[发明专利]温度补偿微型电动机械结构以及补偿环境温度变化的作用的方法

说明书

本发明涉及微型电动机械结构，更具体地说，涉及温度补偿热致动微型电动机械结构以及相关方法。

由于这些装置提供的大小、成本与可靠性优势，微型电动机械结构(MEMS)以及其他微型工艺装置目前正发展为广泛的应用。创造了许多不同种类的MEMS装置，包括微型传动机构、微型马达，以及其他能够运动或施加力的微型机械装置。这些MEMS装置可利用于多种应用中，包括但不限于利用MEMS泵或阀的水力应用以及包括MEMS光阀与快门的光学应用。

MEMS装置依靠各种技术以提供在微结构内引起所需运动的必要的力。例如，利用悬臂施加机械力以便转动微型机械的弹簧和齿轮。此外，一些微型马达由电磁场驱动，而其他微型电动机械结构由压电或静电力致动。最近，已经开发了由致动器或其他MEMS元件的受控热膨胀致动的MEMS装置。例如，美国专利申请序列号08/767,192；08/936,598以及08/965,277，这些专利已经转让给本发明的受让人MCNC，这些专利描述了各种类型热致动MEMS装置。每一专利申请的内容在此作为参考。这些专利申请中描述的热致动器包括由硅或金属材料构成的拱梁，当加热时进一步拱弯或反向弯曲，从而产生运动力。这些专利申请还描述了各种类型的的直接或间接的加热机构，这些机构用于加热梁杆引起进一步拱起，使得热致动时热致动器结构相对于其他微电子结构运动。

实际使用中，应用每种MEMS装置需要精确的控制及可靠的运动。在与MEMS结构相联系的微米级尺寸的条件下，稳定及可预测的运动特性是极其重要的。MEMS装置的运动特性会受到内部因素-诸如用来制造MEMS装置的材料类型，MEMS装置的尺寸与结构，以及半导体加工工艺变化所引起的效果的影响。所有这些内部因素在一定程度上均可由MEMS设计工程师予以控制。此外，运动特性可能受到外部因素，诸如MEMS装置的工作环境温度波动的影响，这是不能由MEMS设计工程师予以控制的。尽管所有上述因素均影响MEMS装置精确与可预测地运动的能力，但对不同的装置这些因素的影响程度可能不同。例如，尽管热致动MEMS装置受所有上述因素影响，但对工作环境温度的变化尤其敏感，因为它们是热驱动装置。

更具体地说，由于MEMS装置不仅响应主动加热或冷却所引起的热致动而运动，而且还响应由于工作环境温度的变化而运动，因而热致动MEMS装置可能不可预测或错误地动作。如果环境温度非常高，MEMS装置中设计为响应热致动而运动的零件可能会运动过度。另一方面，在非常低的环境温度中，热致动MEMS装置中设计的运动零件可能会不能充分地响应热致动而运动。在每种温度极端情况下，MEMS装置的各零件彼此间相对保持可预测的位置可能都困难。因此环境温度的作用会影响可靠性并限制MEMS热致动器可能的应用。本领域技术人员能够理解由于半导体加工工艺变化引起的残余应力以及MEMS装置内的结构差异会引起同样的问题。

因此，尽管已经开发了一些热致动MEMS装置，仍然有必要开发即使暴露在显著的环境温度波动下仍能更加可靠或更加精确地开动的其他类型的热致动结构。因而，这些MEMS结构能够适于更加广泛的应用。具有这些特性的MEMS结构将更加适合于许多应用，它们包括但不限于：开关、继电器、可变电容器、可变电阻器、阀、泵、光反射镜阵列、以及电磁衰减器。

本发明提供温度补偿微型电动机械结构及有关方法，它们至少满足部分上述要求并提供一些有利特性。根据本发明，温度补偿MEMS结构包括一个主动微致动器与一个诸如温度补偿微致动器或框架的温度补偿元件。主动微致动器与各自的温度补偿元件适合于响应由环境温度变化导致的热致动而一致地运动。主动微致动器同样适合于响应主动微致动器温度的主动改变而运动，例如响应主动微致动器的主动加热而运动。由于主动微致动器与各自的温度补偿元件适合于响应环境温度的变化而协同运动，因而能在主动微致动器的温度没有主动改变的情况下在一定范围的环境温度内基本保持预定的空间或位置关系。例如，当环境温度变化时能保持主动微致动器与温度补偿微致动器之间预定的空间关系。在一个包括一个框架的供选的实施方案中，当环境温度变化时主动微致动器的一部分相对于下面的微电子衬底能保持相同的相对位置。

因此，本发明的温度补偿微型电动机械结构能将由主动微致动器温度的主动改变而驱动的主动微致动器的运动同由环境温度的改变所引起的主动微致动器的运动分离开来。照此，由于排除了环境温度变化的影响，本发明的温度补偿微型电动机械结构能比常规微型电动机械结构工作得更加精确。