系數(shù)。

當(dāng)從上方觀察時(shí)，第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93部分地與支撐體22重疊并且相對(duì)于支撐體22以懸臂的形式延伸；第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93也相對(duì)于突出區(qū)域40橫向偏移，使得它們不與突出區(qū)域40重疊。

另外，在MEMS器件91中，在此由98指示的內(nèi)部致動(dòng)器包括第三熱敏區(qū)域94和第四熱敏區(qū)域95，第三熱敏區(qū)域94在膜26上延伸，第三熱敏區(qū)域94機(jī)械耦合到膜26，第四熱敏區(qū)域95在第三熱敏區(qū)域94上方延伸。第三熱敏區(qū)域94例如由鋁、銅或金制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之間的厚度。第四熱敏區(qū)域95例如由鉑、鎢或鈦制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之間的厚度。第三熱敏區(qū)域94和第四熱敏區(qū)域95的材料具有不同的熱膨脹系數(shù)。特別地，第三熱敏區(qū)域94的材料具有比第四熱敏區(qū)域95的材料更高的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)從上方觀察時(shí)，第三熱敏區(qū)域94和第四熱敏區(qū)域95部分地與突出區(qū)域40重疊。

當(dāng)MEMS器件91在使用中時(shí)，外部致動(dòng)器96通過(guò)信號(hào)Iext進(jìn)行電流控制，信號(hào)Iext穿過(guò)第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93中的至少一個(gè)。電流的流動(dòng)導(dǎo)致第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93的溫度升高。第一熱敏區(qū)域92和第二熱敏區(qū)域93的不同熱膨脹系數(shù)致使外部致動(dòng)器96的彎曲，并因此致使膜26的向上彎曲，如圖5B中針對(duì) MEMS器件21所示。

在使用中，內(nèi)部致動(dòng)器98通過(guò)信號(hào)Iint進(jìn)行電流控制，信號(hào)Iint穿過(guò)第三熱敏區(qū)域94和第四熱敏區(qū)域95中的至少一個(gè)。電流的流動(dòng)致使第三熱敏區(qū)域94和第四熱敏區(qū)域95的溫度升高。第三熱敏區(qū)域 94和第四熱敏區(qū)域95的不同熱膨脹系數(shù)致使內(nèi)部致動(dòng)器98的彎曲，并因此致使膜26的向下彎曲，如圖5C中針對(duì)MEMS器件21所示。

通常，存在與參照?qǐng)D3A至圖3C和圖6A至圖6B描述的那些相同類型的可能實(shí)施例，其中每個(gè)壓電區(qū)域(內(nèi)部或外部)由對(duì)應(yīng)的一對(duì)熱敏區(qū)域來(lái)代替。在這種上下文中，上面參考?jí)弘妳^(qū)域描述的幾何關(guān)系也適用于這些區(qū)域被對(duì)應(yīng)的熱敏區(qū)域?qū)?lái)代替的情況。

另外，圖10示出了根據(jù)另一實(shí)施例的MEMS器件101。下面僅根據(jù)與圖3A至圖3C中的MEMS器件21的不同之處來(lái)描述圖10的 MEMS器件101；另外，除非另有說(shuō)明，否則共同的元件由相同的附圖標(biāo)記來(lái)指示。

詳細(xì)地，在MEMS器件101中，此處由106指示的膜完全在腔體24上方延伸，將腔體24與膜106上方的環(huán)境隔開(kāi)。換句話說(shuō)，膜 106不具有孔34。另外，突出區(qū)域40的次腔體39的半徑大小等于前述半徑Rhole。在這種情況下，膜106可以由在可見(jiàn)光范圍內(nèi)透明的單層材料形成，例如二氧化硅。另外，次腔體39在上方由膜106的中心部分的內(nèi)部部分界定。

通常，MEMS器件101不僅適合于形成光學(xué)器件，而且適合于形成開(kāi)關(guān)器件，例如射頻開(kāi)關(guān)。

還存在圖10中所示類型的可能實(shí)施例，然而，其中，當(dāng)從上方觀察時(shí)，突出區(qū)域被簡(jiǎn)單地連接；也就是說(shuō)，突出區(qū)域沒(méi)有腔體。

還存在未示出的可能實(shí)施例，其中外部致動(dòng)器、內(nèi)部致動(dòng)器、腔體、突出區(qū)域和膜的孔具有除上述實(shí)施例中的前述元件的圓柱對(duì)稱性之外的各種類型的對(duì)稱性。例如，存在可能的實(shí)施例，其中，外部致動(dòng)器、內(nèi)部致動(dòng)器和突出區(qū)域中的至少一個(gè)采用空心平行六面體的形式，并且膜的孔和腔體中的至少一個(gè)采取平行六面體的形式。

本MEMS器件還存在可能的實(shí)施例，其中外部致動(dòng)器、內(nèi)部致動(dòng)器、突出區(qū)域、膜的孔和腔體中的至少一個(gè)不具有對(duì)稱性。

圖11是根據(jù)本公開(kāi)的另一實(shí)施例的包括雙厚度膜1102的壓電致動(dòng)器1100的橫截面圖。在操作中，雙厚度膜1102提供膜的增加的移動(dòng)或偏轉(zhuǎn)，而不需要增加壓電致動(dòng)器1104a、1104b的尺寸或施加到其上的電壓，如下面將更詳細(xì)描述的。在壓電致動(dòng)器1100中，膜1102 在支撐體1108中的孔或腔體1106上方延伸，其中膜的周邊部分被附接到支撐體的表面1108a。因此，膜1102的中心部分在腔體1106上方延伸，其中膜的周邊部分被附接或固定到支撐體1108a的表面 1108a。如圖11的實(shí)施例中所示的XYZ軸線所指示的，致動(dòng)器1104a、 1104b使膜1102在平行于Z軸的上下方向上變形，這將在下面更詳細(xì)地描述。

雙厚度膜1102包括形成在支撐體1108的上表面1108a上的第一介電層1110，其中腔體1106上方的第一介電層的部分被移除，并且第一介電層的中心部分1110a保留在XY平面中的腔體的中心，如 XYZ軸線所指示的。此外，雙厚度膜1102包括形成在第一介電層1110 的中心部分1110a上的第一結(jié)構(gòu)層1112和形成在第一介電層的與腔體1106相對(duì)的表面上的第二結(jié)構(gòu)層1114。以這種方式，在腔體1106 上延伸的雙厚度膜1102在平行于Z軸線的方向上具有兩個(gè)厚度，即對(duì)應(yīng)于第一結(jié)構(gòu)層1112和介電層1110的中心部分1110a的厚度的第一厚度和對(duì)應(yīng)于第二結(jié)構(gòu)層1114的厚度的第二厚度。第二厚度大于第一厚度。

在第二結(jié)構(gòu)層1114的與腔體1106相對(duì)的表面上間隔開(kāi)地形成壓電致動(dòng)器1104a、1104b。每個(gè)壓電致動(dòng)器1104a、1104b包括壓電堆疊，該壓電堆疊具有位于電極對(duì)1118a、1118b和1120a、1120b之間的對(duì)應(yīng)的第一壓電層1116a、1116b，如所圖示的那樣。第二壓電層 1122a、1122b形成在電極1120a、1120b上，并且第三電極1124a、1124b 形成在這些第二壓電層上。將致動(dòng)器1104a、1104b定位在膜1102的較薄部分上方，即在具有第二厚度的第二結(jié)構(gòu)層1114的部分上方。因此，在圖11的實(shí)施例中，電極1118a、1118b形成在第二結(jié)構(gòu)層1114 的與腔體1106相對(duì)的表面上，并且在平行于X軸線的方向上在一端上部分地在支撐體1108上方并且在與第一端相對(duì)的第二端上部分地在第一結(jié)構(gòu)層1112上方延伸。

在操作中，將合適的電壓信號(hào)施加到壓電致動(dòng)器1104a、1104b 的電極1118、1120、1124，以在壓電區(qū)域1116、1122上引起拉應(yīng)力，從而以與圖3至圖5的MEMS器件21的操作類似的方式致使膜1102 的偏轉(zhuǎn)或移動(dòng)或變形，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的。由于第一結(jié)構(gòu)層 1112的存在，為膜1102提供了大于膜的第一厚度的第二厚度，因此由壓電致動(dòng)器1104a、1104b致使的膜的變形不同于針對(duì)均勻厚度的膜，如圖12中所示。

圖11的致動(dòng)器1100的膜1102沿平行于X軸線的方向的偏轉(zhuǎn)輪廓通過(guò)在致動(dòng)器的橫截面圖下方示出的偏轉(zhuǎn)輪廓1126圖示出。該偏轉(zhuǎn)輪廓1126圖示出了膜1102沿著平行于X軸線的膜的長(zhǎng)度在平行于 Z軸線的方向上的偏轉(zhuǎn)。由于由第一結(jié)構(gòu)層1112提供的膜1102的第二厚度，減小了平行于致動(dòng)器1104a、1104b之間的膜的中間部分的Z 軸線的偏轉(zhuǎn)。這在偏轉(zhuǎn)輪廓1126的中心部分1126a中圖示出。相反，壓電致動(dòng)器1104a、1104b下方的膜1102的較薄的第一厚度導(dǎo)致膜的周邊部分中的膜向中間部分的左右側(cè)的較大偏轉(zhuǎn)，這在偏轉(zhuǎn)輪廓1126 中被標(biāo)記為部分1126b。

膜1102在膜的周邊部分中具有較大的膜1102的偏轉(zhuǎn)或移動(dòng)的這種偏轉(zhuǎn)輪廓，提供了經(jīng)歷這種較大移動(dòng)的膜的較大部分或區(qū)域，從而改善了致動(dòng)器1100的性能。例如，在流體泵中利用致動(dòng)器1100的情況下，致動(dòng)器1100可以由于膜1102的偏轉(zhuǎn)輪廓而移動(dòng)更大體積的流體。這與包括如圖12中所示的均一厚度膜1202的傳統(tǒng)致動(dòng)器1200 形成對(duì)比。為了比較兩個(gè)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)用與致動(dòng)器1100中的類似組件 1102-1126相對(duì)應(yīng)的數(shù)字1202-1226來(lái)標(biāo)記該傳統(tǒng)致動(dòng)器1200的所選組件。偏轉(zhuǎn)輪廓1226示出了在該傳統(tǒng)致動(dòng)器1200中，膜1202的中心部分被致動(dòng)器1204a、1204b偏轉(zhuǎn)最多，而膜的周邊部分偏轉(zhuǎn)較小。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致整個(gè)膜1202的較小區(qū)域，即致動(dòng)器1204a、1204b之間的膜的中心部分，偏轉(zhuǎn)更大的距離，相對(duì)于具有雙厚度膜1102的致動(dòng)器1100而言，這降低了致動(dòng)器1200的整體效率或性能。為了增加膜1202的偏轉(zhuǎn)，可以將增加的電壓電平施加到致動(dòng)器1204a、1204b，但是這種增加的電壓可能對(duì)耦合到致動(dòng)器1200的其他組件(未示出) 有害。增加膜1202的偏轉(zhuǎn)的另一選項(xiàng)將是增加壓電致動(dòng)器1204a、1204b的尺寸，但是這個(gè)解決方案導(dǎo)致更大的整體致動(dòng)器1200，并且另外，因?yàn)檫@些致動(dòng)器中的壓電材料通常是鋯鈦酸鉛(PZT)，增加這些致動(dòng)器的尺寸是不希望的，因?yàn)樵黾映叽鐚?dǎo)致整個(gè)致動(dòng)器包含更多的鉛，在處置包含致動(dòng)器的設(shè)備時(shí)這是潛在危險(xiǎn)的化合物。

圖13A至圖13G圖示出了制造壓電致動(dòng)器的工藝，該壓電致動(dòng)器具有與根據(jù)本公開(kāi)的實(shí)施例的圖11的致動(dòng)器1100相同或類似的結(jié)構(gòu)。該工藝開(kāi)始于圖13A，其中體硅襯底1300具有表面1300a。在該工藝的第一步驟中，通過(guò)合適的工藝在表面1300a上形成第一蝕刻停止層1302。第一蝕刻停止層1320用作針對(duì)硅襯底1300的后續(xù)硅蝕刻的停止層，如下面將更詳細(xì)描述的。在本公開(kāi)的實(shí)施例中，第一蝕刻停止層1320是使用原硅酸四乙酯(TEOS)源沉積的熱氧化物層或二氧化硅層。在形成第一蝕刻停止層1302之后，在第一蝕刻停止層1302 上方和在襯底1300的表面1300a上形成第一外延層1304，如圖13B 中所示。該第一外延層1304可以通過(guò)任何合適的技術(shù)來(lái)形成，諸如通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在多晶硅種子層的表面1300a和第一蝕刻停止層1302上形成，隨后進(jìn)行外延生長(zhǎng)以形成外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，第一蝕刻停止層1302具有大約1微米(μm)的厚度，并且第一外延層1304約為3微米(μm)厚。層1302、1304和下面討論的其他層的厚度在與圖13A至圖13G中所示的Z軸線平行的方向上。

在圖13B中的外延層1304的形成之后，在第一外延層1304的表面1304a上形成第二蝕刻停止層1306，如圖13C中所示。第二蝕刻停止層1306可以由任何合適的材料形成，并且可以通過(guò)任何合適的工藝形成，并且用作硅襯底1300的后續(xù)硅蝕刻的停止層，如下面更詳細(xì)描述的。第二蝕刻停止層1306可以是使用TEOS源沉積的熱氧化物層或二氧化硅層。在本公開(kāi)的實(shí)施例中，第二蝕刻停止層1306 也約為1微米厚。在形成第二蝕刻停止層1306之后，在第二蝕刻停止層1306的表面1306a上形成第二外延層1308，如圖13D中所示。該第二外延層1308可以通過(guò)任何合適的技術(shù)形成，諸如通過(guò)低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在多晶硅種子層的表面1306a上形成，隨后進(jìn)行外延生長(zhǎng)以形成外延層。在一個(gè)實(shí)施例中，第二外延層1308約為6 微米厚。

在形成第二外延層1308后，形成壓電致動(dòng)器1310a、1310b的壓電電堆疊形成在第二外延層的表面1308a上，如圖13E中所示。每個(gè)壓電致動(dòng)器1310a、1310b包括：形成在表面1308a上的第一電極 1312a、1312b，形成在第一電極1312a、1312b上的壓電層1314a、1314b，以及形成在壓電層1314a、1314b上的第二電極1316a、1316b。在形成壓電致動(dòng)器1310a、1310b之后，在壓電致動(dòng)器和第二外延層1308 的表面1308a上方形成鈍化層1318，如圖13F中所示。另外，在襯底 1300的表面1300b上形成合適的掩模1320，諸如光致抗蝕劑，并且將其圖案化以允許在襯底和第一外延層1304中形成腔體。更具體地，掩模1320包括部分1320a、1320b，其中在這些部分之間的掩模中具有開(kāi)口，以暴露襯底1300的表面1300b用于腔體的形成，如將參考圖13G更詳細(xì)地描述的。

在圖13G中，執(zhí)行蝕刻步驟以形成腔體1322，腔體1322為致動(dòng)器提供由第二外延層1308和在壓電致動(dòng)器1310a、1310b之間的第一外延層1304的剩余部分形成的雙厚度膜，如現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述的。蝕刻步驟包括合適的干蝕刻操作，其移除通過(guò)掩模1320暴露的襯底 1300的部分，并且還移除第一外延層1304的部分。該干蝕刻操作形成腔體1322，如圖13G中所示，其中腔體包括也延伸通過(guò)第一外延層1304的在左側(cè)和右側(cè)上的部分1322a和1322b。干蝕刻操作將第一外延層1304向上移除直到第二蝕刻停止層1306。

在圖13G的實(shí)施例中，在該干蝕刻操作之后，蝕刻步驟包括濕蝕刻操作，其移除腔體1322的部分1322a、1322b中的第二蝕刻停止層 1306的暴露部分。該濕蝕刻操作還移除在腔體1322的中心部分1322c 中的第一蝕刻停止層1302，因?yàn)橥ǔ５谝豢涛g停止層和第二蝕刻停止層都是氧化物。濕蝕刻操作是可選的。如果不執(zhí)行，則腔體1322的部分1322a、1322b中的每一個(gè)將包括腔體的中心部分1322c中的第一蝕刻停止層1302和第二蝕刻停止層1306的暴露部分。在干蝕刻操作期間，第一蝕刻停止層1302防止移除腔體1322的中心部分1322c 中的第一外延層1304，如圖13G中所示。以這種方式，中心部分1322c 中的第一外延層1304的該剩余部分提供待形成的致動(dòng)器的膜的較厚部分，其中膜對(duì)應(yīng)于第二外延層1308、第二蝕刻停止層1306、在中心部分1322c中的第一外延層1304的剩余部分和在第一外延層的該剩余部分上的第一蝕刻停止層1302。

在圖13A至圖13G的工藝的另一實(shí)施例中，代替層1308是第二外延層，可以改為利用厚氧化物層代替第二外延層。以這種方式，在上面參考圖13G討論的硅干蝕刻操作期間，將不蝕刻該厚氧化物層。又一個(gè)實(shí)施例可以利用圖12的結(jié)構(gòu)，其中在壓電致動(dòng)器1204a、1204b 之間的腔體1206的中間添加附接到膜1202的底部的合適結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)類似于圖11的結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，可以在圖11的膜1102的中心生長(zhǎng)厚電鍍層，以提供在膜的中心具有第二厚度的膜。

根據(jù)本申請(qǐng)的實(shí)施例所形成的致動(dòng)器可以用于各種不同的應(yīng)用，諸如微型泵、噴墨泵、壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)和揚(yáng)聲器。用于圖11的雙厚度致動(dòng)器1100和根據(jù)圖13A至圖13G的工藝所形成的雙厚度致動(dòng)器的一個(gè)應(yīng)用是如所示的法布里-珀羅干涉儀中，其中一個(gè)如圖14中所示。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，在法布里-珀羅干涉儀中，調(diào)整一對(duì)平行鏡之間的距離以確定供應(yīng)給干涉儀的輸入信號(hào)的頻率分量或波長(zhǎng)。在圖14的簡(jiǎn)化橫截面圖中，法布里-珀羅干涉儀1400包括膜1402，膜1402包括通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)1406而懸置到支撐框架1408的可移動(dòng)中心部分1404?？梢苿?dòng)中心部分1404具有平行于 Z軸線的厚度，其大于支撐結(jié)構(gòu)1406的厚度。壓電致動(dòng)器1410a、1410b 在膜1402的表面1402a上形成并且在膜的較薄支撐結(jié)構(gòu)1406上方延伸。在可移動(dòng)中心部分1404的表面1400a上還形成第一反射層1412。透射結(jié)構(gòu)1414耦合到支撐框架1408并包括與膜1402的表面1402a 相對(duì)的表面1414a。第二反射層1416形成在與第一反射層1412相對(duì)的表面1414a上，并且抗反射涂層形成在與第二反射層1416相對(duì)的透射結(jié)構(gòu)的表面1414b上。抗反射層1420也形成在與第一反射層1412 相對(duì)的可移動(dòng)中心部分1404的表面上。

法布里-珀羅干涉儀的操作理論是本領(lǐng)域技術(shù)人員完全理解的，并且將僅被簡(jiǎn)要描述以說(shuō)明壓電致動(dòng)器1410a、1410b在干涉儀1400中的操作。在操作中，控制壓電致動(dòng)器1410a、1410b以致使膜1402變形，從而改變第一反射層1412和第二反射層1416之間平行于Z軸線的距離。包含多個(gè)頻率或波長(zhǎng)的入射電磁信號(hào)I在圖14中沿平行于Z 軸線的方向向下傳播。例如，信號(hào)I可以是紅外信號(hào)，并且可移動(dòng)中心部分1404可以是硅，其對(duì)紅外信號(hào)是透明的。信號(hào)I傳播通過(guò)抗反射層1420和可移動(dòng)中心部分1404并入射在第一反射層1412上。該入射信號(hào)I在第一反射層1412上的部分傳播通過(guò)第一反射層，然后向下傳播并且被第二反射層1416反射。這導(dǎo)致駐波，該駐波在反射層1412、1416之間根據(jù)反射層1412、1416之間的距離(平行于Z 軸線)和信號(hào)I中包含的頻率或波長(zhǎng)而生成。反射層1412、1416之間的距離由致動(dòng)器1410a、1410b控制，并且取決于信號(hào)I中存在的頻率或波長(zhǎng)，對(duì)于在這些反射層之間的特定距離，將在反射層之間生成駐波。當(dāng)反射表面1412之間的距離是包含在信號(hào)I中的波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，反射表面1412、1416之間的大駐波導(dǎo)致輸出信號(hào)Iout作為干涉儀1400的輸出傳播通過(guò)反射表面1416然后通過(guò)抗反射層1418。以這種方式，控制壓電致動(dòng)器1410a、1410b以改變反射表面1412、1416 之間的距離和輸出信號(hào)Iout，輸出信號(hào)Iout被感測(cè)以檢測(cè)信號(hào)I中存在的波長(zhǎng)。

可以組合上述各種實(shí)施例以提供另外的實(shí)施例。根據(jù)以上詳細(xì)描述，可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行這些和其他改變。通常，在以下權(quán)利要求中，所使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被解釋為將權(quán)利要求限制于說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中公開(kāi)的特定實(shí)施例，而是應(yīng)該被解釋為包括所有可能的實(shí)施例以及這些權(quán)利要求所賦予的等同物的全部范圍。因此，權(quán)利要求不受本公開(kāi)的限制。