CN106460983A - 低刚度挠曲件 - Google Patents

Abstract

一种挠曲件，包括：连接到第一框架的第一支撑端；连接到第二框架的第二支撑端；和将第一支撑端与第二支撑端连接的弯折部分。挠曲件的长度显著大于其宽度，并且，挠曲件的宽度显著大于其厚度。在操作过程中，将挠曲件保持在弯折状态中，在该状态下，挠曲件的刚度明显小于未弯折状态中的刚度。在一个实现方式中，运动台包括连接第一框架和第二框架的挠曲件阵列，其中：第一框架和第二框架基本上在一个平面上；挠曲件阵列在由挠曲件阵列的挠曲件弯折之前基本上位于该平面上；并且，挠曲件阵列在由挠曲件弯折之后基本上弯曲离开该平面。

Description

低刚度挠曲件

技术领域

本公开大体上涉及挠曲件(flexure，挠性件)，更特别地，涉及可在致动器和运动台(motion stage，运动平台)(例如，用于微机电系统(MEMS)的运动台)中使用的低刚度挠曲件。

背景技术

在系统的一部分和另一部分之间存在运动的系统中使用挠曲件。为了产生运动，必须存在力。在一些情况中，此力来自于提供产生运动的受控力的致动器或电动机。在这种系统中，通常用挠曲件将系统的移动部分与系统的固定部分连接。必须将挠曲件设计为，使得其刚度足够低，以不会阻碍预期方向上的运动。特别地，为了减小致动器或电动机上的力需求，挠曲件在运动方向上的刚度必须尽可能低。

在低刚度挠曲件的设计过程中，通常将挠曲件的横截面设计为沿着弯曲方向尽可能小，并将长度制造得尽可能长。然而，在传统挠曲件的尺寸的设计上存在限制。在一些系统中，这些尺寸受制造极限的限制。例如，无法将冲压的金属挠曲件制造得过薄或过长而不影响处理和可制造性。在其他系统中，制造尽可能小的挠曲件的横截面的期望与其他系统要求冲突。例如，如果将挠曲件设计为带电，那么将挠曲件横截面制造得非常小会增加电阻，这会浪费电力，并且，如果足够的电流流过挠曲件，那么会导致故障。

发明内容

根据不同的实施例，公开了一种新的挠曲件，其包括连接到第一框架的第一支撑端、连接到第二框架的第二支撑端，和将第一支撑端与第二支撑端连接的弯折部分。在传统的挠曲件设计中，避免弯折，因为当受到高压应力时，其与结构件的突然故障(failure，失效)相关。此故障由于弯折导致刚度急剧减小而出现。然而，这里公开的挠曲件通过在没有故障的弯折状态中操作来利用此弯折效果，从而允许挠曲件的刚度比当在正常状态中操作时软几个数量级。

在所公开技术的一个实施例中，挠曲件包括第一直部、第二直部和将第一直部与第二直部连接的弯折部分。在此实施例的一个实现方式中，挠曲件由提供最佳机械特性(例如，改进的柔性)的多晶硅层和提供最佳电特性(例如，改进的导电性)的金属层组成。在此实施例的其他实现方式中，处于弯折状态中的挠曲件的刚度比处于未弯折状态中的挠曲件的刚度小至少一个数量级。

在所公开技术的另一实施例中，运动台包括挠曲件阵列，其包括多个连接第一框架和第二框架的挠曲件，其中，第一框架和第二框架基本上在一个平面上，挠曲件阵列在通过该多个挠曲件弯折之前基本上在该平面上，并且，在通过该多个挠曲件弯折之后，挠曲件阵列基本上弯曲离开该平面。在一个实施例中，运动限制器通过限制挠曲件阵列的运动来防止所弯折的多个挠曲件出现故障。

在所公开技术的另一实施例中，一种方法包括：提供长度显著大于其宽度和厚度的挠曲件；移动挠曲件，直到其弯折为止；并且，在正常操作过程中，将挠曲件保持在弯折状态中。在一个实施例中，该方法进一步包括，使用运动限制器来限制挠曲件的运动，以防止挠曲件在弯折状态中出现故障。

结合附图，从以下详细描述中，本公开的其他特征和方面将变得显而易见，这些附图通过实例示出了根据不同实施例的特征。本概要的目的并不是限制本发明的范围，该范围仅由附于其的权利要求书定义。

附图说明

参考以下附图详细地描述根据一个或多个不同实施例的所公开技术。仅为了说明的目的而提供这些图，并且，其仅描绘了所公开技术的典型实施例或实例实施例。提供这些图以便于用户理解所公开技术，且这些图不应认为是限制其广度、范围或适用性。应指出，为了清楚并简单地进行说明，这些图不用必须按比例绘制。

图1是根据所公开技术的挠曲件的一个实例实施例的平面图。

图2A是如所制造的图1的挠曲件的边视图。

图2B是处于弯折状态(buckled state)中的图1的挠曲件的边视图。

图3是根据所公开技术的挠曲件的一个实例实施例的力-位移图。

图4A是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图4B是如所制造的图4A的挠曲件的三维立体图。

图4C是处于弯折状态中的图4A的挠曲件的三维立体图。

图5是图4A的挠曲件的力-位移图。

图6是处于弯折状态中的图4A的挠曲件的偏压力-偏压轴向位移图。

图7是处于弯折状态中的图4A的挠曲件的切向力-切向位移图。

图8是使用根据所公开技术的挠曲件阵列的运动台的一个实例实施例的平面图。

图9是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图10是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图11是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图12是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图13是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图14是根据所公开技术的挠曲件的另一实例实施例的平面图。

图15是根据所公开技术的可变宽度挠曲件的一个实例实施例的平面图。

图16是示出了根据所公开技术的不同实施例的不同挠曲件设计的性能的标准化力-标准化位移图。

图17A是如根据所公开技术制造的偏移层挠曲件的一个实例实施例的顶平面图。

图17B是如所制造的图17A的偏移层挠曲件的底平面图。

图17C是处于弯折状态中的图17A的偏移层挠曲件的三维立体图。

图18A是如根据所公开技术制造的分裂根部挠曲件的一个实例实施例的平面图。

图18B是如所制造的图18A的分裂根部挠曲件的平面图。

图18C是处于弯折状态中的图18A的分裂根部挠曲件的三维立体图。

图19A是根据所公开技术的包括不同长度的层的挠曲件的一个实例实施例的平面图。

图19B是图19A的挠曲件的三维立体图。

图20是用于可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的梳状驱动致动器的梳状驱动器的平面图。

图21A示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的梳状驱动致动器的平面图。

图21B示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的梳状驱动致动器的平面图。

图22A示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的致动器的平面图。

图22B示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的致动器的剖视图。

图22C示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的致动器的平面图。

图22D示出了可使用根据所公开技术的实施例所公开的挠曲件的致动器的剖视图。

这些图的目的并不是无遗漏的或将本发明限制于所公开的精确形式。应理解，可通过修改和变化来实践本发明，并且，所公开技术仅由权利要求书及其等同内容限制。

具体实施方式

根据所公开技术的不同实施例，公开了新的挠曲件，其包括连接到第一框架的第一端、连接到第二框架的第二端，和将第一端与第二端连接的弯折部分(buckledsection)。所公开的挠曲件在弯折状态中无故障地操作，从而允许挠曲件的刚度比当在正常状态中操作时低几个数量级。挠曲件可在致动器和运动台(例如，用于微机电系统(MEMS)的运动台)中使用。在一个具体实施例中，可在使相机封装的图像传感器移动的MEMS致动器中实施该挠曲件。

在以下示出的不同实施例中，将挠曲件的弯折部分(即，柔性部分)设计为是柔性的，使得柔性部分沿着其弯曲方向的横截面(即，厚度和宽度)较小，而其长度相对较长。例如，在这些实施例中，柔性部分可以是10至30微米宽、1至3微米厚和500至800微米长。在一个具体实施例中，柔性部分是25微米宽、1.5微米厚和600微米长。另外，可将挠曲件设计为适应几何约束并将变形后的挠曲件的刚度和应力减到最小。

在这些实施例中，可通过用光刻法使其设计形成图案并蚀刻掉沉积在涂有氧化物的硅片上的多晶硅层，用MEMS技术来制造挠曲件。在其他实施例中，可用多种工艺来制造挠曲件，例如，冲压、蚀刻、激光切割、机加工、三维打印、水射流切割，等等。可用多种材料来形成挠曲件，例如，金属、塑料和多晶硅。在这些实现方式中，挠曲件可包括一层、两层或三层这些材料。在一个实施例中，挠曲件由多层多晶硅和金属形成，由此多晶硅层提供改进的柔性和可靠性，并且，金属层提供改进的导电性。在以下进一步描述的其他实施例中，挠曲件可具有可变宽度、分裂层、偏移层，或其一些组合，以实现预期特性，例如导电性和柔性。如本领域技术人员将理解的，可使用这些材料的其他组合来实现挠曲件的预期特性。

图1是根据一个实施例的示例性挠曲件100的平面图。如图所示，挠曲件100包括第一支撑端111、第二支撑端112，和将支撑端111与支撑端112连接的柔性部分113。如上所述，在不同实施例中，将柔性部分113设计为是柔性的，使得部分113沿着其弯曲方向的横截面(即，厚度和宽度)较小，而其长度相对较长。图2A至图2B示出了挠曲件100的边视图。图2A示出了在制造之后处于预弯折状态中的挠曲件100。图2B示出了处于弯折状态中的挠曲件100。在图2B所示的一个实施例中，在使支撑端112朝向支撑端111移动之后，挠曲件100过渡至弯折状态，从而导致柔性部分113向上或向下弯折。因为实例挠曲件100的厚度小于其宽度，所以挠曲件100如图2B所示地向上或向下弯折。在挠曲件的厚度大于其宽度的其他实施例中，柔性部分可斜着弯折。

图3是根据所公开技术的挠曲件的一个实例实施例的力-位移图。如图所示，存在预弯折区间(regime，期间)或状态，在该预弯折区间或状态中，计算为用力的变化除以位移的变化的挠曲件的刚度相对较高。一旦挠曲件弯折，挠曲件便进入后弯折区间，在该后弯折区间中，挠曲件的刚度急剧减小。通过在后弯折区间中操作，挠曲件的刚度急剧减小。因此，在所公开技术的不同实施例中，在与预弯折或制造范围(例如，如图2A所示)相反的后弯折区间(例如，如图2B所示)中操作挠曲件。为了防止挠曲件出现故障，在不同实施例中，可在包括挠曲件的系统(例如致动器)中包含限制挠曲件的运动的运动限制器。

图4A是根据所公开技术的另一实例挠曲件200的平面图。如图所示，挠曲件200包括第一支撑端211、第二支撑端212，和将第一支撑端211与第二支撑端212连接的柔性部分213。与挠曲件100相同，挠曲件200在径向方向上在支撑端211和212之间弯折，并在后弯折区间内具有低刚度。另外，挠曲件200的设计在与支撑端211和212相切的方向上提供低刚度。特别地，挠曲件200具有“V”形设计，其包括两个长且直的部分242、将直部242与支撑端211-212连接的弯曲部分241，和将直部242连接在一起的弯曲部分243。

在不同实施例中，将弯曲部分242-242的曲率、“V”的角度和直部242的长度设计为适应几何约束并将变形的挠曲件的刚度和应力减到最小。例如，在一个具体实施例中，“V”形的角度可以是35度，曲率半径241和243可以是50微米，直部242的长度可以是650微米，支撑端211和212之间的间隔可以是700微米。

图4B至图4C示出了挠曲件200的三维立体图。图4B示出了如所制造的挠曲件200。图4C示出了处于弯折状态中的挠曲件200。在一个实施例中，如图4C所示，在使支撑端212朝向支撑端211偏转之后，挠曲件200过渡至弯折状态，从而导致柔性部分213在三个维度上弯折。因为实例挠曲件200的厚度小于其宽度，且由于“V”形几何设计的原因，挠曲件200在三个维度上弯折。这确保弯折的挠曲件在支撑端211和212之间在径向和切向方向上(即，图4B至图4C中所示的x和y方向)都具有非常低的刚度。

图5是用有限元分析计算的挠曲件200的偏压力-偏压位移图。如图所示，存在移动支撑端212具有低轴向位移的预弯折区间，在该预弯折区间中，计算为用力的变化除以位移的变化的挠曲件200的刚度相对较高。零轴向位移和大约0.05mm轴向位移之间的此预弯折区间对应于图4B所示的形状。在挠曲件200弯折之后，挠曲件的刚度急剧减小。超过大约0.15mm轴向位移的该后弯折区间对应于图4C所示的形状。在此实施例中，预弯折和后弯折之间存在大约0.05mm和0.15mm轴向位移之间的逐渐过渡范围。通过在后弯折区间中操作，挠曲件的刚度急剧减小。如图5所示，在后弯折区间中，挠曲件的刚度可以比预弯折区间中小几个数量级。因此，在所公开技术的不同实施例中，在与预弯折或制造范围(例如，如图3B所示)相反的后弯折区间(例如，如图3C所示)中操作挠曲件。

图6是处于弯折状态中的挠曲件200的偏压力-偏压位移图。如图所示，通过使移动支撑端212朝向固定支撑端211移动300微米，使挠曲件200轴向地预变形。示出了与朝向偏压位置的轴向位移对应的力的变化。对偏压位置产生150微米的位移所需的力小于0.9微牛。在这些实施例中，偏压力与偏压位移的关系可以是非线性的和不对称的。然而，由于挠曲件在不同实施例中都比系统的刚度软，所以挠曲件200可能带给系统的非线性是可以忽略的。

如上所述，通过使移动支撑端213朝向固定支撑端212移动(例如300微米)，使挠曲件200轴向地预变形至偏压位置。然后，可测量并绘制对应于切向位移的切向力，如图7所示。如图所示，产生150微米的切向位移所需的力小于2.5微牛。该力在±0.12微米的范围内是线性的，并在此范围之外开始弯曲。然而，由于挠曲件在不同实施例中都是非常软的，所以挠曲件200可能带给系统的非线性是可以忽略的。在不同实施例中，图6和图7的图可用来设计整个挠曲件系统。

图8是使用根据所公开技术的挠曲件阵列的运动台的一个实例实施例的平面图。如图所示，运动台包括可移动平台311，其通过挠曲件阵列313连接到刚性杆或支撑端312。在此实施例中，对于挠曲件阵列313的每个挠曲件，第一支撑端是运动台的可移动平台311的一部分，第二支撑端直接连接到一个刚性杆312，并且，柔性部分将第一支撑端(可移动平台311)与第二支撑端(刚性杆312)连接。在图8所示的不同实施例中，可通过朝向彼此(例如，在所示y方向上)推动刚性杆312来实现二维运动中的低刚度，使得挠曲件阵列313在其整个运动范围中进入后弯折区间。在这些实施例中，挠曲件阵列313施加的力可在两侧上相抵，使得平台311上没有净力。

在不同实施例中，运动台和/或包括运动台的系统可包括限制可移动平台311(及相应地，挠曲件)的水平和垂直运动的运动限制器。例如，在图8中，系统包括限制在垂直y方向上的运动的运动限制器381，和限制在水平x方向上的运动的运动限制器382。如图所示，在刚性杆312中结合运动限制器381，从而防止挠曲件313的第一支撑端相对于第二支撑端的过度运动。运动限制器382防止可移动平台311相对于刚性杆或支撑端312的水平位移。因此，运动限制器381-382可防止挠曲件313的弯折部分由于在x-y平面中的过度位移而产生的故障。

在附加实施例中，挠曲件313可将电流从可移动平台311输送至刚性端312。在这些实施例中，挠曲件313可将电流输送至运动台的电子部件(例如图像传感器)。例如，电垫(electric pad，电焊盘)可接触可移动平台311的电子部件和刚性端312的电路板。在此实例中，每个挠曲件支撑端可接触相应的电垫。在这些实施例的实现方式中，挠曲件313可以低电阻输送电流，并设计为尽可能软，以避免在使运动台移动的电动机(未示出)上要求额外的力。

图9是根据所公开技术的挠曲件400的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件400包括第一支撑端411、第二支撑端412，和将支撑端411与支撑端412连接的柔性部分。挠曲件400具有“S”形设计，柔性部分包括长且直的直部442、将直部442与支撑端411-412连接的弯曲部分441，和将直部442彼此连接的弯曲部分443。在不同实施例中，将弯曲部分441和443的曲率、直部442之间的角度以及直部442的长度设计为适应几何约束并将变形的挠曲件的刚度和应力减到最小。

图10是根据所公开技术的挠曲件500的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件500包括第一支撑端511、第二支撑端512，和将支撑端511与支撑端512连接的柔性部分。挠曲件500具有蛇形(蜿蜒)设计，柔性部分包括长且直的直部542、将直部542与支撑端511-512连接的弯曲部分541，和将直部542彼此连接的弯曲部分543。在不同实施例中，将弯曲部分541和543的曲率、蛇形设计中的转弯数量和直部542的长度设计为适应几何约束并将变形的挠曲件的刚度和应力减到最小。

图11是根据所公开技术的挠曲件600的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件600包括第一支撑端611、第二支撑端612，和将支撑端611与支撑端612连接的柔性部分。挠曲件600具有“S”形设计，柔性部分包括长且直的直部642、将直部642与支撑端611-612连接的弯曲部分641，和将直部彼此连接的弯曲部分643。

图12是根据所公开技术的挠曲件700的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件700包括第一支撑端711、第二支撑端712，和将支撑端711与支撑端712连接的柔性部分。在挠曲件700中，支撑端711和712并不切向对准。挠曲件700具有蛇形设计，柔性部分包括长且直的垂直部分742，和将部分742彼此连接并与支撑端711-712连接的弯曲部分743。

图13是根据所公开技术的挠曲件800的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件800包括第一支撑端811、第二支撑端812，和将支撑端811与支撑端812连接的长且直的柔性部分842。在挠曲件800中，支撑端811和812并不切向对准。

图14是根据所公开技术的挠曲件900的另一实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件900包括第一支撑端911、第二支撑端912，和将支撑端911与支撑端912连接的柔性部分。在挠曲件900中，支撑端911和912并不切向对准。挠曲件900具有蛇形设计，柔性部分包括水平的、长且直的部分942，垂直的、长且直的部分944，将垂直部分944与水平部分942连接的弯曲部分941，将垂直部分944彼此连接的弯曲部分943，和将水平部分942彼此连接的弯曲部分945。

在不同实施例中，可通过计算挠曲件的水平和垂直直部的数量来概括挠曲件的形状。例如，假设(n,m)代表这样的设计，其中，n是垂直的或接近于垂直的直条纹，m是水平的或接近于水平的直条纹。在这种实现方式中，挠曲件400可表示为(0,3)，挠曲件500可表示为(0,5)，挠曲件600可表示为(3,0)，挠曲件700可表示为(5,0)，挠曲件800可表示为(1,1)，挠曲件900可表示为(2,6)。

图15是根据所公开技术的可变宽度挠曲件1000的一个实例实施例的平面图。如图所示，挠曲件1000包括第一支撑端1011、第二支撑端1012，和将支撑端1011与支撑端1012连接的柔性部分1013。挠曲件1000具有“V”形设计，柔性部分1013包括可变宽度的长且直的部分1042、将直部1042与支撑端1011-1012连接的弯曲部分1041，和将直部1042彼此连接的弯曲部分1043。在挠曲件1000中，直部1042具有可变宽度，在不同实施例中，可调节该可变宽度，以在挠曲件的设计中提供灵活性，从而调节挠曲件的刚度和其他物理特性，例如，挠曲件的电阻。应指出，本领域技术人员将理解，可在其他挠曲件(例如，图5至图14中所示的那些挠曲件)的设计中实现可变宽度，以调节上述物理特性(例如，电阻和刚度)。

图16是标准化力-标准化位移图，其示出了根据所公开技术的不同实施例的不同挠曲件设计的性能。如图所示，挠曲件在不同的后弯折操作范围内可具有正刚度或负刚度。

图17A至图17C示出了根据所公开技术的包括偏移层的挠曲件1100的一个实例实施例。图17A和图17B是制造之后的挠曲件1100的顶平面图和底平面图。图17C是处于弯折状态中的挠曲件1100的三维立体图。如图所示，挠曲件1100包括金属层1110、第三层1130，和金属层1110与第三层1130之间的多晶硅层1120。在这些实施例中，第三层可包括氧化硅或类似材料。在挠曲件1100中，金属层1110和多晶硅层1120与第三层1130偏移，从而当挠曲件1100进入图17C所示的弯折状态时，在挠曲件1100上提供减小应力的好处。

另外，挠曲件1100包括可变宽度柔性部分，其在挠曲件的根端(即，直接连接到支撑端1111和1112的弯曲部分)附近较窄，并在柔性部分的中心较宽。在此实施例中，支撑端1111和1112附近的较窄的宽度可减小处于弯折状态中的挠曲件1100的刚度。柔性部分的中心处的更大的宽度可提高挠曲件1100的电阻。

图18A至图18C示出了根据所公开技术的包括分裂根部(split root，切开的根部)的挠曲件1200的一个实例实施例。图18A和图18B是挠曲件1200的顶平面图和底平面图。图18C是处于弯折状态中的挠曲件1200的三维立体图。如图所示，挠曲件1200在直接连接到支撑端1211和1212的弯曲部分1250A-B处(即，靠近挠曲件的根端)包括金属1210和多晶硅1220的分裂根部。在这些实施例中，第三层1230和金属层1220也可以被分裂开。

图19A至图19B示出了根据所公开技术的包括不同长度的层的挠曲件1300的一个实例实施例。图19A是平面图，图19B是挠曲件1300的三维立体图。如图所示，挠曲件1300包括金属层1310和金属层1310上方的部分氧化硅层1320。在挠曲件1300中，仅有金属层1310覆盖挠曲件的整个长度，从而确保挠曲件1300的更低的应力和更低的刚度。相比之下，氧化硅层1320仅覆盖挠曲件的端部(支撑部分1311-1312和柔性部分的端部)，从而确保挠曲件在正确的方向上弯折。在这些实施例中，层1320可以是氧化硅或任何其他可提供使金属挠曲件1300向上弯曲至需要的方向的残余应力的材料。如本领域技术人员将理解的，可改变挠曲件的层的长度，以调节挠曲件的物理特性，例如，其刚度和电阻。

图20至图22示出了用于使光电装置移动的致动器，该光电装置可使用根据具体实施例在这里描述的挠曲件。图20示出了根据实施例可在梳状驱动致动器中实施的梳状驱动器10的平面图。梳状驱动器10可以是静电梳状驱动器。梳状驱动器10可包括梳齿式阵列15和16，其可用MEMS工艺在硅上制造，例如光刻和蚀刻。

如图所示，梳齿式阵列16包括梳齿11和将梳齿11彼此连接的脊部12。类似地，梳齿式阵列15包括梳齿13和将梳齿13彼此连接的脊部14。梳齿11和13可以是互相交叉的，使得梳齿11与梳齿11之间的间隔17基本上排成一行，并且，梳齿13与梳齿13之间的间隔18基本上排成一行。

当在梳齿11和梳齿13之间施加电压时，梳齿阵列16和梳齿阵列15通过与所施加的电压的平方成比例的静电力而彼此吸引或排斥。此静电力可导致梳齿阵列15和16朝向彼此或远离彼此移动，取决于静电力(或电压)的极性。另外，梳齿阵列15和16相对于彼此移动的速度可取决于所施加的静电力。通常，梳状驱动器10的设计是这样的，即使得可通过梳齿阵列15和梳齿阵列16之间的静电力将梳齿11和13拉入重叠状态或从该状态中推出。当梳齿阵列15和16重叠时，梳齿11至少部分地留在梳齿阵列15的空间17内，梳齿13至少部分地留在梳齿阵列16的空间18内。

可将梳齿宽度与深度的比例选择为，当使梳齿11和13重叠时避免梳齿11弯曲到梳齿13中。例如，梳齿11和/或13可以是大约6微米宽×大约150微米长。通常，梳齿11和/或13可以在大约1和10微米宽及大约20和500微米长之间。当通过静电力而进入重叠时，用对应梳齿13(或11)中的一个的宽度减去两个相邻梳齿11(或13)之间的距离，可设置梳齿11和13之间的总间隙。在一些情况中，可能希望此总间隙相对较小，以增加梳齿11和梳齿13之间的静电力。另外，还可能希望总间隙足够大，以处理从工艺变化产生的梳齿11和/或13的宽度的变化。例如，总间隙可以是大约5至10微米。

梳齿11和13的深度通常可以通过所使用的具体制造工艺，特别是该工艺的蚀刻纵横比来限制，这是因为通常可能希望梳齿11和13在顶部上的宽度与梳齿11和13在底部上的宽度基本上相同(图20中未示出梳齿11和13的深度方面，但是其将伸入该页或从该页伸出)。例如，梳齿11和13的深度可以是大约50至250微米。空间17和18可完全蚀刻掉，或可通过MEMS微加工领域中已知的其他方法去除。

图21A示出了根据本公开的实例实施例的梳状驱动致动器的平面图。如图21A所示，所示梳状驱动致动器包括梳齿阵列15和16(其一些细节——例如脊部12和14——在图20中示出，但是未在图21A中示出)、第一框架件21和第二框架件19。虽然未在图21A中详细地示出，但是梳齿11和13在梳齿阵列15和16中从左向右延伸，并反过来从右向左延伸。梳齿阵列15的脊部14可附接至第二框架件19，而梳齿阵列16的脊部12可附接至第一框架件21。这样构造，使得当梳齿阵列15和16彼此吸引或排斥使得发生运动时，同样地导致第一框架件21和第二框架件19运动(例如，在图21A中从左向右，或者反过来从右向左)。

图21B示出了根据本公开的实例实施例的梳状驱动致动器20的平面图。如图21B所示，梳状驱动致动器20的一个实施例包括一个或多个以基本上平行的方式布置的梳状驱动器10。在图21B的具体实施例中，具有九个所示梳状驱动器10，但是梳状驱动致动器20的不同实施例可包括任意数量、尺寸和形状的梳状驱动器10。梳状驱动致动器20进一步包括第一框架22、第二框架24和运动控制装置26。第一框架22示出为具有阶梯形状，以导致在梳状驱动致动器20的此具体实施例中示出的梳状驱动器10具有可变长度。然而，在其他实施例中(例如，其中，所有梳状驱动器10的长度是均匀的)，第一框架22的形状可改变，以附接至梳状驱动器10的端部。在所示实施例中，第一框架22的阶梯形状和梳状驱动器10的对应减小的长度允许减小致动器30的占用空间，如将在图22A中示出的。如本领域技术人员在阅读本公开时将理解的，梳状驱动器10的长度、形状、布置和结构的其他变化可用来实现受控力的不同程度、方向和/或精度、各种尺寸的占用空间，和其他特性。

虽然图21B中未示出每个梳状驱动器10的细节，但是在图21B的所示实施例中，脊部12连接到第一框架22，脊部14连接到第二框架24。图21A示出了一种可实现此效果的方式。在不同实施例中，梳齿阵列15和16的脊部12和14可以不同构造附接至第一框架22和第二框架24，以实现不同的目的。例如，在一个实施例中，对于一组梳状驱动器的每个梳状驱动器10来说，脊部12附接至第一框架22，而脊部14附接至第二框架24。这种结构产生梳状驱动器10的并行级联布置，其可增加最终施加至第一框架22和第二框架24的静电力。在另一实例实施例中，将梳状驱动器10以背靠背的方式布置，以实现双向运动。在此结构中，对于第一梳状驱动器10来说，脊部12与第一框架22连接，脊部14与第二框架24连接。然而，对于第二梳状驱动器10来说，脊部12与第二框架24连接，脊部14与第一框架22连接。这种结构导致梳状驱动器10的背靠背放置，其允许进行双向运动。

进一步地，关于梳状驱动致动器20，在各种情况中，可将梳状驱动脊部12和14及第一框架22和第二框架24设计为足够宽且深，以使得在所施加的静电力范围下是刚性的且基本上不弯曲的。例如，脊部12和14可以是大约20至100微米宽和大约50至250微米深，并且，第一框架22和第二框架24可以大于大约50微米宽和大约50至250微米深。

如上所述，梳状驱动致动器20的一个实施例还包括运动控制装置26，其将梳齿阵列15和16的运动限制为与梳齿11和13的长度(例如，在图21B中从左向右)基本上平行。在本公开的一个实例实现方式中，运动控制装置26是双平行挠曲件运动控制装置，例如在图21B中示出。双平行挠曲件运动控制装置可产生几乎线性的运动，但是可能稍微存在跳动(叫做弧形运动)。然而，梳齿11的一侧上的间隙可能不等于梳齿11的另一侧上的间隙，这在设计中可有利地用来校正双平行挠曲件运动控制装置的诸如弧形运动的效果。

再次参考图21B所示的梳状驱动致动器20的实施例，运动控制装置26是双平行挠曲件。然而，运动控制装置26可包括其他用来控制第一框架22和第二框架24的运动的结构。所示实施例中的每个运动控制装置26在运动控制装置26的相应端上包括更薄的部分25和27。当第一框架22相对于第二框架24平移时，更薄的部分25和27允许弯曲。在尺寸方面，运动控制装置26的更厚的部分可以是，例如，大约10至50微米宽，更薄的部分25和27可以是大约1至10微米宽。在不同实施例中，可根据需要使用任意数量和类型的运动控制装置26，以控制或限制梳齿阵列15和16的运动。受控运动可增强致动器30移动或定位平台45的整体精度。

图22A示出了根据本公开的实例实施例的致动器30的平面图。图22B示出了根据本公开的实例实施例的致动器30的剖视图。如图22A所示，致动器30包括外框架32，其通过一个或多个弹簧元件33连接到内框架34。而且，致动器30包括一个或多个梳状驱动致动器20，其在外框架32和内框架34之间施加受控力(例如，通过电压产生的静电力)。致动器30的实施例适合于使具有电连接的平台(例如45)移动，因为致动器30使得能够在多个自由度中(例如包括线性的和旋转的)在内框架34和外框架32之间施加精确的、受控的和可变的力，并且可用非常紧凑的占用空间来实施致动器30。而且，致动器30可利用MEMS装置以减小能耗。因此，相比于传统解决方案，致动器30对例如在智能手机和这里描述的其他应用中受尺寸、能耗、成本和性能参数约束的光学图像稳定和自动聚焦应用可提供多个好处。

如参考图21B说明的，每个梳状驱动致动器20包括一个或多个梳状驱动器10。弹簧元件33可以是导电的，并且，在所有运动自由度中都可以是软的。在不同实施例中，弹簧元件33将电信号从外框架32上的电触垫发送至内框架34上的电触垫。在实例实现方式中，弹簧元件33在一个方向上、两个方向上、三个方向上，或在所有四个方向上从内框架34伸出。

在一个实施例中，用MEMS工艺制造致动器30，例如，硅的光刻和蚀刻。在一个实施例中，致动器30在平面中移动+/-150微米，将弹簧元件33设计为容许此运动范围而不接触彼此(例如，使得可在不同的弹簧元件33上发送独立的电信号)。例如，弹簧元件33可以是S形挠曲件，其尺寸范围是厚度从大约1至5微米，宽度大约2至20微米，且在平面中是大约150至1000微米×大约150至1000微米。

为了使弹簧元件33以低电阻非常好地导电，弹簧元件33可包含，例如，重度掺杂的多晶硅、硅、金属(例如铝)，其组合物，或其他导电材料、合金，等等。例如，弹簧元件33可由多晶硅制成并涂有大约2000埃厚的铝、镍和金的金属叠层。在一个实施例中，一些弹簧元件33设计为与其他弹簧元件33不同，以控制外框架32和内框架34之间的运动。例如，四至八个(或一些其他数量)弹簧元件33可具有大约50和250微米之间的装置厚度。这种厚度可稍微限制外框架32相对于内框架34的出平面运动。

在另一实施例中，致动器30包括中心锚固件36，该一个或多个梳状驱动器20在内框架34和中心锚固件36之间施加受控力。在此实施例中，第一框架22与中心锚固件36的主要部分连接，或是中心锚固件36的主要部分。一个或多个梳状驱动致动器20可以其他方式附接至中心锚固件36，并且，中心锚固件36可相对于外框架32机械地固定。在一种情况中，第二框架24通过挠曲件35连接到内框架34，挠曲件在相应的梳状驱动致动器运动方向上相对较硬，在正交方向上相对较软。这可允许内框架34相对于外框架32进行受控运动，从而更精确地定位。

在致动器30的一些实现方式中，外框架32在致动器30的边界周围不是连续的，而是分成两件、三件或更多件。例如，图22C和图22D示出了根据本公开的实例实施例的致动器30的平面图和剖视图，其中，将外框架32分成两个部分，并且，弹簧元件33仅在两个方向上伸出。类似地，在不同实施例中，内框架34可以是连续的，或者可分成多个部分。

如图22A所示，可能总共有四个梳状驱动器10，两个梳状驱动器10在致动器30的平面中的一个方向上致动，另两个梳状驱动器10在致动器30的平面中的正交方向上致动。各种其他梳状驱动致动器20布置是可能的。这种布置可包括或多或少的梳状驱动器10，并可在或多或少的自由度中(例如，在三角形、五角形、六角形形式中，等等)致动，如本领域技术人员在阅读本公开时将理解的。

在一个实施例中，平台45附接至外框架32并附接至中心锚固件36。以此方式，平台45可相对于中心锚固件36固定外框架32(和/或反之亦然)。然后，内框架34可相对于外框架32和中心锚固件36移动，也相对于平台45移动。在一个实施例中，平台45是硅平台。在不同实施例中，平台45是光电装置，或图像传感器，例如电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。

图22B示出致动器30的尺寸可与平台45的尺寸基本上相同，并且，平台45可附接至外框架32和中心锚固件36，从而相对于外框架32机械地固定中心锚固件36。在一个实例实现方式中，平台45是Omni Vision公司的具有1/3.2”的光学格式的OV8835图像传感器。在此实现方式中，致动器30和平台45的尺寸可等于大约6.41mm×5.94mm。如图22D所示，在致动器30的一个实施例中，平台45比致动器30小，并且，平台45附接至内框架34。在此具体实施例中，外框架32相对于内框架34固定，并且，用不同的梳状驱动致动器20移动内框架34。

虽然以上已经描述了本发明的不同实施例，但是应理解，其仅通过实例呈现出，并非用于限制。同样地，不同的图表可描绘本发明的实例结构或其他构造，其用来帮助理解可包含在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示实例结构或构造，而是可用多种替代结构和构造来实现预期特征。实际上，对于本领域技术人员来说，如何实现替代的功能、逻辑或物理分割和构造以实现本发明的预期特征是显而易见的。而且，可对各部分应用除了这里描述的那些以外的多种不同的组成模块名称。另外，关于所要求保护的流程图，操作描述和方法，这里提出的步骤的顺序不应使不同实施例强制实现为以相同顺序执行所述功能，除非上下文以其他方式指示。

虽然以上在不同的代表性实施例和实现方式方面描述了本发明，但是应理解，在各个实施例中的一个或多个中描述的各种特征、方面和功能，其适用性不限于通过其进行描述的具体实施例，而是可单独或以各种组合应用于本发明的其他实施例中的一个或多个，不管这种实施例是否描述过，也不管这种特征是否提出作为所述实施例的一部分。因此，本发明的广度和范围不应由任何上述代表性实施例限制。

在本文献中使用的术语和短语，及其变化，除非以其他方式明确说明，否则应解释为开放的，而不是限制性的。和以上实例一样：术语“包括”应当作表示“包括，但不限于”等等；术语“实例”用来提供所讨论的物品的代表性例证，不是其穷尽的或限制性的列表；术语“一”或“一个”应当作表示“至少一个”、“一个或多个”等等；诸如“传统的”、“惯例的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”的形容词和类似含义的术语不应解释为，将所述物品限制于设定的时期或限制于设定时间可用的物品，而是应当作包含传统的、惯例的、正常的或标准的、现在或未来任何时间可能可用的或已知的技术。同样地，在本文献提到对于本领域普通技术人员来说将显而易见或已知的技术的地方，这种技术包含对于技术人员来说现在或未来任何时间显而易见或已知的那些技术。

在一些情况中存在扩展词语和短语(例如，“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语)不应当作表示，在可能不存在这种扩展短语的情况中希望或需要更窄的情况。术语“模块”的使用并不意味着所述或所要求作为模块的一部分保护的部件或功能均构造在共同的封装中。实际上，模块的任何或所有各种部件(不管是控制逻辑还是其他部件)都可组合在单个封装中，或分别保持，并可进一步分配在多个组合或封装中，或分配在多个位置。

另外，在代表性框图、流程图和其他图示方面描述了这里阐述的各种实施例。如对于本领域普通技术人员来说在阅读本文献之后将显而易见的，所示实施例及其各种替代方式可不限于所示实例而实现。例如，框图及其相关描述不应解释为强制要求使用特定结构或构造。

Claims (22)

1.一种挠曲件，包括：

第一支撑端，连接到第一框架；

第二支撑端，连接到第二框架；以及

弯折部分，将所述第一支撑端与所述第二支撑端连接；

其中，所述挠曲件的长度显著大于所述挠曲件的宽度，并且其中，所述挠曲件的厚度显著小于所述挠曲件的宽度。

2.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件包括多晶硅层。

3.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件包括金属层且是导电的。

4.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，将所述第一支撑端与所述第二支撑端连接的所述弯折部分具有不均匀的宽度。

5.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件在未弯折状态中包括：

第一直部；

第二直部；以及

弯曲部分，将所述第一直部与所述第二直部连接。

6.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件在弯折状态中的刚度比所述挠曲件在未弯折状态中的刚度小至少一个数量级。

7.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件在弯折状态中的刚度是正的。

8.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述挠曲件在弯折状态中的刚度是负的。

9.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述弯折部分在所述第一支撑端和所述第二支撑端之间在径向方向上弯折，并且其中，所述弯折部分在与所述第一支撑端和所述第二支撑端相切的方向上弯折。

10.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述弯折部分是蛇形的。

11.根据权利要求1所述的挠曲件，其中，所述第一支撑端和所述第二支撑端并不切向对准。

12.根据权利要求2所述的挠曲件，其中，所述挠曲件进一步包括导电的金属层，并且其中，所述金属层和所述多晶硅层偏移。

13.根据权利要求2所述的挠曲件，其中，所述挠曲件进一步包括导电的金属层，并且其中，所述金属层和所述多晶硅层在所述弯折部分的至少一部分上被分裂开。

14.根据权利要求3所述的挠曲件，进一步包括氧化硅层，其中，所述金属层覆盖所述挠曲件的整个长度，并且其中，所述氧化硅层覆盖所述第一支撑端、所述第二支撑端和所述弯折部分的仅连接到所述第一支撑端和所述第二支撑端的端部。

15.一种包括挠曲件阵列的平台，所述挠曲件阵列包括多个连接第一框架和第二框架的挠曲件，其中：

所述第一框架和所述第二框架基本上在一个平面上；

所述挠曲件阵列在通过所述多个挠曲件弯折之前基本上位于所述平面上；

并且，所述挠曲件阵列在通过所述多个挠曲件弯折之后基本上弯曲离开所述平面。

16.根据权利要求15所述的平台，其中，所述多个挠曲件中的每个挠曲件的长度都显著大于各自的宽度。

17.根据权利要求15所述的平台，其中，所述多个挠曲件中的每个挠曲件都是导电的。

18.根据权利要求15所述的平台，其中，所述挠曲件阵列在至少一个自由度中具有低的刚度。

19.根据权利要求15所述的平台，其中，所述多个挠曲件中的每个挠曲件都包含至少两层材料，并且其中，至少一层材料是金属。

20.根据权利要求15所述的平台，进一步包括运动限制器，所述运动限制器构造为通过限制所述挠曲件阵列的运动来防止弯折的所述多个挠曲件出现故障。

21.一种方法，包括：

提供长度显著大于宽度和厚度的挠曲件；

移动所述挠曲件，直到所述挠曲件弯折为止；并且

将所述挠曲件保持在弯折状态中。

22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括利用运动限制器来限制所述挠曲件的运动，以防止所述挠曲件在弯折状态中出现故障。