CN218181211U - Mems致动器和装置 - Google Patents

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G·加特瑞
M·里亚尼
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Abstract

本公开的各实施例涉及MEMS致动器和装置。MEMS致动器包括质量块，质量块沿第一方向被悬置在衬底上方并且在限定垂直于第一方向的第二和第三方向的平面中延伸。被布置在衬底与质量块之间的弹性元件沿平行于第一方向的方向具有第一柔量，第一柔量小于沿平行于第二方向的方向的第二柔量。压电致动结构具有相对于衬底固定的部分和响应于致动电压而沿第一方向变形的部分。被耦合到压电致动结构的移动变换结构包括弹性移动转换结构，弹性移动转换结构被布置在压电致动结构与质量块之间。弹性移动转换结构在由第一和第二方向形成的平面中是柔性的，并且具有横向于第一和第二方向的第一轴线和第二惯性主轴线。保证了位移精度更高，使MEMS致动器的机械性能改进。

Description

MEMS致动器和装置
技术领域
本公开涉及MEMS致动器和装置，并且涉及一种包括MEMS致动器的光学模块。
背景技术
众所周知，广泛使用通过MEMS技术获得的致动器，从诸如硅之类的半导体材料制成的晶片开始，这些致动器并入例如用于光学应用的设备、机电开关、以及用于微流体应用的微型泵和微型阀中。
MEMS致动器允许获得具有小尺寸、低能耗和高致动精度的设备。
一般而言，MEMS致动器包括衬底、在衬底上方以特定高度处被悬置的可移动质量块、以及被配置为使用静电、压电或电磁类型的致动原理引起可移动质量块的位移的致动系统。
在特定应用中，期望致动系统引起可移动质量块的平面内平移，即，以便不会修改可移动质量块相对于衬底的高度。
比如，于2020年12月16日提交的其内容在法律允许的最大范围内通过引用全文并入的美国专利申请号17/124,027公开了一种以下所简要描述的光学装置，该光学装置并入利用静电致动原理的MEMS致动器。
详细地，图1和图2示出了笛卡尔参考系XYZ中的光学装置1，包括第一轴线X、第二轴线Y和第三轴线Z。
光学装置1包括衬底5、支撑框架7、以及通过支撑框架7固定到衬底5上的光学层10。
光学检测器13(特别是二维单光子雪崩二极管(SPAD)阵列)和激光源16(特别是垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列)结合在衬底5面向光学层10的表面上。
光学层10形成多个锚固部分19，该多个锚固部分19与支撑框架7、可移动质量块21、以及将可移动质量块21弹性耦合到相应锚固部分19的多个弹性耦合结构23成一体。
弹性耦合结构23被配置为沿着第一轴线X是柔性的而沿着第二轴线Y和第三轴线Z是刚性的。
光学层10还支撑传输透镜25和接收透镜27，它们两者均由可移动质量块21支撑。
详细地，传输透镜25布置在激光源16上方，而接收透镜27布置在光学检测器13上方。
装置1还包括第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B，它们关于平行于第二轴线Y的中轴线相互对称。
第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B各自包括固定致动部分33、固定电极组35和移动电极组37。
固定致动部分33固定到支撑框架7，并且固定电极组35中的电极各自从相应固定致动部分33沿着平行于第一轴线X的方向朝向可移动质量块21延伸。
移动电极组37中的电极各自从可移动质量块21沿着平行于第一轴线X的方向朝向相应固定致动部分33延伸。
详细地，移动电极组37的电极沿着第二轴线Y相对于固定电极组35的电极交错，以形成梳状结构。换言之，移动电极组37的电极和固定电极组35的电极相互交叉。
使用时，激光源16生成朝向光学层10传播并且横穿传输透镜25的发射光束40。传输透镜25修改发射光束40的形状，从而生成沿着平行于第三轴线Z的方向远离装置1传播的经修改光束42。
当经修改光束42遇到对象(本文中未示出)时，经修改光束42的一部分44被障碍物反射，并且撞击在接收透镜27上。接收透镜27被配置为聚焦经修改光束42的部分44，从而生成入射在光学检测器13上的聚焦光束46。
光学装置1被配置为测量发射光束40的发送与聚焦光束46的接收之间经过的时间(飞行时间)。根据飞行时间的测量，光学装置1能够计算对象与光学装置1之间的距离。飞行时间实际上是对象与光学装置1之间距离的函数。
通过在固定电极组33与移动电极组35之间施加电压，沿着第一轴线X生成静电力，这导致可移动质量块21沿着平行于第一轴线X的方向对应平移。
这使得传输透镜25修改发射光束的传播方向，从而生成倾斜光束42A。倾斜光束42A相对于第三轴线Z形成一个角度，该角度根据可移动质量块21的位置而变化；因此，它将撞击障碍物的不同部分，从而形成倾斜反射光束44A。
倾斜反射光束44A通过该接收透镜27聚焦在光学检测器13上。
因此，对应飞行时间指示对象的第二部分与光学装置1之间的距离。
通过测量与可移动质量块21的不同位置相关联的飞行时间，可以获得对象的三维重建。
为了完整地扫描对象，可移动质量块21沿着第一轴线X移动很大的量，例如，大于50μm。
第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B(例如，使用DC偏置电压)的准静态致动可能导致可移动质量块21的平面内位移的小值，例如，包括在10μm与20μm之间。
因而，第一静电致动系统30A和第二静电致动系统30B谐振致动；即，施加频率等于可移动质量块21的谐振频率的信号。
谐振致动导致可移动质量块21沿着第一轴线X的位移具有时间正弦曲线。
然而，在一些应用中，期望可移动质量块21沿着第一轴线X的位移遵循不同的时间曲线，例如，线性或阶梯状曲线。
实用新型内容
一般而言，MEMS致动器包括衬底、在衬底上方以特定高度处被悬置的可移动质量块、以及被配置为使用静电、压电或电磁类型的致动原理引起可移动质量块的位移的致动系统。在特定应用中，期望致动系统引起可移动质量块的平面内平移，即，以便不会修改可移动质量块相对于衬底的高度。因此需要具有小尺寸、低能耗和高致动精度的MEMS致动器。
在本公开的第一方面，提出了一种MEMS致动器，该MEMS致动器包括：衬底；可移动质量块，在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在衬底上方，并且在由垂直于第一方向的第二方向和第三方向限定的延伸平面中延伸；弹性元件，被布置在衬底与可移动质量块之间，弹性元件具有平行于第一方向的第一柔量和平行于第二方向的第二柔量，第一柔量小于第二柔量；多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，固定部分相对于衬底固定，可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于第一方向的方向变形；以及多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：弹性移动转换结构，被布置在压电致动结构中的相应压电致动结构与可移动质量块之间；每个弹性移动转换结构沿着平行于由第一方向和第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且其中第一惯性主轴线和第二惯性主轴线相对于第一方向和第二方向横向，使得压电致动结构在移动变换平面中的变形引起可移动质量块沿着第二方向的对应移动。
在一些实施例中，可移动质量块具有相对于平行于移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中弹性元件与可移动质量块的第一侧和第二侧相邻布置，并且移动变换结构与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻布置。
在一些实施例中，与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻的移动变换结构的弹性移动转换结构具有沿着第二方向平移的相互相等的形状。
在一些实施例中，每个弹性移动转换结构包括至少一个伸长结构，至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分、以及多个横向部分，第一伸长部分和第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于第三方向延伸，并且沿着第一方向被布置在与衬底相距不同的高度处，每个横向部分在第一伸长部分与第二伸长部分之间延伸。
在一些实施例中，至少一个伸长结构是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还包括被耦合到第一伸长结构的第二伸长结构，第二伸长结构在MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。
在一些实施例中，第二伸长结构等于第一伸长结构并且沿着第二方向平移。
在一些实施例中，弹性元件和移动变换结构相对于第三方向是刚性的。
在一些实施例中，压电致动结构平行于第三方向延伸并且具有自由端，其中移动变换结构各自还包括在相应压电致动结构的自由端与相应弹性移动转换结构的第一端之间延伸的弹性平移结构，每个弹性平移结构被配置为将相应可变形结构的自由端的移动转变成相应弹性移动转换结构的第一端的平行于第一方向的平移。
在一些实施例中，每个弹性平移结构包括弹性解耦结构和加强结构，弹性解耦结构被配置为沿着平行于第一方向和第三方向的方向变形，其中加强结构在弹性解耦结构与弹性移动转换结构之间沿着第三方向延伸。
在一些实施例中，加强结构形成围绕可移动质量块和弹性移动转换结构的框架，弹性移动转换结构相对于框架固定，每个解耦结构和每个压电致动结构相对于框架被布置在外部。
在一些实施例中，压电致动结构各自包括第一部分和被耦合到第一部分的第二部分，第一部分和第二部分各自具有伸长结构，并且沿着彼此平行的方向延伸，第一部分被耦合到相应移动变换结构，第二部分被耦合到衬底，第一部分和第二部分被连接到不同的偏置结构，偏置结构被配置为沿着第一方向和平行于第一方向且与第一方向相反的第四方向变形。
在一些实施例中，MEMS致动器还包括检测元件组，检测元件组被耦合到压电致动结构。
在一些实施例中，检测元件组是压电类型或压阻类型。
在一些实施例中，可移动质量块、弹性元件、压电致动结构、以及移动变换结构由在静止时基本为平面的单片体形成，单片体包括半导体层。
在本公开的第二方面，提出了一种装置，该装置包括：光学模块，包括：MEMS致动器，包括：衬底；可移动质量块，可移动质量块在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在衬底上方，并且在限定垂直于第一方向的第二方向和第三方向的延伸平面中延伸；弹性元件，被布置在衬底与可移动质量块之间，弹性元件具有平行于第一方向的第一柔量和平行于第二方向的第二柔量，第一柔量小于第二柔量；多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，固定部分相对于衬底固定，可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于第一方向的方向变形；以及多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：弹性移动转换结构，被布置在压电致动结构中的相应压电致动结构与可移动质量块之间；每个弹性移动转换结构沿着平行于由第一方向和第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且其中第一惯性主轴线和第二惯性主轴线相对于第一方向和第二方向横向，使得压电致动结构在移动变换平面中的变形引起可移动质量块沿着第二方向的对应移动；光源，由MEMS致动器的衬底支撑，并且被配置为生成朝向可移动质量块传播的初始光束；光学检测器，由MEMS致动器的衬底支撑，并且被配置为检测传入光束；输出光学元件，由可移动质量块支撑并且面向光源，输出光学元件被配置为根据光源与输出光学元件之间的相对位置修改初始光束的传播方向，从而生成输出光束；以及输入光学元件，被配置为将传入光束聚焦在光学检测器上。
在一些实施例中，可移动质量块具有相对于平行于移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中弹性元件与可移动质量块的第一侧和第二侧相邻布置，并且移动变换结构与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻布置。
在一些实施例中，与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻的移动变换结构的弹性移动转换结构具有沿着第二方向平移的相互相等的形状。
在一些实施例中，每个弹性移动转换结构包括至少一个伸长结构，至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分、以及多个横向部分，第一伸长部分和第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于第三方向延伸，并且沿着第一方向被布置在与衬底相距不同的高度处，每个横向部分在第一伸长部分与第二伸长部分之间延伸。
在一些实施例中，至少一个伸长结构是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还包括被耦合到第一伸长结构的第二伸长结构，第二伸长结构在MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。
在一些实施例中，装置用于扫描被布置在与装置相距一定距离处的对象的光束；并且还包括：第一电路，被配置为测量初始光束的发射与反射光束的接收之间的飞行时间；以及第二电路，被配置为向MEMS致动器的压电致动结构施加偏置电压，偏置电压引起可移动质量块沿着第二方向的移动，其中可移动质量块的移动改变输出光学元件与光源之间的相对位置，从而修改输出光束的传播方向。
其中弹性转换结构保证了可移动质量块的位移精度更高。因此，MEMS致动器具有改进的机械性能。
附图说明
为了更好地理解，现在，仅通过非限制性示例参考附图对一些实施例进行描述，其中
图1示出了已知光学装置的俯视平面图；
图2是图1的光学装置沿着图1的剖面线II-II的横截面。
图3示出了本MEMS致动器的俯视平面图；
图4是图3的MEMS致动器沿着图3的剖面线IV-IV的横截面；
图5是图3的MEMS致动器沿着图3的剖面线V-V的横截面；
图6示出了图3的MEMS致动器的另一放大细节的俯视平面图；
图7示出了图3的MEMS致动器的另一放大细节的俯视平面图；
图8是图7的细节沿着图7的剖面线VIII-VIII的横截面；
图9是图7的细节沿着图7的剖面线IX-IX的横截面；
图10是图7的细节沿着图7的剖面线X-X的横截面；
图11是图4的细节在使用时的示意图；
图12示出了图3的MEMS致动器在使用时的图5的横截面；
图13示出了根据不同实施例的本MEMS致动器的俯视平面图；
图14是图13的MEMS致动器在操作条件下使用时的细节的示意性横截面；
图15是图13的MEMS致动器在图14的操作条件下使用时沿着图13的剖面线XV-XV的横截面；
图16至18分别示出了根据相应实施例的本MEMS致动器的俯视平面图；
图19示出了包括本光学模块的装置的框图；
图20是并入图3的MEMS致动器的本光学模块在第一使用条件下的横截面；
图21示出了图20的光学模块的光源的空间分布的俯视平面图；
图22示出了入射在图20的光学模块的光学检测器上的光束的空间分布的俯视平面图；
图23是并入图3的MEMS致动器的本光学模块在第二使用条件下的横截面；
图24至图28各自示出了根据相应实施例的本光学模块的横截面；
图29示出了根据不同实施例的本光学模块的俯视平面图；以及
图30是图29的光学模块沿着图29的剖面线XXX-XXX的横截面视图。
具体实施方式
本文中公开了一种MEMS致动器，包括衬底；可移动质量块，该可移动质量块在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在衬底上方并且在限定垂直于第一方向的第二方向和第三方向的延伸平面中延伸；弹性元件，布置在衬底与可移动质量块之间，该弹性元件具有平行于第一方向的第一柔量和平行于第二方向的第二柔量，第一柔量小于第二柔量；压电致动结构，每个压电致动结构具有相对于衬底固定的固定部分和被配置为响应于致动电压而沿着平行于第一方向的方向变形的可移动部分；以及移动变换结构。每个移动变换结构包括弹性移动转换结构，布置在压电致动结构中的相应压电致动结构与可移动质量块之间，每个弹性移动转换结构沿着平行于由第一方向和第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的并且在移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线，第一惯性主轴线和第二惯性主轴线相对于第一方向和第二方向横向，使得压电致动结构在移动变换平面中的变形使得可移动质量块沿着第二方向对应移动。
可移动质量块可以具有相对于平行于移动变换平面的中平面相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于第三方向的中轴线相对的第三侧和第四侧，其中弹性元件与可移动质量块的第一侧和第二侧相邻布置，并且移动变换结构与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻布置。
与可移动质量块的第三侧和第四侧相邻的移动变换结构的弹性移动转换结构可以具有沿着第二方向平移的相互相等的形状。
每个弹性移动转换结构可以包括至少一个伸长结构，该至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分和多个横向部分，第一伸长部分和第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于第三方向延伸，并且沿着第一方向布置在与衬底相距不同的高度处，每个横向部分在第一伸长部分与第二伸长部分之间延伸。
至少一个伸长结构可以是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还可以包括耦合到第一伸长结构的第二伸长结构，该第二伸长结构在MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。
第二伸长结构可以等于第一伸长结构并且沿着第二方向平移。
弹性元件和移动变换结构可以相对于第三方向是刚性的。
压电致动结构可以平行于第三方向延伸并且可以具有自由端，其中移动变换结构各自还包括在相应压电致动结构的自由端与相应弹性移动转换结构的第一端之间延伸的弹性平移结构，每个弹性平移结构被配置为将相应可变形结构的自由端的移动转变成相应弹性移动转换结构的第一端的平行于第一方向的平移。
每个弹性平移结构可以包括弹性解耦结构和加强结构，弹性解耦结构被配置为沿着平行于第一方向和第三方向的方向变形，其中加强结构在弹性解耦结构与弹性移动转换结构之间沿着第三方向延伸。
加强结构可以形成围绕可移动质量块和弹性移动转换结构的框架，弹性移动转换结构相对于框架固定，每个解耦结构和每个压电致动结构相对于框架布置在外部。
压电致动结构可以各自包括第一部分和耦合到第一部分的第二部分，第一部分和第二部分各自具有伸长结构并且沿着彼此平行的方向延伸，第一部分耦合到相应移动变换结构，第二部分耦合到衬底，第一部分和第二部分连接到不同的偏置结构，该偏置结构被配置为沿着第一方向和平行于第一方向且与第一方向相反的第四方向变形。
检测元件组可以耦合到压电致动结构。
检测元件组可以是压电或压阻类型。
可移动质量块、弹性元件、压电致动结构和移动变换结构可以由在静止时基本为平面的单片体形成，该单片体包括半导体材料层。
本文中还公开了一种装置，包括光学模块。光学模块包括MEMS致动器，MEMS致动器包括衬底；可移动质量块，该可移动质量块在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在衬底上方并且在限定垂直于第一方向的第二方向和第三方向的延伸平面中延伸；弹性元件，布置在衬底与可移动质量块之间，该弹性元件具有平行于第一方向的第一柔量和平行于第二方向的第二柔量，第一柔量小于第二柔量；压电致动结构，每个压电致动结构具有相对于衬底固定的固定部分和被配置为响应于致动电压而沿着平行于第一方向的方向变形的可移动部分；以及移动变换结构。每个移动变换结构包括弹性移动转换结构，布置在压电致动结构中的相应压电致动结构与可移动质量块之间，每个弹性移动转换结构沿着平行于由第一方向和第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的并且在移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线，第一惯性主轴线和第二惯性主轴线相对于第一方向和第二方向横向，使得压电致动结构在移动变换平面中的变形使得可移动质量块沿着第二方向对应移动。
光源由MEMS致动器的衬底支撑并且被配置为生成朝向可移动质量块传播的初始光束。光学检测器由MEMS致动器的衬底支撑，并且被配置为检测传入光束。输出光学元件由可移动质量块支撑并且面向光源，输出光学元件被配置为根据光源与输出光学元件之间的相对位置修改初始光束的传播方向，从而生成输出光束。输入光学元件被配置为将传入光束聚焦在光学检测器上。
装置可以用于扫描布置在与装置相距一定距离处的对象的光束。装置还可以包括第一电路，被配置为测量初始光束的发射与反射光束的接收之间的飞行时间；第二电路，被配置为向MEMS致动器的压电致动结构施加偏置电压，该偏置电压使得可移动质量块沿着第二方向移动，其中可移动质量块的移动改变输出光学元件与光源之间的相对位置，从而修改输出光束的传播方向。
以下描述涉及所表示的布置；因此，诸如“上方”、“下方”、“顶”、“底”、“右”、“左”之类的表达式是指附图，并且不应以限制方式进行解释。
图3至图5示出了笛卡尔参考系XYZ中的MEMS致动器100，包括第一轴线X、第二轴线Y和第三轴线Z。
在该实施例中，MEMS致动器100关于平行于笛卡尔参考系XYZ的平面YZ的对称平面S对称。
MEMS致动器100形成于本体101中，本文中包括衬底105、结构本体107和支撑本体110。
衬底105具有表面105A并且例如由半导体材料、玻璃或塑料制成。
结构本体107具有第一表面107A和第二表面107B，并且沿着第三轴线Z从衬底105的表面105A延伸一段距离。
支撑本体110在衬底105和结构本体107之间延伸。
支撑本体110可以由与衬底105相同的材料制成，也可以由不同的材料制成。例如，它可以与衬底105一体或结合到其上。
本文中的支撑本体110形成多个支柱113，其中一个柱在图4中可见，该多个支柱113在衬底105的表面105A与结构本体107的第二表面107B之间延伸。
结构本体107由半导体材料，例如，多晶硅制成，并且本文中由单个半导体材料层形成。然而，一般而言，结构本体107可以由彼此堆叠的一个或多个半导体材料层形成。
进一步地，根据一个实施例，结构本体107还可以包括在制造期间有用的一个或多个绝缘材料层，例如，氧化硅层。
结构本体107总体上是平面的，并且具有沿着第三轴线Z的厚度tS，包括例如在5μm与50μm之间。
结构本体107在支撑本体110上方延伸。特别地，结构本体107的第二表面107B结合在支柱113上。
结构本体107形成多个第一锚固区域117和第二锚固区域118和悬置区域115，该第一锚固区域117和第二锚固区域118各自在相应支柱113上方延伸。实际上，第一锚固区域117和第二锚固区域118和悬置区域115相对于彼此一体，并且由同一层或层堆叠形成。
第一锚固区域117和第二锚固区域118将结构本体107固定到衬底105上，并且形成悬置区域115的约束区域。
静止时，悬置区域115在沿着第三轴线Z测量的静止高度H1处(图5)被悬置在衬底105上方。
在所图示的实施例中，结构本体107的悬置区域115被成形为形成可移动质量块120、两个弹性约束结构123A、123B、四个变换结构126和四个致动结构130。
可移动质量块120本文中在俯视图中的形状总体上为矩形。详细地，可移动质量块120具有第一侧L1和第二侧L2，该第一侧L1和第二侧L2平行于第二轴线Y延伸并且各自沿着第二轴线Y具有例如包括在100μm与4mm之间的长度，具体地，2mm。更进一步地，可移动质量块120具有第三侧L3和第四侧L4，该第三侧L3和第四侧L4平行于第一轴线X延伸并且沿着第一轴线X具有例如包括在100μm与4mm之间的长度，具体地，1mm。
在本实施例中，弹性约束结构123A、123B分别由在可移动质量块120的第一侧L1上平行于第一轴线X延伸的多个第一耦合元件133A和在可移动质量块120的第二侧L2上平行于第一轴线X延伸的多个第二耦合元件133B形成。
详细地，第一耦合元件133A各自沿着第一轴线X在可移动质量块120的第一侧L1与相应第二锚固区域118之间延伸。
第二耦合元件133B各自沿着第一轴线X在可移动质量块120的第二侧L2与相应第二锚固区域118之间延伸。
详细而地，本文中，第一耦合元件133A等同于第二耦合元件133B，并且相对于对称平面S与第二耦合元件133B对称。
第一耦合元件133A和第二耦合元件133B沿着第二轴线Y是柔性的，而沿着第一轴线X和第三轴线Z是刚性的。为此，在该实施例中，第一耦合元件133A和第二耦合元件133B各自沿着第二轴线Y的宽度小于沿着第三轴线Z的相应厚度tS，并且具有沿着第一轴线X的相应长度。
致动结构130各自具有固定端F和自由端M，该固定端F固定到相应第一锚固区域117，该自由端M耦合到相应变换结构126。
致动结构130包括第一致动结构130A、第二致动结构130B、第三致动结构130C和第四致动结构130D，它们各自布置在可移动质量块120的相应拐角处。
第一致动结构、第二致动结构、第三致动结构和第四致动结构130A至130D各自在相应固定端F与相应自由端M之间沿着平行于第一轴线X的方向延伸。
第一致动结构、第二致动结构、第三致动结构和第四致动结构130A至130D各自形成悬臂梁，该悬臂梁具有沿着第一轴线X测量的包括例如在500μm与4mm之间的长度和沿着第二轴线Y测量的例如包括在100μm和2mm之间的长度。
MEMS致动器100包括多个压电致动元件135，该多个压电致动元件135各自在结构本体107的第一表面107A上在相应致动结构130上方延伸。
在该实施例中，压电致动元件135各自在笛卡尔参考系XYZ的平面XY中占据相应致动结构130的总体上相同的面积；即，它们各自总体上贯穿相应致动结构130的沿着第一轴线X和沿着第二轴线Y的整个长度延伸。
压电致动元件135是电容器结构，电容器结构各自包括由在结构本体107的第一表面107A上方延伸的底部电极137、直接布置在底部电极137上的压电区域139和直接布置在压电区域139上的顶部电极141形成的堆叠。
底部电极137和顶部电极141可以各自由一个或多个导电材料层形成。
压电区域139是薄压电材料层，例如，锆钛酸铅(PZT)、BaTiO3、KNN(铌酸钠和铌酸钾)、PbTiO2或PbNb2O6层，其厚度例如包括在0.5μm与5μm之间。
底部电极137和顶部电极139通过本文中未图示的特定电连接迹线电耦合到偏置电路。
变换结构126各自在相应致动结构130的移动端M与可移动质量块120之间延伸。
变换结构126包括第一变换结构126A、第二变换结构126B、第三变换结构126C和第四变换结构126D。
本文中，第一变换结构126A在第一致动结构130A的自由端Mu与可移动质量块120的第三侧L3的相应部分之间延伸。第二变换结构126B在第二致动结构130B的自由端M与可移动质量块120的第三侧L3的相应部分之间延伸。第三变换结构126C在第三致动结构130C的自由端M与可移动质量块120的第四侧L4的相应部分之间延伸。第四变换结构126D在第三致动结构130D的自由端M与可移动质量块120的第四侧L4的相应部分之间延伸。
详细地，变换结构126A至126D各自包括弹性解耦结构150和弹性转换结构160。变换结构126A至126D还包括两个加强结构155，该两个加强结构155在可移动质量块120旁边本文中平行于第一轴线X延伸。特别地，在该实施例中，第一变换结构126A和第二变换结构126B共享同一加强结构155，并且第三变换结构126C和第四变换结构126D共享同一加强结构155。
每个弹性解耦结构150具有耦合到相应致动结构130的自由端M的第一端和耦合到相应加强结构155的端K1的第二端。
如图6所示，在该实施例中，每个弹性解耦结构150形成环状闭合结构。
详细地，解耦结构150包括第一耦合部162A与第二耦合部162B、第一初级臂164A与第二初级臂164B、以及第一次级臂166A与第二次级臂166B。
第一初级臂164A和第二初级臂164B沿着平行于第一轴线X的方向以相互距离延伸并且各自都具有矩形纵横比。第一初级臂164A和第二初级臂164B各自具有沿着第二轴线Y测量的长度，该长度大于沿着第一轴线X测量的相应长度。
第一次级臂166A和第二次级臂166B各自在第一初级臂164A的相应端与第二初级臂164B的相应端之间沿着平行于第一轴线X的方向延伸。第一次级臂166A和第二次级臂166B具有沿着第一轴线X测量的长度，该长度小于沿着第二轴线Y测量的第一初级臂164A和第二初级臂164B的长度。
第一耦合部分162A在相应致动结构130的自由端M与第一初级臂164A之间沿着平行于第一轴线X的方向延伸，特别是延伸到第一初级臂164A的中间部分。
第二耦合部分162B在相应加强结构155的端K1与第二初级臂164B之间沿着平行于第一轴线X的方向延伸，特别是延伸到第二初级臂164B的中间部分。
加强结构155在相应解耦结构150与相应弹性转换结构160之间延伸，并且将它们以机械方式耦合在一起。
在本实施例中，加强结构155沿着平行于第一轴线X的方向延伸，并且在俯视平面图中具有矩形形状。
弹性转换结构160的描述是指在于2020年2月25日提交的意大利专利申请号102020000003868中描述的弹性变换元件，其内容通过引用整体并入。
第一变换结构、第二变换结构、第三变换结构和第四变换结构126A至126D的弹性转换结构160总体上彼此相等并且在平面XY中平移。详细地，第一变换结构126A的弹性转换结构160与第二变换结构126B的弹性转换结构160相对于对称平面S对称，等同于第四变换结构126D的弹性转换结构160，并且相对于第四变换结构126D的弹性转换结构160沿着第二轴线Y平移。第三变换结构126C的弹性转换结构160与第四变换结构126D的弹性转换结构160相对于对称平面S对称，等同于第二变换结构126B的弹性转换结构160，并且相对于第二变换结构126B的弹性转换结构160沿着第二轴线Y平移。
弹性转换结构160各自在耦合到相应加强结构155的相应第一连接端E1与耦合到可移动质量块120的相应第二连接端E2(本文中具体地，耦合到可移动质量块120的相应拐角)之间延伸。
弹性转换结构160沿着平行于第二轴线Y和第三轴线Z的方向是柔性的，并且沿着平行于第一轴线X的方向是刚性的。
针对第一变换结构126A，通过示例，如图7所示，弹性转换结构160均由相应第一部分160A和相应第二部分160B形成，它们彼此等同，并且相对于彼此沿着第二轴线Y平移。实际上，弹性转换结构160在俯视平面图中具有折叠结构。
转换结构160的第一部分160A和第二部分160B包括相应顶部伸长部分170和相应底部伸长部分175，它们在静止时具有沿着平行于第一轴线X的方向延伸的伸长形状。
根据图8至图10的横截面，可以看出，顶部伸长部分170和底部伸长部分175沿着第二轴线Y布置在一定距离处，并且沿着第三轴线Z布置在不同高度处。
详细地，考虑MEMS致动器100所表示的方位，其中结构本体107布置在支撑本体110和衬底105上方，顶部伸长部分170布置在底部伸长部分175上方。
转换结构160的第一部分160A和第二部分160B还包括在每个顶部伸长部分170与相应底部伸长部分175之间延伸的横向部分180。
横向部分180的数目和间隔可以根据弹性转换结构160的期望弹性来进行选择。在任何情况下，若干个横向部分180的存在使得对应顶部伸长部分170和底部伸长部分175能够机械耦合，因此有助于防止它们以独立方式变形。
另外，弹性转换结构160各自包括第一连接部分185A、第二连接部分185B和第三连接部分185C。
第一连接部分185A耦合相应的第一部分160A和第二部分160B。详细地，第一连接部分185A在第一部分160A的底部伸长部分175的第一端与第二部分160B的顶部伸长部分170的第一端之间延伸，并且耦合到第一部分160A的底部伸长部分175的第一端和第二部分160B的顶部伸长部分170的第一端。
第二连接部分185B耦合到第一部分160A的顶部伸长部分170的第二端，并且第三连接部分185C耦合到第二部分160B的底部伸长部分175的第二端。
详细地，在第一变换结构126A和第二变换结构126B中，第二连接部分185B形成第一连接端E1，并且将弹性转换结构160连接到相应加强结构155；第三连接部185C形成第二连接端E2，并且将弹性转换结构160连接到可移动质量块120。
相反，在第三变换结构126C和第四变换结构126D中，第二连接部分185B形成第二连接端E2，并且将相应弹性转换结构160连接到可移动质量块120；第三连接部分185C形成第一连接端E1，并且将相应的弹性转换结构160连接到相应加强结构155。
图9的横截面示出了包括第一局部轴线L1、第二局部轴线L2和第三局部轴线L3的第一三元局部笛卡尔轴线L1、L2、L3以及包括第一局部轴线L'1、第二局部轴线L'2和第三局部轴线L'3的第二三元局部笛卡尔轴线L'1、L'2、L'3。
第一局部轴线L1、L'1、第二局部轴线L2、L'2和第三局部轴线L3、L'3分别平行于笛卡尔坐标系XYZ的第一轴线X、第二轴线Y和第三轴线Z。
详细地，局第一三元部笛卡尔轴线L1、L2、L3具有以图9所示的转换结构160的第一部分160A的截面的质心为中心的原点。第二三元局部笛卡尔轴线L'1、L'2、L'3具有以图9所示的转换结构160的第二部分160B的截面的质心为中心的原点。
图9还示出了转换结构160的第一部分160A的截面的惯性主轴线I'1、I'2和转换结构160的第二部分160B的截面的惯性主轴线I”1、I”2。
惯性主轴线I'1、I'2相对于转换结构160的第一部分160A的第二局部轴线L2和第三局部轴线L3横向，并且惯性主轴线I”1、I”2相对于转换结构160的第二部分160B的第二局部轴线L'2和第三局部轴线L'3横向。
在该实施例中，对于弹性转换结构160的第一部分160A和第二部分160B的每个横截面(沿着平行于平面YZ的方向截取)，惯性主轴线I”1、I”2、I”1、I”2的方位相同。
进一步地，对于弹性转换结构160的第一部分160A和第二部分160B的每个横截面，可以通过积分计算相对于由第一部分160A的第二局部轴线L2和第三局部轴线L3和第二部分160B的第二局部轴线L'2和第三局部轴线L'3形成的对应一对局部轴线的离心惯性矩IC：
IC＝∫∫r1r2dA，
其中r1和r2是截面的每个点分别与第一部分160A第二局部轴线L2和第三局部轴线L3和第二部分160B的第二局部轴线L'2和第三局部轴线L'3相距的距离，并且dA是截面的面积单位。
由于第二局部轴线L2和第三惯性轴线L3以及第二局部轴线L'2和第三局部轴线L'3分别并非第一部分160A的横截面和第二部分160B的横截面的对称轴线，因此不与相应惯性主轴线I'1、I'2和I”1、I”2重合，所以离心惯性矩IC不为零。
这意味着沿着相对于第一惯性主轴线I'1、I'2或第二惯性主轴线I”1、I”2横向的方向施加的力会导致弹性转换结构160的对应截面偏斜弯曲。
也就是说，例如，平行于第三局部轴线L3施加的力导致沿着第三局部轴线L3和沿着第二局部轴线L2的后续变形。换言之，平行于第三轴线Z施加到弹性转换结构160的力导致平行于第三轴线Z和平行于笛卡尔坐标系XYZ的第二轴线Y的变形。
使用时，当期望移动可移动质量块120时，在压电致动元件135(特别是，所有压电致动元件135)的顶部电极141和底部电极137(图4)之间施加偏置电压。
针对第一致动结构130A，如图11所示，如果偏置电压不为零，则它会导致压电区域139的变形，因此导致与其一体的对应致动结构130变形。
详细地，每个致动结构130沿着相对于平面XY横向的方向弯曲。对于每个致动结构130，由于固定端F被约束到结构本体107的相应第一锚固区域117，所以它不移动，而自由端M向上弯曲。特别地，自由端M沿着第三轴线Z向上平移，并且围绕平行于第一轴线X的轴线旋转。
被约束到致动结构130的移动端M的解耦结构150因此向上移位。
因此，通过解耦结构150其端被约束到沿着相反方向转动的两个致动结构130的加强结构155也沿着第三轴线Z向上移位，但不转动。
事实上，解耦结构150经历变形，并且允许在其端K1处抵消致动结构130的自由端M的旋转。
换言之，每个解耦结构150的端K1向上平移，但不转动。
加强结构155的平移还导致弹性转换结构160的第一连接端E1沿着第三轴线Z向上平移。与该平移相关联的是平行于第三轴线Z的垂直力。
总体上，垂直力不会在第一连接端E1处引起歪斜弯曲，因为它们相对于加强结构155固定。
相反，局部力作用在弹性转换结构160的中间部分上，该中间部分不被约束到加强结构155，这取决于垂直力和与之平行的s。
因此，所述中间部分受制于歪斜弯曲，如图12所示。
在图12中，为了清楚起见，加强结构155、可移动质量块120和弹性转换结构160由实线表示以指示在致动条件下使用的相应位置，并且由虚线表示以指示相应静止位置。
在致动的条件下，加强结构155布置在相对于衬底105的大于静止高度H1的工作高度H2处。
可以通过改变偏置电压的值来修改工作高度H2。更进一步地，工作高度H2取决于致动结构130和压电致动元件135的几何参数和结构参数，例如，材料和尺寸，这些参数可以在设计阶段根据特定应用的要求确定。
特别地，每个中间部分的歪斜弯曲相对于衬底105经历：i)平行于轴线Z的平移；ii)平行于轴线Y的平移；iii)在平面YZ中的旋转。
然而，总体上，作用在弹性转换结构160(图7)的第二连接端E2上的局部力不会导致平行于轴线Z的平移，由于可移动质量块120以机械方式耦合到耦合元件133A、133B(图3)，它们相对于平行于第三轴线Z的移动是刚性的。
因此，每个弹性转换结构160的第二连接端E2沿着由图12中的箭头示意性地表示的第一移动方向M1平行于第二轴线Y平移。因此，可移动质量块120也沿着第一移动方向M1平行于第二轴线Y平移。
总体上，可移动质量块120因此相对于衬底105在使用时保持在静止高度H1处。
事实上，考虑到沿着第二轴线Y的高水平平移，例如，大于50μm的高水平平移，可移动质量块120沿着第三轴线Z经历比其厚度tS小得多的垂直平移，例如，小于3μm。
进一步地，再次参考图12，转换结构160的第一部分160A的中间部分相对于衬底105处于第一中间高度H3处，该第一中间高度H3小于工作高度H2。转换结构160的第二部分160B的中间部分相对于衬底105处于第二中间高度H4，该第二中间高度H4小于第一中间高度H3并且大于静止高度H1。
同时，仍参考图12，转换结构160的第一部分160A的中间部分沿着第一移动方向M1经历平行于第二轴线Y的平移，该平移小于转换结构160的第二部分160B的中间部分的平行于第二轴线Y的平移。
实际上，弹性转换结构160将致动结构130的平面外(即，沿着轴线Z)的垂直平移(例如，包括在1μm与200μm之间)转换为可移动质量块120的平面内(即，沿着第二轴线Y)的水平平移(例如，包括在1μm与200μm之间，特别是大于50μm)。
因此，鉴于包括例如在0V与65V之间的DC偏置电压，MEMS致动器100允许获得可移动质量块120的大的平面内平移。另外，通过施加从零到最大值的电压变量，反之亦然，可以获得可移动质量块120从静止位置(图12中使用实线)到最大伸长位置然后返回的逐渐连续移动。
图13示出了本文中由400表示的本MEMS致动器的不同实施例。
MEMS致动器400具有与图3的MEMS致动器100相似的一般结构；因此，公共元件由相同的附图标记表示并且不再进一步描述。
MEMS致动器400形成于本体101中，本文中还包括衬底105、结构本体107和支撑本体110。
结构本体107的悬置区域115本文中还形成可移动质量块120、约束结构123A、123B、变换结构126A至126D、以及本文中由430A至430B表示的致动结构。因此，本文中，这些结构相对于彼此以及相对于第一锚固区域117和第二锚固区域118也为一体。
此外，本文中，每个变换结构126A至126D包括相应解耦结构150和相应弹性转换结构160。此外，本文中，悬置区域115形成加强结构155。
此外，本文中还存在四个致动结构，在下文中称为第一致动结构、第二致动结构、第三致动结构和第四致动结构430A至430D。
在该实施例中，致动结构430A至430D各自包括向上致动结构433、向下致动结构436和接合部分439，该接合部分439将每个致动结构430A至430D的向上致动结构433和向下致动结构436耦合。
每个向下致动结构436具有伸长形状，具有被约束到相应第一锚固区域117的固定端F以及与固定端F相对的接合端G1。
每个向下致动结构436在其自身的固定端F与其自身的接合端G1之间沿着第一轴线X延伸，本文中在俯视平面图中具有矩形形状。
每个向上致动结构433也具有伸长形状，具有通过相应接合结构439耦合到相应向下致动结构436的接合端G1的接合端G2以及耦合到相应解耦结构150的自由端M。
每个向上致动结构433在其自身的接合端G2与其自身的自由端M之间沿着平行于第一轴线X的方向延伸，本文中在俯视平面图中具有矩形形状。
实际上，向上致动结构433和向下致动结构436彼此等同，并且每个向上致动结构433在向下致动结构436旁边并且平行于向下致动结构436延伸。
MEMS致动器400还包括多个向上致动压电元件440和多个向下致动压电元件442，该多个向上致动压电元件440和多个向下致动压电元件442分别由向上致动结构433和向下致动结构436承载，特别是承载在结构本体107的第一表面107A上。
向上致动压电元件440和向下致动压电元件442彼此等同，并且与图3的MEMS致动器100的压电致动元件135等同。
向上致动压电元件440和向下致动压电元件442分别通过第一连接轨道443和第二连接轨道444电耦合到相应偏置电路(本文中未示出)，这使得能够对其进行不同偏置。为了简单起见，第一连接轨道443和第二连接轨道444在图13中由相应虚线示意性地表示。
使用时，在第一操作条件下，相对于参考电压(例如，接地)的第一偏置电压被施加到向上致动压电元件440，而向下致动压电元件442保持在参考电压。
以与上文所讨论的方式相似的方式，第一偏置电压导致向上致动结构433的变形，特别是弯曲。详细地，向上致动结构433各自通过相应接合结构439和相应向下致动结构436约束到相应第一锚固区域117。因此，向上致动结构433的接合端G2不移动，而自由端M移动，与参考图11所讨论的相似。自由端M沿着第三轴线Z沿着上升方向移动，特别是向上移动。
因此，解耦结构150和加强结构155也沿着上升方向平移，并且如上文所述和如图12所示，可移动质量块120沿着平行于第二轴线Y的第一移动方向M1经历平移。
在第二操作条件下，相对于参考电压的第二偏置电压被施加到向下致动压电元件442，而向上致动压电元件440保持在参考电压。
如图14所示，第二偏置电压导致向下致动压电元件442变形，特别是弯曲，因此导致与其成一体的向下致动结构436变形。
详细地，在每个向下致动结构436中，由于固定端F被约束到相应第一锚固区域117，所以它不移动，并且接合端G1(在图14中沿着逆时针方向)转动，从而向上移动。
因此，相应向上致动结构433的接合端G2也向上移动，从而旋转。
假定向上致动结构433保持未变形并且维持直线轮廓，它转动，从而使其自身的自由端M向下。
实际上，向上致动结构433的自由端M沿着第三轴线Z相对于静止位置降低，从而接近衬底105。因此，自由端M各自沿着第三轴线Z从相应固定端F移动到距离ZD。比如，距离ZD可以包括在1μm与200μm之间。
因此，相应解耦结构150和相应加强结构155也沿着第三轴线Z向下移动。
如图15所示，加强结构155移动到与衬底105相距小于静止距离H1的工作下降距离HD。
为了清楚起见，在图15中，加强结构155、可移动质量块120和弹性转换结构160使用实线表示以指示在第二操作条件下的相应位置，并且使用虚线表示以指示相应静止位置。
为了清楚起见，在图15中，加强结构155、可移动质量块120和弹性转换结构160使用实线表示以指示在第二操作条件下的相应位置，并且使用虚线表示以指示相应静止位置。
加强结构155的下降生成垂直向下力，该垂直向下力平行于第三轴线Z并且朝向衬底105定向；即，垂直向下力与在上文所讨论的第一操作条件下生成的工作力相反。
因此，在第二操作条件下，垂直向下力也相对于弹性转换结构160(图9)的截面的惯性主轴线横向，但相对于垂直向上力相反。因此，垂直向下力导致弹性转换结构160的中间部分对应歪斜弯曲，使得每个中间截面经历平行于第三轴线Z的平移、平行于第二轴线Y的平移以及平面内的旋转YZ，每个具有与参考图12所描述的方向相反的方向。
详细地，弹性转换结构160的第一部分160A和第二部分160B的中间部分沿着第三轴线Z朝向衬底105平移，并且沿着(在图15中由箭头示意性地表示的)第二移动方向M2在平行于第二轴线Y的方向上平移，该第二移动方向M2与图12的第一移动方向M1相反。
因此，可移动质量块120(其不能平行于第三轴线Z移动，即，由于约束结构123A、123B，所以不能垂直于它所在的平面移动)也沿着第二移动方向M2经历平行于第二轴线Y的平移。
实际上，即使第一压电致动元件440和第二压电致动元件442的压电区域139由诸如PZT之类的相同的压电材料制成，MEMS致动器400也允许可移动质量块120沿着两个相反方向平行于第二轴线Y移动，该可移动质量块120受制于拉伸压力，与所施加的偏置电压的方向无关。
图16示出了本文中由450表示的本MEMS致动器的不同实施例。MEMS致动器450具有与图3的MEMS致动器100的结构相似的一般结构；因此，公共元件由相同的附图标记表示，并且不再进一步描述。
MEMS致动器450形成于本体101中，本体101包括衬底105、结构本体107和支撑本体110，本文中未示出。
本文中，结构本体107的悬置区域115还形成可移动质量块120、约束结构123A、123B、变换结构126A至126D、以及致动结构130A至130D。因此，本文中，这些结构相对于彼此以及相对于第一锚固区域117和第二锚固区域118也为一体。
在该实施例中，结构本体107还形成第三锚固区域459。
在该实施例中，MEMS致动器450还包括检测元件组455，每个致动结构130A至130D一个检测元件。
检测元件455均由形成于结构本体107的悬置区域115中的压阻传感器形成。
本文中，检测元件455在俯视平面图中为L形，并且每个都包括耦合到相应第三锚固区域459的第一端和耦合到相应致动结构130A至130D的第二端。
在所图示的实施例中，每个检测元件455具有第一臂456和第二臂457，该第一臂456沿着相应致动结构130A至130D的一侧延伸，该第二臂457相对于第一臂456横向，特别是垂直，并且耦合到相应第三锚固部分459。
每个检测元件455在静止时具有静止电阻。
使用时，致动结构130A至130D的变形在检测元件455中生成机械应力。机械应力修改静止电阻。
本文中未图示的特定电连接将检测元件455连接到外部测量电路，该外部测量电路被配置为测量剩余电阻的变化水平。通过将该电阻变化与在校准期间获得的表格进行比较，可以将电阻变化转换为致动结构130A至130D的变形水平和/或可移动质量块120的位移。该变形水平可以与致动结构130A至130D的变形和/或可移动质量块120的移动的期望值进行比较。
实际上，MEMS致动器450能够提供用于控制可移动质量块120的位移的闭环控制系统。因此，MEMS致动器450能够更好地控制可移动质量块120的平移。
图17示出了本文中由500表示的本MEMS致动器的另一实施例。MEMS致动器500具有与图16的MEMS致动器450的结构相似的一般结构；因此，公共元件由相同附图标记表示，并且不再进一步描述。
MEMS致动器500形成于本体101中，本体101包括衬底105、结构本体107和支撑本体110，本文中未示出。
结构本体107的悬置区域115本文中还形成可移动质量块120、约束结构123A、123B、变换结构126A至126D、致动结构130A至130D、以及本文中由505表示的检测元件。更进一步地，此外，在本文中，这些结构相对于彼此并且相对于第一锚固区域117和第二锚固区域118为一体。
在该实施例中，检测元件505为压电类型，并且各自都由相应致动结构130A至130D承载。
每个检测元件505由与图4的压电致动元件135的层堆叠相似的层堆叠形成，因此本文中不再进一步说明。
详细地，每个检测元件505的压电区域可以由与压电区域139相同的压电材料或不同的材料(例如，AlN)制成。
特定电连接轨道将检测元件505的底部电极和顶部电极连接到外部测量电路。
使用时，致动结构130A至130D的变形也引起检测元件520的变形，特别是与其成一体的相应压电区域的变形。该变形在检测元件505的底部电极和顶部电极之间生成检测电压，该检测电压可以由外部测量电路测量。
检测电压取决于检测结构130的变形。通过例如在校准步骤中获得的特定转换表格，可以将检测电压的值转换为检测结构130A至130D的变形值和/或可移动质量块120的平移值。
实际上，MEMS致动器500提供闭环控制系统。特别地，检测元件通过压电检测原理操作的事实允许减少MEMS致动器500的能量消耗。
图18示出了本实用新型的本文中由550表示的MEMS致动器的另一实施例。MEMS致动器550具有与图3的MEMS致动器100的结构相似的一般结构；因此，公共元件由相同的附图标记表示，并且不再进一步描述。
MEMS致动器550形成于本体101中，本体101包括衬底105、结构本体107(本文中为了清楚起见而着色)、以及本文中未示出的支撑本体110。因此，此外，本文中，由支撑本体110形成的结构相对于彼此为一体。
在该实施例中，结构本体107的悬置区域115形成两个致动结构，这两个致动结构在下文中称为第一致动结构555A和第二致动结构555B。第一致动结构555A和第二致动结构555B分别在可移动质量块120的第一侧L1和第二侧L2的旁边延伸，并且与对称轴线S相互相对。
结构本体107的悬置区域115形成本文中分别由560A和560B表示的第一弹性约束结构和第二弹性约束结构，它们各分别自在相应第二锚固区域118与可移动质量块120的第三侧L3和第四侧L4之间平行于第一轴线X延伸。
MEMS致动器550还包括两个变换结构，这两个变换结构以下称为第一变换结构565A和第二变换结构565B。每个变换结构565A和565B还包括由570表示的弹性转换结构和本文中由575表示的解耦结构。
在该实施例中，第一变换结构565A和第二转换565B共享本文中由580表示的相同的加强结构。
加强结构580形成围绕可移动质量块120的框架。详细地，加强结构580包括平行于第一轴线X延伸的彼此平行的第一臂580A和第二臂580B以及平行于第二轴线Y延伸的彼此平行的第三臂580C和第四臂580D。
第一变换结构565A的弹性转换结构570在加强结构580的第一臂580A与可移动质量块120的第三侧L3之间延伸。第二变换结构565B的弹性转换结构570在加强结构580的第二臂580B与可移动质量块120的第四侧L4之间延伸。
此外，本文中，弹性转换结构570各自由相应第一部分160A和相应第二部分160B形成。如参考图7所描述的，第一部分160A和第二部分160B各自由相应顶部伸长部分170、相应底部伸长部分175和多个横向部分180形成。
在该实施例中，第一变换结构565A的弹性转换结构570包括两个连接部分590，该两个连接部分590将相应顶部伸长部分170连接到加强结构580。详细地，连接部分590将顶部伸长部分170的相应端刚性连接到加强结构580的第一臂580A。
第二变换结构565B的弹性转换结构570包括两个连接部分595，这两个连接部分595将相应底部伸长部分175连接到加强结构580。详细地，第一连接部分595A和第二连接部分595B将底部伸长部分175的相应端刚性连接到加强结构580的第二部分580B。
使用时，施加到压电致动元件135的偏置电压导致可移动质量块120平行于第二轴线Y平移，如上文针对图3的MEMS致动器100所讨论的。
与图3的MEMS致动器100相比，加强结构580赋予MEMS致动器550更大的刚度。事实上，加强结构580为框架形，并且形成由第一变换结构565A和第二变换结构565B共享的单个结构。这保证了第一变换结构565A的弹性转换结构570的连接部分590相对于第二变换结构565B的弹性转换结构570的连接部分595沿着第三轴线Z经历相同的竖直位移。因此，第一变换结构565A和第二变换结构565B的弹性转换结构570保证了可移动质量块120位移精度更高。
因此，MEMS致动器550具有改进的机械性能。
如图19和图20所示，MEMS致动器100、400、450、500和550可以用于形成光学模块220，该光学模块220可以集成在装置230中。装置230还包括控制单元240，该控制单元240耦合到光学模块220，并且可以用于扫描布置在与装置230相距一定距离处的对象250并且用于重建其三维结构。详细地，控制单元240包括偏置电路241和飞行时间测量电路242，该偏置电路241被配置为向压电致动元件135施加偏置电压。
详细地，图20是光学模块220的横截面。仅通过示例，图20的光学模块220由图3的MEMS致动器100形成，并且示出了沿着对称平面S截取的横截面。
光学模块220包括光源255、光学检测器260、光学传输元件265和光学接收元件270。光源255和光学检测器260由衬底105承载；光学传输元件265和光学接收元件270由可移动质量块120承载。
详细地，光源255和光学检测器260设置在衬底105的面向可移动质量块120的第一表面105A上。
光源255和光学检测器260可以各自形成在半导体材料的相应管芯中，并且在后端制造步骤期间，结合在衬底105上，特别是结合在表面105A上。
光源255可以例如由一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)256形成。在该实施例中，如图21的俯视平面图所示，光源255包括多个VCSEL源256，该多个VCSEL源256沿着第二轴线Y以相互距离对准布置，从而形成一维阵列。
使用时，飞行时间测量电路242控制VCSEL源256，以使每个VCSEL源生成相应初始光束280，例如，红外光束，该相应初始光束280沿着第三轴线Z(图20)朝向可移动质量块120传播，如虚线所指示的。
光学检测器260可以由诸如单光子雪崩二极管(SPAD)之类的多个光电检测器形成，对该多个光电检测器进行布置，以便在平面XY中形成二维检测阵列。每个光电探测器当被光束击中时，将光束转换为相应电信号，并且通过特定电连接将其发送到飞行时间测量电路242以进行后续处理。
光学传输元件265和光学接收元件270是衍射光学元件，诸如多级衍射透镜或超透镜。在图20中，为了简单起见，光学传输元件265和光学接收元件270被示为形成在结构本体107的第一表面107A上，特别是形成在可移动质量块120上。然而，光学传输元件265和光学接收元件270例如通过特定制造技术各自可以形成于可移动质量块120的相应部分中，以便形成衍射晶格。
光学传输元件265布置在光源255上方，并且沿着轴线Z垂直对准，并且被配置为修改初始光束280的形状。详细地，光学传输元件265沿着传播方向(本文中为第三轴线Z)准直每个初始光束280，并且在垂直于传播方向的方向(本文中为第一轴线X)上扩展每个初始光束280。
换言之，初始光束280在从光学传输元件265输出时形成传输光束290，该传输光束290由多个光条带形成，每个VCSEL源256一个光条带，这些光条带沿着平行于第一轴线X的方向伸长并且沿着平行于第三轴线Z的方向传播。
光学接收元件270布置在光学检测器260上方，并且被配置为将撞击在其上的光束朝向光学检测器260聚焦。
使用时，传输光束290远离光学装置230传播，并且撞击对象250的第一部分(图19)。对象250的第一部分反射传输光束290的一部分，从而形成反射光束300，该反射光束300朝向光学装置230传播。
详细地，传输光束290的每个光条带被对象250的第一部分的相应部分反射。因此，反射光束300也由多个光条带形成，该多个光条带沿着平行于第一轴线X的方向大约伸长。
反射光束300撞击在光学接收元件270上，并且由此聚焦，从而形成撞击在光学检测器260上的聚焦光束310，从而形成光图案，如图22所示。
光学检测器260(特别是相应光电检测器)将聚焦光束310转换为多个电信号，该多个电信号发送到飞行时间测量电路242。
飞行时间测量电路242被配置为测量在VCSEL源256生成初始光束280与光学检测器260接收聚焦光束310之间经过的飞行时间。
飞行时间作为对象250与光学装置230相距的距离的函数而变化。
详细地，由光学传输元件265生成的每个光条带具有取决于该光条带撞击在其上的对象250的相应部分的距离的飞行时间。
根据针对光学检测器260的每个光电检测器测量的飞行时间，飞行时间测量电路242可以获得对象250的第一部分的每个部分与装置230相距的距离。
为了完全扫描对象250，偏置电路241将偏置电压施加到MEMS致动器100的压电致动元件135，从而导致可移动质量块120沿着平行于第二轴线Y的方向位移，如上文所详细讨论的。
因此，如图23所示，可移动质量块120的位移修改了光学传输元件265与光源255之间相对于图20的静止位置的相对位置，从而导致传输光束290偏移。
这样，可以沿着平行于第二轴线Y的方向扫描对象250。
飞行时间测量电路242处理针对对象250的每个扫描部分测量的飞行时间值，并且生成对象250的三维重建。
如上文所描述的，MEMS致动器100允许使用准静态致动器(即，施加DC偏置电压或线性斜坡电压)获得可移动质量块120本文中沿着第二轴线Y的高平面内位移。
更进一步地，可以使用可移动质量块120的期望位移曲线来扫描对象250。
最后，显而易见的是，可以对MEMS致动器100、400、450、500和550、光学模块200以及本文中所描述和图示的装置230进行修改和变化，而不由此偏离本公开的范围。
比如，弹性转换结构的形状可能与已经描述的形状不同。
进一步地，弹性转换结构可以具有不同数目的臂，在一些实例中，甚至只有一个臂。在这种情况下，弹性转换结构可能具有非折叠线性结构。
将偏置电压供应给致动元件的偏置电路和检测MEMS致动器450、500中的检测电压的测量电路可以形成在结构本体107内部或外部的由半导体材料制成的一个或多个管芯上。
VCSEL源156可以以不同方式布置在衬底105上，例如，以形成二维阵列。
可移动质量块120的形状可以相对于矩形而变化。比如，它可以呈现弯曲的和/或由线段和/或线的部分形成的侧面。
图3的MEMS致动器100可以包括两个致动结构，这两个致动结构在分别与可移动质量块120的第三侧L3和第四侧L4相邻的位置中平行于第二轴线Y延伸。在这种情况下，解耦结构各自可能在相应致动结构的自由端与加强结构之间延伸。进一步地，在这种情况下，解耦结构可以相对于图3的解耦结构150围绕第三轴线Z旋转90°。
另外，当本实用新型的MEMS致动器用于形成光学模块220时，可以根据具体应用的要求，特别是根据期望光学特性和/或机械特性，对可移动质量块120进行进一步处理。就此而言，光学模块220可以如于2020年12月16日提交的专利申请US17124027中所描述的、参考图7至图15并且如下文所简要讨论的进行修改。
图24至图30示出了根据不同实施例的本光学模块和本MEMS致动器。
图24至图30的光学模块和相应MEMS致动器具有分别与光学模块220和MEMS致动器100、400、500、550的结构相似的一般结构；因此，公共元件由相同的附图标记表示，并且不再进一步描述。
详细地，本文中由600表示的图24的MEMS致动器由衬底105、结构本体107和支撑本体110形成。结构本体107被成形为形成第一锚固区域117、第二锚固区域(本文中未示出)和悬置区域115。
悬置区域115本文中也形成由610表示的可移动质量块。为了简单起见，变换结构、约束结构和致动结构由可移动质量块610与第一锚固区域117之间的虚线示意性地表示。
可移动质量块610包括中心部分615，该中心部分615在制造过程中已经变薄。例如，中心部分615的厚度可能包括在1μm与5μm之间。
光学接收元件270和光学传输元件265本文中通过合适制造技术形成在例如由硅制成的单个本体620中。单个本体620由可移动质量块610承载；例如，它结合在可移动质量块610上。光源255和光学检测器260布置在衬底105上，面向可移动质量块610的中心部分615。特别地，光源255和光学检测器260分别面向光学传输元件265和光学接收元件270。
使用时，由光源255生成的光束和由光学接收元件270聚焦在光学检测器260上的反射光束跨越可移动质量块610的中心部分615。由于可移动质量块610的中心部分615较薄，所以由光源生成的光束和由光学接收元件270聚焦的光束经受的吸收减少。
在本文中由640表示的图25的MEMS致动器中，MEMS致动器600的可移动质量块610的中心部分615已经被完全去除，例如，使得可移动质量块610形成框架。实际上，光源255和光学检测器260分别直接面向光学传输元件265和光学接收元件270。因此，使用时，由光源255生成的光束和光学接收元件270聚焦在光学检测器260上的反射光束不会跨越可移动质量块610；因此，对它们的吸收可能会进一步减少。
此外，在本文中由650表示的图26的MEMS致动器中，MEMS致动器600的可移动质量块610的中心部分615已经被完全去除。本文中的光学模块220包括例如由玻璃制成的光学衬底655，该光学衬底655在可移动质量块610的外围部分处结合在可移动质量块610上。单个本体620结合在光学衬底655上。本文中由660表示的图27的光学模块包括结合到结构本体107的例如由玻璃制成的封装本体665。详细地，封装本体665通过相应结合部分670结合到第一锚固区域117的第一表面107A，该相应结合部分670周向延伸。封装本体660形成免受外部因素影响的保护元件。
本文中由670表示的图28的光学模块包括与图27的光学模块660的封装本体665相同的第一封装本体675和第二封装本体680。例如有玻璃制成的第二封装本体680在支撑本体110与结构本体107之间延伸。
详细地，第二封装本体680具有结合到支撑本体110的支柱113的第一面和通过相应结合部分685结合到结构本体107(特别是结合到第一锚固区域117的第二表面107B)的第二面。
实际上，第一封装本体665和第二封装本体680形成密封MEMS致动器640(特别是可移动质量块610)的隔室690。因此，可以控制隔室690的内部压力，如在一些应用中可能有用的。
本文中由700表示的图29和图30的光学模块是从图3的MEMS致动器100开始形成。光学模块700还包括固定块705，例如，形成于结构本体107中的固定块，该固定块705与MEMS致动器100分开。固定块705被悬置在衬底105上方，面向光学检测器260，并且侧面固定到相应第三锚固区域710。第三锚固区域710固定在支撑本体110的相应支柱113上。
在光学模块700中，光学传输元件265由可移动质量块120承载，而光学接收元件270由固定块705承载。实际上，使用时，当向压电致动元件135施加偏置电压时，光学传输元件265移动，因此使初始光束偏转，如图12所示，同时光学接收元件270保持固定。
所描述的实施例可以组合以形成其他实施例。

Claims (20)

1.一种MEMS致动器，其特征在于，包括：
衬底；
可移动质量块，在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在所述衬底上方，并且在由垂直于所述第一方向的第二方向和第三方向限定的延伸平面中延伸；
弹性元件，被布置在所述衬底与所述可移动质量块之间，所述弹性元件具有平行于所述第一方向的第一柔量和平行于所述第二方向的第二柔量，所述第一柔量小于所述第二柔量；
多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，所述固定部分相对于所述衬底固定，所述可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于所述第一方向的方向变形；以及
多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：
弹性移动转换结构，被布置在所述压电致动结构中的相应压电致动结构与所述可移动质量块之间；
每个弹性移动转换结构沿着平行于由所述第一方向和所述第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在所述移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且
其中所述第一惯性主轴线和所述第二惯性主轴线相对于所述第一方向和所述第二方向横向，使得所述压电致动结构在所述移动变换平面中的变形引起所述可移动质量块沿着所述第二方向的对应移动。
2.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述可移动质量块具有相对于平行于所述移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于所述第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中所述弹性元件与所述可移动质量块的所述第一侧和所述第二侧相邻布置，并且所述移动变换结构与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻布置。
3.根据权利要求2所述的MEMS致动器，其特征在于，与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻的所述移动变换结构的所述弹性移动转换结构具有沿着所述第二方向平移的相互相等的形状。
4.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，每个弹性移动转换结构包括至少一个伸长结构，所述至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分、以及多个横向部分，所述第一伸长部分和所述第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于所述第三方向延伸，并且沿着所述第一方向被布置在与所述衬底相距不同的高度处，每个横向部分在所述第一伸长部分与所述第二伸长部分之间延伸。
5.根据权利要求4所述的MEMS致动器，其特征在于，所述至少一个伸长结构是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还包括被耦合到所述第一伸长结构的第二伸长结构，所述第二伸长结构在所述MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。
6.根据权利要求5所述的MEMS致动器，其特征在于，所述第二伸长结构等于所述第一伸长结构并且沿着所述第二方向平移。
7.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述弹性元件和所述移动变换结构相对于所述第三方向是刚性的。
8.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述压电致动结构平行于所述第三方向延伸并且具有自由端，其中所述移动变换结构各自还包括在相应压电致动结构的自由端与相应弹性移动转换结构的第一端之间延伸的弹性平移结构，每个弹性平移结构被配置为将相应可变形结构的所述自由端的移动转变成所述相应弹性移动转换结构的所述第一端的平行于所述第一方向的平移。
9.根据权利要求8所述的MEMS致动器，其特征在于，每个弹性平移结构包括弹性解耦结构和加强结构，所述弹性解耦结构被配置为沿着平行于所述第一方向和所述第三方向的方向变形，其中所述加强结构在所述弹性解耦结构与所述弹性移动转换结构之间沿着所述第三方向延伸。
10.根据权利要求9所述的MEMS致动器，其特征在于，所述加强结构形成围绕所述可移动质量块和所述弹性移动转换结构的框架，所述弹性移动转换结构相对于所述框架固定，每个解耦结构和每个压电致动结构相对于所述框架被布置在外部。
11.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述压电致动结构各自包括第一部分和被耦合到所述第一部分的第二部分，所述第一部分和所述第二部分各自具有伸长结构，并且沿着彼此平行的方向延伸，所述第一部分被耦合到相应移动变换结构，所述第二部分被耦合到所述衬底，所述第一部分和所述第二部分被连接到不同的偏置结构，所述偏置结构被配置为沿着所述第一方向和平行于所述第一方向且与所述第一方向相反的第四方向变形。
12.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，还包括检测元件组，所述检测元件组被耦合到所述压电致动结构。
13.根据权利要求12所述的MEMS致动器，其特征在于，所述检测元件组是压电类型或压阻类型。
14.根据权利要求1所述的MEMS致动器，其特征在于，所述可移动质量块、所述弹性元件、所述压电致动结构、以及所述移动变换结构由在静止时基本为平面的单片体形成，所述单片体包括半导体层。
15.一种装置，其特征在于，包括：
光学模块，包括：
MEMS致动器，包括：
衬底；
可移动质量块，所述可移动质量块在沿着第一方向测量的静止高度处被悬置在所述衬底上方，并且在限定垂直于所述第一方向的第二方向和第三方向的延伸平面中延伸；
弹性元件，被布置在所述衬底与所述可移动质量块之间，所述弹性元件具有平行于所述第一方向的第一柔量和平行于所述第二方向的第二柔量，所述第一柔量小于所述第二柔量；
多个压电致动结构，其中每个压电致动结构具有固定部分和可移动部分，所述固定部分相对于所述衬底固定，所述可移动部分被配置为响应于致动电压而沿着平行于所述第一方向的方向变形；以及
多个移动变换结构，其中每个移动变换结构包括：
弹性移动转换结构，被布置在所述压电致动结构中的相应压电致动结构与所述可移动质量块之间；
每个弹性移动转换结构沿着平行于由所述第一方向和所述第二方向形成的移动变换平面的方向是柔性的，并且在所述移动变换平面中具有第一惯性主轴线和第二惯性主轴线；并且
其中所述第一惯性主轴线和所述第二惯性主轴线相对于所述第一方向和所述第二方向横向，使得所述压电致动结构在所述移动变换平面中的变形引起所述可移动质量块沿着所述第二方向的对应移动；
光源，由所述MEMS致动器的所述衬底支撑，并且被配置为生成朝向所述可移动质量块传播的初始光束；
光学检测器，由所述MEMS致动器的所述衬底支撑，并且被配置为检测传入光束；
输出光学元件，由所述可移动质量块支撑并且面向所述光源，所述输出光学元件被配置为根据所述光源与所述输出光学元件之间的相对位置修改所述初始光束的传播方向，从而生成输出光束；以及
输入光学元件，被配置为将所述传入光束聚焦在所述光学检测器上。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述可移动质量块具有相对于平行于所述移动变换平面的中平面彼此相对的第一侧和第二侧、以及相对于平行于所述第三方向的中轴线彼此相对的第三侧和第四侧，其中所述弹性元件与所述可移动质量块的所述第一侧和所述第二侧相邻布置，并且所述移动变换结构与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻布置。
17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，与所述可移动质量块的所述第三侧和所述第四侧相邻的所述移动变换结构的所述弹性移动转换结构具有沿着所述第二方向平移的相互相等的形状。
18.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，每个弹性移动转换结构包括至少一个伸长结构，所述至少一个伸长结构包括第一伸长部分、第二伸长部分、以及多个横向部分，所述第一伸长部分和所述第二伸长部分在静止时总体上相互平行并且平行于所述第三方向延伸，并且沿着所述第一方向被布置在与所述衬底相距不同的高度处，每个横向部分在所述第一伸长部分与所述第二伸长部分之间延伸。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述至少一个伸长结构是第一伸长结构，并且每个弹性转换结构还包括被耦合到所述第一伸长结构的第二伸长结构，所述第二伸长结构在所述MEMS致动器的俯视图中形成折叠弹簧。
20.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置用于扫描被布置在与所述装置相距一定距离处的对象的光束；并且还包括：
第一电路，被配置为测量所述初始光束的发射与反射光束的接收之间的飞行时间；以及
第二电路，被配置为向所述MEMS致动器的所述压电致动结构施加偏置电压，所述偏置电压引起所述可移动质量块沿着所述第二方向的移动，其中所述可移动质量块的所述移动改变所述输出光学元件与所述光源之间的所述相对位置，从而修改所述输出光束的所述传播方向。
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