KR20230020989A - 체적 흐름과의 고효율적 상호작용을 위한 mems - Google Patents

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KR20230020989A
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안톤 멜니코브
프란치스카 발
호르헤 마리오 몬살브 과라카오
버트 카이저
세르지우 랑가
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프라운호퍼-게젤샤프트 추르 푀르데룽 데어 안제반텐 포르슝 에 파우
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Abstract

레이어 구조를 가지는 MEMS는 상기 레이어 구조에 배치되고 상기 레이어 구조의 적어도 하나의 개구를 통하여 상기 레이어 구조의 외부 환경에 유동적으로 결합되는 캐비티를 포함한다. 상기 MEMS는 제1 MEMS 평면에 배치되고 평면 방향을 따라 상기 캐비티에서 이동가능하고 상기 캐비티의 유체와 상호작용하도록 구성된 상호작용 구조를 포함하며, 상기 상호작용 구조의 움직임은 상기 적어도 하나의 개구를 통한 상기 유체의 이동과 인과적으로 연관된다. 상기 MEMS는 상기 평면 방향에 수직한 제2 MEMS 평면에 배치되는 능동 구조를 더 포함하며, 상기 능동 구조는, 분리 구조(isolation structure)에 기계적으로 결합되고, 상기 능동 구조의 전기적 접점에서의 전기 신호가 상기 능동 구조의 변형과 인과적으로 연관되도록 구성되며, 상기 능동 구조의 변형은 상기 유체의 이동과 인과적으로 연관된다.

Description

체적 흐름과의 고효율적 상호작용을 위한 MEMS
본 발명은 유체와 상호작용하기 위하여 이동 가능하게 배열된 상호작용 구조, 및 전기 신호가 능동 구조(active structure)의 변형과 인과적으로(causally) 관련된 능동 구조로서 결국 유체의 이동과 인과적으로 관련된 능동 구조가 서로 다른 MEMS레이어에 배열되는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기적 절연 방식으로 분리 영역(discrete region)에 고정된 제1, 제2, 및 제3 빔을 포함하는 이동 가능하게 배열된 레이어 어셈블리를 갖는 MEMS에 관한 것이며, 여기서 분리 영역은 오프셋 방식으로 빔들 사이에 배열된다. 본 발명은 더 나아가 MEMS 스피커, MEMS 마이크로폰, 또는 MEMS 펌프와 같은, 유체의 체적 흐름과 상호작용하기 위한 MEMS 트랜스듀서에 관한 것이다.
NED(나노 정전식 드라이브, Nanoscopic Electrostatic Drive)의 원리는 WO 2012/095185 A1에 기재되어 있다. NED는 신규한 MEMS(마이크로 전자기계 시스템, microelectromechanical system) 액츄에이터(actuator)의 원리이다. 여기서, 이동가능한 요소는, 적어도 2개의 이격된 전극을 가지는 실리콘 재료로 형성된다. 전극의 길이는 전극의 두께 및 전극의 높이, 즉 실리콘 재료의 깊이 방향을 따르는 치수보다 훨씬 크다. 이러한 바 형태(bar-shaped)의 전극들은 서로 이격되어 있으며, 국부적으로 서로 전기적으로 절연되어 고정된다. 전위를 인가함으로써, 이들 전극 사이에 전기장이 생성되어 전극들 사이에 인력 또는 척력이 발생하여 전극의 재료에 응력이 가해진다. 재료는 가능한 낮은 응력 상태를 채택하기 위하여 시도함으로써 이러한 응력을 균질화하도록 노력하고, 그 결과 움직임을 초래한다. 전극들의 특정 기하학적 및 지형학적 구조(topography)를 통하여, 이러한 움직임은 전극의 길이가 변화함에 따라 편향가능 요소의 측면 움직임이 발생하는 방식으로 영향을 받을 수 있다.
JP-H5252760 A에는, 2개의 웨이브 형상(wave-like shaped)의 절연 전극으로 구성된 다수의 작은 원통형 또는 웨이브 형상의 구동 유닛들로 구성된 액츄에이터가 도시되어 있다. 절연된 전극의 양단은 서로 연결되어 있으며, 구동 유닛은 정전기력에 의한 변형을 위하여 좁은 간격(gap)을 갖는다. 그러나, 이러한 액츄에이터의 움직임은 기하학적 제약 조건을 따른다. 예컨대, 액츄에이터의 변형은, 정전기력이 구조물의 강성(stiffness)과 평형을 이루면 멈춘다. 또 다른 단점은 생성된 액츄에이터가 금속 전극 재료와 폴리머 절연체의 합성물이라는 것이다. 이로 인하여 CMOS 기술(Complementary Metal Oxide Semiconductor)로 저비용 생산이 불가능하며, 이것은 곧 상당한 경쟁적 단점에 해당한다.
MEMS 디바이스를 디바이스 및 시스템에 통합하기 위해서는, 공간 효율적인 방식으로 유체와의 상호작용을 지향하는 MEMS를 설계하는 것이 바람직하며, 이는 유체 움직임에 대한 높은 민감도를 얻거나 및/또는 많은 양의 유체가 이동되어, 예컨대, 높은 음압이 발생할 수 있음을 의미한다.
따라서, 본 발명의 과제는 설치 공간의 측면에서 효율적인 MEMS를 생성하는 것이다.
위 과제는 독립 특허청구항의 주제에 의하여 해결된다.
제1 양태에 따르면, 제1 MEMS 레벨에서 유체와 상호작용하기 위한 상호작용 구조를 배열하고 제2 MEMS 레벨에서 상호작용 구조에 기계적으로 결합된 능동 구조를 배열함으로써, 유체와 상호작용하고 전기 신호를 생성/처리하는 각 서브작업이 각각의 MEMS 레벨에서 1차적으로 수행될 수 있어 각 서브작업이 집중될 수 있기 때문에 MEMS의 높은 효율성이 획득될 수 있음이 확인되었다.
제2 양태에 따르면, 적어도 3개의 바 전극의 시퀀스가 서로 전기적으로 절연되는 분리(discrete) 영역을 오프셋함으로써, 제1 외부 전극이, 중앙 전극과 전기적으로 절연된 제2 외부 전극과 다른 위치에 고정된 중앙 전극과 전기적으로 절연되도록 하여, 인가된 전기 신호 또는 작동 유체에 의하여 이동가능 레이어 구조(layer structure)의 매우 효율적인 편향이 얻어질 수 있음이 확인되었다.
두 개념들은 서로 결합될 수 있을 뿐 아니라 독립적으로 구현될 수도 있다.
제1 양태의 실시예에 따르면, MEMS는 레이어 구조를 포함한다. 캐비티는 레이어 구조에 배열되고 상기 레이어 구조의 적어도 하나의 개구를 통하여 상기 레이어 구조의 외부 환경에 유동적으로(fluidically) 결합된다. 상호작용 구조는 제1 MEMS 평면 및 상기 캐비티에 배열되고, 이러한 상호작용 구조는 평면 방향(즉, 평면내(in-plane))을 따라 이동가능하다. 상기 상호작용 구조는 상기 캐비티의 유체와 상호작용하도록 구성되며, 여기서, 상기 상호작용 구조의 움직임은 상기 적어도 하나의 개구를 통한 상기 유체의 이동과 인과적(causally)으로 연관된다. 상기 평면 방향에 수직으로 배열되는 제2 MEMS 평면에, 능동 구조는 상기 상호작용 구조와 기계적으로 결합되어 배열되고, 상기 능동 구조의 전기적 접점에서의 전기 신호가 상기 능동 구조의 변형과 인과적으로 연관되도록 구성된다. 상기 능동 구조의 변형은 결과적으로 상기 유체의 이동과 인과적으로 연관된다.
제2 양태의 실시예에 따르면, MEMS는 레이어 구조와 상기 레이어 구조에 배치되는 캐비티를 포함한다. 이동가능 레이어 어셈블리는 상기 캐비티에 제공되고, 상기 이동가능 레이어 어셈블리는 제1 빔, 제2 빔, 및 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 배치되고 분리 영역들에서 그들로부터 전기적으로 절연되는 제3 빔을 포함한다. 상기 이동가능 레이어 어셈블리는 기판 평면에서 이동 방향을 따라 이동하도록 적응된다. 즉, 평면 방향으로, 상기 상기 제1 바 및 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여 또는, 상기 제2 바 및 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여, 이동하도록 적응된다. 한편으로는 상기 제1 바 및 상기 제3 바를 고정하고 다른 한편으로는 상기 제2 바와 상기 제3 바를 고정하기 위한 상기 분리 영역들은, 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 축 경로를 따라 서로 오프셋을 가지도록 배열된다.
추가 실시예들은 종속 특허 청구항에서 정의된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 제1 MEMS 레벨에서 유체와 상호작용하기 위한 상호작용 구조를 배열하고 제2 MEMS 레벨에서 상호작용 구조에 기계적으로 결합된 능동 구조를 배열함으로써, 유체와 상호작용하고 전기 신호를 생성/처리하는 각 서브작업이 각각의 MEMS 레벨에서 1차적으로 수행될 수 있어 각 서브작업이 집중될 수 있기 때문에 MEMS의 높은 효율성이 획득될 수 있다.
또한, 제2 양태에 따르면, 적어도 3개의 바 전극의 시퀀스가 서로 전기적으로 절연되는 분리(discrete) 영역을 오프셋함으로써, 제1 외부 전극이, 중앙 전극과 전기적으로 절연된 제2 외부 전극과 다른 위치에 고정된 중앙 전극과 전기적으로 절연되도록 하여, 인가된 전기 신호 또는 작동 유체에 의하여 이동가능 레이어 구조(layer structure)의 매우 효율적인 편향이 얻어질 수 있다.
도 1은 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS의 개략적인 사시도;
도 2는 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS의 개략적인 사시도;
도 3a는 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS의 능동 구조 일부에 대한 개략적인 평면도;
도 3b는 절연층이 추가로 제공되는, 제1 양태의 실시예에 따른 능동 구조의 일부의 개략적 도식;
도 3c는 도 3a의 설계에 이어서, 추가 실시예에 따른 능동 구조 일부에 대한 개략적인 평면도;
도 3d는 절연층의 형상이 전극 형상에 적응되는, 제1 양태의 실시예에 따른 능동 구조의 일부에 대한 개략적인 평면도;
도 3e는 제1 양태의 실시예에 따른 능동 구조의 일부에 대한 스캐닝 전자 현미경 사진 및 개략적인 평면도;
도 4a는 제1 양태의 실시예에 따른 상호작용 구조의 개략적인 평면도;
도 4b는 도 4a의 상호작용 구조의 개략적인 사시도;
도 5a는 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS의 추가 능동 구조의 개략적인 평면도;
도 5b는 제1 양태의 실시예예 따른, 도 5a의 MEMS 등에 사용될 수 있는 이동가능 레이어 배열의 개략적인 평면도,
도 6a는 제1 양태의 실시예에 따른 추가 MEMS의 일부에 대한 개략적인 사시도;
도 6b는 도 6a의 섹션의 개략적인 사시도;
도 7a는 제1 양태의 실시예에 따른 도 2의 MEMS의 상호작용 구조의 개략적인 평면도;
도 7b는 양의 y방향을 따라 편향된, 도 7a의 상호작용 구조의 개략적인 도식;
도 7c는 도 7b와 대조적으로 음의 y 방향을 따라 편향된, 도 7a의 상호작용 구조의 개략적인 도식;
도 7d 내지 도7f는 도 7a의 상호작용 구조의 개략도로서, 제1 양태의 실시예에 따른 캐비티의 개구 그룹들을 추가로 도시하는 도면;
도 7g는 제1 양태의 실시예에 따른 개구의 대안적인 실시예를 나타낸 개략적인 도식;
도 8a 내지 도 8c는 능동 구조의 평면에서의 제1 양태의 실시예에 따른 도 2의 MEMS의 개략적인 사시도;
도 9a는 제1 양태의 실시예에 따른 추가 상호작용 구조의 개략적인 평면도;
도 9b는 도 9a의 상호작용 구조의 개략적인 사시도;
도 9c는 도 9a와 도 9b의 섹션의 개략적인 사시도;
도 9d는 도 9a의 상호작용 구조의 일부를 보다 상세하게 나타낸 도식;
도 10a는 부분 액츄에이터를 포함하는 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS의 능동 구조의 예시적인 평면도;
도 10b는 도 10a의 섹션의 평면도;
도 10c는 액츄에이터부의 작동으로 인하여 요소가 반대 방향으로 변형되는, 도 10b의 일부에 대한 개략적인 도식;
도 11은 제1 양태의 실시예에 따른 도 10a 내지 도 10c의 MEMS의 전기적 결합을 나타낸 개략적인 평면도;
도 12a는 제1 양태의 실시예에 따른 제1 상태의 능동 구조의 일부에 대한 개략적인 평면도;
도 12b는 도 12a에 대한 능동 구조의 상보적 상태를 나타낸 도면;
도 12c 및 도 12d는 고정 전극을 향하는 콤 전극들이 y 방향을 따라 서로 공간적으로 분리되어 있는 MEMS의 능동 구조 실시예의 개략적인 도식;
도 12e는 전경의 제1 MEMS 평면과 제1 MEMS 평면에 의하여 부분적으로 가려지는 배경의 제2 MEMS 평면을 나타낸, 도 12a와 도 12b의 MEMS의 개략적인 평면도;
도 12f는 능동 구조 및/또는 상호작용 구조가 대칭적으로 미러링되는, 일 실시예에 따른 MEMS의 개략적인 측단면도;
도 12g는 콤 전극 구조에서, 내부의 이동가능한 콤 전극은 교류 전위(alternating potential)가 인가되고, 외부 콤 전극은 상이한 고정 전위(static potential)가 인가되는, 일 실시예에 따른 MEMS의 일부에 대한 개략적인 평면도;
도 12h는 도 12g의 MEMS의 개략적인 측단면도;
도 13a는 제2 양태의 실시예에 따른 이동가능 레이어 배열의 예시적인 평면도;
도 13b는 복수의 N개의 분리 영역이 방향에 평행한 축 경로를 따라 이동가능 레이어 어셈블리의 빔들 사이에 배열되는, 제2 양태의 실시예에 따른 이동가능 레이어 어셈블리의 개략적인 평면도;
도 14a 내지 도 14f는 제2 양태의 실시예에 따른 능동 이동가능 레이어 배열의 다른 실시예의 개략적인 도식;
도 15는 적어도 제4 빔을 포함하는, 제2 양태의 실시예에 따른 이동가능 레이어 어셈블리의 개략적인 도식;
도 16은 제2 양태의 일 실시예에 따라, 이동가능 레이어 어셈블리의 일단에 분리 고정(discrete fixation)을 포함하는, 일 실시예에 따른 이동가능 레이어 어셈블리의 개략적인 평면도;
도 17은 제2 양태의 추가 실시예에 따른 이동가능 레이어 배열의 개략적인 도식; 및
도 18a 및 도 18b는 빔들이 섹션에서 서로에 대하여 만곡되어 배열되는, 제2 양태의 실시예에 따른 이동가능 레이어 배열의 개략적인 도식이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 동일한 기능을 가지거나 동일한 방식으로 동작하는 동일한 요소, 객체 및/또는 구조는 서로 다른 도면에서 동일한 참조 부호로 제공됨을 명시한다. 이를 통하여, 서로 다른 실시예에서 보여지는 이들 요소들의 설명은 상호 교환적이며 서로에게 적용될 수도 있다.
이하에서 설명되는 실시예들은 다양한 세부사항의 맥락에서 설명된다. 그러나, 실시예들은 이러한 상세한 특징들 없이도 구현될 수 있다. 또한, 명확성을 위하여, 실시예들은 상세한 표현의 대체로서 블록 다이어그램을 사용하여 설명된다. 또한, 개별 실시예들의 세부사항 및/또는 특징들은 명시적으로 반대로 설명되지 않는 한, 어려움 없이 서로 결합될 수 있다.
이하의 실시예들은 MEMS(microelectromechanical system, 마이크로 전자기계 시스템)에 관한 것이다. 본 명세서에서 설명되는 MEMS 중 일부는 멀티레이어 구조일 수 있다. 이러한 MEMS는, 예컨대, 반도체 재료의 웨이퍼-레벨 프로세싱에 의하여 제조될 수 있으며, 이는 다중 웨이퍼의 조합 또는 웨이퍼-레벨의 레이어 증착을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명되는 일부 실시예들은 MEMS 레벨을 다룬다. MEMS 평면은 반드시 2차원, 또는 웨이퍼의 주측면(major side) 또는 후속 MEMS에 평행한 것과 같이, 처리된 웨이퍼에 실질적으로 평행하게 연장되는 만곡되지 않은 평면일 필요는 없는 것으로 이해된다. 평면 방향은 해당 평면 내의 방향으로 이해될 수 있으며, 이는 영어 용어로서 "인-플레인(in-plane)"으로도 지칭될 수 있다. 이것에 수직한 방향, 즉, 평면 방향에 수직한 방향은, 두께 방향으로 단순화될 수 있으며, 여기서 두께라는 용어는 공간에서 이 방향(direction)의 배향(orientation)이라는 의미에 있어서는 어떠한 제한도 가지지 않는다. 길이, 폭, 높이, 최상단(top), 최하단(bottom), 좌, 우 등과 같이, 본 명세서에서 사용되는 용어들은, 공간에서 그 위치가 제약없이 변경될 수 있으므로, 본 명세서에서 설명되는 실시예들을 설명하기 위해서만 사용되는 것으로 이해된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 제1 양태의 실시예에 따른 MEMS(10)의 개략적인 사시도를 보여준다. MEMS(10)는 2개 이상의 층(121, 122, 및/또는 123)을 가지는 레이어 구조(12)를 포함한다. 여기서, 층의 개수는 임의의 개수일 수 있으며, 최소 1개이다. 따라서, 예시적인 층의 개수는 1, 2, 3, 적어도 4, 적어도 5, 적어도 8 또는 그 이상일 수 있다. 레이어 구조의 층들은 서로 다른 재료 및/또는 재료의 조합들을 포함할 수 있으며, 특히, 실리콘, 갈륨 비소(gallium arsenide) 등과 같은 반도체 공정과 호환 가능한 층들을 포함할 수 있다. 여기서, 도펀트는 적어도 국부적으로 구현될 수 있고, 및/또는 금속과 같은 전도성 재료들과 같은 추가 재료들이 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 질화물(nitiride) 및/또는 산화물(oxide) 재료들과 같은 전기적 절연 재료는 층의 적어도 일부를 형성할 수도 있다.
실시예들은, 예컨대 x/y 평면에 평행하게 배열되는, 상이한 MEMS 평면(141 및 142)에 서로 다른 요소들을 제공하는 것에 관한 것이다. 평면(141 및 142) 및 x/y 평면은 웨이퍼의 주 측면(main side)과 평행하게 배열되어, 인-플레인(in-plane) 평면을 정의 또는 기술할 수 있다. x-방향, y-방향 및 이들의 조합은 평면 방향으로 이해될 수 있다. 예컨대, z 방향과 같이, 이것에 수직인 방향은, 두께 방향이라고 지칭할 수 있다.
평면(141 및 142)은 z-방향을 따라 서로로부터 오프셋을 가지도록 배열될 수 있으며, 이를 위해서 평면(141 및 142)이 레이어 구조(12)가 공통층(121, 122, 또는 123)을 가지는 영역에 배열되는지 또는 다른 층(121, 및 123)에 배열 되는지의 여부와는 무관하다. 가능한 상이한 재료를 갖는 서로 다른 층(121, 및 123)을 통하여 서로 다른 요소들을 배열하는 것은 간단한 제조 프로세스를 가능하게 하지만, 동일한 재료 또는 층으로 만들어진 서로 다른 평면(141, 및 142)에 서로 다른 구조를 형성하는 것도 가능하다.
레이어 구조(12)에 배열되는 캐비티(16)의 범위를 정할 수 있는, 최하층(bottom layer) 및 리드층(lid layer)은 도 1에 미도시 되어있다. 대신에 개구(18)는 레이어 구조(12)에 도시되어 있으며, 이는 레이어 구조(12)의 외부 환경(22)을 캐비티(16)와 유동적(fluidically)으로 결합시킨다. 즉, 외부 환경(22)으로부터 캐비티(16)로 및/또는 캐비티(16)로부터 외부 환경(22)으로 유체 흐름(fluid flow)이 가능하도록 한다. 밸브 또는 필터와 같은 추가 구조가 개구(18)에 제공될 수 있다.
또한, 개구(18)를 통한 유체의 결합이, 예컨대, 미도시된 리드 웨이퍼/리드층 및/또는 최하단 웨이퍼/최하층을 생략하거나 및/또는 개방함으로써 전체적 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 이는 개구(18)가 측벽 구조(sidewall structure)에 위치할 수 있지만 다른 곳에도 위치할 수 있음을 의미한다. 실시예는 레이어 구조(12)의 서로 다른 위치에 위치할 수 있는, 특히, 측벽 구조 및/또는 최상 및/또는 최하층에 위치할 수 있는 복수의 개구들을 추가로 제공한다. 측벽 구조는 평면 내(in-plane) 캐비티의 측면 경계로 이해될 수 있다.
상호작용 구조(24)는 MEMS 평면(141)에 배열된다. 상호작용 구조(24)는, 캐비티(16)에 배치된, 가스 또는 액체, 특히, 기체와 같은 유체와 상호작용하도록 구성된다. 상호작용 구조(24)의 움직임(movement)은 개구(18)를 통한 유체의 이동과 인과적으로(causally) 연관된다. 즉, 상호작용 구조(24)의 움직임은 개구(18)를 통한 유체의 흐름을 야기할 수 있고, 및/또는 개구(18)를 통한 유체의 흐름은, 예컨대, 유체가 상호작용 구조(24)와 접촉하거나 또는 상호작용 구조(24)와 상호작용함으로써, 상호작용 구조(24)의 움직임을 야기할 수 있다. 일부 실시예는 유체의 이동이 상호작용 구조(24)의 움직임을 초래한다는 점에서 센서로서의 MEMS의 동작 또는 구현을 가능하게 한다. 일부 실시예는, 스피커로서 사용될 수 있는 것과 같이, 상호작용 구조(24)의 능동적으로 생성된 움직임을 유체에 전달함으로써 액츄에이터로서의 MEMS의 작동 또는 구현을 가능하게 한다.
능동 구조(26)는 MEMS 평면(142)에 배열된다. 능동 구조(26)는 상호작용 구조(24)에 기계적으로 결합된다. 즉, 기계적 연결로 서로 부착된다. 이를 위하여, 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26) 간의 기계적 연결을 적어도 부분적으로 제공하는 기계적 결합 요소(28)가 제공될 수 있다. 기계적 결합 요소(28)는 기계적으로 견고한(rigid) 연결을 제공할 수 있으며, 이는 기계적 파단 강도 측면에서 소정의 탄성이 바람직할 수 있음을 의미하는 것으로 이해된다. 그러나, 기계적 결합 요소(28)에 의하여, MEMS(10)의 능동 동작(active operation)에서 힘의 손실 및/또는 MEMS(10)의 센서 동작에서 감도가 손실될 수 있음을 의미하는 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26) 사이의 원하지 않는 상대적 편향을 초래할 수 있는, 과도한 탄성을 방지할 수 있다.
능동 구조(26)는 능동 구조(26)의 전기적 접점에서의 전기 신호 또는 전위(32)가 능동 구조(26)의 변형과 인과적으로 연관되도록 구성된다. 능동 구조(26)의 변형은 결과적으로 유체의 이동과 인과적으로 연관되며, 이것은 예를 들어, 능동 구조(26)에 의하여 검출될 수 있는, 유체를 이동시키기 위하여 능동 구조(26)에 의하여 구동되는 상호작용 구조(24) 또는 상호작용 구조(24)를 이동시키는 유체에 의하여 이루어진다. 전기 신호(32)의 인가는, 예컨대, 능동 구조(26)의 구동으로 연결되어 결국 상호작용 구조(24)의 구동으로 이어질 수 있다. 전기 신호(32)(기준 전위를 인가하는 것을 포함할 수 있음)의 탭핑(tapping) 또는 측정은 상호작용 구조의 움직임을 검출하는데 사용될 수 있다.
예컨대, MEMS(10)의 센서 동작에서, 유체는 상호작용 구조(24)를 편향시킬 수 있다. 위 편향은 기계적 결합 요소(28)에 의하여 능동 구조(26)에 전달될 수 있어 이것도 편향되도록 한다. 능동 구조(26)의 편향은, 예컨대, 신호(32)에 의하여, 예를 들어, ASIC(application specific integrated circuit), 프로세서 또는 마이크로컨트롤러 또는 기타 적절한 디바이스를 이용하여 검출 가능 및/또는 평가 가능할 수 있다.
예를 들어, MEMS(10)의 액츄에이터 모드에서, 신호(32)는 능동 구조(26)를 편향시킬 수 있고, 이 편향은 기계적 결합 요소(28)에 의하여 상호작용 구조(24)에 전달되어 유체를 이동시킬 수 있다.
상호작용 구조(24)와 능동 구조(26)는 다른 MEMS 레벨(141 및 142), 특히 서로 다른 레벨에 위치할 수 있다. 실시예는 능동 구조(26)의 평면(142)으로의 상호작용 구조(24)의 확장 및 그 반대의 확장을 방지하여, 상호작용 구조(24)의 기능 평면(functional plane)과 능동 구조(26) 사이에 기능상 분리가 제공되도록 한다. 이것을 통하여 두 가지 기능, 즉, 한편으로는 유체와의 상호작용과 다른 한편으로는 능동 구조의 배열을 공간적으로 분리할 수 있다. 이러한 공간적 분리를 통하여 높은 공간 효율적인 방식으로 두 구조를 설계할 수 있게 되므로, 결국 전체적으로 공간 효율적인 MEMS를 제조할 수 있게 된다.
필수는 아니나, 예컨대, 능동 구조(26), 기계적 결합 요소(28), 및/또는 상호작용 구조(24)는 전체적으로 또는 부분적으로 각각의 동일한 층(121, 122 및/또는 123)의 주변 구조의 재료로 형성된다. 예를 들어, 능동 구조(26)로부터 상호작용 구조(24)를 전기적으로 절연시키기 위하여, 예컨대, 산화규소(silicon oxide) 및/또는 질화 규소(silicon nitride)와 같은 전기적 절연 물질을 포함하는 중간층(122)이 제공될 수 있다. 이것은 또한 상응하는 재료로부터 기계적 결합 요소(28)를 형성하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 기계적 결합 요소(28)는 상호작용 구조(24)를 능동 구조(26)에 기계적으로 결합하도록 설계된 임의의 기하학적 형상 뿐 아니라 임의의 재료를 포함할 수 있다는 점에 유의한다.
상호작용 구조(24)는 MEMS(10)에 매달려 있거나(suspended) 및/또는 고정되거나, 또는 기계적 결합 요소(28)에 의하여 능동 구조(26)에 결합될 수 있다. 선택적으로, 스프링 요소 등과 같은 추가 지지(support) 요소가 제공되어 상호작용 구조(24)의 움직임을 지지할 수 있다. 기계적 결합 요소(28)는 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26) 간의 기계적 결합을 가능하게 하는 반면, 선택적인 추가 지지 요소는 주변 기판에 대한 상호작용 구조(24)의 지지가 가능하게 할 수 있다.
능동 구조(26)와 상호작용 구조(24)가 z 방향을 따라 대략 동일한 치수(dimension)를 가지는 것으로 MEMS(10)가 도시되어 있으나, 기본적인 개념은 상호작용 구조(24)가 능동 구조(26)보다 z 방향을 따라 불균등하게 더 크게 설계되는 것을 허용한다. 따라서, 유체와의 상호작용은 대부분이, 즉, 적어도 90%, 적어도 95%, 또는 적어도 98% 또는 심지어는 전적으로 상호작용 구조(24)에 의하여 이루어지도록 하고, 기능적으로 능동 구조(26)는 상호작용 구조(24)의 움직임을 생성 및/또는 센싱하고 유체와의 상호작용에는 적게 참여하거나 또는 전혀 참여하지 않도록 설계될 수 있다. 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26)의 층 두께는 서로에게 및/또는 희망하는 바에 따라 의도된 용도에 맞추어 적응(adapted to)될 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만, 예를 들어, 상호작용 구조(24)의 층 두께는 능동 구조(26)의 층 두께보다 더 클 수 있다. 예시적인 실시예에서, 평면 방향 x 또는 y에 수직인 상호작용 구조(24)의 층 두께는, 능동 구조(26)의 층 두께의 적어도 1.1배, 적어도 1.5배, 적어도 2배, 적어도 5배, 적어도 10배, 적어도 15배, 또는 적어도 20배이다. 이들은 바람직한 실시예이다. 위 양태들에 따른 다른 MEMS는 다른 비율에 따른 층 두께를 가질 수 있다.
다음의 실시예들은, 예컨대 라우드스피커로서, MEMS의 액츄에이터 동작이 구현되는 방식으로, MEMS의 능동 설계(active design)와 관련하여 설명된다. 그러나, 실시예들은 이에 한정되지 않을 뿐 아니라, 센서로서 각각의 MEMS를 사용하는 것도 언급하며, 이는 액츄에이터 설계에 조합하여 또는 대안적으로 가능하다.
대응하는 액츄에이터 기반 동작에서, 능동 구조는 단자에 전기 신호(32)의 인가시 능동 구조(26)의 변형을 일으켜, 상호작용 구조(24)의 이동 및 유체의 이동을 일으키도록 구성된 액츄에이터 구조를 포함하도록 형성된다.
도 2는 능동 구조(26)가 층(123)에 배열되고 상호작용 구조(24)가 레이어 구조(12)의 층 스택의 인접한 층(122)에 배열되는 실시예에 따른 MEMS(20)의 개략적인 사시도를 나타내며, 이는 최하층(121)과 최상층(124)을 더 포함한다. 개구(181 내지 186)는 최하층(121)에 배치될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 하나 이상의 개구(187 내지 1817)가 리드층(124)에 배치될 수 있다.
능동 구조(26)와 상호작용 구조(24) 간의 기계적 결합은, 상호작용 구조(24) 및/또는 능동 구조(26)의 비교적 강성인 로컬 영역들과 같은, 결합 부품 요소(28a 및 28b)에 의하여 이루어질 수 있으며, 이들은 기계적으로 서로에 대하여 견고하게 연결된다. 상호작용 구조(24)의 부분들은 능동 구조(26)를 향해 있는 결합 부품 요소(28a)의 표면에 대하여 음(negative)의 z 방향으로 후퇴하여 위치될 수 있고, 및/또는 능동 구조(26)의 부분들은 결합 구성 요소(28b) 또는 상호작용 구조(24)를 향해있는 결합 부품 요소(28b)의 표면에 대하여 양의 z 방향을 따라 후퇴하여 위치할 수 있다. 이를 통하여, 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26)의 대응 영역 사이에 거리 또는 갭(34)이 생성될 수 있으며, 이는 상호작용 구조(24)와 능동 구조(26)의 개별 부분들이 서로에 대하여 이동할 수 있도록 한다. 대안적으로 또는 추가적으로, 결합 부품 요소(28a 및 28b)들 사이에 추가 요소들이 배열되어 갭(34)을 획득할 수도 있다. 예를 들어, 능동 구조(26)의 부분들은 이동가능하거나 또는 변형 가능한 반면에, 상호작용 구조(24)는 비교적 강성으로 또는 움직일 수 없도록 형성될 수 있다. 능동 구조(26)의 편향 또는 변형 시 능동 구조(26)의 변형 가능한 부분과 상호작용 구조(24)의 요소들 간의 대응하는 상대적 이동은 갭(34)을 제공함으로써 개선될 수 있다. 갭(34)은 캐비티일 수 있으나, 예컨대, 분리층, 슬라이딩층 등과 같은 기계적 구조에 의하여 채워질 수도 있다. 이 층은 적어도 부분적으로 유동적으로(fluidically) 실링될 수 있으며, 이에 의하여, 예컨대, 결합 부품 세그먼트(28a 및/또는 28b)의 움직임을 위한 이동 공간이 제공될 수 있다.
즉, 결합 요소(28)는 능동 구조(26)를 상호작용 구조(24)에 기계적으로 견고하게 연결하고 능동 구조(26)와 상호작용 구조(24) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 거리 또는 갭의 치수는 z 방향을 따라 0.05 μm 이상 및 20 μm 이하, 0.3 μm 이상 및 10 μm 이하, 또는 0.8 μm 이상 및 1.5 μm 이하, 바람직하게는 1 μm 이다. 전기 절연 물질이 갭의 영역에 배치될 수 있는데, 이는 결합 요소(28)가 적어도 그 영역에 전기 절연 물질을 포함할 수 있음을 의미한다. 결합 요소의 기계적 강성은 평면 방향을 따른, 능동 구조(26) 및/또는 저항 구조(24)의 기계적 강성과 같거나 더 작을 수 있다.
예컨대, MEMS(20)는 최하층(121)에서 최상층(124)으로 또는 그 역방향으로 유체 흐름을 제공할 수 있다. 최상층(124)에 개구가 없는 MEMS(20)의 실시예는 갭(34)을 통한 유체 흐름을 배제할 수도 있다. 추가 실시예는, 커버층(124)의 개구들을 예를 들어, 능동 구조(26)를 통과하는 유체 채널과 연결하는 것을 제공한다.
상호작용 구조(24)는 능동 구조(26)에 의하여 하나 이상의 방향을 따라 이동될 수 있다. 예를 들어, 신호(32)에 의한 작동은 능동 구조(26)의 부분(26a 또는 26b)을 확대 또는 축소하는데 사용될 수 있다. 신호(32)가 제거되거나 기준 전위로 복귀되면, 능동 구조(26) 및/또는 추가 요소들의 재료의 기계적 강성은 능동 구조(26)를 이동하는데 이용될 수 있으며, 결국 상호작용 구조(24)를 다시 이동시키는데 이용될 수 있다. 또한, 제2 전기 신호에 의하여 이 반대 이동을 지원하거나 생성하는 것도 가능하다. 이를 통하여, 예컨대, 부분들(26a 및26b) 중 하나의 축소와 다른 부분(26b 또는 26a)의 확대가 각각 양 또는 음의 y 방향을 따라 교대로 발생하도록 한다. 예를 들어, 제1 시간 간격에서 부분(26a)의 축소는 음의 y 방향으로 기계적 결합 요소(28b)의 이동을 유발할 수 있고, 후속 시간 간격에서는, 능동 구조의 부분(26b)의 축소는 양의 y 방향으로의 결합 부품 요소(28b)의 이동을 유발할 수 있다.
도 2에서, MEMS(20)는 서로 대향 배치된 2개의 작동 디바이스(26a 및 26b)가 제공되는 능동 구조(26)를 가지며, 여기서 작동 디바이스(26a 및 26b)는 제1 작동 신호에 기초하여 작동 방향(예컨대, -y)을 따라 이동을 제공하고, 추가 작동 신호에 따라 제1 작동 방향과 반대 방향으로 상보적 이동(예컨대, +y)을 제공하도록 배열된다. 이것은 축을 따라 일종의 전후 이동을 생성하는데 사용될 수 있다. 추가 실시예는, 상호작용 구조(24)의 다축 이동을 제공하는 것으로, 예컨대, 능동 구조(26)의 서로 다른 또는 추가 부분들은 서로에 대하여 0° 및/또는 180° 이외의 각도로 회전될 수 있다. 부분들(26a 및 26b)은 각각의 부분 액츄에이터 또는 작동 디바이스들로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 신호(32)와 유사하거나 동일한 관련 작동 신호를 통하여 제어될 수 있다.
상호작용 구조(24)는 유체와의 상호작용을 위하여 제공되는 하나 이상의 표면 또는 구조를 가질 수 있다. 바람직한 구성에서, 상호작용 구조(24)는 실질적으로 평행한 복수의 플레이트 구조 또는 핀(fin) 구조(36)를 가진다.
선택적으로, 인접한 이동 핀 구조(36)들 사이에 요소들이 제공되어, 캐비티(16)를 서브 캐비티들로 분할할 수 있다. 이러한 바람직한 강체 요소들 또는 핀(38)들은 레이어 구조(12)의 캐비티의 각각의 서브 캐비티를 쌍으로 또는 주변 기판과 조합하여 정의할 수 있다. 임의의 기하학적 구조를 가지지만 바람직하게는 저질량 강성 구성을 가지는 상호작용 구조의 구조적 요소(이하, '핀'이라 함) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 서브 캐비티에 배열된다. 따라서, 각각의 이동가능 핀(36)은 서브 캐비티에서 앞뒤로 이동하도록 배열될 수 있다. 일부 또는 모든 이동가능 핀(36)들의 조인트 이동(joint movement)은, 예컨대, 이동가능 핀(36)을 서로에게 기계적으로 연결하고 결합 부품 요소(28a)에 연결될 수 있는 연결 요소(42)를 이용하여, 이동가능 핀(36)들을 서로에 기계적으로 결합함으로써 가능해질 수 있다. 결과적으로 능동 구조(26)의 움직임이 이를 통하여 이동가능 핀(36)으로 전달되도록 한다.
하나 이상의 서스펜션(44)은 연결 요소(42) 및/또는 이동가능 핀(36) 또는 상호작용 구조(24)를 층(122)과 같은 주변 기판에 연결할 수 있다. 강성 핀(38)은 해당 층 또는 다른 층의 기판에 연결될 수 있다.
즉, 상호작용 구조(24)의 수동 요소를 포함하는 평면은 고성능으로 기계적 효과를 생성하는데 사용될 수 있다. 증가된 패킹 밀도(packing density) 및 능동층에 독립적인 층(122)의 층높이 또는 층두께에 의하여 성능을 향상시킬 수 있다. 구조층(122)에서의 능동 요소의 생략은, 적어도 필요한 칩 표면에 대한 소요 면적을 감소시키고, 서로 다른 층의 상이하고 적응된 제조 프로세스를 가능케 한다. 구조층(122)의 수동 요소를 탄성적으로 매달려 있거나(suspended) 또는 대안적으로 매달려 있지 않는 자유 저항 요소(42)로서 설계하는 것이 가능하다. 대안적으로, 예컨대, 음파 발생을 위한, 복수의 탄성빔 또는 다른 구조들이 구조 평면(122)에 위치할 수 있다.
설명된 기능적 레벨의 분할은, 예를 들어 높은 힘 또는 높은 감도를 생성하기 위해서는, 능동 구조(26)의 전극들 또는 다른 능동 요소들 사이의 작은 간격(spacing)과 함께 큰 능동 영역이 바람직(예: 큰 종횡비)할 수 있기 때문에 특히 유리하다. 제조 프로세스에서, 이러한 종횡비, 즉, 원하는 x/y의 간격을 가지는 z 방향에 따른 두께는 제한될 수 있다. 동시에, 유체와의 상호작용을 위해서는 큰 상호작용 영역이 바람직할 수 있으나, 반드시 능동 구조에 원하는 만큼 조밀하게 패킹되는 것은 아니다. 즉, 제조 프로세스에 한계가 존재한다.
한 가지 가능한 제한 사항은 제조 프로세스이다. 충분히 높은 구동력을 가능하게 하기 위해서, 고전적인 NED의 작은 전극 거리를 실현하는 것을 목표로 한다. 작은 전극 거리는 큰 액츄에이터 두께(충분한 유체를 이동시킴)에서는 더 이상 실현 가능하지 않거나, 부당하게 높은 비용 지출이 있는 경우에만 가능할 수 있다. 이는 필요한 전극의 높이와 필요한 전극 간격 사이에 모순을 초래한다.
상호작용 구조(24)로부터 능동 구조의 분리 및 상호작용 구조(24)의 작은 거리에 대한 요건의 부재 또는 중요도가 낮은 요건은, z를 따르는 작은 확장만으로도 원하는 힘에 충분하기 때문에 능동 구조(26)의 종횡비를 유지하는 것을 가능하게 한다. 유체 동작에 경우, 상호작용 구조(24)에 대해서 z를 따르는 더 높은 확장이 선택될 수 있으며, 여기서 개별 구조들 간의 거리가 더 클 수 있으므로, 이는 문제가 전혀 안되거나 또는 그리 큰 문제가 아닐 수 있다.
도 3a는 능동 구조(26)의 일부에 대한 개략적인 평면도를 도시한 것이다. 능동 구조(26)는 나란히 배열된 복수의 전극 요소(461 내지 466)를 포함할 수 있으며, 여기서, 전극 요소의 총 개수는 2보다 크거나, 4보다 크거나, 6보다 크거나, 8보다 크거나, 10보다 크거나, 또는 20보다 크거나, 30보다 크거나, 50보다 크거나, 또는 이보다 더 클 수 있다. 전극들은 전극들의 주측면(main side)이 서로 마주보도록, 이론적으로 가능한 기준 상태에서 서로에 대하여 거의 평행한 플레이트 형태의 구조로 형성될 수 있다. 주측면은 주측면들을 연결하는 2개의 보조면들과 비교할 때 상대적으로 큰 표면적을 가지는 면으로 이해된다. 일부 실시예에서, 예를 들어 도 3a에 도시된 바와 같이, 전극들은 이러한 기준 상태로부터 전방으로 이동될 수 있다.
인접한 전극쌍(481 및 482, 482 및 483, 또는483 및 484와 같은)들의 주측면들은 서로 마주보도록 배치될 수도 있다. 각각의 전극쌍(481 내지 484)들은, 예컨대 신호(32)에 의하여 전위가 인가될 때, 전극들 간의 거리(hgap)가 적어도 국부적으로 감소되어 적어도 일부의 액츄에이터 스트로크를 제공하도록 구성될 수 있다. 다수의 쌍들을 직렬로 연속적으로 연결함으로써, 능동 구조(26)의 높은 전체 스트로크를 얻을 수 있다.
전극들의 중심 영역(521 내지 528)에서, 각각의 전극쌍은 인접한 전극쌍, 또는 주변 기판, 또는 지지 구조에 연결될 수 있다. 스페이서 요소(541 내지546)는 위와 같은 목적을 위하여 배치될 수 있으며, 스페이서 요소(541 내지546)는 선택적으로 인접한 전극들의 전기적 절연을 제공하기 위하여 전기 절연 방식으로 형성될 수도 있다. 대안적으로, 전기적 절연은 전극 요소 상의 코팅 뿐 아니라 및/또는 예컨대, 스페이서 요소(561 내지 568)에 의하여, 동일 전극쌍(48)의 전극들을 서로로부터 전기적으로 절연함으로써 제공될 수 있다. 그러나, 스페이서 요소(561 내지 568)는 층(123)과 같은 주변 기판을 이용하여 대안적 또는 추가적으로 구현될 수 있다. 따라서, 전기적 절연은 스페이서 요소(561 내지 568) 대신에 기판과 상호작용하는 주변 매체(또는 진공)를 통하여 제공될 수도 있다. 또한, 서로 다른 쌍의 인접 전극들에 동일한 전위를 인가하는 것도 가능하며, 이는 필요한 경우 이러한 전극들에 대한 해당 위치에서의 전기적 절연이 생략될 수 있음을 의미한다.
즉, 전극쌍의 전극 요소들은 전극 요소의 엣지 영역에서 개별 외부 스페이서 요소(56)에 의하여 기계적으로 고정될 수도 있으며, 및/또는 전극 요소들은, 스페이서 요소(56)를 통하여도 조정 가능한 전극 요소들 간의 거리(hti)를 설정하기 위하여, 그 엣지 영역에 레이어 구조와 기계적으로 고정될 수도 있다.
엣지 영역에서, 거리(hti)는, 예컨대, 0.01 μm 내지 200 μm 범위(0.01 μm ~ 200 μm), 바람직하게는 0.3 μm 내지 3 μm 범위(0.3 μm ~ 3 μm), 및 특별히 바람직하게는 1.3 μm 범위로 작게 유지될 수 있다.
외부 스페이서 요소(56)에 의하여 얻어지는 개별 전극들 사이에서와 같이, 내부 스페이서 요소(541 내지 546)에 의하여, 전극쌍들 간의 유사 또는 동일한 간격이 설정될 수 있다.
전극쌍(48)의 전극 요소들 사이에 전위를 인가하는 것은 MEMS 평면(142) 내의 방향을 따라, 예컨대 y 방향을 따라, 전극쌍의 길이의 변화를 초래할 수 있으며, 이에 따라 상호작용 구조(24)에 전달될 수 있는 능동 구조(26)의 스트로크가 발생될 수 있다.
선택적 스페이서 요소(54)의 배열로 인하여, 적어도 부분적으로는, 중심 영역(52)에서, 이들은 내부 스페이서 요소로 지칭될 수 있다. 외부 영역 또는 엣지 영역의 선택적 스페이서 요소(56)는 스페이서 요소라고 지칭될 수 있다.
능동 구조(26)는 복수의 전극쌍(48)을 가질 수 있으며, 이들 각각은 내부 스페이서 요소(54) 등에 의하여, 분리 위치(discrete locations)에서 인접 전극쌍들의 전극 요소들과 중심 영역에 고정적으로 연결된다.
즉, 도 3a는 능동 구조(26)의 편향가능한(deflectable) 요소의 일부를 보여주는 것으로, 이는 마이크로머슬(micromuscle)이라고도 지칭될 수 있으며, 개별적으로 이격된 복수의 전도성 바/전극(46)을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 이러한 빔들은, 도핑된 반도체 물질이고, 각각 금속 또는 실리콘 등(단, 바람직하게는 실리콘)의 적어도 하나의 전극을 나타낸다. 대향하는 바들은 전기적 비전도성 매체를 통하여 서로 연결된다. 또한, 비전도성 매체는 편향가능한 부재의 제1 확장(extension) 방향 및 제2 확장 방향으로 세그먼트화된 절연 스페이서층일 수 있다. 즉, 빔들은 절연 스페이서(54 및/또는 56)에 의하여 상호 연결될 수 있다. 추가 실시예는 기체, 액체 또는 고체 비전도성 매체를 포함한다. 기체 및 액체 스페이서층의 경우, 기판에 편향가능한 요소가 추가로 부착될 수 있다. 고체 비전도성 매체의 경우에는, 바람직하게는 탄성이 고체 전도성 매체의 탄성보다 더 작다. 461 및 462과 같은 전극쌍의 2개의 인접 편향가능한 요소들 사이에 전위차가 존재하도록 전기 전압이 바에 인가된다. 이러한 전위차는 정전기력을 생성하고, 빔들은 서로 끌어당긴다. 비전도성 매체 또는 세그먼트화된 절연 스페이서층(54 및/또는 56)의 탄성은 복원력을 제공할 수 있다. 복원력은 전도성 빔(46)의 탄성으로부터 얻어질 수도 있다. 이를 위하여, 스페이서 부재(54)를 구현하는 것 등에 의하여, 절연 스페이서 부재(56)에 대응하는 절연성 고체가 전도성 고체 사이에 배치될 수 있다. 스페이서 요소(54 및 56)들의 가능한 한 가지 배열은, 예컨대, 전도성 매체들 사이의 지지점(support point)들이 행에서 행으로 번갈아 나타나도록 하여, 다음 지지점이 항상 인접한 행의 2개의 지지점들 사이에 있도록 하는 소위 "브릭 패턴(brick pattern)"이다. 해당 구조는 단일 셀들(48)이 반복되는 주기적인 구조이지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 인접한 전도성 고체들 사이의 전위차를 생성하면, 전체 구조가 변형될 수 있다.
도 3a에서, lcell은 x 방향에 따른 머슬셀(muscle cell)의 치수를 나타내고, Iti 는 x 방향에 따른 지지부위(support site)의 치수를 나타내며, hti 는 y방향에 따른 지지부위의 치수를 나타내고, helec 는 y방향에 따른 전극의 치수를 나타내며, hgap 은 y방향에 따른 두 전극 사이의 거리를 나타낸다. 언급된 파라미터는 개별적으로 및 독립적으로 구현될 수 있을 뿐 아니라 서로에게 적응될 수도 있다. 이들 파라미터 각각은 최소 0.01 μm에서 최대 200 μm 범위 내에 있을 수 있다. Lcell은 예컨대, 최대 1500 μm일 수도 있다. 특수한 구현을 위하여 특히 바람직한 것은, 예컨대, lcell = 124 μm, Iti = 4 μm, hgap (최소 또는 최대 액츄에이터 편향의 기준 상태에서) = 1.3 μm, helec = 1 μm 및/또는 hti = 1 μm이며, 각각의 경우 수정 가능 및/또는 소정 허용오차 내에 있다.
작동 중에, hgap 값의 변화(예컨대, 단축)가 y방향을 따라 발생될 수 있고, 기하학적 설계에 의존하여 Icell 값의 변화가 x방향을 따라 발생될 수 있다. 도 2의 저항 요소 또는 결합 부품 요소(28a)에 대한 결합이 어떻게 실현되는지에 따라, 변형 방향 x 또는 y 중 하나가 도 2의 결합 부품 요소(28b)에 전달된다. y방향 및/또는 x방향을 따라 추가셀들을 서로 옆에 일렬로 정렬함으로써, 방향의 변위 또는 개별 셀의 힘이 충족될 수 있거나 또는 셀 개수만큼 곱해질 수 있다.
편향가능 요소(26)(즉, 머슬셀 또는 마이크로머슬)의 기하학적 구조는 x방향 및/또는 y방향의 강성을 세밀하게 조정하는데 사용될 수 있다. 또한, 각 편향당 힘은, 예컨대, "응력-변형 곡선"에 따라 조정 또는 최적화될 수 있다. 사운드 생성에서, 초기 상황에서는 초기에 상대적으로 적은 힘으로 많은 편향이 필요하다. 변위된 부피가 증가하면, 머슬에 작용하는 유체(예: 공기)의 복원력이 증가한다. 그 다음에는 편향을 위하여 더 큰 힘을 생성해야 한다. 셀 기하학 구조의 선택은 편향 프로세스 동안 힘의 변화를 조정할 수 있도록 했다. 또한, y방향에서 x방향으로의 길이 변화 비율(구조의 유효 포아송 비율)은 셀 기하학적 구조를 통하여 조정될 수 있다. 적합한 셀 기하학적 구조를 선택함으로써, 0보다 작은 유효 포아송 비율을 가지는 머슬이 설계될 수 있다. 오그제틱 구조(auxetic structure)라고 불리는, 이러한 구조들은 구부렸을 때 매우 특별한 특성을 나타낼 수 있다. 이러한 특성들은 수직적 풀-인(vertical pull-in) 측면에서 머슬의 개선 가능성을 제공한다.
도 3b는 일 실시예에 따른 능동 구조(26) 일부의 개략적인 평면도이다. 도 3a와 비교하여, 동일한 요소들이 제공될 수 있으며, 추가적으로, 인접한 전극들(461 과 462, 463 과 464, 465 과 466 및/또는 467 과 468) 사이에 전기적 절연층(581, 582, 583 및 584)이 각각 제공될 수 있다. 절연층(58)은, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 다른 절연 물질, 특히 Al2O3 등과 같은 전기적 절연 물질을 포함할 수 있다.
전기적 절연층(581 내지 584)이 외부 스페이서(56)보다 더 얇은 y방향에 따른 치수를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 이들은 대안적으로 동일하거나 더 큰 두께/확장(expansion)을 가질 수 있어, 예컨대, 작동 중에 단부 위치가 조정되거나 또는 영향을 받을 수 있다. 두께는 x방향을 따라 균일하거나 또는 가변적일 수 있다.
전기적 절연층(581 내지 584)은 전극쌍(481 내지 484)의 전극들의 엣지 영역에 배치된 외부 스페이서 요소들 사이에 매달려(suspend) 전극들을 기계적으로 고정할 수 있다. 대안적으로, 절연층(581 내지 584)의 배열은 기판 또는 다른 고정 구조물 상에 제공될 수 있다. 대안적 또는 추가적으로, 외부 스페이서 요소(56)들을 전극들 사이에 연속적이고 가능한 국부적으로 얇아진(thinned-out) 층으로 배열함으로써, 상응하는 구성이 얻어질 수도 있다.
즉, 도 3b는 절연 스페이서층의 또 다른 실시예를 보여준다. 도시된 대안적인 스페이서(58)는 스페이서(56)들 사이의 연결을 제공하고, 예컨대, 이에 물질적으로 결합된다. 바람직한 실시예에서, 스페이서(56 및 58)는 동일한 물질로 만들어진다. 유리하게는, 이는 갭에서 유전상수를 증가시킨다. 또한, 편향가능한 요소들의 두께 방향에서 편향가능한 요소들의 강성도 향상된다. 마찬가지로, 예컨대, 측면 풀-인(lateral pull-in) 동안, 전극들 간의 단락도 피할 수 있다. 또한, 소위 저온 양극산화(cold anodisation)가 감소되거나 회피될 수 있기 때문에 능동 구조(26)의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도3c는 도 3a의 실시예에 이어서 추가 실시예에 따른 능동 구조(26) 일부의 개략적인 평면도를 보여준다. 도 3a와 관련하여 내부 스페이서(52)로 지칭되는 요소들의 영역에, 전극(467)과 같은 추가 전극들이, 예컨대 상이한 전위를 인가함으로써, 하나 이상의 전극들 또는 이들의 섹션과 함께 추가 전극쌍(485)을 형성하도록 배열될 수 있다. 즉, 서로 다른 전극쌍들의 전극들에 의한 적절한 간격(spacing) 및 고정을 통하여 추가 전극쌍이 정의될 수 있다. 일종의 허니콤 패턴을 얻을 수 있으며, 허니콤 패턴은 동시에 높은 안정성과 높은 힘을 제공한다.
도 3d는 능동 구조(26)의 일부 또는 그 전극쌍(48)의 개략적인 도면을 도시한 것이다. 전술된 설명과 대조적으로, 전극(461 및 462)들은, 예컨대 MEMS(20)의 층(123)의 재료에서, 기판 재료(62)에 의하여 유지, 고정되고 서로로부터 이격된다. 전극(461 및 462)들은, 예를 들어 서로 반대 방향을 향하는 곡률(curvature) 및/또는 중심 영역(52)에서의 대응하는 고정에 의하여 중심 영역(52)을 향하여 서로로부터 증가하는 거리를 가질 수 있으며, 이는 도 3a 및 도3b에 도시된 바와 같이, 단면적으로 직선 전극 형상을 포함할 수도 있다. 이것은 인력의 능동적(active) 생성에 대한 적응을 허용한다.
도 3b에 도시된 단일 절연층 대신에, 2개의 절연층(58a 및 58b)이 전극(461 및 462)들 사이에 배열될 수도 있으며, 이로써 절연층(58a 및 58b) 및/또는 전극(461 및 462)을 기판 재료(62)에 고정하는 대신에 외부 스페이서 요소(56)를 이용하여 서로에게 고정될 수도 있음을 알 수 있다. 대안적으로, 절연층(58a 및 58b) 중 하나만이 배열될 수 있다. 절연층(58a 및/또는 58b)의 형상은 MEMS의 수동 상태에서 사전 유도된(pre-directed) 전극쌍(48)의 전극(461 및 462)들의 형상에 각각 적응될 수 있다. 예를 들어, 절연층(58a)은 전극(461)의 곡률에 따라 적어도 허용오차 범위 내에서 만곡된다. 마찬가지로, 절연층(58b)은 전극(462)과 적어도 유사하게 만곡된다.
이러한 점에서, 층(58a 및 58b)은 절연층(58)의 서브층으로 이해될 수 있으며, 각 서브층은 각각 전극(461 및 462)의 미리 안내된 형상을 따른다. 이 점에 있어서, 서브층(58a 및 58b)의 대향하는 주면(main surface)들 사이의 거리(예를 들어, 각각의 전극(461 및 462)을 향하고 있는 주면)는 전극 경로를 따라, 예를 들어, 기판 재료(62)에 대한 부착 영역들 사이의 능동 구조의 MEMS 평면에서의 x 방향을 따라 가변적일 수 있다. 이러한 실시예에서, 유리하게는, 절연층(58a 및/또는 58b)은 전극들이 서로를 향하여 이동함에 따라 전극(461 및 462)에 대응하는 x방향을 따라 비교적 쉽게 신장되거나 확장될 수 있다. 이것은 절연층(58a 및/또는 58b)에서 물질 응력을 감소시키거나 피할 수 있으며, 이는 액츄에이터의 편향 거동 및 절연층의 물질 응력 모두에 유리하다.
즉, 도 3d는 전극(461 및 462)들 사이의 절연층(58a/58b)이 어떻게 전극들의 형상을 따르는지를 보여준다. 이는, 예를 들어 Al2O3을 포함하는, 더 높은 비율의 절연 스페이서층이 사용되기 때문에 x 방향으로 편향가능 요소의 강성이 상당히 증가한다는 장점을 가진다.
도 3e는 능동 구조(26)의 일부에 대한 스캐닝 전자 현미경 사진과 개략적인 평면도를 나타내는 것으로, 절연 구조들 및 절연층들 사이의 유체 또는 캐비티(64)의 위치를 보여준다.
즉, 도 3e는 Al2O3로 이루어진 머쉬룸 형태(mushroom-shaped)의 스페이서(56)를 스캐닝 전자 현미경 사진으로 나타낸 것으로, 이러한 스페이서(56)는 수직적 풀-인(pull-in) 동안 단락을 방지하고자 할 때 사용된다. 이와 같이 이 머쉬룸들은, 예컨대 능동 구조(26)가 상호작용 구조(24)와 접촉하여 전기적 단락을 일으키는 것을 방지한다. 그들의 기본적으로 임의로 조절 가능한 형상으로 인하여, 머쉬룸으로 지칭되는 스페이서(56)는 도시된 이미지 평면으로부터 돌출될 수 있고 능동 구조(26)와 상호작용 구조(24) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다. 따라서, 스페이서는 전체 컴포넌트 확장에 걸쳐 분포된 능동 구조(26)와 상호작용 구조(24) 사이에 생성될 수 있다.
도 4a는 예를 들어 MEMS(10 및/또는 20)에서 사용될 수 있는, 일 실시예에 따른 상호작용 구조의 개략적인 평면도를 보여준다.
예를 들어, 상호작용 구조(24)는 예컨대 MEMS(10 또는 20)에서 y 방향에 평행하게 배열될 수 있는, 대칭축(66)에 대하여 대칭적으로 형성될 수 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다.
복수의 저항 요소 또는 핀(361 내지 3610)들은 연결 요소(42) 상에 y 방향을 따라 배열될 수 있으며, 그 개수, 사이즈 및/또는 기하학적 구조는 각각의 필요 요건에 맞추어질 수 있다. 반대쪽 단부(end)들에서, 상호작용 구조(24)는 바람직하게는 탄성 서스펜션(441 및 442)을 통하여 주변 기판에 연결될 수 있다. 서스펜션(441 및 442)은 상호작용 구조(24)의 움직임을 가이드하는 측면에서는 유리하지만, 결합 부품 요소(28a)에 의하여 서스펜션을 제공하는 것으로 이미 충분할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 다른 유형의 모션 가이드 및/또는 서스펜션이 제공될 수 있다. 실시예는 편차 단면들(deviating cross-sections) 을 가지는 핀(36i)을 생성할 수 있다. 예를 들어, 핀(361)은 중심으로부터 시작하여 테이퍼진 형태를 가질 수 있다. 42와의 연결 영역에서, 핀(361)의 너비 또는 재료의 팽창 또는 재료 두께는, 예컨대, 자유 진동단부(freely vibrating end)에서 크고 작다. 이것은 재료에 따라 연결 영역에서 발생 가능한 응력을 최소화할 수 있다는 이점이 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 핀(36i) 내부에 중공을 형성하는 것이 가능하다. 이것은 특히, 질량 절약에 대한 높은 가능성이 있는, 42와의 연결 영역에서 경량 설계에 대한 높은 가능성을 제공한다.
도 4b는 도 4a의 상호작용 구조(24)의 개략적인 사시도를 나타낸다. 도 2와 관련하여 설명된 바와 같이, 저항성 구조(24)는 앞뒤로 움직일 수 있으므로, 상호작용 구조(24)는 셔틀(shuttle)로 지칭될 수도 있다. 상호작용 구조(24)는 구조 평면(141)의 다른 이동 구조와 마찬가지로 수동 요소로 간주될 수 있다. 탄성 서스펜션(441 및 442)은 수동 또는 능동 요소보다 낮은 강성을 가지는 요소를 통해 이루어질 수 있으며, 및/또는 탄성 요소(resilient element)로서 형성된다. 탄성 서스펜션(441 및/또는 442)은 능동층을 변화시키지 않고도 셔틀의 고유 주파수를 조정할 수 있도록 한다. 이를 위하여, 도 4a와 도 4b로부터 벗어난 기하학적 구조가 사용될 수 있다. 또한, 강성 분포의 적절한 선택에 의하여 저항 요소 또는 상호작용 구조(24)의 탄성 가이던스(elastic guidance)가 실현될 수 있다. 이러한 가이던스는 저항 요소가 제공된 방향으로만 이동성을 가지거나 또는 적어도 선호되는 이동성을 가지도록 설계될 수 있다.
결합 요소(28) 및 결합 부품 요소(28a 및 28b) 각각에 의한 기계적 결합에 비하여 서스펜션(441 및 442)의 강성은 낮을 수 있다. 예컨대, 결합 요소(28)의 기계적 결합은 서스펜션(441 및 442) 또는 기타 연결에 의하여 상호작용 구조(24)를 레이어 구조에 기계적으로 결합하는 것보다 적어도 3배 이상 큰 기계적 강성을 가질 수 있다.
추가적 실시예는 추가 서스펜션(441 및 442) 없이 설계된 저항 요소 또는 상호작용 구조를 가지는 MEMS를 포함한다. 이는, 능동 구조에 대한 기계적 결합(28a/28b)을 제외하고는, 상호작용 구조(24)는 서스펜션 없이 배열될 수 있음을 의미한다. 도 4a와 도 4b에 따른 실시예에서는, 저항성 구조(24)는 한편으로는 적어도 일측은 주변 기판(미도시)에 연결되고, 다른 한편으로는 액츄에이터, 즉 구동 평면(142)의 마이크로머슬 또는 편향가능 요소(26)에 연결된다. 이러한 연결은 견고(rigid)한 것이 바람직하다. 여기서, 예컨대, 형태 맞춤(form-fitting), 힘 맞춤(force fitting), 및/또는 재료 맞춤(material fitting) 연결을 고려할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 연결 요소/결합 요소(28)는 상호작용 구조(24)(수동 요소) 및 능동 구조(26)(능동 요소)에 물질적으로 연결되고, 능동 및 수동 요소에 대응하는 강성을 가진다. 다른 실시예는 능동 및 수동 요소들 보다 더 낮은 강성을 가지는 연결 요소(28)를 포함한다. 즉, 대안적인 실시예에서, 그것은 스프링 요소로 구성된다. 2개의 연결 요소(28a 또는 28b) 중 하나는 각각의 평면으로부터 적어도 1 μm만큼 돌출되어, 실제로 연결 요소(28a) 및 연결 요소(28b)를 통해서만 연결이 이루어지는 것을 보장할 수 있다. 이것은 도 2에 도시된 갭(34)이, 예컨대 1 μm의 확장을 가질 수 있음을 의미한다.
도 5a는 일 실시예에 따른 MEMS(50)의 능동 구조(26)의 개략적인 평면도를 도시한 것으로, 이 능동 구조(26)는 MEMS(10 및/또는 20)의 상호작용 구조 및 본 명세서에서 설명된 실시예들의 추가 구조적 요소와 용이하게 결합될 수 있다.
서브요소(28b)는 복수의 전극 어셈블리(72)가 배열되는 결합 요소(68)와 기계적으로 연결되거나 또는 일체로 형성된다. 예시적으로, 전극 어셈블리들은, 예컨대, 전극 어셈블리(721 및 722)가 층(123)의 기판과 결합 요소(68) 사이에 직렬로 연속적으로 연결되도록, 직렬로 연속적으로 연결된다. 각각의 전극 어셈블리(72)는 이동가능 레이어 어셈블리를 형성할 수 있으며, 이에 관해서는 도 5b와 관련하여 보다 상세하게 설명된다. 이동가능 레이어 배열은 곡률 반경으로 만곡될 수 있으며, 또한 선택적으로, 이동가능 레이어 배열(721 및 722)과 같이 직렬로 연결되는 이동가능 레이어 배열(72)의 곡률 경사도(curvature gradient)는 교대 부호(alternating signs)를 가질 수 있다. 이는, 예를 들어, 이동가능 레이어 배열(721 및 722)이 동시에 또는 교대로 작동될 때 생성된 움직임의 코스에 적어도 영향을 미칠 수 있다.
이동가능 레이어 어셈블리(72)는 결합 부재(68)와 기판 사이에 다수 그룹으로 배열될 수 있다. 도 5a에서, 결합 부재(28b)의 대칭적 서스펜션을 허용하는 4사분면에서의 4개의 그룹이 예시적으로 제공된다.
복수의 이동가능 레이어 배열들은, MEMS(50)의 예에서, 예를 들어, x 방향 및/또는 y 방향과 평행하게 배열된 복수의 대칭축(661 및 662)에 대하여 적어도 그룹으로 배열된다. 또한, 예컨대, 도시된 평면의 결합 부품 요소(28b)의 기하학적 중심점 주위의 점 대칭과 같은 다른 유형의 대칭이 있을 수 있다. 회전 대칭 또는 기타 다른 유형의 대칭이 제공될 수도 있으며, 이는 또한 제공된 작동 방향에 의하여 조정가능하다.
도 5b는 MEMS(50)에 사용될 수 있는 것과 같은, 이동가능 레이어 배열의 개략도를 나타낸다. 이동가능 레이어 배열은, 전위에 응답하여 이동 또는 변형을 수행하도록 적응되는 적어도 3개의 빔(761, 762 및 763)을 포함한다. 예를 들어, 빔(761, 762 및 763)들은, 전극 요소(46)에 대응하고 정전기력을 위해 배열되는, 금속 물질 및/또는 도핑된 반도체 물질과 같은 전기적 전도성 물질을 포함할 수 있다. 그러나, 정전기, 압전 또는 열기계학적(thermomechanical) 전극 구조 및/또는 이들의 조합을 포함하도록 능동 구조를 설계함으로써, 열 유도 변형, 압전력, 또는 다른 유형의 전기적 생성 작동을 구현하는 것도 가능하다. 그러나, 빔(763)은, 예컨대 빔(761 및 763)들 사이에 배열된다. 이를 통하여, 빔(761, 762 및 763)들은, 예컨대, 전기적 절연 스페이서 요소(821 내지 824)에 의하여 분리 영역(781 및 782)에서 서로로부터 전기적으로 절연된다. 비록 전기적 절연 스페이서 요소(82)가 빔(761 내지 763)들의 엣지 영역에 배치되는 것으로 도시되었으나, 대안적으로 또는 추가적으로, 그들은 중앙 영역 또는 그 사이 영역에 배치될 수 있다. 이동가능 레이어 배열(72)은 한편으로는, 빔(761 및 763)들 사이의 전위에 응답하여 및/또는 다른 한편으로는 빔(762 및 763)들 사이의 전위에 응답하여 MEMS 평면(142)에서 이동 방향을 따라 이동을 수행하도록 구성되어, 결합 요소(28), 특히 결합 부품 요소(28b)를 이동시킨다. 예를 들어, 이동가능 레이어 배열(72)의 클램핑에 기초하여, 이동가능 레이어 배열(72)의 평면내 정렬 와이핑 움직임(in-plane aligned wiping movement)이 획득될 수 있으며, 이는 대칭적 서스펜션에 의하여 기계적 결합 부품 요소(28b)의 선형 운동으로 변환될 수 있다. 다른 유형 및 형태의 이동은 용이하게 조정가능하다.
즉, 도 5a 및 도 5b는 연결 요소(28b)를 통하여 서로에 연결되고, 저항 요소(24)(미도시)에 연결되는 이동가능 레이어 어셈블리(721 및 722)의 서브요소를 포함하는 편향가능 요소(26)의 대안적인 실시예를 도시한다. 편향가능 요소 또는 이동가능 레이어 배열의 구조는 절연 스페이서에 의하여 서로 분리된 적어도 3개의 전극의 어셈블리일 수 있다. 2개의 외부 전극은 동일한 전압, 예컨대 기준 전위 또는 GND를 인가받고, 중간 전극은 신호 전압, 예컨대 신호(32) 형태의 전압을 인가받을 수 있다. 결과적으로, 편향가능 요소의 편향이 발생할 수 있다. 이동가능 레이어 배열(721 및 722)의 서로에 대한 대칭적인 구조로 인하여, 선형 편형 거동이 실현될 수 있다. 예컨대, WO 2012/095185 A1에 따라서 상응하는 구조를 얻을 수 있다.
도 6a는 실시예에 다른 MEMS(60)의 일부의 개략적인 사시도를 보여주며, 이는 도 2의 실시예와 실질적으로 동일할 수 있다. 층(121 및 124)들은 예시적인 실시예에 도시되지 않았으나, 다른 층들과 마찬가지로 배열될 수 있다. 부분(26a 및 26b)들은 각각 독립적인 액츄에이터로서 형성될 수 있으며, 서로 대향되게 배열될 수 있고, 결합 서브요소(28b)에 의하여 상호작용 구조(24)에 기계적으로 결합되고 서로에 기계적으로 결합될 수 있다. 여기서 결합 서브요소는 액츄에이터(26a 및 26b) 사이에 배열된다. 따라서, 액츄에이터(26a 및 26b) 중 하나의 제1 작동신호에 기초하여 능동 구조(26)가 작동 방향에 평행한 제1 영역에서 연장되고 다른 부분에서는 단축되도록 적응되는 것이 달성될 수 있다. 또 다른 작동 신호에 기초하여, 각각의 능동 구조의 단축 및 연장/확장을 반대로 함으로써 상보적인 움직임이 달성될 수 있다.
도 2, 3a, 3b, 6a, 및 6b의 능동 구조(26)를 참조하면, 전극쌍은, 예컨대 도 4의 이동가능 레이어 배열에서와 같이 동일한 방식으로 일렬로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 3a와 도 3b에 더 상세하게 설명된 구조는 MEMS 평면(142)에서 작동 방향과 평행하게 배열된 일련의 다수 전극쌍을 가질 수 있으며, 이를 통하여 MEMS 평면(141)에서 그 방향을 따라 상호작용 구조의 이동을 일으킬 수 있다. 이와 관련하여, 실시예는 또 다른 방향을 따라 상호작용 구조(24)의 이동을 일으키기 위하여 전술된 방향과 다른 제2 방향에 평행하게 배열된 적어도 제2열의 전극쌍을 선택적으로 제공한다. 능동 요소의 각각의 작동 방향은, 레버 또는 기어 등과 같은 적절한 기계적 편향 요소에 의하여 편향될 수도 있음에 유의해야 한다.
예를 들어, y 방향에 평행한 이동에 추가하여 x 방향에 평행한 이동을 일으키기 위하여 하나 이상의 추가 부분 액츄에이터가 부분 액츄에이터(26a 및 26b)에 대하여 90도 각도로 배열되는 것을 구상할 수 있다.
도 6b는 도 6a의 일부에 대한 개략적인 사시도를 보여주는 것으로, 특히, 결합 부품 요소(28a 및 28b)들 사이의 기계적 연결 영역의 개략적인 사시도를 도시한다. 능동 구조(26)는, 예를 들어 MEMS(20) 및 도 3a 및/또는 도 3b에 관한 설명에 따라 형성된다. 여기서, 2개의 대향하는 작동 디바이스(26a 및 26b)는, 일 예로서, 서로 다른 작동 신호에 기초하여 각각의 작동 디바이스(26a 또는 26b)의 길이 변화를 가져올 수 있고, 및 기계적 결합에 의하여 결국 다른 작동 부분의 길이 변화 또는 변형도 가져올 수 있도록 배열될 수 있다.
이를 통하여, 서로에 대하여 작용하는 2개의 머슬(muscle) 또는 작동 디바이스들을 결합하여 적어도 거의 선형 편향 거동에 가까운 거동을 얻을 수 있으며, 이는 적어도 선형 거동에 근접하는 균형잡힌 거동(balanced behavior)이라고 할 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 능동적 편향가능 요소(26a 및 26b)들은 연결 요소(28b)를 통하여 서로 연결된다. 이 연결은, 결합 요소의 위치에서와 같이, 결과적으로 능동적 편향가능 요소의 선형 거동을 유리하게 하도록 견고할 수 있다.
이러한 구성은 정전기적 작동으로 인한 비선형 전압-변위 거동을 감소시키거나 완화할 수 있다. 이 원리는 다른 기타 액츄에이터에도 적용될 수 있다. A-NED(비대칭적 나노스코픽 정전기 드라이브/액츄에이터)와 같은 비대칭적 액츄에이터가 사용될 수 있으며, 이들은 2개 머슬이 반대 방향으로 편향을 일으키도록 배열된다. 추가 실시예와 연결되어 설명된 균형 NED(balanced NED, BNED) 또는 BA-NED(균형-비대칭 NED, balanced-asymmetric NED)과 같은 대칭적 액츄에이터가 사용될 수도 있다. 예를 들어, BNED의 경우, 두 머슬의 외부 전극에 대한 전압은 역으로(inversely) 선택될 수 있다. BA-NED의 경우에도 동일하다. 대안적으로, 액츄에이터의 편향 방향을 지정하기 위하여 BA-NED의 절연섬(insulation island)의 위치는 다르게 선택될 수 있다.
능동 구조(26)와 상호작용 구조(24) 사이에는 바람직하게는 갭(34)이 배열되며, 비록 도 2와 관련하여 갭(34)이 적어도 1 μm인 것으로 설명되나, 이를 위해 다른 값들이 선택될 수도 있다. 예를 들어, 각각의 결합 부품 요소는 핀 또는 전극의 평면들로부터 돌출될 수 있다. 대안적으로 또는 부분적으로, 바람직하게는 전기적 절연성 기계적 상호연결층(84)이 갭(34)을 전체적 또는 부분적으로 설정(set)할 수 있다. 예컨대, 상호연결층(84)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
도 7a는 MEMS(20)의 상호작용 구조(24)의 개략도로서, 상호작용 구조(24)가 서스펜션(441 및 442)을 통하여 층(122)의 기판에 연결되어 매달린(suspended) 모습을 보여준다. 서스펜션(441 및 442)은, 예를 들어, 상호작용 구조(24)를 레이어 구조에 탄성적으로 결합시키는 가요성 스프링 요소를 포함할 수 있다. 레이어 구조에 대한 상호작용 구조의 기계적 결합은 최대 강성으로서 상호작용 구조(24) 자체의 강성과 동일한 강성을 가질 수 있으나, 더 부드럽게 구현되거나 또는 대안적으로는 구현되지 않는 것이 바람직하다.
이로써, 이동가능 핀(361 내지 3620)들은 상호작용 구조(24)에 대해 접촉없이 또는 낮은 마찰 저항으로 배열된 강성 핀(38) 또는 강성 파티션과 주변 기판에 의하여 정의되는 서브캐비티에서 각각 이동할 수 있다. 따라서, 상호작용 구조의 핀 구조(361 내지 3620)들은 서브캐비티(16a 내지 16t)에서 이동가능하게 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 7a는 MEMS(20)의 편향되지 않은 상태를 보여준다.
도 7b는 서브캐비티(16a)의 제1 부분(16a1)이 확대되고 해당 서브캐비티(16a)의 다른 부분(16a2)은 감소되도록, 상호작용 구조(24)가 양의 y방향을 따라 편향된 상태의 상호작용 구조(24)의 개략적인 평면도를 나타내며, 이는 유체 흐름과 인과적으로 연관될 수 있다.
도 7c는 도 7a의 상호작용 구조(24)의 개략도를 나타낸 것으로서, 도 7b과 비교하여 상호작용 구조(24)가 음의 y방향을 따라 편향된 모습을 보여준다. 여기서, 예를 들어, 요소(361)의 이동은 16a1과 16a2의 체적의 변화를 야기하며, 이 또한 체적 흐름과 인과적으로 연관될 수 있다.
연결 요소(42)를 이용하여 요소(36)들을 서로 결합함으로써, 서로 동일하게 또는 서로 다르게 설정된 서브캐비티들의 크기를 고려하여 서브캐비티의 균일한 변화를 얻을 수 있으며, 이는 일편에는 요소(36)를 위치시키고 타편에는 요소(38)을 위치시키는 것에 의하여 선택될 수 있다.
즉, 도 7a 내지 도 7c는 도 7a의 휴지(rest) 위치로부터 시작하여 도 7b에서는 제1 방향(+y), 도 7c에서는 제2 방향(-y)으로의 저항 요소(24)의 편향을 보여준다. 서스펜션(441 및 442)의 만곡(curvature)도 함께 나타나 있다. 실시예에서, 서스펜션의 기하학적 구조는 도시된 것과 다를 수 있다. 예를 들어, 기하학적 구조는 지붕 형상, 웨이브 형상(wave-shaped), 또는 s 형상일 수 있다. 설계는 특정 어플리케이션에 기반하여 선택될 수 있으나, 강성 특성 등에 기초한 이동 시스템의 결과 공진 주파수(resulting resonant frequency)에 결정적인 영향을 미칠 수 있다. 다른 실시예는 도시된 서스펜션(441 및 442)이 없는 저항 요소(24)에 관한 것이다. 도 7a와 도 7c는 캐비티(16a 내지 16t, 16a1 내지 16t2)가 이동핀(36)과 강성핀(38)에 의하여 형성되는 것을 추가로 보여준다. 이동핀(36)의 길이는 핀(36)의 자유단과 주변 기판(123) 사이의 거리가 가능한 한 작도록 이루어질 수 있다. 따라서, 거리는 캐비티(16a1 및 16a2, 또는 16t1 및 16t2) 간의 유체 교환이 거의 또는 전혀 없도록 선택되며, 이는 유체 손실이 낮음을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 나타낸 MEMS에 의하여 구현되는 MEMS 스피커의 실시예의 맥락에서 보면, 이같은 측면에서 음향 단락이 방지될 수 있다.
도 7d 내지 도 7f는 대응하는 상태에서의 도 7a, 7b, 및 7c의 상호작용 구조(24)를 나타낸 것으로, 개구의 추가 그룹(18a 및 18b)들이 도시되어 있다. 예를 들어, 개구의 제1 그룹(18a)은 최상단(top) 웨이퍼에 제공될 수 있고, 다른 그룹(18b)은 MEMS(20)의 최하단(bottom) 웨이퍼에 제공될 수 있으며, 그 역도 가능하다. 이것은 서로 다른 서브캐비티(16a1 내지 16t1, 또는 16a2 내지 16t2)가 MEMS의 서로 다른 측면에 연결되는 것을 허용한다.
도 7e에 도시된 위치 및 도 7b의 상응하는 위치에서, 결국 유체는 그룹(18b)의 개구들 밖으로 이동할 수 있고 및/또는 그룹(18a)의 개구들을 통하여 내부로 이동할 수 있으며, 이는 밸브 구조의 배열에 의하여 영향을 받을 수도 있다.
도 7f는 도 7c에 따라, "1"로 인덱싱된 부분 캐비티의 크기가 감소되어 유체가 그룹(18a)의 개구들 밖으로 이동되는 반대 구성을 도시한다.
도 7b 내지 도 7f에 도시된 바와 같이, 서브캐비티부(16a2 또는 16t2)와 비교하여 서로 다른 개구들을 가지는 서브캐비티부(16a1 또는 16t1)와 같은 서로 다른 서브캐비티부들은 유동적으로(fluidically) 결합될 수 있으며, 여기서 개구들은 환경(22)이나 그 다른 측면에 개별적으로 결합되거나 또는 그룹으로 결합될 수 있다.
핀 구조는 서브캐비티들을 상이한 서브캐비티부들로 분리할 수 있으며, 이에 의하여 반드시 완전 실링되는 것을 의미하는 것은 아니나, 유체적 단락을 피하면서 분리가 이루어질 수 있다. 서브캐비티부들의 체적은 상호작용 구조의 움직임에 기초하여 서로 상호보완적일 수 있다.
그룹들(18a 및 18b)의 개구는 평면 방향에 수직한 부분 캐비티로부터 시작하여, 즉 양 또는 음의 z 방향을 따라 전체적으로 또는 부분적으로 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 개구들은 MEMS 평면(122) 또는 평면(142)에 제공될 수 있다.
예를 들어, 도 7g에 나타난 바와 같이, 서브캐비티부들로부터 측면 유출구(outlet)가 제공되는 것에 따른 조합도 가능하며, 이들 측면 유출구들은 z 축을 따라 서로 다른 방향들을 향함으로써, 도 7d 내지 도 7f와 유사하게, 서로 다른 서브캐비티부들이 상부측 또는 하부측에 연결되도록 하고, 이로 인하여 서브캐비티부의 상응하는 연결, 예컨대 서브캐비티부(16a1)의 측방향 연결이 평면(141) 내에서 이루어질 수 있다. 즉, 층(122)의 측면 유출구 또는 유입구(inlet) 이후에, MEMS 평면(141)에 배열된 그룹(18a 및 18b)의 MEMS 개구가 MEMS 개구, 리드층, 예컨대 층 구조(12)의 층(121 또는 124)에 평면 방향에 수직인 방향(즉, Z 방향)을 따라 유동적으로(fluidically) 연결되도록, 유체 흐름의 방향 전환이 발생할 수 있다.
즉, 캐비티들은 수동 요소(24)의 기하학적 구조에 의하여 생성될 수 있으며, 특히, 서브캐비티부는 요소(24)의 이동핀들 또는 기하학적 구조에 의한 강성핀 구조들에 의하여 정의되는 서브캐비티에 정의될 수 있다. 결과적인 서브캐비티부는 서브캐비티부들 간에 유체 교환이 없거나 매우 적은 유체 교환이 발생할 수 있도록 부재 내부에서 서로 분리된다. 부분 캐비티부(partial cavity part)는 최하단 및 최상단 웨이퍼의 개구(18a 및 18b)를 통하여 외부와 연결될 수 있다. 수동 부재(24)가 변위되면, 유체는 개구를 통하여 일측에서는 캐비티 내로 전달되고 타측에서는 밖으로 전달된다. 라우드스피커의 일 실시예에서, 수동 요소의 이러한 움직임에 의하여 음압이 생성된다. 펌핑 동작을 생성하는 것도 마찬가지로 생각할 수 있다. 저항 요소(24) 및 다른 수동 요소의 작동은 디바이스 평면(142)의 편향가능한 요소(26)를 통하여 달성될 수 있다. 본 명세서에 기재된 마이크로머슬(micromuscle) 또는 ANED 머슬(ANED muscle)과 같은 임의의 편향가능 요소가 사용될 수 있다. 디바이스 평면은 기계적 유체 상호작용을 위한 수동 요소 없이 설계될 수 있거나 또는 그 비율이 무시할 수 있는 정도이기 때문에, 전적으로 능동 요소로 채워질 수 있다. 따라서, 상대적으로 많은 개수의 요소들이 매우 조밀하게 배치될 수 있다. 이는 능동 요소들이 저항 요소(24)에 의하여 달성되는 필요한 기계적 효과에 적응될 수 있도록 한다. 능동 레벨과 수동 레벨 간의 기계적 효과의 전달은 디바이스 웨이퍼와 핸들링 웨이퍼 사이의 고정 연결, 즉, 생산 후에 남아있거나 또는 후속적으로 생산되는 요소(24 및 26)를 통하여 이루어진다.
도 7g에 도시된, 주변 유체에 캐비티를 연결하는 개구의 대안적인 실시예는, 도 7b 내지 도 7f의 최하단 또는 핸들링 웨이퍼의 개구(18a 및 18b)와의 연결이 가능하도록 개구(18'a 및 18'b)가 구조 웨이퍼(structural wafer)에 배열됨으로써 구현될 수 있다. 개구는 개구가 상부측 또는 하부측에 유동적으로 연결되는 방식으로 구조 웨이퍼에 배열될 수 있다. 이것은 2개의 레벨로 기능을 분리함으로써 추가 이점을 제공한다. 추가 레벨은 공기 가이던스(guidance)와 같은 유체 가이던스에 대한 새로운 가능성을 창조하며, 이는 2개의 칩 측면들의 유출 개구(outlet opening)가 다른 하나 위에 놓일 수 있도록 한다. 이를 위하여, 짧은 채널, 개구(18'a 및 18'b)는 그들이 유체 흐름을 유출 개구(이 경우는 공기)로 안내하는 방식으로 구조 평면의 디바이스 평면에 배치될 수 있다. 이것은 유출 개구들은 수동 음향-발생 요소들의 패킹 밀도(packing density)의 제한 인자가 될 수 있기 때문에, 위 접근방식에 의하여 음향-발생 요소들의 패킹 밀도의 증가가 달성될 수 있도록, 유출 개구들이 더욱 조밀하게 배치되는 결과를 초래한다.
도 8a 내지 도 8c는 평면(142)에서 MEMS(20)의 개략적인 사시도를 나타내는 것으로, 층(123) 및 능동 구조(26)가 예시된다. 액츄에이터부(26a 및 26b)는 예컨대, x-방향을 따라 나란히 배열되는 하나 이상의 액츄에이터 열(861 내지 865)로 설계될 수 있으며, 도 3c에 예시적으로 도시된 바와 같이, 서로 기계적으로 결합되거나 또는 심지어는 연속적인 전극을 형성하도록 설계되는 것도 가능하다. 예시적으로, 5개의 액츄에이터 열(861 내지 865)이 제공되지만, 적어도 1개, 적어도 2개, 적어도 3개, 적어도 4개, 적어도 6개, 약 10개 등 다른 임의의 개수의 열이 제공될 수도 있다. 액츄에이터부(26a 및 26b)는 서로에 대하여 대칭적으로 형성될 수 있으나, 이것이 필수적인 것은 아니다.
도 8a는 능동 구조(26)의 중립(즉, 비편향된) 상태를 도시한 것이고, 반면에 도 8b는, 예컨대, 액츄에이터부(26b)를 작동시킴으로써 액츄에이터부(26b)의 연장이 짧아지고 이에 대응하여 액츄에이터부(26a)가 길어지는 상태를 보여준다. 이러한 방식으로, 양의 y-방향을 따르는 결합 부재(28b)의 이동을 얻을 수 있다.
도 8c는 도 8d에 상보적인 상태로서, 예컨대, 액츄에이터 부재(26a)를 작동시킴으로써 얻어질 수 있는, 결합 부재(28b)가 도 8a에 대하여 음의 y방향으로 이동되는 상태를 도시한다. 이것과 독립적으로, 유체 채널(881 내지 88n)의 배열은 층(123)에 제공될 수 있고, 예를 들어 도 7g를 참조하면, 개구(18a 및/또는 18b)를 각각 개구(18'a 및 18'b)에 유동적으로 연결할 수 있다.
또한, 도 8a 내지 도 8c에 따른 실시예에서, MEMS는 적어도 제1 작동 신호를 변환하기 위한 제1 액츄에이터와 제2 작동 신호를 변환하기 위한 제2 액츄에이터를 포함할 수 있다.
도 8a 내지 8c은, 서로에 대하여 거울 대칭적인, 2개의 편향가능한 요소(26a 및 26b)가 중심선 맞은편에 배열될 수 있어 균형잡힌 머슬(balanced muscle)을 구현할 수 있음을 보여준다. 균형잡힌 머슬의 또 다른 가능성은 머슬 셀 기하학적 구조 선택에 의하여 제공된다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 높은 선형성을 나타내는 능동적 편향가능 요소들을 생성하는 것에 관한 것이다.
편향가능한 능동 요소의 기하학적 구조는 그 모드 및 동작 방향을 결정한다. 적어도 2개 이상의 서로 다른 기하학적 구조를 결합함으로써, 머슬 또는 편향가능 요소 내에서 서로 다른 방향의 동작이 구현될 수 있다.
즉, 도 8a 내지 도 8c는 제1 및 제2 편향가능 부재(26a 및 26b)를 포함하는 편향가능 부재(26)의 편향을 보여준다. 도 8b에 도시된, 제1 시간 간격에서, 편향가능 요소(26b)에서 도 3a 또는 도 3b로부터의 hgap 에 대한 값을 감소시킴으로써 제1 방향(+y)으로의 편향이 발생한다. 제1 시간 간격 이후의 또는 제1 시간 간격에 선행할 수 있는 제2 시간 간격에서, 편향가능 요소(26a)의 hgap 에 대한 값을 감소시키고 결과적으로 편향가능 요소(26b)의 hgap 을 증가시킴으로써 제2 방향(-y)으로의 편향이 발생한다.
도 9a는 일 실시예에 따른 상호작용 구조(24')의 개략적인 평면도를 도시한다. 상호작용 구조(24')는 상호작용 구조(24)의 대안으로서 또는 추가적으로 MEMS(10, 20 및/또는 40)와 같은 본 명세서에서 설명되는 MEMS에 제공될 수 있다.
도 9b는 도 9a의 상호작용 구조(24')의 개략적인 사시도를 도시한다.
다른 상호작용 구조들은 상호작용 구조가 이동하는 기판에 연결된 고정 핀들을 가지는 것으로 설명되지만, 상호작용 구조(24')는 MEMS 평면(141)에서 서로 평행하게 배열되고 수직하게 배향되며, 대향하는 엣지 영역에서 MEMS 기판에 연결되는 복수의 플레이트 또는 핀 요소들을 가질 수 있다. 대안적으로, 플레이트 요소들 또는 핀 요소들(92)은 서로 다른 액츄에이터부와 교대로 그룹 및 쌍으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 엑추에이터부들의 다수의 액츄에이터들이 제공될 수 있다. 따라서, 플레이트 요소(92)의 제1 그룹(92a)은 제2 그룹(92b)의 플레이트 요소(92)와 교대로 배열될 수 있다. 각각의 그룹의 플레이트 요소(92a 및 92b)는 각각 단순화하여 도시된 액츄에이터(94a 및 94b)를 통하여 개별적으로 또는 합동적으로 작동될 수 있으며, 이들은 차례로 하나 이상의 부분 액츄에이터(26a 및 26b)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 적어도 하나의 액츄에이터(94)는 부분 액츄에이터(26a 및 26b)를 가진다. 다수의 액츄에이터 또는 머슬은 그룹으로 또는 전역적으로 연결웹(96a1, 96a2 또는 96b1, 96b2)을 통하여 개별적으로 또는 집합적으로 차례로 서로 구동할 수 있다. 이것은 하나 이상의 액츄에이터의 배열을 허용한다. 일부 실시예에서, 결합 부품 요소들 또는 플레이트 요소들(한편으로는 94a1 내지 94a6 또는 94b1 내지 94b6)은 액츄에이터(26a 및 26b)의 단순화된 뷰(view)를 나타낸다. 따라서, 설명된 플레이트 요소들은 결합 로드(96)를 통하여 핀 어셈블리(92a/92b)를 작동시키도록 구성된 액츄에이터들을 제공할 수 있다.
이러한 구성은 상호작용 구조(24')가 비작동 상태와 같은 특정 상태에서 적어도 일시적으로 MEMS 평면(141)에 서로 평행하게 배열될 수 있는 복수의 핀 요소(92)를 가지도록 구성될 수 있도록 한다. 핀 요소들은 MEMS 평면(141)에 수직으로 배향되어 배열될 수 있다. 핀 요소(92)들은 핀 그룹들을 형성하기 위하여 연결 요소(94 및/또는 96)를 이용하여 그룹으로 서로 기계적으로 결합될 수 있다.
서로 다른 핀 어셈블리(92a 및 92b)는 서로에 대하여 편향가능할 수 있고, 이는 강성핀(38)에 대해 핀 요소들 사이의 최소 거리를 달성하는데 필요한 스트로크를 감소시킬 수 있다.
예컨대, 핀 어셈블리(92a)의 핀 요소들 및 핀 어셈블리(92b)의 핀 요소들을 편향시키도록 제공될 수 있으며, 그 요소들은 서로 인접할 수 있고 반대 방향으로 교대로 배열될 수 있다.
도 9c는 도 9a 및 도 9b의 섹션의 개략적인 사시도를 나타내는 것으로, 연결웹(96a)들이 그룹(92a)의 핀 요소들에 기계적으로 고정되고, 반면에 연결웹(96b)들은 그룹(92b)의 핀 요소들에 기계적으로 연결되는 것을 보여준다. 예를 들어, 연결웹(96b1)은 결합 부재(94b5)를 통하여 적어도 부분적으로 구동되고, 연결웹(96a1)은 결합 부재(94a6)를 통하여 적어도 부분적으로 구동되지만, 설명된 바와 같이, 다수의 결합 부재들이 구동을 위하여 사용될 수 있다. 기계적 연결을 위하여 구조 요소들의 서로 다른 평면들이 제공되어, 대응하는 움직임들이 서로 통과할 수 있다. 특히, 연결웹(96a1 및 96b1)들은 서로에 대하여 이동가능하도록 배열된다. 연결웹(96a1 및 96b1)들은 더 나은 표현을 허용하기 위하여 부분적으로 숨겨져있다.
도 9d는 상호작용 구조(24')의 일부의 개략적인 평면도를 도시한다. 연결웹(96a1, 96b1 및 96b2)들은 결합 포인트(98)들을 통하여 그룹(92a)의 핀 요소들(92a1 내지 92a5) 또는 핀 그룹(92b)의 핀 요소들(92b1 내지 92b5)에 기계적으로 견고하게 연결될 수 있다. 액츄에이터 또는 그의 그룹(94a 및 94b)은, 예를 들어, 머슬 그룹이다. 이러한 그룹은, 예를 들어 도 8a-c에 도시된 배열에 대응한다: 서로에 대하여 대항 작용하는 2개의 머슬 그룹(균형상태)은 결합 요소(28)를 이동시킨다. 도 9a-b에서, 이러한 머슬 그룹들 중 몇 개가 단순화된 형태로 도시되어 있으며, 그들은 연결웹(96) 상에서 함께 끌어당긴다.
즉, 도 9a 내지 도 9d는 대체 수동 요소(24')가 탄성 핀 또는 빔으로 설계된 다른 실시예를 보여준다. 여기서, 이들 핀 또는 빔(92ai 및 92bi, i1,...,N, N≥2)들은 일단 또는 양단에서 주변 기판에 연결된다. 특히 바람직한 실시예에서, 수동 요소는 주변 기판에 추가로 연결된다. 이것은 음향 단락의 총 단면적을 상당히 감소시킨다. 편향가능 요소는 여러 어셈블리(94a 및 94b)로 분배되거나 분할될 수 있고, 연결웹 또는 배열된 결합 로드를 통하여 양 또는 음의 y-방향으로 평면내 편향가능 요소 또는 핀 요소 또는 플레이트 요소를 편향시킨다. 이 실시예에 개시된 편향가능 요소(94a 또는 94b)는 본 명세서에서 설명된 머슬형 편향가능 요소 또는 액츄에이터 또는 본 명세서에서 설명된 다른 액츄에이터를 포함하며, 이는 제2 양태의 이동가능 레이어 배열을 포함한다. 다른 유형의 액츄에이터도 가능하다. 결합 로드의 편향은 수동 요소인 플레이트 요소에 전달된다. 수동 요소(플레이트 요소)와 결합 로드(연결 로드)의 2그룹의 편향가능 요소(엑츄에이터)가 각각 존재하며, 이들은 예시로서 그룹 A에 대해서는 문자 a로, 그룹 B에 대해서는 문자 b로 지정된다. 그룹 A 및 B는 항상 서로 반대 방향으로 편향되어 높은 효율에서 최대 효율로 수동 요소들 사이의 유체를 압축할 수 있다. 그룹 A가 양의 y 방향으로 편향되면, 그룹 B는 음의 y 방향으로 편향된다. 편향가능 요소들의 평면에서 결합 로드(53a 및 53b)의 연결은 매칭 그룹의 수동 요소에 대한 마찰 연결에 의하여 실현된다. 일부 지점에서, 추가 연결(102)(도 9c 참조)이 제공될 수 있으며, 이로써 마찰 연결은 중단된 결합 로드로부터 수동 요소로 전달될 수 있다. 수동 요소는 각각의 결합 로드의 연속으로 힘을 전달할 수 있으며, 이는 플레이트 요소를 통하여 요소(102 및 104)들 간에 힘 전달이 발생할 수 있음을 의미하며, 이로 인하여 일부 영역에서 결합 로드가 대체될 수 있도록 한다. 이것은 편향가능 요소들의 평면에서 결합 로드의 중단이 가능하도록 한다. 또한, 결합 로드와 플레이트 요소 간의 마찰 연결은 수동 요소인 플레이트 요소의 중심에서 벗어난 곳에 위치될 수 있으며, 이로 인하여 힘 적용 지점에서 작은 편향이 빔 중심의 상당히 더 큰 편향으로 변환된다(도 9d 참조).
이하에서, 소위 고정자-셔틀(stator-shuttle) 원리에 기초한 상호작용 구조의 대안적인 구동 편향에 대하여 설명된다.
도 10a는, 도 2와 관련하여 예를 들어 설명된 바와 같이, 부분 액츄에이터(26a 및 26b)를 포함하는 MEMS(100)의 능동 구조(26)의 예시적인 평면도를 나타낸다.
평면(142)에서, 이러한 움직임은 MEMS 평면(141)에 배치된, 핀(361 내지 368)과 같은 이동 구조를 편향시키도록 구성된 복수의 결합 요소(28b1 및 28b2)에 전달되어, 도 10b 및 10c와 관련하여 상세하게 설명되는 바와 같이, 핀(361 내지 368)이 선택적 강성 구조(381 내지 386)에 의하여 적어도 부분적으로 정의되는 부분 캐비티들에서 이동할 수 있도록 한다.
도 10b는 도 10a의 섹션(104)의 평면도를 도시한 것이며, 여기서 z 방향 및/또는 y 방향에 따른 상호작용 구조의 범위(1061)가 능동 구조(26)의 범위(1062)보다 실질적으로 더 클 수 있음이 명백하다.
도 10b는 결합 부품 요소(28b1)가 양의 y 방향을 따라 편향된 상태를 도시하며, 이에 의하여, 주변 기판으로부터 일체로 또는 양의 방향으로(positively) 또는 양이 아닌 방향(non-positively)으로, 고정적으로 매달려있는(suspended) 이동가능 요소(361 내지 364)가, 개구(18a1 내지18a4)를 통한 유체 흐름을 허용하도록 이동된다. 즉 상호작용 구조는 능동 구조(26)로부터 이격된 영역에서 MEMS 기판에 기계적으로 연결될 수 있고, 능동 구조의 편향시 변형되도록 플랙서블하게 형성될 수 있다. 이러한 맥락에서, 플랙서블은 주변 강성 구조의 강성의 최대 1/2, 1/3 또는 1/4의 강성을 가지는 것으로 이해된다. 강성핀(381 내지 383)은 플랙서블 요소(361 내지 364)가 서브캐비티(16a 내지 16d)에서 변형되도록 이동가능하게 배열되는 경계 구조 서브캐비티(16a 내지 16d)로써 정의할 수 있다. 예를 들어, 도 7a 내지 도 7g와 관련하여 설명된 것과 같이, 이동가능 요소(361 내지 364)는 서브캐비티(16a 내지 16d)를 서브캐비티부(16a1와 16a2, 16b1와 16b2, 16c1와 16c2, 및 16d1 와 16d2)로 분리 또는 세분할 수 있다. 상호작용 구조의 이동 및 이에 따른 요소(361 내지 364)의 이동에 기초하여, 각각의 서브캐비티부의 체적은 다른 연관 서브캐비티부의 체적에 상보적인 방식으로 가변될 수 있다.
도 10a 내지 10c의 실시예에서, 각각의 경우 부분 캐비티부(16a1, 16b1, 16c1, 16d1)는 층(121)의 개구에 의하여 MEMS(100)의 환경에 연결된다. 미도시된 층(124)에서, 예를 들어, 상보적 부분 캐비티부(16a2, 16b2, 16c2 및/또는 16d2)는 외부 환경에 연결될 수 있고, 이것은 필수가 아닌 선택적으로 커버층에서 이루어질 수 있으며, 도 7g와 관련하여 예를 들어 설명된 편향도 제공될 수 있다.
도 10c는 부분(104)의 개략적인 평면도를 나타낸 것으로, 액츄에이터부(26a 및 26b)의 작동에 기초하여 요소(361 내지 364)의 대향적 변형이 이루어지는 것을 보여준다.
즉, 도 10a 내지 도 10c는 구동 평면과 독립적인 평면에서 수동 저항 요소(36)를 구동 및 편향시키기 위한 MEMS 어셈블리(100)의 다른 실시예를 도시한다. 여기서, 4개의 탄성 저항 요소(36)를 포함하는 어셈블리는 결합 요소(96)를 통하여 편향가능 요소(26a 및 26b)와 연결된다. 편향가능 요소는 본 명세서의 실시예에서 설명된 액츄에이터로 구성되거나 액츄에이터를 포함할 수 있고, 예를 들어, 선형 편향 특성을 가질 수 있다. 탄성 저항 요소(36) 및 능동적 편향가능 요소(26a/26b)의 그룹은, 예를 들어 주변 기판으로부터 형성되는 경계(62)에 의하여 경계가 설정된다. 이 경계는 MEMS 디바이스(100)의 전체 강성을 증가시키고 저항 요소(36)가 배치되는 캐비티를 포함한다. 또한, 림(62)은 액츄에이터와 전기적으로 결합되고 고정자(stator)의 역할을 수행한다. 따라서, 림(62)은 시너지 효과로서 3가지 기능을 수행할 수 있다; 그것은 음향 기능을 수행할 수 있고 또 다른 벽(wall)의 역할을 할 수 있다; 그것은 전기적 기능을 수행하고 액츄에이터에 전압을 전도(conduct)할 수 있다; 그리고 그것은 액츄에이터에 대한 부착을 제공함으로써 기계적 기능을 수행할 수 있다. 액츄에이터는 셔틀과 고정자 모두로부터 힘을 당기거나 가할 수 있으나, 고정자는 그 움직임이 제한되거나 방지되도록 고정된다. 본 실시예에서, 셔틀은 능동적 편향가능 저항 요소이고, 따라서 전기 전위는 경계(62)와 편향가능 요소(26a/26b) 사이에 설정된다. 캐비티를 형성하기 위하여 추가 림(38)이 제공되며, 이는 저항 요소(36)들 사이에 배열된다. 경계(38)는 경계(62)보다 두께가 더 얇을 수 있다. 저항 요소들은 리드 및 핸들링 웨이퍼의 개구를 통하여 이들 캐비티 안 및 밖으로 유체를 전달한다. 개구(예컨대 핸들링 웨이퍼의 18a)들은 유체가 캐비티로 들어가거나 나가도록 리드 웨이퍼 및 핸들링 웨이퍼 모두에 제공된다. 개구들은, 예컨대 도 10b 및 10c에 도시된, 평면뷰(plan view)에서 편향가능 요소(36)들에 의하여 스위핑되지 않도록 또는 스위핑되지 않을 수 있도록 배열된다. 대안적으로, 개구들은, 예컨대 도 6a 및 6b와 관련하여 설명된 바와 같이, 주변 기판에 배열될 수 있다.
도 11은 MEMS(100)의 전기적 결합 및 능동 편향 가능한 요소들 또는 능동 구조들(26a 및 26b)의 간략화된, 위에서 바라본 모습을 도시한다. 여기에서, UAC는 신호 전압을 나타내고, -UDC는 제1 바이어스 전압을 나타내고, +UDC는 제2 바이어스 전압을 나타낸다. 제1 바이어스 전압과 제2 바이어스 전압은 원하는 대로 설정될 수 있고, 같거나 서로 다른 절대값을 가질 수 있다. 마찬가지로, 두 바이어스 전압은 양의 전압 및/또는 음의 전압 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 단지 3개의 이동 가능한 요소들(361-363) 및 2개의 강체(rigid) 요소들(381 및 382)이 도시되어 있다.
도 12a는 실시예들에 따라 여기에서 설명된 다른 MEMS의 능동 구조로서 이용될 수도 있는, MEMS(120)의 능동 구조(26)의 일부에 대한 도시적인, 위에서 바라본 모습을 도시한다. 따라서, 고정자 전극들(1081 및 1082)은 서로 반대 편에 배열되고, 일 편에 114a1 및 114a2 및 다른 편에 114b 콤 전극 구조 가 전극들(1081 및 1082) 사이에 배열된다. 112는 일 편에 114a1 및 114a2 및 다른 편에 114b의 콤 전극 구조들을 가지며, 이들은 신호들(UAC, +UDC and -UDC )을 동시에 또는 교번하여 인가하여 콤 전극 구조(114b)와 콤 전극 구조들(114a1 또는 114a2)이 맞물리도록 함으로써, 액추에이션에 의해 이동 가능한 전극(112)의 이동을 트리거하도록 적응된다.
도 12b는 도 12a의 상보적 상태를 도시하며, 여기에서 이동 가능한 전극(112)은 기준 상태(116)에 대해 고정자 전극(1082)으로 편향되어 있다.
즉, 도 12a 및 12b는 위에서 바라본 개구에 따른 컨셉의 확장된 실시예를 제공한다. 여기에서, 구동 평면(drive plane) 내의 액츄에이터는 고정자-셔틀 원리를 따른다. 액츄에이터의 고정된 둘레(1081 및 1082)에는 콤-형태의 편향 가능한 요소들(114b)이 제공되고, 이는 기판에 연결된 콤-형태의 편향되지 않는 반대편 요소들(114a1 및 114a2)과 맞물린다(interlock). 제1 시간 간격에서, 도 12a에 도시된 바와 같이, 콤-형태의 편향 가능한 요소들의 편향이 제1 방향으로의 움직임으로 일어난다. 도 12b에 도시된 제2 시간 간격에서, 콤-형태의 편향 가능한 요소들의 이동은 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로의 움직임으로 일어난다. 편향은 동일 평면에서(in-plane) 일어나고, 다른 면에 배열되는 상호작용 구조(24) 또는 저항 요소의 길이 방향에 수직하게 일어난다. 변위 면에 배열되는 상호작용 구조(24)의 수동 저항 요소들은 양 측면의 층(122)과 같은 주변 기판에 연결될 수 있다. 이 저항 요소들은 이것들이 구동되는(driven) 능동 디바이스 면 내로 확장(extended)될 수 있다. 능동적으로 편향 가능한 요소들 즉, 평면(142) 내에 배열된 콤 전극 구조들의 움직임은, 한편의 전극 구조114a1/114a2 및 다른 편의 전극 구조 114b 사이의 전위 차에 따른 결과적인 힘(resulting force)에 기인하여 일어날 수 있다. 편향 가능한 콤-형태의 요소들의 길이는 대략 저항 요소들의 길이의 40~80%일 수 있다.
능동적으로 편향 가능한 구조들의 전극 쌍들은 그러므로 맞물리는 전극 콤 구조들로서 형성될 수 있다. 이를 위하여, 전극 콤 구조를 갖는 제3 전극이 각각의 전극 쌍에 연관되어, 예시적으로 도 12a 및 12b에 도시된, 3전극의 그룹을 형성할 수 있다. 실시예들에 따라서, 능동 구조는 여기에서 설명된 실시예들에 따른 하나 이상의 줄로 배열될 수 있는 그러한 복수의 셀들을 가능하게 한다. 이 줄들(rows)은 서로 평행하게 배열되어 예를 들어 높은 힘을 생성할 수 있다. 택일적으로 또는 부가적으로, 줄들을 상호가 경사지게 배열하여 상호작용 구조의 적어도 2차원 움직임을 생성하도록 할 수 있다. 즉, 상호작용 구조의 2D 움직임이 경사진, 평행하지 않은 액츄에이터들의 열들의 배열에 의해 얻어질 수 있다. 3 전극들의 중앙은 외측 전극들의 교번하는 인가에 기초하여 서로 다른 방향으로 편향될 수 있다.
도 12c는 MEMS(120)의 능동 구조(26)의 도식적인 상면을 도시하며, 여기에서 고정 전극들(114a1 및 114a2)과 각각 마주하는 콤 전극들은 y-방향을 따라 서로 공간적으로 분리되어, 서로 전기적으로 도전적으로(conductively) 연결되거나 동일한 전위에 연결되는 콤 전극 요소들(114b1 및 114b2)을 형성한다. 이것은 y 이동 방향을 따른 콤 전극 구동(drive)의 공간적 확장을 일으킬 수 있고, 이는 큰 진폭의 이동을 가능하게 할 수 있다.
콤 요소들(114b1 및 114b2)을 매다는(suspending) 구조 및/또는 상호작용 구조의 핀(fin)의 벤딩 라인은 연결 구조들(115 또는 1151 및 1152)의 위치 및/또는 개수를 통해 조정될 수 있고, 이것의 개수는 적어도 하나(도 12c 참조), 적어도 2(도12d 참조), 또는 그 이상일 수 있다.
도 12e에서, MEMS(120)을 위에서 바라본 도식적인 모습이 제공되며, 여기에서 전면에는 MEMS 평면 141 및 배경에는 부분적으로 MEMS 평면 141에 의해 가려지는 MEMS 평면 142이 있고, MEMS 평면 141는 MEMS 평면142를 드러내기 위해 부분적으로 도시되지 않는다.
경계(108)는 복수의 열 내에 있는 것 뿐만 아니라 직렬로 연결된 복수의 전극들 즉, 적어도 하나의 차원 또는 적어도 2차원 배열로서 서로 맞물리는, 전극 콤들(114a1, ..., 114a4, ...)에 의한 다수의 고정된 전극들(114a)일 수 있다. 디자인에 따라서는, 전극 콤들(114a1, ..., 114a4, ...)에 개별적으로, 그룹 단위로, 또는 전체에 대해서 전압이 제공될 수 있고 또는 상호간 절연될 수 있다.
평면(142)에서, 서로 다른 이동 가능한 콤 전극 요소들(114b)의 기계적 연결은 이동 가능한 핀들(361 - 363)과 같은, 상호작용 구조(24)에 균일한 이동 전달을 가능하도록 하기 위한 하나 이상의 연결 웹들(96)이 제공될 수 있고, 이러한 이유로 하나 이상의 결합 요소들(282 - 286)이 제공될 수 있다. 전극 콤들의 다른 디자인들이 또한 도 12c 및 도 12d에 도시된 확대도와 같이 구현될 수 있다.
즉, 도 12e는 결합 막대들 및 콤 드라이브 사이의 연결을 도시한다. 주지의 콤 드라이브들과 달리, 도시된 콤 드라이브는 평면(122)와 평행하게 및 이 평면 내에서 부분적으로 또는 동-평면(in-plane)으로 배타적으로 움직인다.
도 12f는 MEMS(120')의 도식적인 측면 모습을 도시한다. 이것은 여기에서 설명된 다른 MEMS 들과 유사하게 구성될 수 있고, 예를 들어 MEMS(120)의 전극 콤 드라이브를 포함할 수 있어서, MEMS(120')에 추가된 것들은 다른 유형의 드라이브에도 용이하게 이용될 수 있다. 따라서, 구조적으로, 드라이브의 미러링 또는 복사가 평면(117) 상에서 수행될 수 있어, 2개의 콤 전극 구조들(114b1 및 114b2) 대신 4개의 콤 전극 구조들(114b1~ 114b4)이 배열될 수 있고, 이들은 예를 들어, 서로 쌍을 이뤄 예컨대 예컨대 쌍들 114b1/114b3 및 114b2/114b4로 직접 또는 간접으로 기계적으로 및/또는 전기적으로 결합될 수 있으며, 이것은 제조 파라미터들 및 특히 종횡비를 유지하면서도 액츄에이터 면적을 두 배로 늘릴 수 있도록 해 준다. 택일적으로 또는 부가적으로, 상호작용 구조(24)는 평면(117) 상에서 미러링될 수 있고, 상호작용 구조들(241 및 242)로서 이용될 수 있으며, 이는 MEMS의 동일한 또는 견줄만한 면적 요건들을 유지하면서도 이동하는 유체의 양을 더 증가시킬 수 있다.
상호작용 구조들(241 및 242)의 치수들 및/또는 능동 구조들(114b1/114b3 및 114b2/114b4)은 동일하거나 또는 다를 수 있다.
도 12g는 MEMS(120)와 같은, 일 실시예에 따른 MEMS의 부품들의 도식적인 모습을 도시한다. 여기에서, 능동 구조(26)는 도 12c 및 도 12d와 연결하여 설명된 바와 같이, 도 12a 및 12b 에서의 구성으로부터 유사하게 확장된다. 그러나, 도 12a-d에 대한 대안으로서, 능동 구조(26)는 예를 들어, 정적인 콤 전극(114a1~114a4)을 이용하여 정전기력에 의해 셔틀(112a/112b) 내에서 활성화되는 상호작용 구조(241 및 242)가 연결 요소들(1151 및 1152)에 의해 각각의 연관된 상호작용 구조(241 및 242)에 전달되는 방식으로 구현된다. 디스플레이 평면에서, 상호작용 구조들(241 및 242)을 대신하여, 예를 들어 필수적인 것은 아니지만 적어도 부분적으로 MEMS 평면(141) 내에 배열될 수 있는 요소들(1191 및 1192)이, 도 12h에서 도시된 도 12g의 MEMS의 도식적인 측-단면도로부터 알 수 있는 바와 같이, 도시된다.
요소들 1151 및 1152는 탄성적으로 형성될 수 있고, 기판에 대해 적어도 부분적으로 셔틀 및/또는 상호작용 구조의 이동을 지지할 수 있다.
콤 전극 구조들(114b1~114b4)은 결합되어 쌍들(114b1 와 114b3 및 114b2 와 114b4)을 형성할 수 있고, 이 쌍들은 절연체에 의해 상호 전기적으로 절연될 수 있다. 연속적인 절연층이 또한 이러한 목적을 위해 이용될 수 있지만, 분리된 절연 영역들(781~7812)이 구조의 기계적 변형력 면에서 장점을 제공한다.
즉, 일편의 콤 전극들(114a1~114a4)은 다른 편의 콤 전극들(114b1~114b4)은 각각 형성될 수 있고, 또는 쌍들(1141~1144)로 그룹화될 수 있다. 이 쌍들 중 각각의 전극 쌍은 정적인 콤 전극(114ai, i=1,..,4)과 이 정적인 콤 전극(114ai)에 대해 이동 가능하도록 배열되는 이동 가능한 콤 전극(114bi)을 갖는다. MEMS는 제3의 전극에 의해 보충될 수 있는 도 12a~d에서의 1과 같이, 임의의 개수의 전극 쌍들을 가질 수 있고, 예컨대 적어도 2 이상의 개수를 가질 수 있다. 도 12g에 따르면, 4개의 쌍들이 예시로서 도시되는데, 이것은 요소들(1151 및 1152)의 최소 거리의 범위 주변에서 대칭적인 액추에이션을 가능하게 한다. y-축에 평행한 축에 있는 요소들(1151 및 1152)에 미러링된 쌍들이 동일한 방식으로 구성될 수 있지만, x-축에 평행한 축에서 서로 반대편에 배열되는 쌍들, 예를 들어 쌍들 1141 및 1142 또는 1143 및 1144이 제1콤 전극들의 쌍 및 제2 콤 전극들의 쌍의 이동 가능한 콤 전극들이 예컨대 분리 영역들(78)을 이용하여, 서로 전기적으로 절연되고 기계적으로는 서로 결합되는 방식으로 형성되는 경우, 각각의 쌍의 연속(a continuation)이 한 쌍의 콤 전극으로서 이해될 수 있다. 일 시점에서, 이들 콤 전극들은 서로 다른 전위 +UDC 및 -UDC 가 인가될 수 있다. MEMS는 시변 전위 즉 전위 UAC를 제1 쌍 및 제2 쌍의 정적인 콤 전극들(114ai)에 인가하도록 구성될 수 있다.
이 문맥에서 설명되는 다른 상세들과 상관없이, 콤 전극들(114a1~114a4)은 그것들 사이에 배열되는 콤 전극들(114b1~114b4)이 쌍들(114b1와 114b3 및 114b2와 114b4)로 각각 그것들에 각각 인가되는 서로 다른 전위 +UDC및 -UDC를 갖는다고 하더라도, 도 12a~d에서와 달리 그것들에 인가되는 가변 전위(UAC)를 가질 수 있다. 이러한 목적으로 이용될 수 있는 전압들은 다른 실시예들에 대응할 수 있고, 예컨대 크기 면에서 0.1V 에서 24V까지의 범위에 있을 수 있으며, +UDC및 -UDC는 예컨대, 접지 또는 0V의 기준 전위에 대해 크기에 있어서 같지만 부호는 반대인, 비교적 정적 전위들을 지정하는데 이용될 수 있다. 교류 전위 UAC는 가변하는 값을 가질 수 있으며, 예컨대 교번하는 힘들을 생성하기 위하여 전위 +UDC및 -UDC사이에서 오가며 스위칭될 수 있다.
114b2 및 114b4 뿐만 아니라 114b1 및 114b3 쌍도 각각 서로 다른 전기적으로 분리된 전위들이 공급될 수 있고, 이에 의해 요소들 1151 및 1152는 각각 이 기능성을 위해 상승작용에 의해 이용될 수 있고, 이것은 요소들 1191 및 1192에 기계적으로 견고하게 및 전기적으로 결합될 수 있지만, 도 12h에 도시된, 예컨대 산화물 물질 및/또는 질화물 물질을 포함하여 형성될 수 있는 절연 영역들(1211 및 1214)에 의해 상호작용 구조들(241 및 242)와는 전기적으로 절연될 수 있다. 요소들(1151 및 1152)는 주변 기판 또는 다른 연결 가능한 것들의 상이한 그리고 전기적으로 절연된 영역들(122a 및 122b)로부터 전위들의 전달을 용이하게 할 수 있다.
도 12g 및 도 12h에 도시된 구성의 장점은 MEMS 평면들(141 및 142)이 서로에게 투영될 때, 상호작용 구조의 요소들 사이의 비교적 큰 공간들이 능동 구조의 요소들의 큰 밀도로 채워질 수 있다는 것이다. 예를 들어, 더 많은 힘을 얻기 위하여 상호작용 구조(241 및 242) 또는 요소들 또는 그것의 핀들을 인접한 액츄에이터 셀들에 연결하는 것을 예상할 수 있다. 예를 들어, 요소들(1151 및/또는 1152)은 콤 전극들(114a/114b)의 중앙 영역으로부터 상호작용 구조들(241 및 242) 이상으로 확장될 수 있고, 전기적으로 미러링된 셀들에 연결될 수 있다.
도 12h에서, 요소들의 위치 관계가 측-단면도로 도시되어 있으며, 이에 의해 콤 전극들(114b1~114b4)의 표현은 생략되어 있다. 예시적으로, 다른 수치들이 또한 이용될 수 있지만, 수치(1061)는 400~650 μm 범위 내에서 선택된다. 택일적으로 또는 부가적으로, 응용 요건에 따라서 다른 값들이 또한 여기에서 이용될 수 있지만, 수치(1062)는 예컨대 적어도 30 μm 및 최대 75 μm 이다. 강체 핀들(381 및 382)은 홈(cavity)을 나누기 위해 이용될 수 있고, y-방향을 따라서 떨어진 요소들을 형성하여 재료 및/또는 중량을 절감할 수 있고, 하나의 공통 요소로서 용이하게 형성될 수 있다. 선택적으로, 핀들(381 및/또는 382)은 콤 전극들(114a1~114a4)을 기계적으로 지지하기 위해 이용될 수 있으며, 이를 위하여 전기적 절연 영역들(1212 또는 1213)이 예컨대 마련될 수 있다.
도 13a는 일 실시예에 따른 이동 가능한 계층화된 배열 또는 능동 구조(130)의 예시적인 상부 모습을 도시하며, 이것은 여기에서 설명된 MEMS의 상호작용 구조를 예컨대, 편항시키기 위하여 단일로 또는 복수로 배열될 수 있다. 그러나, 이 액추에이션 개념은 여기에 한정되는 것은 아니며, 계층화된 구조 및 계층화된 구조에 배치되는 홈(cavity)를 포함하는 어느 MEMS 에도 적용될 수 있다. 능동 구조(130)는 도 5a 및 5b의 빔들(76)과 구조적으로 동일하거나 유사할 수 있는 3개의 빔들(761~763)을 포함하는 이동 가능한 계층화된 배열이다. 이 빔들은 또한 분리된 부분들(78a1, 78a2, 78b1 및78b2), 빔(763)에 대해 빔(761)을 고정시키는 분리된 부분들 또는 절연 요소들(78a1 및 78a2), 및 빔(763)에 대해 빔(762)을 고정하고 절연시키는 분리된 부분들 또는 절연 요소들(78b1 및 78b2)에서 서로에 대해 전기적으로 절연되고 고정되어 있다. 2개의 인접하는 빔들(761 및 763 또는 762 및 763)사이 각각의 2개의 분리 영역들의 개수는 예시적인 것이고, 적어도 2 예를 들어 2, 3, 4, 적어도 5, 적어도 7, 적어도 10 또는 그 이상의 개수 중 어느 것일 수 있다.
이동 가능한 층 구조는 761 및 763 빔들 사이의 전위에 응답하여 또는 762 및 763 빔들 사이의 전위에 응답하여 122a 또는 122b 이동 방향을 따라 이동하도록 적응된다. 예를 들어, 계층화된 구조의 고정에 따라서, 761 및 763 빔들 사이의 전위는 122b 방향을 따른 이동을 일으킬 수 있고, 반면 762 및 763 빔들 사이의 전위는 122a 방향에 따른 이동을 일으킬 수 있다.
즉, 편향 방향은 122a 및 122b 양 방향으로 얻어질 수 있다. 인가된 텐션이 방향을 결정할 수 있다. 78a1 및 78a2 빔들 사이의 간격은 예를 들어, 액츄에이터가 미도시된 기판에 78a1의 분리 영역에서 연결되도록 함으로써(y-방향으로 인터페이스가 대응) 이미지의 방향에서 상단이 고정된 때, 예를 들어 프레젠테이션의 면에서 시계방향의 토크를 일으키고, 따라서 122b 방향으로의 편향을 일으킨다. 다른 한편 78b1 및 78b2 빔들 사이의 간격은 상기 상단이 고정될 때 또는 상기 상단에 대해서 반(反)시계방향의 토크 및 122a 방향에 따른 편향을 일으킨다.
일편에 78a1 및 78a2 빔들을 고정하고, 타편에 78b1 및 78b2 빔들을 고정하기 위한 분리 영역들은 이동 가능한 층 배열(130)의 방향(124)을 따라 축 방향에 따라 이격되도록 배열된다. 이것은 빔 783이 방향 124에 따른 축 방향을 따르는 적어도 하나의 영역에서 인접한 빔 761 또는 762에 대해 고정되고, 이 영역에서 다른 반대편 빔에 대해서는 고정을 갖지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
단지 예시를 통해, 122a 및 122b 방향들은 y-방향에 평행하게 배열될 수 있는 반면, 124 방향은 도 2의 MEMS(20)에서와 같이, y-방향에 직교하고 x-방향에 대해 평행하게 배열될 수 있다. 데일리(daily) 층 배열(130)이 적어도 여기에서 설명된 MEMS의 능동 구조(26)의 일부로서 이용될 때, 상호작용 구조의 이동이 적어도 하나의 구멍을 통한 유체의 움직임에 인과적으로 관련되도록, 대응하는 MEMS에 층 구조 내에 구멍이 제공될 수 있고, 캐비티 내의 유체와 상호작용하도록 구성되는 상호작용 구조를 구동하기 위해 평면(142) 내에 이동 가능하도록 배열될 수 있다. 능동 구조는 상호작용 구조와 기계적으로 결합되고, 능동 구조 및 이동 가능한 층 어셈블리 각각의 전기적 접점에서의 전기 신호가 인과적으로 능동 구조 및 이동 가능한 층 어셈블리의 변형에 연관되도록 구성되며, 능동 구조 및 이동 가능한 층 어셈블리의 변형은 상호작용 구조를 통해서와 같이, 간접적인 접촉 또는 유체와의 직접적인 접촉에 기인하여서와 같이, 유체의 이동과 인과적으로 관련된다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 이동 가능한 층 배열(130)은 124 방향에 평행한 축 경로를 따라 서로 다른 방향으로의 복수의 만곡(curvatures)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔 요소들 각각은 지그재그 패턴에 따라서 굽어지거나 휘어질 수 있고, 인접한 빔들은 서로에 대해 실질적으로 평행한 방향을 가질 수 있다.
예를 들어, 스페이서들 또는 분리 영역들(78a1, 78a2, 78b1 및 78b2)은 축 경로의 만곡에서 변화의 외측 상에 놓여질 수 있다. 예를 들어, 이동 가능한 층 배열(130)은 분리 영역 78a1의 영역에서 122a 방향으로 실질적으로 휘어지는 반면, 분리 영역 78b1의 영역에서는 122b 방향으로 방향이 변화한다. 고정은 만곡의 변화의 영역에서, 이동 가능한 층 배열의 각각의 외측에서 일어날 수 있다.
도 13b는 124 방향에 평행한 축 경로를 따라서 복수의 N개의 분리 영역들이 761 및 763 빔들 사이에 마련되고, 복수의 M개의 분리 영역들이 762 및 763 빔들 사이에 마련되는 도식적인 모습을 도시한다. 가능한, 필수적인 것은 아니지만, N은 M과 같을 수 있고, 또는 다를 수 있다. 개수는 x 에 따른 구조의 원하는 전체 길이에 기초하여 선택될 수 있다.
액츄에이터 즉, 움직이는 층 구조의 전체 길이는, 능동 요소로서 이용될 때, 공차(덮개/핸들 웨이퍼까지의 거리) 및 관련된 수직의 풀-인(pull-in)(액츄에이터가 덮개/핸들 층을 터치하는 곳)에 의해 제한될 수 있다. 능동 액츄에이터로서, 전체 길이는 각각의 셀에서 측면 풀-인에 의해 제한되거나 영향을 받는다. 넓은 범위의 값을 허용하는, 여기에서는 최소한 2개의 유닛 셀이 있는, 일-측(one-sided)에 클램핑되는 버전으로 비교적 짧은 액츄에이터들을 얻을 수 있다.
이동 가능한 층 구조의 전체 길이는 예를 들어, 능동 사운드-생성 액츄에이터로서, 예컨대, 수직의 풀-인을 방해하는 추가적인 거리 요소들에 의해 다른 값들로 구현될 수 있지만, 최소 50 μm에서 최대 5mm의 범위, 예컨대 약 2.5mm 의 길이일 수 있고, 양 측면에서 클램핑되는 구성이 선호될 수 있다. 대응하는 제한은 또한 센서 응용 분야에서 중요성이 다소 떨어질 수 있다.
구동 평면으로서 전체 길이는 예를 들어, 최소 200 μm 에서 최대 10mm의 범위 안에 있을 수 있으며, 이에 의해 양 측에서 클램핑되는 액츄에이터의 구성이 바람직하게 여기에 고려되고, 중앙의 연결이 예컨대 도 14c의 영역 78c1에서 구현된다. 바람직하게는, 3mm~4mm 범위 내에서 길이가 구현된다. 그러나, 중앙의 연결은 반드시 항상 필요한 것은 아니다. 이중-측면에 클램핑된 구성의 예들이 도 14e 및 도 14f에 도시된다. 예컨대, 액츄에이터가 도 14e에서와 같이 구동 요소로서 이용된다면, 중앙의 연결이 선호될 수 있다. 그것이 음향 재생을 위한 능동 요소로서 이용된다면, 즉, 그것이 유체와의 직접 접촉을 제공한다면, 도 14f에 도시된 바와 같이 점-대칭의 액츄에이터를 선택하는 것이 바람직할 수 있다.
활성 음향-생성 액츄에이터로서, 더 긴 셀들이 더 큰 편향을 일으킬 수 있다. 그러므로, 이러한 범위 내에서의 응용에 대해서, 더 작은 개수의 분리 영역들이 바람직하다. 드라이브 요소로서, 전체 길이는 더 클 수 있다. 그러나, 너무 긴 셀들은 전압을 제한할 수 있다. 이것은 셀들의 개수에 의해 최적화될 수 있다. 셀들의 개수는 기초적인 셀의 선택된 길이에 따라서 선택될 수 있다.
능동 층 구조를 유체와 직접 상호작용하는 액츄에이터와 같은 능동 음향-생성 액츄에이터로서 이용할 때, N 또는 M이 최소 2 에서 최대 100의 범위에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 최대 50, 최대 10 의 범위 또는 정확하게는 2가 선택될 수 있다.
여기에서 설명된 상호작용 구조에 대해서와 같이 드라이브 요소로서 이용될 때, 분리 영역들의 개수는 셀의 길이 및 총 길이에 따라서, 최소 2에서 최대 100의 범위, 바람직하게는 최소 2에서 최대 50, 최소 2에서 최대 10, 및 특히 바람직하게는 최소 2에서 최대 4의 범위일 수 있다.
분리 영역 또는 고립된 섬의 x에 따른 길이 또는 치수는 최소 1 μm 에서 최대 100 μm 의 범위일 수 있으며, 15 μm 가 바람직하다.
동일한 빔들 761/763 또는 762/763, 사이에 배치된 2개의 분리 영역들의 기하학적 본체의 기하학적 구조와, 다른 한 쌍의 빔들을 고정하도록 선택적으로 배치될 수 있는 분리 영역을 갖는 중심 및/또는 굴절 포인트에 위치한 빔 763의 개재하는 부분을 유닛 셀(126)로 부를 수 있다. 예를 들어, 유닛 셀 1261은 분리 영역들 78a1, 78a2 및 78b1을 꼭지점으로 하는 예시적인 삼각형으로 형성되고, 유닛 셀 1281은 분리 영역들 78b1 및 78b2 및78a2을 꼭지점으로 하는 또다른 예시적인 삼각형으로 형성될 수 있다. 유닛 셀들의 기하 구조는 분리 영역들의 위치들에 의해 조정될 수 있고, 이동 가능한 층 배열(130)의 이동 움직임 예컨대 진폭, 선형성 및/또는 힘에 영향을 줄 수 있다.
즉, 도 13a 및 도 13b는 택일적인 편향 요소(130)의 일 실시예를 도시한다. 주변 기판에 대한 연결에 관한 도식은 여기에서 생략되었는데, 바람직한 실시예에서 이 실시예는 양 측면상의 주변 기판에 대한 빔들(76)의 연결을 목표로 하기 때문이며, 이는 이동 가능한 층 배열이 양 측면상에 고정적으로 클램핑될 수 있다는 것을 의미한다.
3개 이상의 빔들이 배열될 수 있지만, 예시적인 기하 구조는 지그-재그 형태로 배열된 빔들(761~763)에 의해 형성되었다. 실시예들은 또한 빔들(76)의 다른 기하 구조들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 18a 및 18b와 관련하여, 원형 세그먼트에 기초한 또다른 가능한 기하 구조가 도시된다. 즉, 빔들은 부분적으로 직선이거나 굴곡될 수 있다. 도시된 유닛 셀들 또는 기초 셀들(126 및/또는 128)은 분리 영역들 또는 고립된 섬들 및 바(bar) 세그먼트들로 구성되는 세그먼트들을 표시한다. 유닛 셀 1261 및 1281와 같은 서로 다른 유닛 셀들은 도 14a~14f와 연관된 예들에 대해서 도시된 바와 같이, 서로 다른 기하 구조를 가질 수 있다. 실시예들은 3개의 바(bar)의 배열에 한정되는 것은 아니며, 복수의 바(bar)를 포함할 수 있다. 분리 영역들(78)은 또한 분리 섬들(isolation islands) 또는 분리하는 스페이서들(isolating spacers)이라고 부를 수 있다.
122b 방향으로 편향을 일으킬 수 있는 유닛 셀 128에 대해, 빔들 762 및 763의 세그먼트 및 2개의 분리 섬들 특히, 이웃하는 분리 섬들 78b1 및 78b2이 서로 연결되어 있다. 124 방향을 따라서와 같이 측면 방향으로 128 유닛 셀들이 배열되어, 이웃하는 유닛 셀들은 유닛 셀들 1281 및 1282에 대해 예시적으로 도시된 바와 같이, 공동의 분리 섬(78b)를 가질 수 있다. 능동적으로 정전기적으로 활성화되는 셀의 방향에 기초하여, 서로 다른 방향으로 편향이 일어날 수 있다.
능동 요소들, 빔들은 122a 또는 122b 의 각각의 방향을 달성하기 위하여, 다른 개수 뿐만 아니라 더 많은 개수로 또는 쌍으로 제공될 수 있다. 비대칭은 회로에 의해 보상될 수 있다.
도 14a는 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열(30)의 도식적인 위에서 바라본 모습을 도시한 것으로, 이것은 도 13a의 이동 가능한 층 배열과 비교할 때 분리 섬들 및 만곡의 반경들의 내측 상에 절연 섬들 78ai (i=1,..., I) 및 78bj (j=1,..., J) 을 갖는다.
도 14b는 도 14a에 대해 상호 보완적이고, 도 13a의 표현에 따라, 124 방향에 따른 이동 가능한 층 배열의 굽은 경로의 만곡의 반경들의 외측 상에 분리 영역들 78ai 및 78bj 이 배열되는 이동 가능한 층 배열(1302)의 도식적인 표현을 도시한다. 도시된 편향들은 예시적인 곳이며 제약하는 것은 아니다. 도 14a 및 14b에서, 일정한 전압 인가에 대한 예시 및 절연 섬들(78)의 위치가 편향에 미치는 영향을 보여주기 위한 편향이 선택된다. 예를 들어, 도 14a에서 빔 761에 +DC가 공급되고, 빔 762에 -DC가 공급되며, 그 사이의 빔 763에는 예시로서 또한 -DC인, 제어 신호 AC가 공급된다고 가정한다. 이 방식에서, 761 및 763 사이의 간격만이 활성화되는 것이 달성될 수 있다. 절연 섬들의 배열에 따라서, 이것은 생성되는 굽는 순간 또는 이동의 방향을 결정한다. 이렇나 예시적인 제어에서 오직 절반만이 활성화되기 때문에, 편향은 122a(도14a) 또는 122b(와이어링이 상호보완적인 것으로 가정되는 즉, AC 신호가 +DC인, 도14b) 의 한 방향에서 나타난다. 이동의 다른 형태는 다른 전압들 또는 신호들에 의해 달성될 수 있다.
도 14c는 기판(62)의 일측에 클램핑될 수 있는, 이동 가능한 층 배열(1303)의 위에서 바라본 도식적인 모습을 도시한다. 선택적으로, 반대측(132)은 자유롭게 이동 가능할 수 있다. 택일적으로, 이동 가능한 층 배열(1303)은 또한 양 측에 클램핑될 수 있다.
이동 가능한 층 어셈블리(1303)는 각각에, 761, 762 및 763이 기계적으로 서로 고정되는 하나 이상 조합의 분리 영역들 78c1 및 78c2을 포함할 수 있다.
선택적으로, 상호연결 요소들 또는 분리 영역들은 이동 가능한 층 어셈블리의 축 경로에 평행하고, MEMS 평면(142) 내의 분리 영역들 사이의 방향에 따른 예컨대, 방향 124에 따른 가변 크기(extent)를 가질 수 있다. 예를 들어, 도14c의 분리 영역들은 x/y 평면에 평행하고, 142 평면에 평행하고, 방향 124에 수직하고, 방향 124에 따르는, 예컨대 사다리꼴 형태에 기초할 수 있는, 가변적인 크기(extent)를 갖는다. 즉, 분리 영역들은 사다리꼴 형태로 형성될 수 있다. 선택적으로, 빔들 761, 762 및/또는 763이 서로 붙을 수 있도록 하는 분리 영역이 말단 132에서 제공될 수도 있다.
도 14d는 이동 가능한 층 배열 1303과 비교하여 짧아진 이동 가능한 배열 1304의 도식적인 구현을 도시한다. 택일적인 실시예들은 124 방향을 따라 더 긴 이동 가능한 층 배열을 구현하는 것을 예상한다.
도 14e는 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열(130)의 개략적인 모습을 도시하며, 이것은 이동 가능한 층 배열들 1303 and 1304에 따른 124 방향을 따라 더 길게 형성되고, 그것들에 독립적으로, 양 측에 고정적으로 클랭핑된다.
도 14f는 양 측에 또한 고정적으로 클램핑되는 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열 1306의 개략적인 모습을 도시한다.
하나 이상의 층 배열들이 대칭성을 가질 수 있다. 예를 들어, 이동 가능한 층 배열 1305이124 방향에 수직인 대칭 축(66)에 대해 축 대칭으로 형성되는 반면, 이동 가능한 층 배열 1306은 예를 들어, 다른 분리 영역들에 대해서, 이동 가능한 층 배열의 기하학적 중심을 나타낼 수 있는 조합의 분리 영역 78c1에 대해 점-대칭적으로 형성될 수 있다. 원리적으로, 어느 종류의 대칭들도 가능하다.
즉, 머슬 셀의 편향 방향은 주로 분리 섬들 예를 들어, 도 14a의 분리 영역들 78a1, 78a2 및 78b1 및 78b2에 의해 구현되는 바와 같은 "계곡(valley)" 또는 도14b의 분리 영역에 의해 구현되는 바와 같은 "산(mountain)"의 배열에 주로 의존할 수 있다. 계곡은 만곡의 대응하는 반경의 안쪽에 위치하는 것으로 이해될 수 있고, 반면 산은 만곡 또는 방향의 변화의 외부에 위치하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 동일한 전기적 충전을 갖는 머슬 셀들은 서로 다른 편향 방향들로 디자인될 수 있다. 두 가닥들(strands)(예컨대 도 14c 내의 분리 섬들의 커넥터를 통한 2개의 가능한 위치들의 조합(조합된 분리 영역들 78c) 또는 예컨대, 양 측에 124 방향을 따라 클램핑되는 액츄에이터 내의 계곡/산/계곡 또는 산/계곡/산 또는 산/계곡/산/계곡의 경로는 도 14f에 예시로 도시된 바와 같이, 균형 잡힌 회로의 액츄에이터 중앙에서 선형의 편향을 가능하게 한다. 이용되는 기초 셀들의 기하구조 뿐만 아니라 숫자도 실시예들에 따라서 다를 수 있다. 설명된 구조는 일반적으로, BNED에 대조적으로 영역 중앙 섬유에 대해 비대칭인("balanced asymmetric NED", BA-NED), 선형적 특성을 편향 가능한 요소에 줄 가능성을 제공한다. 122a 방향을 일으키는 능동 가닥 또는 가닥들의 굽은 라인에 의해 휩쓸어진 영역이 122b 방향을 따른 능동 가닥 또는 가닥들에 의해 야기되는 휩쓸어진 영역과 가능한 많이 일치할 때, 편향 가능한 요소가 휩쓸고 지나가는 영역의 선형성이 주어진다. 이들 변위된 영역들은 예를 들어, 각각의 경우에 외측 전극들 중 하나와 중앙 전극이 동일한 전위를 갖고, 예컨대, 도 14a 및 도 14b에서 설명된 바와 같이, 각각의 경우에 외측 전극들 중 나머지 하나가 접지될 때, 결과로 얻어진다. 전기 제어의 관련 AC 특성 중 동작점 전압 또는 기울기와 같은 전기적 특성들은 기초 셀들(126및/또는 128)의 기하 구조를 통해 조정될 수 있다. 예를 들어, 상대적으로 저 전압에서 더 큰 편향을 얻기 위해서 더 긴 기초 셀들이 이용될 수 있다. 더 긴 기초 셀이란 예를 들어, 124 방향을 따라 분리 섬들 사이의 거리가 더 길다는 것을 의미한다. 또한, 기초 셀들(126 및 128)의 조합에 따라서, 미러-대칭의(도 14e 참조) 또는 점-대칭의 (도 14f 참조) 액츄에이터가 액츄에이터 중앙 주변에서 결과로 얻어진다. 미러 대칭은 연결 조각의, 도 14c에서 78c1을 중심으로, 좌 및 우에서의 잠깐의 시간이 평형하다는 장점을 갖는다. 결과적으로, 개별적인 기초 셀들(126 또는 128)은 유사하게 동작한다. 점-대칭 배열은 동일한 전체 길이에 대해 기초 셀들을 더 길게 사용하여 편형을 증가시킬 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 각각 하나의 능동 가닥만을 갖는 변위된 영역들은 이 경우에도 동일하다. 이것은 특성 곡선 중 선형성을 보장한다.
주변 기판(62)에 편향 가능한 요소의 연결은 기판(62)과 기초 셀(126 또는 128) 사이 또는 기판(62)과 분리 섬/분리 영역 사이의 고정 또는 탄성 연결로 구성될 수 있다. 기판에 대한 연결 요소는 전극들 또는 분리 섬들에 따라서 동일한 또는 상이한 강도를 가질 수 있다. 액츄에이터의 공진 주파수는 축 브레이싱(bracing)이 없는 경우와 비교하여, 클램핑에서 결과적인 축 스트레스에 의해 증가될 수 있다. 이러한 축 장력(tension)은 예를 들어, 여러 물질들을 조합함으로써 더 증가될 수 있다.
또한, 긴장 강도를 조정하기 위하여 편향을 위한 수동 요소가 액츄에이터 내에 도입될 수 있다. 예를 들어, 긴 커넥터(78c) 또는 3개의 직선의 평행한 전극들의 일부.
BA-NED 액츄에이터들이 머슬/편향 가능한 요소(26)의 구성을 위하여 도 6a 및 도 6b와 유사하게 이용될 수 있다. 그것들은 또한, 특성 곡선의 선형성으로 인해, WO 2018/193109 A1에 기술된 GEN1 A-NED(제1 세대 비대칭 NED)기반의 라우드스피커들과 유사한 직접 음향 재생용 소자들로서 적절하다. 기술적으로, 이들 액츄에이터들은 전기 회로가 액츄에이터 평면 내에서 해결될 수 있다는 장점을 제공한다. 추가적으로, 액츄에이터들 사이에서 전기 신호 라우팅을 위한 분할(partition)이 필요하지 않다. 따라서, 액츄에이터들의 패킹 밀도는 증가될 수 있다. 일반적으로, BA-NED는 섬 위치들을 선택함으로써 일즉 또는 양측에 클램핑될 수 있다(도14c-f 참조). 끝에서 끝으로 위치하는 수 개의 지그-재그 가닥들은 도 15 및 16에 예시된 바와 같이, BA-NED 머슬의 결과를 만든다. 도 17에 예시된 바와 같이, 와이어링의 선택으로 인해 동일한 전위가 가닥들에 인가되면, 셀들은 수평 방향의 길이에 변화를 일으킬 수 있는 그것들의 수평 이동에 대해 서로 차단한다.
균형 잡힌 동작 즉, 선형 동작을 위해, 동일한 정전기 전위가 동일한 토폴로지(topology)를 갖는 스트링들(strings) 상에 생성된다. 예를 들어, 양 및 음 DC 바이어스 전압이 AC 신호 또는 반전된 신호의 AC 신호 및 DC 바이어스 전압과 결합될 수 있다. 결과적으로, 머슬(동일한 셀 토폴로지를 갖는 가닥들) 각각의 절반은 하나의 편향 방향으로 작용한다. 이것은 머슬이 양방향으로 능동적으로 편향될 수 있도록 한다. 리셋하는 힘은 따라서 정전기력이다. 균형 잡힌 동작은 이동의 높은 선형성을 가능하게 한다. 이것은 이동 가능한 층 배열이 이동 가능한 층 배열의 자유단을 예를 들어, (분리 고정이 없거나 혹은 있는)132 말단을 2개의 선형적으로 독립적인 방향들을 따라서, 예를 들어 한편의 122a/122b 방향들 및 타편의 124 방향을 따라서, 움직이도록 설계될 수 있다는 것을 의미한다.
전압 신호들의 개수는 스트링들을 그룹지음으로써 여전히 감소될 수 있다. 또한, 변종들이 동일한 섬 오프셋을 갖는 2개의 스트링들의 복수개로서 선택될 수 있다. 전위차가 동일한 토폴로지를 갖는 모든 스트링들 상의 신호(또는 반전된 신호)를 일으키도록 전압이 선택될 수 있다.
동일한 기하 구조의 일부 머슬 영역들이 또한 머슬의 2차원 편향을 가능하게 하도록 결합될 수 있다. 예를 들어, 90도 회전된 "벽돌 패턴"을 갖는 "벽돌 패턴" 머슬은 축 방향 뿐만 아니라 수평 방향의 이동도 가능하게 한다. 이것은 저항 요소(24)로 하여금 평면 내의 양 축들을 따라서 아래로 움직일 수 있도록 한다. 이러한 실시예들은 여기에 설명된 모든 실시예들에 적용될 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 적어도 4번째 바(bar)를 포함하는, 이동 가능한 층 배열(150)의 도식적인 모습을 도시하고, 이 실시예에서는 5번째 바(764 및 765)를 더 도시한다. 사다리꼴 분리 영역들을 대신하여, 사각형 단면의 분리 영역들이 또한 예컨대 선택될 수 있고, 선택된 바(bar)의 개수에 독립적으로 선택될 수 있다. 더 많은 개수의 바(bar)가 또한 가능한데, 예컨대, 적어도 6, 적어도 7, 적어도 8, 적어도 10, 적어도 20 또는 그 이상의 바가 가능하다.
이동 가능한 층 어셈블리의 분리 영역들(78)은 이웃한 빔들의 쌍들(764와 761, 763와 762, 또는 765와 762)에 대해 쌍으로 각각 이동 가능한 층 어셈블리의 축 경로를 따라 다르게 배열될 수 있다. 즉, 764/761 및 763/762와 같은 몇몇 쌍들 사이에서, 위치들은 동일할 수 있는 반면, 다른 쌍들에 대해서는 그것들은 다를 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열(160)의 도식적인 위에서 바라본 모습을 도시하고, 이것은 구조적으로 이동 가능한 층 배열(150)에 상응할 수 있다. 이동 가능한 층 배열(160)의 일 단(132)의 서술된 상호연결 및/또는 분리 고정들(782~785)에 기초하여, 124의 반대 방향을 따라 또는 반대 방향으로 이동 가능한 층 배열(160)의 축소 및 확장이 수행될 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열(170)의 도식적인 위에서 바라본 모습을 도시한다. 122a 및/또는 122b 방향에 따른 이동은 절연 영역들(78)의 위치를 적절히 선택함으로써 설정될 수 있다.
도시된 실시예에 따르면, 이동 가능한 층 배열(170)의 분리 영역들(78)은 각각 이동 가능한 층 배열의 중성 섬유(neutral fibre)를 따라, 대칭의 평면을 기준으로 미러 대칭으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 중성 섬유는 중앙의 빔(763)을 통해 대략 그것의 중앙 라인을 따라 지나간다. 여기에서 설명되는 층 배열들은 여기에서 설명된 MEMS의 액츄에이터(26)의 적어도 일부를 형성할 수 있지만, 또한 그것에 독립적으로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 여기에서 설명된 MEMS는 스피커, 마이크로폰, 초음파 트랜스듀서, 마이크로드라이브, 또는 마이크로펌프로서 형성될 수 있다.
도 18a는 일 실시예에 따른 이동 가능한 층 배열(1801)의 도식적인, 위에서 바라본 모습을 도시하고, 여기에서 빔들(761~763)이 서로 상대적으로 부분적으로 휘어져 배열되어 있다.
도 18b는 또다른 이동 가능한 층 배열(1802)의 도식적인 모습을 도시한 것이고, 여기에서 빔들(761, 762 및 763)이 또한 부분적으로 휘어져 있지만 분리 영역들(78)의 위치는 다르게 조정되어 있다.
실시예들은 높은 음향 압력들을 만들어 내기 위해서는, 음향 생성을 위한 변형 요소들을 능동적으로 또는 어느 정도로만 이용하지 않고, 그것들에 수동 요소들을 제공하는 것이 타당하다는 인식에 기반한 것이다. 이것은 변형이 보장되는 방식으로 변형 요소들이 디자인될 수 있고, 수동 요소들이 높은 음향 압력들을 달성할 수 있는 방식으로 최적화되는 장점을 제공한다. 제1 양태에 따르면, 구동 평면에서 배열되고, 다른 층에서는 수동 요소들에 연결되는 머슬-같은 액츄에이터가 창조된다. 이것은 공지의 개념들과 비교할 때 음향 압력 수준을 증가시킬 수 있다. 다른 양태들은 양측에 클램핑되어, 유체 손실을 야기할 수 있는 빔의 자유 진동 말단에서의 주변 기판에 대한 틈(gaps)을 회피할 수 있는 이동 가능한 층 배열들 및/또는 액츄에이터들에 관한 것이다. 이것은 빔의 이동이 자유롭게 남을 수 있고 구속되지 않는 것을 보장할 수 있다. 이러한 것은 예를 들어, 여기에서 설명된 이동 가능한 층 배열들에 대해 설명되었고, 또한 도 5(a) 및 5(b)에서 도시되었다. 또다른 양태는 제1 양태의 수동 요소들을 구동하기 위하여 액츄에이터로서 동작하는데 이용될 수 있다. 이것은 두 양태가 동일한 과업을 수행하기 때문이다. 그러나, 제2 양태의 특징들은 수동 요소와 연관되지 않는 독립적인 것일 수 있다.
기술된 실시예들은 공지의 개념들과 비교하여 작은 또는 최소 칩 면적으로 음향 압력 레벨을 증가시키는데 특징이 있다. 반도체 물질들에 기초한 컴포넌트들의 비용-효율적인 생산이 하위 웨이퍼의 면적의 최적 이용에 대한 최고 수준과 함께 달성될 수 있다. 본 실시예들로 해결되는 과업은 따라서 어떻게 칩 부피가 높은 음향 압력 레벨을 생성하기 위해 또는 특별한 민감도를 나타내도록 이용될 수 있는지에 대한 솔루션들을 보여주는 것이다. 실시예들의 핵심은 구동 수준(drive level)과 음향 생성 수준이 분리되어 있다는 것이다. 따라서, 음향-생성 요소들은 최적으로 디자인될 수 있다. 유사하게, 구동 평면은 액츄에이터들이 높은 패킹 밀도를 가진다는 사실에 특징이 있고, 따라서 편향 범위에 걸쳐 높은 힘을 가질 수 있다.
전기 신호들을 기계적 동작으로 전환시키고 또는 그 역으로 하기 위해서는 마이크로-기계 컴포넌트들이 필요하다. 변형 가능한 요소들의 경우, 요소의 변형이 전기적 입력 신호에 따라 일어난다. 이 경우, 변형 가능한 요소는 액츄에이터이다. 유사하게, 이러한 변형 가능한 요소들은 또한 변형 가능한 요소의 변형으로부터 발생하는 전기적 신호를 이용함으로써 센서로서 이용될 수 있다.
변형 가능한 요소들은 빔-형태의 액츄에이터들이고, 동작의 정전기적, 압전의, 자기변형의 및/또는 열-기계식 원리들에 기초한다.
컴포넌트들은 적어도 하나의 포엑스 평면(forex plane), 하나의 구조적 평면, 및 하나의 천정 평면으로 구성되는 층 스택들이다. 외환 층(foreign exchange layer)은 변형 가능한 요소들을 구동하기 위해 요구되는 액츄에이터들이 거기에 배열된다는 사실에 특징이 있다. 각각의 층은 물질-접합 프로세스들을 예를 들어, 본딩(bonding)을 이용하여 서로 접합된다. 이것은 결과적으로 컴포넌트들 안의 틈들을 음향적으로 밀폐되도록 한다. 층들은 전기적으로 도전성 물질들 예를 들어, 도핑된 반도체 물질 및/또는 금속 물질을 갖는다. 변형 가능한 요소의 능동 요소들은 전극들의 층들을 선택적으로 제거함으로써 형성된다. 수동 요소들은 예를 들어, 바로 앞서 언급된 것과 비교되는 방식으로 물질 접합(material bonding)에 의해 결합되거나 층 중에서 수동적으로 용해된다.
본 명세서에 기술된 양태의 실시예는 다음에 관한 것임:
1. 디바이스
1.1. 액츄에이터 레벨은 유체 상호작용 레벨/구조 레벨과 분리된다.
1.1.1. 장점: 액츄에이터 평면의 패킹 밀도가 높아지므로, 액츄에이터 평면에 이전보다 더 높은 힘이 인가될 수 있다.
1.1.2. 액츄에이터가 제공되지 않기 때문에 상호작용 평면의 더 높은 패킹 밀도로 인하여 면적당 더 많은 유체가 이동될 수 있다.
1.2. 액츄에이터 레벨은 편향가능 요소들을 포함한다.
1.3. 바람직한 실시예에서, 편향가능 요소들은 전기적 절연 스페이서를 통하여 서로 연결되는 전극들이다.
1.4. 편향가능 요소들은 주변 기판에 연결된다.
1.5. 전극들이 서로를 향하여 또는 서로로부터 멀어지게 이동하도록 상이한 전위가 인접한 전극들에 인가된다.
1.5.1. 전극 기하학 구조 및 개수를 통한 조정가능한 힘 및 편향
1.6. 편향가능 요소들의 배열에 대한 바람직한 설계 예는 거의 선형 편향 거동에 가까운 거동을 가능하게 한다.
1.6.1. 2개의 편향가능 요소들은 링크로 대칭적으로 연결된다(도 1).
1.7. 유체 상호작용 평면은 편향가능 요소들과 연결되는 수동 요소들을 포함한다.
1.8. 유체 상호작용 평면의 요소들은 유체와 상호작용하고 체적 흐름을 생성한다.
1.9. 바람직한 실시예에서, 수동 요소들은 콤형(comb-like) 요소들이다.
1.10. 콤형 저항 요소들은, 기판에 단단히 부착된 결합 요소(mating element)와 함께, 캐비티를 형성한다.
1.11. 대응(counter) 요소들에 대한 저항 요소의 움직임은 유체의 체적 흐름을 생성한다.
1.12. 유체는 핸들링 및 리드 웨이퍼의 하부 및 상부 유출 개구를 통하여 캐비티 안과 밖으로 전달된다.
1.13. 저항 요소는, 실시예에서, 연결 요소를 통하여 기판에 연결될 수 있다.
1.13.1. 연결 요소의 기하학적 구조 및 토폴로지(topography)는 설계될 수 있다. 이것은 오실레이팅 저항 요소(oscillating resistive element)의 결과적인 주파수(resulting frequency)에 영향을 미칠 수 있게 한다.
1.14. 구조 평면은 액츄에이터 평면보다 그 수직 방향으로 훨씬 더 크다.
1.15. 구조 평면은 캐비티를 리드 및 핸들링 웨이퍼의 개구에 연결하기 위한 개구를 포함할 수 있으며, 이것을 통하여 캐비티를 환경에 연결한다.
1.16. 또 다른 양태는 탄성 저항 요소를 제어하는데 결합 요소를 사용하는 것이다.
1.16.1. 저항 요소는 바람직하게는 양측에서 기판에 연결된다.
1.16.2. 결합 요소는 능동적으로 편향가능한 요소의 움직임을 탄성 저항 요소에 전달한다.
1.16.3. 서로 반대 방향으로 동작하는 결합 요소와 저항 요소로서 편향가능 요소들의 2개 그룹이 존재한다. 즉, 그들은 제1 시간 간격에서는 서로를 향하여 이동하고 후속하는 제2 시간 간격에서는 서로로부터 멀어지도록 이동한다.
1.17. 또 다른 양태는, 1.16과 대조적으로, 그룹으로도 나누어지는 결합 요소들을 사용하는 것이다. 기본 원리는 고정자(stator)-셔틀 배열이다.
1.17.1. 그룹은, 예컨대, 선형적으로 작동하는 능동적 편향가능 요소에 연결되는 4개의 탄성 저항 요소로 구성된다.
1.17.2. 탄성 저항 요소들 및 능동적 편향가능 요소들의 그룹은 기판으로 형성된 경계에 의하여 둘러싸여 있다. 이 경계는 컴포넌트의 전체 강성을 증가시킨다. 또한, 림은 엑츄에이터에 전기적으로 결합되고 고정자의 역할을 한다. 이 실시예에서, 셔틀은 능동적 편향가능 저항 요소이다.
1.17.3. 캐비티의 형성을 위하여, 추가 림이 제공되며, 이는 저항 요소들 사이에 배열된다.
1.17.4. 저항 요소는 리드 및 핸들링 웨이퍼의 개구들을 통하여 이들 캐비티 내부 및 외부로 유체를 전달한다.
1.17.4.1. 개구들은 능동적 편향가능 요소들의 영역에 위치하지 않고, 그들의 측면에 위치한다.
1.17.4.2. 개구들은 도 5a와 같이 배열될 수 있다.
1.18. 또 다른 양태는 저항 구조에 연결된 콤형 편향가능 요소들을 사용하는 것이다. 원리는 고정자-셔틀 원리에 해당한다.
1.18.1. 주변 기판은 콤 형상이다. 이 영역은 저항 요소의 길이의 40-80%에 해당하는 길이를 갖는다.
1.18.2. 저항 요소에 연결된 콤 형상 편향가능 요소들은 콤 형상 기판에 맞물린다(engage).
2. 대체 편향가능 요소로서의 디바이스
2.1. 선형 편향 거동을 가지는 편향가능 요소
2.1.1. 유체와 독립적으로 상호작용할 수 있음
2.1.2. 저항 구조에 대한 드라이브로서 사용될 수도 있음
2.2. 양측에서 주변 기판에 연결되는 실시예에서
2.2.1. 출원 PCT/EP2018/078298에 대한 개선은, 일단에 클램핑된 액츄에이터의 자유단의 경우에서와 같이, 양단에 클램핑된 액츄에이터는 음향 단락(acoustic short circuits)을 나타내지 않는다는 것이다.
2.3. 편향가능 요소는 편향가능 요소의 확장 방향을 따르는 거울-대칭적 기본셀(elementary cell)들의 병치(juxtaposition)에 의하여 형성된다.
2.4. 기본셀들은 절연 스페이서층에 의하여 연결되는 다양한 바형상(bar-shaped) 전극으로 구성된다. 기본셀들은 전극과 직접적인 기계적 또는 전기적 접촉을 하지 않는 전극의 전체 길이를 따라 절연층을 포함할 수 있다.
2.5. 실시예는 평면도에서 산-계곡(valley)-계곡 방향을 가지는 3개의 전극들을 갖는다.
2.5.1. 제1 유닛셀은 2개의 절연 스페이서 "산" 및 1개의 절연 스페이서 "계곡"에 의하여 형성된다.
2.5.2. 제2의, 인접한 기본셀은 거울상으로 상응하여 배열된다.
2.6. 실시예들은 3개 이상의 전극들을 갖는다(도 12).
2.7. 이웃하는 전극들은 상이한 전위를 가지며, 이에 따라 편향이 발생한다.
2.8. 편향 특성은 절연 스페이서의 배열에 의하여 조정될 수 있다.
2.9. 실시예들은 또한 일측에 기판에 연결되는 편향가능 요소들을 포함한다. 이것은 길이에 변경이 발생될 수 있도록 한다.
3. 이상의 디바이스를 이용하여 유체를 이동시키기 위한 프로세스/방법.
3.1. 디바이스는 주변 유체(사운드, 라우드스피커)의 압력 변화를 생성하고 주변 유체(사운드, 마이크로폰)의 압력 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.
4. 실시예들은 펌프 또는 마이크로드라이브일 수도 있다.
비록 디바이스와 관련하여 일부 양태들이 설명되었으나, 이러한 양태들은 또한 해당 프로세스의 설명을 구성하는 것으로서, 디바이스의 블록 또는 컴포넌트는 대응하는 프로세스 단계 또는 프로세스 단계의 특징으로도 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 프로세스 단계와 관련하여 또는 프로세스 단계로서 설명된 양태들은 또한 상응하는 디바이스의 대응하는 블록 또는 세부사항 또는 특징에 대한 설명을 구성한다.
전술된 실시예들은 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것이다. 본 명세서에서 설명된 배열 및 세부 사항의 수정 및 변형은 당업자에게 자명한 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명은 아래의 특허 청구범위의 보호범위에 의하여만 한정되고, 본 명세서의 실시예에 대한 개시 및 설명을 통하여 제시된 구체적인 세부 사항에 의해서는 제한되지 않는 것이 의도된다.

Claims (63)

  1. 레이어 구조(12)를 가지는 MEMS에 있어서,
    상기 레이어 구조(12)에 배치되고 상기 레이어 구조(12)의 적어도 하나의 개구를 통하여 상기 레이어 구조(12)의 외부 환경에 유동적으로(fluidically) 결합되는 캐비티(16);
    평면 방향을 따라 제1 MEMS 평면 및 상기 캐비티(16)에 이동가능하게 배치되고 상기 캐비티(16)의 유체와 상호작용하도록 적응된(adapted to) 상호작용 구조(24)로서, 상기 상호작용 구조(24)의 이동은 상기 적어도 하나의 개구를 통한 상기 유체의 이동과 인과적(causally)으로 연관되는 상기 상호작용 구조(24);
    상기 평면 방향에 수직한 제2 MEMS 평면에 배치되고 상기 상호작용 구조(24)와 기계적으로 결합되는 능동 구조(26);를 포함하며,
    상기 능동 구조(26)는 상기 능동 구조(26)의 전기적 접점에서의 전기 신호(32)가 상기 능동 구조(26)의 변형과 인과적으로 연관되도록 구성되고, 상기 능동 구조(26)의 변형은 상기 유체의 이동과 인과적으로 연관되는, MEMS.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 단자에 전기 신호가 인가되면 상기 능동 구조(26)의 변형을 야기하여 상기 상호작용 구조(24)와 상기 유체의 이동을 유발하도록 구성된 액츄에이터 구조를 포함하는, MEMS.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 정전기식, 압전식, 또는 열기계식(thermomechanical) 전극 구조를 포함하는, MEMS.
  4. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 서로 대향 배치된 2개의 작동 방향(actuation direction)(26a, 26b)을 포함하며, 제1 작동 신호에 기초하여 상기 제2 MEMS 평면에서 작동 방향에 따른 이동을 수행하고 제2 작동 신호에 기초하여 상기 제2 MEMS 평면에서 상기 작동 방향에 반대되는 상보적 이동을 수행하도록 적응된, MEMS.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 상기 제1 작동 신호를 변환하기 위한 제1 액츄에이터(26a) 및 상기 제2 작동 신호를 변환하기 위한 제2 액츄에이터(26b)를 포함하는, MEMS.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 액츄에이터(26a) 및 상기 제2 액츄에이터(26b)는 서로 대향 배치되고, 상기 상호작용 구조(24)와의 기계적 결합을 제공하는 결합 요소(28)가 상기 제1 액츄에이터와 상기 제2 액츄에이터 사이에 배치되는, MEMS.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는,
    상기 제1 작동 신호에 기초하여 상기 작동 방향과 평행한 제1 영역에서 길어지고 제2 서브영역(subregion)에서 짧아지도록 적응되며,
    상기 제2 작동 신호에 기초하여 상기 작동 방향과 평행한 상기 제1 영역에서 짧아지고 상기 제2 서브영역에서 길어지도록 적응된, MEMS.
  8. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 나란히 배열되고 전극쌍으로 그룹화되는 복수의 전극 요소(46)를 포함하고, 인접한 전극쌍의 주측면(main side)은 서로 마주보도록 배열되고 분리 위치(discrete location)에서 내부 스페이서 요소(54)에 의하여 상기 전극 요소의 중심 영역(52)에 연결되는, MEMS.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 한 쌍의 전극의 전극 요소(46)들 사이에 인가된 전위에 기초하여 상기 제2 MEMS 평면 내의 방향을 따라 길이 변화를 일으키도록 적응되고, 상기 길이 변화는 상기 상호작용 구조(24)에 전달되는, MEMS.
  10. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는, 각각 제1 및 제2 전극 요소(46)를 가지는 복수의 전극쌍(48)을 포함하고, 상기 전극 요소의 중심 영역(52)의 인접한 전극쌍(48)은 분리 위치에서 내부 스페이서 요소(54)에 의하여 연결되는, MEMS.
  11. 제10항에 있어서,
    한 쌍의 전극의 상기 제1 전극 요소와 상기 제2 전극 요소는 상기 전극 요소의 엣지 영역(edge region)에 개별 외부 스페이서 요소(56)에 의하여 기계적으로 고정되거나; 또는
    한 쌍의 전극의 상기 제1 전극 부재와 상기 제2 전극 부재는 엣지 부분에 상기 레이어 구조(12)와 기계적으로 고정되어, 상기 제1 전극 부재와 상기 제2 전극 부재 사이의 거리를 조정하는, MEMS.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 전극 요소와 상기 제2 전극 요소는 0.01 μm 이상 200 μm 이하의 거리로 고정되는, MEMS.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 내부 스페이싱 요소에 의하여 조정되는 간격은 0.01 μm 이상 200 μm이하의 값을 가지는, MEMS.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 하나에 있어서,
    전기 절연층(58)은 한 쌍의 전극의 인접한 전극들 사이에 배치되는, MEMS.
  15. 제14항에 있어서,
    전기 절연층(58)은 외부 스페이서 요소(56)들 사이에 매달려(suspended) 있고, 상기 외부 스페이서 요소(56)들은 상기 전극쌍의 전극들의 엣지 영역에 배치되어 상기 전극들을 기계적으로 고정하는, MEMS.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 절연층(58)의 형상은, 상기 MEMS의 수동 상태(passive state)에서 사전 가이드된 상기 전극쌍의 전극들의 형상에 적응되는, MEMS.
  17. 제16항에 있어서,
    제1 절연층 서브층(58a)은 상기 전극쌍의 제1 전극(461)의 사전 윤곽성형된(precontoured) 형상을 따르고, 제2 절연층 서브층(58b)은 상기 전극쌍의 제2 전극(462)의 사전 윤곽성형된 형상을 따르며,
    상기 제1 서브층과 상기 제2 서브층의 대향하는 주표면들 사이의 거리는 제1 서브층 부착 영역으로부터 제2 서브층 부착 영역까지 상기 제2 MEMS 평면의 전극 경로를 따라 가변적인, MEMS.
  18. 제8항 내지 제17항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)의 전극쌍들은 적어도 하나의 행(86) 또는 서로 평행하게 연장되는 적어도 2개의 행으로 배치되는, MEMS.
  19. 제8항 내지 제18항 중 어느 하나에 있어서,
    제1 전극쌍은, 상기 제2 MEMS 평면에서 제1 방향에 평행한 제1행에 배치되어 상기 제1 MEMS 평면에서 제1 방향에 따른 상기 상호작용 구조(24)의 이동을 일으키고,
    제2 전극쌍은, 상기 제2 MEMS 평면에서 제2 방향에 평행한 제2 행에 배치되어 상기 제1 MEMS 평면에서 제2 방향에 따른 상기 상호작용 구조(24)의 이동을 일으키는, MEMS.
  20. 제8항 내지 제19항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 전극쌍은, 인터로킹 전극 콤(interlocking electrode comb) 구조로 형성되는, MEMS.
  21. 제20항에 있어서,
    전극 콤 구조(114)를 가지는 제3 전극은 3개의 전극들의 그룹을 형성하기 위하여 상기 한 쌍의 전극과 연관되며, 상기 전극들 중 가운데 전극은 상기 3개의 전극들 중 외부 전극들의 교번 활성화(energisation)에 기초하여 상이한 방향으로 편향 가능한, MEMS.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극은, 고정 콤 전극과 상기 고정 콤 전극에 대하여 이동가능한 가동 콤 전극을 포함하고, 제1 콤 전극쌍에 해당하며,
    상기 MEMS는 적어도 제2 콤 전극쌍을 포함하고,
    상기 제1 콤 전극쌍과 상기 제2 콤 전극쌍의 상기 가동 콤 전극들은 서로 기계적으로 결합되고 서로 전기적으로 절연되며, 한 시점에서 서로 상이한 전위가 인가되도록 적응되고,
    상기 MEMS는 제1 콤 전극쌍과 제2 콤 전극쌍의 고정 콤 전극들에 시간에 따라 변하는 전위를 인가하도록 적응되며,
    상기 MEMS는 제1 콤 전극쌍과 제2 콤 전극쌍의 고정 콤 전극들에 시간에 따라 변하는 전위를 인가하도록 적응되는, MEMS.
  23. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는 상기 상호작용 구조(24)에 기계적으로 고정된 결합 요소(28)와 MEMS 기판 사이에 기계적으로 연결되는 복수의 이동가능 레이어 어셈블리를 포함하고,
    각각의 이동가능 레이어 어셈블리는,
    제1 바(761), 제2 바(762), 및 분리 영역(discrete region)에서 상기 제1 바와 상기 제2 바 사이에 배치되고 상기 제1 바와 상기 제2 바로부터 전기적으로 절연되는 제3 바(763)를 포함하며, 상기 결합 요소를 이동시키기 위하여, 상기 제1 바와 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여 또는 상기 제2 바와 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여 상기 제2 MEMS 평면에서 이동 방향을 따라 이동하도록 적응되는, MEMS.
  24. 제23항에 있어서,
    적어도 제1 이동가능 레이어 어셈블리와 제2 이동가능 레이어 어셈블리는 상기 결합 요소와 상기 기판 사이에 직렬로 기계적으로 연결되고,
    상기 제1 및 제2 이동가능 레이어 어셈블리의 곡률 분포의 경사도(gradient)는 교대 부호(alternating signs)를 가지는, MEMS.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 복수의 이동가능 레이어 배열은 상기 제2 MEMS 평면에 대칭적으로 배열되는, MEMS.
  26. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 능동 구조(26)는 상기 상호작용 구조(24)에 기계적으로 고정된 결합 요소와 MEMS 기판 사이에 기계적으로 연결되는 이동가능 레이어 어셈블리를 포함하고,
    상기 이동가능 레이어 어셈블리는,
    제1 바(761), 제2 바(762), 및 상기 제1 바와 상기 제2 바 사이에 배치되고 분리 영역(discrete region)들에서 상기 제1 바와 상기 제2 바로부터 전기적으로 절연되는 제3 바(763)를 포함하며, 상기 결합 요소를 이동시키기 위하여, 상기 제1 바와 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여 또는 상기 제2 바와 상기 제3 바 사이의 전위에 응답하여 상기 제2 MEMS 평면에서 이동 방향을 따라 이동하도록 적응되고,
    한편으로는 상기 제1 바와 상기 제3 바를 고정시키고 다른 한편으로는 상기 제2 바와 상기 제3 바를 고정시키기 위한 상기 분리 영역(78)들은, 상기 제2 MEMS 평면에서 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 축 경로를 따라 서로로부터 오프셋을 가지도록 배열되는, MEMS.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 이동가능 레이어 배열은 상기 축 경로를 따라 서로 다른 방향들로 복수회 만곡(curved)되어 형성되는, MEMS.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 분리 영역은, 곡률 변화(curvature change)의 외측에 배열되는, MEMS.
  29. 제26항 내지 제28항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 이동가능 레이어 어셈블리는, 양측에서 클램핑되어 고정되는, MEMS.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 빔은, 결합 분리 영역(combinatorial discrete region)(78c)에서 상기 제2 빔과 상기 제3 빔에 추가로 연결되는, MEMS.
  31. 제25항 내지 제29항 중 어느 하나에 있어서,
    인접한 바들의 분리 영역들 사이의 방향을 따르는 분리 영역은, 상기 제2 MEMS 평면에서 가변적 확장(variable extension)을 가지며, 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 축 방향 진행에 평행한, MEMS.
  32. 제26항 내지 제31항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 분리 영역들은, 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 기하학적 중심에 대하여 점 대칭적으로 배열되거나, 또는 상기 제2 MEMS 평면에서 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 축 경로에 수직하고 상기 기하학적 중심과 교차하는 대칭축에 대하여 축대칭적으로 배열되는, MEMS.
  33. 제26항 내지 제32항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 이동가능 레이어 어셈블리는, 적어도 제4 빔(764)을 포함하는, MEMS.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 이동가능 레이어 어레이의 상기 분리 영역들은 상기 이동가능 레이어 어레이의 축 경로를 따라 인접한 바들의 쌍들에 대하여 서로 다르게 각각 쌍으로 배열되는, MEMS.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 이동가능 레이어 어레이의 상기 분리 영역들은, 각각 상기 이동가능 레이어 어레이의 중성 파이버를 따라 대칭 평면에 대하여 거울 대칭적으로 배열되는, MEMS.
  36. 제26항 내지 제35항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 빔은 섹션별 만곡 방식(curved manner)으로 2개의 연속적인 분리 영역들 사이의 섹션에 형성되는, MEMS.
  37. 제26항 내지 제35항 중 어느 하나에 있어서,
    제1 이동가능 레이어 구조는, 상기 제1 MEMS 평면에서 제1 방향에 따르는 상기 상호작용 구조(24)의 이동에 영향을 미치도록, 상기 제2 MEMS 평면에 제1 방향에 평행한 제1 행에 배열되고,
    상기 제2 이동가능 레이어 구조는, 상기 제1 MEMS 평면에서 제2 방향에 따르는 상기 상호작용 구조(24)의 이동에 영향을 미치도록, 상기 제2 MEMS 평면에 제2 방향에 평행한 제2 행에 배열되는, MEMS.
  38. 제26항 내지 제28항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 이동가능 레이어 어셈블리는, 상기 제1, 제2, 및 제3 빔의 작동에 기초하여, 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 자유단(132)을 선형적으로 독립된 2개의 방향을 따라 이동시키도록 구성되는, MEMS.
  39. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는 전기적으로 수동적으로(passively) 형성되는, MEMS.
  40. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 레이어 구조(12)에 대한 상기 상호작용 구조(24)의 기계적 결합(28)은, 최대 강성으로서 상기 상호작용 구조(24)의 강성과 동일한 강성을 가지는, MEMS.
  41. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 휨 스프링 요소(44)에 의하여 상기 레이어 구조(12)에 탄성적으로 결합되는, MEMS.
  42. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 상기 능동 구조(26)에 대한 기계적 결합을 제외하고는 서스펜션 없이 배열되는, MEMS.
  43. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    바운딩 구조는 상기 캐비티(16)의 서브캐비티(16a-16t)를 정의하는 상기 제1 MEMS 평면에 배열되고,
    상기 상호작용 구조(24)의 핀 구조(fin structure)는 상기 서브캐비티(16a-16t)에 이동가능하게 배열되는, MEMS.
  44. 제43항에 있어서,
    서브캐비티(16a-16t)의 핀 구조는, 제1 서브캐비티부(16a1-16t2)와 제2 서브캐비티부(16a1-16t2)로 적어도 부분적으로 분리되며,
    상기 상호작용 구조(24)의 이동에 기초하여, 상기 제1 서브캐비티부(16a1-16t2)의 체적은 상기 제2 서브캐비티부(16a1-16t2)의 체적에 상보적으로 가변적(variable complementary)인, MEMS.
  45. 제44항에 있어서,
    상기 제1 서브캐비티부(16a1-16t2)는 제1 개구에 유동적으로(fluidically) 결합되고, 상기 제2 서브캐비티부(16a1-16t2)는 제2 개구에 유동적으로 결합되는, MEMS.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 제1 개구와 상기 제2 개구는 상기 평면 방향에 수직으로 배열되거나, 또는, 상기 부분 캐비티(16a-16t)로부터 시작하는 상기 제1 MEMS 평면에 배열되는, MEMS.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 제1 개구 및 상기 제2 개구는,
    상기 제1 MEMS 평면에 배치되고, 상기 평면 방향에 수직인 방향을 따라 상기 레이어 구조(12)의 커버층의 MEMS 개구들에 유동적으로 연결되는, MEMS.
  48. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 상기 제1 MEMS 평면에 서로 평행하게 배열되고 상기 제1 MEMS 평면과 수직으로 배향되며 대향 엣지 영역에서 MEMS 기판에 연결되는 복수의 플레이트 요소(36, 92)를 포함하는, MEMS.
  49. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 상기 제1 MEMS 평면에 서로 평행하게 배열되고 상기 제1 MEMS 평면과 수직으로 배향되는 복수의 플레이트 요소(36, 92)를 포함하고,
    상기 플레이트 요소들은, 플레이트 그룹으로의 상호연결 요소에 의하여 그룹들로 서로 기계적으로 결합되는, MEMS.
  50. 제49항에 있어서,
    서로 다른 플레이트 그룹들은 서로에 대하여 편향 가능한(deflectable), MEMS.
  51. 제49항 또는 제50항에 있어서,
    플레이트 요소들이 서로 인접하여 교대로 배열되는 제1 플레이트 그룹의 플레이트 요소들과 제2 플레이트 그룹의 플레이트 요소들을 역방향으로(counter-directionally) 편향시키도록 구성된, MEMS.
  52. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 상기 능동 구조(26)로부터 이격된 영역에서 MEMS 기판에 기계적으로 고정되고, 상기 능동 구조(26)의 편향시 변형되도록 플랙서블하게 형성되는, MEMS.
  53. 제52항에 있어서,
    바운딩 구조는 상기 캐비티(16)의 서브캐비티(16a-16t)를 정의하는 상기 제1 MEMS 평면에 배열되고,
    상기 상호작용 구조(24)의 플랙서블 요소들은 상기 서브캐비티(16a-16t) 내에서 변형되도록 상기 서브캐비티(16a-16t)에 이동가능하게 배치되는, MEMS.
  54. 제53항에 있어서,
    서브캐비티(16a-16t)의 플랙서블 부재는 제1 서브캐비티부(16a1-16t2)와 제2 서브캐비티부(16a1-16t2)로 적어도 부분적으로 분리되며,
    상기 상호작용 구조(24)의 이동에 기초하여, 상기 제1 서브캐비티부(16a1-16t2)의 체적은 상기 제2 서브캐비티부(16a1-16t2)의 체적에 상보적으로 가변적(variable complementary)인, MEMS.
  55. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 상호작용 구조(24)는, 상기 레이어 구조(12)에 대한 상기 상호작용 구조(24)의 기계적 결합보다 적어도 3배 더 큰 상기 평면 방향에 따른 기계적 강성을 가지는 기계적 결합에 의하여 상기 능동 구조(26)에 결합되는, MEMS.
  56. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    상기 결합 요소는, 상기 능동 구조(26)를 상기 상호작용 구조(24)에 기계적으로 고정시키고, 상기 능동 구조(26)와 상기 상호작용 구조(24) 간의 거리를 조절하는, MEMS.
  57. 제56항에 있어서,
    상기 거리는, 0.1 μm 이상 20 μm이하인, MEMS.
  58. 제56항 또는 제57항에 있어서,
    전기 절연 물질은 상기 스페이싱의 영역에 배치되는, MEMS.
  59. 제56항 내지 제58항에 있어서,
    상기 결합 요소의 기계적 강성은 상기 평면 방향을 따르는 상기 상호작용 구조(24) 및/또는 상기 능동 구조(26)의 기계적 강성에 대응하거나, 또는
    상기 능동 구조(26) 및/또는 상기 상호작용 구조(24)의 기계적 강성보다 더 작은, MEMS.
  60. 앞선 청구항들 중 어느 하나에 있어서,
    라우드스피커, 마이크로폰, 초음파 트랜스듀서, 마이크로드라이브, 또는 마이크로펌프로서 형성되는, MEMS.
  61. 레이어 구조(12)를 가지는 MEMS에 있어서,
    상기 레이어 구조(12)에 배치되는 캐비티(16); 및
    제1 빔, 제2 빔, 및 분리 영역(discrete region)들에서 상기 제1 빔과 상기 제2 빔 사이에 배치되고 상기 제1 빔과 상기 제2 빔으로부터 전기적으로 절연되는 제3 빔을 포함하는, 상기 캐비티(16)에 배치되는 이동가능 레이어 어셈블리를 포함하고,
    상기 이동가능 레이어 어셈블리는, 상기 제1 빔과 상기 제3 빔 사이의 전위에 응답하여 또는 상기 제2 빔과 상기 제3 빔 사이의 전위에 응답하여, 기판 평면에서 이동 방향을 따라 이동하도록 적응되고,
    한편으로는 상기 제1 바와 상기 제3 바를 고정하고, 다른 한편으로는 상기 제2 바와 상기 제3 바를 고정하기 위한 상기 분리 영역들은 상기 이동가능 레이어 배열의 축 경로를 따라 서로 오프셋을 가지도록 배열되는, MEMS.
  62. 제61항에 있어서,
    상기 캐비티(16)는 상기 레이어 구조(12)의 적어도 하나의 개구를 통하여 상기 레이어 구조(12)의 외부 환경에 결합되며,
    제1 MEMS 평면 및 상기 캐비티(16)에 평면 방향을 따라 이동가능하게 배치되고 상기 캐비티(16)의 유체와 상호작용하도록 구성되는 상호작용 구조(24)를 더 포함하고, 상기 상호작용 구조(24)의 이동은 상기 적어도 하나의 개구를 통한 상기 유체의 이동과 인과적(causally)으로 연관되며,
    상기 이동가능 레이어 어셈블리는, 상기 평면 방향에 수직한 제2 MEMS 평면에 배치되는 능동 구조(26)의 일부이며,
    상기 능동 구조(26)는 상기 상호작용 구조(24)와 기계적으로 결합되고,
    상기 능동 구조(26)의 전기적 접점에서의 전기 신호가 상기 능동 구조(26)와 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 변형과 인과적으로 연관되도록 구성되며,
    상기 능동 구조(26)와 상기 이동가능 레이어 어셈블리의 상기 변형은 상기 유체의 이동과 인과적으로 연관되는, MEMS.
  63. 다음 단계를 포함하는 유체의 이동(displacing) 방법:
    앞선 청구항들 중 어느 하나에 따른 MEMS를 동작시키는 단계.

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