微机电系统致动器结构的冲击锁定特征的制作方法

本申请要求2016年5月26日提交的名称为“用于mems致动器结构的冲击锁定特征”的美国非临时申请序列号15/165,893的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本公开一般涉及用于微机电系统(mems)的机械抗震结构，更具体地，实施例涉及用于mems致动器结构的冲击锁定特征(shockcagingfeatures)。

技术实现要素：

根据本文所公开技术的各种实施例，其公开了用于在可能导致mems装置的机械冲击的事件期间锁定或以其他方式减小mems装置梁结构所经历的冲击脉冲的结构。在一个实施例中，mems装置包括梁和至少部分地围绕所述梁的硅锁定结构。梁具有包括第一端和第二端的中心部分，直接连接到中心部分的第一端的第一铰链，以及直接连接到中心部分的第二端的第二铰链，其中第一铰链和第二铰链比中心部分薄。硅锁定结构限制了梁在垂直于其长度方向上的最大位移。在实施例中，梁在沿其长度方向上是刚性的并且在垂直于其长度方向上是柔性的，并且梁的长度可以在1到7毫米之间并且宽度可以在10到70微米之间。

在一个实施例中，梁是导电悬臂，并且中心部分是弯曲的并且包括拐点(pointofinflection)。在另一个实施例中，梁是运动控制弯曲部，并且中心部分沿其长度逐渐变细，以使得它在其中心处最宽并且在其端部处最窄。

在一个实施例中，mems装置包括移动框架，并且硅锁定结构是移动框架的一部分。在该实施例的实施方式中，第一铰链和第二铰链中的至少一个联接到移动框架。在该实施例的进一步实施方式中，硅锁定结构可包括：突起，该突起平行于第一铰链或第二铰链并沿着第一铰链或第二铰链的长度延伸，其中该突起限制梁在垂直于其长度方向上的最大位移。

在另一实施例中，mems装置是致动器，梁是致动器的运动控制弯曲部，并且第一铰链和第二铰链中的至少一个联接到致动器的框架。在该实施例的实施方式中，第一铰链联接到致动器的固定框架，并且第二铰链联接到致动器的移动框架。

在另一实施例中，梁的第一铰链和第二铰链中的每一个通过相应的叉形接头在垂直于悬臂的长度方向上联接到中心部分，并且相应的叉形接头包括多个平行梁。在该实施例的一种实施方式中，所述硅锁定结构包括：突起，所述突起平行于所述第一铰链或所述第二铰链并沿所述第一铰链或所述第二铰链的长度延伸，其中所述突起限制所述悬臂在垂直于其长度方向上的最大位移，以及当突起接触其中一个叉形接头时，悬臂达到其最大垂直位移。

在本文所公开技术的又一个实施例中，mems致动器包括：多个硅梁；以及硅锁定结构，所述硅锁定结构至少部分地围绕所述多个硅梁中的每一个，其中所述硅锁定结构限制所述多个硅梁中的每一个在垂直于所述硅梁的长度方向上的最大位移。在该实施例的实施方式中，mems致动器包括移动框架，移动框架包括硅锁定结构的至少一部分，并且多个硅梁中的一个或多个直接联接到移动框架。

如本文所用，术语“约”在定量方面是指正或负10％。例如，“大约10”将包含9-11。此外，当本文结合定量术语使用“约”时，应理解，除了加或减10％的值之外，还预期和描述了定量术语的确切值。例如，术语“约10”明确地考虑，描述并且恰好包括10。

通过以下结合附图的详细描述，本公开的其他特征和方面将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了根据各种实施例的特征。发明内容并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求限定。

附图说明

参考以下附图详细描述根据一个或多个不同实施例的所公开技术。提供附图仅用于说明的目的，并且仅描绘了所公开技术的典型或示例实施例。提供这些附图是为了便于读者理解所公开的技术，而不应视为限制其广度，范围或适用性。应该注意，为了清楚和便于说明，这些附图不一定按比例绘制。

图1a示出了根据所公开技术的示例实施例的梳状驱动器的平面图。

图1b示出了包括图1a中的六个梳状驱动器的双向梳状驱动致动器的平面图。图1a的六个梳状驱动器可以使用根据所公开技术的实施例的抗震运动控制弯曲部。

图1c是第一梳状驱动器的放大视图，所述第一梳状驱动器根据所公开技术的实施例联接到第二梳状驱动器。

图1d示出了用于致动器的锥形运动控制弯曲部，其可以在实施例中用于在机械冲击事件期间吸收惯性载荷。

图1e示出了用于运动控制弯曲部的铰链的设计，其可以在实施例中用于减少在机械冲击事件和正常操作期间由运动控制弯曲部的铰链经受的应力。

图2a示出了根据所公开技术的示例实施例的mems致动器的平面图。

图2b是一示意图，其根据所公开技术的示例实施例示出图2a的致动器的悬臂的横截面视图。

图2c示出了具有叉形接头设计的悬臂，其可以在所公开技术的实施例中实现。

图2d示出了具有s形设计的悬臂，其可以在所公开的技术的实施例中实现。

图2e示出了具有s形设计和叉形接头的悬臂，其可以在所公开的技术的实施例中实现。

图2f示出了可以在图2e的悬臂中使用的叉形接头的替代实施例。

图3a示出了根据所公开的技术的示例性mems致动器，其包括外框架，内框架和冲击止动件。

图3b是图3a的mems致动器的冲击止动件的放大视图。

图3c示出了可以在所公开的技术的实施例中实现的一对冲击止动件。

图3d示出了可以在所公开的技术的实施例中实现的一对冲击止动件。

图4a示出了根据本公开的示例实施例的利用冲击锁定结构的示例性mems多维致动器的一部分的平面图。

图4b示出了根据本公开的实施例用于锁定悬臂的冲击锁定结构。

图4c示出了根据本公开的实施例用于锁定悬臂的冲击锁定结构。

图4d示出了根据本公开的实施例用于锁定运动控制弯曲部的冲击锁定结构。

图4e示出了根据本公开的实施例用于锁定运动控制弯曲部的冲击锁定结构。

图5a示出了mems致动器的机械冲击事件的示例模型，其包括用于其悬臂和运动控制弯曲部的冲击锁定结构。

图5b示出了mems致动器的机械冲击事件的示例模型，其不包括用于其悬臂和运动控制弯曲部的冲击锁定结构。

图6a示出了根据本公开的实施例具有移动框架的致动器，以及安装在致动器上的图像传感器。

图6b示出了用于覆盖图6a的图像传感器的封装壳体，根据本公开的实施例，包装壳体包括用于减小包装壳体和移动框架之间间隙的冲击止动件。

图6c示出了根据本公开的实施例组装的致动器光电封装的横截面。

图6d示出了根据本公开的实施例组装的致动器光电封装的横截面。

图6e示出了根据本公开的实施例组装的致动器光电封装的横截面。

图7是根据所公开技术的各种实施例使用的示例图像传感器封装的分解透视图。

附图并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。应当理解，本发明可以通过修改和改变来实施，并且所公开的技术仅受权利要求及其等同物的限制。

具体实施方式

根据所公开技术的各种实施例，公开了用于在可能导致mems装置的机械冲击事件期间锁定或以其他方式减小mems装置梁结构所经历的机械冲击脉冲的结构。本文描述的锁定结构可以至少部分地围绕悬臂，弯曲部或其他梁结构。这限制了梁在垂直于梁纵轴方向上的运动，从而减少了梁上的应力并防止了机械冲击时可能造成的破损或损坏。

例如，如果具有安装的mems装置的装置(例如，手机)从可能产生显著冲击力(例如，大于一米)的高度落下，则本文公开的锁定结构可以防止损坏当装置撞击地面时，mems致动器的梁结构。通过防止梁在垂直于其长度的情况下经历大振幅振荡或者在跌落的冲击期间过度移动，锁定结构有助于减少梁上的应力。

在实施例中，所公开的冲击锁定结构可以与抗震mems装置结构(例如，抗震梁结构)结合使用。在实施方式中，抗震结构可以减小mems致动器上的负载并且在可能导致对mems致动器的冲击事件期间抵抗变形。因此，通过实施冲击锁定特征与抗震结构的组合，可以提高mems装置的可靠性。

图1-7示出了根据本文公开技术的特定实施例用于移动光电装置的mems致动器，该光电装置可以实现抗震结构。应该注意的是，尽管将主要参考图1-7的示例性mems致动器来描述电阻锁定mems结构，本领域技术人员将理解，本文描述的抗震结构可以在包括可能遭受机械冲击事件的移动梁的其他mems装置中实现。

图1a-1b示出了根据本公开的示例实施例梳状驱动器10以及包括六个梳状驱动器10a-f的双向梳状驱动致动器20的平面图。如图1a所示，每个梳状驱动器10包括梳指状阵列15和16。每个梳指状阵列(combfingerarray)15和16包括相应的脊(14,12)和多个梳状指状物(13,11)。

双向梳状驱动致动器20包括第一和第二框架件22a-22b，以及第一和第二运动控制弯曲部24a-24b。尽管未在图1b中详细示出，可以理解，如图1a所示，对于每个梳状驱动器10a-f，梳状指状物11和13在梳指状阵列15a-f和16a-f中基本上从左向右延伸，反之亦然。而且，应该理解的是，脊12和14基本垂直地从第一框架件22a延伸到第二框架件22b，即基本上与运动控制弯曲部24a-24b平行。参照图1c，其示出了联接到第二梳状驱动器10c的第一梳状驱动器10b。

如该实施例所示，脊14连接到第二框架件22b，而脊12连接到第一框架件22a。在操作期间，当每个梳状驱动器10a-10f的梳指状阵列15和16被静电力吸引或排斥时发生移动，使得第一框架件22a同样在第二框架固定时的方向上移动(例如，在图1b中的正x方向上)。通过研究本公开，本领域技术人员将理解，可以通过除施加电压之外的方法在每对梳指状阵列15和16之间产生静电力和其他动力，而不脱离本发明的精神。例如，可以将电荷施加到梳指状阵列15和16。

在各种实施例中，脊12和14以及第一和第二框架件22a和22b的尺寸可以宽且足够深，以便在施加的静电力或其他动力的范围内足够刚性并且基本上不弯曲。例如，在特定实施例中，脊12和14可以是约20至100微米宽和约50至250微米深，并且第一和第二框架件22a和22b可以大于约50微米宽和约50至250微米深。

在一个实施例中，在梳状驱动致动器20的操作期间，当梳指状阵列15a和16a通电时(例如，以上述方式)，相对于第一和第二框架件22a-22b施加动力，使得第一或第二框架件22a-22b相对于第二或第一框架件22a-22b从初始位置基本水平地移动，这取决于第一和第二框架件22a-22b中的哪一个是机械固定的。一旦梳指状阵列15a和16a不再带电，由于第一和第二运动弯曲部24a和24b的弹簧恢复力，第一或第二框架件22a-22b移回到初始状态。进一步对于该实施方式，除了梳状驱动器10a产生的运动之外，当梳状驱动器10c的梳指状阵列15c和16c通电时，实现了在基本上相反方向上的运动(例如，在图1b中的相反的x方向上)。同样地，可以通过使梳状驱动器10b，10d和10e-f的梳状指状阵列通电来实现这两个方向(即图中的正x方向和负x方向)的双向移动。

在各种实施例中，梳指状阵列15a-f和16a-f的脊12和14可以以不同的配置附接到第一和/或第二框架件22a-b，以实现不同的目的。例如，在一个实施例中，对于每个梳状驱动器10a-10f，脊12连接到第一框架件22a，而脊14连接到第二框架件22b。这样的配置导致梳状驱动器10a-f的并联级联，其可以增加最终施加到第一和第二框架件22a-b的静电力。在另一个示例性实施例中，梳状驱动器10a-10f以背对背的方式布置以实现双向运动，如上所述。虽然上面描述了关于梳状驱动器10a-f，即六个梳状驱动器10这种背对背布置，但是可以使用不同数量的梳状驱动器来实现双向运动。

在一个实施例中，每个梳状驱动器10a-10f的梳指状阵列，例如16a，16c，16e或15b，15d，15f可以连接到公共电位(例如，地或一些其他正或负电压)，作为其他三个梳指状阵列的参考。给定该参考，取决于所需的移动方向，可以使不与公共电位相关联的梳指阵列通电。

例如，考虑梳状驱动器10a-10f的梳指状阵列15a，16b，15c，16d，15e和15f连接到公共地的实施例。在该实施例中，可以通过向梳指状阵列16a施加正或负电压(例如，相对于地或其他公共参考)来实现梳状驱动致动器20的移动，从而使梳指状阵列16a被吸引到梳指状阵列15a。假设第二框架件22b是固定的，在该示例中，该吸引力将使第一框架件22a在图1b中向左移动。对于该图示，带电梳指状阵列15b可能需要向其施加正或负电压15b，因此使梳指状阵列15b被吸引到梳指状阵列16b。在这种情况下，该吸引力将导致第一框架件22a向图1b中的右侧移动，再次假设第二框架件22b是固定的。

在进一步的实施例中，由梳状驱动器10a产生的动力可以不同于由另一个梳状驱动器10b-10f产生的动力。例如，可以将不同大小的电压施加到梳指阵列15b，15d和15f中的一些或全部，或者任何梳指阵列不与公共电位相关联。在一些实施例中，对于梳指阵列15b，15d和15f以维持不同的电压电平或静电或电荷状态，梳指状阵列可以彼此电分离(或隔离)。

每个梳状驱动器10a-10f的第一或第二框架件22a-22b和梳指状阵列15a-f或16a-f的移动可以通过第一和第二运动控制弯曲部24a-24b在某种程度上被引导和/或控制。在该特定实施例中，例如，第一和第二运动控制弯曲部24a-24b在水平方向上(即，在梳指11和13的方向上)基本上是柔性的或柔软的，并且在垂直方向上基本上是硬性的或刚性的(即，在脊12和14的方向上)。因此，第一和第二运动控制弯曲部24a-24b允许梳状驱动器10水平地(即，沿图1b的x方向)实现双向运动，同时基本上限制垂直方向上的移动(即，沿图1b中的y方向)。

在一些实施例中，第一和第二运动控制弯曲部24a-24b的布置可以称为双平行弯曲运动控制。这种双平行弯曲运动控制可以产生几乎线性的运动，但是可能存在称为弓形运动的轻微跳动。然而，梳指11的一侧上的间隙可能不等于梳指11的另一侧上的间隙，并且这可以有利地用于设计以校正诸如双平行挠曲运动控制的弓形运动之类的效果。在实施例中，可以使用另外的结构来控制第一和第二框架件22a-22b相对于彼此的运动。

在所示实施例中，第一和第二弯曲部24a-24b在其相应的端部上包括较薄部分24a-2和24b-2。例如，当第一框架件22a相对于第二框架件22b平移或者反之亦然(即，图1b中的x方向)时，这些较薄部分可以允许弯曲。在实施例中，第一和第二弯曲部24a和24b的较厚部分24a-1和24b-1的尺寸可以被设定为约10至50微米(μm)宽(即，图1b的x方向上的宽度)，并且较薄部分24a-2和24b-2的尺寸可以设定为约1至10μm宽。在各种实施例中，可根据需要使用任何数量和类型的运动控制来控制或限制梳指状阵列15或16的运动。受控运动可增强梳状驱动致动器20实现运动的整体精度，或定位装置，例如，智能手机相机中的图像传感器。另外，受控运动有助于避免梳指11和13咬合在一起的情况。例如，受控运动通常可以通过在梳指15和16的期望运动方向上产生较低水平的刚度来实现，同时在所有不期望的自由度中产生更高水平的刚度，尤其是在与梳状驱动致动器20的平面中的梳指15和16运动正交的方向上。举例来说，这可以使用双平行弯曲型运动控制来完成。

在各种实施例中，运动控制弯曲部24a和24b可以设计成改善mems致动器装置的冲击性能。在这样的实施例中，运动控制弯曲部24a和24b可以设计成在冲击事件期间吸收力或负载(例如，使包含mems致动器的装置掉落)。例如，在特定实施例中，运动控制弯曲部24a和24b可以被设计成由于mems致动器(未示出)的运动阶段和三个梳状阵列对(10a，10c，10e)和(10b，10d，10f)中的至少一个而在惯性负载下存活。在这些实施例的具体实施方式中，该惯性负载可以在200和800mn之间。

图1d示出了锥形运动控制弯曲部24的特定设计，其可以在实施例中用于在冲击事件期间吸收惯性载荷。在实施例中，运动控制弯曲部24可以在进入弯曲状态之前(即，在变形之前)承受100至400mn之间的加载力。

如图所示，运动控制弯曲部24包括两个薄的软铰链24-2和连接两个铰链的宽而硬的杆24-1。在实施例中，杆24-1在x方向上可以在1到4毫米(mm)长之间，在y方向上可以在10到50μm宽之间。在实施例中，铰链24-2在x方向上的长度可以在0.05和0.3mm之间，在y方向上的宽度可以在1到10μm之间。在这些实施例中，铰链24-2的尺寸可以被优化以实现所需的刚度或避免弯曲。如该特定实施例所示，杆24-1沿其长度逐渐变细，使得它在其中心处最宽并且在其端部处最窄。在一些实施例中，该锥形设计允许运动控制弯曲部24在进入弯曲状态之前经受较大的加载力。在该实施例的特定实施方式中，锥形杆24-1在其中心处可以在35和50μm宽之间，并且在其端部处可以在20和40μm宽之间。在一个特定实施例中，刚性杆24-1在其中心处宽约50μm，在其端部处宽约35μm，并且能够在弯曲之前承受约280mn的惯性载荷。在替代实施例中，刚性杆24-1可沿其整个长度均匀地变宽。

图1e示出了用于运动控制弯曲部(例如，弯曲部24)的铰链24-2'的特定设计，其可用于实施例中以减少在冲击事件和正常操作期间由运动控制弯曲部的铰链经受的应力。如图所示，铰链24-2'沿其长度逐渐变细，使得它在其中心处最窄并且在其端部(在y方向上)最宽。例如，铰链24-2'在其中心处可以是约5μm宽，在其端部(在y方向上)可以是约6μm宽。尽管未在图1e中示出，铰链24-2'在z方向上也是锥形的，使得它在其端部最厚并且在其中心处最薄。换句话说，铰链24-2'具有三维沙漏几何形状。沙漏几何形状增加了铰链24-2'的端部上的材料量(例如，端部连接到致动器和弯曲杆)，同时减少了铰链24-2'的中心部分上的材料量。由于铰链24-2'的端部倾向于是运动控制弯曲部的最弱部分，因此沙漏几何形状可能重新分布在冲击事件期间经受的应力，从而导致更耐用的弯曲。

图2a示出了根据本公开的示例实施例的示例性mems多维致动器40的平面图。如该实施例所示，致动器40包括通过一个或多个弹簧元件或弯曲部80连接到内框架46的外框架48(分成四个部分)，四个双向梳状驱动致动器20a-d，以及一个或多个悬臂44a-d，悬臂44a-d包括连接到梳状驱动致动器20a-d一端的第一端和连接到内框架46的第二端。图2a示出了包括四个梳状驱动致动器20的示例致动器40，在其他实施例中，致动器40可包括不同数量的梳状驱动致动器20。

在实施例中，致动器40包括锚42，锚42刚性地连接或附接到一个或多个梳状驱动致动器20的第一和/或第二框架件22a-22b，使得锚42相对于其机械固定。因此，例如，如果第一框架件22a附接到锚32，则第二框架件22b相对于第一框架件22a的移动也可以被认为相对于锚42的移动。

在致动器40的操作期间，梳状驱动致动器20a-d可以在内框架46和锚42之间施加受控制的力。一个或多个梳状驱动致动器20a-d可以刚性地连接或附接到锚42，并且锚42可以是机械地相对于外框架48固定(例如，刚性连接或附接)。在一个实施例中，平台刚性地连接或附接到外框架48和锚固件42。以这种方式，平台可以相对于锚42(和/或反之亦然)机械地固定外框架48。然后，内框架46可相对于外框架48和锚42移动，并且还相对于平台移动。在一个实施例中，平台是硅平台。在各种实施例中，平台是光电器件或图像传感器，例如电荷耦合器件(ccd)或互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。

在实施例中，致动器40的尺寸可以与平台的尺寸基本相同，并且平台可以附接到外框架48和锚42，从而相对于外框架48机械地固定锚42。在致动器40的另一个实施例中，平台小于致动器40，并且平台附接到内框架46。在该特定实施例中，外框架48相对于锚42固定(或刚性连接或附接)，并且内框架46通过各种梳状驱动致动器20a-d移动。

在一个实施例中，两个梳状驱动致动器20a和20d沿致动器40的平面中的第一方向或轴(例如，东/西，或左/右)致动，并且两个梳状驱动致动器20b和20c沿致动器40的平面中的第二方向或轴(例如，北/南，或顶/底)致动。第一和第二方向可以在致动器40的平面中基本上彼此垂直。

梳状驱动致动器20a-d的各种其他配置是可能的。这样的配置可以包括每个梳状驱动致动器20a-d中的更多或更少的梳状驱动器10，以及梳状驱动致动器20a-d的各种定位和/或布置，例如，能够以或多或少的自由度进行致动(例如，呈三角形，五边形，六边形等形式)。

在实施例中，悬臂44a-d在相应的梳状驱动致动器20a-d的相应运动方向上相对较硬，并且在面内正交方向上相对较软。这可以允许梳状驱动致动器20a-d实现内框架46相对于锚固件42并因此相对于外框架48的受控运动。在实施例中，如图2a所示，外框架48不围绕致动器40的周边连续，而是分成碎片(例如，两个，三个，四个或更多个)。或者，在其他实施例中，外框架48可以围绕致动器40的周边连续。类似地，内框架46可以是连续的或可以分成多个部分。

在各种实施例中，电信号可以经由在悬臂44a-d上或在悬臂44a-d中的路由传递到梳状驱动致动器20a-d。在一些情况下，两个或更多个不同的电压可以与梳状驱动致动器20a结合使用。在这种情况下，两个电信号可以分别经由悬臂44a的第一和第二导电层45和47路由到驱动致动器20a。一旦被传送到梳状驱动致动器20a，两个电信号可以例如经由第一框架件22a被路由到梳指状阵列16a和15b。

在致动器40的另一示例实施方式中，用于在梳状驱动致动器20b中产生动力的两个电信号也可用于在梳状驱动致动器20c中产生类似的动力。在这样的实施方式中，不是通过悬臂44c将这两个电信号路由到梳状驱动致动器20c，而是可以将两个电信号从梳状驱动致动器20b路由到梳状驱动致动器20c。举例来说，这可能需要将两个电信号从电接触垫84，通过悬臂44b引导到梳状驱动致动器20b的第一框架件22a。另外，两个电信号可以从第一框架件22a经由弯曲部24a-b(分别)和第二框架件22b到达锚42。然后，两个电信号可以通过锚42路由到梳状驱动致动器20c。应当理解，可以利用各种路由选择来将电信号传递到梳状驱动致动器20a-d。例如，可以在锚42中，在第一或第二框架件22a/b中和/或在第一和第二弯曲部24a/b中使用多个布线层。

图2b是示出根据本公开的示例实施例的悬臂44的一部分的截面图的示意图。如图2b所示，悬臂44包括第一和第二导电层45和47，以及第一和第二绝缘层43和49。在一些示例实施方式中，第一和第二导电层45和47可以用作电信号的布线层，并且可以包括多晶硅和/或金属。绝缘层43和49可以为第一和第二导电层45和47提供结构。在悬臂44的替代实施例中，可以切换导电层和绝缘层的顺序，使得层43和49是导电层，层45和47是绝缘层。

在悬臂44的一个示例实施方式中，绝缘层43和49包括二氧化硅，第二导电层47包括金属，并且第一导电层45包括多晶硅。在该示例的变型中，涂层(例如，氧化物等)可以覆盖第二导电层47，例如，以在与另一导体接触时提供防止短路的绝缘。第二绝缘层49可以是包括氧化物等的薄层。另外，在一些情况下，第一导电层45可以相对较厚(与悬臂44的其他层相比)，并且可以例如包括硅，多晶硅，金属等。在这种情况下，第一导电层45可以比其他层贡献更多的悬臂44的整体特性，包括例如其柔性的性质，程度或方向性。

悬臂44(和悬臂44a-d)的另外的实施例可以包括附加的导电层，使得可以经由悬臂44引导附加的电信号。在一些实施例中，悬臂44a-d可以与弯曲部24a-24b类似的方式制造，尽管两者之间的尺寸可能不同。此外，如本领域技术人员所理解的，可以使用另外的材料来形成悬臂44的各个层。

在各种实施例中，外悬臂44可设计成抵抗机械冲击事件(例如，在包括mems致动器40的装置掉落的情况下)。在这样的实施例中，每个悬臂44可以设计成使得i)在冲击期间经历较小的位移应力；ii)在冲击期间经受较小的径向刚度；iii)承受高负荷而不屈曲。在一些实施例中，外悬臂44可以设计成使得它们在其长度上经历小于约1900mpa的峰值应力，并且在其冲击的情况下沿其宽度小于约2100mpa。图2c-2f示出了可以在本公开的实施例中实现的防震外悬臂的四个示例设计。

图2c示出了具有叉形接头设计的外悬臂44e。如图所示，悬臂44e在其中心包括叉形接头44e-1。在中心处的叉形接头44e-1包括孔44e-2并且比外悬臂44e的侧面44e-3更宽(在y方向上)。在各种实施例中，孔44e-2的宽度(在y方向上)在0.02和0.04毫米之间，叉形接头44e-1的最大宽度在0.06和0.12毫米之间，并且侧面44e-3的宽度在0.012和0.050毫米之间。在进一步的实施例中，悬臂44e的总长度(在x方向上)在4.5和7毫米之间。在替代实施例中，悬臂44e可在其中心处包括额外的叉(并因此包括孔)(例如，3,4等)。

图2d示出了具有s形设计的外悬臂44f。应该注意的是，尽管悬臂44f在图2d中主要沿其长度方向呈直线状，它是弯曲的并且沿其长度具有拐点(因此为“s形”)，可通过增加悬臂44f的柔性，在机械冲击的情况下改善弹性。在该实施例中，悬臂44f的两个根部或连接端44f-1通过较薄部分或铰链44f-2连接到中心部分44f-3。悬臂44f在其根部44f-1处最宽(在y方向上)并且在根部44f-1和中心部分44f-3之间的接头44f-2处最窄。在各种实施例中，悬臂44f的总长度(x1)在4.5和7毫米之间，并且中心部分44f-3的宽度(y1)在0.012和0.030毫米之间。

图2e示出了外悬臂44g，其具有悬臂44f的s形设计，并且在每个端部处具有“牙刷”形或叉形接头44g-1的附加特征，用于减轻悬臂44g上的应力。如图所示，外悬臂44g包括中心部分44g-3，其中端部连接到端部44g-4，端部44g-4连接到根部44g-2。在各种实施例中，悬臂44g的总长度(x1)在4.5和7毫米之间，并且中心部分44g-3的宽度(y2)在0.012和0.030毫米之间。

叉形接头44g-1将中心部分44g-3的每个端部在与悬臂44g的长度垂直(即，y方向)的方向上连接到相应的端部44g-4。每个接头44g-1包括多个梁44g-5，其为接头44g-1提供牙刷的外形轮廓。尽管在该实施例中每个接头44g-1被示出为具有十三个梁44g-5，但是在替代实施例中，在机械冲击事件(例如，通过减少峰值应力)期间，梁44g-5的数量可以减少或增加(例如，从2到15)以改善悬臂44g的性能。如该特定实施例所示，在一个连接处，端部44g-4在其对应的中心部分44g-3的下方(y方向)，而在另一个连接处，端部44g-4在其相应的中心部分44g-3的上方(y方向)。在该特定实施例中还示出了通过中心部分44g-3下方的铰链44g-6附接到端部44g-4的根部44g-2指向上方，而另一根部44g-2指向下方。在特定实施例中，叉形接头44g-1的总宽度(y1)，包括中心部分44g-3的端部，端部44g-4和梁44g-5，在0.040和0.150毫米之间。

图2f示出了叉形接头44g-1'的替代实施例，其可用于代替悬臂44g中的叉形接头44g-1以减轻应力。如该特定实施例所示，悬臂44g的中心部分的端部44g-3'沿其长度(x方向)逐渐变细，使得其宽度(y方向)在朝向悬臂根部(未示出)的方向上减小。端部44g-3'连接到相应的锥形端部44g-4'，锥形端部44g-4'沿其长度逐渐变细，使得其宽度在远离根部的方向上减小。因为两个端部44g-4'和44g-3'的宽度(y方向)沿其连接点显著较小，所以这种锥形设计允许在大致垂直于悬臂44g的方向上具有更大长度的梁44g-5'(y方向)。

铰链44g-6'从根部(未示出)延伸并连接到叉形接头44g-4'。在实施例中，铰链44g-6'可以具有与上面关于图1e的铰链24-2'所描述的相同的三维沙漏几何形状。由于将铰链44g-6'连接到悬臂根部和端部44g-4'的接头可能是外悬臂的最弱部分，因此沙漏几何形状可以重新分布在冲击事件期间经受的应力，从而产生更耐用的悬臂。在实施例中，铰链44g-6'在其中心处可以是大约5μm宽并且在其端部(在y方向上)是大约6μm宽，并且大约0.2mm长(在x方向上)。

返回参考图2a，致动器40包括将内框架46连接到外框架48的一个或多个弯曲部或弹簧元件80。弯曲部80可以是导电的并且在所有运动自由度上可以是柔软的。在各种实施例中，弯曲部80将外框架48上的电接触垫82之间的电信号路由到内框架46上的电接触垫84。这些电信号随后可通过一个或多个悬臂44a-44d路由(route)到一个或多个梳状驱动致动器20。在示例性实施方式中，弯曲部80在一个方向，两个方向，三个方向或所有四个方向上从内框架46出来。

在一个实施例中，致动器40使用mems工艺制造，例如光刻和硅蚀刻。在一些情况下，致动器40在平面中移动 /-150微米，并且弯曲部80可以被设计为容许该运动范围而不彼此接触(例如，使得可以在各种弹簧元件80上布置单独的电信号)。例如，弯曲部80可以是s形弯曲，其厚度在约1至5微米，宽度约1至40微米，在约150至1000微米的平面内。

为了使弯曲部80以低电阻良好地导电，弯曲部80可以包含例如重掺杂的多晶硅，硅，金属(例如铝)，它们的组合，或其他导电材料，合金等。例如，弯曲部80可以由多晶硅制成并涂覆有大约0.2-1微米厚的铝，镍和金的金属叠层。在一个实施例中，一些弯曲部80与其他弯曲部80的设计不同，以便控制外框架48和内框架46之间的运动。例如，四到八个(或一些其它数量)的弯曲部80可具有约10和250微米之间的厚度。这种厚度可以在某种程度上限制外框架48相对于内框架46的平面外移动。

在特定实施例中，弯曲部80是低刚度弯曲部，其在弯曲状态下操作而没有失效，从而允许弯曲部的刚度比在正常状态下操作时柔软几个数量级。在这些实施例中，弯曲部80(即，柔性部分)可以设计成使得柔性部分沿其弯曲方向(即，厚度和宽度)的横截面小，而其长度相对较长。在2015年4月2日提交的题为“lowstiffnessflexure”的美国专利申请no.14/677,730中更详细地描述了弯曲部80的特定实施例。

如上面关于图2a所示，mems致动器可以设计成具有通过多个弯曲部80连接到内框架46的外框架48。在操作期间，内框架46可以在突然冲击的情况下与外框架48碰撞。因此，在实施例中，可以在外框架和内框架中包括冲击止动件，以在发生冲击时保护mems致动器结构。

图3a-3b示出了包括冲击止动件的mems致动器100的一个这样的实施例。如该特定实施例中所示，mems致动器100包括内框架110和外框架120，外框架120可通过多个弯曲部(未示出)联接。如该实施例所示，外框架120包括四个电杆121-124。在其他实施例中，外框架120可以是单件。一对冲击止动件127和111分别对应于外框架120和内框架110。在致动器100的该特定实施例中，存在四对冲击止动件127和111(每个角一个)以在冲击的情况下吸收外框架120和内框架110之间冲击碰撞的动能。然而，如本领域技术人员将理解的，可以在mems致动器或其他mems装置的替代实施方式中实现任何数量的冲击止动件对，其经历装置的两个部分之间的碰撞。

在各种实施例中，冲击止动件127和111可以被设计成最大化它们在撞击时可以吸收的动能的量(例如，当水平或垂直止动件127与止动件111碰撞时)由于冲击事件而不经历永久变形。例如，在实施例中，冲击止动件127和111可以设计成吸收100和400μj之间的组合动能。在特定实施例中，冲击止动件127和111可以吸收300至400μj之间的组合动能。

图3c-3d示出了可以在本文所公开技术的实施例中实现的冲击止动件127和111的两个示例性设计。图3c示出了包括多个圆形交错孔160的冲击止动件127a和111a。在冲击的情况下，止动件127a的表面127a-2接触冲击111a的表面111a-2。如该特定实施例中所示，孔160以集中的六边形图案间隔开。在各种实施例中，圆形孔的直径可以在0.010和0.022毫米之间。在特定实施例中，圆形孔的直径为约16μm。在特定实施例中，冲击止动件127a和111a可以吸收约350μj的组合能量，并且每个在断裂之前变形至约40μm。在冲击止动件127a和11a的替代实施方式中，孔160可以填充有环氧树脂胶或其他能量吸收材料以调节它们的刚度以及吸收能量的能力，和/或以不同的图案(例如，三角形，矩形，线性或其他模式)配置。在各种实施例中，冲击止动件127a的总长度(x1)在0.250和1.000毫米之间，并且冲击止动件127a的总宽度(y1)在0.0250和1.000毫米之间。在各种实施例中，冲击止动件111a的总长度(x2)在0.300和1.200毫米之间，并且冲击止动件111a的总宽度(y2)在0.0250和1.000毫米之间。

图3d示出了包括多个方形交错孔170的冲击止动件127b和111b。如图3c所示，孔170以集中的六边形图案间隔开。在特定实施例中，冲击止动件127b和111b可以吸收约300μj的组合能量，并且每个在断裂之前变形至约15μm。在冲击止动件127b和111b的替代实施方式中，孔170可以填充有环氧树脂胶或其他能量吸收材料以调节它们的刚度以及吸收能量的能力，和/或以不同的图案(例如，三角形，矩形，线性或其他模式)配置。

在本文所公开技术的又一些实施例中，可以实施其他替代的冲击止动件设计以调整它们可以吸收的最大能量以及它们在不破坏的情况下可以移动的最大距离。例如，可以使用水平或垂直狭缝来代替上述孔或与前述孔组合。

图4a示出了根据本公开的示例实施例的利用冲击锁定结构的示例性mems多维致动器200的截面的平面图。如该实施例所示，致动器200包括四个双向梳状驱动致动器20a-d，以及一个或多个悬臂20a-d，其包括连接到双向梳状驱动致动器20a-d的一端的第一端和连接到内部框架250的第二端。与致动器40类似，致动器200可以在由内部框架250和中央锚(未示出)之间的梳状驱动致动器20a-d施加的控制力下以多个自由度移动。

在该实施例中，致动器200另外包括冲击锁定结构400,500,600和700，其限制梳状驱动致动器20a-d的悬臂44a-d和运动控制弯曲部24在垂直于其长度方向上的运动或最大位移。这限制或防止了垂直于梁长度发生的大振幅振荡。在各种实施例中，冲击锁定结构可以是实心硅结构，当它们被悬臂44a-d或运动控制弯曲部24接触时基本上不会移位。在这些实施例的实施方式中，冲击锁定结构被成形为使得悬臂44a-d或运动控制弯曲部24在冲击事件期间接触锁定结构的最大量的表面区域。

如该实施例中所示，致动器200包括四种不同的冲击锁定构造或结构：用于锁定悬臂44a-44d的结构400和500，以及用于锁定运动控制弯曲部24的结构600和700。如本领域技术人员所理解的那样，在各种实施例中，冲击锁定结构不必限于本文所示的精确配置，并且可以实施为限制mems装置中任何移动梁的移动。

冲击锁定结构400和500限制悬臂44a-44d的运动，并且可以形成为内部框架250的一部分或梳状驱动致动器20a-20d的移动框架22a。例如，如该实施例所示，冲击锁定结构400形成为梳状驱动致动器20a-20d的框架22a的移动的一部分，而冲击锁定结构500形成为内框架250的一部分。

冲击锁定结构600和700限制运动控制弯曲部24的运动，并且可以形成为梳状驱动致动器20a-20d的固定或移动框架(例如，框架件22a-22b)的一部分。例如，冲击锁定结构700可以是梳状驱动致动器20a-20d的固定框架22b的一部分，而冲击锁定结构600可以是梳状驱动致动器20a-20d的移动框架22a的一部分。可以通过使梳状驱动致动器20a-20d进一步远离致动器的中心而形成锁定结构。

图4b示出了根据一个实施例用于锁定悬臂44的冲击锁定结构400。锁定结构400(例如，刚性硅结构)围绕悬臂44的端部。在该实施例中，锁定结构400是梳状驱动致动器20的移动框架22a的一部分。

锁定结构400包括位于铰链44g-6'上方的突起420，其平行于铰链并且越过铰链延伸。在该示例中，突起420终止于叉形接头44g-1'的端部44g-4'上方。因此，在冲击的情况下，端部44g-4'接触刚性突起420并且不会在y方向上垂直移位经过刚性突起420。遵循这种配置，薄铰链44g-6'的运动，其可能是悬臂44的最弱部分，在冲击事件期间基本上受到限制。例如，对于锁定结构400，铰链44g-6'可在y方向上移位约10倍。在替代实施例中，突起420可以在叉形接头44g-1'的端部44g-3'上方终止或甚至更进一步。

在各种实施例中可以调整突起420的长度和叉形接头44g-1'与锁定结构420之间的竖直间隙，以最大化所提供的机械冲击保护的量，同时确保悬臂44在常规操作期间具有足够的空间来移动。在特定实施例中，突起420可以在150和300微米长之间，并且端部44g-4'和锁定结构320b之间的间隙(在叉形接头的下方或上方)可以在3和20微米之间。

图4c示出了根据一个实施例用于锁定悬臂44的冲击锁定结构500。锁定结构500(例如，刚性硅结构)围绕悬臂44的端部。在该实施例中，锁定结构500是致动器200的内框架250的一部分。

锁定结构500包括在铰链44g-6'下方的突起520，其平行于铰链并且越过铰链延伸。在该示例中，突起520终止于叉形接头44g-1'的端部44g-4'的下方。因此，在机械冲击的情况下，端部44g-4'接触刚性突起520并且不会在y方向上向下移动经过刚性突起520，或者在y方向上向上移动经过内框架250的壁。遵循这种配置，薄的铰链44g-6'的运动，其可能是悬臂44的最弱部分，在冲击事件期间基本上受到限制。例如，对于锁定结构，铰链44g-6'可在y方向上移位约10倍。在替代实施例中，突起520可以在叉形接头44g-1'的端部44g-3'下方终止或甚至进一步终止。

在各种实施例中可以调整突起520的长度和叉形接头44g-1'与锁定结构500之间的垂直间隙，以最大化所提供的防震保护量，同时确保悬臂44在常规操作期间具有足够的空间来移动。在特定实施例中，突起520可以在150和300微米长之间，并且端部44g-4'和锁定结构500之间的间隙(在叉形接头的下方或上方)可以在3和20微米之间。

图4d示出了根据一个实施例用于锁定运动控制弯曲部24的冲击锁定结构600。锁定结构600(例如，刚性硅结构)围绕运动控制弯曲部24的末端。在该实施例中，锁定结构600是梳状驱动致动器20的移动框架22a的一部分。

锁定结构600包括到铰链24-2侧的突起620，其平行于铰链并且越过铰链延伸。在该示例中，突起620终止于运动控制弯曲部24的杆24-1的一端。因此，在冲击的情况下，杆24-1的端部接触刚性突起620并且不在左侧x方向上水平移位经过刚性突起620或在右侧x方向上经过框架22a。遵循这种配置，薄铰链24-2的运动，其可能是运动控制弯曲部24的最弱部分，在冲击事件期间基本上受到限制。例如，对于锁定结构600，铰链24-2可在x方向上移位约10倍。

突起620的长度和杆24-1的端部与锁定结构600之间的水平间隙可在各种实施例中调整，以最大化所提供的防震保护量，同时确保弯曲部24在常规操作期间具有足够的空间移动。在特定实施例中，突起620可以在100和225微米长之间，并且杆24-1和锁定结构600(杆的左侧或右侧)之间的间隙可以在4和20微米之间。

图4e示出了根据一个实施例用于锁定运动控制弯曲部24的冲击锁定结构700。锁定结构700(例如，刚性硅结构)围绕运动控制弯曲部24的一端。在该实施例中，锁定结构700是梳状驱动致动器20的固定框架22b的一部分。框架22b围绕运动控制弯曲部24的杆24-1的一端。因此，在冲击的情况下，杆24-1的端部不会水平地移过框架的壁。遵循这种配置，薄铰链24-2的运动，其可能是运动控制弯曲部24的最弱部分，在冲击事件期间基本上受到限制。

图5a示出了mems致动器的机械冲击事件期间的示例模型，其包括用于其悬臂44和运动控制弯曲部24的冲击锁定结构。冲击锁定结构限制悬臂44和运动控制弯曲部24所经历的运动。较少的应力被施加于悬臂44和弯曲部24的铰链上。图5b示出了mems致动器的机械冲击事件期间的示例模型，其不包括用于其悬臂44和运动控制弯曲部24的冲击锁定结构。没有冲击锁定结构，悬臂44和运动控制弯曲部24在移动框架之间自由地连接和振荡。悬臂44和运动控制弯曲部24的铰链经受更大的应力。

图6a是示出安装在包括移动框架1100的mems致动器1000上的图像传感器800的顶视图。图6b示出了用于覆盖mems致动器1000上的图像传感器800的封装壳体900。图6c-6e示出了组装的致动器光电封装的横截面，其包括图6a-6b的部件。如图所示，包装壳体900包括冲击止动件910和920，其减小了移动框架1100的部件1150与包装壳体900的后部之间的间隙。止动件910和920可以防止移动框架1100在机械冲击事件中过度地移出平面，其可以使致动器的任何运动控制梁(例如，悬臂)变形。在实施例中，冲击止动件可以由合适的塑料制成。

图7是示出组装的运动图像传感器封装55的分解透视图，其可以使用根据一个实施例的在此描述的机械减震特征。在实施例中，运动图像传感器封装55可以是微型相机的组件(例如，用于移动设备的微型相机)。运动图像传感器封装55可包括但不限于以下部件：基板73；多个电容器和/或其他无源电子元件68；mems致动驱动器69；mems致动器57；图像传感器70；图像传感器帽71；红外(ir)截止滤波器72。基板73可包括具有凹槽65和平面内移动限制特征67的刚性电路板74，以及用作背板66的柔性电路板。刚性电路板74可以由陶瓷或复合材料制成，例如用于制造普通电路板(pcb)或一些其他适当材料的材料。运动图像传感器封装55可包括一个或多个驱动器69。

由于空气的热传导与间隙大致成反比，并且图像传感器70可以消耗100mw和1w之间的大量功率，图像传感器70，mems致动器57的静止部分，mems致动器57的移动部分和后板66之间的间隙保持在小于约50微米。在一个实施例中，背板66可以由具有良好导热性的材料(例如铜)制成，以进一步改善图像传感器70的散热。在一个实施例中，背板66具有大约50至100微米的厚度，并且刚性电路板74的厚度约为150微米至200微米。

虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，而不是限制。同样地，各种图可以描绘用于本发明的示例架构或其他配置，其用于帮助理解可以包括在本发明中的特征和功能。本发明不限于所示出的示例架构或配置，而是可以使用各种替代架构和配置来实现期望的特征。实际上，对于本领域技术人员来说，如何实现替代的功能，逻辑或物理分区和配置以实现本发明的所需特征将是显而易见的。此外，除了这里描述的那些之外的多个不同的组成模块名称可以应用于各种分区。另外，关于流程图，操作描述和方法权利要求，在此呈现步骤的顺序不应强制要求实施各种实施例以按相同顺序执行所述功能，除非上下文另有规定。

尽管以上根据各种示例性实施例和实现描述了本发明，但是应该理解，在一个或多个单独实施例中描述的各种特征，方面和功能不限于它们对于它们所属的特定实施例的适用性。相反，可以单独或以各种组合方式应用于本发明的一个或多个其他实施例，无论是否描述了这些实施例，以及这些特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施例的限制。

除非另有明确说明，否则本文件中使用的术语和短语及其变体应被解释为开放式的而非限制性的。作为前述的例子：术语“包括”应理解为“包括但不限于”等含义；术语“示例”用于提供讨论中项目的示例性实例，而不是其详尽或限制性列表；术语“一”或“一个”应理解为“至少一个”，“一个或多个”等；诸如“常规”，“传统”，“正常”，“标准”，“已知”和类似含义的术语之类的形容词不应被解释为将所描述的项目限制在给定时间段或者可用的项目，但应该阅读包含现在或将来可能获得或已知的惯例，传统，常规或标准技术。同样地，在本文件涉及本领域普通技术人员显而易见或已知的技术的情况下，此类技术包括现在或将来的任何时间本领域技术人员显而易见或已知的技术。

在某些情况下，诸如“一个或多个”，“至少”，“但不限于”或其他类似短语的扩大词和短语的存在不应被理解为在可能缺少这种扩大的短语的情况下，意图或要求较窄的案例。术语“模块”的使用并不意味着作为模块的一部分描述或要求保护的组件或功能都在普通封装中配置。实际上，模块的任何或所有组件，无论是控制逻辑还是其他组件，都可以组合在单个封装中或单独维护，并且可以进一步分布在多个分组或封装中或跨多个位置。

另外，本文阐述的各种实施例是根据示例性框图，流程图和其他图示来描述的。在阅读本文之后，对于本领域普通技术人员将变得显而易见的是可以在不限制所示示例的情况下实现所示实施例及其各种替代方案。例如，框图及其随附的描述不应被解释为强制要求特定的体系结构或配置。