CN108602663B - Mems致动器组结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一个以六个自由度移动平台的封装。该平台可以包括安装在其上的光电子装置。封装包括可以是MEMS致动器的平面内致动器和可以由压电元件形成的平面外致动器。平面内MEMS致动器可以安装在平面外致动器上，平面外致动器安装在PCB中的凹陷中。平面内MEMS致动器包括多个梳状结构，其中相对的梳状物的指状物彼此重叠，即延伸经过彼此的端部。平面外致动器包括中心部分和连接到中心部分的多个环绕台。平面内MEMS致动器联接到Z平面外驱动器，以向有效负载提供三个自由度，该有效负载可以是包括在封装中的光电子装置。

Description

MEMS致动器组结构
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2016年2月1日递交的、名称为“MEMS致动器组结构”、顺序No.15/012,682的美国实用新型专利申请的权益，该专利申请要求于2015年11月5日递交的、名称为“MEMS致动器结构”、顺序No.62/251,538，的美国临时申请的权益。每个申请的内容通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
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
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。
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。
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.EP 0253375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。
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。
发明内容
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述可以最好地理解本发明。需要强调的是，根据惯例，绘图的各种特征不一定是按比例绘制的。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以任意扩大或缩小。贯穿说明书和附图，相似的附图标记表示相似的特征。
图1是根据本发明的各种实施方式的无盖的封装的透视图。
图2A是根据本发明的各种实施方式的具有光电子装置的平面内致动器的平面图。
图2B是根据本发明的各种实施方式的具有光电子装置的平面内致动器的透视图。
图3是根据本发明的各种实施方式的平面内致动器的顶视图。
图4是根据本发明的各种实施方式的梳状驱动区的顶视图。
图5是根据本发明的各种实施方式的梳对的平面图。
图6是根据本发明的各种实施方式的梳对的指状物的平面图。
图7A是根据本发明的各种实施方式的平面内致动器和平面外致动器的组合的2D顶视图。
图7B是根据本发明的各种实施方式的诸如图7A中所示的平面内致动器和平面外致动器的组合的后透视图。
图8示出了根据本发明的各种实施方式的平面外致动器。
图9A是根据本发明的各种实施方式的双致动器封装的截面图。
图9B是根据本发明的各种实施方式的双致动器封装的放大截面图。
图10是根据本发明的各种实施方式的具有平面内致动器的变形的平面外Z致动器的截面图。
图11A和11B分别示出了根据本发明的各种实施方式的压电致动器的致动梁的截面图和顶视图。
图12是根据本发明的各种实施方式的用于在平面内自由度和平面外自由度上组装包括平台的封装的流程图。
提供附图仅用于说明的目的，并且仅描绘本发明的典型或示例性实施方式。附图在下文的具体实施方式和示例中更详细地描述，以便于读者理解所公开的技术，并且不旨在穷举或将本发明限制到所公开的精确形式。应该理解的是，本发明可以在修改或变型的情况下实施，并且这些修改和变型由一个或多个权利要求覆盖，并且本发明可以仅由权利要求及其等同物限制。为了清楚和易于说明，这些附图不一定按比例绘制。
具体实施方式
本发明涉及用于移动(即致动)具有电连接的平台并且包括其封装的系统、方法和设备的各种实施方式。在下面的描述中阐述了本发明的系统、方法和设备的一些示例性实施方式的细节。本领域技术人员在阅读本说明书、附图、实施方式和权利要求书后将清楚本发明的其他特征、目的和优点。旨在将所有这些附加系统、方法、设备、特征和优点等(包括对其的修改)包括在本说明书内、落在本发明的范围内，并且由一个或多个所附权利要求保护。
根据本文进一步描述的实施方式，致动器(包括其封装)可用于一系列不同的装置和环境中，例如在便携式电子装置、微型照相机、光通信组件和医疗仪器中。致动器用于将光电子装置定位在其环境中。所公开的致动器的特征通常允许在这些各种环境内以高的精确性在多个自由度移动或定位平台，同时实现低功耗并且具有最小的空间损失、高度紧凑。
现在参考附图，图1示出了根据本发明的各种实施方式的没有盖的示出的封装10的3D透视图。封装10包括陶瓷或常规电路板12、接触垫14、驱动器11、电子组件13、柔性电路20、连接器21、包括平面内MEMS驱动器的平面内驱动器封装15、光电子装置154，平面外致动器160，其布置在平面内致动器下方。在一些实施方式中，电路板12可以是印刷电路板PCB。在各种实施方式中，光电子装置154可以是图像传感器、透镜或显示器或其他装置。电子组件13可以表示各种电子或半导体组件和装置中的任何一种。柔性电路20可以是柔性电路板或其他柔性电路，并且连接器21提供封装10的组件与外界之间的连接。
在各种实施方式中，两个致动器被紧凑地封装在电路板的凹槽内，以确保最小的空间损失。在各种实施方式中，电路板12中的开口或凹部可具有各种深度，并且在一些实施方式中，使用环氧树脂将致动器接合至电路板12。在一些实施方式中，所描述的组件可使用各种环氧树脂和其他粘合剂接合至电路板的上表面。在MEMS致动器(即平面内MEMS致动器150)的外框架上存在接触垫，并且在电路板12上也存在接触垫。电路板上的接触垫14可以对应于MEMS平面内致动器封装15上的垫。平面内致动器封装15可以是静电梳状驱动致动器，这将在下面描述，并且平面外致动器160可以是压电致动器，但是在其他实施方式中可以使用其他类型的致动器和其他致动器布置。两个致动器可以组装在封装10中。在一些实施方式中，使用MEMS处理操作同时制造平面外致动器160和平面内致动器封装15，即使用相同的处理操作顺序，在长期开发中节约成本。示出的实施方式示出了两个致动器-平面内致动器封装15和平面外致动器160，但是在其他实施方式中，可以使用额外数量的致动器，并且其他组件可以包括在组装封装中的各个位置处。
如图2A所示，平面内致动器封装15包括附接的光电子装置154和平面内MEMS致动器150。平面内MEMS致动器150包括外框架151、弯曲电连接件152、用于附连有效载荷的平台153、附接的光电子装置154和致动区(梳状驱动区155，其将在图3中示出)。光电子装置154通过胶水或各种其他粘合剂或其他材料和粘合方法(例如共晶接合)固定到平面内MEMS致动器150的平台153。可以使用各种胶水和环氧树脂。在其他实施方式中，其他装置可以被致动并且接合到平面内MEMS致动器150的平台153。
如图所示，如图2B所示，平面内MEMS致动器150的弯曲(即柔性)电连接件152被弯曲并折回，以实现所需的灵活性。在所示实施方式中，柔性电连接件152具有附接到平台153(移动部分)的一端，和附接到外框架151(固定部分)的另一端。柔性电连接件152是在平面之上延伸的导电线，即平面内MEMS致动器150的上表面，并导电地接合平面内MEMS致动器150的横向分离的组件。柔性电连接件152将来自光电子装置154和平面内MEMS致动器150的致动区域的电信号发送到外部电路板12。外框架151可以使用环氧树脂或各种其他合适的材料或装置固定到电路板12(在图1中示出)。
图3是根据本发明的各种实施方式的平面内致动器的顶视图。图3示出了平面内MEMS致动器150的更多细节。外框架151包括四个杆151a，其被图示为间隔开以示出细节，但是在各种实施方式中，杆151a被闩锁或以其他方式接合在一起，以成为外框架151，例如图2所示的。在其他实施方式中，杆151a不接合在一起。在外框架151上，存在多个接触垫156，其连接到柔性电连接件152的一端。平台153包括多个接触垫157，其也连接到柔性电连接件152的另一端。光电子装置154上的接触垫(图3中未示出)可以通过传统的COB方法、导电环氧树脂、银膏或MEMS接合方法接合到对应的焊盘157，但是在其他实施方式中使用其他合适的接合方法。
如图3所示，梳状驱动区155是设置在平台153内的致动区。梳状驱动区155设置在同一平面内并且被平台153侧向围绕。平面内MEMS致动器150包括多个梳状驱动区155。每个梳状驱动区155包括移动部分和固定部分，并联接到悬臂1552，悬臂1552进一步连接到平台153。在图3中示出的平台153内部有四个梳状驱动区155，但在其他实施方式中，使用其它数量的梳状驱动区。在所示实施方式中，梳状驱动区155规律地定位在平面内MEMS致动器150的中心周围。梳状驱动传感器的形状可有利地为矩形。在其他实施方式中可以使用其他布置和形状。用于说明目的而提供图3中所示的柔性电连接件152的弯曲形状并提供样本形状，但是在其他实施方式中，使用各种其他形状的电连接件152。如图3所示，每个梳状驱动区155连接到一个长的悬臂1552，以通过悬臂1552将梳状指状物运动的运动转化为平台移动。悬臂1552的一端附接到平台153，另一端附接到梳状驱动区155以将梳状驱动区155的运动转化为光电子装置所接合到的平台153。在各种实施方式中，存在相应数量的悬臂1552和梳状驱动区155。因此，悬臂1552可以被称为运动传递的悬臂1552。
图4示出了根据本发明的各种实施方式的梳状驱动区155的多个方面的顶视图。每个梳状驱动区155包括布置在梳状驱动器外侧的运动控制悬臂1551、移动框架1554、移动脊部1553、固定脊部1557、固定框架1556(其可以在组装时固定到电路板)、和一端连接到移动框架1554、另一端连接到移动平台153的长的运动传递的悬臂1552。梳状驱动区155包括固定构件和可移动构件，该固定构件包括固定框架1556与固定框架1556正交的多个固定脊部1557，可移动构件包括可移动框架1554和与可移动框架1554正交的多个可移动脊部1553。悬臂1552在一个平移和旋转自由度上更灵活，但在其他自由度上非常刚性的，以确保悬臂1552可以隔离不同的运动模式，即沿期望的方向移动以防止X和Y之间的任何干涉。两者移动脊部1553和固定脊部1557具有多个附接的指状物以实现所需的运动，如图5和6所示。各种数量的指状物可以与移动脊部1553和固定脊部1557中的每一个相关联，即，联接。在各种实施方式中，每个梳状驱动区155包括分别放置在梳状驱动区155的两侧的两个运动控制悬臂1551。在各种实施方式中，每个悬臂1551的一端附接到移动框架1554并且另一端附接到固定框架1556。这种布置有利地使得梳齿以最小的弓形运动沿平行方向移动。
图5示出了根据本发明的各种实施方式的梳状驱动区155的梳状物对的平面图。梳状驱动区的每个梳齿对包括两排移动指状物和两排固定指状物。如图5所示，固定脊部1557附接到一侧的一排第一指状物15571和另一侧的一排第二指状物15572。第一指状物15571和第二指状物15572是固定的指状物。移动脊部1553具有一排第三指状物15573，以与一排固定第一指状物15571和一排第四指状物15574配对，以与一排第二固定指状物15572配对。第三指状物15573和第四指状物15574是可移动指状物。第一指状物15571、第二指状物15572、第三指状物15573和第四指状物15574或者至少第一指状物15571、第二指状物15572、第三指状物15573和第四指状物15574的中心轴线全部彼此平行，并且大体上正交于它们所联接到的相应的脊部，但是其他布置和各种角度被用于其他实施方式。在一些实施方式中，指状物在其整个长度上具有相同的宽度，并且在一些实施方式中，指状物是锥形的。根据一些布置，当施加电信号时，第三指状物15573的每个指状物在+X方向上平行移动；并且当施加电信号时，第四指状物15574的每个指状物平行于-X方向移动。
第一指状物15571、第二指状物15572、第三指状物15573和第四指状物15574可以可替选地被称为梳状结构的齿。
图6示出了根据本发明的一些实施方式的指状物对的平面图。固定脊部1557平行于可移动脊部1553。该对第二指状物15572和第四指状物15574在重叠区域15575中重叠了距离15576，在一些实施方式中，该距离15576可以是约10-50微米，但是在其他实施方式中可以使用其他距离。如图所示，重叠区域15575表示第二指状物15572的端部延伸超过第四指状物15574的端部的距离15576。第二指状物15572和第四指状物15574处于同一平面内。第二指状物15572的端部和第四指状物15574的端部形成重叠区域15575，其中第二指状物15572的相邻端部插入在相邻端部第四指状物15574之间。重叠区域15575包括第二指状物15572和第四指状物15574，所述第二指状物15572和第四指状物15574布置成使得它们各自的端部以交替的顺序布置。在一些实施方式中，指状物是锥形的，使得它们的尖端比指状物接合到移动脊部1553或固定脊部1557的位置更窄。可以使用不同程度的锥形。当电压或电荷斜升时，由重叠区域15575提供的指状物的重叠确保了足够的初始致动力，因此，致动器可以在行程对电压的曲线图上没有突跳地逐渐移动。指状物高度可以由MEMS制造过程的各个方面和各种设计方面来确定。在各种实施方式中使用各种指状物长度15579、指状物间隙重叠区域15575距离15576、指状物间隙(相邻指状物之间的空间)、以及指状物锥角，并且其可以通过各种设计因素、应用考虑和可制造性考虑来确定。指状物长度15579、指状物间隙重叠区域15575距离15576、指状物间隙(相邻指状物之间的间隙)和指状物锥角被优化，以实现在受限电压范围内的所需行程。在一些实施方式中，附接到相应脊部(诸如附接到移动脊部1553的第四指状物15574)的每个指状物具有相同长度15579，并且平行布置在一起形成矩形形状。
图7A和7B分别示出了根据本发明的各种实施方式的平面内致动器和平面外致动器的组合的实施方式的顶视图和仰视图。平面内MEMS致动器150和平面外致动器160一起附接在面内MEMS致动器150的梳状驱动区155的中心以及平面内MEMS致动器150的外框架151处。在中心部分，平面外致动器160的中心台168附接到平面内MEMS致动器150的梳状驱动区155(先前更详细地示出)。悬臂1552如上所述。由于平面外致动器160在径向上是刚性的，并且在平面外致动器160的中心处的结合到梳状驱动区155，所以，当平面内MEMS致动器150在平面内移动时，平面外致动器160不能产生或提供平面内移动。在各种实施方式中，平面内MEMS致动器150非常刚性的并且对抗在平面外方向上的移动。这样，当平面外致动器160移动时，平面内MEMS致动器150不能提供任何移出平面的运动。
如图7A和图7B所示，在该实施方式中，柔性电连接件152在平面内MEMS致动器150内传导电信号，并且在各种实施方式中，还提供将电信号路由到平面外致动器160。柔性电连接件152可以以刚度非常低的方式设计，并且柔性电连接件152包括高导电性，从而导电地联接电气组件。柔性电连接件152可以在X、Y和Z方向上移动，以实现X、Y和Z致动器的要求。柔性电连接件152向上弯曲以实现如图2B所示的所需柔性。柔性电连接件152具有高导电性。在各种实施方式中，柔性电连接件152由设置在多晶硅、氧化硅、硅或其他合适的半导体表面上的金属合金层形成。柔性电连接件152的材料可以是复合材料，并且可以包括多个层，包括但不限于氧化物、硅、多晶硅、铝、铜和金属。
图8示出了根据本发明的各种实施方式的平面外致动器160的透视顶视图。在一些实施方式中，平面外致动器160是压电致动器，但是在其他实施方式中使用其他致动器。平面外致动器160在包括与平面外致动器160的平面正交的方向的多个方向上，即在相对于平面外致动器160的XY平面的Z方向上提供致动。平面外致动器160包括中心台168以附接有效载荷，即被致动的光电子或其他光学或电子装置。平面外致动器160还包括外框架161以固定致动器、中间台163和166、致动梁162、165和167以及电挠曲件164。在所示实施方式中，中心台168是椭圆形的，但在其他实施方式中使用其他形状。致动梁162、165和167联接中心台168、中间台163和166以及外框架161。可以使用各种布置和构造。如所示实施方式中的中心台168可有利地被均匀间隔开的中间台163和166同心围绕，但在其他实施方式中使用其他配置。中间台163和166可以如图所示更多或更少，即具有大致环形或椭圆形状，但是在其他实施方式中可以采用其他形状，并且中间台163和166用于连接与致动梁162和电挠曲件164相同高度的组件。由于致动梁162、165和167的变形而产生Z平面外致动器160的中心台168的Z平面外运动，所述致动梁162、165和167可由压电(“PZT”)或其他合适的材料，例如该材料响应于电信号而偏转。致动梁162和电挠曲件164可以有利地设计成满足各种刚度要求。它们可以有利地是柔软的，即在行进方向(Z方向)上是柔性的或者可变形的，并且在其他方向上非常硬。每个致动部分可以包括各种数量的致动梁162和电挠曲件164。在每个高度处的致动梁162和电挠曲件164的数量可以变化，以实现力要求和电连接要求。致动梁162、165和167包括悬臂或铰链，以实现在平面外方向上的移动。当施加电信号时，可以使用PZT材料来实现期望的变形。诸如致动梁162和电挠曲件164的支撑梁可以包括用于电路由的金属层。在各种实施方式中，电挠曲件164可以包括悬臂或铰链和金属层。在各种实施方式中，电挠曲件164可以设置在中间台163和166之间和/或中间台166和中心台168之间。
如图8所示，在各种实施方式中，中心台168可以分成两个或更多个离散片a，例如中心台部分168a和168b。这对于中间台163和166也可以是真实的。当电信号被施加在连接到分离台168的一个部分168a或168b的致动梁上时，中心台168的该部分将移出平面以实现滚动或倾斜。在一些实施方式中，平面外致动器160包括两个可单独移动的中心台部分168a和168b，围绕中心台片的中间台163、166以及将至少一个中心台部分168a和168b连接到中间台163、166的致动梁162、165、167。致动梁162、165、167是可变形的并提供中心台部分168a、168b的平面外运动。由于相关联的致动梁162、165或167的变形，部分168a和168b可以是可单独移动的。在其他实施方式中，平面外致动器160包括两个以上可单独移动的中心台部分。在各种实施方式中，可单独移动的中心台部分的形状变化。
图9A示出了根据本发明的各种实施方式的双致动器封装的截面图。平面外致动器160通过环氧树脂18或其他合适的粘合剂或其他联接机构在外框架161处连接到电路板12。在各种实施方式中，电路板12形成封装100的一部分。平面内MEMS致动器150设置在Z方向平面外致动器160上并且结合到平面外致动器160的外框架161和中心台168上。光电子装置154设置在平面内MEMS致动器150的顶部上。具有玻璃窗199的支架19设置在电路板12的顶部上。从光电子装置154到平面内MEMS致动器150的平台153的电连接件158可以通过导电环氧树脂或膏体、通过标准COB打线接合工艺，或者通过MEMS结合工艺或通过其他合适的结合机构。从平面内MEMS致动器150的外框架151到PCB的焊盘14的电连接件159可以有利地使用与各种实施方式中的标准COB打线接合工艺相同的工艺。图9A示出了平面内MEMS致动器150和平面外MEMS致动器160以及封装100的其他组件的组合。在各种其他实施方式中，不使用平面外致动器160。在该实施方式中，通过粘合或以其他方式固定梳状驱动区155的固定梳状驱动框架(参见图4)，平面内MEMS致动器150可以直接安装到电路板12(可以是PCB或陶瓷电路板)上，并且可以将外框架151连接到电路板12。在一些实施方式中，梳状驱动框架和外框架151可以直接安装到电路板而没有任何平面外偏移。
图9A和9B示出了平面外致动器160可以通过设置在形成于平面内MEMS致动器150中的孔1691和1693中的导电环氧树脂或膏体、并且还通过平面内MEMS致动器150的柔性电连接件152导电联接至封装100外部的组件。
图9B示出了根据本发明的各种实施方式的双致动器封装的部分的放大截面图。在各种实施方式中，平面外致动器160的电路径/信号可以穿过电挠曲件164(参见图8)，或者通过致动梁162、165和167以及通过触点1692以接触电路板12(在图9B中未示出)。电信号也可以通过平面内MEMS致动器150，平面内MEMS致动器150通过填充孔1691和1693。导电环氧树脂、银膏或电镀可以填充或涂覆孔1691、1693，以实现导电。电信号将从平面外致动器160通过柔性电连接件152到达外部。
图10示出了根据本发明的各种实施方式的变形的“Z”平面外致动器160和平面内MEMS致动器150的一部分的截面图。当电信号施加在致动梁162、165和167上时，变形的Z平面外致动器160使联接到平面内MEMS致动器150的光电子装置154以及至少移动到“Z”平面外的致动器160的平面之外的中心台168。所公开的封装确保Z平面外致动器160能够移动一定质量的光电子装置154和可移动质量的平面内致动器。在一些实施方式中，Z平面外致动器160是压电致动器。所公开的致动器布置减小了压电致动器(Z平面外致动器160)的有效载荷要求，并且使致动梁和致动器内部的电连接挠曲件的设计具有更大的灵活性。上述梁被组合设计，以实现Z方向上的所需柔性和在其他方向上的刚度，即运动阻力。致动器的各种组件的形状将在各种实施方式中变化。
如图10所示，柔性电连接件152的柔性使得平面内MEMS致动器150的各部分相对于彼此的期望的移动成为可能，并且还实现了Z平面外致动器160的柔性和稳健性要求。柔性电连接件152有利地以所有平移自由度移动。在各种实施方式中，两个致动器一平面内MEMS致动器150和Z平面外致动器160在中心台168和外框架161处结合在一起，但是也可以使用其他结合部位，诸如环氧树脂或其他结合材料17。
平面外致动器160的Z平面外运动至少部分地由于致动梁162、165和167的变形而产生。如在图11A所示的放大图中更清楚地示出，当电信号被施加到极化压电(PZT)材料时，致动梁162变形。在各种实施方式中，可以使用具有不同偏振图案和特性的各种合适的PZT材料来实现变形。致动梁165和167与致动梁162类似地变形，但未在图11A中示出。在一些实施方式中，致动梁162是诸如由上部材料1622和下部材料1621形成的复合材料，其中各种材料可以组合使用以产生期望的压电效应。可以使用各种合适的材料。致动梁162将具有足够的柔性以实现各种刚度和柔性要求。
图11B示出了作为复合材料的致动梁162的顶视图。上部材料1622设置在下部材料1621上方。图11A和图11B示出了，在一些区域中，下部材料1621被上部材料1622覆盖，并且下部材料1621的其他部分1623没有上部材料1622。因此，上部材料1622是不连续层，而下部材料1621是连续层。各种材料可用于各种布置以产生所需的压电效应。
另外的实施方式可以利用不同构造的MEMS静电致动器和压电致动器来实现额外的自由度。其他微型驱动器可用于实现自由度。
图12是根据本发明的各种实施方式的用于组装组件/封装的流程图，该组件/封装用于以多个平面内和平面外自由度来移动平台。在其他实施方式中，使用其他方法以形成具有平面内致动器的各种公开的封装实施方式，以及具有平面内和平面外致动器的各种公开的封装实施方式。
组装流程的第一步骤101是将环氧树脂施加到电路板12的开口上，以用于结合平面外致动器160的外框架161。在其他实施方式中，使用其他合适的胶水或其他粘合剂。电路板12可以具有不同深度的开口或凹部，并且在一些实施方式中，环氧树脂被施加在电路板12的上表面上，电路板12可以是印刷电路板PCB。在步骤102中，可以是Z压电致动器的平面外致动器160直接或间接地安装在电路板上，如在一些实施方式中，在Z压电致动器的平面外致动器160与PCB或其他电路板12之间可以设置其他组件。在固化之后，平面外致动器160的外框架161结合到PCB或其它电路板12。外框架161可以是硅材料，其具有与陶瓷电路板相比的匹配的热膨胀系数。外框架161可以由其他材料形成，并且当外框架161由另一种材料形成时，可以使用弯曲外框架161来补偿热膨胀中的任何不匹配。
在平面外致动器组件之后，步骤103涉及在平面外致动器160的中心台168和外框架161上施加环氧树脂。在其他实施方式中，可以使用其他合适的胶水或其他粘合剂。步骤104是将平面内MEMS致动器150放置在平面外致动器160上。然后可进行环氧树脂固化。可以使用各种固化条件以及其他方法，以将平面内MEMS致动器150接合到平面外致动器160。
在固化实施方式中，在固化之后，平面内MEMS致动器150与PCB上的平面外致动器160结合在一起。如上所述，致动器160可具有导电迹线以穿过平面内MEMS致动器150。在步骤S105中，在平面内(“XY”)MEMS致动器150上的相关孔上提供导电环氧树脂或类似材料，以连接并导电联接到平面外致动器160。随后进行固化。
在步骤106中，将热环氧树脂或另一合适的粘合剂施加在平台153的结合区域上，然后在步骤107中，将光电子装置154接合到平面内MEMS致动器150。可以使用各种合适的环氧树脂或其他粘合剂。
在固化之后，将光电子装置154固定到平面内MEMS致动器150，步骤108将通过标准COB工艺或其他合适的方法完成电连接件158和159。步骤109是在电接头上施加保护性环氧树脂以确保结合稳健性。在其他实施方式中，使用其他保护性材料。
如果在光电子装置154上存在颗粒，则在可选步骤1010中，可以通过振动光电子装置154来移除颗粒。最后的组装步骤1011是将具有窗口19的支架安装在电路板12上。
一般而言，本文所述的方法的各种操作可以使用或可以涉及本文描述的、具有各自的组件和子组件的各种系统和/或设备组件或特征来实现。
在一些情况下，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或其他类似短语的扩展词和短语的存在不应被理解为意指：在以下的情况下意指或者需要的最窄情况，在该情况下，可以不存在该扩大词。
另外，本文阐述的各种实施方式是根据附图、框图、流程图和其他图示来描述的。在阅读本文后，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，所示出的实施方式及其各种替代方案可以被实现而不限制所示示例。例如，框图及其伴随的描述不应被解释为强制特定的体系结构或配置。
虽然以上已经描述了本发明的各种实施方式，但应该理解的是，它们仅作为示例呈现，而非限制性的。类似地，各种图可以描绘用于本发明的示例性架构或其他配置，其被完成以帮助理解可以被包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示出的示例性体系结构或配置，而是可以使用各种替代体系结构和配置来实现期望的特征。事实上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以如何实施替代的功能、逻辑或物理分区和配置以实现本发明的期望特征。此外，关于流程图、操作描述和方法权利要求，在此呈现步骤的顺序不应强制实施各种实施方式以按照相同顺序执行所述功能，除非上下文另有指示。
虽然以上根据各种示例性实施方式和实现方式描述了本发明，但应该理解的是，在一个或多个单独实施方式中描述的各种特征、方面和功能不限于它们对其中对它们进行描述的具体实施方式的适用性，而是可以单独或以各种组合应用于本发明的一个或多个其他实施方式，无论这些实施方式是否被描述并且这些特征是否被呈现为上述实施方式的一部分。因此，本发明的广度和范围不应被任何上述示例性实施方式限制，并且本领域技术人员将理解的是，可以在权利要求书范围内对之前的描述进行各种改变和变型。

Claims (26)

1.一种用于沿多个方向致动光电子装置的致动器组件，所述致动器组件包括：
封装，包括电路板、平面内MEMS致动器、平面外致动器和光电子装置，所述光电子装置通过多个导电挠曲件导电联接到所述平面内MEMS致动器的组件；以及
所述平面外致动器导电联接到所述平面内MEMS致动器和所述电路板中的至少一个，
其中，所述平面内MEMS致动器能够提供沿着XY平面的致动，并且所述平面外致动器能够至少沿着除所述XY平面以外的Z平面方向提供致动，并且所述电路板是印刷电路板PCB和陶瓷板；
其中所述光电子装置设置在所述平面内MEMS驱动器之上并且接合到所述平面内MEMS驱动器，所述平面内MEMS驱动器设置在所述平面外驱动器之上，所述平面外致动器设置在所述电路板上，并且所述封装包括所述光电子装置，所述平面内MEMS致动器、所述平面外致动器和所述电路板，并且所述平面内MEMS致动器和所述平面外致动器中的每一个是平面构件。
2.根据权利要求1所述的致动器组件，其中所述封装包括所述电路板，并且所述平面内MEMS致动器包括由外框架横向围绕的平台，所述平台直接接合到所述光电子装置。
3.根据权利要求1所述的致动器组件，其中所述导电挠曲件是导电复合导线，所述导电复合导线在接触位置处接合到所述平面内MEMS致动器，在非接触位置处在所述平面内MEMS致动器上方延伸，并且导电联接所述平面内MEMS致动器的一部分，所述平面内MEMS驱动器通过另外的接触件进一步联接到所述光电子装置。
4.根据权利要求2所述的致动器组件，其中，所述平面外致动器通过导电通孔导电联接到所述光电子装置，导电通孔延伸穿过所述平面内MEMS致动器，并且所述光电子装置直接联接到所述平面内MEMS致动器，所述平台横向地被所述平面内MEMS致动器的外框架围绕。
5.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面内MEMS致动器包括可附接到所述光电子装置的可移动平台和侧向围绕所述平台的外框架，并且其中，所述导电挠曲件从所述平台延伸到所述外框架。
6.根据权利要求5所述的致动器组件，其中，所述导电挠曲件是电线，所述电线在接触位置处联接到所述平台和所述外框架，并且在所述平面内MEMS致动器上方延伸，从而在所述接触位置之间的区域中、在导电挠曲件的一部分和所述平面内MEMS致动器的上表面之间产生空隙区域。
7.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面内MEMS致动器包括多个梳状驱动区，每个所述梳状驱动区包括可移动构件和固定构件，所述可移动构件联接到悬臂，所述悬臂还连接到所述平面内MEMS致动器的平台，所述梳状驱动区被所述平台侧向围绕，所述平台由所述平面内MEMS驱动器的外框架横向围绕。
8.根据权利要求7所述的致动器组件，其中，每个所述梳状驱动区是平面的、矩形的、并且包括多对相对的梳状物。
9.根据权利要求7所述的致动器组件，其中，所述多个梳状驱动区中的每一个包括多对相对的梳状物，每个所述对的相对梳状物包括第一梳状物和第二梳状物，第一梳状物具有联接到所述固定构件的固定脊部的第一齿；以及第二梳状物具有联接到所述可移动构件的可移动脊部的第二齿；所述固定脊部平行于所述可移动脊部定向，每个所述第一齿具有相同的长度，并且每个所述第二齿具有相同的长度。
10.根据权利要求9所述的致动器组件，其中，所述第一齿从所述固定脊部向所述第二梳延伸，所述第二齿从所述可移动脊部向所述第一梳延伸，所述第一齿和第二齿彼此平行定向，所述第一齿和第二齿的重叠区域包括插入在所述第二齿的相应端部之间的所述第一齿的相应端部，所述第一齿部和所述第二齿部的所述相应端部以交替顺序布置。
11.根据权利要求9所述的致动器组件，其特征在于，所述第一齿的端部插入到所述第二齿的端部之间，并且每个所述固定脊部包括接合到其一侧的所述第一齿和接合到其相对侧并朝向所述可移动构件的另一个可移动脊部延伸的相对齿，并且其中，所述第一齿是锥形的，使得所述第一齿的所述端部比所述第一齿的其它部分窄，并且所述第二齿是锥形的，使得所述第二齿的所述端部比所述第二齿的其它部分窄。
12.根据权利要求9所述的致动器组件，其中，每个所述梳状驱动区还包括一对运动控制悬臂，每个运动控制悬臂设置在所述梳状驱动区的外围并且联接在所述可移动构件和所述固定构件之间。
13.根据权利要求7所述的致动器组件，其中：
每个所述梳状驱动区包括多对相对的梳状物；
每个所述对的相对的梳包括第一梳和第二梳，具有第一齿的第一梳联接到所述固定构件的固定脊部上，具有第二齿的第二梳联接到所述可移动构件的可移动的脊部上；
所述固定脊部与所述可移动脊部平行；
所述第一齿的端部和所述第二齿的端部形成重叠区域，在该重叠区域中，所述第一齿的相邻端部置于所述第二齿的相邻端部之间；以及
每个所述梳状驱动区还包括一对运动控制悬臂，每个运动控制悬臂设置在所述梳状驱动区的外围，并且联接在所述可移动构件和所述固定构件之间。
14.根据权利要求7所述的致动器组件，其中所述固定构件包括固定杆和与所述固定杆正交的多个固定脊部，所述可移动构件包括可移动杆和与所述可移动杆正交的多个可移动脊部，
第一梳的第一齿从所述固定构件的固定脊向所述可移动构件的可移动脊部延伸，并且第二梳的第二齿从所述可移动构件的可移动脊部向所述固定构件的固定脊延伸，所述固定脊部平行于所述可移动脊部，以及
其中，对于每个所述梳状驱动区，所述悬臂包括附接到所述平台的一端和附接到所述梳状驱动区的外围部分处的所述可移动杆的相对端，所述悬臂包括运动传递悬臂，所述悬臂将所述梳状驱动区的移动传递到所述平台以向所述平台提供运动，所述第一齿平行于所述第二齿定向，并且所述平台设置在所述光电子装置的下方并直接联接到所述光电子装置。
15.根据权利要求7所述的致动器组件，其中，对于每个所述梳状驱动区，所述悬臂包括附接到所述平台的一端和附接到所述梳状驱动区的相对端，并且其中，所述悬臂包括运动传递悬臂，运动传递悬臂将所述梳状驱动区的移动传递到所述平台。
16.根据权利要求15所述的致动器组件，其中，所述悬臂的所述一端附接到所述梳状驱动区的周边部分。
17.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面外致动器包括适于附接到所述平面内致动器和所述光电子装置中的至少一个的可移动中心台。
18.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面外致动器是平面构件，所述平面构件包括中心台、侧向地围绕所述中心台的中间台以及将所述中心台连接到所述中间台的梁，以及所述中间台与周边围绕所述中间台的外框架相连，所述中间台彼此同心布置，并且其中，所述平面外致动器配置成在与平面外致动器的平面正交的方向上致动所述中心台。
19.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面外致动器是平面构件，所述平面构件包括可移动的中心台、侧向地围绕所述中心台的中间台以及将所述中心台连接到所述中间台、以及将所述中间台连接到外框架的致动梁，
所述致动梁是可变形的，并且适于致动所述中心台，所述中心台联接到所述平面内MEMS致动器的平台部分，所述平面内MEMS致动器进一步联接到设置在所述平面内MEMS致动器上的所述光电子装置。
20.根据权利要求19所述的致动器组件，其中所述致动梁由复合材料形成，所述复合材料包括组合使用以产生压电效应的多个材料层。
21.根据权利要求20所述的致动器组件，其中所述多个材料层包括连续下层和不连续上层。
22.根据权利要求19所述的致动器组件，其中，所述致动梁进一步将所述中心台与所述中间台中的一个或多个中间台导电联接。
23.根据权利要求1所述的致动器组件，其中，所述平面外致动器包括中心台、横向围绕所述中心台的同心中间台、以及横向围绕所述中间台的外框架，将所述中心台连接到所述中间台中的至少一个并且能够致动所述中心台的可变形致动梁；以及挠曲梁，其将所述外框架联接到至少一个所述中间台，所述挠曲梁用作运动控制构件和导电联接构件中的至少一个。
24.根据权利要求1所述的致动器组件，其中所述平面外致动器为通过设置在所述平面内MEMS驱动器中的导电环氧树脂、以及通过所述导电挠曲件而导电联接到所述封装和所述电路板外部的组件，所述导电挠曲件是在所述平面内MEMS驱动器上方延伸、并且导电联接所述平面内MEMS驱动器的横向分离部分的导线。
25.根据权利要求1所述的致动器组件，其中所述平面外致动器包括多个可单独移动的平面中心台部分、围绕所述中心台部分的中间台以及将所述中心台部分中的至少一个连接到所述中间台中的至少一个的致动梁，所述致动梁可变形并且适于向所述中心台部分提供平面外的平移或旋转运动。
26.根据权利要求25所述的致动器组件，其中，所述中心台部分中的至少一个联接到所述平面内MEMS致动器的平台，并且所述光电子装置设置在所述平台上，并且所述致动梁由复合材料形成，复合材料包括组合使用的多个材料层以产生压电效应，所述多个材料层包括连续下层和不连续上层。
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