CN117092807A - 具有增加的可偏转性的mems致动器、特别是微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS致动器，其包括框架结构和至少一个致动器臂。致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体。MEMS致动器的特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构。两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向。此外，两个或更多个致动器部分包括至少一层致动器材料，其中致动器本体的移动可以通过致动两个或更多个致动器部分来实现。此外，本发明涉及一种用于生产根据本发明的MEMS致动器的方法。

Description

具有增加的可偏转性的MEMS致动器、特别是微镜
技术领域
本发明涉及一种MEMS致动器，其包括框架结构和至少一个致动器臂。致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体。MEMS致动器的特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构。两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向。此外，两个或更多个致动器部分包括至少一层致动器材料，其中致动器本体的移动可以通过致动两个或更多个致动器部分来实现。
此外，本发明涉及一种用于生产根据本发明的MEMS致动器的方法。
背景技术
今天，微系统技术被用于许多应用领域，用于生产紧凑的机械电子设备。可以通过这种方式生产的微系统(微电子机械系统，简称MEMS)非常紧凑(大约在微米范围内)，功能卓越，生产成本也越来越低。
基于微系统技术的操作原理和/或生产方法的致动器也从现有技术中已知。致动器通常指的是将控制信号(例如以电控制信号的形式)转换成机械移动和/或物理变量诸如压力和/或温度的变化的部件。微系统技术背景下的致动器也称为MEMS致动器。
在Algamili等人(2021)中，公开了已知现有技术MEMS致动器的构造和操作的概述。MEMS致动器可以根据多种标准进行分类，特别是根据其操作原理进行分类。因此，已知根据静电、压电、电磁或热原理操作的MEMS致动器。通过前三个原理，电能通常直接转换为机械能。采用热(驱动)原理，电能先转换为热能，再因热膨胀转化为机械能。
MEMS致动器具有大量应用。例如，MEMS致动器可以用于将关联的微镜移动和/或定位到期望位置。微镜用于许多领域。除其他外，微镜在LiDAR的背景下用于汽车技术，LiDAR代表光检测和测距并且是一种用于距离测量和环境检测的方法。微镜用于在大角度范围内以高扫描速度将光发射到对应的物体上，并进行距离测量。Dingkang、Watkins和Xie(2020)讨论了LiDAR技术以及这些应用对微镜设计和功能的要求。
微镜在显示或投影技术的背景下尤其重要，例如所谓的DLP技术，DLP技术代表数字光处理。例如，DLP用于家庭影院和演示领域的视频投影仪和背投屏幕。DLP还用于工业部门的增材制造。此外，该技术还用于生物学和医学的光学检查方法。Katal、Tyagi&Joshi(2013)介绍了DLP技术并讨论了它在(潜在)应用领域中的使用。
DLP技术的基础是DMD(数字微镜设备)。例如，在Lee(2008)以及基础专利US5,061,049中描述了DMD的操作模式。DMD包括根据阵列布置的多个微镜，例如以矩形场中的矩阵形式。每个微镜对应于要显示的图像的一个像素。微镜可以单独旋转大约±10°-12°以打开或关闭它们。打开时，来自投影仪光源的光会反射到光学系统(例如镜头)，从而使屏幕上的像素显得明亮。关闭时，光指向不同的方向，导致像素变暗。例如，为了创建灰度，反射镜会非常快速地打开和关闭。开启时间与关闭时间的比率确定了要投影的图像的色调。为了能够照亮大的投影表面，可能的偏转角是相关的。微镜的可移动性对投影图像本身的呈现具有决定性影响。
还需要微镜作为微型扫描仪的部件(参见Baran&Urey(2014))。根据设计，微镜的调制运动可以围绕一个或两个轴线平移或旋转。在第一种情况下，实现了相移效果，而在第二种情况下，实现了入射光束的偏转。微型扫描仪可以用于例如激光显示器或共振扫描仪。
激光显示应用还需要反射镜的大偏转和高精度移动。谐振扫描仪使用高机械品质因数(Q)来实现所需的微镜角度。在大气压力下，需要非常高的驱动扭矩来克服空气阻尼。这个问题可以通过使用真空封装来解决，但是这样做成本高，并且会带来一些其他的技术问题。
因此，在现有技术中，特别是对于微镜的移动，需要提供优化可偏转性和移动的MEMS致动器。特别地，大角度范围内的动态偏转应该是可能的。
例如，关于在激光扫描或投影系统中使用微镜，应该在更大的图像区域上实现改进的分辨率。同样，在LiDAR系统的背景下，微镜的大偏转是可取的，以增加扫描场或视场(FoV)。例如，对于自动驾驶汽车，最小视场应至少为25°，而手势识别甚至需要50°和盲点检测120°或更多(另参见Watkins&Xie(2020))。同时，微镜必须满足精度和扫描速度的高要求。
在现有技术的已知MEMS致动器的情况下，因此需要在偏转本身以及动力学方面改进微镜的致动，由此也希望能够通过流程高效的程序为此目的提供合适的MEMS致动器。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供一种消除现有技术的缺点的MEMS致动器。特别地，将提供一种MEMS致动器，通过该MEMS致动器使得例如微镜的致动器本体的大偏转角度成为可能，优选同时具有高精度移动和高动态性。此外，MEMS致动器优选地应该特征在于坚固、紧凑的设计和更有效的生产过程。
发明内容
根据本发明的目的由本发明的实施方式解决。本发明的有利实施方式在本发明的其他实施方式中公开。
在第一方面，本发明优选地涉及一种包括框架结构和至少一个致动器臂的MEMS致动器，其中致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体，其特征在于至少一个致动器臂具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构，其中两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线对准并且包括至少一层致动器材料，并且其中致动器本体的移动能够通过致动两个或更多个致动器部分来实现。
优选的MEMS致动器已被证明在许多方面具有优势，并且显示出对现有技术的显著改进。
优选的MEMS致动器的特别优点是可以实现致动器本体的高偏转的效果。更大的偏转有利地影响所有空间维度并且可以例如以高倾斜角表现出来。这里，倾斜角优选地表示在相对致动器臂的纵向轴线的竖直方向上相对于致动器本体的初始位置的角度或倾角。通常，可以有利地实现致动器本体的特别高的偏转，其中偏转在此优选地意味着致动器本体的初始位置的改变。
致动器本体的高偏转或倾斜角由致动器臂的设计引起，根据该设计，致动器臂具有曲折结构，该曲折结构具有大致垂直于纵向轴线对准的两个或更多个致动器部分。
当致动器臂被致动时，两个或更多个致动器部分同时被激励，使得它们的力作用加起来形成更大的力矩或行程并导致致动器本体的更高偏转性。有利地，期望的可偏转性可根据可相应地选择的致动器部分的数量来缩放。
发明人已经认识到，包括两个或更多个致动器部分的曲折结构可以通过将各个致动器部分的效果相加而产生用于致动致动器本体的更高的力矩。优选地，力的力矩是指扭矩，即特别是力与距离的乘积。多个致动器部分的相互作用导致更高的力矩并且因此导致致动器本体的更高的可偏转性和/或更高的倾斜角。
为MEMS致动器提供实现更高倾斜角的能力有利于多种应用。例如，已知现有技术试图提供可以精确且快速地大角度倾斜的微镜，用于例如LiDAR系统、共焦显微镜和/或显示器。
通过将致动器本体设计为微镜，例如其中它至少部分地具有反射表面，根据本发明的MEMS致动器可以特别有效地将其优势转移到这些可能的应用中。
优选的MEMS致动器的另一个优点是致动器本体可以在多个空间方向上倾斜的可能性。特别地，致动器本体的移动或移动选项可以以过程高效的方式适应于对应的应用目的，例如通过附接多个致动器臂和/或固定元件。有利地，例如，多个致动器臂在致动器本体的多个点处的附接允许在不同倾斜方向上的偏转，例如对于二维移动而言是所期望的。通过附接固定元件与一个或更多个致动器臂的组合，可以实现致动器本体沿轴线或点在一个或更多个倾斜方向上的偏转。
此外，优选的MEMS致动器可以以多种动作模式进行操作。因此，有利地，优选的MEMS致动器的潜在用户可以从多个物理原理中选择操作原理，例如，通过电信号或热信号致动以使致动器本体移动。因此，使用具有曲折结构的致动器臂来移动致动器本体并不限于特定的致动器原理。
优选的MEMS致动器的另一个优势是其高效生产的能力。因此，可以为优选的MEMS致动器提供微系统和/或半导体技术的常用方法，特别是曲折结构的构造以及致动器臂的设计。特别有利的是，优选的MEMS致动器可以由基板生产并且因此由单个过程序列生产。因此，优选的MEMS致动器的生产适合于大规模生产以及过程高效的，同时导致提供紧凑且坚固的MEMS致动器。
为了本发明的目的，MEMS致动器优选地表示具有尺寸在微米范围内的结构和/或部件和/或已经使用半导体和/或微系统技术的方法生产的致动器。在此上下文中，MEMS致动器优选能够通过致动，例如通过控制信号，转化为物理量和/或机械能，例如转化为动能和/或势能。优选地，这通过致动器本体的偏转来完成。作为结构部件，MEMS致动器优选地包括框架结构、致动器臂和致动器本体。
框架结构优选地是指用于致动器臂的支撑件。框架结构优选为基本上由自由平坦区域的侧壁的形式的连续外边界形成的结构。框架结构优选稳定且抗弯曲。在有角的框架形状(三角形、四边形、六边形或大致多边形轮廓)的情况下，基本上形成框架结构的各个侧面区域也可以称为侧壁。特别地，致动器臂可以连接到框架结构。
致动器臂优选地是指MEMS致动器的部件，通过该部件能够实现致动器本体的偏转。特别地，致动器臂是致动器本体和框架结构之间的连杆。在这方面，致动器臂具有第一端和第二端。致动器臂的第一端和第二端优选地表示致动器臂的端部区域。特别地，第一端和第二端可以形成致动器臂的连接区域。优选地，致动器臂在第一端连接到框架结构并且在第二端连接到致动器本体。
致动器臂优选地具有包括两个或更多个致动器部分的曲折结构。
曲折结构优选地是由横截面中的一系列基本正交的部分形成的结构。相互正交的部分优选地是竖直部分和水平部分，由此竖直部分优选地由致动器部分形成。特别优选地，曲折结构的横截面是矩形的。然而，也可以优选曲折结构的横截面具有锯齿形(之字形)或者曲线形或波浪形。如果致动器部分没有精确地彼此平行对准，而是与竖直方向成例如大约±30°、优选地大约±20°、特别优选地大约±10°的角度，则情况尤其如此。
水平部分优选地表示致动器部分即曲折结构的竖直部分通过其互连的结构。在优选实施方式中，水平部分呈现为在竖直方向上以大约90°的正交角连接到致动器部分。在进一步优选的实施方式中，水平部分也可以不与竖直方向正好成约90°的正交角，而是例如可以与竖直方向成约60°至约120°之间、优选地约70°至约110°之间°、特别优选地约80°至约100°之间的角度。
在致动器部分和/或致动器臂的水平部分的横截面为弯曲或波浪形的情况下，对准优选地是指与致动器部分和/或水平部分在它们各自的中点处相切。
因此，曲折结构优选对应于沿宽度折叠的膜。因此，在本发明的意义上，致动器臂也可以优选地称为波纹管。波纹管的平行折叠优选地由竖直部分或致动器部分形成。折痕之间的连接部分优选地由水平部分形成。优选地，基本上竖直定向的致动器部分比水平部分段，例如长1.5倍、2倍、3倍、4倍或更多倍。
致动器部分优选表示致动器臂的结构或致动器臂的曲折结构，其基本上布置在竖直定向上。在优选实施方式中，致动器部分基本上平行于竖直方向定向，其中基本上平行意味着关于竖直方向的公差范围为约±30°、优选地约±20°、特别优选地约±10°。致动器部分也可以优选地称为曲折结构的竖直部分。
竖直和水平(或侧向)方向优选地指的是致动器臂针对致动器本体的偏转和/或移动而对准的优选方向。优选地，致动器臂水平悬挂于框架结构的至少一侧区域，而竖直方向与其基本正交。
致动器臂的致动器部分或致动器臂的曲折结构因此优选地指定基本上垂直于致动器臂的水平悬挂方向对准的部分。本领域技术人员理解这不需要是精确的竖直定向，但优选地是基本竖直的方向。
具有曲折结构的致动器臂包括两个或更多个或多个致动器部分，其中两个或更多个致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向。基本上垂直于致动器臂的纵向轴线优选地指的是与致动器臂的悬挂方向正交的方向。因此，致动器臂沿着其纵向轴线优选地至少在其第一端连接到框架结构。水平方向优选地基本上对应于致动器臂的纵向轴线的方向。
优选地，致动器本体的移动和/或偏转可以通过致动两个或更多个致动器部分来实现。两个或更多个致动器部分的致动优选地表示将作用传递到两个或更多个致动器部分，使得致动器本体的移动和/或偏转由致动引起。到两个或更多个致动器部分的主动传输可优选地通过例如以电信号的形式的控制信号实现。
为此，优选两个或多个致动器部分具有至少一种致动器材料。致动器材料将致动转化为致动器本体的移动和/或偏转。例如，致动器材料可以是压电或热敏材料。不希望受理论的束缚，通过使用这些材料作为致动器材料的操作原理将在进一步的课程中更详细地描述。
优选地，致动器部分中的致动器材料用作机械双压电晶片的部件，其中致动器部分的偏转和/或侧向弯曲优选地通过致动致动器层来实现。因此，致动器部分可以优选地包括至少两个层，其中第一层包括致动器材料并且第二层包括机械支撑材料和/或其中两层都包括致动器材料。当被致动时，致动器材料可以例如相对于机械支撑层经历横向或纵向拉伸或压缩，从而产生应力梯度。替代性地，可以产生两个被致动的致动器层的形状的相对变化。
在致动器部分的两个层之间产生的应力梯度可以优选地引起致动器部分的侧向弯曲和/或偏转，这加起来并因此导致致动器本体的高偏转。
特别是在致动器臂的两侧固定的情况下，可能发生致动器部分的侧向弯曲。如果致动器部分与水平部分之间的连接点的移动受到限制，则优选地发生致动器部分的侧向弯曲。例如，当两个致动器臂附接到致动器本体的两侧时，就会发生这种情况(见图5B)。
如果致动器本体没有固定在致动器臂的一端而是自由的(致动器臂的一侧固定)，则致动器部分的致动通常不会引起任何侧向弯曲，而是存在致动器部分的偏转，这些致动器部分在致动器臂的长度上加起来导致致动器本体的整体偏转和/或倾斜(见图5A)。通过在单个致动器臂的情况下的偏转，优选地意味着在致动器臂的致动器部分(竖直部分)和水平部分之间的角度存在变化。在致动器本体经由单个致动器臂附接到支撑件的情况下致动器臂的整体偏转也优选地由机械双压电晶片的两个层之间的应力梯度引起。然而，由于致动器臂的一侧固定，这允许水平部分和致动器部分之间的连接点更自由地移动，致动器部分不会经历任何明显的水平或侧向弯曲。相反，优选地存在致动器部分的偏转，其中致动器部分在横截面中保持基本上直的路线(见图5A)。致动器部分的各个偏转加起来就是致动器臂长度上的总偏转，有或没有发生侧向弯曲。
因此，无论致动器臂的数量如何，都可以通过致动器臂的设计来实现致动器本体的高偏转或倾斜。
优选地，致动器臂的至少一个致动器层是致动器材料的连续层。连续优选地意味着在横截面轮廓中没有中断。因此，在所述实施方式中优选的是在致动器部分和水平部分中都存在致动器材料的连续层。有利地，在生产过程中不需要结构化。连续层特别容易产生。
致动器本体优选地指定MEMS致动器的要将被偏转和/或移动以用于相应的预期用途的部件。优选地，致动器本体是具有比水平部分尺寸更大的尺寸的结构。特别优选地，致动器本体是一块基板，其连接在基板的第二端。借助优选的MEMS致动器，致动器本体可以通过多种移动形式进行偏转和/或移动。
在优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器本体的移动包括平移、旋转、扭转和/或倾斜。
有利地，通过根据本发明的原理，可以提供用于不同移动形式的MEMS致动器。
平移优选地指基本上直线移动。因此，平移可以涉及优选地沿着一个或更多个轴或者沿着或垂直于平面的移动。在优选实施方式中，平移是竖直平移，其中致动器本体正交地移动出一个或更多个致动器臂的平面。例如，两个致动器臂可以彼此相对地安装在致动器本体上(参见图4)。
旋转或倾斜优选地是指致动器本体沿着旋转轴线(也称为枢轴线)或旋转点(也称为枢轴点)的旋转。在绕旋转轴线或枢轴线旋转期间，旋转轴线上的点保持原位，而致动器本体上的其他点绕轴在距轴线固定的距离处在垂直于轴线的圆上以相同的角度或以相同的角速度绕轴线移动。
旋转点或枢轴点可以优选地是致动器本体被固定的点(通过适当的措施，例如通过附接固定元件)并且围绕该点执行旋转或倾斜(见图3A至图3B)。
同样，致动器的旋转或倾斜可以围绕非固定旋转轴线进行。例如，致动器本体的移动可以包括旋转和平移的叠加。例如，如果致动器本体未连接到固定装置，则可能是这种情况。在这种情况下，致动器本体可以在一侧连接到致动器臂，而致动器本体在其他方面自由移动。通过在一侧致动致动器臂，导致致动器本体旋转或倾斜，同时致动器本体(以及因此旋转轴线)交替地“向下”和“向上”移动(见图2A至图2B)。
扭转优选地是指致动器臂和/或致动器本体的变形，其由扭转力矩的作用引起。可能优选的是，致动器本体连接到引起对应扭转力矩的多个致动器臂。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于两个或多个致动器部分通过将包含致动器材料的至少一个层施加到基板的曲折结构上而形成，优选地其中基板的曲折结构的区域垂直于基板的表面定向以形成两个或更多个致动器部分。
包括具有曲折结构的致动器臂的MEMS致动器优选地可通过半导体过程由基板形成。为此，优选蚀刻基板，优选从前侧开始，以形成结构，优选曲折结构。此外，优选施加包含致动器材料的至少一个层。优选地，施加两个层，其中两个层可以是包含致动器材料的一个层和机械支撑层或者包含致动器材料的两个层。优选地，机械双压电晶片通过施加两个层形成，其中致动器部分应被理解为机械双压电晶片并且其通过蚀刻垂直于基板表面布置。致动器臂通过优选蚀刻暴露，优选从后侧开始。
因此，曲折结构的形成致动器臂的致动器部分(竖直部分)的区域优选地基本上垂直于形成框架结构和/或致动器臂的基板表面。在完成的MEMS致动器中，致动器臂优选地基本上水平地延伸到(原始)基板表面(例如晶片)，而致动器部分垂直于(原始)基板表面布置。
优选地，框架结构和/或致动器本体可以由相同的基板制成。因此，对于本领域的普通技术人员来说，在框架结构和/或致动器本体上可识别基板的设置有两个或更多个致动器部分的区域的原始定向。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于两个或更多个致动器部分包括至少两个层，优选地其中一个层包括致动器材料并且第二层包括机械支撑材料和/或其中两个层都包括致动器材料。
有利地，包括包含致动器材料的两个层或包含致动器材料的一层和包含机械支撑材料的一个层的优选布置可以提供致动的高效平移，通过该致动的高效平移可以实现致动器本体的移动和/或偏转。
在优选实施方式中，两个或更多个致动器部分包括包含致动器材料的层和包含机械支撑材料的层。
优选地，致动器部分中的致动器材料的层用作机械双压电晶片的部件，由此致动器本体的移动由致动器材料的致动引起，例如借助于电极，该电极优选地在端部处接触。
在包含致动器材料的层(也称为致动器层)致动时，这可以例如经历横向或纵向拉伸或压缩。这产生了相对于机械支撑层的应力梯度，这导致致动器层的侧向弯曲或偏转。当致动器层经历形状变化时，例如通过施加电压，机械支撑材料的位置基本保持不变。在两个层之间产生的应力梯度可以优选地引起致动器部分的侧向弯曲和/或偏转，这加起来并因此导致致动器本体的高偏转。
对于包含机械支撑材料的层(也称为支撑层)，与致动器层的厚度相比，支撑层的厚度优选地被选择为使得产生足够大的应力梯度，这导致侧向弯曲和/或偏转。对于作为机械支撑材料的掺杂多晶硅和作为致动器材料的压电材料诸如PZT或AlN，例如，基本相等的厚度，优选地在大约0.5mm至大约2μm之间，已被证明是特别合适的。
为了本发明的目的，包含机械支撑材料的层优选也称为支撑层。机械支撑材料或支撑层优选用作可以抵抗致动器层(包含致动器材料的层)的形状变化的被动层。与致动器层相比，机械支撑材料优选地不由于致动而改变其形状，例如当施加电压时。优选地，机械支撑材料是导电的，使得它也可以直接用于接触致动器层。然而，在一些实施方式中，它也可以是非导电的并且例如涂有导电层。
优选地，机械支撑材料选自包括单晶硅(monosilicon)、多晶硅(polysilicon)和/或掺杂多晶硅的组。
在优选实施方式中，两个或更多个致动器部分包括至少两个层，该至少两个层包含致动器材料。在该实施方式中，致动器本体的移动因此不是由主动致动器层和被动支撑层之间的应力梯度产生的，而是由两个主动致动器层的形状的相对变化产生的。致动器层可以由相同的致动器材料组成。致动器层也可以由不同的致动器材料组成，例如具有不同变形系数的压电材料。
为了本发明的目的，包含致动器材料的层优选地也称为致动器层。致动器材料优选地是指通过被控制信号致动而经历形状变化的材料，例如通过施加电压，和/或相反地通过改变其形状来产生电压。形状的变化可以通过例如拉伸、压缩或剪切发生。
优选地，选择具有电偶极子的材料作为致动器材料，其通过施加电压经历形状变化，由此偶极子的定向和/或电场可以确定形状变化的优选方向。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器材料包括压电材料、聚合物压电材料、电活性聚合物(EAP)和/或热敏材料。
上述材料已被证明特别有利于在优选的MEMS致动器的情况下用作致动器材料。因此，它们特别好地将控制信号的优选致动转化为致动器本体的移动和/或偏转。
特别优选地，压电材料选自锆钛酸铅(PZT)、氮化铝(AlN)、氮化铝钪(AlScN)和/或氧化锌(ZnO)。
聚合物压电材料(也称为压电聚合物材料)优选包括具有内部偶极子和由它们介导的压电特性的聚合物。这意味着当施加外部电压时，聚合物压电材料(类似于上述经典压电材料)会发生形状变化(例如压缩、拉伸或剪切)。优选的聚合物压电材料的示例是聚偏二氟乙烯(PVDF)。
热敏材料优选地是指借助于通过热效应充分变形而引起致动器本体的移动的材料。例如，热敏材料可以具有双金属，从而利用双金属效应。双金属包括夹层结构，该结构包括两个不同的层(双压电晶片)，这两个层具有不同的热膨胀系数并且可以被加热元件加热然后变形。例如，硅、二氧化硅和/或金可以用作优选的热敏材料，尤其是在双金属、硅和金和/或硅和二氧化硅的材料组合的情况下。
在进一步优选的实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器臂与至少一个电极接触并且优选地致动器部分由电控制信号致动。
优选地，至少一个电极定位在端部，使得可以在致动器臂的一端，优选地在致动器臂从框架结构悬挂的一端与电子设备例如电流源或电压源接触。电极优选是指由导电材料(优选金属)制成的区域，其适于与电子设备例如电流源和/或电压源进行这种接触。优选地，它可以是电极垫。特别优选地，电极垫用于与电子设备接触并且其自身连接到导电金属层，该导电金属层可以在致动器臂的整个表面上延伸。
为此，可能优选将包含导电材料的层施加到致动器层和/或支撑层。包含导电材料的层可以优选地施加在致动器材料的前侧和/或优选地背侧上。在前侧上包含导电材料的层优选地称为顶部电极。类似地，在背侧上包含导电材料的层优选地称为底部电极。部分地，导电层连同电极垫在下文中被称为电极，例如顶部电极或底部电极。
特别优选地，导电材料层，优选金属，在顶部电极或底部电极的意义上作为致动器臂的连续的或全表面的或邻接的层存在，其形成基本上均匀的表面并且特别是没有结构化。相反，两个或更多个致动器部分优选地通过导电材料优选金属的非结构化层与一个或两个端侧电极接触。
在优选实施方式中，MEMS致动器包括两个端侧电极。优选地，与电子设备例如电流源和/或电压源的接触可以在致动器臂从框架结构悬挂的端部处的电极进行。
电控制信号优选地由电子设备产生，例如由电流源和/或电压源产生，其引起致动器部分的偏转和/或侧向弯曲。
在进一步优选的实施方式中，MEMS致动器的特征在于MEMS致动器包括固定元件，其连接至致动器本体，使得致动器本体可以通过施加控制信号沿枢轴点和/或枢轴线倾斜。
有利地，借助于固定元件，可以指定致动器本体的方向和偏转，使得偏转可以以倾斜的形式以期望的方式进行。
固定元件优选地指的是MEMS致动器的部件，致动器本体可以沿着轴线和/或在一点处固定到该部件。固定元件因此也可以称为固定元件、固定部件并且优选地涉及将致动器本体的自由度限制到轴或点的结构。固定元件也可以称为铰链，从而允许绕轴线或点旋转。因此，致动器本体可以沿着该轴线(旋转轴线)和/或点(旋转点)进行旋转和/或倾斜。用于沿旋转轴线旋转和/或倾斜的固定元件可以例如通过在生产期间留下一块基板并将其连接到致动器本体来提供。该块基板可以是杆(用于将自由度限制到轴线)或尖结构(用于将自由度限制到点)的形式。
用于沿枢轴点旋转和/或倾斜的固定元件也可以例如通过附接MEMS扭力弹簧来完成。MEMS扭力弹簧优选地允许致动器本体在某个旋转方向上旋转，而致动器本体在其他方向上的旋转被限制。
同样，用于沿枢轴点旋转和/或倾斜的固定元件也可以由微接头提供。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器臂的第一端通过机械刚性或柔性的连接器连接到框架结构。
连接器优选地表示作为致动器臂和框架结构之间的中间部件存在的部件。优选地，连接器附接到致动器臂的第一端，使得连接器优选地也可以被理解为致动器臂的一部分。
有利地，在致动器臂和框架结构之间放置连接器导致特别可靠的连接。此外，连接器有利于致动器本体的可移动性。
在机械柔性连接器的情况下，有利地在第一端并且因此在致动器臂与框架结构的连接点处存在减小的机械阻力，使得致动器本体的移动以特别低的机械阻力发生.除了柔性之外，机械柔性连接器优选地特征在于弹性特性，以确保到优选位置的恢复力。优选地，机械柔性连接器可以是MEMS弹簧。作为机械柔性连接器的MEMS弹簧例如可以设计为双折叠梁、具有U形或呈鱼钩弹簧的形式。
机械刚性连接器优选地指的是基本上不可移动和/或不可通过致动器本体的移动而变形的连接器。已经发现机械刚性连接器在致动器臂和框架结构之间提供特别稳定和坚固的连接并且适用于在致动器臂的第一端处期望高机械阻力的那些应用。机械刚性连接器可以优选地在MEMS致动器的生产期间被附接作为基板或框架结构的一部分。
在进一步优选的实施方式中，MEMS致动器的特征在于，通过致动两个或更多个致动器部分，致动器本体可以至少倾斜大约10°、优选地至少大约20°、特别优选地至少大约40°、非常特别优选地至少大约60°。上述可能的倾斜角优选地表示致动器本体可以围绕其倾斜或旋转的旋转方向上的角度。致动器本体的交替倾斜移动可以优选地以至少大约±10°、±20°、±40°、±60°或更多的倾斜角发生。
有利地，致动器本体的特别高的偏转或倾斜可以通过优选的MEMS致动器实现，特别是通过包括两个或更多个致动器部分的致动器臂的曲折结构。此外，有利的是，可以调整可能的自由度，例如关于倾斜，例如通过附接一个或更多个固定元件和/或另外的致动器臂。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器臂的长度在10μm至10mm之间，优选地在50μm至1000μm之间。上述范围的中间范围也可能是优选的，诸如10μm至100μm、100μm至200μm、200μm至300μm、300μm至400μm、400μm至500μm、500μm至1000μm、1mm至2mm、3mm至4mm、4mm至5mm、5mm至8mm、或甚至8mm至10mm。本领域技术人员将认识到上述范围限制也可以组合以获得更优选的范围，诸如10μm至500μm、500μm至1mm或甚至1mm至5mm。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器部分的高度在约1μm至约1000μm之间、优选在约10μm至约500μm之间，和/或厚度在约100nm至约10μm之间、优选在约500nm至约5μm之间。
在优选实施方式中，致动器部分的高度在1μm至1000μm之间，优选地在10μm至500μm之间。上述范围的中间范围也可能是优选的，诸如1μm至10μm、10μm至50μm、50μm至100μm、100μm至200μm、200μm至300μm、300μm至400μm、400μm至500μm、600μm至700μm、700μm至800μm、800μm至900μm、或甚至900μm至1000μm。本领域技术人员将认识到上述范围限制也可以组合以获得其他优选范围，诸如10μm至200μm、50μm至300μm、或甚至100μm至600μm。
在优选实施方式中，致动器部分的厚度在100nm至10μm之间，优选地在500nm至5μm之间。上述范围的中间范围也可能是优选的，诸如100nm至500nm、500nm至1μm、1μm至1.5μm、1.5μm至2μm、2μm至3μm、3μm至4μm、4μm至5μm、5μm至6μm、6μm至7μm、7μm至8μm、8μm至9μm、或甚至9μm至10μm。本领域技术人员将认识到上述范围限制也可以组合以获得其他优选范围，诸如500nm至3μm、1μm至5μm、或甚至1500nm至6μm。
关于致动器臂的长度或致动器部分的形状提到的数值已被证明是有利的，因为它们允许致动器本体在大的角度范围内的特别有效的移动。
优选地，致动器臂的长度也对应于致动器部分的数量和设计。致动器部分越多，致动器部分之间的水平部分越长，所得的致动器臂就越长。本领域普通技术人员能够根据应用选择合适的大小以获得MEMS致动器在可偏转性和/或可倾斜性方面的特性。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于至少一个致动器臂包括不止3个、4个、5个、10个、15个、20个、30个、40个、50个、100个或更多个致动器部分。
如已经解释的那样，致动器部分的数量对应于致动器臂的长度、要施加的控制信号和/或偏转本身。提供的致动器部分越多，致动器臂变得越长并且致动器可实现的偏转或倾斜就越高，因为更多的致动器部分尤其产生更大的总行程和/或扭矩。在用于生产优选MEMS致动器的优选方法期间，致动器部分的数量对于本领域技术人员来说是容易配置或提供的。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器本体通过一个、两个、三个或四个致动器臂连接至框架结构，其中一个、两个、三个或四个致动器臂优选地在一个平面内。
利用致动器臂的数量，致动器本体的偏转本身和/或自由度的数量可以以简单的方式并且取决于应用目的而被优化。此外，更多数量的致动器臂有利地实现与致动器本体的特别安全的连接，因为即使致动器臂不起作用也提供与框架结构的连接。此外，更多数量的致动器臂允许更有效地配置致动器本体的偏转和/或致动，因为致动是通过多个致动器臂从多个侧面执行的。
此外，优选地存在与致动器臂的相应第一端接触的电极，以便能够通过电控制信号进行致动。因此，在优选实施方式中，存在两个、三个、四个或更多个端侧电极，即特别是电极与两个、三个、四个或更多个致动器臂的相应第一端接触。优选地，与电子设备例如电流源和/或电压源的接触可以通过在其间存在致动器臂的相对端处的电极进行，使得致动器部分中的致动器位置可以通过端侧电极来控制。有利地，不必单独地致动各个致动器臂的各个致动器部分；相反，致动器本体的有利致动可以通过端侧电子接触来执行，例如借助于电极，优选地以电极垫的形式。
借助致动器臂，可以优选地实现绕固定枢轴线或固定枢转点的倾斜或旋转。
另一方面，如果附接四个致动器臂，例如，它们基本上彼此成90°角，则这导致关于致动器本体的可移动性的更高自由度。例如，通过致动两个相对的致动器臂，致动器本体可以移动或偏转出平面。通过致动不负责平面外移动或偏转的另外两个致动器臂之一，可以叠加致动器本体的倾斜。同样，当附接四个致动器臂时，致动器本体可以在具有垂直于平面的分量的方向上倾斜。因此，可以为致动器本体创建多种移动形式和偏转选项。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器本体通过两个致动器臂连接到框架结构，其中两个致动器臂存在于平面中并且在该平面中包括大致90°的角度或大致180°的角度。
彼此大致成180°的两个致动器臂的优选布置的特征在于致动器臂的大致水平延伸，优选地其中致动器本体位于中心。优选地，借助反相的电控制信号执行致动，从而产生两个致动器臂的致动器部分的相反侧向弯曲，并且例如致动器本体离开平面的移动和/或偏转成为可能。致动器本体的这种竖直平面外的移动如图4所示。
在优选附接两个致动器臂的情况下，夹角介于大约45°至大约135°之间，优选基本上90°，致动器臂彼此基本上正交延伸。围绕第一旋转轴线的旋转或倾斜可优选地由第一致动器臂实现，并且围绕第二旋转轴线的旋转或倾斜可由第二致动器臂实现。以这种方式，可以提供MEMS致动器，其使得致动器本体能够在大角度范围内精确地进行2D倾斜。可以以这种方式提供的微镜可以有利地围绕两个轴线倾斜或旋转并且例如可以用于以有针对性和精确的方式引导激光束。
在进一步优选的实施方式中，MEMS致动器的特征在于致动器本体至少部分地具有反射表面，特别优选地以微镜的形式。
优选的MEMS致动器已被证明在微镜的背景下特别有利。因此，可以有利地实现大的偏转，特别是以相对于倾斜的大角度的形式。有利地，尤其可以通过包括两个或更多个致动器部分的致动器臂的曲折结构来实现在水平和/或竖直方向上的特别大的倾斜角。这里，本领域普通技术人员知道，根据(平面)镜反射原理，如果入射光的方向不变，将(微)镜旋转倾斜角ω，则反射角变化2ω(参见Pang等人(2022))。本领域的普通技术人员还能够将致动器本体的偏转调整到特定的倾斜角以适应特定的应用目的。有利地，当将致动器本体设计为微镜时，可以实现大视场(FoV)。这使得MEMS致动器适用于使用微镜的广泛应用，例如LiDAR应用和/或微型扫描仪。
此外，可以以特别简单的方式控制致动器本体的移动频率和/或移动形式，尤其是关于微镜的应用。例如，可以通过控制信号致动致动器臂和/或通过在框架结构和致动器本体之间放置多个致动器臂来优化移动频率。这导致致动器本体的多种操作模式已被证明对微镜有用。因此，致动器本体可以有利地经受高频率的偏转。根据本发明的致动器臂的操作原理在这方面也很出色，因为多个致动器部分可以通过控制信号同时激励。MEMS致动器的惯性因此降低，并且可以在高频下实现不衰减的精度。
例如，致动器本体可以以期望的频率围绕旋转轴线进行偏转，特别是倾斜。同样，致动器本体可以有利地准静态地操作。有利地，优选的MEMS致动器的最后提到的两个操作选项都是可用的。
此外，致动器本体可以有利地通过优选的生产过程设计用于期望的应用作为微镜。因此，可以提供致动器本体并且致动器本体的尺寸和/或几何形状可以以特别有效率的方式构造，例如通过基板的已知且简单的蚀刻过程。例如，致动器本体可具有约0.1mm至5mm、优选0.5mm至2mm的延伸。因此，特别是致动器本体的设计可以确保来自微镜的光的高输出。致动器本体的横截面可以具有例如选自以下各者的形状数字：正方形、椭圆形、圆形、矩形、三角形、五边形、六边形、八边形或任何其他规则或不规则几何形状。
特别地，优选的是致动器本体至少部分地具有反射表面。特别优选的是，致动器本体本身设计为微镜。优选地，如果致动器本体已经至少部分地具有反射表面，则它已经可以被称为微镜。特别优选地，致动器本体沿前侧具有反射表面。
优选地存在用于提供致动器本体的至少部分反射表面的多种可能性。例如，致动器本体可以由已经具有至少部分反射表面的基板形成，使得有利地不需要进一步的生产步骤并且因此产生有利的过程效率。还可以优选地通过一种或多种相应反射材料的涂覆过程施加至少部分反射的表面。
这样的反射优选地通过材料的选择来调节以产生致动器本体的至少部分反射的表面。材料的选择还优选地与要反射的光的波长范围有关。优选地，为了至少部分地提供反射表面，材料可以从以下各者中选择：铝、银和/或金。关于材料，也可以说是所谓的受保护铝、增强型铝、受保护银、裸露金和/或受保护金。
术语“受保护”优选地是指电介质的附加涂层。术语“增强型”优选地指多层电介质涂层。术语“裸露”优选指未受保护的材料。有利地，金属上的介电涂层允许更好地处理部件，增加金属涂层的耐久性并提供抗氧化保护。介电层也可以优选地使得它在某些光谱范围内增加金属涂层的反射系数。因此，可以通过致动器本体的设计通过反射系数的对应增加以特别简单的方式确保高光输出。
如果致动器本体被设计为微镜，则与微镜组合的MEMS致动器在本发明的上下文中可被称为微镜致动器。
微镜致动器可以被认为是空间光调制器。优选地，微镜致动器可以用作微型扫描仪。有利地，优选的微型扫描仪具有大的光学扫描范围，其优选地可以在高(振荡)频率下操作。有利地，可以最佳地扫描一维、二维或三维对象。微镜致动器可用作投影显示器、图像采集(例如技术和医疗内窥镜)、光谱学、激光标记和材料加工、物体测量/三角测量、3D相机、物体识别、1D和2D光幕、共聚焦显微镜和/或荧光显微镜。在微型扫描仪中，光束的调制最好在连续移动的微镜上进行。
还可以优选地将几个微镜致动器布置成阵列，由此各个微镜可以优选地随时间离散地偏转。这实现了部分光束的偏转或光束的相移效果。通过对应的阵列布置，例如以矩阵的形式，可以在合适的投影屏幕上进行图像投影。
在另一个优选实施方式中，MEMS致动器的特征在于框架结构由基板形成，基板包括优选地选自以下各者的材料：单晶硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、硅锗、氮化硅、氮化物、锗、碳、砷化镓、氮化镓的材料，磷化铟和/或玻璃。
所提及的材料在半导体和/或微系统技术中易于加工且成本低廉，适合大规模生产。由于材料和/或生产方法，优选的MEMS致动器的框架结构和/或其他部件，例如致动器部分、致动器本体等，可以灵活地生产。特别地，优选地可以在(半导体)工艺中，优选地在基板上和/或从基板上生产包括致动器臂和框架结构的优选MEMS致动器。这进一步简化了生产并降低了生产成本，从而可以以低成本提供紧凑且坚固的MEMS致动器。
在进一步的方面，本发明优选地涉及一种生成优选的MEMS致动器的方法，该方法包括以下步骤：
-蚀刻基板，优选地从前侧开始，以形成结构，优选地曲折结构，
-施加包含致动器材料的至少一个层以提供包括两个或更多个致动器部分的致动器臂，
-蚀刻基板，优选从后侧开始，以暴露致动器臂，
使得包括两个或更多个致动器部分的致动器臂在第一端连接到由基板形成的框架结构并且在第二端连接到致动器本体，其中致动器部分基本上垂直于致动器臂的纵向轴线定向，使得致动器本体的移动能够通过致动致动器部分以实现侧向弯曲来实现。
本领域普通技术人员将认识到所描述的MEMS致动器的优选实施方式的技术特征、定义和优点也适用于所描述的生产过程，并且反之亦然。
优选的生产过程已被证明是提供优选的MEMS致动器的特别过程有效的方法，因为可以使用半导体和/或微系统技术的常见过程步骤。特别地，在生产用于移动微镜的MEMS致动器的情况下，优选方法已被证明特别有用。
优选地，首先提供基板。在提供基板之后，优选蚀刻基板，优选从前侧开始，以形成结构，优选曲折结构。蚀刻基板优选地意味着去除基板材料以形成结构，优选曲折结构。去除基板材料可以是凹陷的形式，例如在基板上留下空腔。
基板的蚀刻优选使用蚀刻法(也称为蚀刻过程)来进行。在优选实施方式中，基板的蚀刻通过湿化学蚀刻过程和/或干蚀刻过程进行，优选物理和/或化学干蚀刻过程，特别优选通过反应离子蚀刻和/或反应离子深蚀刻(Bosch过程)，或通过上述蚀刻过程的组合。
上述蚀刻过程是本领域技术人员已知的。根据基板结构特别是曲折结构的期望设计，可以选择有利的过程以确保有效实施。
在基板中提供结构(优选曲折结构)之后，优选施加包含致动器材料的至少一个层以提供包含两个或更多个致动器部分的致动器臂。
优选地，施加包括致动器材料的至少一个层通过在涂覆装置内使用涂覆方法来进行。例如，涂覆方法可以选自以下各者：喷涂、雾涂和/或蒸汽涂覆。
优选地，涂覆在涂覆装置内进行，其可以是物理涂覆装置或化学涂覆装置，优选等离子体辅助化学涂覆装置、低压化学和/或外延涂覆装置。
此外，优选地执行基板的蚀刻，优选地从后侧开始，以暴露致动器臂。优选地，可以使用列举的蚀刻方法中的一种或多种来暴露致动器臂。
因此，根据优选方法，存在包括两个或更多个致动器部分的致动器臂，其在第一端连接到由基板形成的框架结构并且在第二端连接到致动器本体。致动器部分优选地基本上垂直于致动器臂的纵向轴线对准，使得致动器本体的移动可以通过致动致动器部分来实现。
优选地，致动器本体由一块基板形成，其中优选地，致动器本体的形成通过基板的对应蚀刻来执行。此外，可以优选地使致动器本体功能化，优选地通过至少部分地施加或涂覆反射材料，使得致动器本体作为微镜存在。
在进一步优选的实施方式中，该方法的特征在于通过蚀刻基板形成曲折结构，优选地从前侧开始，其中基板的曲折结构的用于形成两个或更多个致动器部分的区域被定向为垂直于基板的表面。
基板的未被蚀刻去除的部分优选用于提供曲折结构。还优选将包含致动器材料的至少一个层施加到曲折结构。优选地，施加两个层，其中两个层可以是包含致动器材料的一个层和机械支撑层或者包含致动器材料的两个层。优选地，通过施加两个层，形成机械双压电晶片，其中致动器部分应被理解为机械双压电晶片并且其通过蚀刻垂直于基板表面布置。通过优选的蚀刻，优选从后侧开始，致动器臂被暴露。
因此，曲折结构的形成致动器臂的致动器部分(竖直部分)的区域优选地形成成基本上垂直于形成框架结构和/或致动器臂的基板表面延伸。在完成的MEMS致动器中，致动器臂优选地基本上水平地延伸到(原始)基板表面(例如晶片)，而致动器部分垂直于(原始)基板表面布置。
下面将参照进一步的附图和实施方式解释本发明。示例和附图用于说明本发明的优选实施方式而不限于它们。
附图说明
图1MEMS致动器的优选实施方式的示意图
图2A至图2B具有用于偏转或倾斜致动器本体的致动器臂的MEMS致动器的优选实施方式的示意图
图3A至图3B具有用于使致动器本体绕固定旋转轴线(固定装置)倾斜的致动器臂的MEMS致动器的另一优选实施方式的示意图
图4具有用于致动器本体的竖直平移的两个相对的致动器臂的MEMS致动器的另一优选实施方式的示意图。
图5A至图5B MEMS致动器的优选实施方式的模拟
具体实施方式
图1是MEMS致动器1的优选实施方式的示意图。
MEMS致动器1包括框架结构3和致动器臂5。致动器臂5在第一端连接到框架结构3并且在第二端连接到致动器本体9。此外，致动器臂5包括曲折结构，该曲折结构包括致动器部分7，其中致动器部分7基本上垂直于致动器臂5的纵向轴线定向。此外，致动器臂5包括至少一层致动器材料(未示出)，使得致动器本体9的移动可以通过致动致动器部分7来实现。
MEMS致动器1有利地实现特别高的偏转，特别是以致动器本体9的高倾斜角的形式。致动器本体9的高倾斜角的有利实现尤其通过致动器臂5的设计成为可能，特别是通过包括致动器部分7的曲折结构，这些致动器部分基本上垂直于致动器臂5的纵向轴线定向。
曲折结构导致更大的距离并因此导致更高的力矩(力和位移的乘积)并且因此还导致致动器本体9的更高的可偏转性，特别是以更高的倾斜角的形式。
实现致动器本体9的更高偏转、特别是更高倾斜角的有益效果可用于多种应用。例如，MEMS致动器1特别适合微镜的移动和/或倾斜。有利地，MEMS致动器1可以以多种动作模式来操作。此外，有利地，优选MEMS致动器1的潜在用户可以从多个物理原理中选择操作原理，例如，通过电信号或热信号致动，以影响致动器本体9的移动。因此，使用具有曲折结构的致动器臂5来移动致动器本体9并不限于某些致动器原理。
此外，MEMS致动器1的特征在于过程高效的可生产性。MEMS致动器1可以采用微系统和/或半导体技术的常用方法，特别是曲折结构的构造以及致动器臂5的设计来提供。特别有利的是，MEMS致动器1可以由基板生产并且因此在单个过程序列内制成。例如，部件诸如框架结构3、包括致动器部分7的致动器臂5和/或致动器本体9可以由基板形成。
图2A至图2B是具有致动器臂5的优选MEMS致动器1及其用于致动器本体9的偏转或倾斜的示意图。图2A至图2B示出了致动器本体9倾斜的两个阶段。在图2A中，致动器本体沿前侧的方向(“向上”)倾斜，而在图2B中，致动器本体9沿后侧的方向(“向下”)倾斜。这里，致动器本体9的高偏转，特别是高倾斜角，通过致动致动器部分7获得。致动器本体9可以倾斜至少10°，优选至少20°，特别优选至少40°，特别优选至少60°。由于致动器本体9不是固定的，因此致动器本体9的倾斜或旋转伴随着平面外的竖直平移。
如果不期望这种平移移动，则可能优选通过固定元件来限制致动器本体9的(平移)自由度。
图3A至图3B示出了MEMS致动器1的优选实施方式的示意图，其具有连接至致动器本体9的固定元件11。固定元件11防止致动器本体9在竖直方向上平移，使得致动器本体9可以通过施加控制信号沿基本静止的枢转点和/或枢轴线倾斜。类似于图2A至图2B，在图3A中致动器本体9沿前侧的方向倾斜，而在图3B中致动器本体9沿后侧的方向倾斜。然而，与图2A至图2B的实施方式相比，没有叠加的竖直平移移动。倾斜的调整是通过固定元件11获得的。
此外，机械柔性连接器13存在于致动器臂5的连接到框架结构3的第一端。由于机械柔性连接器13，有利地在第一端处以及因此在致动器臂5与框架结构3的连接点处存在减小的机械阻力，使得致动器本体9的移动以特别低的机械阻力发生。除了柔性之外，机械柔性连接器13优选地特征在于弹性特性，以确保到优选位置的恢复力。优选地，机械柔性连接器13可以是MEMS弹簧。
图4示出了MEMS致动器1的另一个优选实施方式。
这里，MEMS致动器1包括致动器本体9，其通过两个致动器臂5连接到框架结构3。两个致动器臂5存在于一平面中并且包括大致180°的角度。两个致动器臂5的附接，特别是沿着180°角范围内的平面的附接，特别地以有效的方式允许致动器本体9偏转到平面之外。两个致动器臂5彼此基本上成180°的附接的特征在于致动器臂5的基本水平延伸，其中致动器本体9位于中心。
此外，机械柔性连接器13存在于致动器臂5的第一端和第二端，使得促进致动器本体9在致动期间的偏转和/或移动。
在图5A至图5B中，示出了MEMS致动器1的模拟，特别是在致动器臂5偏转期间。显示的模拟结果基于有限元方法。
在图5A中，在不存在致动器本体9的情况下模拟了图2A至图2B中的致动器臂5。这里示出了具有曲折结构和8个致动器部分的致动器臂5，致动器臂在第一端(在图5A中的左侧)固定到框架结构(未示出)。致动器臂的第二端——致动器本体可以附接到其上——不是固定的。在模拟移动中，第二端在发生倾斜时在正y方向(竖直方向)和负x方向(水平)上偏转或平移。第一端处的固定示出在左侧蓝色端(位移＝0)。这里的倾斜角为约8°。
从模拟中可以看出，在致动期间，各个致动器部分是可移位的，尤其是在致动器部分的竖直端侧部分处。因此，致动器臂的机械阻力，特别是致动器部分的机械阻力低于如果致动器臂由平坦或直结构提供，从而可以实现高偏转。
在图5B中，根据图4的优选形式模拟了MEMS致动器1。建模的致动器臂5固定在其第一端(位移＝0)。致动器本体9可以附接到其第二端，该第二端也由第二致动器臂5保持在相对侧，如图4所示。致动器本体9的竖直位移为约模拟中y方向上的10μm。
参考文献
Algamili、Abdullah Saleh等人的“A review of actuation and sensingmechanisms in mems-based sensor devices”，纳米研究快报16.1(2021)：1-21。
Wang,Dingkang、Connor Watkins和HuikaiXie的“MEMS mirrors for LiDAR:areview”，微型机械11.5(2020)：456。
Katal、Goldy、Nelofar Tyagi和Ashish Joshi的“Digital light processingand its future applications”，国际科研刊物期刊3.1(2013):2250-3153。
Lee,Benjamin.“Introduction to±12degree orthogonal digitalmicromirror devices(dmds)”，德州仪器(2008)：2018-02。
Sven TS、Utku Baran和Hakan Urey的“MEMS laser scanners:areview”，微机电系统杂志23.2(2014)：259-275。
Pang,Yajun等人的“Design Study of a Large-Angle Optical ScanningSystem for MEMS LIDAR”，应用科学12.3(2022)：1283。
附图标记清单
1MEMS致动器
3框架结构
5致动器臂
7致动器部分
9致动器本体
11 固定元件
13 连接器。

Claims (15)

1.一种MEMS致动器(1)，所述MEMS致动器包括框架结构(3)和至少一个致动器臂(5)，其中，所述致动器臂(5)在第一端连接到所述框架结构(3)并且在第二端连接到致动器本体(9)，其特征在于，
所述至少一个致动器臂(5)具有包括两个或更多个致动器部分(7)的曲折结构，其中，所述两个或更多个致动器部分(7)基本上垂直于所述致动器臂(5)的纵向轴线进行定向并且包括至少一层致动器材料，并且其中，所述致动器本体(9)的移动能够通过所述两个或更多个致动器部分(7)的致动来实现。
2.根据前一权利要求所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器本体(9)的移动包括平移、旋转、扭转和/或倾斜。
3.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器，其特征在于，
所述两个或更多个致动器部分(7)通过将包含致动器材料的至少一个层施加到基板的曲折结构而形成，其中优选地，所述基板的所述曲折结构的区域垂直于所述基板的表面进行定向以形成所述两个或更多个致动器部分(7)。
4.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述两个或更多个致动器部分(5)包括至少两个层，
其中优选地，一个层包括致动器材料并且第二层包括机械支撑材料，并且/或者其中，两个层(11)都包括致动器材料。
5.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器材料包括压电材料、聚合物压电材料、电活性聚合物(EAP)和/或热敏材料。
6.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器臂(5)与至少一个电极接触，并且所述致动器部分(7)由电控制信号进行致动以实现侧向弯曲或偏转。
7.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述MEMS致动器(1)具有固定元件(11)，所述固定元件连接到所述致动器本体(9)，使得所述致动器本体(9)能够通过施加所述控制信号而沿枢轴点和/或枢轴线进行倾斜。
8.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器臂(5)的所述第一端通过机械刚性或机械柔性的连接器(13)连接到所述框架结构(3)。
9.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
通过致动所述两个或更多个致动器部分(7)，所述致动器本体(9)能够围绕枢轴点倾斜至少10°、优选地倾斜至少20°、特别优选地倾斜至少40°、特别优选地倾斜至少60°。
10.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述至少一个致动器臂(5)包括不止3个、4个、5个、10个、15个、20个、30个、40个、50个、100个或更多个致动器部分(7)。
11.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器本体(9)通过一个、两个、三个或四个致动臂(5)连接到所述框架结构(3)，其中，所述一个、两个、三个或四个致动器臂(5)优选地在一个平面内。
12.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器本体(9)通过两个致动器臂(5)连接到所述框架结构，所述两个致动器臂(5)在一个平面内并且所述两个致动器臂(5)在所述平面内围成的夹角为大致90°或为大致180°。
13.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)，其特征在于，
所述致动器本体(9)至少部分地具有反射表面，所述反射表面特别优选地呈微镜的形式。
14.一种生产根据前述权利要求中的一项或更多项所述的MEMS致动器(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
-蚀刻基板，优选地从前侧开始蚀刻基板，以形成结构，优选地形成曲折结构，
-施加包含致动器材料的至少一个层以提供包括两个或更多个致动器部分(7)的致动器臂(5)，
-蚀刻所述基板，优选地从后侧开始蚀刻所述基板，以暴露所述致动器臂(5)，
使得包括所述两个或更多个致动器部分(7)的所述致动器臂(5)在第一端连接到由所述基板形成的框架结构(3)并且在第二端连接到致动器本体(9)，所述致动器部分(7)基本上垂直于所述致动器臂(5)的纵向轴线进行对准，使得所述致动器本体(9)的移动能够通过致动所述致动器部分(7)以实现侧向弯曲来实现。
15.根据前一权利要求所述的方法，其特征在于，
通过蚀刻所述基板来形成曲折结构，优选地从前侧开始蚀刻所述基板来形成曲折结构，其中，所述基板的用于形成所述两个或更多个致动器部分(7)的所述曲折结构的区域垂直于所述基板的表面进行定向。
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