CN103438837B - 一种微机电双向偏转指针 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量微机电结构偏转角的双向指针结构。微机电双向偏转指针由四个部分组成：一维双向移动测量游标尺；偏转指针；双向移动电热执行器；连接一维双向移动测量游标尺和双向移动电热执行器的水平直梁，以及连接偏转指针与双向移动电热执行器的水平直梁。该双向指针结构可以测量顺时针偏转角和逆时针偏转角，通过该双向偏转指针既可以测量微机电器件受驱动所产生的偏转角，也可以测量结构释放时因残余应力而产生的偏转角。

Description

一种微机电双向偏转指针

技术领域

本发明提供了一种微机电双向偏转指针结构。该结构可用于测量微机电结构出现的偏转，属于微机电系统（MEMS）技术领域。

背景技术

微机电器件中做偏转运动部件工作时的偏转角，以及微机电材料参数测试中的偏转角是反映器件与材料性能的重要参量。偏转角测试目的之一就在于能够实时地测量由具体工艺制造的微机电器件参数，并可对工艺的稳定性进行监控，根本目的是将参数反馈给设计者，以便获得准确的设计。

偏转角的产生原因通常有两个：驱动产生结构偏转以及因结构释放产生的形变。驱动产生的偏转角是微机电执行机构受到信号的作用而产生的角度偏转，典型的例子是微机电单刀双掷开关，通过驱动使开关向左或向右偏转，实现信号的选通。结构释放产生的形变位移是由于结构释放后因残余应力释放所产生的偏转，典型的情况是两层材料的残余张应力释放所产生的结构弯曲。发生偏转的结构所具有的共同特征是这些结构具有自由端，即结构至少有一端悬浮在衬底材料之上。

测量偏转角的方法多种多样，大多数需要借助特殊的仪器。由于器件与材料参数测试结构的实际偏转角度与工艺密切相关，因此比较理想的方法是进行在线测量，即不离开加工环境并采用通用设备进行测试。

本发明提供了一种用于测量微机电结构偏转角的双向指针结构，该结构可以测量顺时针偏转角和逆时针偏转角。通过该双向偏转指针可以测量微机电器件受驱动所产生的偏转角，也可以测量结构释放时因残余应力而产生的偏转角。

发明内容

本发明提供了一种用于测量微机电结构偏转角的双向指针结构，该结构可以测量顺时针偏转角和逆时针偏转角。通过该双向偏转指针可以测量微机电器件受驱动所产生的偏转角，也可以测量结构释放时因残余应力而产生的偏转角。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种微机电双向偏转指针，其特征在于该指针结构由一维双向移动测量游标尺、偏转指针、双向移动电热执行器、连接一维双向移动测量游标尺和双向移动电热执行器的第一水平直梁，连接偏转指针的水平短细梁以及连接双向移动电热执行器和水平短细梁的第二水平直梁所组成，其中：

所述一维双向移动测量游标尺由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形和与其垂直的竖直矩形结构构成，各个“T”型结构的水平矩形与直梁垂直连接，“T”型结构的竖直矩形的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T”型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

所述一维双向移动测量游标尺的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区和垂直连接到锚区的若干齿构成，在齿上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构，所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，其中△为游标的最小分辨单位；

所述偏转指针由固定在衬底上的锚区、指针、连接锚区和指针的细梁所组成，指针的旋转圆点位于锚区与细梁的结合点O；

所述双向移动电热执行器的上下两个门型结构由两根细梁，连接两根细梁的连接梁构成，上下两个门型结构通过两条短直梁、两条水平细梁和竖直宽梁连接，4个锚区分成两组，其中一组连接到上面的门型结构，另一组连接到下面的门型结构；

所述微机电双向偏转指针各组成部分的连接关系如下：双向移动电热执行器中宽梁的垂直对称中心位置上左右各有一根水平连接梁，第二连接梁的左端与一水平短细梁连接，短细梁的左端再与指针垂直连接，第一连接梁的另一端和一维双向移动测量游标尺左半部分中直梁垂直连接，第二连接梁的垂直中分线到O点的垂直距离为L；整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上。

根据本发明的一个方面，所述一维左右移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区与左半部分的直梁平行，右半部分的齿与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形平行。

根据本发明的一个方面，B基线与最上边的“凸”型结构的C1对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3间距大1△。

根据本发明的一个方面，任何两个上下相邻的“凸”型结构，下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△。

根据本发明的一个方面，任何两个上下相邻的“凸”型结构，下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△，所以，B基线比第2个“凸”型结构的C1对准基线偏右2△，比第3个“凸”型结构的C1对准基线偏右4△，比第4个“凸”型结构的C1对准基线偏右6△，比第5个“凸”型结构的C1对准基线偏右8△，依此类推；A基线比最上边“凸”型结构的C3对准基线偏右1△，比第2个“凸”型结构的C3对准基线偏右3△，比第3个“凸”型结构的C3对准基线偏右5△，比第4个“凸”型结构的C3对准基线偏右7△，依此类推。

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有6个锚区，分别是：位于一维双向移动测量游标尺右半部分的锚区；位于偏转指针下部的锚区；双向移动电热执行器中的锚区，共4个。

应用中，将本测量结构设计在待测偏转角的MEMS结构附近，并保持指针与无偏转时待测偏转角结构平行，即在所设计的结构版图上，指针与待测结构平行。在多层材料的MEMS结构中，本发明的结构可以单独为一层，可以位于待测结构层之下或之上。

实际使用时，通过对双向移动电热执行器通电，使双向电热执行器发生左或右向移动，并推动指针绕O点做逆时针或顺时针偏转，同时带动一维双向移动测量游标尺的左半部分水平移动，使其和一维移动测量游标尺的右半部分产生相对移动，游标的对准位置发生变化，即游标左半部分发生若干△的移动。如果是对双向移动电热执行器的左侧的上下一对锚区通电，则双向移动电热执行器将向右侧移动，如果是对双向移动电热执行器的右侧的上下一对锚区通电，则双向移动电热执行器将向左侧移动。通过读取△数，再根据△的实际数值可以得到指针的水平推动距离，因为连接指针和双向移动电热执行器的连接梁的垂直中分线到O点的垂直距离为L，按照三角函数关系，可以计算得到指针的偏转角。

一维双向移动测量游标尺的移动有两种可能：左、右两半部分做相向移动和左、右两半部分做相离移动。

如果左、右两半部分做相向移动，因为右半部分不动，所以是左半部分向右移动。移动量为1△时，B基线与最下边“凸”型结构的C2对准基线对齐，移动量为2△时，A基线与次下边“凸”型结构的C4对准基线对齐，移动量为3△时，B基线与次下边“凸”型结构的C2对准基线对齐，移动量为4△时，A基线与由下往上的第3个“凸”型结构的C4对准基线对齐，移动量为5△时，B基线与由下往上的第3个“凸”型结构的C2对准基线对齐。以此类推。

如果左、右两半部分做相离移动，则左半部分向左移动。移动量为1△时，A基线与最上边“凸”型结构的C3对准基线对齐；移动量为2△时，B基线与由上往下的第2个“凸”型结构的C1对准基线对齐；移动量为3△时，A基线与由上往下的第2“凸”型结构的C3对准基线对齐；移动量为4△时，B基线与由上往下的第3个“凸”型结构的C1对准基线对齐；移动量为5△时，A基线与由下往上的第3个“凸”型结构的C3对准基线对齐。以此类推。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的微机电双向偏转指针，其特点在于结构简单并且能够测量待测结构顺、逆时针偏转。在实际测试中，最常用的在线测试设备是显微镜，本发明所提供的一维双向移动游标尺是直线对准方式，在普调的显微镜下可以直观地检查对准的位置，并可根据对准位置直接读出偏移量。本发明所提供的结构可以采用多晶硅制作，微机电工艺中的多晶硅通常有2层以上，属于普通材料。另一方面，本发明所提供的一维双向移动游标尺不受工艺偏差的影响，工艺加工中出现的最常见情况是加工线条的宽度发生变化，例如过刻蚀导致线条变细以及欠刻蚀导致的线条变宽，由于本发明的结构是同一材料，相同的加工过程，因此出现线宽误差时，“T”型结构和“凸”型结构中的对准基线的偏离程度是相同的，并且是同方向的，其相对位置并没有发生变化。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的局部结构图；

图3是本发明的一维移动游标对准关系图；

图中有：101—双向移动电热执行器，101-5、101-6—细梁，101-7—连接梁，101-8、101-12—短直梁，101-9（101-11）—水平细梁，101-10—竖直宽梁，101-1、101-2、101-3、101-4—锚区；

102—一维双向移动测量游标尺，102-1—水平矩形，102-2—竖直矩形，102-3—竖直梁，102-4—锚区，102-11—齿，102-5～102-10—“凸”型结构；

103—偏转指针，103-1—锚区，103-3—指针，103-2—连接细梁；

104—第一水平直梁，105—第二水平直梁，106—短细梁。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。下面结合附图1～3对本发明做更进一步的说明。

由附图1可以看到，本发明的结构由如下部分组成：

一维双向移动测量游标尺102；偏转指针103；双向移动电热执行器101；连接一维双向移动测量游标尺102和双向移动电热执行器101的第一水平直梁104，连接偏转指针103的水平短细梁106以及连接双向移动电热执行器101和水平短细梁106的第二水平直梁105。

所述一维双向移动测量游标尺102由左右两部分组成，其中：

一维双向移动测量游标尺102的左半部分包括多个尺寸完全相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，“T”型结构的“|”部分（底部）为水平矩形结构102-1，“T”型结构的“一”部分（顶部）为竖直矩形结构102-2，各个“T”型结构的水平矩形102-1与一个直梁102-3垂直连接。“T”型结构的“一”（顶部）所对应的竖直矩形102-2，其两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线。因为所有“T”型结构的尺寸完全相同，所以，所有“T”型结构的A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上。

一维移动测量游标尺102的右半部分包括两个主要单元：梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构。梳齿结构由锚区102-4和垂直连接到锚区的若干齿102-11构成。在齿上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构（102-5～102-10）。所述“凸”型结构的个数等于齿的个数减1后乘以2，本实施例齿的个数为4，所以“凸”型结构的个数为6。“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线。C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距等于[（“凸”型个数×2-1）×△]，△为游标的最小分辨单位，本实施例的上述基线间距为11△。

所述一维移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区102-4与左半部分的直梁102-3平行，右半部分的齿102-11与左半部分“T”型结构的“|”（底部）所对应的矩形102-1平行。

由附图2可以看到，B基线与最上边的“凸”型结构102-5的C1对准基线对齐。A基线与B基线的间距比C2、C4（C1、C3）间距大1△。

由附图3可以看到，任何两个上下相邻的“凸”型结构，下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△，所以，B基线比第2个“凸”型结构102-6的C1对准基线偏右2△，比第3个“凸”型结构102-7的C1对准基线偏右4△，比第4个“凸”型结构102-8的C1对准基线偏右6△，比第5个“凸”型结构102-9的C1对准基线偏右8△，比第6个“凸”型结构102-10的C1对准基线偏右10△；A基线比最上边“凸”型结构102-5的C3对准基线偏右1△，比第2个“凸”型结构102-6的C3对准基线偏右3△，比第3个“凸”型结构102-7的C3对准基线偏右5△，比第4个“凸”型结构102-8的C3对准基线偏右7△，比第5个“凸”型结构102-9的C3对准基线偏右9△，比第6个“凸”型结构102-10的C3对准基线偏右11△。

由附图1可以看到，所述偏转指针103由三部分组成：固定在衬底上的锚区103-1；指针103-3；连接锚区103-1和指针103-3的细梁103-2。

所述双向移动电热执行器101的两个门型结构由细梁101-5、101-6，连接细梁101-5、101-6的连接梁101-7构成，连接两个门型结构的为短直梁101-8（101-12），水平细梁101-9（101-11）和竖直宽梁101-10。双向移动电热执行器有4个锚区101-1、101-2、101-3、101-4，其中锚区101-1、101-2连接到上面的门型结构，锚区101-3、101-4连接到下面的门型结构。

所述微机电双向偏转指针各组成部分的连接关系如下：双向移动电热执行器101中宽梁101-10的垂直对称中心位置上左右各有一根连接梁105和104（即第一、二水平直梁或连接梁），左边连接梁105（即第二水平直梁）的左端与一短细梁106连接，短细梁106的左端再与指针103-3垂直连接，右边连接梁104（即第一水平直梁）的另一端和一维双向移动测量游标尺102左半部分中直梁102-3垂直连接。左边连接梁105、106的垂直中分线到O点的垂直距离为L。

整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上，共有6个锚区，分别是：位于一维移动测量游标尺102右半部分的锚区102-4；位于偏转指针下部的锚区103-1；双向移动电热执行器中的锚区101-1、101-2、101-3和101-4。

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 (4)

1.一种微机电双向偏转指针，其特征在于该指针结构由一维双向移动测量游标尺(102)、偏转指针(103)、双向移动电热执行器(101)、连接一维双向移动测量游标尺(102)和双向移动电热执行器(101)的第一水平直梁(104)，连接偏转指针(103)的水平短细梁(106)以及连接双向移动电热执行器(101)和水平短细梁(106)的第二水平直梁(105)所组成，其中：

所述一维双向移动测量游标尺(102)由左右两部分组成，其左半部分包括多个相同并顺时针旋转90度的“T”型结构，旋转后的“T”型结构由水平矩形(102-1)和与其垂直的竖直矩形结构(102-2)构成，各个“T”型结构的水平矩形(102-1)与直梁(102-3)垂直连接，“T”型结构的竖直矩形(102-2)的两条长边是对准用的基线，其中，右侧长边为A基线，左边长边为B基线，所有“T”型结构的尺寸完全相同，所有A基线在一条直线上，B基线在另一条直线上；

所述一维双向移动测量游标尺(102)的右半部分由梳齿结构和位于齿上的“凸”型结构构成，梳齿结构由锚区(102-4)和垂直连接到锚区(102-4)的若干齿(102-11)构成，在齿(102-11)上与“T”型结构相邻的一边设计有“凸”型结构(102-5～102-10)，所述“凸”型结构的个数等于齿(102-11)的个数减1后乘以2，所述“凸”型结构上与齿垂直的4条直线是另一组对准基线，其中，最左边的为C1对准基线，向右依次为C2、C3、C4对准基线，C1、C2基线间距以及C3、C4基线间距均等于[(“凸”型个数×2-1)×△]，其中△为游标的最小分辨单位；

所述偏转指针(103)由固定在衬底上的锚区(103-1)、指针(103-3)、连接锚区(103-1)和指针(103-3)的细梁(103-2)所组成，指针的旋转圆点位于锚区(103-1)与细梁(103-2)的结合点O；

所述双向移动电热执行器(101)的上下两个门型结构由两根细梁(101-5、101-6)，连接两根细梁(101-5、101-6)的连接梁(101-7)构成，上下两个门型结构通过两条短直梁(101-8，101-12)、两条水平细梁(101-9，101-11)和竖直宽梁(101-10)连接，4个锚区(101-1、101-2、101-3、101-4)分成两组，其中一组(101-1、101-2)连接到上面的门型结构，另一组(101-3、101-4)连接到下面的门型结构；所述微机电双向偏转指针各组成部分的连接关系如下：双向移动电热执行器(101)中宽梁(101-10)的垂直对称中心位置上左右各有一根水平直梁(105，104)，第二水平直梁(105)的左端与一水平短细梁(106)连接，短细梁(106)的左端再与指针(103-3)垂直连接，第一水平直梁(104)的另一端和一维双向移动测量游标尺(102)左半部分中直梁(102-3)垂直连接，第二水平直梁(105)的垂直中分线到O点的垂直距离为L；整个结构除固定在衬底上的锚区外全部悬浮于衬底之上。

2.根据权利要求1所述的微机电双向偏转指针，其特征在于，所述一维双向移动测量游标尺的齿和“T”型结构间隔排列，其中右半部分的锚区(102-4)与左半部分的直梁(102-3)平行，右半部分的齿(102-11)与左半部分“T”型结构的底部所对应的水平矩形(102-1)平行。

3.根据权利要求1所述的微机电双向偏转指针，其特征在于：B基线与最上边的“凸”型结构(102-5)的C1对准基线对齐，A基线与B基线的间距比C2、C4或C1、C3间距大1△。

4.根据权利要求1所述的微机电双向偏转指针，其特征在于任何两个上下相邻的“凸”型结构，下面的“凸”型结构比上面的“凸”型结构向左平移2△。