具有堆叠止动元件的MEMS和EMS设备的制作方法
本发明属于机电设备的技术领域，特别是mems(微米机电系统)或nems(纳米机电系统)，尤其是包括毫米、微米甚至是纳米尺寸的可移动元件并被电极化的器件，例如静电传感器或致动器。
背景技术：
在mems设备中，经常使用吸引力或排斥力，特别是静电的相互作用来获得电功能例如致动或检测。静电致动器的简单形式本身是已知的，静电致动器的简单形式包括具有至少一个平面区域并彼此相对的两个电极，在这两个电极上施加不同的电压。同样已知在所述致动器中使用交指型梳状电极，例如，来覆盖更大幅度的移动。
mems或nems机电设备的主故障模式之一是可移动元件的静摩擦力，特别是通过范德华力或经由不同极化的可移动元件的静电的相互作用。要避免的一种故障模式是微电弧：当不同极化的可移动元件被高电势水平(典型地数十伏特)极化以及/或者当元件相隔很小的距离(典型地在微米或更小的区域中)时可能会发生电弧。此外，这些可移动的元件和相邻的元件在严重和/或重复的冲击下可能会劣化。
为了克服这些问题，针对布置在同一平面上的这样两个平面可移动元件，一种已知解决方案在所述可移动元件将会进行接触的区域中提供鲁棒性的、刚性的、或机械性能灵活的止动元件。因此限制依赖于接触表面的粘附力。
然而，具有某种极性的止动元件与具有不同极性的元件的接触，可以生成穿越电流以及静电放电，其能够影响致动器的运行功能甚至会对致动器造成不可逆的损坏。微电弧的风险并没有完全防止。因此，建议将所述止动元件与从其突出的可移动元件进行电绝缘，使得止动元件与相对元件(抵接元件)的接触不会带来静电静摩擦力或静电放电的风险。
专利申请us2015/0033849a1描述了能够在惯性mems传感器中实施的设备，其包括可移动平面块和相对的平行感应板。可移动块和感应板置于不同的电势之下。为防止在加速时静电放电或使得可移动块移动的冲击事件，感应板载有定向在基本上垂直于感应板平面方向上的止动元件。所述止动元件与感应板电绝缘，并置于和相对的可移动块的电势相同的电势下。然而，只有在可移动元件的相对移动发生在平面外时，该解决方案才是适宜的，垂直于平面可移动元件方向的一个部件(在该示例中是竖直的)可能在两个可移动元件之间产生接触，从而具有静电放电的风险。
技术实现要素：
本发明提出一种针对两个共面电极的适当的解决方案，这两个共面电极在mems或nems设备中位于同一层上，在电极的平面内在移动的至少一个第一方向上可相对于彼此移动，所述电极应处于不同的电势。
本发明的解决方案确保可相对于彼此移动的这两个元件的运行机械强度，同时在引起其平面内移动的振动或冲击事件之后还能保有它们的机电功能。
除了包括两个元件的第一平面层之外，还提出实现与第一层电绝缘并包括可相对于彼此移动、机械地附接至第一层的两个元件上、能够被设置为在它们的平面中移动并彼此抵靠的元件的附加层，所述第一平面层中的两个元件中的至少一个是可移动的并被不同地极化(尤其是电极)，一起确保所需要的机电运行功能。
本发明旨在防止希望保持其功能的两个不同极化的元件之间的直接接触，甚至防止所述元件靠得足够近而产生微电弧现象。因此，即使在振动或冲击事件中，以及即使所述元件由脆性材料构成，也可以确保所述元件的机械和电气抗性。
与静电互相作用有关的风险因此受到简单而可靠的实施方式的限制，该实施方式适用于微米或纳米尺寸的设备以便使所述设备小型化。
因此，本发明涉及一种传感器或致动器型的mems或nems设备，其包括堆叠，该堆叠具有：第一平面层，该第一平面层包括两个平面电极，两个平面电极要处于不同的电势下，第一电极在平行于第一平面层的第一方向上可相对于第二电极在平面内移动；第二平面层，其叠置在第一层之上，并通过由绝缘材料形成的至少一个中间层与第一层电绝缘，该第二平面层包括机械附接至第一平面电极的第一平面元件和机械附接至第二平面电极的第二平面元件。
该第二层还包括止动元件，该止动元件从这两个平面元件中的任一个沿着第一上述方向突出，该止动元件要与属于平面元件中的另一个的相对表面具有相同的电势。该止动元件在受压力时能够与相对平面元件的所述表面进行接触并且阻止第一平面层的两个平面电极沿着第一方向朝向彼此移动，以防止两个平面电极靠得太近。
有利地但不限于此，在非受压力状态下，例如在出厂时，堆叠被布置成使得如果考虑止动元件的在电极移动的第一上述方向上在止动元件和相对平面元件之间的自由行程距离的话，则所述自由行程距离小于沿着该相同第一方向上截取的在第一平面电极的任意自由末端和第二平面电极的最近末端之间的最小距离。
然后，在该相同的第一方向上在引起两个电极相对运动的事件期间，止动元件能够在第一电极与第二电极接触之前中断两个电极的所述相对移动。
可选地，第一层的平面电极中的至少一个被选为在第一方向上至少部分地变形。然后，电极偏移距离被限定为在该相同方向上可变形电极的最大变形，或如果两个电极都被选为可在第一方向上变形，则电极偏移距离被限定为两个电极的最大变形的和。然后电极间的最小距离被认为大于电极的第一自由行程距离和电极偏移距离之和。
可选地，无论是否除了电极的可变形性之外，第二层的平面元件中的至少一个被选为在第一方向上至少可部分地变形。然后平面元件偏移距离被限定为所述平面元件(例如如果所述平面元件载有止动元件，那么止动元件)在该相同方向上的最大偏移，或如果两个平面元件都被选为可在第一方向上变形的话则平面元件偏移距离被限定为两个平面元件的最大变形之和。然后电极间的最小距离被认为大于电极的第一自由行程距离和平面元件偏移距离之和。
在一个特别的实施方式中，其中，两个平面元件之一可在第一方向上部分地变形，第二平面层被在止动元件锚处制成的空腔(盲腔，例如没有穿过整个堆叠)刺穿。在另一个实施方式中，第二平面层可以与第一平面层累积，也可以不与第一平面层累积，第二平面层被非穿过的空腔沿着抵接(相对止动元件的表面)的外边缘刺穿。在这两个实施方式中，平面元件的偏移距离是这两个空腔的尺寸之和，或如果只制成一个空腔的话则平面元件的偏移距离是该单个空腔的尺寸。
在另一个实施方式中，其中，第一平面元件载有第一止动元件(例如以横梁的形式)，第二平面元件载有第二类似的止动元件，两个平面电极和两个平面元件均可在第一方向上变形。可变形性由穿过堆叠的两个通腔获得。
在第一止动元件的锚处制成的第一空腔在第一方向上对应于第一止动元件但不对应于第二止动元件，该第一空腔形成第一柔性条带，
在第二止动元件的锚处制成的第二空腔在第一方向上对应于第二止动元件但不对应于第一止动元件，该第二空腔形成第二柔性条带。
然后，第一自由行程距离被限定为止动元件中的一个和抵接之间的最小距离。因此，电极偏移距离是两个通腔的尺寸之和。
在该最后一个实施方式的一个变型中，其中，维持相同的第一止动元件和第二止动元件，第一通腔在第一平面电极中制成，其在第一方向上对应于第二止动元件中的一个末端，并形成第一柔性条带，第二通腔也在第一平面电极和第一止动元件的锚处制成，其在第一方向上对应于第一止动元件。因此，两个通腔并排形成两个并列的柔性条带。
然后第一自由行程距离被限定为在第二层中止动元件中的一个和相对表面之间的最小距离。
可选地，例如结合两个最后的上述实施方式，两个电极也可在基本上垂直于第一方向的第二方向上相对于彼此移动，第二方向平行于堆叠层。第一平面元件包括第一止动元件，第二平面元件包括第二止动元件。然后堆叠被配置成使得在非压力状态下第一平面电极的任意自由末端相对于第二平面电极位于最小距离处，该最小距离大于对应于第二方向的第二自由行程距离，第二自由行程距离被认为是两个止动元件之间在第二方向上的最小距离。
有利地但不限于此，一个电极包括平板。
有利地但不限于此，一个电极包括静电梳。
附图说明
根据以下所述的特定实施例和仅仅解释为描述性和非限制性的以下附图，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更加明显。
图1是第一实施例中止动堆叠的示意图，其中，从上方看到电极堆叠的堆叠平面。
图2沿着垂直于堆叠平面的平面再现了图1所示的设备的截面图，该截面平面由线a来表示。
图3以透视分解图的形式再现了从上方看到的图1所示的设备。
图4是第一实施例的变型中止动堆叠的示意图，其中，从上方看到电极的堆叠平面。
图5沿着垂直于堆叠平面的平面再现了图4所示的设备的截面图，该截面平面由线a来表示。
图6以俯视透视分解图的形式再现了图4所示的设备。
图7是第一实施例的另一变型中的止动堆叠的示意图，其示出了电极的堆叠平面俯视图。
图8以沿着垂直于堆叠平面的平面再现了图7所示的设备的截面图，该截面平面由线a来表示。
图9以透视分解图的形式再现了从上方看到的图7所示的设备。
图10是第二实施例中的止动堆叠的示意图，其中，从上方看到电极的堆叠平面。
图11以沿着垂直于堆叠平面的平面再现了图10所示的设备的截面图，该截面平面由线a来表示。
图12以俯视透视分解图的形式再现了图10所示的设备。
图13是第二实施例的变型中的止动堆叠的示意图，其示出了电极的堆叠平面俯视图。
图14沿着垂直于堆叠平面的平面再现了图13所示的设备的截面图，该截面平面由线a来表示。
图15以俯视透视分解图的形式再现了图13所示的设备。
具体实施方式
图1至图3示出了mems或nems设备中的分层止动堆叠的第一实施例。
图1沿着垂直于堆叠的视线示出了堆叠的俯视图。图2是侧面看到的，沿着垂直于堆叠平面的、由图1中的点线a和图3中的双点线a表示的平面的截面图。最后，图3示出了俯视透视分解图，该俯视透视分解图示出了平行于方向a以表示图2的横截面的两个方向。
在第一叠加层1上，左电极10包括单件的平面左部分和形成静电梳的右部分，该静电梳附接在左部分上。左电极10仅仅在由线a表示的第一方向上被认为是可移动的。与左电极10位置相对的是具有类似设计的右电极11，该右电极具有单件的平面右部分和形成两个对称的横向静电梳的左部分，两个对称的横向静电梳能够与电极10的梳进行静电相互作用。这里的右电极11被认为是固定的。
针对该第一实施例，当提及电极10的移动或电极10和电极11两者的相对移动时，只考虑沿着由线a表示的该第一方向的移动。例如，电极10和电极11两者都由硅制成。在该实施例中，电极10和电极11都被认为在方向a上是不可变形的。
左电极具有与右电极不同的极化，使得在电极10的末端中的任一个和电极11的末端的任一个之间的接触可以导致短路和/或静电放电，从而在生成短路之后可能引起对止动堆叠甚至是对控制/读取电路的不可逆的损坏。此外，存在故障的风险，即使电极10和电极11没有直接的接触但是以很小的距离(在一微米的区域中)拉到一起，足以在空气中产生破坏场并引起微电弧现象。
层3形成一个中间电绝缘层。该层置于层1之下，并且仅能在图2和3中看到。在这层中左平面绝缘表面已置于电极10的左平面部分之下，右平面绝缘表面已置于电极11的右平面部分之下。层1的包括电极10的梳和电极11的梳的交替齿的中间部分之下没有位于层3的绝缘元件。
半导体层2布置在层3之下。该子层2包括止动元件。左平面可移动元件20对应于左电极10布置。这里平面可移动元件20在垂直于方向a的方向上和电极10具有相同的宽度。与电极10的左平面部分的右边缘相比，可移动元件20朝向图1中的右侧，即朝向相对的电极11，延伸更长的距离。因此，可移动元件20朝向右侧最远延伸至止动元件24，该止动元件24附接在可移动元件20上并形成了可移动元件20的右侧外边缘。止动元件24无需跨可移动元件20和电极10的整个宽度延伸。
因此止动元件24在方向a上突出至可移动元件20外侧。这里，止动元件24直接位于电极10的下方并特别地位于从所述电极突出的梳的下方。然而，可替选地，止动元件24可以从并不位于梳下方的位置处的可移动元件20突出。例如，止动元件24可以位于电极10的实心左部分之下。
该系统的另一个重要的属性是，可移动元件20机械地附接在电极10上，特别是可移动元件20在方向a上的平移移动中。在它们在该方向的平移移动中，可移动元件20和电极10由在第一层1和第二层2中(但不在绝缘层3中)实施的悬挂装置5来保持。这些悬挂装置5使得电极10和平面元件20能够相对于位于该悬挂装置5之后的mems设备的固定部分进行平移，同时保持机械附接。
层3的左平面绝缘表面因此提供电极10与可移动元件20的机械附接。层3的左平面绝缘表面也在电极10和可移动元件20之间产生电绝缘以确保元件10和可移动元件20的电势在由元件10和20所形成的组件的沿方向a任意位置上都是独立的。
在层2中，与可移动元件20相对的，特别是与止动元件24相对的，布置有竖直对应于右电极11的右平面可移动元件21。以对左可移动元件20类似的方式，与右电极11的右平面部分相比，可移动元件21经由其左边缘23，朝向左边，即朝向电极10延伸更长的距离。可移动元件21附接在电极11上，特别是当在方向a上进行平移移动时。层3的右平面绝缘表面也优选地附接至电极11和可移动元件21。
因此，左边缘23在方向a上从距离止动元件24距离db处面对止动元件24，这里的距离db为第一自由行程距离。
第一自由行程距离db对应于止动元件24相对于可移动元件23(因此是左电极10相对于右电极11的)在方向a上的移动的最大幅度。如果冲击引起可移动元件20相对于元件21的移动和电极10相对于电极11的移动，则止动元件24通过抵靠边缘23来中断这些元件在方向a上靠近以确保处于最大接近状态的电极10与电极11的距离不小于距离d2。电极之间的最大接近距离d2考虑了微电弧现象可能在两个电极10和电极11的相邻末端之间发生的风险。该距离d2取决于实现方式，特别取决于用于电极10和电极11的电势水平。该距离特别地在一微米的区域中。该距离d2在图1至图3中看不到。因此，在无压力状态下(因此当不在最大接近状态下时)的电极10和电极11之间的最小距离dmin被认为大于在第一方向a上的第一自由行程距离db和取决于实现条件的距离d2之和。在该示例中，电极10和电极11之间在方向a上的该距离dmin是电极10的梳的齿101的右边缘和电极11的梳的齿102的左边缘之间的距离，附图标记101和102在本申请的图2中被示出。因为电极可以包括例如小尺寸的常规静电梳，有必要提供非常小的自由行程距离，典型地大约5微米。
更重要的是止动元件24和右可移动元件21的左边缘23之间的接触，该接触不必承担和与电极10和电极11的两个自由末端例如末端101和102之间的接触相同的短路、静电放电或静电静摩擦的风险。在这里所给的示例中，子层2的所有元件都以相同的方式被极化。中间绝缘层3确保层1的元件的电势和层2的元件的电势之间是独立的，尽管这些元件中的一些在方向a上的位置之间确实存在依赖性。
图4至图6示出了图1至图3所示的第一实施例的第一变型。与图1至图3一样：图4示出了堆叠的俯视图，图5示出了沿着垂直于堆叠的视线的侧视图，即沿着垂直于堆叠平面的、由点线a表示的平面的截面图，图6示出了俯视分解透视图。
电极10和11的层1、层2和层3的实现方式，以及对应的平面元件20和21的实现方式，与图1至图3所示的实现方式是类似的。从平面元件20突出的止动元件24的实现方式也是类似的，除了与前述实施例相比该止动元件被制成为柔性元件以外。这里，空腔26形成在止动元件24的锚处，稍稍偏离平面元件20的右侧外边缘。该空腔26没有跨平面元件20的整个宽度形成，而必须跨严格大于止动元件24的宽度的宽度形成，以确保止动元件24在方向a上相对于平面元件20的移动性。因此，止动元件24的任一侧的空腔26形成了两个自由的嵌入条带。因为止动元件24由其任一侧的两个自由嵌入条带所保持，因此止动元件24在垂直于方向a(图中是竖直的)的方向上不是可变形的。抵接(与止动元件24相对的表面23)在方向a上保持不可变形。应当注意的是，这里的柔性止动元件24由两个自由嵌入条带形成，但是可以针对机电设备以任意其他已知方式来实施。
两个平面元件20和21，与机械附接在所述平面元件上的电极10和11一起，能够在压力下互相靠近，并由悬挂装置5保持。如果它们足够接近，止动元件24可以和相对的表面23进行接触，然后平面元件20和21仍然可以在向柔性条带的左侧的移动的作用下靠近，然后空腔26被关闭。空腔26仅仅形成在第二平面层中，因为第一平面层在垂直空腔26的上方的位置的空间中并不是实心的(电极的静电梳的区域)。空腔26在方向a上的尺寸对应于平面元件偏移距离dfp，如图5所示，平面元件偏移距离dfp对应于平面元件20在方向a上的最大变形。
因此，响应于压力，电极10和11，特别是电极10的梳的齿101和电极11的梳的齿102能够靠近最大距离db(第一自由行程距离)，平面元件偏转距离dfp被加入该最大距离db。在该第一实施例的该变型中，对堆叠的尺寸进行设计使得在非压力状态下在方向a上电极10和11之间的最小距离dmin，这里例如是梳齿101和102之间的距离，大于距离db和dfp之和。因此可以确保的是，即使压力产生了电极10和11的彼此相向的移动，齿101和102也不会彼此触碰。还可以考虑微电弧距离d2，低于该距离，则要估计在气体分离齿101和102的薄层中形成电弧的风险。这种情况下，应该选择比db+dfp+d2要大的距离dmin，使得即使在两个电极10和11靠近的状态下，也可以防止与微电弧有关的故障。
图7至图9示出了图1至图3所示的第一实施例的第二变型。如图1至图3：图7示出了堆叠的俯视图，图8示出了沿着垂直于堆叠的视线的侧视图，即沿着由点线a表示的、垂直于堆叠平面的平面的截面图，图9示出了俯视分解透视图。
在该变型中，层1的电极和止动元件24的形式类似于结合图1至图3所描述的形式。
类似于上述的第一变型，在层2中设置柔性条带以在第一方向a上引起部分的变形。然而，不同于图4至图6所描述的第一变型，不在止动元件24的锚处制成空腔。这里，空腔27在面对止动元件24的区域中的平面元件21中制成(即，在抵接的区域)。在可移动平面元件21的左侧外边缘稍稍偏移一点，延长的空腔在垂直于方向a的方向上跨如下宽度形成，该宽度小于平面元件21的总宽度但大于止动元件24的宽度，以形成柔性的双嵌入条带，平面元件21的位于空腔27的左侧的部分可在第一方向a上变形。这样形成的柔性条带在垂直于方向a的方向上(在附图中是竖直的)是不可变形的，因为其被空腔27的边缘所保持。止动元件24在方向a上保持不可变形。
这里，两个平面元件20和21，连同电极10和11(机械附接至所述平面元件上)，也能够在压力作用下彼此互相靠近，并由悬挂装置5保持。如果它们足够接近，止动元件24则可以和相对的表面23进行接触，之后，平面元件20和21仍然可以在向柔性条带的右侧的移动的作用下靠近，然后空腔27被关闭。这里空腔27也仍然只能在第二层2中形成，并具有对应于平面元件偏移距离dfp的尺寸，例如图5所示。平面元件偏移距离表示平面元件21在方向a上的最大变形。
因此，响应于压力，电极10和11，特别是电极10的梳的齿101和电极11的梳的齿102能够在最大距离db(第一自由行程距离)上靠近，平面元件偏移距离dfp被加入该最大距离db。在非压力状态下在方向a上电极10和11之间的、例如在齿101和102之间获取的最小距离dmin大于距离db和dfp之和。可选地，如果希望将与微电弧有关的故障风险考虑进去的话，那么可以将电极末端之间的最小距离d2限定为小于该距离时存在所述风险。然后调整堆叠的大小以获得大于db+dfp+d2之和的dmin。
图10至图12示出了分层堆叠的第二实施例，其中，电极和止动元件的实现方式不同于先前描绘的所有附图。这里示出了电极10’和11’。
沿着垂直于堆叠的视线，在图10中可以从上方看到堆叠。图11中的侧视图示出了沿着由图10中的点线a和图12中的双点线a表示的、垂直于堆叠平面的平面的截面图。最后，图12示出了俯视透视分解图，该俯视透视分解图示出了平行于方向a的以表示图11的横截面的两个方向。
在图1至图3中使用的且在上文定义的附图标记可以在图10至图12中重复使用以根据第二实施例指示堆叠中的对应元件。
该第二实施例与第一实施例特别不同之处在于，层1的电极10'和11'以及相对应的平面元件20和21被选择为在第一方向a上部分可变形。在此提出有利实施例使得图10至图12所示的电极的静电梳在方向a上相对于其载体电极的其余部分是可移动的。
此外，该第二实施例与第一实施例的不同之处还在于，电极10'和11'，特别是静电梳，在包含于电极10'和11'的平面中的、垂直于方向a的第二方向b上相对于彼此可移动。例如，未在图中示出的、例如类似于悬挂装置5的悬挂装置，可以使得电极10'和11'能够在方向b上移动。
这里，层1的左电极10'包括左平面部分和在右部分的静电梳。对称地，右电极11'包括右平面部分和在左部分的静电梳。分别对应于电极10'和11'的两个静电梳被布置成，使得在非压力状态下，它们的齿交指而不彼此触碰，并且特别地，不在第一方向a或第二方向b上彼此触碰。
左电极10'与之前实施例中的左电极的不同之处在于，左电极10'的左平面部分被矩形的通腔12刺穿。它被称为通腔在于，其贯穿了三层1、2和3中的堆叠的整个厚度而制成。因此，该实施例与对应于图4至图9的实施例有很大不同，在图4至图9中，空腔仅在较低的层2中形成，因此电极10和11在方向a上不可变形。通腔12在电极10'的左平面部分的右侧外边缘14的附近形成，但稍稍偏离边缘14。该空腔使得外边缘14能够形成柔性条带。柔性条带能够通过在对应于电极偏移距离dfe和平面元件偏移距离dfp的最大幅度上沿着方向a平移而对电极10'所经受的振动事件做出反应(因为电极10'的部分和平面元件20的部分在柔性条带处都是可变形的)。当柔性条带14在所述平移中移动时，电极10'的形成静电梳的部分的材料在方向a上不可变形，该静电梳也能够在不超过电极偏移距离dfe的幅度上沿方向a平移。柔性带14在方向b上是不可变形的，因为其由通腔12的边缘所保持。
以完全类似的方式，右电极11'在其右平面部分的左侧外边缘上设置有通腔13，该通腔产生柔性条带15。与柔性条带14类似，柔性条带15在沿着方向a的平移中可变形等于电极偏移距离dfe的最大幅度。
在该第二示例中，电极10'和11'之间在方向a上的距离dmin在电极10'的梳的齿101'的右边缘和电极11'的梳的齿102'的左边缘之间获取，图11中示出了附图标记101'和102'。因为电极10'和11'具有与前述示例中不同的极化，因此重要的是它们不应该接触，否则存在它们可以损坏系统的机电功能的风险。可以认为，仅仅防止电极进行接触是不够的，然而电极的末端也不允许靠得太近(例如，距离大约一微米)以防止微电弧现象。这里，中间层2确保了电绝缘，其作用类似于其在前述示例中的作用。最后，类似于前述示例的层3包括止动元件，该止动元件确保电极10'和11'在振动或冲击事件期间不会接触，所述振动或冲击事件可以使电极10'和11'在第一方向a上相对于彼此移动。
这里所示的子层2的布置不同于前述示例。子层2还包括附接至电极10'的左平面元件20'和附接至电极11'的右平面元件21'，使得平面元件20'和21'在第一方向a上可相对于彼此移动。
不同于图1至图3中所示出的左平面元件20，在该示例中，左平面元件20'在电极10'的外边缘14附近改变了宽度。其具有分支24，该分支形成最远延伸至止动元件的右端22'的止动元件。与前述示例相比，止动元件24没有位于子层2中的左平面元件和右平面元件之间的区域中的中间位置，而是位于分支24的右边缘的位置上，该分支稍微偏离相对的右平面元件21'的边缘23。
如图10所示，止动元件24，特别是其末端22'位于通腔12在第一方向a上的延续上，但是不在通腔13的延续上，使得面对着末端22'存在有右元件21'的非可变形部分。此外，通腔12的宽度(在方向b上)大于止动元件24的宽度。因此，止动元件24的锚在方向a上对应于柔性条带，但其端部22'并不与柔性条带相对。
对称地，右元件21'具有从竖直对应于电极11'的外边缘15并且在通腔13的延续上的边缘延伸的止动元件25，并且右元件21'具有端部面对着左元件20'的不可变形边缘的止动元件。因此第二实施例中的止动堆叠包括两个止动元件24和25。
止动元件24和相对的右平面元件21'的边缘23'之间的距离，或止动元件25和相对的左平面元件20'的边缘之间的距离，对应于第一自由行程距离db，其具有与前述示例中的第一自由行程距离db相同的含义。还应当在此注意的是，电极偏移距离dfe(电极处的总偏移的最大值)是归因于层1中空腔12和13的偏移距离，而平面元件偏移距离dfp(止动元件处总偏移的最大值)是归因于层2中空腔12和13的偏移距离，该电极偏移距离和该平面元件偏移距离相等。通腔12和13贯穿堆叠的整个厚度具有恒定的尺寸：静电梳的锚可以在方向a上变形与止动元件的锚相同的长度。
重要的是，第一自由行程距离db使得该第一自由行程距离与电极10'和11'相对于彼此的变形(电极偏移距离dfe)的最大幅度之和小于左电极10'和右电极11'之间在方向a上的最小距离，该第一自由行程距离db对应于末端22'在第一方向a上相对于相对的元件23'的移动的最大幅度(并因此是左电极10'相对于右电极11'的移动的最大幅度)。
因此，当电极10'和11'在内部力(静电力)或外部力(加速度、冲击)的作用下靠近时，静电梳的齿(例如齿101'和102')首先在对应于止动元件24和25的自由行程的距离上朝向彼此靠近。然后，如果继续靠近，止动元件24的基座，在末端22'相对止动元件24的轴承效应下，可以压靠位于止动元件24的锚处的柔性条带14并引起左电极10'的梳的齿的偏移。
因此，应用在此处的尺寸标准比在前述示例中更严格，因为当在第一方向a上确定两个电极10'和11'之间的最小距离时，不仅要考虑由止动元件24的布置所允许的电极10'和11'的第一自由行程距离，还要考虑分别从电极10'和11'突出的两个静电梳相对变形的最大幅度。因此，在此由电极10'的梳的齿101'和电极11'的梳的齿102'之间距离表示的两个电极10'和11'之间的距离dmin必须大于dfe+db。如果希望将电极10'和11'的静电梳齿之间微电弧的风险考虑进去，可以在电极末端之间限定最小距离d2，小于该最小距离便存在风险。在这种情况下，将堆叠的大小调整为使得dmin大于db+dfp+d2之和。
如果冲击引起可移动元件20'相对于元件21'移动并且电极10'相对于电极11'移动，该尺寸的一个作用在于使得止动元件24能够在电极10'能够足够靠近电极11'以产生静电放电或电微电弧从而损坏mems设备之前，通过与右边缘23'抵接来中断这些元件在方向a上靠近。
再者，如上所述，电极10'和11'相对于彼此不仅在第一方向a上，而且在垂直于第一方向a的第二方向b上是可移动的。两个止动元件24和25在该第二方向b上彼此远离，在方向b上形成第二自由行程距离db'，上文已经描述了所述两个止动元件24和25相对于平面元件20'和21'的形式和位置。
然后堆叠被布置成使得在非压力状态下，第一电极10'在第二方向b上位于距离第二电极11'距离dmin'处，该距离dmin'大于该第二自由行程距离db'，使得这两个电极不能通过在第二方向b上移动靠近而接触。
因此，除了在第一方向a上控制电极的最大移动及其尺寸标准之外，还将第二尺寸标准dmin'>db'考虑进来。
具有电极部分变形性的该第二实施例的一个优点在于，其可以用于在冲击事件之后可能经历与电极的气隙相对的大幅度的移动的设备中。特别地，用于高性能应用的mems需要小尺寸的气隙和较大块，特别是惯性传感器，其在与电极气隙有关的冲击事件之后会产生大幅度的移动。
图13至图15描绘了图10至图12所示的第二实施例的变型。
图13示出了沿着垂直于堆叠的视线的堆叠的俯视图。图14的侧视图示出了沿着由图13中的点线a和图15中的双点线a表示的、垂直于堆叠平面的平面的截面图。最后，图15示出了俯视透视分解图，该透视分解图示出了平行于方向a的以表示图14的横截面的两个方向。
在第二实施例的该变型中，层1的电极的形式类似于以上结合图10至图12所描述的形式。层2中的止动元件24和25的形式也保持不变。
然而，在该变型中，仅电极11'可在第一方向a上部分变形，该电极的静电梳在方向a上相对于其基座可移动。此外，电极10'和11'在垂直于方向a的第二方向b上相对于彼此仍然可移动，该移动包含于这些电极的平面中。
具体地，这里不再提供结合图10至图12所描述的在电极10'和下层中制成的通腔12。图10至图12的通腔13不存在于图13至图15的变型中。这里所描述的堆叠包括两个通腔13'和13”，这两个通腔在从电极11'的左侧外边缘位移相同距离而制成，这两个通腔在方向b上的宽度大于止动元件24和25的末端的宽度，以便在第一方向a上形成两个柔性条带15'和15”。
通腔13'被定位成面对止动元件24的末端22'(止动元件24的形式与所描述的第二实施例中的止动元件相同)。通腔13”在止动元件25的锚处形成。两个通腔13'和13”，以及因此形成的两个柔性条带15'和15”，是独立的并由刚性的隔断分隔开。再者，延长的止动元件24和25相较于上述第二实施例保持不变。
因此，当两个电极10'和11'在外部机械压力的作用下在第一方向a上靠近时，静电梳的齿(例如，齿101'和102')首先靠近对应于止动元件24和25的第一自由行程距离db的距离，如第二实施例的第一实施方式一样。
另一方面，如果在第一方向a上继续靠近的话，静电梳齿行为的不同之处在于，在没有图10至图12中的实施例的通腔12时，止动元件24的基座不再引起电极10'的梳齿的偏移。
在该处，面对止动元件的末端22'存在新的通腔13'，在相对电极11'的本体中制成的该腔意味着止动元件24的末端22'能够压靠柔性条带15'使得止动元件24在第一方向a上继续朝向电极11'前进。因此，电极10'的梳的齿可以在与在第二实施例中获取的偏移方向相反的方向上偏移。不同于在第二实施例中获取的偏移，在该第三实施例中获取的偏移不能使得静电梳齿例如齿101'和102'靠近。
因此，应用在此处的尺寸标准没有在前述示例中严格。考虑由止动元件24和25的布置所允许的电极10'和11'的第一自由行程距离。由电极10'的梳的齿101'和电极11'的梳的齿102'之间距离表示的、在第一方向a上的两个电极10'和11'之间的距离dmin必须大于db。可选地，以类似于上述变型的方式，可以考虑电极之间微电弧的风险，在这种情况下，可以在非压力状态下在电极之间得到最小距离dmin，该最小距离大于电极的第一行程距离db与距离d2之和，小于该最小距离，估计会存在微电弧的风险。在这种情况下，非压力状态下电极的末端之间的最小距离要大于db+d2之和。
此外，因为电极10’和11'在这里不仅在第一方向a上，而且在第二方向b上也可相对于彼此移动，所以止动元件24和25在该第二方向b上的相对位置也是附加尺寸标准的主题。
如果两个止动元件24和25之间在第二方向b上的第二自由行程距离再次表示为db’，那么堆叠被布置成使得非压力状态下第一电极10'在第二方向b上位于距第二电极11'为距离dmin'处，该距离dmin'大于该第二自由行程距离db’。
因此维持第二实施例的第二尺寸标准dmin'>db'。
应当注意的是，如果本文所描述的说明性示例描绘了包括电极并执行系统的预期的机电功能的层，该层堆叠在包括止动元件的层之上以防止电极之间的物理接触，则可以设想另一种布置，其中，包括电极的层位于包括止动元件的层之下。
技术特征：
1.一种传感器或致动器型的mems或nems设备，所述mems或nems设备设置有止动堆叠，所述止动堆叠包括：
第一平面层(1)，所述第一平面层包括要处于第一电势的第一平面电极(10)和要处于不同于所述第一电势的第二电势的第二平面电极(11)，
所述第一平面电极(10)在平行于所述第一平面层的第一方向(a)上能够相对于所述第二平面电极(11)移动，
第二平面层(2)，所述第二平面层叠置在所述第一平面层(1)上，通过由绝缘材料形成的至少一个中间层(3)与所述第一平面层(1)电绝缘，所述第二平面层(2)包括机械附接至所述第一平面电极(10)的第一平面元件(20)和机械附接至所述第二平面电极(11)的第二平面元件(21)，
其特征在于，所述止动堆叠还包括至少一个止动元件(24)，所述至少一个止动元件在所述第一方向(a)上从所述第一平面元件(20)延伸或从第二平面元件(21)延伸并在所述第一方向a上从所述平面元件突出，
从所述平面元件中的一个平面元件延伸的所述止动元件(24)要处于与属于所述平面元件中的另一个平面元件(21)的相对表面(23)的电势相同的电势，
所述止动元件(24)和所述电极被配置成使得在受压力时所述止动元件(24)与所述相对表面(23)进行接触并防止两个平面电极(10，11)在所述第一方向a上朝向彼此移动。
2.根据权利要求1所述的mems或nems设备，其中，所述止动元件和所述电极被配置成使得在非压状态下所述第一平面电极(10)的任意自由末端(101)在所述第一方向(a)上位于相对于所述第二平面电极的最近的末端(102)大于第一自由行程距离(db)的最小距离(dmin)处，所述距离被限定为所述止动元件(24)和所述相对表面之间的最小距离。
3.根据权利要求2所述的mems或nems设备，其中，所述最小距离(dmin)大于所述第一自由行程距离(db)和第二预定距离之和，低于所述最小距离会存在使环绕所述电极(10，11)的气体失去绝缘性质的风险，其中，所述电极的两个末端(101，102)之间可能短路。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的mems或nems设备，其中，至少一个第一平面电极(11')能够在所述第一方向(a)上至少部分地变形，所述电极(10'，11')在所述第一方向(a)的最大可能变形之和对电极偏移距离(dfe)进行限定，所述最小距离(dmin)大于所述第一自由行程距离(db)和所述电极偏移距离(dfe)之和。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的mems或nems设备，其中，至少一个第一平面元件(20)能够在所述第一方向(a)上至少部分地变形，所述平面元件(20，21)在所述第一方向(a)上的最大可能变形之和对给定的平面元件偏移距离(dfp)进行限定，所述最小距离(dmin)大于所述第一自由行程距离(db)和所述平面元件偏移距离(dfp)之和。
6.根据权利要求5所述的mems或nems设备，其中，两个所述平面元件(20，21)中的至少一个能够在所述第一方向(a)上部分地变形，
所述第二平面层(2)被在所述止动元件(24)的锚处制成的空腔(26)刺穿，和/或所述第二平面层(2)被沿着所述止动元件(24)的所述相对表面(23)的外边缘制成的空腔(27)刺穿，
所述平面元件偏移距离(dfp)被限定为两个所述空腔(26，27)在所述第一方向(a)上的尺寸之和，或可选地被限定为在所述第二平面层(2)中制成的单个空腔在第一方向上的尺寸。
7.根据权利要求4和5结合所述的mems或nems设备，其中，两个所述平面电极(10'，11')和两个所述平面元件(20，21)能够在所述第一方向(a)上变形，所述第一平面元件(21)载有第一止动元件(25)，所述第二平面元件(20)载有第二止动元件(24),
第一通腔(13)在所述第一止动元件(25)的锚处穿过所述堆叠的整个高度而制成，在所述第一方向(a)上与所述第一止动元件(25)对应而在所述第一方向(a)上与所述第二止动元件(24)不对应，所述第一通腔形成第一柔性条带(14)，
第二通腔(12)在所述第二止动元件(24)的锚处穿过所述堆叠的整个高度而制成，在所述第一方向(a)上与所述第二止动元件(24)对应而在所述第一方向(a)上与所述第一止动元件(25)不对应，所述第二通腔形成第二柔性条带(15)，
所述第一自由行程距离(db)被限定为所述第一止动元件(25)和所述相对表面之间的最小距离，所述电极偏移距离(dfe)被限定为两个所述通腔(12，13)在所述第一方向(a)上的尺寸之和。
8.根据权利要求4和5结合所述的mems或nems设备，其中，所述第一平面元件(21)载有第一止动元件(25)，所述第二平面元件(20)载有第二止动元件(24),
并且其中，第一通腔(13')穿过所述第一平面电极(11')中的所述堆叠的整个高度而制成，所述第一通腔在所述第一方向(a)上与相对的所述第二止动元件(24)的一个末端(22')对应，所述第一通腔形成第一柔性条带(15')，
第二通腔(13”)在所述止动元件(25)的锚处在所述第一方向(a)上穿过所述第一平面电极(11')中的所述堆叠的整个高度而制成，所述第二通腔在所述第一方向(a)上与所述第一止动元件(25)对应，所述第二通腔形成第二柔性条带(15”),
所述第一自由行程距离(db)被限定为所述第一止动元件(25)和所述相对表面之间的最小距离。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的mems或nems设备，其中，两个所述平面电极在基本垂直于所述第一方向(a)的第二方向(b)上也能够相对于彼此移动，
所述第二方向(b)平行于包含所述电极的所述平面层(1)，
并且其中，所述第一平面元件(21)载有所述第一止动元件(25)，所述第二平面元件(20)载有所述第二止动元件(24)，
所述堆叠被配置成使得在非压力状态下，所述第一平面电极(11')的任意自由末端在所述第二方向(b)上位于相对于所述第二平面电极(10')的最小距离(dmin’)处，所述最小距离大于第二自由行程距离(db’)，所述第二自由行程距离(db’)被限定为在所述第一止动元件和所述第二止动元件(24,25)之间在所述第二方向(b)上的所述最小距离。
10.根据前述权利要求中任一项所述的mems或nems设备，其中，一个电极包括平板和/或其中，一个电极包括静电梳。
技术总结
本发明涉及一种具有堆叠止动元件的传感器型或致动器型MEMS或EMS设备，包括：第一平面层，其具有要处于第一电势的第一平面电极和要处于不同于第一电势的第二电势的第二平面电极，所述第一平面电极可在平行于第一平面层的第一方向上相对于第二平面电极移动；第二平面层，其位于第一平面层的顶部并通过由绝缘材料制成的至少一个中间层与第一平面层电绝缘，第二平面层包括机械固定至第一平面电极的第一平面元件和机械固定在第二平面电极的第二平面元件，其特征在于还包括在第一方向上从第一平面元件或第二平面元件延伸并在第一方向上从所述平面元件突出的至少一个止动元件，止动元件从平面元件中之一延伸，平面元件中之一要与属于另一个平面元件的相对表面处于相同电势，以及止动元件和电极还被设计成在受压力时止动元件与相对表面进行接触并阻止两个平面电极在第一方向上朝向彼此移动。
