具有堆疊止動元件的MEMS和EMS設備的制作方法
本發明屬于機電設備的技術領域，特別是mems(微米機電系統)或nems(納米機電系統)，尤其是包括毫米、微米甚至是納米尺寸的可移動元件并被電極化的器件，例如靜電傳感器或致動器。
背景技術：
在mems設備中，經常使用吸引力或排斥力，特別是靜電的相互作用來獲得電功能例如致動或檢測。靜電致動器的簡單形式本身是已知的，靜電致動器的簡單形式包括具有至少一個平面區域并彼此相對的兩個電極，在這兩個電極上施加不同的電壓。同樣已知在所述致動器中使用交指型梳狀電極，例如，來覆蓋更大幅度的移動。
mems或nems機電設備的主故障模式之一是可移動元件的靜摩擦力，特別是通過范德華力或經由不同極化的可移動元件的靜電的相互作用。要避免的一種故障模式是微電?。寒敳煌瑯O化的可移動元件被高電勢水平(典型地數十伏特)極化以及/或者當元件相隔很小的距離(典型地在微米或更小的區域中)時可能會發生電弧。此外，這些可移動的元件和相鄰的元件在嚴重和/或重復的沖擊下可能會劣化。
為了克服這些問題，針對布置在同一平面上的這樣兩個平面可移動元件，一種已知解決方案在所述可移動元件將會進行接觸的區域中提供魯棒性的、剛性的、或機械性能靈活的止動元件。因此限制依賴于接觸表面的粘附力。
然而，具有某種極性的止動元件與具有不同極性的元件的接觸，可以生成穿越電流以及靜電放電，其能夠影響致動器的運行功能甚至會對致動器造成不可逆的損壞。微電弧的風險并沒有完全防止。因此，建議將所述止動元件與從其突出的可移動元件進行電絕緣，使得止動元件與相對元件(抵接元件)的接觸不會帶來靜電靜摩擦力或靜電放電的風險。
專利申請us2015/0033849a1描述了能夠在慣性mems傳感器中實施的設備，其包括可移動平面塊和相對的平行感應板。可移動塊和感應板置于不同的電勢之下。為防止在加速時靜電放電或使得可移動塊移動的沖擊事件，感應板載有定向在基本上垂直于感應板平面方向上的止動元件。所述止動元件與感應板電絕緣，并置于和相對的可移動塊的電勢相同的電勢下。然而，只有在可移動元件的相對移動發生在平面外時，該解決方案才是適宜的，垂直于平面可移動元件方向的一個部件(在該示例中是豎直的)可能在兩個可移動元件之間產生接觸，從而具有靜電放電的風險。
技術實現要素：
本發明提出一種針對兩個共面電極的適當的解決方案，這兩個共面電極在mems或nems設備中位于同一層上，在電極的平面內在移動的至少一個第一方向上可相對于彼此移動，所述電極應處于不同的電勢。
本發明的解決方案確?？上鄬τ诒舜艘苿拥倪@兩個元件的運行機械強度，同時在引起其平面內移動的振動或沖擊事件之后還能保有它們的機電功能。
除了包括兩個元件的第一平面層之外，還提出實現與第一層電絕緣并包括可相對于彼此移動、機械地附接至第一層的兩個元件上、能夠被設置為在它們的平面中移動并彼此抵靠的元件的附加層，所述第一平面層中的兩個元件中的至少一個是可移動的并被不同地極化(尤其是電極)，一起確保所需要的機電運行功能。
本發明旨在防止希望保持其功能的兩個不同極化的元件之間的直接接觸，甚至防止所述元件靠得足夠近而產生微電弧現象。因此，即使在振動或沖擊事件中，以及即使所述元件由脆性材料構成，也可以確保所述元件的機械和電氣抗性。
與靜電互相作用有關的風險因此受到簡單而可靠的實施方式的限制，該實施方式適用于微米或納米尺寸的設備以便使所述設備小型化。
因此，本發明涉及一種傳感器或致動器型的mems或nems設備，其包括堆疊，該堆疊具有：第一平面層，該第一平面層包括兩個平面電極，兩個平面電極要處于不同的電勢下，第一電極在平行于第一平面層的第一方向上可相對于第二電極在平面內移動；第二平面層，其疊置在第一層之上，并通過由絕緣材料形成的至少一個中間層與第一層電絕緣，該第二平面層包括機械附接至第一平面電極的第一平面元件和機械附接至第二平面電極的第二平面元件。
該第二層還包括止動元件，該止動元件從這兩個平面元件中的任一個沿著第一上述方向突出，該止動元件要與屬于平面元件中的另一個的相對表面具有相同的電勢。該止動元件在受壓力時能夠與相對平面元件的所述表面進行接觸并且阻止第一平面層的兩個平面電極沿著第一方向朝向彼此移動，以防止兩個平面電極靠得太近。
有利地但不限于此，在非受壓力狀態下，例如在出廠時，堆疊被布置成使得如果考慮止動元件的在電極移動的第一上述方向上在止動元件和相對平面元件之間的自由行程距離的話，則所述自由行程距離小于沿著該相同第一方向上截取的在第一平面電極的任意自由末端和第二平面電極的最近末端之間的最小距離。
然后，在該相同的第一方向上在引起兩個電極相對運動的事件期間，止動元件能夠在第一電極與第二電極接觸之前中斷兩個電極的所述相對移動。
可選地，第一層的平面電極中的至少一個被選為在第一方向上至少部分地變形。然后，電極偏移距離被限定為在該相同方向上可變形電極的最大變形，或如果兩個電極都被選為可在第一方向上變形，則電極偏移距離被限定為兩個電極的最大變形的和。然后電極間的最小距離被認為大于電極的第一自由行程距離和電極偏移距離之和。
可選地，無論是否除了電極的可變形性之外，第二層的平面元件中的至少一個被選為在第一方向上至少可部分地變形。然后平面元件偏移距離被限定為所述平面元件(例如如果所述平面元件載有止動元件，那么止動元件)在該相同方向上的最大偏移，或如果兩個平面元件都被選為可在第一方向上變形的話則平面元件偏移距離被限定為兩個平面元件的最大變形之和。然后電極間的最小距離被認為大于電極的第一自由行程距離和平面元件偏移距離之和。
在一個特別的實施方式中，其中，兩個平面元件之一可在第一方向上部分地變形，第二平面層被在止動元件錨處制成的空腔(盲腔，例如沒有穿過整個堆疊)刺穿。在另一個實施方式中，第二平面層可以與第一平面層累積，也可以不與第一平面層累積，第二平面層被非穿過的空腔沿著抵接(相對止動元件的表面)的外邊緣刺穿。在這兩個實施方式中，平面元件的偏移距離是這兩個空腔的尺寸之和，或如果只制成一個空腔的話則平面元件的偏移距離是該單個空腔的尺寸。
在另一個實施方式中，其中，第一平面元件載有第一止動元件(例如以橫梁的形式)，第二平面元件載有第二類似的止動元件，兩個平面電極和兩個平面元件均可在第一方向上變形?？勺冃涡杂纱┻^堆疊的兩個通腔獲得。
在第一止動元件的錨處制成的第一空腔在第一方向上對應于第一止動元件但不對應于第二止動元件，該第一空腔形成第一柔性條帶，
在第二止動元件的錨處制成的第二空腔在第一方向上對應于第二止動元件但不對應于第一止動元件，該第二空腔形成第二柔性條帶。
然后，第一自由行程距離被限定為止動元件中的一個和抵接之間的最小距離。因此，電極偏移距離是兩個通腔的尺寸之和。
在該最后一個實施方式的一個變型中，其中，維持相同的第一止動元件和第二止動元件，第一通腔在第一平面電極中制成，其在第一方向上對應于第二止動元件中的一個末端，并形成第一柔性條帶，第二通腔也在第一平面電極和第一止動元件的錨處制成，其在第一方向上對應于第一止動元件。因此，兩個通腔并排形成兩個并列的柔性條帶。
然后第一自由行程距離被限定為在第二層中止動元件中的一個和相對表面之間的最小距離。
可選地，例如結合兩個最后的上述實施方式，兩個電極也可在基本上垂直于第一方向的第二方向上相對于彼此移動，第二方向平行于堆疊層。第一平面元件包括第一止動元件，第二平面元件包括第二止動元件。然后堆疊被配置成使得在非壓力狀態下第一平面電極的任意自由末端相對于第二平面電極位于最小距離處，該最小距離大于對應于第二方向的第二自由行程距離，第二自由行程距離被認為是兩個止動元件之間在第二方向上的最小距離。
有利地但不限于此，一個電極包括平板。
有利地但不限于此，一個電極包括靜電梳。
附圖說明
根據以下所述的特定實施例和僅僅解釋為描述性和非限制性的以下附圖，本發明的其他特征、目的和優點將會變得更加明顯。
圖1是第一實施例中止動堆疊的示意圖，其中，從上方看到電極堆疊的堆疊平面。
圖2沿著垂直于堆疊平面的平面再現了圖1所示的設備的截面圖，該截面平面由線a來表示。
圖3以透視分解圖的形式再現了從上方看到的圖1所示的設備。
圖4是第一實施例的變型中止動堆疊的示意圖，其中，從上方看到電極的堆疊平面。
圖5沿著垂直于堆疊平面的平面再現了圖4所示的設備的截面圖，該截面平面由線a來表示。
圖6以俯視透視分解圖的形式再現了圖4所示的設備。
圖7是第一實施例的另一變型中的止動堆疊的示意圖，其示出了電極的堆疊平面俯視圖。
圖8以沿著垂直于堆疊平面的平面再現了圖7所示的設備的截面圖，該截面平面由線a來表示。
圖9以透視分解圖的形式再現了從上方看到的圖7所示的設備。
圖10是第二實施例中的止動堆疊的示意圖，其中，從上方看到電極的堆疊平面。
圖11以沿著垂直于堆疊平面的平面再現了圖10所示的設備的截面圖，該截面平面由線a來表示。
圖12以俯視透視分解圖的形式再現了圖10所示的設備。
圖13是第二實施例的變型中的止動堆疊的示意圖，其示出了電極的堆疊平面俯視圖。
圖14沿著垂直于堆疊平面的平面再現了圖13所示的設備的截面圖，該截面平面由線a來表示。
圖15以俯視透視分解圖的形式再現了圖13所示的設備。
具體實施方式
圖1至圖3示出了mems或nems設備中的分層止動堆疊的第一實施例。
圖1沿著垂直于堆疊的視線示出了堆疊的俯視圖。圖2是側面看到的，沿著垂直于堆疊平面的、由圖1中的點線a和圖3中的雙點線a表示的平面的截面圖。最后，圖3示出了俯視透視分解圖，該俯視透視分解圖示出了平行于方向a以表示圖2的橫截面的兩個方向。
在第一疊加層1上，左電極10包括單件的平面左部分和形成靜電梳的右部分，該靜電梳附接在左部分上。左電極10僅僅在由線a表示的第一方向上被認為是可移動的。與左電極10位置相對的是具有類似設計的右電極11，該右電極具有單件的平面右部分和形成兩個對稱的橫向靜電梳的左部分，兩個對稱的橫向靜電梳能夠與電極10的梳進行靜電相互作用。這里的右電極11被認為是固定的。
針對該第一實施例，當提及電極10的移動或電極10和電極11兩者的相對移動時，只考慮沿著由線a表示的該第一方向的移動。例如，電極10和電極11兩者都由硅制成。在該實施例中，電極10和電極11都被認為在方向a上是不可變形的。
左電極具有與右電極不同的極化，使得在電極10的末端中的任一個和電極11的末端的任一個之間的接觸可以導致短路和/或靜電放電，從而在生成短路之后可能引起對止動堆疊甚至是對控制/讀取電路的不可逆的損壞。此外，存在故障的風險，即使電極10和電極11沒有直接的接觸但是以很小的距離(在一微米的區域中)拉到一起，足以在空氣中產生破壞場并引起微電弧現象。
層3形成一個中間電絕緣層。該層置于層1之下，并且僅能在圖2和3中看到。在這層中左平面絕緣表面已置于電極10的左平面部分之下，右平面絕緣表面已置于電極11的右平面部分之下。層1的包括電極10的梳和電極11的梳的交替齒的中間部分之下沒有位于層3的絕緣元件。
半導體層2布置在層3之下。該子層2包括止動元件。左平面可移動元件20對應于左電極10布置。這里平面可移動元件20在垂直于方向a的方向上和電極10具有相同的寬度。與電極10的左平面部分的右邊緣相比，可移動元件20朝向圖1中的右側，即朝向相對的電極11，延伸更長的距離。因此，可移動元件20朝向右側最遠延伸至止動元件24，該止動元件24附接在可移動元件20上并形成了可移動元件20的右側外邊緣。止動元件24無需跨可移動元件20和電極10的整個寬度延伸。
因此止動元件24在方向a上突出至可移動元件20外側。這里，止動元件24直接位于電極10的下方并特別地位于從所述電極突出的梳的下方。然而，可替選地，止動元件24可以從并不位于梳下方的位置處的可移動元件20突出。例如，止動元件24可以位于電極10的實心左部分之下。
該系統的另一個重要的屬性是，可移動元件20機械地附接在電極10上，特別是可移動元件20在方向a上的平移移動中。在它們在該方向的平移移動中，可移動元件20和電極10由在第一層1和第二層2中(但不在絕緣層3中)實施的懸掛裝置5來保持。這些懸掛裝置5使得電極10和平面元件20能夠相對于位于該懸掛裝置5之后的mems設備的固定部分進行平移，同時保持機械附接。
層3的左平面絕緣表面因此提供電極10與可移動元件20的機械附接。層3的左平面絕緣表面也在電極10和可移動元件20之間產生電絕緣以確保元件10和可移動元件20的電勢在由元件10和20所形成的組件的沿方向a任意位置上都是獨立的。
在層2中，與可移動元件20相對的，特別是與止動元件24相對的，布置有豎直對應于右電極11的右平面可移動元件21。以對左可移動元件20類似的方式，與右電極11的右平面部分相比，可移動元件21經由其左邊緣23，朝向左邊，即朝向電極10延伸更長的距離?？梢苿釉?1附接在電極11上，特別是當在方向a上進行平移移動時。層3的右平面絕緣表面也優選地附接至電極11和可移動元件21。
因此，左邊緣23在方向a上從距離止動元件24距離db處面對止動元件24，這里的距離db為第一自由行程距離。
第一自由行程距離db對應于止動元件24相對于可移動元件23(因此是左電極10相對于右電極11的)在方向a上的移動的最大幅度。如果沖擊引起可移動元件20相對于元件21的移動和電極10相對于電極11的移動，則止動元件24通過抵靠邊緣23來中斷這些元件在方向a上靠近以確保處于最大接近狀態的電極10與電極11的距離不小于距離d2。電極之間的最大接近距離d2考慮了微電弧現象可能在兩個電極10和電極11的相鄰末端之間發生的風險。該距離d2取決于實現方式，特別取決于用于電極10和電極11的電勢水平。該距離特別地在一微米的區域中。該距離d2在圖1至圖3中看不到。因此，在無壓力狀態下(因此當不在最大接近狀態下時)的電極10和電極11之間的最小距離dmin被認為大于在第一方向a上的第一自由行程距離db和取決于實現條件的距離d2之和。在該示例中，電極10和電極11之間在方向a上的該距離dmin是電極10的梳的齒101的右邊緣和電極11的梳的齒102的左邊緣之間的距離，附圖標記101和102在本申請的圖2中被示出。因為電極可以包括例如小尺寸的常規靜電梳，有必要提供非常小的自由行程距離，典型地大約5微米。
更重要的是止動元件24和右可移動元件21的左邊緣23之間的接觸，該接觸不必承擔和與電極10和電極11的兩個自由末端例如末端101和102之間的接觸相同的短路、靜電放電或靜電靜摩擦的風險。在這里所給的示例中，子層2的所有元件都以相同的方式被極化。中間絕緣層3確保層1的元件的電勢和層2的元件的電勢之間是獨立的，盡管這些元件中的一些在方向a上的位置之間確實存在依賴性。
圖4至圖6示出了圖1至圖3所示的第一實施例的第一變型。與圖1至圖3一樣：圖4示出了堆疊的俯視圖，圖5示出了沿著垂直于堆疊的視線的側視圖，即沿著垂直于堆疊平面的、由點線a表示的平面的截面圖，圖6示出了俯視分解透視圖。
電極10和11的層1、層2和層3的實現方式，以及對應的平面元件20和21的實現方式，與圖1至圖3所示的實現方式是類似的。從平面元件20突出的止動元件24的實現方式也是類似的，除了與前述實施例相比該止動元件被制成為柔性元件以外。這里，空腔26形成在止動元件24的錨處，稍稍偏離平面元件20的右側外邊緣。該空腔26沒有跨平面元件20的整個寬度形成，而必須跨嚴格大于止動元件24的寬度的寬度形成，以確保止動元件24在方向a上相對于平面元件20的移動性。因此，止動元件24的任一側的空腔26形成了兩個自由的嵌入條帶。因為止動元件24由其任一側的兩個自由嵌入條帶所保持，因此止動元件24在垂直于方向a(圖中是豎直的)的方向上不是可變形的。抵接(與止動元件24相對的表面23)在方向a上保持不可變形。應當注意的是，這里的柔性止動元件24由兩個自由嵌入條帶形成，但是可以針對機電設備以任意其他已知方式來實施。
兩個平面元件20和21，與機械附接在所述平面元件上的電極10和11一起，能夠在壓力下互相靠近，并由懸掛裝置5保持。如果它們足夠接近，止動元件24可以和相對的表面23進行接觸，然后平面元件20和21仍然可以在向柔性條帶的左側的移動的作用下靠近，然后空腔26被關閉。空腔26僅僅形成在第二平面層中，因為第一平面層在垂直空腔26的上方的位置的空間中并不是實心的(電極的靜電梳的區域)?？涨?6在方向a上的尺寸對應于平面元件偏移距離dfp，如圖5所示，平面元件偏移距離dfp對應于平面元件20在方向a上的最大變形。
因此，響應于壓力，電極10和11，特別是電極10的梳的齒101和電極11的梳的齒102能夠靠近最大距離db(第一自由行程距離)，平面元件偏轉距離dfp被加入該最大距離db。在該第一實施例的該變型中，對堆疊的尺寸進行設計使得在非壓力狀態下在方向a上電極10和11之間的最小距離dmin，這里例如是梳齒101和102之間的距離，大于距離db和dfp之和。因此可以確保的是，即使壓力產生了電極10和11的彼此相向的移動，齒101和102也不會彼此觸碰。還可以考慮微電弧距離d2，低于該距離，則要估計在氣體分離齒101和102的薄層中形成電弧的風險。這種情況下，應該選擇比db+dfp+d2要大的距離dmin，使得即使在兩個電極10和11靠近的狀態下，也可以防止與微電弧有關的故障。
圖7至圖9示出了圖1至圖3所示的第一實施例的第二變型。如圖1至圖3：圖7示出了堆疊的俯視圖，圖8示出了沿著垂直于堆疊的視線的側視圖，即沿著由點線a表示的、垂直于堆疊平面的平面的截面圖，圖9示出了俯視分解透視圖。
在該變型中，層1的電極和止動元件24的形式類似于結合圖1至圖3所描述的形式。
類似于上述的第一變型，在層2中設置柔性條帶以在第一方向a上引起部分的變形。然而，不同于圖4至圖6所描述的第一變型，不在止動元件24的錨處制成空腔。這里，空腔27在面對止動元件24的區域中的平面元件21中制成(即，在抵接的區域)。在可移動平面元件21的左側外邊緣稍稍偏移一點，延長的空腔在垂直于方向a的方向上跨如下寬度形成，該寬度小于平面元件21的總寬度但大于止動元件24的寬度，以形成柔性的雙嵌入條帶，平面元件21的位于空腔27的左側的部分可在第一方向a上變形。這樣形成的柔性條帶在垂直于方向a的方向上(在附圖中是豎直的)是不可變形的，因為其被空腔27的邊緣所保持。止動元件24在方向a上保持不可變形。
這里，兩個平面元件20和21，連同電極10和11(機械附接至所述平面元件上)，也能夠在壓力作用下彼此互相靠近，并由懸掛裝置5保持。如果它們足夠接近，止動元件24則可以和相對的表面23進行接觸，之后，平面元件20和21仍然可以在向柔性條帶的右側的移動的作用下靠近，然后空腔27被關閉。這里空腔27也仍然只能在第二層2中形成，并具有對應于平面元件偏移距離dfp的尺寸，例如圖5所示。平面元件偏移距離表示平面元件21在方向a上的最大變形。
因此，響應于壓力，電極10和11，特別是電極10的梳的齒101和電極11的梳的齒102能夠在最大距離db(第一自由行程距離)上靠近，平面元件偏移距離dfp被加入該最大距離db。在非壓力狀態下在方向a上電極10和11之間的、例如在齒101和102之間獲取的最小距離dmin大于距離db和dfp之和?？蛇x地，如果希望將與微電弧有關的故障風險考慮進去的話，那么可以將電極末端之間的最小距離d2限定為小于該距離時存在所述風險。然后調整堆疊的大小以獲得大于db+dfp+d2之和的dmin。
圖10至圖12示出了分層堆疊的第二實施例，其中，電極和止動元件的實現方式不同于先前描繪的所有附圖。這里示出了電極10’和11’。
沿著垂直于堆疊的視線，在圖10中可以從上方看到堆疊。圖11中的側視圖示出了沿著由圖10中的點線a和圖12中的雙點線a表示的、垂直于堆疊平面的平面的截面圖。最后，圖12示出了俯視透視分解圖，該俯視透視分解圖示出了平行于方向a的以表示圖11的橫截面的兩個方向。
在圖1至圖3中使用的且在上文定義的附圖標記可以在圖10至圖12中重復使用以根據第二實施例指示堆疊中的對應元件。
該第二實施例與第一實施例特別不同之處在于，層1的電極10'和11'以及相對應的平面元件20和21被選擇為在第一方向a上部分可變形。在此提出有利實施例使得圖10至圖12所示的電極的靜電梳在方向a上相對于其載體電極的其余部分是可移動的。
此外，該第二實施例與第一實施例的不同之處還在于，電極10'和11'，特別是靜電梳，在包含于電極10'和11'的平面中的、垂直于方向a的第二方向b上相對于彼此可移動。例如，未在圖中示出的、例如類似于懸掛裝置5的懸掛裝置，可以使得電極10'和11'能夠在方向b上移動。
這里，層1的左電極10'包括左平面部分和在右部分的靜電梳。對稱地，右電極11'包括右平面部分和在左部分的靜電梳。分別對應于電極10'和11'的兩個靜電梳被布置成，使得在非壓力狀態下，它們的齒交指而不彼此觸碰，并且特別地，不在第一方向a或第二方向b上彼此觸碰。
左電極10'與之前實施例中的左電極的不同之處在于，左電極10'的左平面部分被矩形的通腔12刺穿。它被稱為通腔在于，其貫穿了三層1、2和3中的堆疊的整個厚度而制成。因此，該實施例與對應于圖4至圖9的實施例有很大不同，在圖4至圖9中，空腔僅在較低的層2中形成，因此電極10和11在方向a上不可變形。通腔12在電極10'的左平面部分的右側外邊緣14的附近形成，但稍稍偏離邊緣14。該空腔使得外邊緣14能夠形成柔性條帶。柔性條帶能夠通過在對應于電極偏移距離dfe和平面元件偏移距離dfp的最大幅度上沿著方向a平移而對電極10'所經受的振動事件做出反應(因為電極10'的部分和平面元件20的部分在柔性條帶處都是可變形的)。當柔性條帶14在所述平移中移動時，電極10'的形成靜電梳的部分的材料在方向a上不可變形，該靜電梳也能夠在不超過電極偏移距離dfe的幅度上沿方向a平移。柔性帶14在方向b上是不可變形的，因為其由通腔12的邊緣所保持。
以完全類似的方式，右電極11'在其右平面部分的左側外邊緣上設置有通腔13，該通腔產生柔性條帶15。與柔性條帶14類似，柔性條帶15在沿著方向a的平移中可變形等于電極偏移距離dfe的最大幅度。
在該第二示例中，電極10'和11'之間在方向a上的距離dmin在電極10'的梳的齒101'的右邊緣和電極11'的梳的齒102'的左邊緣之間獲取，圖11中示出了附圖標記101'和102'。因為電極10'和11'具有與前述示例中不同的極化，因此重要的是它們不應該接觸，否則存在它們可以損壞系統的機電功能的風險?？梢哉J為，僅僅防止電極進行接觸是不夠的，然而電極的末端也不允許靠得太近(例如，距離大約一微米)以防止微電弧現象。這里，中間層2確保了電絕緣，其作用類似于其在前述示例中的作用。最后，類似于前述示例的層3包括止動元件，該止動元件確保電極10'和11'在振動或沖擊事件期間不會接觸，所述振動或沖擊事件可以使電極10'和11'在第一方向a上相對于彼此移動。
這里所示的子層2的布置不同于前述示例。子層2還包括附接至電極10'的左平面元件20'和附接至電極11'的右平面元件21'，使得平面元件20'和21'在第一方向a上可相對于彼此移動。
不同于圖1至圖3中所示出的左平面元件20，在該示例中，左平面元件20'在電極10'的外邊緣14附近改變了寬度。其具有分支24，該分支形成最遠延伸至止動元件的右端22'的止動元件。與前述示例相比，止動元件24沒有位于子層2中的左平面元件和右平面元件之間的區域中的中間位置，而是位于分支24的右邊緣的位置上，該分支稍微偏離相對的右平面元件21'的邊緣23。
如圖10所示，止動元件24，特別是其末端22'位于通腔12在第一方向a上的延續上，但是不在通腔13的延續上，使得面對著末端22'存在有右元件21'的非可變形部分。此外，通腔12的寬度(在方向b上)大于止動元件24的寬度。因此，止動元件24的錨在方向a上對應于柔性條帶，但其端部22'并不與柔性條帶相對。
對稱地，右元件21'具有從豎直對應于電極11'的外邊緣15并且在通腔13的延續上的邊緣延伸的止動元件25，并且右元件21'具有端部面對著左元件20'的不可變形邊緣的止動元件。因此第二實施例中的止動堆疊包括兩個止動元件24和25。
止動元件24和相對的右平面元件21'的邊緣23'之間的距離，或止動元件25和相對的左平面元件20'的邊緣之間的距離，對應于第一自由行程距離db，其具有與前述示例中的第一自由行程距離db相同的含義。還應當在此注意的是，電極偏移距離dfe(電極處的總偏移的最大值)是歸因于層1中空腔12和13的偏移距離，而平面元件偏移距離dfp(止動元件處總偏移的最大值)是歸因于層2中空腔12和13的偏移距離，該電極偏移距離和該平面元件偏移距離相等。通腔12和13貫穿堆疊的整個厚度具有恒定的尺寸：靜電梳的錨可以在方向a上變形與止動元件的錨相同的長度。
重要的是，第一自由行程距離db使得該第一自由行程距離與電極10'和11'相對于彼此的變形(電極偏移距離dfe)的最大幅度之和小于左電極10'和右電極11'之間在方向a上的最小距離，該第一自由行程距離db對應于末端22'在第一方向a上相對于相對的元件23'的移動的最大幅度(并因此是左電極10'相對于右電極11'的移動的最大幅度)。
因此，當電極10'和11'在內部力(靜電力)或外部力(加速度、沖擊)的作用下靠近時，靜電梳的齒(例如齒101'和102')首先在對應于止動元件24和25的自由行程的距離上朝向彼此靠近。然后，如果繼續靠近，止動元件24的基座，在末端22'相對止動元件24的軸承效應下，可以壓靠位于止動元件24的錨處的柔性條帶14并引起左電極10'的梳的齒的偏移。
因此，應用在此處的尺寸標準比在前述示例中更嚴格，因為當在第一方向a上確定兩個電極10'和11'之間的最小距離時，不僅要考慮由止動元件24的布置所允許的電極10'和11'的第一自由行程距離，還要考慮分別從電極10'和11'突出的兩個靜電梳相對變形的最大幅度。因此，在此由電極10'的梳的齒101'和電極11'的梳的齒102'之間距離表示的兩個電極10'和11'之間的距離dmin必須大于dfe+db。如果希望將電極10'和11'的靜電梳齒之間微電弧的風險考慮進去，可以在電極末端之間限定最小距離d2，小于該最小距離便存在風險。在這種情況下，將堆疊的大小調整為使得dmin大于db+dfp+d2之和。
如果沖擊引起可移動元件20'相對于元件21'移動并且電極10'相對于電極11'移動，該尺寸的一個作用在于使得止動元件24能夠在電極10'能夠足夠靠近電極11'以產生靜電放電或電微電弧從而損壞mems設備之前，通過與右邊緣23'抵接來中斷這些元件在方向a上靠近。
再者，如上所述，電極10'和11'相對于彼此不僅在第一方向a上，而且在垂直于第一方向a的第二方向b上是可移動的。兩個止動元件24和25在該第二方向b上彼此遠離，在方向b上形成第二自由行程距離db'，上文已經描述了所述兩個止動元件24和25相對于平面元件20'和21'的形式和位置。
然后堆疊被布置成使得在非壓力狀態下，第一電極10'在第二方向b上位于距離第二電極11'距離dmin'處，該距離dmin'大于該第二自由行程距離db'，使得這兩個電極不能通過在第二方向b上移動靠近而接觸。
因此，除了在第一方向a上控制電極的最大移動及其尺寸標準之外，還將第二尺寸標準dmin'>db'考慮進來。
具有電極部分變形性的該第二實施例的一個優點在于，其可以用于在沖擊事件之后可能經歷與電極的氣隙相對的大幅度的移動的設備中。特別地，用于高性能應用的mems需要小尺寸的氣隙和較大塊，特別是慣性傳感器，其在與電極氣隙有關的沖擊事件之后會產生大幅度的移動。
圖13至圖15描繪了圖10至圖12所示的第二實施例的變型。
圖13示出了沿著垂直于堆疊的視線的堆疊的俯視圖。圖14的側視圖示出了沿著由圖13中的點線a和圖15中的雙點線a表示的、垂直于堆疊平面的平面的截面圖。最后，圖15示出了俯視透視分解圖，該透視分解圖示出了平行于方向a的以表示圖14的橫截面的兩個方向。
在第二實施例的該變型中，層1的電極的形式類似于以上結合圖10至圖12所描述的形式。層2中的止動元件24和25的形式也保持不變。
然而，在該變型中，僅電極11'可在第一方向a上部分變形，該電極的靜電梳在方向a上相對于其基座可移動。此外，電極10'和11'在垂直于方向a的第二方向b上相對于彼此仍然可移動，該移動包含于這些電極的平面中。
具體地，這里不再提供結合圖10至圖12所描述的在電極10'和下層中制成的通腔12。圖10至圖12的通腔13不存在于圖13至圖15的變型中。這里所描述的堆疊包括兩個通腔13'和13”，這兩個通腔在從電極11'的左側外邊緣位移相同距離而制成，這兩個通腔在方向b上的寬度大于止動元件24和25的末端的寬度，以便在第一方向a上形成兩個柔性條帶15'和15”。
通腔13'被定位成面對止動元件24的末端22'(止動元件24的形式與所描述的第二實施例中的止動元件相同)。通腔13”在止動元件25的錨處形成。兩個通腔13'和13”，以及因此形成的兩個柔性條帶15'和15”，是獨立的并由剛性的隔斷分隔開。再者，延長的止動元件24和25相較于上述第二實施例保持不變。
因此，當兩個電極10'和11'在外部機械壓力的作用下在第一方向a上靠近時，靜電梳的齒(例如，齒101'和102')首先靠近對應于止動元件24和25的第一自由行程距離db的距離，如第二實施例的第一實施方式一樣。
另一方面，如果在第一方向a上繼續靠近的話，靜電梳齒行為的不同之處在于，在沒有圖10至圖12中的實施例的通腔12時，止動元件24的基座不再引起電極10'的梳齒的偏移。
在該處，面對止動元件的末端22'存在新的通腔13'，在相對電極11'的本體中制成的該腔意味著止動元件24的末端22'能夠壓靠柔性條帶15'使得止動元件24在第一方向a上繼續朝向電極11'前進。因此，電極10'的梳的齒可以在與在第二實施例中獲取的偏移方向相反的方向上偏移。不同于在第二實施例中獲取的偏移，在該第三實施例中獲取的偏移不能使得靜電梳齒例如齒101'和102'靠近。
因此，應用在此處的尺寸標準沒有在前述示例中嚴格?？紤]由止動元件24和25的布置所允許的電極10'和11'的第一自由行程距離。由電極10'的梳的齒101'和電極11'的梳的齒102'之間距離表示的、在第一方向a上的兩個電極10'和11'之間的距離dmin必須大于db?？蛇x地，以類似于上述變型的方式，可以考慮電極之間微電弧的風險，在這種情況下，可以在非壓力狀態下在電極之間得到最小距離dmin，該最小距離大于電極的第一行程距離db與距離d2之和，小于該最小距離，估計會存在微電弧的風險。在這種情況下，非壓力狀態下電極的末端之間的最小距離要大于db+d2之和。
此外，因為電極10’和11'在這里不僅在第一方向a上，而且在第二方向b上也可相對于彼此移動，所以止動元件24和25在該第二方向b上的相對位置也是附加尺寸標準的主題。
如果兩個止動元件24和25之間在第二方向b上的第二自由行程距離再次表示為db’，那么堆疊被布置成使得非壓力狀態下第一電極10'在第二方向b上位于距第二電極11'為距離dmin'處，該距離dmin'大于該第二自由行程距離db’。
因此維持第二實施例的第二尺寸標準dmin'>db'。
應當注意的是，如果本文所描述的說明性示例描繪了包括電極并執行系統的預期的機電功能的層，該層堆疊在包括止動元件的層之上以防止電極之間的物理接觸，則可以設想另一種布置，其中，包括電極的層位于包括止動元件的層之下。
技術特征：
1.一種傳感器或致動器型的mems或nems設備，所述mems或nems設備設置有止動堆疊，所述止動堆疊包括：
第一平面層(1)，所述第一平面層包括要處于第一電勢的第一平面電極(10)和要處于不同于所述第一電勢的第二電勢的第二平面電極(11)，
所述第一平面電極(10)在平行于所述第一平面層的第一方向(a)上能夠相對于所述第二平面電極(11)移動，
第二平面層(2)，所述第二平面層疊置在所述第一平面層(1)上，通過由絕緣材料形成的至少一個中間層(3)與所述第一平面層(1)電絕緣，所述第二平面層(2)包括機械附接至所述第一平面電極(10)的第一平面元件(20)和機械附接至所述第二平面電極(11)的第二平面元件(21)，
其特征在于，所述止動堆疊還包括至少一個止動元件(24)，所述至少一個止動元件在所述第一方向(a)上從所述第一平面元件(20)延伸或從第二平面元件(21)延伸并在所述第一方向a上從所述平面元件突出，
從所述平面元件中的一個平面元件延伸的所述止動元件(24)要處于與屬于所述平面元件中的另一個平面元件(21)的相對表面(23)的電勢相同的電勢，
所述止動元件(24)和所述電極被配置成使得在受壓力時所述止動元件(24)與所述相對表面(23)進行接觸并防止兩個平面電極(10，11)在所述第一方向a上朝向彼此移動。
2.根據權利要求1所述的mems或nems設備，其中，所述止動元件和所述電極被配置成使得在非壓狀態下所述第一平面電極(10)的任意自由末端(101)在所述第一方向(a)上位于相對于所述第二平面電極的最近的末端(102)大于第一自由行程距離(db)的最小距離(dmin)處，所述距離被限定為所述止動元件(24)和所述相對表面之間的最小距離。
3.根據權利要求2所述的mems或nems設備，其中，所述最小距離(dmin)大于所述第一自由行程距離(db)和第二預定距離之和，低于所述最小距離會存在使環繞所述電極(10，11)的氣體失去絕緣性質的風險，其中，所述電極的兩個末端(101，102)之間可能短路。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的mems或nems設備，其中，至少一個第一平面電極(11')能夠在所述第一方向(a)上至少部分地變形，所述電極(10'，11')在所述第一方向(a)的最大可能變形之和對電極偏移距離(dfe)進行限定，所述最小距離(dmin)大于所述第一自由行程距離(db)和所述電極偏移距離(dfe)之和。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的mems或nems設備，其中，至少一個第一平面元件(20)能夠在所述第一方向(a)上至少部分地變形，所述平面元件(20，21)在所述第一方向(a)上的最大可能變形之和對給定的平面元件偏移距離(dfp)進行限定，所述最小距離(dmin)大于所述第一自由行程距離(db)和所述平面元件偏移距離(dfp)之和。
6.根據權利要求5所述的mems或nems設備，其中，兩個所述平面元件(20，21)中的至少一個能夠在所述第一方向(a)上部分地變形，
所述第二平面層(2)被在所述止動元件(24)的錨處制成的空腔(26)刺穿，和/或所述第二平面層(2)被沿著所述止動元件(24)的所述相對表面(23)的外邊緣制成的空腔(27)刺穿，
所述平面元件偏移距離(dfp)被限定為兩個所述空腔(26，27)在所述第一方向(a)上的尺寸之和，或可選地被限定為在所述第二平面層(2)中制成的單個空腔在第一方向上的尺寸。
7.根據權利要求4和5結合所述的mems或nems設備，其中，兩個所述平面電極(10'，11')和兩個所述平面元件(20，21)能夠在所述第一方向(a)上變形，所述第一平面元件(21)載有第一止動元件(25)，所述第二平面元件(20)載有第二止動元件(24),
第一通腔(13)在所述第一止動元件(25)的錨處穿過所述堆疊的整個高度而制成，在所述第一方向(a)上與所述第一止動元件(25)對應而在所述第一方向(a)上與所述第二止動元件(24)不對應，所述第一通腔形成第一柔性條帶(14)，
第二通腔(12)在所述第二止動元件(24)的錨處穿過所述堆疊的整個高度而制成，在所述第一方向(a)上與所述第二止動元件(24)對應而在所述第一方向(a)上與所述第一止動元件(25)不對應，所述第二通腔形成第二柔性條帶(15)，
所述第一自由行程距離(db)被限定為所述第一止動元件(25)和所述相對表面之間的最小距離，所述電極偏移距離(dfe)被限定為兩個所述通腔(12，13)在所述第一方向(a)上的尺寸之和。
8.根據權利要求4和5結合所述的mems或nems設備，其中，所述第一平面元件(21)載有第一止動元件(25)，所述第二平面元件(20)載有第二止動元件(24),
并且其中，第一通腔(13')穿過所述第一平面電極(11')中的所述堆疊的整個高度而制成，所述第一通腔在所述第一方向(a)上與相對的所述第二止動元件(24)的一個末端(22')對應，所述第一通腔形成第一柔性條帶(15')，
第二通腔(13”)在所述止動元件(25)的錨處在所述第一方向(a)上穿過所述第一平面電極(11')中的所述堆疊的整個高度而制成，所述第二通腔在所述第一方向(a)上與所述第一止動元件(25)對應，所述第二通腔形成第二柔性條帶(15”),
所述第一自由行程距離(db)被限定為所述第一止動元件(25)和所述相對表面之間的最小距離。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的mems或nems設備，其中，兩個所述平面電極在基本垂直于所述第一方向(a)的第二方向(b)上也能夠相對于彼此移動，
所述第二方向(b)平行于包含所述電極的所述平面層(1)，
并且其中，所述第一平面元件(21)載有所述第一止動元件(25)，所述第二平面元件(20)載有所述第二止動元件(24)，
所述堆疊被配置成使得在非壓力狀態下，所述第一平面電極(11')的任意自由末端在所述第二方向(b)上位于相對于所述第二平面電極(10')的最小距離(dmin’)處，所述最小距離大于第二自由行程距離(db’)，所述第二自由行程距離(db’)被限定為在所述第一止動元件和所述第二止動元件(24,25)之間在所述第二方向(b)上的所述最小距離。
10.根據前述權利要求中任一項所述的mems或nems設備，其中，一個電極包括平板和/或其中，一個電極包括靜電梳。
技術總結
本發明涉及一種具有堆疊止動元件的傳感器型或致動器型MEMS或EMS設備，包括：第一平面層，其具有要處于第一電勢的第一平面電極和要處于不同于第一電勢的第二電勢的第二平面電極，所述第一平面電極可在平行于第一平面層的第一方向上相對于第二平面電極移動；第二平面層，其位于第一平面層的頂部并通過由絕緣材料制成的至少一個中間層與第一平面層電絕緣，第二平面層包括機械固定至第一平面電極的第一平面元件和機械固定在第二平面電極的第二平面元件，其特征在于還包括在第一方向上從第一平面元件或第二平面元件延伸并在第一方向上從所述平面元件突出的至少一個止動元件，止動元件從平面元件中之一延伸，平面元件中之一要與屬于另一個平面元件的相對表面處于相同電勢，以及止動元件和電極還被設計成在受壓力時止動元件與相對表面進行接觸并阻止兩個平面電極在第一方向上朝向彼此移動。
