專利名稱：在隨熱啟動(dòng)梁移動(dòng)的加熱器上包括該梁的微電子機(jī)械系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子機(jī)械系統(tǒng)，具體地說(shuō)，涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)。
目前已開(kāi)發(fā)出微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)作為諸如繼電器、啟動(dòng)器、閥門和傳感器之類的通常機(jī)電裝置的替代品。由于使用了微電子制造技術(shù)，故MEMS裝置可能是低成本的裝置。還可以提供新的功能，因?yàn)镸EMS裝置可以遠(yuǎn)小于通常的機(jī)電裝置。
授予Wood等人(Wood)題為“熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器”的US專利第5,909,078號(hào)說(shuō)明了MEMS裝置中的主要突破，本文引用了該專利的內(nèi)容。Wood公開(kāi)了熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器系列，這些啟動(dòng)器包括一拱形梁，它在微電子基片上的相間隔的支承件之間延伸。所述拱形梁在向其加熱時(shí)會(huì)膨脹。例如，如Wood所述，電流穿過(guò)拱形梁，從而使其熱膨脹。另外，如Wood所述，通過(guò)跨越氣隙的外部加熱器來(lái)對(duì)熱拱形梁進(jìn)行加熱。
在被用作微電子機(jī)械啟動(dòng)器時(shí)，拱形梁的熱膨脹會(huì)產(chǎn)生較大的位移以及較大的力，同時(shí)會(huì)消耗適度的能量。熱拱形梁可用于提供繼電器、傳感器、微閥門和其它MEMS裝置。例如在授于Dhuler等人題為“熱拱形梁微電子機(jī)械裝置及相關(guān)制造方法”的US專利第5,994,816號(hào)說(shuō)明了其它熱拱形梁微電子機(jī)械裝置及相關(guān)制造方法，本文引用了該專利的內(nèi)容。盡管如上所述，但還是繼續(xù)需要對(duì)MEMS裝置作進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明可提供熱啟動(dòng)的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括位于加熱器上的熱啟動(dòng)拱形梁，其中，所述拱形梁在位移時(shí)保留在加熱器上。因此，本發(fā)明可提供改進(jìn)了的瞬時(shí)熱響應(yīng)以及改進(jìn)了的熱效率。具體地說(shuō)，在拱形梁移動(dòng)時(shí)，加熱器上的拱形梁與加熱器一道移動(dòng)。所以，可將熱量直接加于拱形梁上，從而減少因加熱器與拱形梁之間的氣隙所導(dǎo)致的熱損失。
相反，通常的系統(tǒng)可包括加熱器與梁之間的氣隙。不幸的是，該氣隙會(huì)增加熱阻抗，從而會(huì)減少熱通量。所述氣隙還會(huì)使系統(tǒng)的瞬間熱響應(yīng)變差。
依照本發(fā)明，不需要隨拱形梁對(duì)加熱器與拱形梁之間的氣隙進(jìn)行加熱，從而有改進(jìn)了的瞬間熱響應(yīng)。在拱形梁位移時(shí)使加熱器位移會(huì)通過(guò)減少拱形梁位移時(shí)的加熱器與拱形梁之間的間隔而進(jìn)一步減少熱損失和瞬時(shí)熱響應(yīng)。
具體地說(shuō)，本發(fā)明的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)可包括位于一微電子基片上的相間隔的支承件以及一梁，最好是拱形梁，該梁在上述相間隔的支承件之間延伸并在將熱量加于該梁時(shí)膨脹，從而使所說(shuō)的梁產(chǎn)生位移。所說(shuō)的梁位于加熱器上，而加熱器則將熱量加于該梁上并在該梁移動(dòng)時(shí)隨其位移。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，一第二梁在相間隔的支承件之間延伸。所述第一和第二梁均與加熱器上的一連接器相連，其中，所述加熱器隨連接器一道位移。所述連接器可按機(jī)械的方式加強(qiáng)第一與第二梁之間的連接。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述第一和第二梁與連接器分開(kāi)并位于其上。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，一種可伸縮的(scalable)微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)包括位于一微電子基片上的可移動(dòng)的相間隔的支承件以及一橫肋梁，它在上述可移動(dòng)的相間隔的支承件之間延伸。一第一拱形梁沿第一預(yù)定方向拱起并在有熱量加于其上時(shí)沿該第一預(yù)定方向膨脹，從而使第一拱形梁相對(duì)上述可移動(dòng)的相間隔的支承件位移。一第一拱形梁位于第一加熱器上，該加熱器將熱量加于第一拱形梁上并在第一拱形梁位移時(shí)隨該梁位移。一第二拱形梁沿第二預(yù)定方向拱起并在有熱量加于其上時(shí)沿該第二預(yù)定方向膨脹，從而使第二拱形梁相對(duì)上述可移動(dòng)的相間隔的支承件位移。所述第二拱形梁位于第二加熱器上，該加熱器將熱量加于第二拱形梁并在第二拱形梁位移時(shí)隨該梁位移。
在本發(fā)明的再一實(shí)施例中，所述相間隔的支承件位于加熱器上，其中，所述加熱器可隨上述可移動(dòng)的相間隔的支承件一道移動(dòng)。


圖1A是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第一實(shí)施例的平面圖；圖1B是沿圖1A中線1B-1B′的放大剖面圖；圖1C是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第二實(shí)施例的平面圖；圖2是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第三實(shí)施例的加熱器一側(cè)的第一視圖；圖3是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第四實(shí)施例的放大平面圖；圖4A是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第五實(shí)施例的連接器一側(cè)的放大平面圖；圖4B是圖4A所示的實(shí)施例的加熱器一側(cè)的放大平面圖；圖5是本發(fā)明可伸縮單元的放大平面圖；圖6是本發(fā)明包括三個(gè)可伸縮單元的可伸縮單元陣列的放大平面圖。
以下參照附圖更完全地說(shuō)明本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的最佳實(shí)施例。但是，可用不同的方式實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明并不局限于本文所述的實(shí)施例，相反，提供這些實(shí)施例是為了使得本公開(kāi)全面和完整并且將本發(fā)明的范圍完全地傳給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。在附圖中，為清楚起見(jiàn)，擴(kuò)大了層和區(qū)域的厚度。在所有的圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，當(dāng)諸如層、區(qū)域或基片之類的部件被稱為“位于另一部件上”時(shí)，它可直接位于另一部件上，或者存在有中間部件。相反，當(dāng)一個(gè)部件被稱為“直接位于另一部件上”時(shí)，就不存在有中間部件。
圖1A是本發(fā)明熱拱形梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第一實(shí)施例的放大圖。如圖1A所示，本發(fā)明的微電子機(jī)械啟動(dòng)器包括第一至第四相間隔的支承件102a-d，它們與微電子基片100相連。第一拱形梁110a在上述第一與第二相間隔的支承件102a-b之間延伸，第二拱形梁110b在上述第三與第四相間隔的支承件102c-d之間延伸。第一和第二拱形梁110a-b沿預(yù)定的方向104拱起，所述預(yù)定方向最好以平行于微電子基片100的方式延伸。拱形梁110還沿不與微電子基片100的平面平行的方向拱起。例如，拱形梁110可沿與微電子基片100的平面相垂直的方向拱起。
盡管圖1A示出了連在一對(duì)相應(yīng)的相間隔支承件102a-d之間的各個(gè)拱形梁110a-b，但拱形梁110a-d也可連在單對(duì)相間隔支承件102a-b之間。所述微電子基片可以是諸如玻璃、硅、其它半導(dǎo)體或其它材料之類的任何適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 在沒(méi)有熱啟動(dòng)的情況下，所述拱形梁沿預(yù)定方向104拱起。此外，所述拱形梁還可響應(yīng)加熱而沿上述預(yù)定方向進(jìn)一步拱起。拱形梁110位于加熱器120上，該加熱器對(duì)拱形梁110進(jìn)行加熱。另外，加熱器120也可位于拱形梁110上。在拱形梁110受熱而進(jìn)一步拱起時(shí)，該拱形梁就會(huì)位移。換句話說(shuō)，拱形梁110響應(yīng)加熱而沿所述預(yù)定方向進(jìn)一步位移。一旦撤去了熱啟動(dòng)，拱形梁就沿與預(yù)定方向104相反的方向位移，從而返回至初始的未被啟動(dòng)的拱形位置。
正如本文所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)位移包括拱形梁110的中間部分在位置上的改變。例如，在拱形梁110受熱時(shí)，拱形梁110的中間部分會(huì)相對(duì)拱形梁110的端部部分改變位置。位移還可包括拱形梁110的端部部分在位置上的改變。例如，在拱形梁110受熱時(shí)，該拱形梁的端部部分會(huì)在相對(duì)拱形梁110的中間部分位移時(shí)產(chǎn)生位移。
圖1B是圖1A中沿線1B-1B′的放大剖面圖。依照?qǐng)D1B，第一和第二拱形梁110a-b位于加熱器120上。加熱器120響應(yīng)第一和第二拱形梁110a-b所傳導(dǎo)的電流i對(duì)這些拱形梁進(jìn)行加熱。可通過(guò)將電壓加在位于第一至第四相間隔支承件102a-d上的相應(yīng)電觸點(diǎn)上而提供電流。也可用比全部拱形梁少的拱形梁來(lái)傳導(dǎo)所述電流。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，用兩個(gè)拱形梁來(lái)傳導(dǎo)電流，而其余的拱形梁則用于傳導(dǎo)其它信號(hào)。另外，可通過(guò)諸如本文所述的撓性線路(flexible tether)之類手段向加熱器120提供電流。
可通過(guò)將電壓V+和V-加在位于相間隔支承件102a-d上的電觸點(diǎn)而提供電流。具體地說(shuō)，可將電壓V+和V-加在102a和102c、102a和102d、102b和102c或102b和102d上。電流由加熱器120來(lái)傳導(dǎo)，其中，加熱器120對(duì)電流的電阻會(huì)使加熱器120生熱?？赏ㄟ^(guò)用諸如多晶硅之類的對(duì)流過(guò)其中的電流有電阻的材料來(lái)構(gòu)成加熱器從而控制加熱器120的電阻。還可通過(guò)將加熱器的形狀加工成能提高對(duì)電流的電阻形狀諸如通過(guò)使加熱器的一部分具有狹窄的形狀而控制加熱器120的電阻。
加熱器120加給第一和第二拱形梁110a-b的熱量會(huì)因這些梁的熱膨脹而導(dǎo)致進(jìn)一步的拱起。最好沿預(yù)定的方向104出現(xiàn)上述拱起，從而使第一和第二拱形梁110a-b位移。而且，在第一和第二拱形梁110a-b響應(yīng)加熱器120所加的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨這些拱形梁位移。第一和第二拱形梁110a-b可直接位于加熱器120上，或者可存在有諸如本文所述的連接器之類的其它中間部件。
本發(fā)明可提供改進(jìn)的瞬時(shí)熱響應(yīng)以及改進(jìn)的熱效率。具體地說(shuō)，所述加熱器位于拱形梁上并且在拱形梁位移時(shí)隨其位移。因此，可將熱量直接加于拱形梁，從而會(huì)減少加熱器與拱形梁之間的氣隙所導(dǎo)致的熱損失。而且，在拱形梁位移時(shí)使加熱器位移會(huì)通過(guò)減少拱形梁位移時(shí)加熱器與拱形梁之間的間隔而進(jìn)一步減少熱損失。
相反，諸如Wood所述之類的通常的微電子機(jī)械系統(tǒng)可使用位于微電子基片上的加熱器。因此，通常的系統(tǒng)包括位于微電子基片上的加熱器與加熱器所加熱的拱形梁之間的氣隙。因此，通常的系統(tǒng)會(huì)有因上述氣隙所導(dǎo)致的熱損失。此外，通常的系統(tǒng)還具有減少的瞬時(shí)熱響應(yīng)，因?yàn)?，微電子基片上的加熱器?huì)加熱所述氣隙和拱形梁，從而會(huì)增加加熱所述拱形梁所需的時(shí)間。所述氣隙會(huì)增加熱電阻從而減少熱通量。所述氣隙還能使系統(tǒng)的瞬時(shí)熱響應(yīng)變差。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)理解，可用通常稱之為“LIGA”的高縱橫比電鍍技術(shù)或其它微電子技術(shù)來(lái)制造拱形梁110?？捎冕尫艑雍蜐裎g刻或其它通常技術(shù)使拱形梁110與微電子基片相分離。如圖所示，拱形梁110固定在支承件102a和102b上，因此，拱形梁朝向預(yù)定運(yùn)動(dòng)方向104拱起。拱形梁最好由諸如通過(guò)響應(yīng)加熱而膨脹的能改變形狀的材料構(gòu)成。盡管可用隨溫度升高而收縮的具有負(fù)熱膨脹系數(shù)的材料來(lái)形成拱形梁，但拱形梁最好是用諸如鎳之類具有大的正熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成。因此，拱形梁最好由隨溫的升高而膨脹的材料構(gòu)成，所以，拱形梁在受熱時(shí)會(huì)進(jìn)一步拱起。熱拱形梁?jiǎn)?dòng)器的熱拱形梁和/或諸如固定器之類的其它組件可由諸如硅之類的單晶體材料構(gòu)成?？衫弥T如表面微加工之類的已有的微工程技術(shù)用諸如硅之類的單晶體材料來(lái)構(gòu)成拱形梁和固定器。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，熱拱形梁?jiǎn)?dòng)器的熱拱形梁、固定器和其它組件可由不同的材料構(gòu)成。
本發(fā)明的熱拱梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器就給定量的熱膨脹而言會(huì)產(chǎn)生大量的偏差。例如，長(zhǎng)度為1mm被加熱至20℃的鎳梁在長(zhǎng)度上會(huì)膨脹約0.25μm。這可能比某些微電子機(jī)械啟動(dòng)器應(yīng)用所需的位移少十倍。相反，當(dāng)將同樣的梁制成熱拱形梁時(shí)，同樣的加熱會(huì)導(dǎo)致2.5μm的位移?？赏ㄟ^(guò)諸如LIGA之類的高縱橫比制造技術(shù)將這種偏差限于所述裝置的平面內(nèi)。
圖1C是本發(fā)明熱拱梁微電子機(jī)械啟動(dòng)器的第二實(shí)施例的放大剖面圖。依照?qǐng)D1C，第一絕緣層140形成在加熱器120上。接觸孔形成在第一絕緣層140上，以便提供與加熱器120的電接觸。第一絕緣層140可例如由氮化硅制成。第二絕緣層(未示出)在與第一絕緣層140相反的位置處形成在加熱器120上。
第一和第二連接器部分130a-b可形成在第一絕緣層140上以及接觸孔內(nèi)，以便形成與加熱器120的相應(yīng)的第一和第二電接觸。第一拱形梁110a可與第一連接器部分130a相連，第二拱形梁110b可與第二連接器部分130b相連。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，第一和第二梁110a、b以及第一和第二連接器部分130a-b可以是同一層的一部分。例如，依照?qǐng)D1C，第一拱形梁110a和第一連接器部分130a可以是單一的組件。第二拱形梁110b和第二連接器部分130b也可以是單一的組件。另外，拱形梁110a-b可與連接器部分130a-b相分離。
第一連接器部分130a與第二連接器部分130b分離一定的間隙135。在一個(gè)實(shí)施例中，間隙135可消除第一和第二連接器部分130a-b之間的直流電流(除經(jīng)過(guò)加熱器120的電流以外)。所述連接器可按機(jī)械的方式加強(qiáng)第一與第二拱形梁之間的連接。間隙135使第一連接器部分130a電絕緣于第二連接器部分130b，因此，經(jīng)由拱形梁提供的電流會(huì)被傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)加熱器120。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，盡管圖1C所示的實(shí)施例說(shuō)明了第一與第二連接部分之間的間隙，但也可以使用沒(méi)有間隙的連接器，其中，第一與第二連接器部分例如通過(guò)間隙135內(nèi)的中間絕緣層彼此電絕緣。
在操作中，電流通過(guò)第一觸點(diǎn)從第一拱形梁110a經(jīng)由第一連接器部分130a流至加熱器120。屬于第二連接器130b的加熱器120部分通過(guò)第二觸點(diǎn)將電流傳導(dǎo)至第二拱形梁110b。加熱器120散發(fā)的熱量會(huì)使得加熱器120加熱第一和第二連接器部分130a、b以及第一和第二拱形梁110a-b。在將熱量加于拱形梁時(shí)，拱形梁會(huì)進(jìn)一步地拱起，這就會(huì)導(dǎo)致第一與第二連接器部分130a-b沿預(yù)定方向位移。而且，在拱形梁響應(yīng)加熱器120所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨這些拱形梁移動(dòng)。
圖2是本發(fā)明第三實(shí)施例的加熱器一側(cè)的圖。如圖2所示，U形加熱器120上設(shè)置有連接器130，它將第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′連到一起。加熱器120包括第一和第二電觸點(diǎn)215a-b。通過(guò)第一和第二電觸點(diǎn)215a-b將電流提供給加熱器120，這就使加熱器120產(chǎn)生通過(guò)連接器130施加給第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′的熱量。加熱第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′會(huì)使第一至第三拱形梁110a-c沿一預(yù)定方向105位移。在拱形梁110a-c、110a′-c′響應(yīng)加熱器120所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨拱形梁110a-c、110a′-c′移動(dòng)?？梢允褂没蚨嗷蛏俚墓靶瘟?。拱形梁110a-c、110a′-c′以及連接器130可以是獨(dú)立的單元，也可以是如以上參照?qǐng)D1c所述那樣是一個(gè)組合單元。
通過(guò)配置出多個(gè)拱形梁，可以獲得力的增加，因此能提供大的力和大位移的啟動(dòng)器。而且，連接器130可對(duì)整個(gè)啟動(dòng)器提供加固的效果。因此，可通過(guò)相連的拱形梁來(lái)提供較大的力。
加熱器120可配置成其它形狀。例如，加熱器120可在連接器130上加工成板狀形狀，因?yàn)榘鍫钚螤钤谛枰訜岬牟糠痔幱歇M窄的形狀，或者加熱器120可以為彎曲的形狀，以便將熱量分配給預(yù)定的部分。也可以使用其它形狀。
在與加熱器120上的電觸點(diǎn)215a-b電耦合的相應(yīng)第一和第二撓性線路(或撓性導(dǎo)體)上，經(jīng)過(guò)微電子基片100上的第一和第二電極210a-b將電流提供給加熱器120或由加熱器120提供電流。在操作中，可將電壓加到第一和第二電觸點(diǎn)210a-b上，以提供電流流過(guò)加熱器120。在拱形梁110a-c、110a′-c′和連接器130沿預(yù)定方向105位移時(shí)，撓性線路205a-b會(huì)保持第一和第二電觸點(diǎn)215a-b與第一和第二電極210a-b之間的電連接。
圖3是本發(fā)明第四實(shí)施例的放大平面圖。如圖3所示，第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′在第一和第二相間隔的支承件102a-b之間延伸并與它們相連。另外，第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′均可與一獨(dú)立的間隔支承件102相連。第一和第二相間隔的支承件102a-b包括第一對(duì)電極103a、b?？梢允褂没蚨嗷蛏俚墓靶瘟?。
第四和第五拱形梁110d-e、110d′-e′在第三和第四相間隔的支承件102c-d之間延伸并與它們相連。第四和第五拱梁110d-e、110d′-e′可與一共用支承件相連，如圖所示，或者每個(gè)梁均與一獨(dú)立的相間隔的支承件102相連。第三和第四相間隔的支承件102c-d包括第二對(duì)電極103c、d?？梢允褂没蚨嗷蛏俚墓靶瘟?。
第一連接器部分130a位于第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′上并包括一位于該部分內(nèi)的凹陷部305。第二連接器部分130b位于第四和第五拱形梁110d-e、110d′-e′上并包括一相對(duì)該部分延伸的延伸部310。延伸部310按非接觸的關(guān)系插進(jìn)凹陷部305。將延伸部310插進(jìn)凹陷部305可在第一至第五拱梁110a-e、110d′-e′之間提供改進(jìn)的堅(jiān)固性。
間隙135使第一連接器部分130a電絕緣于第二連接器部分130b，以使經(jīng)由拱形梁提供的電流會(huì)被傳導(dǎo)經(jīng)過(guò)加熱器120。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，盡管圖3所示的實(shí)施例說(shuō)明了第一與第二連接器部分之間有間隙，但也可以使用沒(méi)有間隙的連接器，其中第一與第二連接器部分例如通過(guò)間隙135內(nèi)的中間絕緣層彼此電絕緣。
在操作中，電壓可被加到第一和第二對(duì)電極上，從而使拱形梁110將電流傳導(dǎo)至加熱器120或者自加熱器120傳導(dǎo)電流。例如，可將第一電壓V+加于第三和第四相間隔的支承件102c-d上，并將第二電壓V-加于第一和第二相間隔的支承件102a-b上?？煞謩e通過(guò)第四和第五拱形梁110d-e和第一至第三拱形梁110a-c將最終的電流i傳導(dǎo)至加熱器120并自加熱器120傳導(dǎo)最終的電流i。另外，拱形梁可位于第一和第二連接器部分130a-b上，并可利用第一和第二連接器部分130a-b將電流提供給加熱器120并自加熱器120提供電流。
加熱器120所傳導(dǎo)的電流會(huì)使加熱器120加熱沿預(yù)定方向105位移的第一至第五拱形梁110a-e、110a′-e′。而且，在上述拱形梁響應(yīng)加熱器120所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨這些拱形梁位移。如圖3所示，可通過(guò)拱形梁及第一和第二連接器部分130a-b將電流提供給加熱器120并自加熱器120提供電流。另外，可通過(guò)比全部拱形梁110少的拱形梁或通過(guò)撓性線路將電流提供給加熱器120。
圖4A是本發(fā)明第五實(shí)施例的連接器一側(cè)的放大圖。如圖4A所示，與第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′相連的第一連接器部分405a包括多個(gè)相對(duì)該部分延伸的延伸部425。與第一至第三拱形梁110a-c相連的第二連接器部分405b包括多個(gè)位于該部分內(nèi)的凹陷部420。多個(gè)延伸部425按非接觸的關(guān)系插進(jìn)多個(gè)相應(yīng)的凹陷部420中，以限定其間的間隙135。將多個(gè)延伸部425插進(jìn)多個(gè)相應(yīng)的凹陷部420可在第一至第三拱梁110a-c、110a′-c′之間提供改進(jìn)的堅(jiān)固性。所述多個(gè)延伸部425和凹陷部420可包括諸如三角形、圓形或其它形狀之類的其它形狀。在又一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)拱形梁110a-c均與相應(yīng)的拱形梁110a′-c′相連，以在連接器405a、b上提供獨(dú)立的拱形梁。此外，所述拱形梁以及相應(yīng)的連接器可以是獨(dú)立的單元，也可以是如參照?qǐng)D1C所述那樣是一個(gè)組合單元。
圖4B是圖4A所示實(shí)施例的加熱器一側(cè)的放大圖。依照?qǐng)D4B，加熱器120位于第一和第二連接器部分405a-b上。加熱器120可如以上參照?qǐng)D2所述那樣呈U形形狀或配置成其它形狀。第一和第二電觸點(diǎn)430a-b將電流提供給加熱器120并自加熱器120提供電流。使電流經(jīng)過(guò)加熱器120會(huì)使得加熱器120加熱第一和第二連接器部分405a-b和第一至第三拱形梁110a-c、110a′-c′，從而使拱形梁沿預(yù)定方向105位移。拱形梁的膨脹會(huì)使拱形梁110a-c、110a′-c′沿預(yù)定方向105位移。在所述拱形梁響應(yīng)加熱器120所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨這些拱形梁移動(dòng)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二連接器部分405a-b絕緣于加熱器120。在操作中，可將電壓加在第一和第二電觸點(diǎn)430a-b上，從而使電流流過(guò)加熱器120。流過(guò)加熱器120的電流會(huì)使拱形梁110a-c、110a′-c′受熱并沿預(yù)定方向105位移。在所述拱形梁響應(yīng)加熱器120所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120會(huì)隨這些拱形梁移動(dòng)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二連接器部分405a-b并不絕緣于加熱器120。在操作中，可通過(guò)將一電位差加在第一和第二相間隔的支承件102a-b上而提供電流。
按照另一方面，本發(fā)明可提供熱啟動(dòng)的微電子機(jī)械啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)和可伸縮的陣列，從而以多維方式提供顯著量的位移。正如本發(fā)明中所使用的那樣，“可伸縮”是指能按陣列的方式互連從而能響應(yīng)熱啟動(dòng)而將其中各結(jié)構(gòu)或單元的位移組合起來(lái)的微電子機(jī)械啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)或單元。例如，如果單個(gè)單元響應(yīng)加熱而提供位移距離X，那么連在一起的單元陣列可提供位移距離2X。本發(fā)明的所有熱啟動(dòng)結(jié)構(gòu)和陣列實(shí)施例均可設(shè)置在微電子基片100上，最好設(shè)置在該基片的通常為平面的表面上。微電子基片100可是諸如玻璃、硅、其它半導(dǎo)體或其它材料之類的任何適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 圖5是本發(fā)明的可伸縮單元的放大平面圖。依照?qǐng)D5，第一連接器部分130a固定在微電子基片100上。第二連接器部分130b位于第一和第二拱形梁110a-b、110a′-b′上并與它們相連。所述第一和第二拱形梁沿第一預(yù)定方向530拱起。
第一和第二拱形梁110a-b與第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b相連并在它們之間延伸。第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b并不固定于微電子基片100上，并可沿第二預(yù)定方向525移動(dòng)。
第一和第二連接器部分130a-b位于第一加熱器120a上并在第一和第二拱形梁110a-b響應(yīng)第一加熱器120a的加熱而進(jìn)一步拱起時(shí)保持在第一加熱器120a上。當(dāng)?shù)谝缓偷诙靶瘟?10a-b沿第一預(yù)定方向530拱起時(shí)，第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b就沿第二預(yù)定方向525位移。具體地說(shuō)，第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b沿第二預(yù)定方向525位移，因?yàn)榈谝贿B接器部分130a被固定在微電子基片100上，而且第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b并不固定在微電子基片100上。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可移動(dòng)的相間隔的支承件502a-b位于相應(yīng)的加熱器510a-b上。加熱器510a-b可向拱形梁110提供額外的加熱。
橫梁505a與第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b相連并在它們之間延伸。在拱形梁位移時(shí)，橫梁505a可減少第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b沿第三預(yù)定方向520的運(yùn)動(dòng)。具體地說(shuō)，橫梁505a可以是熱膨脹系數(shù)小于與拱形梁相關(guān)的熱膨脹系數(shù)的材料。
橫梁505a可為互連的成對(duì)拱形梁110提供額外的機(jī)械穩(wěn)定性和可移動(dòng)的支承。橫梁502可比拱形梁110膨脹得少。所述橫梁最好比各熱啟動(dòng)微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)成對(duì)的熱拱形梁加熱得更少，以便節(jié)約能量并限制橫梁的膨脹。同樣，所述橫梁可限制拱形梁的相反端沿預(yù)定方向520的向外運(yùn)動(dòng)，以致于拱形梁的進(jìn)一步拱起會(huì)導(dǎo)致拱形梁的中部有明顯的位移。
第三和第四拱形梁110c-d與第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b相連并在它們之間延伸。第三和第四拱形梁110c-d沿第二預(yù)定方向525拱起。第三連接器部分130c位于第三和第四拱形梁110c-d上并與它們相連接。第二加熱器120b位于第三連接器部分103c上并在第三和第四拱形梁110c-d響應(yīng)第二加熱器120b的加熱而位移時(shí)隨這些拱形梁移動(dòng)。當(dāng)?shù)谌偷谒墓靶瘟?10c-d進(jìn)一步拱起時(shí)，第三和第四拱形梁110c-d會(huì)沿第二預(yù)定方向525位移。
在操作中，電流可經(jīng)過(guò)加熱器120以便對(duì)相應(yīng)的相連拱形梁進(jìn)行加熱，從而使拱形梁110沿相應(yīng)的預(yù)定方向位移。具體地說(shuō)，在加熱第一和第二拱形梁110a-b時(shí)，第一和第二相間隔的可移動(dòng)的支承件502a-b會(huì)沿第一預(yù)定方向525位移。在加熱第三和第四拱形梁110c-d時(shí)，第三連接器部分130c會(huì)沿第二預(yù)定方向525位移。依照?qǐng)D5，附加第一至第四拱形梁110a-d的相應(yīng)位移，以便提供有所增加的位移。
通過(guò)在與第一加熱器120a電連接的第一電極和與最后的加熱器120電連接的線路之間施加電壓，可以提供電流，從而使拱形梁將此電流傳導(dǎo)至相應(yīng)的加熱器，例如如圖6所示。
可伸縮單元可以連在一起，以便形成一可伸縮單元陣列?？缮炜s單元陣列可用于增加本文所述的熱啟動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)的位移。例如在1999年5月3日提交的題為“能夠多維可伸縮位移的微電子機(jī)械啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)和陣列”的US專利申請(qǐng)No.09/303,996中進(jìn)一步說(shuō)明了可伸縮單元陣列，其公開(kāi)全部在此引用作為參考。
因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供一種熱啟動(dòng)微電子機(jī)械陣列，它適于在與微電子基片限定的平面相平行的平面內(nèi)沿一維和/或兩維運(yùn)動(dòng)路線移動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)將本文所述的任何類型熱啟動(dòng)微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)中的至少兩種互連起來(lái)，最好是將同種類型的熱啟動(dòng)微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)中的至少兩個(gè)互連起來(lái)而形成所述熱啟動(dòng)微電子機(jī)械陣列。由于熱啟動(dòng)微電子機(jī)械陣列是可伸縮的，故可通過(guò)將這些結(jié)構(gòu)配置成陣列而提供較大量的位移。
每個(gè)熱啟動(dòng)微電子機(jī)械單元均包括一對(duì)拱形梁，它們?nèi)缜八鲆钥刹僮鞯姆绞皆谙喾炊诉B接起來(lái)。第一熱啟動(dòng)微電子機(jī)械單元諸如通過(guò)拱形梁中的一個(gè)的中間部分與至少一個(gè)固定器相連并相對(duì)該固定器延伸。所述陣列中的其余熱啟動(dòng)微電子機(jī)械單元?jiǎng)t與另一個(gè)固定器相連，以致于每個(gè)單元均以可操作的方式與第一熱啟動(dòng)微電子機(jī)械單元相連。同樣，所述多個(gè)微電子機(jī)械單元在與微電子基片相重疊的懸臂狀結(jié)構(gòu)中相對(duì)至少一個(gè)固定器延伸，以便提供所需要的位移。
圖6是本發(fā)明包括三個(gè)可伸縮單元的可伸縮單元陣列的放大平面圖。依照?qǐng)D6，一可伸縮單元陣列包括第一至第四加熱器120a-d，它在微電子基片100上的固定器600與微電子基片100上的電極605之間以電學(xué)的方式與第一至第六拱形梁110a-f相串聯(lián)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，可移動(dòng)的相間隔的支承件502可位于相應(yīng)的加熱器510上。加熱器510可對(duì)拱形梁提供額外的加熱。
在操作中，第一至第四加熱器120a-d所傳導(dǎo)的電流可使第一至第六拱形梁110a-f進(jìn)一步拱起，以使可伸縮單元陣列相對(duì)固定器600沿第一預(yù)定方向525位移。而且，在相應(yīng)的拱形梁響應(yīng)加熱器120a-d所提供的熱量而位移時(shí)，加熱器120a-d會(huì)隨相應(yīng)的拱形梁移動(dòng)。撓性線路205允許第四加熱器120d在保持與電極605電連接的同時(shí)進(jìn)行位移。
依照本發(fā)明，加熱器位于包括在熱啟動(dòng)微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)的拱形梁上。而且，在所述拱形梁因加熱而位移時(shí)，所述加熱器會(huì)保持在該拱形梁上。因此，本發(fā)明可提供改進(jìn)的瞬時(shí)熱響應(yīng)以及改進(jìn)的熱效率。具體地說(shuō)，所述加熱器位于拱形梁上并在拱形梁位移時(shí)隨之移動(dòng)?？蓪崃恐苯蛹釉诠靶瘟荷?，從而會(huì)減少因加熱器與拱形梁之間的間隙所導(dǎo)致的熱損失。而且，在拱形梁位移時(shí)使加熱器位移，還能通過(guò)減少拱形梁位移時(shí)加熱器與拱形梁之間的間隔而進(jìn)一步減少熱損失。
在附圖和說(shuō)明書(shū)中，業(yè)已公開(kāi)了本發(fā)明的典型最佳實(shí)施例，盡管使用了具體的術(shù)語(yǔ)，但是，僅僅是在一般和說(shuō)明性的意義上使用這些術(shù)語(yǔ)，而不是要進(jìn)行限制，所附權(quán)利要求書(shū)中說(shuō)明了本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，它包括位于一微電子基片(100)上的第一和第二相間隔的支承件(102a、102b)以及一拱形梁(110a)，該梁在上述第一和第二相間隔的支承件(102a、102b)之間延伸并在將熱量加載于該梁時(shí)進(jìn)一步拱起，從而使所說(shuō)的拱形梁(110a)產(chǎn)生位移，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)的特征在于一位于拱形梁(110a)上的加熱器(120)，該加熱器將熱量加載于拱形梁(110a)并在拱形梁(110a)位移時(shí)隨拱形梁(110a)位移。
2.如權(quán)利要求1的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一第二拱形梁(110b)，它在上述第一和第二相間隔的支承件之間延伸；以及一位于上述第一和第二拱形梁上的連接器(130)，其中，所述加熱器位于連接器(130)上并隨連接器(130)一道位移。
3.如權(quán)利要求2的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一位于加熱器上第一觸點(diǎn)(215a)，它將上述第一拱形梁與加熱器電連接起來(lái)；一位于加熱器上第二觸點(diǎn)(215b)，它將上述第二拱形梁與加熱器電連接起來(lái)，以便限定一從第一觸點(diǎn)(215a)經(jīng)由加熱器到第二觸點(diǎn)(215b)的導(dǎo)電通路。
4.如權(quán)利要求3的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述連接器的特征在于相間隔的第一和第二連接器部分(130a、130b)。
5.如權(quán)利要求3或4的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一第一固定器(210a)，它位于上述微電子基片上并與該基片相連；一第二固定器(210b)，它位于上述微電子基片上并與該基片相連；一第一撓性導(dǎo)體(205a)，它以可移動(dòng)的方式將第一固定器(210a)與第一觸點(diǎn)連接起來(lái)，以便限定一在上述第一固定器(210a)與第一觸點(diǎn)之間的第二導(dǎo)電通路；以及一第二撓性導(dǎo)體(205b)，它以可移動(dòng)的方式將第二固定器(210b)與第二觸點(diǎn)連接起來(lái)，以便限定一在上述第二固定器(210b)與第二觸點(diǎn)之間的第三導(dǎo)電通路。
6.一種微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，它包括一與微電子基片(100)相連的固定器(600)以及一對(duì)位于微電子基片(100)上的相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)的特征在于一橫肋梁(505a)，它在上述一對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)之間延伸；一沿一第一預(yù)定方向拱起的第一拱形梁(110a)，它在上述一對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)之間延伸并在將熱量加載其上時(shí)膨脹，從而使第一拱形梁(110a)相對(duì)上述一對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)沿所述第一預(yù)定方向產(chǎn)生位移；一位于第一拱形梁(110a)上并與固定件(600)相連的第一加熱器(120a)，它將熱量加載于第一拱形梁(110a)并在第一拱形梁(110a)位移時(shí)隨第一拱形梁(110a)位移；以及一沿一第二預(yù)定方向拱起的第二拱形梁(110b)，它在上述一對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)之間延伸并在將熱量加載其上時(shí)膨脹，從而使第二拱形梁(110b)相對(duì)上述一對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502a、502b)沿所述第二預(yù)定方向產(chǎn)生位移。
7.如權(quán)利要求6的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一位于所述第二拱形梁上的第二加熱器(120b)，它將熱量加載于第二拱形梁并在第二拱形梁位移時(shí)隨第二拱形梁位移。
8.如權(quán)利要求6或7的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)包括一干電池，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)還包括一與上述第一干電池相鄰的第二干電池，所述微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)的特征在于一第二對(duì)位于上述微電子基片上的相間隔的可移動(dòng)的支承件(502c,502d)；一沿上述第一預(yù)定方向拱起的第三拱形梁(110c)，它在上述第二對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502c、502d)之間延伸并在將熱量加載其上時(shí)膨脹，從而使第三拱形梁(110c)相對(duì)上述第二對(duì)相間隔的可移動(dòng)的支承件(502c、502d)沿所述第一預(yù)定方向產(chǎn)生位移，其中所述第二加熱器位于上述第三拱形梁(110c)上。
9.如權(quán)利要求6的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一位于上述第一加熱器上的連接器(130a)。
10.如權(quán)利要求8的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的特征在于一位于上述第二加熱器上的連接器(130b)。
全文摘要
改進(jìn)的結(jié)構(gòu),包括位于微電子基片上的相間隔的支承件以及一在該支承件間延伸并在將熱量加于其上時(shí)膨脹的梁,從而使該梁在支承件之間位移。位于該梁上的加熱器將熱量加于該梁并在其位移時(shí)隨其位移。故可將熱量直接加于拱形梁上,從而減少其與加熱器間的熱損失。此外,不需加熱加熱器與拱形梁之間的間隙,從而有改進(jìn)的瞬時(shí)熱響應(yīng)。而且,在拱形梁位移時(shí)使加熱器位移還能通過(guò)減少其間的間隔而進(jìn)一步減少熱損失和瞬時(shí)熱響應(yīng)。
文檔編號(hào)F03G7/06GK1319558SQ0111201
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月28日
發(fā)明者拉馬斯瓦米·馬哈德范, 愛(ài)德華·阿瑟·希爾, 羅伯特·L·伍德, 艾倫·布魯斯·考恩 申請(qǐng)人:克羅諾斯集成微系統(tǒng)公司