CN102963857A - 一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，包括左移电磁执行器、右移电磁执行器、由左移定齿和右移定齿组成的定齿、动齿、第一锚区和绝缘衬底，左移电磁执行器与左移定齿的一端连接，左移定齿的另一端连接在第一锚区上，右移电磁执行器与右移定齿的一端连接，右移定齿的另一端连接在第一锚区上；左移定齿包括第一宽梁、左移梳齿、两个第一折叠梁；右移定齿包括第二宽梁、右移梳齿、两个第二折叠梁；动齿包括质量块、动齿梳齿、两个第二锚区和两个第三折叠梁；第一宽梁上设有左移止挡块，第二宽梁上设有右移止挡块。该微机电梳齿机构在电磁驱动下，调变齿间隙，使得微机电振动所产生的信号强。

Description

一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构

技术领域

本发明属于微机电系统结构技术领域，具体来说，涉及一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构。

背景技术

梳齿结构在微机电系统中有广泛地应用，例如，谐振器、加速度计、角速度计、陀螺等。传统的梳齿结构由定齿与动齿配对组成，定齿与动齿间隔排列并通常有许多对。传统结构中，定齿保持静止状态，没有纵向和横向位移，动齿则通常在外力的作用下以振动形式做运动，其运动方向沿着齿的长度方向。

由于加工精度的限制，梳齿结构中定齿和动齿的间隙不能小于工艺的分辨率，同时还受到干法刻蚀的高宽比限制。另一方面，动齿运动的幅度除和所加外力的大小有关外，还和定齿与动齿的间隙有关。由于传统结构的梳齿间隙是不可变的，又受到工艺的限制不能做的很小，因此，由微机电振动所产生的传感检出信号也很微弱。

有研究者提出了单边间隙可调的梳齿结构，但该结构存在如下两个主要缺点：因为梳齿通常是多对结构，单边间隙的减小必然导致另一边的间隙增大，浪费了一边的驱动力；因为动齿两边的间隙不对称，导致动齿与两边的定齿间的静电力大小不同，动齿的一维直线运动将受到影响，出现两维运动。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，该微机电梳齿机构在电磁驱动下，调变齿间隙，使得微机电振动所产生的信号强。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，该微机电梳齿机构包括左移电磁执行器、右移电磁执行器、由左移定齿和右移定齿组成的定齿、动齿、两个第一锚区和绝缘衬底，其中，

所述的左移电磁执行器与左移定齿的一端连接，左移定齿的另一端连接在第一锚区上，右移电磁执行器与右移定齿的一端连接，右移定齿的另一端连接在第一锚区上；

所述的左移定齿包括第一宽梁、左移梳齿、两个沿横向弯折的第一折叠梁，左移梳齿固定在第一宽梁的一侧，第一宽梁的一端与左移电磁执行器连接，第一宽梁的另一端通过两个第一折叠梁连接在两个第一锚区上；左移定齿处于悬空状态；

所述的右移定齿包括第二宽梁、右移梳齿、两个沿横向弯折的第二折叠梁，右移梳齿固定在第二宽梁的一侧，第二宽梁的一端与右移电磁执行器连接，第二宽梁的另一端通过两个第二折叠梁连接在两个第一锚区上，且第二折叠梁和第一折叠梁在第一锚区上相对；右移定齿处于悬空状态；

所述的两个第一锚区固定连接在绝缘衬底上；

所述的动齿包括质量块、动齿梳齿、两个第二锚区和两个沿纵向弯曲的第三折叠梁，两个第二锚区固定在绝缘衬底上，每个第二锚区与一个第三折叠梁的一端连接，第三折叠梁的另一端与质量块连接，动齿梳齿设置在质量块的一侧，且右移梳齿、动齿梳齿和左移梳齿依次交替布置，相邻的右移梳齿和动齿梳齿之间的距离等于相邻的动齿梳齿和左移梳齿之间的距离；质量块、动齿梳齿、和第三折叠梁均处于悬空状态；

所述的左移定齿的第一宽梁上设有左移止挡块，右移定齿的第二宽梁上设有右移止挡块，左移止挡块和右移止挡块相对，且左移止挡块和右移止挡块之间的距离小于相邻的右移梳齿和动齿梳齿之间设计距离的两倍。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

该微机电梳齿机构在电磁驱动下，调变齿间隙，使得微机电振动所产生的信号强。本发明的微机电梳齿机构中，右移梳齿、动齿梳齿和左移梳齿依次交替布置。通过两个第一金属块对第一金属线导入电流，通过两个第二金属块对第二金属线导入电流，并且第一金属线和第二金属线中的电流的流向相反。将该微机电梳齿机构放入磁场中，由于洛伦茨力的作用，左移电磁执行器中的第二直梁产生横向移动，带动左移梳齿向左移动；右移电磁执行器中的第一直梁产生横向移动，带动右移梳齿向右移动。最终使左移梳齿和动齿梳齿之间的间隙变小，右移梳齿和动齿梳齿之间的间隙也变小，从而达到调变梳齿间隙的作用。洛伦茨力和电流的大小，会影响左移梳齿和右移梳齿的移动幅度。右移定齿和左移定齿同步调整其与动齿梳齿之间的间隙，可以增加传感器的传感检出信号幅度。在微机电传感器设计中，可以方便地引用本发明的结构，减小间隙，可以大大地增加传感器的检测灵敏度。另一方面，如果改变齿间隙的驱动电流幅度随时间变化则可以使间隙也随时间变化，由此可以对处于谐振状态的动齿振动幅度进行调制，实现信号的调幅，拓展梳齿结构的应用范围。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的局部结构图。

图3是图2中A-A剖视图。

图4是图2中B-B剖视图。

图5是本发明中第一锚区在绝缘衬底上的结构示意图。

图6是制备本发明时，第一层多晶硅层的俯视图。

图7是制备本发明时，第一层多晶硅层和第二层多晶硅层复合后的俯视图。

图8是制备本发明时，第三层多晶硅层的俯视图。

图9是制备本发明时，金属层的俯视图。

图中有：绝缘衬底100、第二直梁101、第一直梁102、左移定齿103、右移定齿104、质量块105、动齿梳齿106、第一宽梁107、左移梳齿108、第二宽梁109、右移梳齿110、第一折叠梁111、第一锚区112、第二折叠梁113、第三折叠梁114、第二锚区115、左移止挡块116、右移止挡块117、第一金属线118、第二金属线119、第四折叠梁120、第三锚区121、第一金属块122、第二金属块123、第五折叠梁124、第四锚区125、第一层多晶硅层200、第二层多晶硅层201、第三层多晶硅层202、金属层203。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的说明。

如图1至图5所示，本发明的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，包括左移电磁执行器、右移电磁执行器、由左移定齿103和右移定齿104组成的定齿、动齿、两个第一锚区112和绝缘衬底100。左移电磁执行器与左移定齿103的一端连接，左移定齿103的另一端连接在第一锚区112上。右移电磁执行器与右移定齿104的一端连接，右移定齿104的另一端连接在第一锚区112上。左移定齿103包括第一宽梁107、左移梳齿108、两个沿横向弯折的第一折叠梁111。沿横向弯折的第一折叠梁111在移动时，只能沿横向移动。左移梳齿108固定在第一宽梁107的一侧。第一宽梁107的一端与左移电磁执行器连接，第一宽梁107的另一端通过两个第一折叠梁111连接在两个第一锚区112上。左移定齿103处于悬空状态。右移定齿104包括第二宽梁109、右移梳齿110、两个沿横向弯折的第二折叠梁113。沿横向弯折的第二折叠梁113在移动时，只能沿横向移动。右移梳齿110固定在第二宽梁109的一侧。第二宽梁109的一端与右移电磁执行器连接，第二宽梁109的另一端通过两个第二折叠梁113连接在两个第一锚区112上，且第二折叠梁113和第一折叠梁111在第一锚区112上相对。右移定齿104处于悬空状态。两个第一锚区112固定连接在绝缘衬底100上。

动齿包括质量块105、动齿梳齿106、两个第二锚区115和两个沿纵向弯曲的第三折叠梁114。沿纵向弯曲的第三折叠梁114在移动时，只能沿纵向移动。两个第二锚区115固定在绝缘衬底100上，每个第二锚区115与一个第三折叠梁114的一端连接，第三折叠梁114的另一端与质量块105连接。动齿梳齿106设置在质量块105的一侧，且右移梳齿110、动齿梳齿106和左移梳齿108依次交替布置。也就是说，梳齿以右移梳齿110、动齿梳齿106、左移梳齿108为单元顺序排列，即右移梳齿110、动齿梳齿106、左移梳齿108、……、右移梳齿110、动齿梳齿106、左移梳齿108。相邻的右移梳齿110和动齿梳齿106之间的距离等于相邻的动齿梳齿106和左移梳齿108之间的距离。质量块105、动齿梳齿106、和第三折叠梁114均处于悬空状态。

左移定齿103的第一宽梁107上设有左移止挡块116，右移定齿104的第二宽梁109上设有右移止挡块117，左移止挡块116和右移止挡块117相对。左移止挡块116和右移止挡块117之间的距离小于相邻的右移梳齿110和动齿梳齿106之间设计距离的两倍。设计距离是指工艺加工完成以后，处于静止状态的相邻梳齿之间的距离。

也就是说，当左移止挡块116和右移止挡块117相抵触时，右移梳齿110和动齿梳齿106之间的距离，以及动齿梳齿106和左移梳齿108之间的距离就不能再调整了。通过设置左移止挡块116和右移止挡块117，避免右移梳齿110和动齿梳齿106之间，以及动齿梳齿106和左移梳齿108之间接触。

进一步，所述的右移电磁执行器包括第一直梁102、两个沿横向弯曲的第四折叠梁120和两个第三锚区121。两个第三锚区121固定在绝缘衬底100上。每个第三锚区121分别与一根第四折叠梁120的一端连接，第四折叠梁120的另一端与第一直梁102连接，第一直梁102和第四折叠梁120处于悬空状态。沿横向弯曲的第四折叠梁120在移动时，只能沿横向移动。两个第三锚区121上分别设有一个第一金属块122，第一直梁102上设有一根第一金属线118，第一金属线118的两端分别与一个第一金属块122连接，第二宽梁109的一端固定连接在第一直梁102的中部。

进一步，所述的左移电磁执行器包括第二直梁101、两个沿横向弯曲的第五折叠梁124和两个第四锚区125。两个第四锚区125固定在绝缘衬底100上。每个第四锚区125分别与一根第五折叠梁124的一端连接，第五折叠梁124的另一端与第二直梁101连接，第二直梁101和第五折叠梁124处于悬空状态。沿横向弯曲的第五折叠梁124在移动时，只能沿横向移动。两个第四锚区125上分别设有一个第二金属块123，第二直梁101上设有一根第二金属线119，第二金属线119的两端分别与一个第二金属块123连接，第一宽梁107的一端固定连接在第二直梁101的中部。

进一步，所述的左移梳齿108与第一宽梁107相垂直，右移梳齿110与第二宽梁109相垂直，质量块105与动齿梳齿106相垂直。

进一步，所述的第一直梁102、第四折叠梁120和第二宽梁109为一整体结构。设置为整体结构，便于制造。

进一步，所述的第二直梁101、第五折叠梁124和第一宽梁107为一整体结构。设置为整体结构，便于制造。

在上述技术方案中，第一折叠梁111一端连接在第一宽梁107，第一折叠梁111另一端连接在第一锚区112上。第五折叠梁124一端连接在左移电磁执行器的第二直梁101上，第五折叠梁124另一端连接在第四锚区125上。通过两个第一折叠梁111和两个第五折叠梁124形成对第二直梁101、第一宽梁107和左移梳齿108的支撑。第二折叠梁113一端连接在第二宽梁109，第二折叠梁113另一端连接在第一锚区112上。第四折叠梁120一端连接在右移电磁执行器的第一直梁102上，第四折叠梁120另一端连接在第三锚区121上。通过两个第二折叠梁113和两个第四折叠梁120形成对第一直梁102、第二宽梁109和右移梳齿110的支撑。

上述结构的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构的工作原理是：将该微机电梳齿机构放入磁场中，并对左移电磁执行器和右移电磁执行器通入相反方向的电流，即第一金属线118和第二金属线119通入的电流方向相反。由于洛伦茨力的作用，左移电磁执行器中的第二直梁101产生横向移动，并推动第二直梁101向左移动，从而带动左移梳齿108向左移动；右移电磁执行器中的第一直梁102产生横向移动，并推动第一直梁102向右移动，从而带动右移梳齿110向右移动。选择合适的磁场方向和电流方向可以使左移梳齿108向左运动，右移梳齿110向右运动，其结果是使左移梳齿108和动齿梳齿106之间的间隙变小，右移梳齿110和动齿梳齿106之间的间隙也变小。显然，洛伦茨力越大，左移梳齿108和右移梳齿110移动幅度也就越大，从而达到调变梳齿间隙的作用。为了避免右移梳齿110和动齿梳齿106之间碰撞，以及左移梳齿108和动齿梳齿106之间碰撞，第一宽梁107上的左移止挡块116和第二宽梁109的右移止挡块117之间的距离小于相邻的右移梳齿110和动齿梳齿106之间设计距离的两倍。也就是说，通过设置左移止挡块116和右移止挡块117之间的距离，来控制相邻的右移梳齿110和动齿梳齿106之间的最小间隙，以及左移梳齿108和动齿梳齿106之间的最小间隙。

本发明的结构采用基本的微机电加工工艺完成。如图6至图9所示，制备时，本发明的结构材料自下而上为：绝缘衬底100、第一层多晶硅层200、第二层多晶硅层201、第三层多晶硅层202和金属层203。

右移电磁执行器中的第一直梁102和第四折叠梁120，以及右移定齿104的第二宽梁109为一整体结构，均采用第三层多晶硅层202制作。

左移电磁执行器中的第二直梁101和第五折叠梁124采用第三层多晶硅层202制作。

左移定齿103的第一宽梁107和第一折叠梁111由第二层多晶硅层201制造。左移定齿103的左移梳齿108，沿长度方向的主体由第二层多晶硅层201与第三层多晶硅层202叠合制造。

右移定齿104的第二宽梁109和第二折叠梁113由第三层多晶硅层202制造。右移定齿104的右移梳齿110，沿长度方向的主体由第二层多晶硅层201与第三层多晶硅层202叠合制造。

左移定齿103的左移止挡块116和右移定齿104的右移止挡块117由第二层多晶硅层201和第三层多晶硅层202叠合制造。

在右移定齿104的第二宽梁109所覆盖的区域之下，首先是空气层，然后才是左移定齿103的部分，包括第一宽梁107的局部、左移梳齿108和第一宽梁107的连接部分。

动齿中的质量块105、动齿梳齿106和第三折叠梁114均由第二层多晶硅层201与第三层多晶硅层202叠合而成。

第一锚区112、第二锚区115、第三锚区121第四锚区125均由四层材料叠合而成：自下而上为第一层多晶硅层200，其与绝缘衬底100连接；第二层多晶硅层201；第三层多晶硅层202；实现电连接的金属层203。

下面以典型的三层多晶硅微机电表面加工工艺说明该结构的制作过程。

选择N型半导体硅片，热生长100纳米厚度的二氧化硅层，通过化学气相沉积工艺沉积一层500纳米厚度的氮化硅，形成绝缘衬底。采用化学气相沉积工艺沉积300纳米的第一层多晶硅层并进行N型重掺杂使该层多晶硅层成为导体，通过光刻工艺刻蚀形成锚区的一部分。使用化学气相沉积工艺沉积2000纳米厚度的磷硅玻璃（PSG），通过光刻工艺形成锚区的图形。利用化学气相沉积工艺淀积2000纳米厚度的第二层多晶硅层，对多晶硅进行N型重掺杂，光刻工艺形成位于第二层多晶硅层的图形。使用化学气相沉积工艺沉积1500纳米厚度的磷硅玻璃（PSG），通过光刻工艺形成锚区、梳齿叠合区等图形。利用化学气相沉积工艺淀积1500纳米厚度的第三层多晶硅层，对多晶硅层进行N型重掺杂，光刻工艺形成位于第三层多晶硅层的图形。采用剥离工艺在锚区上形成金属电极图形。最后通过腐蚀释放结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：该微机电梳齿机构包括左移电磁执行器、右移电磁执行器、由左移定齿（103）和右移定齿（104）组成的定齿、动齿、两个第一锚区（112）和绝缘衬底（100），其中，

所述的左移电磁执行器与左移定齿（103）的一端连接，左移定齿（103）的另一端连接在第一锚区（112）上，右移电磁执行器与右移定齿（104）的一端连接，右移定齿（104）的另一端连接在第一锚区（112）上；

所述的左移定齿（103）包括第一宽梁（107）、左移梳齿（108）、两个沿横向弯折的第一折叠梁（111），左移梳齿（108）固定在第一宽梁（107）的一侧，第一宽梁（107）的一端与左移电磁执行器连接，第一宽梁（107）的另一端通过两个第一折叠梁（111）连接在两个第一锚区（112）上；左移定齿（103）处于悬空状态；

所述的右移定齿（104）包括第二宽梁（109）、右移梳齿（110）、两个沿横向弯折的第二折叠梁（113），右移梳齿（110）固定在第二宽梁（109）的一侧，第二宽梁（109）的一端与右移电磁执行器连接，第二宽梁（109）的另一端通过两个第二折叠梁（113）连接在两个第一锚区（112）上，且第二折叠梁（113）和第一折叠梁（111）在第一锚区（112）上相对；右移定齿（104）处于悬空状态；

所述的两个第一锚区（112）固定连接在绝缘衬底（100）上；

所述的动齿包括质量块（105）、动齿梳齿（106）、两个第二锚区（115）和两个沿纵向弯曲的第三折叠梁（114），两个第二锚区（115）固定在绝缘衬底（100）上，每个第二锚区（115）与一个第三折叠梁（114）的一端连接，第三折叠梁（114）的另一端与质量块（105）连接，动齿梳齿（106）设置在质量块（105）的一侧，且右移梳齿（110）、动齿梳齿（106）和左移梳齿（108）依次交替布置，相邻的右移梳齿（110）和动齿梳齿（106）之间的距离等于相邻的动齿梳齿（106）和左移梳齿（108）之间的距离；质量块（105）、动齿梳齿（106）、和第三折叠梁（114）均处于悬空状态；

所述的左移定齿（103）的第一宽梁（107）上设有左移止挡块（116），右移定齿（104）的第二宽梁（109）上设有右移止挡块（117），左移止挡块（116）和右移止挡块（117）相对，且左移止挡块（116）和右移止挡块（117）之间的距离小于相邻的右移梳齿（110）和动齿梳齿（106）之间设计距离的两倍。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：所述的右移电磁执行器包括第一直梁（102）、两个沿横向弯曲的第四折叠梁（120）和两个第三锚区（121），两个第三锚区（121）固定在绝缘衬底（100）上，每个第三锚区（121）分别与一根第四折叠梁（120）的一端连接，第四折叠梁（120）的另一端与第一直梁（102）连接，第一直梁（102）和第四折叠梁（120）处于悬空状态，两个第三锚区（121）上分别设有一个第一金属块（122），第一直梁（102）上设有一根第一金属线（118），第一金属线（118）的两端分别与一个第一金属块（122）连接，第二宽梁（109）的一端固定连接在第一直梁（102）的中部。

3.根据权利要求1所述的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：所述的左移电磁执行器包括第二直梁（101）、两个沿横向弯曲的第五折叠梁（124）和两个第四锚区（125），两个第四锚区（125）固定在绝缘衬底（100）上，每个第四锚区（125）分别与一根第五折叠梁（124）的一端连接，第五折叠梁（124）的另一端与第二直梁（101）连接，第二直梁（101）和第五折叠梁（124）处于悬空状态，两个第四锚区（125）上分别设有一个第二金属块（123），第二直梁（101）上设有一根第二金属线（119），第二金属线（119）的两端分别与一个第二金属块（123）连接，第一宽梁（107）的一端固定连接在第二直梁（101）的中部。

4.按照权利要求1、2或3所述的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：所述的左移梳齿（108）与第一宽梁（107）相垂直，右移梳齿（110）与第二宽梁（109）相垂直，质量块（105）与动齿梳齿（106）相垂直。

5.按照权利要求2所述的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：所述的第一直梁（102）、第四折叠梁（120）和第二宽梁（109）为一整体结构。

6.按照权利要求3所述的电磁驱动调变齿间隙的微机电梳齿机构，其特征在于：所述的第二直梁（101）、第五折叠梁（124）和第一宽梁（107）为一整体结构。

Images