CN115490201A - 多级驱动的mems静电驱动器 - Google Patents

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凌必赟
吴亚明
王潇悦
陈栋
徐巧
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Abstract

本发明提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，结构包括：衬底、载荷、逐级串联的若干个一维静电驱动结构、锚点、导线及绝缘介质；每一级的一维静电驱动结构均包括外框架、至少一个静电驱动单元、及至少一个弹性梁；载荷与第一级的外框架连接；除最后一级的外框架通过最后一级的弹性梁悬挂固定到衬底以外，其余每一级的外框架均通过位于同一级的弹性梁连接下一级的外框架；静电驱动单元包括两个位置相对的梳齿集，分别布置于位于同一级的外框架，及衬底或下一级的所述外框架；每一级的外框架在位于同一级的静电驱动单元的作用下独立地实现一维运动；在各级的一维静电驱动结构的共同作用下，载荷实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动。

Description

多级驱动的MEMS静电驱动器
技术领域
本发明属于微机电领域，特别是涉及一种多级驱动的MEMS静电驱动器。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是指利用微机械加工技术和集成电路制造技术在半导体芯片上实现机电系统功能的微型集成器件或系统，已广泛应用于社会生产生活的各个领域，是半导体技术中所谓的“超越摩尔”路线的主要技术。MEMS驱动器作为MEMS对外输出动作和(或)功能的部件，既是MEMS器件中的基本功能单元之一，又同MEMS传感器一样为MEMS技术的重要的应用方向，因此一直是MEMS技术的研究重点，成功的应用包括数字微镜(DMD)、喷墨打印头、光开关、RF开关、微继电器、微麦克风等。在众多驱动原理中，静电驱动凭借其控制精确、驱动重复性好、易实现和功耗低等优点，成为了MEMS驱动器的最为主要的驱动方式。
针对不同的应用需求，MEMS静电驱动器需要提供一维或多维的驱动，驱动方向包括沿着X/Y/Z向的平动和绕着X/Y/Z轴的扭转，共六个自由度(若芯片处于XY平面，则沿着X/Y向平动和绕着Z轴扭转称为面内运动，沿着Z向平动和绕着X/Y轴扭转称为离面运动)。相比于一维驱动，多维驱动除了结构和加工工艺更加复杂外，不同驱动方向之间的耦合干扰是制约高精度独立驱动的主要因素，即一个方向的驱动会影响到另一个方向的驱动效果，给驱动控制带来了巨大的困难。目前已报道的驱动方向最多的MEMS三维驱动器(Wu Lei,etal.A Tip-Tilt-Piston Micromirror Array for Optical Phased ArrayApplications.JMEMS 19.6:1450-1461)，是绕X/Y轴扭转和沿着Z向平动的复合驱动器(又称为Tip-Tilt-Piston(TTP)驱动器)；该种三维多级驱动的MEMS驱动器采用无转轴的四个单轴扭转驱动器运动合成TTP的三维运动，因此TTP三个轴之间不可避免地存在耦合串扰，从而难以实现独立驱动，驱动控制十分复杂。
此外，受限于驱动材料/结构的能量密度和结构尺寸，MEMS静电驱动器往往只能获得几微米至十几微米的平动位移、或零点几度至几度的扭转角位移，要实现更大的平动位移和更大的扭转角位移在技术上非常困难，严重限制了多级驱动的MEMS驱动器的应用。
因此，如何解决现有的MEMS静电驱动器中的轴间耦合及位移偏小的问题，已经成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，用于解决现有技术中的轴间耦合干扰和无法实现大位移的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种多级驱动的MEMS驱动器，包括：衬底、载荷、逐级串联的若干个一维静电驱动结构、锚点、导线及绝缘介质；每一级的所述一维静电驱动结构包括外框架、至少一个静电驱动单元及至少一个弹性梁；最后一级的所述外框架连接着最后一级的所述弹性梁的一端，并通过最后一级的所述弹性梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；其余每一级的所述外框架均通过位于同一级的所述弹性梁连接下一级的所述外框架；所述载荷与第一级的所述外框架连接；每一级的所述静电驱动单元均包括两个位置相对的梳齿集，分别为内梳齿集和外梳齿集；每一级的所述静电驱动单元的所述内梳齿集均布置于位于同一级的所述外框架上；每一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集均布置于下一级的所述外框架上，最后一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集布置于所述衬底上；每一级的所述静电驱动单元驱动位于同一级的所述外框架独立地实现一维运动；在各级的所述一维静电驱动结构的共同作用下，所述载荷实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动；除所述载荷外，所述多级驱动的MEMS静电驱动器的其余结构由三层体结构层和若干层薄膜层堆叠而成；所述三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底独占所述底部体结构层；所有的所述外框架、所有的所述弹性梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。
可选地，在初始情况下，所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布。
可选地，当所述一维静电驱动结构提供的一维运动为离面扭转或离面平移时，其对应的所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集设置于不同的体结构层。
可选地，当所述一维静电驱动结构提供的一维运动为面内扭转或面内平移时，其对应的所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集均设置于不包含所述主体连续结构的体结构层。
更可选地，所述静电驱动单元中两个梳齿集均与所述主体连续结构绝缘；或其中一个梳齿集与所述主体连续结构绝缘，另一个梳齿集与所述主体连续结构通过所述导线电气连接。
可选地，除最后一级的所述外梳齿集外，与所述主体连续结构绝缘的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面，且所述导线与所述主体连续结构之间始终隔着所述绝缘介质。
可选地，当最后一级的所述外梳齿集设置于所述顶部体结构层时，最后一级的所述外梳齿集的下方布置有梳齿集支撑座，用于支撑并固定最后一级的所述外梳齿集；所述梳齿集支撑座由部分设置于所述中间体结构层、所述导电薄膜层及所述中间绝缘薄膜层的结构堆叠而成。
可选地，当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，所述锚点的下方布置有锚点支撑座，用于支撑并固定所述锚点；所述锚点支撑座设置于所述中间体结构层。
可选地，所述衬底上加工有盲孔或通孔，为每一级的所述一维静电驱动结构提供运动空间。
可选地，所述底部体结构层的材料为玻璃、硅或金属；所述中间体结构层的材料为硅或金属；所述顶部体结构层的材料为硅或金属；所述导电薄膜层的材料为金属；所述中间绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。
可选地，所述底部体结构层与所述中间体结构层直接接触；或所述底部体结构层与所述中间体结构层之间布置有底部绝缘薄膜层，用于提供所述绝缘介质。
更可选地，所述底部绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。
可选地，所述载荷与所述多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工完成；或所述载荷在所述多级驱动的MEMS静电驱动器加工完成后，固定到第一级的所述外框架，固定方式为粘贴、焊接或键合；或所述载荷的一部分结构与所述多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工完成，另一部分结构在所述多级驱动的MEMS静电驱动器加工完成后，固定到第一级的所述外框架，固定方式为粘贴、焊接或键合。
如上所述，本发明提供的多级驱动的MEMS静电驱动器，具有以下有益效果：
1，本发明的多级驱动的MEMS静电驱动器中每一级的一维静电驱动结构均为其下一级的一维静电驱动结构的随动结构，因此每一级的一维静电驱动结构的驱动轴之间均物理隔离，消除了轴间耦合的干扰，最终实现无轴间耦合的多轴静电驱动。
2，本发明的多级驱动的MEMS静电驱动器中每一级的一维静电驱动结构均为其下一级的一维静电驱动结构的随动结构，因此将多个驱动方向一致的一维静电驱动结构串联，能够实现大位移的静电驱动。
3，本发明的多级驱动的MEMS静电驱动器通过在结构表面布置导线，解决了除最后一级的一维静电驱动结构之外的其余的一维静电驱动结构的引线问题。
4，本发明的多级驱动的MEMS静电驱动器由三层体结构层及若干层薄膜层堆叠而成，其结构设计和加工工艺相对简单，有利于采用MEMS工艺批量化生产。
附图说明
图1显示为本发明多级驱动的MEMS静电驱动器实施例一的立体结构示意图。
图2显示为图1中的多级驱动的MEMS静电驱动器的爆炸结构示意图。
图3显示为图1中的多级驱动的MEMS静电驱动器的俯视示意图。
图4显示为图1中的多级驱动的MEMS静电驱动器沿垂直于扭转轴横切的结构示意图。
图5A显示为本发明多级驱动的MEMS静电驱动器实施例二的立体结构示意图。
图5B显示为本发明多级驱动的MEMS静电驱动器实施例二的立体结构示意图(去除部分载荷)。
图6显示为图5A中的多级驱动的MEMS静电驱动器沿第三级的扭转轴横切的结构示意图。
图7显示为图5B中的多级驱动的MEMS静电驱动器的爆炸结构示意图(去除部分载荷)。
图8显示为图5B中的多级驱动的MEMS静电驱动器的俯视示意图(去除部分载荷)。
元件标号说明
10 反射镜体
11 支撑杆
12 载荷固定结构
13 载荷固定平台
21 第一级的外框架
22 第一级的弹性梁
23 第一级的外梳齿集
24 第一级的内梳齿集
25 第一级的扭转轴
31 第二级的外框架
32 第二级的弹性梁
33 第二级的外梳齿集
34 第二级的内梳齿集
35 第二级的扭转轴
41 第三级的外框架
42 第三级的弹性梁
43 第三级的外梳齿集
44 第三级的内梳齿集
45 第三级的扭转轴
50 衬底
51 锚点
52 导线
53 绝缘介质
54 梳齿集支撑座
101 底部体结构层
102 中间体结构层
103 顶部体结构层
104 导电薄膜层
105 中间绝缘薄膜层
106 底部绝缘薄膜层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，包括：载荷(由反射镜体10和两个载荷固定结构12组成)、衬底50、逐级串联的两个一维静电驱动结构(其中，第一级的一维静电驱动结构包括一个第一级的外框架21、两个第一级的静电驱动单元及两个第一级的弹性梁22，第二级的一维静电驱动结构包括一个第二级的外框架31、两个第二级的静电驱动单元及两个第二级的弹性梁32)、两个锚点51、导线52及绝缘介质53。其中，每个第一级的静电驱动单元均包括一个第一级的外梳齿集23和一个第一级的内梳齿集24，每个第二级的静电驱动单元均包括一个第二级的外梳齿集33和一个第二级的内梳齿集34。
如图2所示，除载荷外，多级驱动的MEMS静电驱动器的其余结构由三层体结构层和两层薄膜层堆叠而成。三层体结构层分别为底部体结构层101、中间体结构层102及顶部体结构层103。两层薄膜层布置在中间体结构层102和顶部体结构层103之间，分别为导电薄膜层104和中间绝缘薄膜层105。其中，中间绝缘薄膜层105布置在导电薄膜层104和中间体结构层102之间。此外，中间体结构层102与底部体结构层101直接接触。其中，底部体结构层101的材料为玻璃，中间体结构层102和顶部体结构层103的材料均为硅，导电薄膜层104的材料为金，中间绝缘薄膜层105的材料为二氧化硅。
如图2所示，衬底50独占底部体结构层101。第一级的外框架21、两个第一级的弹性梁22、第二级的外框架31、两个第二级的弹性梁32及两个锚点51均设置于中间体结构层102，构成了主体连续结构。两个第一级的外梳齿集23和两个第二级的外梳齿集33均设置于中间体结构层102；其中，两个第一级的外梳齿集23与主体连续结构组成了一体化的结构。两个第一级的内梳齿集24和两个第二级的内梳齿集34均设置于顶部体结构层103。导线52设置于导电薄膜层104，绝缘介质53设置于中间绝缘薄膜层105。此外，载荷中的反射镜体10和两个载荷固定结构12也均设置于中间体结构层102，其中，载荷与该多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工而成。
如图1和图2所示，反射镜体10的两端分别连接着一个载荷固定结构12，连接到第一级的外框架21上。
如图1和图2所示，第二级的外框架31的两侧分别连接着一个第二级的弹性梁32，并通过第二级的弹性梁32另一端的锚点51，悬挂固定在衬底50上。两个第二级的弹性梁32用于为第二级的外框架31提供绕着第二级的扭转轴35的扭转自由度。第二级的扭转轴35的两侧分别设置有一个第二级的静电驱动单元，用于驱动第二级的外框架31绕着第二级的扭转轴35扭转。其中，两个第二级的外梳齿集33均固定于衬底50上；两个第二级的内梳齿集34固定在第二级的外框架上31上，但是与第二级的外框架31绝缘，进而与主体连续结构绝缘。
如图1和图2所示，第一级的外框架21的两侧分别连接着一个第一级的弹性梁22，并通过第一级的弹性梁22的另一端连接在第二级的外框架31上，从而悬挂固定在第二级的外框架31上。两个第一级的弹性梁22用于为第一级的外框架21提供绕着第一级的扭转轴25的扭转自由度；此外，第一级的扭转轴25和第二级的扭转轴35重合。第一级的扭转轴25的两侧分别设置有一个第一级的静电驱动单元，用于驱动第一级的外框架21绕着第一级的扭转轴25扭转。其中，两个第一级的内梳齿集24固定在第一级的外框架上21上，但是与第一级的外框架21绝缘，进而与主体连续结构绝缘。
由于第一级的一维静电驱动结构为随动结构布置在第二级的一维静电驱动结构上，因此，第一级的静电驱动和第二级的静电驱动物理隔离。载荷既能跟着第一级的外框架21扭转，又能同第一级的外框架21一道跟着第二级的外框架31扭转。由于第一级的扭转轴25和第二级的扭转轴35重合，载荷的扭转角度为第一级和第二级静电驱动的各自扭转角度之和，因此其角位移得到了放大。
如图1、图2和图3所示，导线52隔着绝缘介质53布置在主体连续结构表面，将两个第一级的内梳齿集24和两个第二级的内梳齿集34的驱动电压引到锚点51的上表面，从而避免了在可动结构上引飞线。
如图3所示，初始情况下，每个静电驱动单元的内梳齿集和外梳齿集在衬底50上的垂直投影呈插指分布。因此，当给处于不同体结构层的内梳齿集和外梳齿集施加电压时，两者之间会产生垂直于衬底50上表面的静电力。
如图4所示，衬底50上加工有通孔，用于为第一级的一维静电驱动结构和第二级的一维静电驱动结构提供活动空间。
本实施例的多级驱动的MEMS静电驱动器通过将多个一维静电驱动结构逐级串联，实现了单个方向的大位移的驱动，并且有利于采用MEMS工艺批量化生产。
实施例二
如图5A、图5B、图6和图7所示，本实施例提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，包括：载荷(由反射镜体10、支撑杆11及载荷固定平台13组成)、衬底50、逐级串联的三个一维静电驱动结构(其中，第一级的一维静电驱动结构包括一个第一级的外框架21、四个第一级的静电驱动单元及四个第一级的弹性梁22，第二级的一维静电驱动结构包括一个第二级的外框架31、两个第二级的静电驱动单元及两个第二级的弹性梁32，第三级的一维静电驱动结构包括一个第三级的外框架41、两个第三级的静电驱动单元及两个第三级的弹性梁42)、两个锚点51、两个梳齿集支撑座54、导线52及绝缘介质53。其中，每个第一级的静电驱动单元均包括一个第一级的外梳齿集23和一个第一级的内梳齿集24，每个第二级的静电驱动单元均包括一个第二级的外梳齿集33和一个第二级的内梳齿集34，每个第三级的静电驱动单元均包括一个第三级的外梳齿集43和一个第三级的内梳齿集44。
如图7所示，除载荷外，多级驱动的MEMS静电驱动器的其余结构由三层体结构层和三层薄膜层堆叠而成。三层体结构层分别为底部体结构层101、中间体结构层102及顶部体结构层103。两层薄膜层布置在中间体结构层102和顶部体结构层103之间，分别为导电薄膜层104和中间绝缘薄膜层105。中间体结构层102与底部体结构层101之间布置有一层薄膜层，为底部绝缘薄膜层106。其中，底部体结构层101、中间体结构层102和顶部体结构层103的材料均为硅，导电薄膜层104的材料为金，中间绝缘薄膜层105和底部绝缘薄膜层106的材料为均二氧化硅。
如图7所示，衬底50独占底部体结构层101。第一级的外框架21、四个第一级的弹性梁22、第二级的外框架31、两个第二级的弹性梁32、第三级的外框架41、两个第三级的弹性梁42及两个锚点51均设置于中间体结构层102，构成了主体连续结构。四个第一级的内梳齿集24、两个第二级的内梳齿集34及两个第三级的内梳齿集44均设置于中间体结构层102，且与主体连续结构组成了一体化的结构。四个第一级的外梳齿集23、两个第二级的外梳齿集33及两个第三级的外梳齿集43均设置于顶部体结构层103。导线52设置于导电薄膜层104，绝缘介质53设置于中间绝缘薄膜层105和底部绝缘薄膜层106。此外，载荷中的载荷固定平台13也均设置于中间体结构层102，与该多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工而成的；载荷中的反射镜体10和支撑杆11是在该多级驱动的MEMS静电驱动器加工完成后粘贴上载荷固定平台13的。
如图5B所示，载荷固定平台13的四周分别连接到第一级的外框架21上。
如图5B和图7所示，第三级的外框架41的两侧分别连接着一个第三级的弹性梁42，并通过第三级的弹性梁42另一端连接锚点51，悬挂固定在衬底50上。两个第三级的弹性梁42用于为第三级的外框架41提供绕着第三级的扭转轴45的扭转自由度。第三级的扭转轴45的两侧分别设置有一个第三级的静电驱动单元，用于驱动第三级的外框架41绕着第三级的扭转轴45扭转。其中，两个第三级的外梳齿集43均固定于衬底50上。由于第三级的外梳齿集43设置于顶部体结构层103，因此其下方布置有梳齿集支撑座54；梳齿集支撑座54由部分设置于中间体结构层102、所述导电薄膜层104及中间绝缘薄膜层105的结构堆叠而成。
如图5B和图7所示，第二级的外框架31的两侧分别连接着一个第二级的弹性梁32，并通过第二级的弹性梁32的另一端连接在第三级的外框架41上，从而悬挂固定在第三级的外框架41上。两个第二级的弹性梁32用于为第二级的外框架31提供绕着第二级的扭转轴35的扭转自由度。第二级的扭转轴35的两侧分别设置有一个第二级的静电驱动单元，用于驱动第二级的外框架31绕着第二级的扭转轴35扭转。其中，两个第二级的外梳齿集33固定在第三级的外框架上41上，但是与第三级的外框架41绝缘，进而与主体连续结构绝缘。
如图5B和图7所示，第一级的外框架21的四个角上分别连接着一个第一级的弹性梁22，并通过第一级的弹性梁22的另一端连接在第二级的外框架31上，从而悬挂固定在第二级的外框架31上。四个第一级的弹性梁22用于为第一级的弹性梁21提供绕沿着Z轴平移的平移自由度。第一级的外框架21的四侧分别设置有一个第一级的静电驱动单元，用于驱动第一级的外框架21沿着Z轴平移。其中，四个第一级的外梳齿集23固定在第二级的外框架上31上，但是与第二级的外框架31绝缘，进而与主体连续结构绝缘。
由于第一级的一维静电驱动结构为随动结构均布置在第二级的一维静电驱动结构上，且第二级的一维静电驱动结构为随动结构均布置在第三级的一维静电驱动结构上，因此，第一级的静电驱动、第二级的静电驱动及第三级的静电驱动均物理隔离。载荷既能跟着第一级的外框架21平移，又能同第一级的外框架21一道跟着第二级的外框架31扭转，同时也能同第一级的外框架21和第二级的外框架31一道跟着第三级的外框架41扭转，进而实现无轴间耦合干扰的三维静电驱动。
如图5A、图5B、图6和图7所示，导线52隔着绝缘介质53布置在主体连续结构表面，将四个第一级的外梳齿集23和两个第二级的外梳齿集33的驱动电压引到锚点51的上表面，从而避免了在可动结构上引飞线。其中，四个第一级的外梳齿集23通过导线52电气连接。
如图8所示，初始情况下，每个静电驱动单元的内梳齿集和外梳齿集在衬底50上的垂直投影呈插指分布。因此，当给处于不同体结构层的内梳齿集和外梳齿集施加电压时，两者之间会产生垂直于衬底50上表面的静电力。
如图6所示，衬底50上加工有盲孔，用于为第一级的一维静电驱动结构、第二级的一维静电驱动结构和第三级的一维静电驱动结构提供活动空间。
本实施例的多级驱动的MEMS静电驱动器通过将多个一维静电驱动结构逐级串联，实现了无轴间耦合的多维静电驱动，并且有利于采用MEMS工艺批量化生产。
综上所述，本实施例提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，包括：衬底、载荷、逐级串联的若干个一维静电驱动结构、锚点、导线及绝缘介质；每一级的所述一维静电驱动结构包括外框架、至少一个静电驱动单元及至少一个弹性梁；最后一级的所述外框架连接着最后一级的所述弹性梁的一端，并通过最后一级的所述弹性梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；其余每一级的所述外框架均通过位于同一级的所述弹性梁连接下一级的所述外框架；所述载荷与第一级的所述外框架连接；每一级的所述静电驱动单元均包括两个位置相对的梳齿集，分别为内梳齿集和外梳齿集；每一级的所述静电驱动单元的所述内梳齿集均布置于位于同一级的所述外框架上；每一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集均布置于下一级的所述外框架上，最后一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集布置于所述衬底上；每一级的所述静电驱动单元驱动位于同一级的所述外框架独立地实现一维运动；在各级的所述一维静电驱动结构的共同作用下，所述载荷实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动；除所述载荷外，所述多级驱动的MEMS静电驱动器的其余结构由三层体结构层和若干层薄膜层堆叠而成；所述三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底独占所述底部体结构层；所有的所述外框架、所有的所述弹性梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。本发明的多级驱动的MEMS静电驱动器中每一级的一维静电驱动结构均为其下一级的一维静电驱动结构的随动结构，因此每一级的一维静电驱动结构的驱动轴之间均物理隔离，消除了轴间耦合的干扰，最终实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于，
包括：衬底、载荷、逐级串联的若干个一维静电驱动结构、锚点、导线及绝缘介质；每一级的所述一维静电驱动结构包括外框架、至少一个静电驱动单元及至少一个弹性梁；
最后一级的所述外框架连接着最后一级的所述弹性梁的一端，并通过最后一级的所述弹性梁的另一端连接所述锚点，悬挂固定在所述衬底上；其余每一级的所述外框架均通过位于同一级的所述弹性梁连接下一级的所述外框架；
所述载荷与第一级的所述外框架连接；
每一级的所述静电驱动单元均包括两个位置相对的梳齿集，分别为内梳齿集和外梳齿集；每一级的所述静电驱动单元的所述内梳齿集均布置于位于同一级的所述外框架上；每一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集均布置于下一级的所述外框架上，最后一级的所述静电驱动单元的所述外梳齿集布置于所述衬底上；
每一级的所述静电驱动单元驱动位于同一级的所述外框架独立地实现一维运动；在各级的所述一维静电驱动结构的共同作用下，所述载荷实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动；
除所述载荷外，所述多级驱动的MEMS静电驱动器的其余结构由三层体结构层和若干层薄膜层堆叠而成；
所述三层体结构层分别为底部体结构层、中间体结构层及顶部体结构层；所述衬底独占所述底部体结构层；所有的所述外框架、所有的所述弹性梁及所述锚点均设置于所述中间体结构层或均设置于所述顶部体结构层，构成主体连续结构；
所述中间体结构层和所述顶部体结构层之间布置有导电薄膜层和中间绝缘薄膜层；所述导线设置于所述导电薄膜层；所述中间绝缘薄膜层用于提供所述绝缘介质。
2.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：在初始情况下，所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集在所述衬底上的垂直投影呈插指分布。
3.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：当所述一维静电驱动结构提供的一维运动为离面扭转或离面平移时，其对应的所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集设置于不同的体结构层。
4.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：当所述一维静电驱动结构提供的一维运动为面内扭转或面内平移时，其对应的所述静电驱动单元的所述内梳齿集和所述外梳齿集均设置于不包含所述主体连续结构的体结构层。
5.根据权利要求4所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：所述静电驱动单元中两个梳齿集均与所述主体连续结构绝缘；或其中一个梳齿集与所述主体连续结构绝缘，另一个梳齿集与所述主体连续结构通过所述导线电气连接。
6.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：除最后一级的所述外梳齿集外，与所述主体连续结构绝缘的梳齿集的驱动电压均由所述导线引到所述锚点的表面，且所述导线与所述主体连续结构之间始终隔着所述绝缘介质。
7.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：
当最后一级的所述外梳齿集设置于所述顶部体结构层时，最后一级的所述外梳齿集的下方布置有梳齿集支撑座，用于支撑并固定最后一级的所述外梳齿集；
所述梳齿集支撑座由部分设置于所述中间体结构层、所述导电薄膜层及所述中间绝缘薄膜层的结构堆叠而成。
8.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：
当所述主体连续结构设置于所述顶部体结构层时，所述锚点的下方布置有锚点支撑座，用于支撑并固定所述锚点；
所述锚点支撑座设置于所述中间体结构层。
9.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：所述衬底上加工有盲孔或通孔，为每一级的所述一维静电驱动结构提供运动空间。
10.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：
所述底部体结构层的材料为玻璃、硅或金属；所述中间体结构层的材料为硅或金属；所述顶部体结构层的材料为硅或金属；所述导电薄膜层的材料为金属；所述中间绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。
11.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：
所述底部体结构层与所述中间体结构层直接接触；或所述底部体结构层与所述中间体结构层之间布置有底部绝缘薄膜层，用于提供所述绝缘介质。
12.根据权利要求11所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：所述底部绝缘薄膜层的材料为无机绝缘材料或有机绝缘材料。
13.根据权利要求1所述的多级驱动的MEMS静电驱动器，其特征在于：
所述载荷与所述多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工完成；
或所述载荷在所述多级驱动的MEMS静电驱动器加工完成后，固定到第一级的所述外框架，固定方式为粘贴、焊接或键合；
或所述载荷的一部分结构与所述多级驱动的MEMS静电驱动器一体化加工完成，另一部分结构在所述多级驱动的MEMS静电驱动器加工完成后，固定到第一级的所述外框架，固定方式为粘贴、焊接或键合。
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WO2024078061A1 (zh) * 2022-10-12 2024-04-18 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件

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WO2024078061A1 (zh) * 2022-10-12 2024-04-18 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种无轴间耦合的双轴静电驱动微反射镜及阵列式器件

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