包括膜和致动器的MEMS器件的制作方法

本公开涉及一种微机电(“微机电系统”，mems)器件，其包括膜和能够控制膜的弯曲的致动器。

背景技术：

已知的mems致动器至少部分地由半导体材料制成。这种微机电致动器使得能够将不同类型的能量形式转换成机械能量。特别地，已知压电致动的mems器件，其中压电材料的薄层在mems器件的悬置部分例如悬臂或膜上方延伸。向压电层施加电场在压电层上产生应力并且随后产生mems器件的悬置部分的弹性变形。

在这种类型的mems器件中，由于在制造mems器件的工艺结束时所出现的残余应力的存在，悬置部分的初始位置，也即是在没有施加到压电层的电场的情况下悬置部分所假定的位置，难以控制。

对于这些mems器件的各种应用，诸如射频开关(“rf开关”)或具有可重新配置的聚焦透镜的光学器件，在没有施加到对应压电层的外部电场的情况下，优选的是该悬置部分处于设计阶段所定义的已知初始位置中，例如处于没有残余应力的情况下所假定的位置中。

例如，在射频开关的情况下，悬置部分可以是可变形的，以便通过施加电压控制信号以已知的方式打开或关闭电路中的电连接；由于残余应力引起的悬置部分的初始位置中的不希望的改变意味着产生打开或关闭电连接所需的悬置部分的弹性变形所需的电压不同于在设计阶段所定义的电压。例如，所需的电压可能大于在设计阶段所指定的电压；所需的电压甚至可能大于可以被施加到悬置部分的最大电压，在这种情况下，提供所期望的电连接是不可能的。

图1和图2a示意性地示出了从上方观察的已知类型的光学器件1，以及由三个轴x、y、z形成的正交参考系统。

光学器件1相关于光轴o具有圆柱对称性。

光学器件1基于已知类型的压电致动的mems器件，其包括移动部分2和在移动部分2上方延伸并与移动部分2接触的压电致动器4。移动部分2包括一层玻璃，例如二氧化硅(sio2)。压电致动器4包括压电层，例如由锆钛酸铅(pzt)制成。特别地，移动部分2具有例如圆形形状的孔3，孔3延伸通过移动部分2的整个厚度。

移动部分2在第一支撑体6上方延伸，第一支撑体6例如由半导体材料制成，特别是硅。将移动部分2的周边区域固定到第一支撑体6，而将移动部分2的中心区域粘附到聚合物材料的微透镜8，该微透镜8是柔软(因此是可变形的)且透明的。特别地，微透镜8在移动部分2的中心区域下方延伸。当从上方观察时，微透镜8例如是圆形形状的。由二氧化硅制成的第二支撑体10例如机械地耦合到微透镜8并在微透镜8下方延伸。当从上方观察时，第二支撑体10例如是圆形形状的。

当光学器件1在使用中时，光信号12，例如平行于光轴o的光束，可以穿过第二支撑体10、微透镜8和孔3。微透镜8使得光束能够取决于微透镜8的形状而被聚焦在所期望的距离处。

在使用中，向压电致动器4施加电压在压电层上产生拉应力并因此使移动部分2变形；转而，移动部分2的变形致使微透镜8的变形。因此，通过提供给光学器件1的电压控制信号来修改微透镜8的焦距是可能的。

特别地参考图2a，这示出了处于第一操作状况中的光学器件1，其中微透镜8的上表面8'垂直于光轴o。因此微透镜8聚焦在无限远处；因此，如果光信号12由平行于光轴o的光线形成，则这穿过微透镜8而不被偏转。

因此，光学器件1可以被用于例如使用已知的对压电致动器4的电压控制信号的反馈方法实现自动的聚焦(“自动聚焦”)功能。在这种上下文中，为了确保正确操作自动聚焦过程，通常期望移动部分2在没有施加到压电致动器4的电压控制信号的情况下平行于平面xy延伸，而不会在微透镜8中产生变形并因此以如下这种方式起作用：使得微透镜8具有理论上无限的焦距(如图2a中所示)；备选地，一些摄影透镜制造商优选随着距光轴o的距离减小而使移动部分2以向下的曲线延伸，从而在微透镜8中产生变形，使得微透镜8具有-2屈光度的折射能力。

遗憾的是，由于在基于已知的mems制造方法制造光学器件1的工艺结束时移动部分2中存在残余应力，所以在没有施加于压电致动器4的电压控制信号的情况下移动部分2的初始位置可以与优选的初始位置不同。例如，移动部分2的初始位置可以使得移动部分2随着距光轴o的距离减小而以向上的曲线延伸，如图2b中所示。特别地，图2b涉及其中移动部分2经受初始应力σi的情况。

更详细地，微透镜8的上表面8'具有面向上的凸面。因此，如果光信号12由平行于光轴o的光线形成，则其被聚焦在微透镜8的焦点上，该焦点与微透镜8相距f1，该距离f1平行于轴线z而被测量。因此，移动部分2内的应力以如下这样的方式起作用：使得移动部分2的初始形状不是上述所期望的类型。

现有技术的缺点在于，基于pzt的压电层的压电致动器4是单晶态型，因此受到与所施加的电压的符号无关的拉应力。特别地，无论施加到压电致动器4的电压是正还是负，压电致动器4都经受拉应力，从而引起移动部分2的相同类型的变形和伴随的微透镜8的弯曲。

在这种上下文中，图2c示出了当移动部分2仍然经受前述初始应力σi并且此外非零电压v被施加到压电致动器4上时的光学器件1。电压v致使移动部分2的更大的向上弯曲和微透镜8的凸面的更大的弯曲，导致微透镜8的焦距的减小，焦距取值f2<f1。

实际上，不可能向压电致动器4施加电压，使得将移动部分2置于所期望的初始位置以实现自动聚焦功能，特别是如果移动部分2必须向下弯曲以便到达所期望的位置。因此需要提供一种克服现有技术的至少一些缺点的解决方案。

技术实现要素：

因此，根据本公开，提供了一种mems器件，其包括膜和能够在多个方向上控制膜的弯曲的致动器。

附图说明

为了使得本公开更容易理解，现在将参照附图仅通过非限制性示例描述优选实施例，其中：

图1示意性地示出了从上方观察的已知类型的光学器件；

图2a至图2c示意性地示出了图1中所示的光学器件在相应的操作条件下的横截面视图，这些截面沿着图1的截面线ii-ii截取；

图3a示意性地且未按比例地示出了部分被移除的从上方观察的根据本公开的一个实施例的mems器件；

图3b示意性地且未按比例示出了沿着图3a的截面线iiib-iiib截取的、图3a的mems器件的横截面图；

图3c示出了图3a和图3b的mems器件的一部分的俯视透视图；

图4示意性地且未按比例地示出了沿图3a的截面线iiib-iiib截取的、图3a至图3c的mems器件的一部分的另一横截面图；

图5a至图5c示意性地且未按比例地示出了沿图3a的截面线iiib-iiib截取的、在相应操作条件下的图3a中所示的光学器件的横截面视图；

图6a示意性地且未按比例地示出了部分被移除的从上方观察的根据另一实施例的mems器件；

图6b示出了图6a的mems器件的一部分的俯视透视图；

图7示出了包括根据本公开的实施例的本mems器件的光学器件的一部分的俯视透视图；

图8示出了包括图7的光学器件的自动聚焦系统的框图；

图9示意性地且未按比例地示出了部分被移除的根据另一实施例的mems器件的横截面图；

图10示意性地且未按比例地示出了部分被移除的根据另一实施例的mems器件的横截面图；

图11是根据本公开另一实施例的包括双厚度膜的压电致动器的横截面图；

图12是图示了用于与图11的致动器结构进行比较的常规压电致动器的结构的横截面图；

图13a至图13g图示了根据本公开实施例的制造具有与图11的致动器类似的结构的压电致动器的工艺；以及

图14是根据本公开另一实施例的包括图11的压电致动器的法布里-珀罗(fabry-perot)干涉仪的简化横截面图。

具体实施方式

申请人已经观察到，用于向下弯曲移动部分的可能解决方案是，在移动部分的中心部分上方提供例如由pzt制成的压电致动器。但是，如果这样做，则移动部分的中心部分被致动器本身所占据；这一事实使得该解决方案不适用于例如其中移动部分的中心部分必须允许辐射通过或者在任何情况下都必须具有与致动器的存在不相容的(例如导电性的)特定特性的各种应用。因此，本mems器件受到这些观察的启发。

详细而言，图3a至图3c示出了mems器件21，其包括支撑体22，支撑体22例如由诸如硅之类的半导体材料制成。

支撑体22由下表面22a和上表面22b来界定。下表面22a和上表面22b平行于平面xy。上表面22b在下表面22a上方延伸，与下表面22a相距例如在50μm和720μm之间的一段距离。

支撑体22界定圆柱形的腔体24。腔体24延伸通过支撑体22的整个厚度，并且关于与轴线z平行的轴线c具有圆柱对称性。腔体24的半径rmembrane例如在0.5mm和20mm之间。

膜26在支撑体22上方延伸。特别地，将膜26的周边部分固定到上表面22b；然而，将膜26的中心部分悬置在腔体24上方。

详细地，膜26由第一介电层28、第一结构层30和第二介电层32形成。

第一介电层28在上表面22b上方延伸，与支撑体22直接接触。详细地，第一介电层28包括相应的周边部分，其被固定到支撑体22，特别是固定到横向地界定腔体24的支撑体22的那部分。

第一结构层30直接接触地在第一介电层28上延伸。另外，第二介电层32直接接触地在第一结构层30上延伸。

第一介电层28由例如通过热生长所产生的二氧化硅、氮化硅、碳化硅或氮氧化硅的绝缘材料制成，并且具有例如1μm和50μm之间的厚度。

第一结构层30由半导体材料(例如硅)或绝缘材料(例如bpsg(“硼磷硅酸盐玻璃”)或usg(“未掺杂的硅玻璃”))制成，并且具有例如1μm至100μm之间的厚度。

第二介电层32由例如通过热生长所产生的二氧化硅的绝缘材料制成，并且具有例如1μm和50μm之间的厚度。

膜26具有孔34，孔34具有圆柱形状并且关于轴线c而被对称地定位。孔34延伸通过膜26的整个厚度并且具有例如在0.2mm和15mm之间的半径rhole。

mems器件21包括第一压电区域36，其在下文中被称为外部压电区域36。mems器件21还包括第二压电区域38，其在下文中被称为内部压电区域38。

如下面更详细描述的，外部压电区域36和内部压电区域38分别形成外部可变形结构或致动器44和内部可变形结构或致动器45。另外，为了便于可视化，图3a和图3b仅示出来用于外部致动器44和内部致动器45中每一个的相应压电区域。出于此原因，外部压电区域36和内部压电区域38中的每一个相对于mems器件21的其他部分的布置仅仅是定性的。

外部压电区域36由pzt形成。外部压电区域36也采用空心圆柱体的形式，并且在膜26上方延伸，如下面更详细地描述的那样，外部压电区域36机械地耦合到膜26。

更详细地，外部压电区域36部分地在膜26的周边部分上方延伸，并因此在支撑体22上方延伸；外部压电区域36也部分地在膜26的中心部分上方延伸，并因此在腔体24上方延伸。

外部压电区域36关于轴线c具有圆柱对称性，并且当从上方观察时，还具有例如1.5μm和3mm之间的长度lext，其中长度lext被定义为外部压电区域36的外圆周的半径和内圆周的半径之间的差异。外部压电区域36也具有例如在0.5μm和10μm之间的厚度。

实际上，当从上方观察时，支撑体22和外部压电区域36在例如具有在0.5μm和20μm之间的长度ovr1的圆环形区域中重叠。

在未示出的其他实施例中，外部压电区域36不与支撑体22重叠；特别地，外部压电区域36的最远离对称轴线c的侧壁可以沿着轴线z在腔体24的壁处对准；备选地，在距离腔体24的壁0.5μm至2μm之间的径向距离处，该侧壁可以相对于腔体24的壁而朝向对称轴线c横向偏移。但是，根据图3b的实施例的外部压电区域36的布置提供更大的压电致动效率。

关于内部压电区域38，其由pzt形成。内部压电区域38也采用空心圆柱体的形式，并且在膜26上方延伸，如下面更详细地描述的那样，内部压电区域38机械地耦合到膜26。

更详细地，内部压电区域38完全在膜26的中心部分上方延伸。另外，内部压电区域38关于轴线c具有圆柱对称性，并且当从上方观察时，具有在例如1.5μm和3mm之间的长度lint。内部压电区域38也具有在例如0.5μm和10μm之间的厚度。

实际上，内部压电区域38被外部压电区域36围绕并且被定位在与外部压电区域36相距一段距离处。更详细地，内部压电区域38和外部压电区域36被布置成以例如0.5μm和500μm之间的距离lgap径向地间隔开。

外部压电区域36和内部压电区域38的长度例如以如下这样的方式被选择：使得内部压电区域38处于与对称轴线c的一径向距离(在对称轴线c和内部压电区域38的最近点之间测量该距离)处，该径向距离等于至少最小距离dmin，其中dmin例如等于腔体24的半径rmembrane的三分之二。因此，例如下面的关系为真：

在这种上下文中，申请人已经观察到前述关系允许了本mems器件的正确的双晶态实施例，同时还使得可以定义膜26的中心部分，其不存在致动器并且可以例如被用来形成用于光学器件的孔或提供电接触。

mems器件21还包括第二结构层40，第二结构层40在膜26下方延伸，第二结构层40机械地耦合到膜26。第二结构层40在下文中被称为“突出区域”40。

突出区域40采用空心圆柱体的形式并且关于轴线c具有圆柱对称性。突出区域40还具有例如0.1μm和10mm之间的长度lhoof。突出区域40由半导体材料(例如硅)或绝缘材料(例如bpsg或usg)制成，并且具有例如10μm和400μm之间的厚度。

当从上方观察时，突出区域40和内部压电区域38部分地在例如具有在0.1μm和50μm之间的长度ovr2的圆环形区域中重叠。突出区域40也关于内部压电区域38而朝向对称轴线c横向突出。相反，当从上方观察时，突出区域40和外部压电区域36径向地间隔开以便不重叠。

在实践中，突出区域40界定对应的腔体39，在下面被称为次腔体39。另外，在没有任何一般性损失的情况下，次腔体39与孔34对准；次腔体39和孔34的侧壁也垂直对准。换句话说，当从上方观察时，次腔体39和孔34具有相同的形状。然而，存在可能的实施例(未示出)，其中，例如，突出区域40关于孔34突出或向后设置。

如图4中所示，mems器件21还包括第一金属层42，第一金属层42在膜26的第二介电层32上方延伸。

第一金属层42由例如氧化铱或铂的导电材料制成，并且具有例如0.01μm和1μm之间的厚度。外部压电区域36和内部压电区域38位于第一金属层42上方，它们与第一金属层42直接接触。第一金属层42还用作外部致动器44和内部致动器45的下电极。

mems器件21还包括第二金属层46和第三金属层47。第二金属层46在外部压电区域36上方延伸，第二金属层46与外部压电区域36直接接触。第三金属层47在内部压电区域38上方延伸，第三金属层47与内部压电区域38直接接触。

第二金属层46和第三金属层47由例如钨钛合金(tiw)、钌、铂或铱的导电材料制成，并且具有例如0.01μm和1μm之间的厚度。因此，第二金属层46和第三金属层47分别用作外部致动器44和内部致动器45的上电极。

mems器件21还包括第三介电层48和第四介电层50。第三介电层48在第二金属层46和第三金属层47上方延伸，并且在第一金属层42的表面上方通过外部压电区域36以及通过内部压电区域38而被保持暴露。第三介电层48还覆盖外部压电区域36、内部压电区域38、第二金属层46和第三金属层47的侧面。

第四介电层50在第三介电层48上方延伸。第三介电层48由例如usg、氮化硅、氮化铝或氧化铝的绝缘材料制成，并且具有在例如0.01μm和2μm之间的厚度。第四介电层50由例如usg、氮化硅、氮化铝或氧化铝的绝缘材料制成，并且具有在例如0.01μm至4μm之间的厚度。

外部致动器44和内部致动器45还包括第四金属层52和第五金属层53，其在第四介电层50上方延伸。第四金属层52和第五金属层53也穿过第三介电层和第四介电层直到它们分别与第二金属层46和第三金属层47接触为止。第四金属层52和第五金属层53中的每一个由例如铝、铜或金的导电材料制成，并且具有在例如0.01μm和10μm之间的厚度。第一金属层42、第四金属层52和第五金属层53连接到图中未示出的相应焊盘，以便能够在使用中提供外部致动器44和内部致动器45的电压控制。

mems器件21还包括钝化层54，其在第四介电层50上方以及在第四金属层52和第五金属层53上方延伸。钝化层54由例如氮化硅、氮化铝或氧化铝的绝缘材料制成，并且具有在例如0.01μm和4μm之间的厚度。钝化层54用作湿气阻挡层。在未示出的其他实施例中，可以不存在钝化层54。

在使用中，在外部致动器44的下电极和上电极之间施加电压在外部压电区域36上引起拉应力；另外，在内部致动器45的下电极和上电极之间施加电压在内部压电区域38上引起拉应力。因此致使膜26的变形，如下面进一步详述的。

图5a至图5c示出了处于相应操作配置中的mems器件21。特别地，图5a示出了外部压电区域36被具有值vext的电压信号偏置而内部压电区域38被具有值vint的电压信号偏置的情况。电压值vext和vint是为了抵消膜26内的应力，使得膜26平行于平面xy延伸。

仅作为示例，假设mems器件21使得当电压值vext和vint为零时，残余拉应力使得膜26以与图2b中所示类似的方式向上弯曲。仅作为示例，还假设施加分别等于0v和5v的电压值vext和vint，以便获得图5a中所示的操作条件。因此，迫使膜26向下弯曲，同时抵消预先存在的弯曲。在这种上下文中，申请人已经观察到：因为由于突出区域40的存在而产生的约束，在内部致动器38下方的膜26的部分中的更大拉应力致使膜26的前述向下弯曲。申请人还观察到：在没有突出区域40的情况下，相反，电压vint的绝对增加将致使膜26的向上弯曲。

在另一方面，图5b示出了这样的情况，其中外部压电区域36被具有值vext'的电压信号偏置，其绝对值大于vext的绝对值，例如等于10v，而内部压电区域38被与在图5a的操作条件中使用的电压信号相同的具有值vint的电压信号偏置。

由于施加到外部压电区域36的电压的绝对值的增加，在外部压电区域36下面的膜26的部分中的更大拉应力致使膜26的向上弯曲。实际上，申请人已经发现：内部压电区域38下方的突出区域40使得可以将膜26的偏转方向相对于仅存在外部压电区域36的情况下可以获得的偏转方向而反转。

在另一方面，图5c示出了这样的情况，其中内部压电区域38被具有例如25v的值vint'的电压信号偏置，其绝对值大于vint的绝对值，而外部压电区域36被与在图5a的操作条件中使用的电压信号相同的具有值vext的电压信号偏置。因此，膜26的向下弯曲恶化。

在实践中，外部致动器36、内部致动器38和突出区域40形成双晶态致动器，尽管这由单晶态压电材料形成。因此，通过调节电压vint和vext的值，膜26可以被赋予期望的弯曲，而与在制造工艺结束时的任何残余弯曲的存在无关。

换句话说，压电致动的mems器件21以受控的方式提供对膜26的初始弯曲的精确控制以及使膜26沿相反方向弯曲的可能性。

图6a和图6b示出了根据另一实施例的mems器件61。特别地，图6b示出了mems器件61的四分之一。下面仅根据与图3a至图3c的mems器件21的不同之处来描述图6a至图6b的mems器件61；另外，除非另有说明，否则共同的元件由相同的附图标记来指示。

详细地，mems器件61包括外部致动系统66和内部致动系统68。

在不失一般性的情况下，内部致动系统68包括十二个内部致动器，每个内部致动器对应于例如由pzt形成的相应的内部压电区域，在此由69指示；外部致动系统66包括十二个外部致动器，每个外部致动器对应于例如由pzt形成的相应的外部压电区域，在此由67指示。

内部压电区域69采用平行六面体的形式，具有(平行于轴线z测量的)例如在0.01μm和10μm之间的厚度，长度li例如在0.05μm和10mm之间，并且宽度wi例如在1μm和2mm之间，其中沿着平行六面体的主延伸方向测量长度li。

外部压电区域67采用平行六面体的形式，具有(平行于轴线z测量的)例如在0.01μm和10μm之间的厚度，长度le例如在0.5μm和10mm之间，并且宽度we例如在1μm和2mm之间，其中沿着平行六面体的主延伸方向测量长度le。

内部压电区域69与对称轴线c径向等距并且以相等的角度间隔隔开。因此，成对的内部压电区域69具有30°的角间距。

外部压电区域67与对称轴线c径向等距并且以相等的角度间隔隔开。因此，成对的外部压电区域67具有30°的角间距。

内部压电区域69和外部压电区域67的角度分布彼此成角度地偏移15°，使得内部压电区域69和外部压电区域67彼此相距一段距离地延伸。换句话说，内部压电区域69在外部压电区域67之间成角度地相互交叉。

内部压电区域69和对称轴线c之间的径向距离小于对称轴线c和外部压电区域67之间的径向距离。

详细地，对于任何内部压电区域69，存在对应平面，该平面包含对称轴线c并且使得内部压电区域69关于该平面对称。另外，在前述平面中截取的mems器件61的横截面中，内部压电区域69与突出区域40重叠的长度等于前述长度ovr2。突出区域40也关于内部压电区域69而朝向对称轴线c横向突出。

对于任何外部压电区域67，存在对应平面，该平面包含对称轴线c并且使得外部压电区域67关于该平面对称。另外，在前述平面中截取的mems器件61的横截面中，外部压电区域67与支撑体22重叠的长度等于前述长度ovr1，并且还关于支撑体22以悬臂的形式延伸，但不与突出区域40重叠。

外部压电区域67和内部压电区域69的长度例如以如下这样的方式被选择：使得内部压电区域69与对称轴线c的径向距离至少等于最小距离dmin，其中dmin例如等于腔体24的半径rmembrane的三分之二。

在附图中未示出的其他实施例中，当从上方观察时，外部压电区域67不与支撑体22重叠。

内部压电区域69可以电连接到单个焊盘(图中未示出)，其被用来控制整个内部致动系统68。在另一个实施例中，内部压电区域69被分成组，每组被连接到相应的焊盘，以便允许独立控制相应组的内部压电区域69。相同的考虑适用于外部致动系统66的外部压电区域67。

图6a和图6b的mems器件61具有优于图3a至图3c的mems器件21的各种优点。例如，与mems器件21的外部致动器36和内部致动器38相比，交叉配置在外部致动系统66和内部致动系统68的设计中提供了更大的灵活性。特别地，在mems器件21中，外部致动器36和内部致动器38的长度受以下关系限制：

lext-ovkl+lint＜rmembrane-rhole

这个限制通过mems器件61的交叉配置克服，这使得外部压电区域67和内部压电区域69都能够在膜26的同一圆环形区域上方延伸。换句话说，外部压电区域67与对称轴线c的最小径向距离可以小于外部压电区域69的最大径向距离。

mems器件61的另一个优点在于：可以独立地控制不同组的外部压电区域67和/或内部压电区域69，以便在膜的变形中获得更大的自由度。

图7示出了光学器件71，其类似于图6a和图6b的mems器件61，并且仅根据与该mems器件61的不同之处进行描述。

详细地，在光学器件71中，由56指示的膜包括二氧化硅(sio2)层，其具有例如在0.1μm和50μm之间的厚度。

光学器件71还包括微透镜72，微透镜72由例如聚二甲基硅氧烷(pdms)的透明软聚合物层构成，其具有例如在1μm和500μm之间的厚度。微透镜72机械地耦合到膜56，并且在膜56下方与支撑体22相距一段距离地延伸。特别地，微透镜72在孔34的整个区域下方并围绕突出结构40延伸，填充次腔体39。膜56和微透镜72之间的机械耦合以如下这样的方式起作用：使得由于内部致动系统68和/或外部致动系统66引起的膜56的偏转致使微透镜72的变形。因此，微透镜72的光学校正的值可以通过内部致动系统68和/或外部致动系统66的电压控制来修改。

光学器件71还包括透明支撑体74，其由例如二氧化硅(sio2)制成，例如具有在1μm至500μm之间的厚度。将透明支撑体74固定到微透镜72，并在微透镜72下方与支撑体22相距一段距离地延伸。因此，当光学器件71在使用中时，光信号——例如平行于轴线z的光束——可以穿过透明支撑体74、微透镜72和孔34。由于透明支撑体74的存在，作为膜56的变形结果，固定到透明支撑体74的微透镜72的表面在mems器件71的使用期间不会变形。

在附图中未示出的另一个实施例中，外部致动系统66和内部致动系统68可以分别由图3a至图3c中所示的mems器件21的外部压电区域36和内部压电区域38代替。

图7的光学器件71的外部致动器66和内部致动器68的交叉配置具有在没有圆柱对称性的情况下能够使微透镜72变形以便校正需要变形的光学像差例如像散的优点。

图8示出了自动聚焦系统81，其包括光学器件71；光学耦合到光学器件71的图像传感器82；电耦合到图像传感器82的图像处理单元84；电耦合到图像处理单元84和光学器件71的控制单元86。

光学器件71接收穿过微透镜72的光信号，形成由图像传感器82检测的图像。图像传感器82例如是已知类型的cmos图像传感器。

图像传感器82基于前述图像而生成第一输出信号，并将其发送到图像处理单元84。图像处理单元84通过已知方法分析图像传感器82的第一输出信号，并基于与第一输出信号相关联的图像的聚焦质量对其指派分数；图像处理单元84还通过已知的自动聚焦算法确定微透镜72的校正值，以用于改善聚焦质量分数。

图像处理单元84生成第二输出信号，其包含关于微透镜72的校正值的前述信息，并且其被发送到控制单元86。控制单元86包括光学器件71的控制电路，该控制电路能够确定可以分别控制外部致动系统66和内部致动系统68的电压值vext和vint，以便提供膜56的偏转，从而致使微透镜72的变形，该变形对应于由图像处理单元84所确定的校正值。例如，控制单元86可以访问查找表，该查找表包括可以由微透镜72提供的每个校正值的一对电压值(vint，vext)。通过到光学器件71的焊盘的电连接(图中未示出)，控制单元86还将外部致动系统66偏置到电压vext并将内部致动系统68偏置到电压vint。

因此，光学系统81实现了可以自动改善图像聚焦质量的反馈方法。

根据以上描述，本mems器件的优点是显而易见的。

特别地，本mems器件使得可以以精确的方式控制膜的弯曲，而与膜的残余应力的类型无关；特别地，本mems器件使得可以在相反方向上使膜偏转，而不需要使用双晶态材料。

致动器的交叉配置还在膜的变形中提供了更大的自由度，例如通过允许破坏圆柱形对称性。

最后，在不脱离本公开的保护范围的情况下，可以清楚地修改和改变在此描述和图示出的内容。

例如，图9示出了根据另一个实施例的mems器件91。下面仅根据与图3a至图3c中的mems器件21的不同之处来描述图9的mems器件91；另外，除非另有说明，否则共同的元件由相同的附图标记来指示。

详细地，在mems器件91中，由96指示的外部致动器包括第一热敏区域92和第二热敏区域93，第一热敏区域92在膜26上方延伸，第一热敏区域92机械耦合到膜26，第二热敏区域93在第一热敏区域92上方延伸。第一热敏区域92例如由铝、铜或金制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之间的厚度；第二热敏区域93例如由铂、钨或钛制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之间的厚度。第一热敏区域92和第二热敏区域93的材料具有不同的热膨胀系数。特别地，第一热敏区域92的材料具有比第二热敏区域93的材料更高的热膨胀系数。

当从上方观察时，第一热敏区域92和第二热敏区域93部分地与支撑体22重叠并且相对于支撑体22以悬臂的形式延伸；第一热敏区域92和第二热敏区域93也相对于突出区域40横向偏移，使得它们不与突出区域40重叠。

另外，在mems器件91中，在此由98指示的内部致动器包括第三热敏区域94和第四热敏区域95，第三热敏区域94在膜26上延伸，第三热敏区域94机械耦合到膜26，第四热敏区域95在第三热敏区域94上方延伸。第三热敏区域94例如由铝、铜或金制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之间的厚度。第四热敏区域95例如由铂、钨或钛制成，并且具有例如在0.1μm和50μm之间的厚度。第三热敏区域94和第四热敏区域95的材料具有不同的热膨胀系数。特别地，第三热敏区域94的材料具有比第四热敏区域95的材料更高的热膨胀系数。当从上方观察时，第三热敏区域94和第四热敏区域95部分地与突出区域40重叠。

当mems器件91在使用中时，外部致动器96通过信号iext进行电流控制，信号iext穿过第一热敏区域92和第二热敏区域93中的至少一个。电流的流动导致第一热敏区域92和第二热敏区域93的温度升高。第一热敏区域92和第二热敏区域93的不同热膨胀系数致使外部致动器96的弯曲，并因此致使膜26的向上弯曲，如图5b中针对mems器件21所示。

在使用中，内部致动器98通过信号iint进行电流控制，信号iint穿过第三热敏区域94和第四热敏区域95中的至少一个。电流的流动致使第三热敏区域94和第四热敏区域95的温度升高。第三热敏区域94和第四热敏区域95的不同热膨胀系数致使内部致动器98的弯曲，并因此致使膜26的向下弯曲，如图5c中针对mems器件21所示。

通常，存在与参照图3a至图3c和图6a至图6b描述的那些相同类型的可能实施例，其中每个压电区域(内部或外部)由对应的一对热敏区域来代替。在这种上下文中，上面参考压电区域描述的几何关系也适用于这些区域被对应的热敏区域对来代替的情况。

另外，图10示出了根据另一实施例的mems器件101。下面仅根据与图3a至图3c中的mems器件21的不同之处来描述图10的mems器件101；另外，除非另有说明，否则共同的元件由相同的附图标记来指示。

详细地，在mems器件101中，此处由106指示的膜完全在腔体24上方延伸，将腔体24与膜106上方的环境隔开。换句话说，膜106不具有孔34。另外，突出区域40的次腔体39的半径大小等于前述半径rhole。在这种情况下，膜106可以由在可见光范围内透明的单层材料形成，例如二氧化硅。另外，次腔体39在上方由膜106的中心部分的内部部分界定。

通常，mems器件101不仅适合于形成光学器件，而且适合于形成开关器件，例如射频开关。

还存在图10中所示类型的可能实施例，然而，其中，当从上方观察时，突出区域被简单地连接；也就是说，突出区域没有腔体。

还存在未示出的可能实施例，其中外部致动器、内部致动器、腔体、突出区域和膜的孔具有除上述实施例中的前述元件的圆柱对称性之外的各种类型的对称性。例如，存在可能的实施例，其中，外部致动器、内部致动器和突出区域中的至少一个采用空心平行六面体的形式，并且膜的孔和腔体中的至少一个采取平行六面体的形式。

本mems器件还存在可能的实施例，其中外部致动器、内部致动器、突出区域、膜的孔和腔体中的至少一个不具有对称性。

图11是根据本公开的另一实施例的包括双厚度膜1102的压电致动器1100的横截面图。在操作中，双厚度膜1102提供膜的增加的移动或偏转，而不需要增加压电致动器1104a、1104b的尺寸或施加到其上的电压，如下面将更详细描述的。在压电致动器1100中，膜1102在支撑体1108中的孔或腔体1106上方延伸，其中膜的周边部分被附接到支撑体的表面1108a。因此，膜1102的中心部分在腔体1106上方延伸，其中膜的周边部分被附接或固定到支撑体1108a的表面1108a。如图11的实施例中所示的xyz轴线所指示的，致动器1104a、1104b使膜1102在平行于z轴的上下方向上变形，这将在下面更详细地描述。

双厚度膜1102包括形成在支撑体1108的上表面1108a上的第一介电层1110，其中腔体1106上方的第一介电层的部分被移除，并且第一介电层的中心部分1110a保留在xy平面中的腔体的中心，如xyz轴线所指示的。此外，双厚度膜1102包括形成在第一介电层1110的中心部分1110a上的第一结构层1112和形成在第一介电层的与腔体1106相对的表面上的第二结构层1114。以这种方式，在腔体1106上延伸的双厚度膜1102在平行于z轴线的方向上具有两个厚度，即对应于第一结构层1112和介电层1110的中心部分1110a的厚度的第一厚度和对应于第二结构层1114的厚度的第二厚度。第二厚度大于第一厚度。

在第二结构层1114的与腔体1106相对的表面上间隔开地形成压电致动器1104a、1104b。每个压电致动器1104a、1104b包括压电堆叠，该压电堆叠具有位于电极对1118a、1118b和1120a、1120b之间的对应的第一压电层1116a、1116b，如所图示的那样。第二压电层1122a、1122b形成在电极1120a、1120b上，并且第三电极1124a、1124b形成在这些第二压电层上。将致动器1104a、1104b定位在膜1102的较薄部分上方，即在具有第二厚度的第二结构层1114的部分上方。因此，在图11的实施例中，电极1118a、1118b形成在第二结构层1114的与腔体1106相对的表面上，并且在平行于x轴线的方向上在一端上部分地在支撑体1108上方并且在与第一端相对的第二端上部分地在第一结构层1112上方延伸。

在操作中，将合适的电压信号施加到压电致动器1104a、1104b的电极1118、1120、1124，以在压电区域1116、1122上引起拉应力，从而以与图3至图5的mems器件21的操作类似的方式致使膜1102的偏转或移动或变形，如本领域技术人员将理解的。由于第一结构层1112的存在，为膜1102提供了大于膜的第一厚度的第二厚度，因此由压电致动器1104a、1104b致使的膜的变形不同于针对均匀厚度的膜，如图12中所示。

图11的致动器1100的膜1102沿平行于x轴线的方向的偏转轮廓通过在致动器的横截面图下方示出的图1126图示出。该偏转轮廓1126图示出了膜1102沿着平行于x轴线的膜的长度在平行于z轴线的方向上的偏转。由于由第一结构层1112提供的膜1102的第二厚度，减小了平行于致动器1104a、1104b之间的膜的中间部分的z轴线的偏转。这在偏转轮廓图1126的中心部分1126a中图示出。相反，压电致动器1104a、1104b下方的膜1102的较薄的第一厚度导致膜的周边部分中的膜向中间部分的左右侧的较大偏转，这在图1126中被标记为部分1126b。

膜1102在膜的周边部分中具有较大的膜1102的偏转或移动的这种偏转轮廓，提供了经历这种较大移动的膜的较大部分或区域，从而改善了致动器1100的性能。例如，在流体泵中利用致动器1100的情况下，致动器1100可以由于膜1102的偏转轮廓而移动更大体积的流体。这与包括如图12中所示的均一厚度膜1202的传统致动器1200形成对比。为了比较两个结构，已经用与致动器1100中的类似组件1102-1126相对应的数字1202-1226来标记该传统致动器1200的所选组件。偏转轮廓1226示出了在该传统致动器1200中，膜1202的中心部分被致动器1204a、1204b偏转最多，而膜的周边部分偏转较小。这种偏转导致整个膜1202的较小区域，即致动器1204a、1204b之间的膜的中心部分，偏转更大的距离，相对于具有双厚度膜1102的致动器1100而言，这降低了致动器1200的整体效率或性能。为了增加膜1202的偏转，可以将增加的电压电平施加到致动器1204a、1204b，但是这种增加的电压可能对耦合到致动器1200的其他组件(未示出)有害。增加膜1202的偏转的另一选项将是增加压电致动器1204a、1204b的尺寸，但是这个解决方案导致更大的整体致动器1200，并且另外，因为这些致动器中的压电材料通常是锆钛酸铅(pzt)，增加这些致动器的尺寸是不希望的，因为增加尺寸导致整个致动器包含更多的铅，在处置包含致动器的设备时这是潜在危险的化合物。

图13a至图13g图示出了制造压电致动器的工艺，该压电致动器具有与根据本公开的实施例的图11的致动器1100相同或类似的结构。该工艺开始于图13a，其中体硅衬底1300具有表面1300a。在该工艺的第一步骤中，通过合适的工艺在表面1300a上形成第一蚀刻停止层1302。第一蚀刻停止层1320用作针对硅衬底1300的后续硅蚀刻的停止层，如下面将更详细描述的。在本公开的实施例中，第一蚀刻停止层1320是使用原硅酸四乙酯(teos)源沉积的热氧化物层或二氧化硅层。在形成第一蚀刻停止层1302之后，在第一蚀刻停止层1302上方和在衬底1300的表面1300a上形成第一外延层1304，如图13b中所示。该第一外延层1304可以通过任何合适的技术来形成，诸如通过低压化学气相沉积(lpcvd)在多晶硅种子层的表面1300a和第一蚀刻停止层1302上形成，随后进行外延生长以形成外延层。在一个实施例中，第一蚀刻停止层1302具有大约1微米(μm)的厚度，并且第一外延层1304约为3微米(μm)厚。层1302、1304和下面讨论的其他层的厚度在与图13a至图13g中所示的z轴线平行的方向上。

在图13b中的外延层1304的形成之后，在第一外延层1304的表面1304a上形成第二蚀刻停止层1306，如图13c中所示。第二蚀刻停止层1306可以由任何合适的材料形成，并且可以通过任何合适的工艺形成，并且用作硅衬底1300的后续硅蚀刻的停止层，如下面更详细描述的。第二蚀刻停止层1306可以是使用teos源沉积的热氧化物层或二氧化硅层。在本公开的实施例中，第二蚀刻停止层1306也约为1微米厚。在形成第二蚀刻停止层1306之后，在第二蚀刻停止层1306的表面1306a上形成第二外延层1308，如图13d中所示。该第二外延层1308可以通过任何合适的技术形成，诸如通过低压化学气相沉积(lpcvd)在多晶硅种子层的表面1306a上形成，随后进行外延生长以形成外延层。在一个实施例中，第二外延层1308约为6微米厚。

在形成第二外延层1308后，形成压电致动器1310a、1310b的压电电堆叠形成在第二外延层的表面1308a上，如图13e中所示。每个压电致动器1310a、1310b包括：形成在表面1308a上的第一电极1312a、1312b，形成在第一电极1312a、1312b上的压电层1314a、1314b，以及形成在压电层1314a、1314b上的第二电极1316a、1316b。在形成压电致动器1310a、1310b之后，在压电致动器和第二外延层1308的表面1308a上方形成钝化层1318，如图13f中所示。另外，在衬底1300的表面1300b上形成合适的掩模1320，诸如光致抗蚀剂，并且将其图案化以允许在衬底和第一外延层1304中形成腔体。更具体地，掩模1320包括部分1320a、1320b，其中在这些部分之间的掩模中具有开口，以暴露衬底1300的表面1300b用于腔体的形成，如将参考图13g更详细地描述的。

在图13g中，执行蚀刻步骤以形成腔体1322，腔体1322为致动器提供由第二外延层1308和在压电致动器1310a、1310b之间的第一外延层1304的剩余部分形成的双厚度膜，如现在将更详细地描述的。蚀刻步骤包括合适的干蚀刻操作，其移除通过掩模1320暴露的衬底1300的部分，并且还移除第一外延层1304的部分。该干蚀刻操作形成腔体1322，如图13g中所示，其中腔体包括也延伸通过第一外延层1304的在左侧和右侧上的部分1322a和1322b。干蚀刻操作将第一外延层1304向上移除直到第二蚀刻停止层1306。

在图13g的实施例中，在该干蚀刻操作之后，蚀刻步骤包括湿蚀刻操作，其移除腔体1322的部分1322a、1322b中的第二蚀刻停止层1306的暴露部分。该湿蚀刻操作还移除在腔体1322的中心部分1322c中的第一蚀刻停止层1302，因为通常第一刻蚀停止层和第二蚀刻停止层都是氧化物。湿蚀刻操作是可选的。如果不执行，则腔体1322的部分1322a、1322b中的每一个将包括腔体的中心部分1322c中的第一蚀刻停止层1302和第二蚀刻停止层1306的暴露部分。在干蚀刻操作期间，第一蚀刻停止层1302防止移除腔体1322的中心部分1322c中的第一外延层1304，如图13g中所示。以这种方式，中心部分1322c中的第一外延层1304的该剩余部分提供待形成的致动器的膜的较厚部分，其中膜对应于第二外延层1308、第二蚀刻停止层1306、在中心部分1322c中的第一外延层1304的剩余部分和在第一外延层的该剩余部分上的第一蚀刻停止层1302。

在图13a至图13g的工艺的另一实施例中，代替层1308是第二外延层，可以改为利用厚氧化物层代替第二外延层。以这种方式，在上面参考图13g讨论的硅干蚀刻操作期间，将不蚀刻该厚氧化物层。又一个实施例可以利用图12的结构，其中在压电致动器1204a、1204b之间的腔体1206的中间添加附接到膜1202的底部的合适结构，以实现类似于图11的结构。在另一实施例中，可以在图11的膜1102的中心生长厚电镀层，以提供在膜的中心具有第二厚度的膜。

根据本申请的实施例所形成的致动器可以用于各种不同的应用，诸如微型泵、喷墨泵、压电微机械超声换能器(pmut)和扬声器。用于图11的双厚度致动器1100和根据图13a至图13g的工艺所形成的双厚度致动器的一个应用是如所示的法布里-珀罗干涉仪中，其中一个如图14中所示。如本领域技术人员所理解的，在法布里-珀罗干涉仪中，调整一对平行镜之间的距离以确定供应给干涉仪的输入信号的频率分量或波长。在图14的简化横截面图中，法布里-珀罗干涉仪1400包括膜1402，膜1402包括通过支撑结构1406而悬置到支撑框架1408的可移动中心部分1404。可移动中心部分1404具有平行于z轴线的厚度，其大于支撑结构1406的厚度。压电致动器1410a、1410b在膜1402的表面1402a上形成并且在膜的较薄支撑结构1406上方延伸。在可移动中心部分1404的表面1400a上还形成第一反射层1412。透射结构1414耦合到支撑框架1408并包括与膜1402的表面1402a相对的表面1414a。第二反射层1416形成在与第一反射层1412相对的表面1414a上，并且抗反射涂层形成在与第二反射层1416相对的透射结构的表面1414b上。抗反射层1420也形成在与第一反射层1412相对的可移动中心部分1404的表面上。

法布里-珀罗干涉仪的操作理论是本领域技术人员完全理解的，并且将仅被简要描述以说明压电致动器1410a、1410b在干涉仪1400中的操作。在操作中，控制压电致动器1410a、1410b以致使膜1402变形，从而改变第一反射层1412和第二反射层1416之间平行于z轴线的距离。包含多个频率或波长的入射电磁信号i在图14中沿平行于z轴线的方向向下传播。例如，信号i可以是红外信号，并且可移动中心部分1404可以是硅，其对红外信号是透明的。信号i传播通过抗反射层1420和可移动中心部分1404并入射在第一反射层1412上。该入射信号i在第一反射层1412上的部分传播通过第一反射层，然后向下传播并且被第二反射层1416反射。这导致驻波，该驻波在反射层1412、1416之间根据反射层1412、1416之间的距离(平行于z轴线)和信号i中包含的频率或波长而生成。反射层1412、1416之间的距离由致动器1410a、1410b控制，并且取决于信号i中存在的频率或波长，对于在这些反射层之间的特定距离，将在反射层之间生成驻波。当反射表面1412之间的距离是包含在信号i中的波长的整数倍时，反射表面1412、1416之间的大驻波导致输出信号iout作为干涉仪1400的输出传播通过反射表面1416然后通过抗反射层1418。以这种方式，控制压电致动器1410a、1410b以改变反射表面1412、1416之间的距离和输出信号iout，输出信号iout被感测以检测信号i中存在的波长。

可以组合上述各种实施例以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。