TWI595738B - 微機電系統及其相關系統、用途、微機電系統揚聲器和調節單元 - Google Patents

微機電系統及其相關系統、用途、微機電系統揚聲器和調節單元 Download PDF

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法比恩 史托佩爾
柏恩哈德 華格納
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Description

微機電系統及其相關系統、用途、微機電系統揚聲器和調節單元 發明領域
本發明之實施例係關於一種MEMS(微機電系統)。一些實施例係關於用於實現大幅度力量及偏位之微機械壓電致動器。其他實施例係關於一種用於產生聲訊波長頻譜內之聲波的MEMS揚聲器。其他實施例係關於一種系統及MEMS揚聲器的經調節單元調節之操作。
發明背景
近年來，小型化致動器已愈來愈重要且在許多應用領域中已變得必不可少。藉由使用合適的設計以及驅動配置(靜電、電磁、熱電、壓電)，有可能實現涵蓋廣泛範圍之應用的具有非常不同之特性的致動器。
然而，在以大幅度偏位產生大幅度力量(詳言之，在流體排放及MEMS揚聲器之領域中為基本的特性)時存在基礎問題。此係歸因於如下事實：具有大偏位之致動器需要低彈簧剛性，而傳輸大幅度力量傾向於需要高彈簧剛性。 此情形的例外係僅由電動驅動件構成，該等電動驅動件可甚至在低彈簧常數下仍產生相對較大幅度的力量及衝程，此係因為該力量係借助於磁場產生。
詳言之，在聲學中，所有結構組件中之大部分因此係基於電動驅動件。典型實例為用於行動電話的精密工程設計之揚聲器，其中借助於在永久性磁場內移動之移動線圈產生用於氣體排放之足夠大的衝程及力量。
此等習知電動揚聲器之缺點為歸因於低效率以及大聲學失真之大約1瓦特的高功率消耗。另一缺點為3至4mm之相對較大的結構高度。
借助於MEMS技術，該等缺點(低效率、大結構高度)可克服。然而，市場上不存在MEMS揚聲器，而僅存在研究實驗室發出之一系列公開案。在US 2013/0156253 A1及文獻[Shahosseini等人，Optimization and Microfabrication of High Performance Silicon-Based MEMS Microspeaker，IEEE Sensors journal，13(2013)273至284]中，描述電動MEMS揚聲器，但其需要永磁環之混合整合。壓電MEMS揚聲器之概念呈現於US 7,003,125、US 8,280,079、US 2013/0294636 A1及文獻[Yi等人，Performance of packaged piezoelectric microspeakers depending on the material properties，Proc.MEMS 2009，765至768]及[Dejaeger等人，Development and Characterization of a Piezoelectrically Actuated MEMS Digital Loudspeaker，Procedia Engineering 47(2012)184至187]中。然而其中，諸如PZT、AlN或ZnO 之壓電材料已直接塗覆至揚聲器振動膜上，使得驅動件之特性與振動膜之特性關聯。包含經由一振動膜及若干致動器而以活塞形狀之方式偏位離開平面之板形主體的另一壓電MEMS揚聲器呈現於US 2011/0051985 A1中。然而，可僅在高頻率下產生足夠高之聲壓的基於具有靜電驅動式振動膜之陣列的數位MEMS揚聲器描述於US 7,089,069、US 2010/0316242 A1及文獻[Glacer等人，Reversible acoustical transducers in MEMS technology，Proc.DTIP 2013]中。
發明概要
本發明係基於提供使得能夠同時在MEMS中實現大幅度力量及偏位之概念的目標。
此目標係藉由獨立請求項達成。
有利的其他發展指示於附屬請求項中。
本發明之實施例提供一種MEMS，其包含：一振動膜；一衝程結構(提昇結構)，其耦接至該振動膜；以及至少兩個壓電致動器，其經由多個相互隔開之連接元件耦接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點，該等至少兩個壓電致動器經組配以引起該衝程結構之一衝程移動(提昇移動)以便使該振動膜偏位。
根據本發明之概念，該MEMS(微系統)包含：一衝程主體(提昇主體)及至少兩個壓電致動器，其用於激勵一振動膜，該等至少兩個致動器經由多個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點。歸因於該 MEMS包含經由多個連接元件連接至該衝程結構之至少兩個壓電致動器的事實，有可能經由該衝程結構同時將大幅度力量及偏位傳輸至該振動膜。歸因於該等多個連接元件以及因此之該等多個連接點相互隔開的事實，可確保或保證該衝程結構以一可再現且一致之方式執行該衝程移動且不偏離(例如)該衝程移動之一所要方向，如在(例如)傾斜模式發生時將發生偏離狀況。
其他實施例係關於一種MEMS揚聲器，其包含：一振動膜；一衝程結構，其耦接至該振動膜；以及至少兩個壓電致動器，其經由多個相互隔開之連接元件耦接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點，該等至少兩個壓電致動器經組配以引起該衝程結構之一衝程移動以便使該振動膜偏位。該等連接元件經組配為可撓性的。因此，其可按一可逆方式變形。
根據以上描述，該衝程結構因此包含若干接觸點。其相互隔開，詳言之，在該致動器之橫向及/或縱向方向上隔開。該等接觸點中之每一者具有附接於其中之一個連接元件，其將該各別相關聯之致動器可撓性地或彈性地連接至該衝程結構。
根據本發明之概念，該MEMS揚聲器(微系統)包含：一衝程主體及至少兩個壓電致動器，其用於激勵一振動膜，該等至少兩個致動器經由多個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點。歸因於該MEMS揚聲器包含經由多個連接元件連接至該衝程結構之 至少兩個壓電致動器的事實，有可能經由該衝程結構同時將大幅度力量及偏位傳輸至該振動膜。歸因於該等多個連接元件以及因此之該等多個連接點相互隔開的事實，可確保或保證該衝程結構以一可再現且一致之方式執行該衝程移動且不偏離(例如)該衝程移動之一所要方向，如在(例如)傾斜模式發生時將發生偏離狀況。
因此，提議一種用於產生聲訊波長頻譜內之聲波的MEMS揚聲器，其包含：一振動膜；一衝程結構，其耦接至該振動膜；以及至少兩個壓電致動器，借助於該等兩個壓電致動器，可引起該衝程結構之一衝程移動以用於使該振動膜偏位。該等壓電致動器經由多個相互隔開且可撓之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點。
與該等兩個致動器中之一者相關聯的該等連接元件在該致動器及/或該MEMS聲音換能器之橫向方向上相互隔開係有利的。
以下情形係有利的：該振動膜在該衝程結構之一前端處以一直接方式連接至該衝程結構，及/或該等壓電致動器在該衝程結構之至少一側面上，詳言之，在兩個對置側面上，以一間接方式(即，經由該等連接元件)連接至該衝程結構。在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該衝程結構之該前端因此在z方向上，亦即，在衝程方向(提昇方向)上定向。相比之下，該衝程結構之該等側面在橫向方向上，亦即，垂直於衝程軸線(提昇軸線)而對準。
在本發明之另一有利發展中，若干相互隔開之連 接元件連接至該等至少兩個壓電致動器的若干相互隔開之接觸點。
此外，該等至少兩個壓電致動器中之每一者經由至少兩個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的至少兩個相互隔開之接觸點係有利的。
此外，該衝程結構經由多個區(亦即，在若干區中)耦接至該振動膜係有利的。該等區較佳沿彼此至少部分隔開之至少兩個直線或曲線配置有該振動膜。
該衝程結構經由以一分散及/或相互隔開之方式配置的多個區耦接至該振動膜係有利的。
類似地，該衝程結構包含多個相互連接之橫桿係有利的，該等橫桿中之每一者在一前端處至少部分耦接至該振動膜。因此，該衝程結構包括若干橫桿形部分。在一俯視圖中，該等橫桿形部分較佳以相互垂直之方式配置。此外，該衝程結構較佳經組配成一個片件。
該等至少兩個壓電致動器實施為彎曲橫桿(懸臂)係有利的。因此，其較佳以一直線方式實施。
此外，該等致動器較佳包含：一固定末端，其直接地連接至(詳言之)載體基體；以及一可移動末端，其較佳間接地連接至該衝程結構，即，經由至少一可撓性或彈性連接元件。
該致動器具有大於長度之一寬度係有利的。
此外，以下情形係有利的：在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等至少兩個壓電致動器配置於一第一平 面內處於一閒置位置或零位置中，該振動膜配置於在衝程方向上與該第一平面隔開之一第二平面內，及/或該衝程結構自該振動膜開始在該衝程方向上，在該第二平面之方向上延伸，詳言之，遠至或超出該第二平面。
該等連接元件中之至少一者至少部分包含或實施為一彈簧元件係有利的。該連接元件可因此以一可撓性或彈性方式變形。結果，相比於最大致動器衝程，該振動膜之最大衝程可增加，此係因為該振動膜可歸因於該彈簧元件而可撓性地振盪超出該致動器衝程。
為了能夠避免該振動膜之傾斜，該彈簧元件(詳言之，每一彈簧元件)包括至少一撓曲彈簧元件、至少一扭轉彈簧元件及/或至少一撓曲彈簧元件與至少一扭轉彈簧元件之一組合，或以此方式實施係有利的。
在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等壓電致動器沿其縱向軸線分別包含一固定夾持之第一末端及一可移動之第二末端係有利的。
此外，該撓曲彈簧元件在該壓電致動器之縱向方向上延伸及/或該扭轉彈簧元件在該壓電致動器之橫向方向上延伸係有利的。
此外，在該MEMS揚聲器之一俯視圖中，一連接元件之該撓曲彈簧元件及該扭轉彈簧元件相對於彼此旋轉90°係有利的。
又，該撓曲彈簧元件直接地連接至該致動器及/或與該致動器形成為一個片件係有利的。此外，該扭轉彈 簧元件在力量之通量方向上配置於該撓曲彈簧元件與該衝程結構之間係有利的。
該振動膜包含一剛性區及一可撓性區係有利的。較佳地，該衝程結構耦接至該振動膜之該剛性區，詳言之，該振動膜之該剛性區係藉由一延伸衝程結構形成。
在本發明之另一有利發展中，該MEMS揚聲器包含至少一壓電位置感測器。該等至少一壓電位置感測器較佳經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號。
此外，該等壓電致動器中之至少一者經組配為一壓電位置感測器係有利的。
類似地，該MEMS揚聲器包含至少四個壓電致動器係有利的，該等至少四個壓電致動器中之兩者經組配為壓電位置感測器。此外，該等至少四個壓電致動器較佳以使得該等兩個壓電致動器經組配為壓電位置感測器且該等剩餘壓電致動器各自關於該衝程結構之一重心對稱地配置的一方式關於該MEMS揚聲器之該重心對稱地配置。
該MEMS揚聲器包含兩個相互絕緣之壓電層的至少一堆疊係有利的，該等兩個層中之一者形成該等至少一壓電感測器，且該等兩個層中之另一者形成該等至少兩個壓電致動器中之一者。
此外，該等兩個相互絕緣之壓電層包含不同材料係有利的。
有利地，該壓電位置感測器及該等至少兩個壓電 致動器中之一個壓電致動器係藉由一共同壓電層形成。
此外，該MEMS揚聲器包含經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號的至少一壓阻性或一個電容性位置感測器係有利的。
該衝程結構包含多個衝程主體及/或該等多個衝程主體中之至少兩個衝程主體經由一延伸衝程主體彼此連接亦係有利的。
該MEMS揚聲器包含一空腔係有利的。該空腔較佳至少部分藉由該MEMS揚聲器之一載體基體組配，詳言之，該載體基體具有一框架之形狀。此外，該空腔較佳配置於該振動膜的面向該等致動器及/或該衝程結構之彼側面上。
該載體基體及該衝程結構由相同材料及/或相同基體形成係有利的。
較佳地，該衝程結構直接地連接至該振動膜。此外，該衝程結構間接地連接至該等至少一致動器係有利的。該衝程結構與該致動器之間的該間接連接較佳借助於該可撓性及/或彈性連接元件組配。
該等致動器在該衝程方向或z方向上與該振動膜隔開係有利的。
此外，該等致動器及該振動膜在其中間位置中以一相互平行方式對準係有利的。
其他實施例係關於一種用於藉由一振動膜產生聲訊波長頻譜內之聲波的MEMS揚聲器。該振動膜較佳在 其邊緣區中及/或在z方向上附接至一基體框架，使得其能夠振盪。該基體框架較佳由矽組成。此外，該MEMS揚聲器較佳包括一空腔。又，該MEMS揚聲器包括耦接至該振動膜之一衝程結構。該衝程結構因此(詳言之)在該振動膜的面向該空腔之一側面上以一較佳直接且固定之方式附接至該振動膜。較佳地，該衝程結構稍後僅在該振動膜之一子區中以二維方式連接至該振動膜。該MEMS揚聲器包括至少一壓電致動器，借助於該等至少一壓電致動器，可引起該衝程結構之一衝程移動以用於使該振動膜偏位。因此，該致動器直接地或(詳言之)經由至少一彈性或可撓性連接元件間接地連接至該衝程結構。此外，該致動器間接地耦接至該振動膜，即，經由該衝程結構。該MEMS揚聲器之該空腔配置於該振動膜之該衝程結構側面上。較佳地，該空腔至少部分藉由該基體框架之一中空空間組配。此外，該振動膜較佳跨越該基體框架之兩個開口中之一者延伸。
該MEMS揚聲器包含經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號的至少一位置感測器。因此，該振動膜之位置或偏位可直接地及/或借助於該位置感測器間接地(亦即，詳言之，經由該衝程結構位置間接地)偵測。
該位置感測器及/或該致動器較佳在該z方向上背對該振動膜而配置於該中空空間內部及/或該中空空間之第二開口處。該衝程結構較佳自該振動膜開始而在該z方向上延伸，至少遠至該致動器及/或該位置感測器。
本發明之實施例提供一種MEMS揚聲器，其包含：至少兩個壓電致動器，其經由多個相互隔開之連接元件連接至衝程結構的多個相互隔開之接觸點，該等至少兩個壓電致動器經組配以引起該衝程結構之一衝程移動以便使該振動膜偏位。該等連接元件較佳經組配為可撓性的。因此，其可按一可逆方式變形。
該致動器可借助於一控制構件依據該感測器信號以一調節方式操作係有利的，該控制構件係出於此目的而提供。為此，經由該致動器使該振動膜偏位及/或借助於該位置感測器偵測該振動膜之位置或其在該z方向上之偏位。藉由該位置感測器偵測之電子輸入信號經傳送至該控制構件。基於此輸入信號，該控制構件判定該振動膜之實際位置或實際偏位。為此，詳言之，考慮較佳將(詳言之)橫桿形位置感測器之一自由末端連接至該衝程結構的一連接元件之彈性振盪特性。依據該振動膜之此偵測到之實際位置，該控制構件判定該振動膜之一所要目標位置及/或取決於其之一電子輸出信號。該輸出信號經傳送至該致動器，該致動器因此使該振動膜偏位。在偏位移動期間及/或在該偏位移動結束時，根據以上描述，再次經由該位置感測器偵測該振動膜之該實際位置，且可能再次及/或反覆地重新調整或調整該實際位置。
在本發明之另一有利發展中，該MEMS揚聲器包含至少一壓電及/或電容性位置感測器。
該位置感測器整合於該致動器中係有利的。因此， 該致動器及該位置感測器形成一單元，或一致動器/感測器元件。因此，可經由該位置感測器直接地偵測該致動器之該偏位。
此外，該整合位置感測器之感測器電極經組配為二維(扁平)或叉指式電極及/或與致動器電極電絕緣係有利的。
就此而言，該壓電位置感測器及該壓電致動器藉由一共同壓電層組配係有利的。
此外，該共同壓電層包含形成該位置感測器之一感測器區域及形成該致動器之一致動器區域係有利的，該致動器區域與該感測器區域電絕緣，詳言之，相比於該致動器區域，該感測器區域較佳佔用一較小表面面積。
替代地，該壓電位置感測器及該壓電致動器分別藉由一單獨壓電層組配亦係有利的。就此而言，該致動器因此較佳包含至少兩個相互絕緣之壓電層的一堆疊，其中之一個層的至少部分形成該等至少一壓電位置感測器，且另一層之至少部分形成該等至少一壓電致動器。
此外，該堆疊在衝程軸線之方向上定向使得該等壓電層配置成一者在另一者上方係有利的。替代地，該堆疊橫向於該衝程軸線而定向使得該等壓電層配置成鄰近於彼此係有利的。
此外，該等兩個相互絕緣之壓電層包含不同材料係有利的，較佳地，形成該致動器之該層由PZT組成，且形成該位置感測器之該層由AlN組成。
作為整合解決方案之替代例，該位置感測器及該等至少一致動器彼此分離亦係有利的。該位置感測器及該相關聯致動器因此藉由兩個相互分離之組件或個別組件及/或壓電元件(詳言之，彎曲橫桿)組配。
又，該MEMS揚聲器包含若干致動器係有利的，該等致動器中之至少一者可用作一位置感測器。相比於該致動器，該位置感測器因此包含基本上相同的實體特徵。作為一實體辨別特徵，其較佳僅以相互鏡面對稱之方式組配。用作一致動器之該致動器及用作一位置感測器之該位置感測器因此僅藉由一功能特徵而彼此不同，此係因為該致動器可藉由施加一電壓而主動地偏位，且相比之下，該位置感測器藉由被動偏位而能夠產生一電壓。此處，經由直接壓電效應產生之電壓可較佳經由一致動器電極分接及/或藉由出於此目的而提供之控制構件來評估，該電壓大致與該衝程結構之偏位成比例。
類似地，以下情形係有利的：若干致動器及/或位置感測器成對地配置成彼此對置，該MEMS揚聲器較佳包含關於該衝程結構之重心對稱地配置的至少四個壓電致動器，及/或該等至少四個壓電致動器中之兩者經組配為壓電位置感測器。
該等至少一致動器及/或位置感測器經由至少一，詳言之可撓性，連接元件連接至該衝程結構係有利的。因此，該致動器及/或該位置感測器經由該等至少一介入之連接元件及經由該介入之衝程結構間接地連接至該振動膜。
類似地，該MEMS揚聲器較佳包含至少兩個壓電致動器係有利的，該等至少兩個壓電致動器經由多個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點。
此外，以下情形係有利的：該振動膜在該衝程結構之一前端處以一直接方式連接至該衝程結構，及/或該等壓電致動器及/或位置感測器在該衝程結構之至少一側面上(詳言之，在兩個對置側面上)經由該等連接元件以一間接方式連接至該衝程結構。
詳言之，在該MEMS揚聲器之橫向方向上相互隔開的該等多個連接元件連接至該等至少兩個壓電致動器及/或位置感測器的多個相互隔開之接觸點係有利的。
又，該等至少兩個壓電致動器及/或位置感測器中之每一者經由至少兩個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的至少兩個相互隔開之接觸點係有利的。
該衝程結構經由沿彼此至少部分隔開之至少兩個直線或曲線配置有該振動膜的多個區耦接至該振動膜係有利的。
又，該衝程結構垂直於該衝程移動之一方向而橫跨對應於該振動膜之一表面面積的至少30%的一表面面積係有利的。
該衝程結構經由以分散方式配置之多個區耦接至該振動膜係有利的。
類似地，該衝程結構在垂直於該衝程移動之一方 向而延行的一截平面內包含一I形結構、一L形結構、一H形結構、一X形結構、一O形結構或一十字形結構係有利的。
安置於該衝程結構之力量至該振動膜之施加的點中之一者與一振動膜懸架之一最近位置點之間的一桿臂至多為該等至少兩個壓電致動器之一桿臂之大小的一半係有利的。
此外，該衝程結構的垂直於該衝程結構之該衝程移動之一方向(z方向)的一橫截面積小於該等至少兩個壓電致動器之壓電有效致動器面積及/或位置感測器的總和係有利的。
該衝程結構包含多個相互連接之橫桿係有利的，其中之每一者在一前端處至少部分連接至該振動膜。
類似地，該致動器及/或該位置感測器經組配為一彎曲橫桿係有利的。又，該等至少兩個壓電致動器及/或位置感測器經組配為彎曲橫桿係有利的。
又，該衝程結構為對稱的及/或該等至少兩個壓電致動器及/或位置感測器關於該衝程結構之一重心對稱地配置係有利的。
該衝程結構的該等多個相互隔開之接觸點關於該衝程結構之該重心對稱地配置係有利的。
又，以下情形係有利的：該等至少兩個壓電致動器及/或位置感測器配置於一第一平面內處於一閒置位置中，該振動膜配置於在該衝程方向上與該第一平面隔開之 一第二平面中，及/或該衝程結構自該振動膜開始而在該衝程方向上，在該第二平面之方向上延伸，詳言之，遠至或超出該第二平面。
該等連接元件中之至少一者包含一彈簧元件及/或如此經組配係有利的。又，該彈簧元件(詳言之，每一彈簧元件)包括至少一撓曲彈簧元件及/或至少一扭轉彈簧元件係有利的。
又，以下情形係有利的：在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等壓電致動器及/或位置感測器沿其縱向軸線分別包含一固定夾持之第一末端及一可移動之第二末端，及/或該撓曲彈簧元件在該壓電致動器及/或位置感測器之縱向方向上延伸，及/或該扭轉彈簧元件在該壓電致動器及/或位置感測器之橫向方向上延伸。有利地，該撓曲彈簧元件經組配以使得其可關於其橫向軸線而彎曲。有利地，該扭轉彈簧元件經組配以使得其可關於其縱向軸線而彎曲。
在該MEMS揚聲器之一俯視圖中，一連接元件之該撓曲彈簧元件及該扭轉彈簧元件相對於彼此旋轉90°係有利的。
類似地，該振動膜平行於該MEMS揚聲器之一第一表面及一第二表面而延伸係有利的，該振動膜經組配以在該MEMS揚聲器按預期被使用時以一流體及/或氣體形方式使該MEMS揚聲器之該第一表面及該第二表面彼此分離。
該振動膜包含一剛性區及一可撓性區係有利的， 該衝程結構耦接至該振動膜之該剛性區，詳言之，該振動膜之該剛性區較佳由一延伸衝程結構形成。
類似地，該衝程結構包含矽及/或與基體框架由相同基體產生係有利的。
又，以下情形係有利的：該衝程結構包含至少三個部分，該等至少三個部分經配置以形成一H形衝程結構，使得該衝程結構在垂直於該衝程結構之該衝程移動之該方向而延行的該截平面內為H形。
以下情形係有利的：該等至少兩個壓電致動器中之一第一壓電致動器沿該衝程結構之三個部分中之一第一部分配置於該H形衝程結構外部，且該等至少兩個壓電致動器中之一第二壓電致動器沿該衝程結構之該等三個部分中之一第二部分配置於該H形衝程結構外部，該衝程結構之該第一部分及該第二部分彼此平行地延伸。
該等至少兩個壓電致動器中之一第三壓電致動器沿該衝程結構之該等三個部分中之一第三部分的一第一側面至少部分配置於該H形衝程結構內部係有利的。又，該等至少兩個壓電致動器中之一第四壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的定位成與該第一側面對置之一第二側面至少部分配置於該H形衝程結構內部係有利的，該第三部分垂直於該第一部分及該第二部分而延伸。
又，以下情形係有利的：該第一壓電致動器至少在該衝程結構之整個第一部分上方延伸且經由該等相互隔開之連接元件中之至少兩者連接至該衝程結構之該第一部 分的該等相互隔開之接觸點中之至少兩者，該第二壓電致動器至少在該衝程結構之整個第二部分上方延伸且經由該等相互隔開之連接元件中之至少兩者連接至該衝程結構之該第二部分的該等相互隔開之接觸點中之至少兩者。
又，以下情形係有利的：該第一壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第五壓電致動器沿該衝程結構之該第一部分配置於該衝程結構外部，該第二壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第六壓電致動器沿該衝程結構之該第二部分配置於該衝程結構外部。
以下情形係有利的：該第一壓電致動器及該第五壓電致動器各自經由該等相互隔開之連接元件中之至少一者連接至該衝程結構之該第一部分的該等相互隔開之接觸點中之至少一者，該第二壓電致動器及該第六壓電致動器各自經由該等相互隔開之連接元件中之至少一者連接至該衝程結構之該第二部分的該等相互隔開之接觸點中之至少一者。
又，以下情形係有利的：該第一部分再分成一第一區段及一第二區段，該第一壓電致動器沿該第一部分之該第一區段配置且經由該各別連接元件連接至該第一部分之該第一區段，該第五壓電致動器沿該第一部分之該第二區段配置且經由該各別連接元件連接至該第一部分之該第二區段；且其中該第二部分再分成一第一區段及一第二區段，該第二壓電致動器沿該第二部分之該第一區段配置且經由該各別連接元件連接至該第二部分之該第一區段，該 第六壓電致動器沿該第二部分之該第二區段配置且經由該各別連接元件連接至該第二部分之該第二區段。
以下情形係有利的：該第三壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第七壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的該第一側面至少部分配置於該衝程結構內部，該第四壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第八壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的該第二側面至少部分配置於該衝程結構內部。
類似地，以下情形係有利的：該第三部分再分成一第一區段及一第二區段，該第三壓電致動器沿該第三部分之該第一區段的一第一側面配置，該第四壓電致動器沿該第三部分之該第一區段的定位成與該第一側面對置之一第二側面配置，該第七壓電致動器沿該第三部分之該第二區段的一第一側面配置，該第八壓電致動器沿該第三部分之該第二區段的定位成與該第一側面對置之一第二側面配置。
該衝程結構包含若干衝程主體及/或至少兩個衝程主體經由一延伸衝程主體彼此連接係有利的。
進一步提議一種用於以調節方式操作一MEMS揚聲器的調節單元。該調節單元包括根據以上描述之一MEMS揚聲器，所提及特徵有可能個別地或以任何組合存在。此外，該調節單元包括經組配以控制該MEMS揚聲器之一壓電致動器的一控制構件。該MEMS揚聲器包含經組配以取決於該MEMS揚聲器之一振動膜的偏位而向該控制 構件提供一感測器信號的至少一壓電位置感測器，且該控制構件經組配以基於該感測器信號而以一調節方式控制該MEMS揚聲器之該等至少一壓電致動器。
當該衝程結構在操作期間之該實際位置可借助於該位置感測器連續地判定且可借助於該控制構件藉由控制該等至少一壓電致動器來調節時係有利的。
該衝程結構包含若干接觸點係有利的。此等接觸點相互隔開，詳言之，在該致動器之橫向及/或縱向方向上隔開。該等接觸點中之每一者具有附接至其之一個連接元件，其將在每一狀況下相關聯之致動器可撓性地或彈性地連接至該衝程結構。
以下情形係有利的：該MEMS揚聲器包含一衝程主體及至少兩個壓電致動器，其用於激勵一振動膜，該等至少兩個致動器經由多個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點。歸因於該MEMS揚聲器包含經由多個連接元件連接至該衝程結構之至少兩個壓電致動器的事實，有可能經由該衝程結構同時將大幅度力量及偏位傳輸至該振動膜。歸因於該等多個連接元件以及因此之該等多個連接點相互隔開的事實，可確保或保證該衝程結構以一可再現且一致之方式執行該衝程移動且不偏離(例如)該衝程移動之一所要方向，如在(例如)傾斜模式發生時將發生偏離狀況。
該等壓電致動器經由多個相互隔開且可撓之連接元件連接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點係有利 的。
與該等兩個致動器中之一者相關聯的該等連接元件在該致動器及/或該MEMS聲音換能器之橫向方向上相互隔開係有利的。
以下情形係有利的：該振動膜在該衝程結構之一前端處以一直接方式連接至該衝程結構，及/或該等壓電致動器在該衝程結構之至少一側面上(詳言之，在兩個對置側面上)以一間接方式(即，經由該等連接元件)連接至該衝程結構。在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該衝程結構之該前端因此在z方向上，亦即，在衝程方向(提昇方向)上定向。相比之下，該衝程結構之該等側面在橫向方向上，亦即，垂直於該衝程軸線(提昇軸線)而對準。
在本發明之另一有利發展中，若干相互隔開之連接元件連接至該等至少兩個壓電致動器的若干相互隔開之接觸點。
此外，該等至少兩個壓電致動器中之每一者經由至少兩個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的至少兩個相互隔開之接觸點係有利的。
此外，該衝程結構經由多個區(亦即，在若干區中)耦接至該振動膜係有利的。該等區較佳沿彼此至少部分隔開之至少兩個直線或曲線配置有該振動膜。
該衝程結構經由以一分散及/或相互隔開之方式配置的多個區耦接至該振動膜係有利的。
類似地，該衝程結構包含多個相互連接之橫桿係 有利的，該等橫桿中之每一者在一前端處至少部分耦接至該振動膜。因此，該衝程結構包括若干橫桿形部分。在一俯視圖中，該等橫桿形部分較佳以相互垂直之方式配置。此外，該衝程結構較佳經組配成一個片件。
該等至少兩個壓電致動器實施為彎曲橫桿(懸臂)係有利的。因此，其較佳以一直線方式實施。
以下情形係有利的：該等至少一致動器及/或位置感測器包含：一固定末端，其直接地連接至(詳言之)載體基體；以及一可移動末端，其較佳間接地連接至該衝程結構，即，經由至少一可撓性或彈性連接元件。
該致動器具有大於長度之一寬度係有利的。
此外，以下情形係有利的：在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等至少兩個壓電致動器配置於一第一平面內處於一閒置位置或零位置中，該振動膜配置於在該衝程方向上與該第一平面隔開之一第二平面中，及/或該衝程結構自該振動膜開始而在該衝程方向上，在該第二平面之方向上延伸，詳言之，遠至或超出該第二平面。
該等連接元件中之至少一者至少部分包含或實施為一彈簧元件係有利的。該連接元件可因此以一可撓性或彈性方式變形。結果，相比於最大致動器衝程，該振動膜之最大衝程可增加，此係因為該振動膜可歸因於該彈簧元件而可撓性地振盪超出該致動器衝程。
為了能夠避免該振動膜之傾斜，該彈簧元件(詳言之，每一彈簧元件)包括至少一撓曲彈簧元件、至少一扭 轉彈簧元件及/或至少一撓曲彈簧元件與至少一扭轉彈簧元件之一組合，或以此方式實施係有利的。
在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等壓電致動器沿其縱向軸線分別包含一固定夾持之第一末端及一可移動之第二末端係有利的。
此外，該撓曲彈簧元件在該壓電致動器之縱向方向上延伸及/或該扭轉彈簧元件在該壓電致動器之橫向方向上延伸係有利的。
又，該撓曲彈簧元件直接連接至該致動器及/或與該致動器形成為一個片件係有利的。此外，該扭轉彈簧元件在力量之通量方向上配置於該撓曲彈簧元件與該衝程結構之間係有利的。
該振動膜包含一剛性區及一可撓性區係有利的。較佳地，該衝程結構耦接至該振動膜之該剛性區，詳言之，該振動膜之該剛性區係藉由一延伸衝程結構形成。
在本發明之另一有利發展中，該MEMS揚聲器包含至少一壓電位置感測器。該等至少一壓電位置感測器較佳經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號。
此外，該等壓電致動器中之至少一者經組配為一壓電位置感測器係有利的。
類似地，該MEMS揚聲器包含至少四個壓電致動器係有利的，該等至少四個壓電致動器中之兩者經組配為壓電位置感測器。此外，該等至少四個壓電致動器較佳以 使得該等兩個壓電致動器經組配為壓電位置感測器且該等剩餘壓電致動器各自關於該衝程結構之重心對稱地配置的方式關於該MEMS揚聲器之重心對稱地配置。
該MEMS揚聲器包含兩個相互絕緣之壓電層的至少一堆疊係有利的，該等兩個層中之一者形成該等至少一壓電感測器，且該等兩個層中之另一者形成該等至少兩個壓電致動器中之一者。
此外，該等兩個相互絕緣之壓電層包含不同材料係有利的。
有利地，該壓電位置感測器及該等至少兩個壓電致動器中之一個壓電致動器係藉由一共同壓電層形成。
此外，該MEMS揚聲器包含經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號的至少一壓阻性或一個電容性位置感測器係有利的。
該衝程結構包含多個衝程主體及/或該等多個衝程主體中之至少兩個衝程主體經由一延伸衝程主體彼此連接係有利的。
該MEMS揚聲器包含一空腔係有利的。該空腔較佳至少部分藉由該MEMS揚聲器之一載體基體組配，詳言之，該載體基體具有一框架之形狀。此外，該空腔較佳配置於該振動膜的面向該等致動器及/或該衝程結構之彼側面上。
該載體基體及該衝程結構由相同材料及/或相同基體形成係有利的。
較佳地，該衝程結構直接連接至該振動膜。此外，該衝程結構間接地連接至該等至少一致動器係有利的。該衝程結構與該致動器之間的該間接連接較佳借助於該可撓性及/或彈性連接元件組配。
該等致動器在該衝程方向或z方向上與該振動膜隔開係有利的。
此外，該等致動器及該振動膜在其中間位置中以一相互平行方式對準係有利的。
100‧‧‧微機電系統(MEMS)
102‧‧‧振動膜
104‧‧‧衝程結構/衝程主體/框架
104a‧‧‧第一部分/橫桿元件/垂 直衝程主體橫桿
104b‧‧‧第二部分/橫桿元件/垂直衝程主體橫桿
104a_1、104b_1、104c_1‧‧‧第 一區段
104a_2、104b_2、104c_2‧‧‧第二區段
104c‧‧‧第三部分/對角元件/垂直衝程主體橫桿
104d‧‧‧額外支柱(或橫桿)/橫桿元件/第四部分/對角元件
104d_1‧‧‧第一區段/垂直懸臂
104d_2‧‧‧第二區段/垂直懸臂
104e、104f‧‧‧對角元件
106_1‧‧‧第一壓電致動器/致動器元件
106_2‧‧‧第二壓電致動器/致動器元件
106_3‧‧‧第三壓電致動器/致動器元件
106_4‧‧‧第四壓電致動器/致動器元件
106_5‧‧‧第五壓電致動器/致動器元件
106_6‧‧‧第六壓電致動器/致動器元件
106_7‧‧‧第七壓電致動器/致動 器元件
106_8‧‧‧第八壓電致動器/致動器元件
106_n‧‧‧壓電致動器/致動器元件
108_1‧‧‧第一連接元件
108_2‧‧‧第二連接元件
108_3‧‧‧第三連接元件
108_4‧‧‧第四連接元件
108_5‧‧‧第五連接元件
108_6‧‧‧第六連接元件
108_7、108_8、108_9、108_10、108_11、108_12、108_16、108_m‧‧‧連接元件
108B‧‧‧撓曲彈簧元件
108T‧‧‧扭轉彈簧元件
110_1、112_1‧‧‧第一接觸點
110_2、112_2‧‧‧第二接觸點
110_3、112_3‧‧‧第三接觸點
110_4、112_4‧‧‧第四接觸點
110_m、112_m‧‧‧接觸點
112_5‧‧‧第五接觸點
112_6‧‧‧第六接觸點
114‧‧‧箭頭/方向
118‧‧‧夾具/外部區/振動膜懸架/剛性框架
120‧‧‧重心
122、220‧‧‧第一表面
124‧‧‧第二表面
130‧‧‧作用區域
133、212‧‧‧壓電功能層
133a、133b‧‧‧壓電層
135‧‧‧被動層
137‧‧‧薄導電分離層
140‧‧‧感測器區域/壓電感測器/壓電位置感測器
141‧‧‧感測器信號
142‧‧‧致動器區域
150‧‧‧延伸衝程主體/薄板/剛性區
152‧‧‧可撓性區
160‧‧‧隔片
180‧‧‧孔
182‧‧‧局部加寬區
202‧‧‧SOI晶圓/控制構件
204‧‧‧Si基體/控制信號
206‧‧‧SiO2層
208‧‧‧Si功能層
210‧‧‧絕緣層
214、216‧‧‧金屬電極
將參看隨附圖式較詳細地解釋本發明之實施例，其中：圖1a展示根據本發明之實施例的MEMS之示意性橫截面圖；圖1b展示根據本發明之實施例的展示於圖1a中之MEMS之示意性俯視圖；圖2a展示根據本發明之實施例的在啟動狀態下之MEMS之示意性橫截面圖；圖2b展示根據本發明之實施例的在閒置狀態下之MEMS之示意性橫截面圖；圖3a至圖3d展示MEMS之壓電致動器的四個不同實施例之示意性橫截面圖；圖4a至圖4f展示MEMS之衝程結構的六個不同實施例之示意性俯視圖；圖5a至圖5h展示壓電致動器相對於MEMS之衝程結構 的配置之八個不同實施例之示意性俯視圖；圖6a至圖6f展示MEMS之連接元件的六個不同實施例之示意性俯視圖；圖7a、圖7b展示具有整合之位置感測器的壓電致動器之兩個實施例之示意性俯視圖；圖8展示根據本發明之實施例的MEMS之示意性橫截面圖；圖9a展示根據本發明之實施例的具有一振動膜與一延伸衝程主體之MEMS之示意性橫截面圖；圖9b展示根據本發明之實施例的展示於圖9a中且具有振動膜及延伸衝程主體之MEMS之示意性俯視圖；圖10a展示根據本發明之實施例的具有可撓性振動膜之MEMS之示意性橫截面圖；圖10b展示根據本發明之實施例的展示於圖10a中且具有可撓性振動膜之MEMS之示意性俯視圖；圖11a展示根據本發明之實施例的具有可撓性振動膜之MEMS之示意性橫截面圖；圖11b展示根據本發明之實施例的展示於圖11a中且具有可撓性振動膜之MEMS之示意性俯視圖；圖12a展示根據本發明之實施例的MEMS之CAD模型之俯視圖；圖12b展示根據本發明之實施例的展示於圖12a中之MEMS的FEM模擬之透視圖；圖13a展示根據本發明之實施例的MEMS之CAD模型之 俯視圖；圖13b展示根據本發明之實施例的展示於圖13a中之MEMS的FEM模擬之透視圖；圖14a展示根據本發明之實施例的MEMS之CAD模型之俯視圖；圖14b展示根據本發明之實施例的展示於圖14a中之MEMS的FEM模擬之透視圖；圖15a展示根據本發明之實施例的MEMS之CAD模型之俯視圖；圖15b展示根據本發明之實施例的展示於圖15a中之MEMS的FEM模擬之透視圖；圖16a展示根據本發明之實施例的MEMS之CAD模型之俯視圖；圖16b展示根據本發明之實施例的展示於圖16a中之MEMS的FEM模擬之透視圖；圖17a至圖17c展示遵循產生MEMS之方法之各種製程步驟的MEMS之示意性橫截面；以及圖18展示根據實施例的包含MEMS及用於控制MEMS之至少兩個壓電致動器之控制構件的系統之示意圖。
較佳實施例之詳細說明
在本發明之實施例的以下描述中，相同或具有相同功能之元件在諸圖中將具備相同參考數字，使得其在各種實施例中之描述為可互換的。
圖1a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之示意性橫截面圖，而圖1b展示圖1a中所展示之MEMS 100之示意性俯視圖。MEMS 100包含：振動膜102；衝程結構104，其耦接至振動膜102；以及至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)，其經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)耦接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)經組配以引起衝程結構104之(單向或雙向)衝程移動以便使振動膜102偏位。
在諸實施例中，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)可配置於平面內處於閒置位置中，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)有可能經組配以引起衝程結構104之衝程移動，使得衝程移動之方向垂直於壓電致動器106_1至106_n(n=2)之平面。在圖1a中，藉由實例，衝程移動之方向用箭頭114指示。
舉例而言，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)可實施為彎曲橫桿。此外，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)可夾持於夾具118(例如，半導體基體，諸如矽半導體基體)內。
藉由實例，展示於圖1a及圖1b中之MEMS 100包含兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)。然而，本發明不限於此等實施例。確切而言，MEMS 100可包含多達n個壓電致動器106_1至106_n，n為大於2之自然數，n2。
在諸實施例中，至少兩個壓電致動器106_1至 106_n(n=2)可經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)連接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)。
藉由實例，如在圖1b中可見，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)中之每一者可經由至少兩個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)連接至衝程結構104的至少兩個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)。
舉例而言，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)中之第一壓電致動器106_1可經由多個連接元件110_1至110_m(m=4)中之第一連接元件110_1連接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)中的第一接觸點110_1，且可經由多個連接元件108_1至108_m(m=4)中之第二連接元件108_2連接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)中的第二接觸點110_2。
類似地，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)中之第二壓電致動器106_2可經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)中之第三連接元件108_3連接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)中的第三接觸點，且可經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)中之第四連接元件108_4連接至衝程結構104的多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)中之第四接觸點110_4。
在諸實施例中，衝程結構的多個相互隔開之接觸 點110_1至110_4之間的距離可最大化，藉以多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)之間的距離亦得以最大化。
舉例而言，為此，第一接觸點110_1可配置於衝程結構104之第一外部區中，而第二接觸點110_2可配置於衝程結構的定位成與第一外部區對置之第二外部區中。類似地，第三接觸點110_3可配置於衝程結構104之第一外部區中，而第四接觸點110_4可配置於衝程結構104之第二外部區中。
如在圖1b中可見，多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)可連接至該等至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)。衝程結構的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m之間的距離亦可最大化，如在圖1b中可見。
舉例而言，第一壓電致動器106_1的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中之第一接觸點112_1可配置於第一壓電致動器106_1之第一外部區中，而多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中之第二接觸點112_2可配置於第一壓電致動器106_1的定位成與第一外部區對置之第二外部區中。第二壓電致動器106_2的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中之第三接觸點112_3可配置於第二壓電致動器106_2之第一外部區中，而多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中之第四接觸點112_4可配置於第二壓電致動器106_2的定位成與第一外部區對置 之第二外部區中。
藉由實例，展示於圖1a及圖1b中之MEMS 100包含連接至衝程結構104的四個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)的四個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4)。然而，本發明並不限於此等實施例。確切而言，MEMS 100可包含連接至衝程結構104的多達m個相互隔開之接觸點110_1至110_m的多達m個相互隔開之連接元件108_1至108_m，m為大於4之自然數，m4。然而，此並不導致至少兩個壓電致動器106_1至106_n中之每一者必須經由至少兩個連接元件連接至衝程結構104。舉例而言，MEMS 100亦可包含四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之每一者在每一狀況下經由一個(單一)連接元件連接至衝程結構104。
如在圖1a及圖1b中可見，衝程結構104可對稱，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)有可能關於衝程結構104之重心120對稱地配置。多個相互隔開之接觸點110_1至110_m(m=4)亦可關於衝程結構104之重心120對稱地配置。類似地，至少兩個壓電致動器106_1至106_n(n=2)的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)可關於衝程結構104之重心120對稱地配置。
如已提及，在諸實施例中，振動膜102耦接至衝程結構104。振動膜102可進一步夾持於外部區118內，例如，在半導體基體(諸如，矽半導體結構)中。振動膜102可平行於MEMS 100之第一表面122及/或第二表面124而延伸，振 動膜102有可能經組配以在MEMS 100按預期被使用時使MEMS 100之第一表面122及第二表面124彼此分離，詳言之，以流體及/或氣體形方式分離。
至少兩個壓電致動器106_1及106_n(n=2)配置於閒置位置中所在的平面可平行於MEMS 100之第一表面122及/或第二表面124而延伸。
在下文中，將參看圖2至圖16更詳細地解釋MEMS 100之實施例。然而，以下描述亦適用於圖1a及圖1b中所展示之MEMS 100。類似地，關於圖1a及圖1b中所展示之MEMS 100而描述的特徵適用於以下實施例。
以下實施例描述用於大衝程及力量之微致動器之概念及架構，該微致動器展現高等級效率且可借助於矽微系統技術之方法來產生。舉例而言，致動器可用於揚聲器。基於晶片之揚聲器優於習知揚聲器的決定性優點為產生複雜且高度精確之幾何結構且因此實現新聲音產生概念的可能性。另外，可藉由整合位置感測系統來以調節方式操作MEMS致動器。
為實現大幅度力量及衝程，諸實施例提供基於有效配置之致動器元件的MEMS 100，該等致動器元件經由合適連接元件(參見圖6a至圖6f)連接至衝程主體104，該衝程主體被假設為剛性的且可經組配為框架結構(參見圖2a及圖2b)。可同時控制致動器元件106_1至106_n，使得框架104平行地(平行於衝程移動之方向，該方向垂直於致動器元件106_1至106_n之平面)移出平面，亦即，若可能，則無任何 傾斜。
圖2a展示在啟動狀態下之MEMS 100之示意性橫截面圖，而圖1b展示在閒置狀態下之展示於圖2a(致動器配置)中的MEMS 100之示意性橫截面圖。致動器106_1及106_n(n=2)為單側夾持式彎曲橫桿(其可(例如)在外部區中夾持於夾具118內，例如，諸如矽框架之框架)，且根據圖3a至3d，其包含至少兩個層，其中之至少一者係壓電性的。圖3a至圖3d展示可能致動器元件之示意性橫截面。詳細而言，在圖3a中，壓電功能層133(及被動層135)為單晶的；在圖3b中，兩個壓電層133a及133b(及介入之被動層135)為對稱且雙晶的；在圖3c中，兩個壓電層133a與133b之間的薄導電分離層137為對稱雙晶的；且在圖3d中，借助於分離層137分離之兩個壓電層133a及133b(在被動層135上)為不對稱雙晶的。
出於接觸目的，壓電層可具備對應電極，該等電極可經組配為二維或叉指式電極或經組配為二維電極與叉指式電極之組合。除壓電性作用層外，致動器元件亦可包含一或多個被動或壓電性非作用功能層。
藉由施加電壓，壓電材料變形且引起個別致動器元件106_1至106_n之彎曲，經由該彎曲，衝程主體或衝程結構104在向上或向下方向上移出平面。雖然僅可實現大幅度偏位，但原理上，經由儘可能長且薄層化之致動器，用於大幅度力量之致動器傾向於需要短長度。短長度係歸因於長致動器包含過低等級之彈簧剛性以產生高幅度力量之 事實。為克服此等衝突的要求，所提議之設計概念係基於若干致動器106_1至106_n，其歸因於其長度而達成大幅度偏位，但歸因於其數目而總計能夠同樣提供大幅度力量。因此，衝程主體104之可能衝程可主要經由致動器106_1至106_n之長度界定，而可達成的力量可經由致動器106_1至106_n之寬度及數目而按比例調整。
圖4a至圖4f展示MEMS 100之衝程結構104的六個不同實施例之示意性俯視圖。
圖4a展示衝程結構104，其在垂直於衝程結構104之衝程移動之方向而延伸的平面內為H形。舉例而言，衝程結構104可包含至少三個部分104a至104c，其以H形狀配置使得衝程結構104在垂直於衝程結構之衝程移動方向而延伸的截平面內為H形。三個部分104a至104c可形成(鄰接)衝程主體，如在圖4a中可見。
衝程結構104或換言之，部分104a至104c可橫跨對應於振動膜102之表面面積的至少30%(或80%、70%、60%、50%或40%)的表面面積。
衝程結構104可經組配以使得衝程結構104至少借助於第一部分104a及第二部分104b(且視情況借助於第三部分104c)耦接至振動膜。第一部分104a及第二部分104b之前端因此形成以分散方式配置之多個區，借助於該等區，衝程結構104耦接至振動膜102。
當然，衝程結構104亦可經組配以使得衝程結構104經由以分散方式配置之多個區耦接至振動膜102(以點 形方式)。舉例而言，以分散方式配置之多個區可為第一部分104a及第二部分104b(及視情況，第三部分104c)之區。
此外，在每一狀況下，至少第一部分104a及第二部分104b(及視情況，第三部分104c)亦有可能經由隔片耦接至振動膜，該隔片之橫截面積可小於或大於各別部分104a及104b。在此狀況下，該等隔片形成以分散方式配置之多個區，借助於該等多個區，衝程結構104耦接至振動膜102。
以分散方式配置之多個區(例如，部分104a及104b之前端或點形區)可沿直線配置，衝程結構104沿該等直線耦接至振動膜102。在圖4a中，此等兩條直線(藉由部分104a及104b界定)配置成彼此平行。然而，此等兩條直線在至少一點處相交(亦即，彼此僅部分地隔開)當然亦為可行的，該相交可(例如)藉由V或L形結構或藉由若干結構(亦即，I形及L形結構)之組合達成以形成H結構。
詳言之，由於該力量高度取決於致動器表面面積，因此展示於圖4a至圖4f中之設計展現經組配以占用儘可能小之面積同時具有足夠剛性的衝程主體104，該足夠剛性防止衝程主體之任何顯著變形。衝程主體104可經組配為側面開放之分支框架結構，使得致動器元件可配置於框架之橫桿之間或配置成緊鄰框架之橫桿，且可在彼處嚙合框架。因為表面面積減小，所以作用區域130(較佳為矩形區域，其接納致動器之可移動元件、衝程主體及連接元件)之大部分可用於致動器106_1至106_n。關於儘可能有效之致動器 配置，衝程主體104可另外經組配以使得致動器與衝程主體104之間的連接元件108_1至108_m包含相距衝程主體104之重心儘可能大的距離。以此方式，可在關於所要衝程模式(提昇模式)之頻率範圍內向上移位不當的傾斜模式，藉此可減少操作期間之寄生振盪。
圖4a至圖4f展示分支剛性衝程主體104之不同形狀的實例之示意性俯視圖。詳細而言，在圖4a中，衝程主體包含三個互連之橫桿元件104a至104c；在圖4b及圖4c中，衝程主體包含額外支柱(或橫桿)104d；在圖4d中，衝程主體包含局部加寬區域182；在圖4e中，衝程主體104包含圓形區域；且在圖4f中，衝程主體104包含對角元件104c至104f。
如在圖4a至圖4f中可見，藉由實例，衝程主體104可由剛性橫桿元件組成。
舉例而言，衝程主體104可包含以直接方式或經由第三橫桿元件104c彼此連接之至少兩個橫桿元件104a及104b(參見圖4a)。此外，衝程主體104可包含水平配置之額外橫桿元件104d(參見圖4b)，其可具有不同長度且可藉由支柱相互連接。此外，衝程主體104可包含垂直配置之額外橫桿元件104d(參見圖4c)，其長度可與其他水平元件相同或不同。此外，衝程主體104可包含局部加寬區域182或板(例如，用於提供總成表面或用於定位連接元件)(參見圖4d)。此外，衝程主體104可包含對角配置之橫桿元件，及/或圓形輪廓。衝程主體104可包含方形、矩形或梯形橫截剖面。 又，衝程主體可在作用區域130內具有中心對準。
展示於圖4a至圖4f中之衝程結構104各自包含(鄰接)衝程主體。然而，本發明並不限於此等實施例。確切而言，在諸實施例中，衝程結構104亦可包含兩個或兩個以上衝程主體。舉例而言，衝程主體可經由條帶或延伸衝程主體彼此耦接或連接(參看圖8)。
圖5a至圖5h展示壓電致動器106_1至106_n相對於MEMS之衝程結構104的配置之八個不同實施例之示意性俯視圖，在每一狀況下，振動膜102未展示於圖5a至圖5h中以免損害對衝程結構104及至少兩個壓電致動器106_1至106_n之檢視。
在展示於圖5a至圖5h中之實施例中，衝程結構104包含至少三個部分104a至104c，該等三個部分經配置以形成H形衝程結構104，使得衝程結構104在垂直於衝程結構104之衝程移動之方向114而延伸的截平面內具有H形狀(類似於圖4a)。
第一部分104a及第二部分104b配置成彼此平行，而第三部分104c配置成垂直於第一部分104a及第二部分104b以便形成H形衝程結構。
如在圖5a中可見，MEMS 100可包含兩個壓電致動器106_1及106_n(n=2)，該等兩個壓電致動器沿衝程結構104之第三部分104c至少部分配置於H形衝程結構104內部，且在每一狀況下，經由至少兩個相互隔開之連接元件108_1至108_m連接至衝程結構104。
詳細而言，在圖5a中，第一壓電致動器106_1經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4，視情況m=6)中之兩個連接元件108_1及108_2連接至衝程結構104，第二壓電致動器106_2經由多個相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=4，視情況m=6)中之兩個連接元件108_3及108_4連接至衝程結構104。
第一壓電致動器106_1的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中的第一接觸點112_1可配置於第一壓電致動器106_1之第一外部區中，使得第一連接元件108_1配置成鄰近於第一外部區，而多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中的第二接觸點112_2可配置於第一壓電致動器106_1的定位成與第一外部區對置之第二外部區中，使得第二連接元件108_2配置成鄰近於第二外部區。類似地，第二壓電致動器106_2的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中的第三接觸點112_3可配置於第二壓電致動器106_2之第一外部區中，使得第三連接元件108_1配置成鄰近於第一外部區，而多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=4)中的第四接觸點112_4可配置於第二壓電致動器106_2的定位成與第一外部區對置之第二外部區中，使得第四連接元件108_4配置成鄰近於第二外部區。此等連接元件在下文中將被稱作外部連接元件或位於外部之連接元件。
視情況，第一壓電致動器106_1可經由第五連接元件108_5進一步連接至衝程結構，第一壓電致動器106_1 的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=6)中的第五接觸點112_5有可能配置於中心區中，使得第五連接元件108_5配置成鄰近於中心區。類似地，第二壓電致動器106_2可經由第六連接元件108_6進一步連接至衝程結構104，第二壓電致動器106_2的多個相互隔開之接觸點112_1至112_m(m=6)中的第六接觸點112_6有可能配置於中心區中，使得第六連接元件108_6配置成鄰近於中心區。此等連接元件在下文中將被稱作中心連接元件或位於中心之連接元件。
圖5b展示包含至少部分配置於H形衝程結構104內部之四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)的MEMS 100之示意性俯視圖，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之兩個壓電致動器106_1及106_2沿第三部分104c之第一側面配置，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之另外兩個壓電致動器106_3及106_4沿第三部分104c的定位成與第一側面對置之第二側面配置。四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_1至108_4且視情況經由一個位於中心之連接元件108_5及108_6連接至衝程結構104之第三部分104c。
圖5c亦展示包含四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)之MEMS 100之示意性俯視圖，其中四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之兩個壓電致動器106_1及106_4在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_1至108_4(且視情況，經由另一位於中心之連接元件)連接至衝程結構 104之第一部分104a，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之另外兩個壓電致動器106_2及106_3在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_5至108_8(且視情況，經由另一位於中心之連接元件)連接至衝程結構104之第二部分104b。
圖5d展示包含八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)的MEMS 100之示意性俯視圖，該等壓電致動器至少部分配置於H形衝程結構104內部，使得八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之四個壓電致動器106_1至106_4在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_1至108_8連接至衝程結構104之第一部分104a，八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之另外兩個壓電致動器106_5至106_8在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_9至108_16連接至衝程結構104之第二部分104b。
圖5e展示包含配置於H形衝程結構104外部之兩個壓電致動器106_1及106_n(n=2)的MEMS 100之示意性俯視圖。此處，第一壓電致動器106_1沿衝程結構104之第一部分104a配置，第二壓電致動器106_2沿衝程結構104之第二部分104b配置。第一壓電致動器106_1經由兩個位於外部之連接元件108_1及108_4連接至衝程結構104之第一部分104a，而第二壓電致動器106_2經由兩個位於外部之連接元件108_2及108_3連接至衝程結構104之第二部分104b。視情況，在每一狀況下，第一壓電致動器106_1及第二壓電致動器106_2可在每一狀況下經由位於中心之連接元件108_5及 108_6連接至衝程結構104之各別部分104a及104b。
圖5f展示包含配置於H形衝程結構104外部之四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)的MEMS 100之示意性俯視圖。第一壓電致動器106_1及第四壓電致動器106_4沿衝程結構104之第一部分104a配置，且在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_1至108_4連接至第一部分104a。第二壓電致動器106_2及第三壓電致動器106_3沿衝程結構104之第二部分104b配置，且在每一狀況下經由兩個位於外部之連接元件108_5至108_8連接至第二部分104b。
圖5g及圖5h各自展示包含配置於H形衝程結構104外部之四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)的MEMS 100。在每一狀況下，四個壓電致動器106_1至106_4經由一個連接元件108_1至108_4連接至衝程結構104之各別部分104a或104b。圖5g與圖5h之間的差異在於：在圖5g中，四個壓電致動器106_1至106_4經配置以使得衝程結構104與連接元件108_1至108_4之間的接觸點配置於部分104a及104b之外部末端處，而在圖5h中，四個壓電致動器106_1至106_4經配置以使得連接元件108_1至108_4與衝程結構104之間的接觸點配置成鄰近於第三部分104c之突出延伸部。
因此，圖5a至圖5h藉由使用圖4a之衝程主體之實例說明不同的部分致動器組配。取決於該配置，致動器為單側夾持式致動器，其經由至少一(但較佳兩個或兩個以上)連接元件108_1至108_m連接至衝程主體104且將該衝程主體104移出平面。為達成儘可能大幅度之力量，致動器106_1 至106_n較佳經組配為寬的，此歸因於在平面內起作用之壓電效應而導致橫向翹曲。該橫向翹曲展示在於：在致動器之自由末端處的外部拐角展現最高等級之偏位，且因此表示用於連接元件之最佳位置。詳言之，藉由極寬致動器，其他連接元件(在圖5a至圖5h中被稱作可選連接元件)之插入可為有利的，以便達成大幅度力量且在頻率範圍使衝程模式向上移位。取決於衝程主體104之幾何結構，將個別致動器再分成較佳配置成彼此平行之若干致動器(例如，圖4c結合圖5b)可另外亦為有用的。關於用於實現大幅度力量之最佳區域利用，描繪於圖5a至圖5h中之部分組配可視需要彼此組合。
應注意，展示於使用圖4a之衝程主體104之實例的圖5a至圖5h中之不同致動器組配為可視需要組合之部分致動器組配。
在諸實施例中，衝程結構104的垂直於衝程結構104之衝程移動之方向114的橫截面積可小於至少兩個壓電致動器106_1至106_n之壓電有效致動器面積的總和(例如，為該總和的二分之一(或三分之一、四分之一、五分之一或六分之一))。
因此，致動器組配可包含致動器對區域之高等級利用，其大於作用區域130之40%(或50%、60%、70%或80%)。此外，致動器組配可視需要組合。此外，致動器組配可包含在個別致動器之自由末端處的額外連接元件。此外，致動器組配可包含再分成若干窄致動器且具有額外連接元件 (參見圖5b、圖5d及圖5f)之致動器。此外，致動器組配可包含具有梯形或圓形形狀之致動器。
如已參看圖4a至圖4f所提及，在諸實施例中，衝程結構104亦可包含兩個或兩個以上衝程主體，該等衝程主體有可能(例如)經由剛性延伸衝程主體耦接。舉例而言，在圖5e中可免除中心橫桿104c，使得衝程結構104包含可借助於延伸衝程主體(參看圖8)彼此耦接之兩個單獨衝程主體。在此狀況下，已釋放之區或區域可由其他致動器更有效地使用。此外，經由延伸衝程主體結合隔片耦接陣列配置之若干衝程主體將為可行的。
圖6a至圖6f展示MEMS 100之連接元件的六個不同實施例之示意性俯視圖。詳細而言，藉由實例，圖6a至圖6f各自展示第一連接元件108_1，其將第一壓電致動器106_1連接至衝程結構104。然而，以下描述亦可轉移至其他連接元件108_2至108_m。
在諸實施例中，連接元件108_1可包含彈簧元件。如在圖6a至圖6h中可見，彈簧元件可包括至少一撓曲彈簧元件108B(參見圖6a)、至少一扭轉彈簧元件108T(參見圖6b)，或至少一撓曲彈簧元件108B與至少一扭轉彈簧元件108T之組合(參見圖6c至圖6f)。
為了確保致動器106_1至106_n與衝程主體104之間的可撓且同時穩固之連接，可使用各種彈簧幾何結構。圖6a至圖6f說明若干彈簧配置，其在經適當設定尺寸時包含足夠等級之可撓性，以便一方面實現大幅度偏位，同時 另一方面確保致動器106_1至106_n與衝程主體104之間的高等級之力量傳輸。歸因於撓曲彈簧108B及扭轉彈簧108T兩者需要致動器與衝程主體之間的相對較大距離(距離彈簧長度)的事實，可推薦利用組合式彈簧幾何結構。圖6c至圖6f說明對應幾何結構，其中有效彈簧長度可明顯超過致動器與衝程主體之間的距離，此係因為若干元件較佳配置成彼此垂直。雖然諸如圖6d或圖6f之配置(詳言之)適合於配置於外部致動器拐角處之連接元件，但由於拐角之間的連接點之對稱性，諸如圖6c及圖6e中之彼等彈簧的彈簧主要適合於該等連接點(參見圖5a至圖5h中之可選連接元件)。
應注意，在不同連接元件之展示於圖6a至圖6f中之示意性俯視圖中，被稱作衝程主體104及致動器106_1之元件為例示性的且僅表示實際功能元件之部分。
除按比例調整個別元件外，與圖6之以下偏離為可行的。(1)致動器與扭轉彈簧之間的在圖6a至圖6h中被稱作撓曲彈簧的隔片亦可經組配為致動器之剛性元件或壓電性作用延伸部。(2)彈簧與衝程主體104之間的在圖6中描繪為衝程主體104之局部加寬區域的隔片亦可經組配為可撓性元件。(3)所有或個別彈簧元件可包含圓形區域。(4)在若干版本中，若干彈簧元件可彼此組合或配置成一者在另一者後方(串接)。(5)個別彈簧元件可包含除90°外之角度，使得彈簧受到彎曲及扭轉應力兩者。(6)所有彈簧或隔片亦可側向地附接至致動器(參看圖6b)。(7)彈簧及隔片可如同致動器由相同或個別被動及/或壓電功能層組成。替代地，亦 可使用其他材料。
為偵測衝程結構或衝程主體104之位置，MEMS 100可另外包含至少一感測器元件，如下文將參看圖7a及圖7b所解釋。
圖7a及圖7b展示具有整合之位置感測器的壓電致動器之兩個實施例之示意性俯視圖。詳細而言，藉由實例，圖6a及圖7b各自展示位置感測器與第一壓電致動器106_1之整合。然而，以下描述同樣適用於其他壓電致動器106_2至106_n。
如在圖7a中可見，壓電位置感測器及壓電致動器106_1可由壓電層形成，有可能將一個區用作感測器且將另一區用作致動器。此外，有可能使用由兩個壓電層組成之堆疊，一個或兩個層至少部分形成至少一壓電感測器140，而兩個層中之另一者形成壓電致動器106_1。換言之，圖7a及圖7b展示具有單獨感測器區域140及致動器區域142之(鄰接)橫桿結構之示意性俯視圖。當然，未必將整個層用於感測器。大部分用於致動器系統且僅小的區域用於感測器亦將為可行的。
為了將由關於感測器及連接元件之部分的額外空間要求引起的致動器效能(偏位、力量)方面之損失保持為最小，感測器電極亦可直接實施於用作致動器之橫桿結構上。圖7a及圖7b說明兩個實例，其中在每一狀況下，一個感測器電極(感測器區域)佔用致動器區域之相對較小部分。感測器電極與致動器電極電絕緣且可經組配為二維電極及 叉指式電極兩者。
另一更有效的可能性在於使用若干壓電層(參看圖3a至圖3d)，一個層至少部分用於位置偵測。由於關於感測器系統及致動器系統所提出之要求可不同，因此具有不同特性之不同壓電材料的組合(例如，PZT用於致動器系統，AlN用於感測器系統)亦為可行的。作為若干壓電層配置成一者在另一者上方(參看圖3a至圖3d)之配置的替代例，感測器及致動器材料亦可定位成彼此鄰近(類似於圖7a及圖7b)。
歸因於壓電效應之雙向性，個別致動器亦可用作感測器元件。在此狀況下，經由直接壓電效應產生且大致與衝程主體104之偏位成比例的電壓經由致動器電極分接且因此經評估。為了將對偏位之損害保持為最小，相對較長及較窄之致動器元件係尤其合適的。為了防止衝程主體104歸因於不對稱驅動之不當傾斜，對應感測器元件在每一狀況下應較佳成對地配置成彼此對置。
替代至少壓電位置感測器或除至少壓電位置感測器外，MEMS亦可包含經組配以取決於振動膜之偏位而提供感測器信號的至少一壓阻性或一個電容性位置感測器。
雖然在圖1a至圖2及圖4a至圖5a中，目標為具有儘可能小之表面面積的衝程主體或衝程結構104以便最大化偏位及力量，然而，許多應用需要具有儘可能大之表面面積的衝程主體104，其較佳為鄰接的。舉例而言，在流體 應用中，排放氣體或液體體積增加。藉由提供合適總成表面，衝程主體104可因此經組配以使得另一較佳剛性且大面積之主體150可附接於衝程主體104之上或之下，如展示於圖8中。延伸衝程主體150可包含任何幾何結構且可突起超出由衝程主體104及彈簧元件橫跨之作用區域130(參看圖4a至圖4h)。圖8借助於在對應支撐點處固定地連接至衝程主體104之薄板150說明此情形。舉例而言，MEMS 100可包含藉由所附接之板150延伸的衝程主體。
圖8展示根據本發明之實施例的MEMS 100之示意性橫截面圖。MEMS 100可包含耦接至衝程主體104之延伸衝程主體150。舉例而言，延伸衝程主體150可配置成垂直於衝程主體之衝程移動方向114，且可耦接或連接至衝程主體之前端。
由於展現大衝程及力量之致動器(詳言之)適合於排放氣體及液體(參看下文之技術應用領域)，因此可撓性振動膜之整合亦可為有用的，如下文將解釋。
圖9a展示MEMS 100之實施例之示意性橫截面圖，而圖9b展示圖9a中所展示之MEMS 100之示意性俯視圖；在圖9b中，免除壓電致動器106_1及106_2以及連接元件108_1及108_2之表示。
如在9a及圖9b中可見，振動膜102可包含剛性區150及可撓性區152，衝程結構104有可能耦接至振動膜之剛性區150。舉例而言，振動膜102之剛性區可藉由延伸衝程主體150(參看圖8)實施。振動膜102可夾持於夾具118(例如， 框架)內。
藉由實例，圖9a及圖9b說明可能架構，其中MEMS 100之頂側及底側借助於振動膜102(密封振動膜)彼此完全分離，使得所排放之流體無法藉由在衝程主體104周圍流動而到達另一側。在聲學中，此分離為防止聲學短路所需要的。對於微型閥及微型泵，前側與後側之流體分離亦係必要的。
圖10a展示MEMS 100之實施例之示意性橫截面圖，而圖10b展示圖10a中之MEMS 100之示意性俯視圖；在圖10b中，免除壓電致動器106_1及106_2以及連接元件108_1及108_2之表示。
根據圖10a及圖10b，例如，由鄰接可撓性區152形成之振動膜102(密封振動膜)亦可橫跨由剛性框架118圍繞之整個作用區130，使得可免除延伸衝程主體150。無關於其，彈性振動膜可在晶圓層級處借助於混合整合或旋塗製程(旋轉塗佈製程)或噴塗製程實施。取決於預期使用，振動膜102可經組配以拉緊或鬆弛或具有波狀或摺疊剖面。波狀或摺疊變體適合於(詳言之)振動膜102對衝程主體104之偏位的損害保持為最小的應用。
圖11a展示MEMS 100之實施例之示意性橫截面圖，而圖11b展示圖11a中所展示之MEMS 100之示意性俯視圖；在圖11b中，免除壓電致動器106_1及106_2以及連接元件108_1及108_2之表示。
不同於圖10a及圖10b，圖11a及圖11b說明一實例， 其中振動膜102配置於致動器106_1及106_2上方。為了避免與連接元件108_1及108_2以及致動器元件106_1及106_2之機械接觸，振動膜102借助於隔片160而與致動器平面隔開。此處，致動器平面為壓電致動器106_1及106_2配置於閒置(亦即，非偏位)位置中所在的平面，及/或由處於閒置位置中之壓電致動器106_1至106_2所橫跨的平面。
如在圖9a至圖11b中示意性地(未按比例)指示，H形衝程結構104之力至振動膜102的施加點中之一者與振動膜懸架118(例如，框架)之最近位置點之間的桿臂可至多為至少兩個壓電致動器106_1及106_2之桿臂(例如，夾具118與各別壓電致動器的接觸點112_1至112_m中之一者之間的最短距離)之大小的一半(亦即，小至二分之一(或例如，三分之一、四分之一或五分之一))。
為說明以上一般化表示，下文將呈現一些特定實施例。該等實施例係基於由壓電PZT(鋯鈦酸鉛)、對應金屬電極以及矽(作為被動材料)製成的致動器的設計。該等設計已經設計以用於MEMS揚聲器且借助於FEM模擬最佳化。
圖12a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之CAD模型之俯視圖，而圖12b展示MEMS 100之展示於圖12a中的CAD模型之偏位的FEM模擬之透視圖。
MEMS 100之展示於圖12a中的CAD模型係基於展示於圖4a、圖4d、圖5b、圖5e、圖6c、圖6d及圖6f中之實施例的組合。
如在圖12a中可見，MEMS 100包含H形衝程結構 104及四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)。詳細而言，衝程結構104包含三個部分104a至104c，該等三個部分經配置以形成H形衝程結構104使得衝程結構104在垂直於衝程結構104之衝程移動之方向114(參見圖1a)而延伸的截平面內具有H形狀。
四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之第一壓電致動器106_1沿H形衝程結構104之三個部分104a至104c中之第一部分104a配置於衝程結構104外部，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之第二壓電致動器106_2沿H形衝程結構104之三個部分104a至104c中之第二部分104b配置於衝程結構104外部，衝程結構104之第一部分104a及第二部分104b彼此平行地延伸。
第一壓電致動器106_1至少跨越衝程結構104之整個第一部分104a而延伸且經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少兩個(根據圖12a，經由四個)相互隔開之連接元件108_1至108_4連接至衝程結構104之第一部分104a的相互隔開之接觸點中的至少兩者，第二壓電致動器106_2至少跨越衝程結構104之整個第二部分104b而延伸且經由相互隔開之連接元件108_1至108_m中的至少兩個(根據圖12a，經由四個)相互隔開之連接元件108_5至108_8連接至衝程結構104之第二部分104b的相互隔開之接觸點中的至少兩者。
四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之第三壓電致動器106_3沿H形衝程結構104之三個部分104a至104c 中之第三部分104c的第一側面至少部分配置於衝程結構104內部，四個壓電致動器106_1至106_n(n=4)中之第四壓電致動器106_4沿H形衝程結構104之第三部分104c的定位成與第一側面對置之第二側面配置於衝程結構104內部，第三部分104c垂直於第一部分104a及第二部分104b而延伸。
第三壓電致動器106_3經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少兩個相互隔開之連接元件108_9及108_10連接至衝程結構104(此處，經由連接元件108_9連接至衝程結構104之第一部分104a，且經由連接元件108_10連接至衝程結構104之第二部分104b)，第四壓電致動器106_4經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少兩個相互隔開之連接元件108_11及108_12連接至衝程結構104(此處，經由連接元件108_11連接至衝程結構104之第一部分104a，且經由連接元件108_12連接至衝程結構104之第二部分104b)。
因此，圖12a及圖12b展示基於兩個外部致動器106_1及106_2以及兩個內部致動器106_3及106_4之設計，該等致動器在每一狀況下成對地配置成彼此對置。為達成大幅度力量及偏位，致動器106_1至106_4具有儘可能大之寬度，藉此在啟動狀態下，上文所提及之橫向翹曲明顯地出現(參見圖12b)。在自由致動器拐角處，在展現高等級之偏位的點處，致動器經由面積有效彈簧連接至衝程主體104(參看影像3.5d及影像3.5f)，該衝程主體104具有借助於局部加寬區域實施於其末端上之額外總成表面。歸因於大的寬 度/長度比，兩個外部致動器106_1及106_2包含額外連接元件，藉助於該額外連接元件，所產生之力量可再次明顯地增加而無偏位方面之任何大的損失。
圖13a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之CAD模型之俯視圖，而圖13b展示MEMS 100之展示於圖13a中的CAD模型之偏位的FEM模擬之透視圖。
MEMS 100之展示於圖13a中的CAD模型係基於展示於圖4a、圖4d、圖5e及圖6f中之實施例的組合。
與圖12a相對比，MEMS 100之展示於圖13a中的CAD模型包含(僅)兩個壓電致動器106_1及106_n(n=2)，兩個壓電致動器106_1及106_2中之第一壓電致動器106_1經由兩個相互隔開之連接元件108_1及108_2連接至衝程結構之第一部分104a，且兩個壓電致動器106_1及106_2中之第二壓電致動器106_2經由兩個相互隔開之連接元件108_3及108_4連接至衝程結構104之第二部分104b。
因此，圖13a及圖13b說明圖12a及圖12b之大小減小的版本，且其中已免除兩個中心致動器106_3及106_4，此係因為最小致動器長度將超出可用長度。由於明顯較窄之外部致動器106_1及106_2，兩個側向致動器106_1及106_2在每一狀況下僅包含兩個連接元件108_1至108_4，其再次為撓曲彈簧與扭轉彈簧之空間節省組合。
圖14a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之CAD模型之俯視圖，而圖14b展示MEMS 100之展示於圖14a中的CAD模型之偏位的FEM模擬之透視圖。
如在圖14a中可見，MEMS 100包含H形衝程結構104及八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)。詳細而言，衝程結構104包含三個部分104a至104c，該等三個部分經配置以形成H形衝程結構104使得衝程結構104在垂直於衝程結構104之衝程移動之方向114而延伸的截平面內具有H形狀。
八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之第一壓電致動器106_1及第五壓電致動器106_5沿衝程結構104之第一部分104a配置於衝程結構104外部，八個壓電致動器106_1至106_8中之第二壓電致動器106_2及第六壓電致動器106_6沿衝程結構104之第二部分104b配置於衝程結構104外部。
第一壓電致動器106_1及第五壓電致動器106_5在每一狀況下分別經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少一連接元件108_1及108_2連接至衝程結構104之第一部分104a的相互隔開之接觸點中之至少一者，第二壓電致動器106_2及第六壓電致動器106_6分別經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少一連接元件108_3及108_4連接至衝程結構104之第二部分104b的相互隔開之接觸點中之至少一者。
如在圖14a中可見，第一部分104a再分成第一區段104a_1及第二區段104a_2，第一壓電致動器106_1沿第一部分104a之第一區段104a_1配置且經由連接元件108_1連接至第一部分104a之第一區段104a_1，第五壓電致動器 106_5沿第一部分104a之第二區段104a_2配置且經由連接元件108_2連接至第一部分104a之第二區段104a_2。
此外，第二部分104b再分成第一區段104b_1及第二區段104b_2，第二壓電致動器106_2沿第二部分104b之第一區段104b_1配置且經由連接元件108_3連接至第二部分104b之第一區段104b_1，第六壓電致動器106_6沿第二區段104b之第二區段104b_2配置且經由連接元件108_4連接至第二部分104b之第二區段104b_2。
八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之第三壓電致動器106_3及第七壓電致動器106_7沿衝程結構104之第三部分104c的第一側面至少部分配置於衝程結構104內部，八個壓電致動器106_1至106_8中之第四壓電致動器106_4及第八壓電致動器106_8沿衝程結構104之第三部分104c的第二側面至少部分配置於衝程結構104內部。
如在圖14a中可見，第三部分104c再分成第一區段104c_1及第二區段104c_2，第三壓電致動器106_3沿第三部分104c之第一區段104c_1的第一側面配置，第四壓電致動器106_4沿第三部分104c之第一區段104c_1的定位成與第一側面對置之第二側面配置，第七壓電致動器106_7沿第三部分104c之第二區段104c_2的第一側面配置，第八壓電致動器106_8沿第三部分104c之第二區段104c_2的定位成與第一側面對置之第二側面配置。
第三壓電致動器106_3及第四壓電致動器106_4分別經由相互隔開之連接元件中的兩個相互隔開之連接元 件108_5至108_8連接至第三部分104c之第一區段104c_1的各別側面，第七壓電致動器106_7及第八壓電致動器106_8分別經由兩個相互隔開之連接元件108_9至108_12連接至第三部分104c之第二區段104c_2的各別側面。
衝程結構104可進一步包含在第一部分104a與第二部分104b之間平行地配置於中心的第四部分104d，第四部分104d亦有可能再分成第一區段104d_1及第二區段104d_2。
因此，圖14a及圖14b說明具有配置成彼此平行之八個致動器106_1至106_n(n=8)的實例，四個外部致動器以反轉方式對準使得其經由扭轉彈簧在衝程主體之重心外部儘可能遠地傳輸其力量(在頻率範圍中寄生傾斜模式之移位(位移))。與先前實例相對比，衝程主體104之中心橫桿104c在中心包含局部加寬區域以及孔180。結果，內部致動器經由撓曲彈簧連接至衝程主體所在的應用點在質量具有儘可能小的增加之情況下自重心向外重新定位，以便抵制任何寄生模式。額外垂直懸臂104d_1及104_d2以及垂直衝程主體橫桿104a、104b、104c上之局部加寬區域182充當用於具有增加之表面面積之延伸衝程主體之混合整合的黏著表面。歸因於相對較窄之致動器元件，偏位及力量小於圖12a之實例中的偏位及力量。相比之下，衝程主體104展現明顯較大之跨距及黏著表面的較近配置，使得該配置實現重量尤其輕之板或機械剛性較小之振動膜102的混合應用。
圖15a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之CAD模型之俯視圖，而圖15b展示MEMS 100的展示於圖15a中之CAD模型之偏位的FEM模擬之透視圖。
MEMS 100之展示於圖15a中的CAD模型係基於展示於圖4a、圖4d、圖5c、影像5g及影像6b中之實施例的組合。
MEMS 100之展示於圖15a中的CAD模型係基於展示於圖4a、圖4d、圖5c、影像5g及影像6b中之實施例的組合。
MEMS 100包含H形衝程結構104及八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)。詳細而言，衝程結構104包含三個部分104a至104c，該等三個部分經配置以形成H形衝程結構104使得衝程結構104在垂直於衝程結構104之衝程移動之方向114而延伸的截平面內具有H形狀。
八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之第一壓電致動器106_1及第五壓電致動器106_5沿衝程結構104之第一部分104a配置於衝程結構104外部，八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之第二壓電致動器106_2及第六壓電致動器106_6沿衝程結構104之第二部分104b配置於衝程結構104外部。
第一壓電致動器106_1及第五壓電致動器106_5在每一狀況下經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少一連接元件108_1及108_2連接至衝程結構104之第一部分104a的相互隔開之接觸點中之至少一者，第 二壓電致動器106_2及第六壓電致動器106_6經由相互隔開之連接元件108_1至108_m(m=12)中的至少一連接元件108_3及108_4連接至衝程結構104之第二部分104b的相互隔開之接觸點中之至少一者。
八個壓電致動器106_1至106_n(n=8)中之第三壓電致動器106_3及第七壓電致動器106_7沿衝程結構104之第三部分104c的第一側面至少部分配置於衝程結構104內部，八個壓電致動器106_1至106_8中之第四壓電致動器106_4及第八壓電致動器106_n(n=8)沿衝程結構104之第三部分104c的第二側面至少部分配置於衝程結構104內部。
第三壓電致動器106_3及第四壓電致動器106_4分別經由相互隔開之連接元件中的兩個相互隔開之連接元件108_5至108_8連接至衝程結構104，第七壓電致動器106_7及第八壓電致動器106_8分別經由兩個相互隔開之連接元件108_9至108_12連接至衝程結構104。
第三壓電致動器106_3、第四壓電致動器106_4、第七壓電致動器106_7及第八壓電致動器106_8之夾持在第一部分104a與第二部分104b之間在中心且平行地延伸。
因此，圖15a及圖15b展示類似於圖14a及圖14b之設計，然而，其中內部致動器106_3、106_4、106_7及106_8旋轉90°(參看5c)。與先前實例中之撓曲彈簧相對比，四個內部致動器在每一狀況下經由兩個扭轉彈簧連接至衝程主體104。
圖16a展示根據本發明之實施例的MEMS 100之 CAD模型之俯視圖，而圖16b展示MEMS 100之展示於圖16a中的CAD模型之偏位的FEM模擬之透視圖。
與展示於圖12a及圖12b中之MEMS 100的CAD模型相對比，展示於圖16a及圖16b中之MEMS的CAD模型另外包含安裝於底面上之延伸衝程主體150，具體而言為板形衝程主體150。
因此，圖15a及圖15b說明圖12a及圖12b的稍有修改之版本，其中延伸板形衝程主體150附接至實際衝程主體104之底面。延伸衝程主體150佔用大致對應於作用區域之區域(參看圖4a至圖4f)。當然，在諸實施例中，延伸衝程主體150可大於作用區域。
下文將更詳細地解釋本發明之實施例的一般特性及邊界條件。
在下表中，以表格方式列出基本目標參數之典型最小及最大值：
在下表中以表格方式列出可用於對應功能元件之材料：
在下文中，將參看圖17a至圖17c藉由實例呈現產生MEMS 100之方法。詳細而言，圖17a至圖17c說明以簡化方式描繪之用於單晶組配的製程流程，其中PZT作為壓電材料且矽作為被動材料。圖17a展示在正面圖案化之前的SOI(絕緣體上矽)晶圓之示意性橫截面圖，而圖17b展示在正面層之圖案化之後的示意性橫截面圖，而且圖17c展示在背面Si及SiO2圖案化之後的示意性橫截面圖。
該方法可包含下文列出之製程步驟。
提供SOI晶圓202之步驟，該SOI晶圓具有Si基體204、塗覆至該基體之SiO2層206及塗覆至該層之Si功能層208。
塗覆或沈積絕緣層(SiO2)210、壓電功能層(PZT)212以及對應金屬電極(Pt、Au、Mo)214及216的步驟。
借助於濕式及/或乾式蝕刻圖案化壓電功能層212及絕緣層210之電極214及216的步驟，該蝕刻自第一表面220開始且在內埋SiO2層206上停止。
背面Si蝕刻之步驟，其中該蝕刻在內埋SiO2層206上停止且隨後移除所曝露SiO2區域。
圖18展示根據本發明之實施例的系統200之示意圖。該系統包含上文所描述之MEMS 100及控制構件202，控制構件202有可能控制MEMS 100之至少兩個壓電致動器106_1至106_n。
舉例而言，控制構件202可經組配以提供用於控制至少兩個壓電致動器106_1至106_n之控制信號204。
此外，在諸實施例中，MEMS 100可包含經組配以取決於振動膜102之偏位而提供感測器信號141之位置感測器140(例如，壓電或電容性位置感測器)。控制構件可經組配以基於感測器信號141而以調節方式控制MEMS 100之至少兩個壓電致動器106_1至106_n。
本發明之其他實施例提供小型化衝程致動器(提昇致動器)，其具有剛性衝程主體，其具有減小之表面面積(例如，其佔用小於作用區域之40%(或30%或20%))；至少兩個壓電驅動件(例如，其佔用作用區域之至少40%(或50%、60%、70%或80%))，其配置成緊鄰衝程主體且在向上或向下方向上將衝程主體移出平面；包含連接元件，經由該等連接元件，壓電驅動件連接至衝程主體；且包含振動膜，其固定至衝程主體且確保前側與後側之分離，詳言之，流體分離。在此上下文中，可用矽技術製造小型化衝程致動器。
在諸實施例中，小型化衝程致動器可用於聲音或超聲波產生(在自20Hz至1MHz之範圍內，在自20Hz至20kHz之範圍內，在自20kHz至100kHz之範圍內或在自100kHz至1MHz之範圍內)，用於排放液體或用於排放氣體。此外，小型化衝程致動器亦可用於產生小滴，例如，用於噴墨印表機。
在諸實施例中，小型化衝程致動器可包含衝程主體幾何結構，其包括框架結構、橫桿及/或板。
在諸實施例中，小型化衝程致動器可包含具有用 於增加排放流體體積之大表面面積的延伸衝程主體。
在諸實施例中，小型化衝程致動器可包含用於位置偵測及調節之感測器元件(參看圖7a及圖7b)。
在諸實施例中，若干小型化衝程致動器可配置於陣列內。
借助於本發明之實施例，可在共振及非共振操作期間產生極大幅度力量，同時亦達成高度偏位。達成此情形之原因在於使用以下各者：(1)大小減小之衝程主體，其實現關於致動器的高等級之區域利用；(2)大小減小之衝程主體，由於其幾何結構，該等衝程主體允許離衝程主體之重心儘可能遠地發生力量之傳輸；(3)致動器配置，其中以特定有效方式採用可用作用區域；(4)單側夾持之較佳寬式彎曲致動器，其可在啟動狀態下歸因於明顯的橫向翹曲而產生大幅度力量；及(5)合適彈簧元件，其經組配為在表面面積方面儘可能有效且允許在不過度阻礙衝程主體之偏位的情況下傳輸大幅度力量。
此外，產生以下優點。第一，由於若干致動器平行地連接，因此有效彈簧剛性增加，使得可實現相對較高之共振頻率，同時實現大幅度偏位。第二，由於表面面積減小，因此衝程主體包含相對較小之質量，使得可實現相對較高之共振頻率，同時實現大幅度偏位。第三，由於將重量輕之材料(較佳為矽)用於衝程主體，因此可實現高共振頻率，同時實現大幅度偏位。第四，藉由應用板形或以不同形狀之形式，可實施表面面積大於作用區域之延伸衝程 主體。在用矽技術產生之狀況下，製造成本可因此減小，此係因為晶片面積之大小主要由致動器判定且可小於所需衝程表面面積(提昇表面面積)。第五，衝程主體之實際位置可在操作期間藉助於整合感測器系統連續地判定。此形成封閉迴路激勵之基礎，經由封閉迴路激勵，可用電子方式補償外部影響及老化效應。第六，相比於包含電動驅動件之衝程致動器，利用壓電驅動件實現所需能量之減少。
在下文中，將列出MEMS 100之例示性技術應用領域。
上文所描述之致動器結構適合於大幅度力量及衝程待借助於壓電驅動件產生之應用。舉例而言，此結構適用於排放流體之應用領域，諸如閥及泵。此外，此結構適用於MEMS揚聲器。MEMS揚聲器(例如，基於晶片之智慧型微揚聲器)可用於行動通訊裝置中，諸如主要用於(例如)行動電話中，但另外亦用於平板電腦、膝上型電腦、耳機及助聽器中。
儘管本文中大體上已借助於圖1至圖18描述MEMS之實施例，但應注意，該等實施例同樣適用於MEMS揚聲器。
100‧‧‧微機電系統(MEMS)
102‧‧‧振動膜
104‧‧‧衝程結構/衝程主體/框架
106_1‧‧‧第一壓電致動器/致動器元件
106_2‧‧‧第二壓電致動器/致動器元件
108_1‧‧‧第一連接元件
108_2‧‧‧第二連接元件
110_1、112_1‧‧‧第一接觸點
110_2、112_2‧‧‧第二接觸點
114‧‧‧箭頭/方向
118‧‧‧夾具/外部區/振動膜懸架/剛性框架
122‧‧‧第一表面
124‧‧‧第二表面

Claims (69)

  1. 一種微機電系統(MEMS)，其包含：一振動膜；一衝程結構，其耦接至該振動膜；以及至少兩個壓電致動器，其經由多個相互隔開之連接元件耦接至該衝程結構的多個相互隔開之接觸點；該等至少兩個壓電致動器經組配以引起該衝程結構之一衝程移動以便使該振動膜偏位。
  2. 如請求項1之MEMS，其中該等多個相互隔開之連接元件連接至該等至少兩個壓電致動器的多個相互隔開之接觸點。
  3. 如請求項1之MEMS，其中該等至少兩個壓電致動器中之每一者經由至少兩個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的至少兩個相互隔開之接觸點。
  4. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構沿至少兩個至少部分相互隔開之直線或曲線經由配置有該振動膜之多個區耦接至該振動膜。
  5. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構垂直於該衝程移動之一方向而橫跨對應於該振動膜之一區域之至少30%的一區域。
  6. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構經由以一分散方式配置之多個區耦接至該振動膜。
  7. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構在垂直於該衝程 移動之一方向而延行的一截平面內包含一I形結構、一L形結構、一H形結構、一X形結構、一O形結構或一十字形結構。
  8. 如請求項1之MEMS，其中安置於該衝程結構至該振動膜之力量之施加的點中之一者與一振動膜懸架之一最近位置點之間的一桿臂至多為該等至少兩個壓電致動器之一桿臂之大小的一半。
  9. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構的垂直於該衝程結構之該衝程移動之一方向的一橫截面積小於該等至少兩個壓電致動器之壓電有效致動器面積之一總和。
  10. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構包含多個相互連接之橫桿，該等橫桿中之每一者在一前端處至少部分耦接至該振動膜。
  11. 如請求項1之MEMS，其中該等至少兩個壓電致動器經組配為彎曲橫桿。
  12. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構為對稱的，且其中該等至少兩個壓電致動器關於該衝程結構之一重心對稱地配置。
  13. 如請求項12之MEMS，其中該衝程結構之該等多個相互隔開之接觸點關於該衝程結構之該重心對稱地配置。
  14. 如請求項1之MEMS，其中該等至少兩個壓電致動器配置於一平面內處於一閒置位置中，且其中該等至少兩個壓電致動器經組配以引起該衝程結構之一衝程移動，使得該衝程移動之一方向垂直於該等壓電致動器之該平 面而延伸。
  15. 如請求項1之MEMS，其中該等多個相互隔開之連接元件包含彈簧元件。
  16. 如請求項15之MEMS，其中該等彈簧元件中之每一者包括至少一撓曲彈簧元件、至少一扭轉彈簧元件或至少一撓曲彈簧元件與至少一扭轉彈簧元件的一組合。
  17. 如請求項1之MEMS，其中該振動膜平行於該MEMS之一第一表面及一第二表面而延伸，該振動膜經組配以在該MEMS按預期被使用時以一流體或氣體形方式使該MEMS之該第一表面及該第二表面彼此分離。
  18. 如請求項1之MEMS，其中該振動膜包含一剛性區及一可撓性區，該衝程結構耦接至該振動膜之該剛性區。
  19. 如請求項18之MEMS，其中該振動膜之該剛性區係由一延伸衝程結構形成。
  20. 如請求項1之MEMS，該MEMS包含至少一壓電位置感測器，其經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號。
  21. 如請求項20之MEMS，該MEMS包含至少四個壓電致動器，該等至少四個壓電致動器中之兩者經組配為壓電位置感測器，該等至少四個壓電致動器以使得該等兩個壓電致動器經組配為壓電位置感測器且該等剩餘壓電致動器各自關於該衝程結構之一重心對稱地配置的一方式關於該重心對稱地配置。
  22. 如請求項20之MEMS，該MEMS包含兩個相互絕緣之壓 電層的至少一堆疊，該等兩個層中之一者形成該等至少一壓電感測器，且該等兩個層中之另一者形成該等至少兩個壓電致動器中之一者。
  23. 如請求項22之MEMS，其中該等兩個相互絕緣之壓電層包含不同材料。
  24. 如請求項20之MEMS，其中該壓電位置感測器及該等至少兩個壓電致動器中之一個壓電致動器係藉由一共同壓電層形成。
  25. 如請求項1之MEMS，該MEMS包含至少一壓阻性或一電容性位置感測器，其經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號。
  26. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構包含矽。
  27. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構包含至少三個部分，該等至少三個部分經配置以形成一H形衝程結構，使得該衝程結構在垂直於該衝程結構之該衝程移動之該方向而延行的該截平面內為H形。
  28. 如請求項27之MEMS，其中該等至少兩個壓電致動器中之一第一壓電致動器沿該衝程結構之該等三個部分中之一第一部分配置於該H形衝程結構外部，且其中該等至少兩個壓電致動器中之一第二壓電致動器沿該衝程結構之該等三個部分中之一第二部分配置於該H形衝程結構外部，該衝程結構之該第一部分及該第二部分彼此平行地延伸。
  29. 如請求項28之MEMS，其中該等至少兩個壓電致動器中 之一第三壓電致動器沿該衝程結構之該等三個部分中之一第三部分的一第一側面至少部分配置於該H形衝程結構內部，該等至少兩個壓電致動器中之一第四壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的定位成與該第一側面對置之一第二側面至少部分配置於該H形衝程結構內部，該第三部分垂直於該第一部分及該第二部分而延伸。
  30. 如請求項28之MEMS，其中該第一壓電致動器至少在該衝程結構之該整個第一部分上方延伸且經由該等相互隔開之連接元件中之至少兩者連接至該衝程結構之該第一部分的該等相互隔開之接觸點中的至少兩者，該第二壓電致動器至少在該衝程結構之該整個第二部分上方延伸且經由該等相互隔開之連接元件中的至少兩者連接至該衝程結構之該第二部分的該等相互隔開之接觸點中之至少兩者。
  31. 如請求項28之MEMS，其中該第一壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第五壓電致動器沿該衝程結構之該第一部分配置於該衝程結構外部，該第二壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第六壓電致動器沿該衝程結構之該第二部分配置於該衝程結構外部；其中該第一壓電致動器及該第五壓電致動器各自經由該等相互隔開之連接元件中之至少一者連接至該衝程結構之該第一部分的該等相互隔開之接觸點中的至少一者，該第二壓電致動器及該第六壓電致動器各自經由該等相互隔開之連接元件中之至少一者連接至該 衝程結構之該第二部分的該等相互隔開之接觸點中的至少一者。
  32. 如請求項31之MEMS，其中該第一部分再分成一第一區段及一第二區段，該第一壓電致動器沿該第一部分之該第一區段配置且經由該各別連接元件連接至該第一部分的該第一區段，該第五壓電致動器沿該第一部分之該第二區段配置且經由該各別連接元件連接至該第一部分的該第二區段；且其中該第二部分再分成一第一區段及一第二區段，該第二壓電致動器沿該第二部分之該第一區段配置且經由該各別連接元件連接至該第二部分之該第一區段，該第六壓電致動器沿該第二部分之該第二區段配置且經由該各別連接元件連接至該第二部分之該第二區段。
  33. 如請求項31之MEMS，其中該第三壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第七壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的該第一側面至少部分配置於該衝程結構內部，該第四壓電致動器及該等至少兩個壓電致動器中之一第八壓電致動器沿該衝程結構之該第三部分的該第二側面至少部分配置於該衝程結構內部。
  34. 如請求項33之MEMS，其中該第三部分再分成一第一區段及一第二區段，該第三壓電致動器沿該第三部分之該第一區段的一第一側面配置，該第四壓電致動器沿該第三部分之該第一區段的定位成與該第一側面對置之一第二側面配置，該第七壓電致動器沿該第三部分之該第 二區段的一第一側面配置，該第八壓電致動器沿該第三部分之該第二區段的定位成與該第一側面對置之一第二側面配置。
  35. 如請求項1之MEMS，其中該衝程結構包含多個衝程主體。
  36. 如請求項35之MEMS，其中該等多個衝程主體中之至少兩個衝程主體經由一延伸衝程主體彼此連接。
  37. 如請求項1之MEMS，其中該等多個相互隔開之連接元件並不延伸跨越凹入部之中心。
  38. 一種用以控制微機電系統(MEMS)的系統，其包含：如請求項1之MEMS；以及一控制構件，其經組配以控制該MEMS之該等至少兩個壓電致動器；該MEMS包含至少一壓電位置感測器，其經組配以取決於振動膜之偏位而提供一感測器信號；且該控制構件經組配以基於該感測器信號而以一調節方式控制該MEMS之該等至少兩個壓電致動器。
  39. 一種微機電系統(MEMS)之用途，係使用於聲音產生、用於超聲波產生、用於排放液體、用於排放氣體或用於產生液體小滴，其中上述MEMS係如請求項1之MEMS。
  40. 一種用於產生聲訊波長頻譜內之聲波的微機電系統(MEMS)揚聲器，其包含一振動膜，一衝程結構，其耦接至該振動膜，以及至少兩個壓電致動器， 借助於該等至少兩個壓電致動器，可引起該衝程結構之一衝程移動以用於使該振動膜偏位，其特徵在於該等壓電致動器經由多個相互隔開之可撓性連接元件連接至該衝程結構之多個相互隔開之接觸點。
  41. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該振動膜在該衝程結構之一前端處以一直接方式連接至該衝程結構，及/或該等壓電致動器在該衝程結構之至少一側面上，特別是在兩個對置側面上，以一間接方式經由該等連接元件連接至該衝程結構。
  42. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中特別在該MEMS揚聲器的橫向方向上相互隔開的該等多個連接元件連接至該等至少兩個壓電致動器的多個相互隔開之接觸點。
  43. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該等至少兩個壓電致動器中之每一者經由至少兩個相互隔開之連接元件連接至該衝程結構的至少兩個相互隔開之接觸點。
  44. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該衝程結構沿至少兩個至少部分相互隔開之直線或曲線經由配置有該振動膜之多個區耦接至該振動膜。
  45. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該衝程結構經由以一分散方式配置之多個區耦接至該振動膜。
  46. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該衝程結構包含多個相互連接之橫桿，該等橫桿中之每一者在一前端處至少部分耦接至該振動膜。
  47. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該等至少兩個壓電致動器經組配為彎曲橫桿。
  48. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該等至少兩個壓電致動器配置於一第一平面內處於一閒置位置中，該振動膜配置於在衝程方向上與該第一平面隔開之一第二平面內，及/或其中該衝程結構自該振動膜開始而在該衝程方向上，在該第二平面之方向上延伸，特別是延伸遠至或超出該第二平面。
  49. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該等連接元件中之至少一者包含一彈簧元件，及/或其中該彈簧元件，特別是每一彈簧元件，包括至少一撓曲彈簧元件及/或至少一扭轉彈簧元件。
  50. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中在該MEMS揚聲器之一橫截面圖中，該等壓電致動器沿其縱向軸線分別包含一固定夾持之第一末端及一可移動之第二末端，及/或其中該撓曲彈簧元件在該壓電致動器之縱向方向上延伸，及/或該扭轉彈簧元件在該壓電致動器之該橫向方向上延伸。
  51. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中在該MEMS揚聲器之一俯視圖中，一連接元件之該撓曲彈簧元件及該扭轉彈簧元件相對於彼此旋轉90°。
  52. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該振動膜包含一剛性區及一可撓性區，該衝程結構耦接至該振動膜之該剛性 區，該振動膜之該剛性區較佳由一延伸衝程結構形成。
  53. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該MEMS揚聲器包含關於該衝程結構之重心對稱地配置的至少四個壓電致動器。
  54. 如請求項40之MEMS揚聲器，其中該衝程結構包含若干衝程主體，及/或其中至少兩個衝程主體經由一延伸衝程主體彼此連接。
  55. 一種用於產生聲訊波長頻譜內之聲波的微機電系統(MEMS)揚聲器，其包含一振動膜，一衝程結構，其耦接至該振動膜，以及至少一壓電致動器，借助於該等至少一壓電致動器，可引起該衝程結構之一衝程移動以用於使該振動膜偏位，其特徵在於該MEMS揚聲器包含至少一位置感測器，其經組配以取決於該振動膜之該偏位而提供一感測器信號。
  56. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該致動器可借助於一控制構件以一調節方式操作為該感測器信號之一函數，該控制構件係出於此目的而提供。
  57. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該MEMS揚聲器包含至少一壓電及/或電容性位置感測器。
  58. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該位置感測器整合於該致動器中。
  59. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該整合位置感測器之 感測器電極經組配為二維或叉指式電極及/或與致動器電極電絕緣。
  60. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該壓電位置感測器及該壓電致動器係藉由一共同壓電層組配。
  61. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該共同壓電層包含形成該位置感測器之一感測器區域及形成該致動器之一致動器區域，該致動器區域與該感測器區域電絕緣，特別是，相比於該致動器區域，該感測器區域較佳佔用一較小表面面積。
  62. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該壓電位置感測器及該壓電致動器分別由一單獨壓電層組配，該致動器較佳包含至少兩個相互絕緣之壓電層的一堆疊，其中之一個層的至少部分形成該等至少一壓電位置感測器，且另一層之至少部分形成該等至少一壓電致動器。
  63. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該堆疊在衝程軸線之方向上定向，以至於該等壓電層配置成一者在另一者上方，或其中該堆疊橫向於該衝程軸線而定向，以至於該等壓電層配置成鄰近於彼此。
  64. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該位置感測器及該等至少一致動器彼此分離。
  65. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該MEMS揚聲器包含若干致動器，該等致動器中之至少一者可用作一位置感測器。
  66. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中若干致動器及/或位置 感測器成對地配置成彼此對置，該MEMS揚聲器較佳包含關於該衝程結構之重心對稱地配置的至少四個壓電致動器，及/或其中該等至少四個壓電致動器中之兩者經組配為壓電位置感測器。
  67. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該等至少一致動器及/或位置感測器經由至少一，特別是可撓性，連接元件連接至該衝程結構。
  68. 如請求項55之MEMS揚聲器，其中該振動膜在該衝程結構之一前端處以一直接方式連接至該衝程結構，及/或該等壓電致動器及/或位置感測器在該衝程結構之至少一側面上，特別是在兩個對置側面上，以一間接方式經由該等連接元件連接至該衝程結構。
  69. 一種用於以調節方式操作微機電系統(MEMS)揚聲器的調節單元，其包含如請求項55之MEMS揚聲器，以及一控制構件，其經組配以控制該MEMS揚聲器之一壓電致動器，其特徵在於該MEMS揚聲器包含至少一壓電位置感測器，其經組配以取決於該MEMS揚聲器之一振動膜之該偏位而向該控制構件提供一感測器信號，且特徵在於該控制構件經組配以基於該感測器信號而以一調節方式控制該MEMS揚聲器的該等至少一壓電致動器。
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