CN1186246C - 由静电驱动大位移的微结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电驱动垂直方向大位移变形的微结构，属于光电子器件领域。它由A、B两个部分紧密结合而成。它由A、B两个部分紧密结合而成，A、B之间相互绝缘，A部上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块；B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块；通过不同高度的电极的共同作用，可以实现以较小的电压驱动质量块以较大的垂直方向上位移，并且只通过外围电极连线的改变，就可以实现质量块的多个位移的稳定状态。且可以按同样原理进行扩展，结构简单、制作工艺要求低，必将在光电子器件和微机械结构方法发挥重要的作用。

Description

由静电驱动大位移的微结构

技术领域

本发明涉及一种静电驱动实现垂直方向上大位移变形的结构设计，在各种微机械器件中可起到重要的应用，属于光电子制造或微机械结构领域。

背景技术

由于静电力的大小与物体之间相互距离的平方成反比，因此在毫米级或更远的距离上，物体间的静电力通常被忽略而主要考虑重力、磁场力、弹性力等的影响。但在微机械领域，因为物体的作用距离通常在亚毫米乃至微米、纳米量级，静电力的作用变得十分突出。静电驱动从而使微结构产生位移的设计方法在微机械中得到十分广泛的运用。但是在利用静电驱动时，绝大部分以实现10微米以下的位移居多。要获得更大的的位移，在水平方向上通常可以采取用多个梳齿静电驱动的办法，但是在许多诸如光学微机械结构中，常常需要几十乃至上百微米的在垂直方向上的位移，纯粹用静电力驱动的办法常常需要超高的电压从而变得不现实。如果在垂直方向上采取电磁驱动或者压电驱动等方式，又会带来功耗增加、发热量大、封闭性不好、难于集成加工等不利因素。

发明内容

本发明目的出于提供由静电驱动大位移的微结构，可以在施加较低的电压的情况下，在垂直方向上获得较大的位移变形，并可以只是通过电极连线的改变，又可以在多个变形位移下保持稳定的结构设计。本发明结构设计简单，制作工艺要求不高，理论上在不超过100伏的驱动电压下，可获得上百微米乃至更高的垂直方向上的位移，或者获得十余个乃至更多的稳定的变形位移状态。

本发明提供的一种结构单元的特征在于它是由A、B两个部分紧密结合而成(参阅图1-2)。A可为硅体或其它易于微机械加工的低电阻率材料，B为硅体或其它易于微机械加工的材料。A、B之间相互绝缘。A部分上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块等七部分。B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块等九个部分。待A、B部分紧密结合后，右副质量块与右副电极之间距离为h₁，左副质量块与左副电极之间距离为h₂，主质量块与主电极之间距离为h₃，h₁、h₂、h₃可通过工艺设计制作成不同值。

具体结构特征在于：

1.外框架主要起支撑左、右两个副悬臂梁及其相连的主悬臂梁以及左、右两个副质量块及主质量块的作用。另外通过这一组件之底部平面，即B部分的上层面紧密结合；

2.左、右副悬臂梁分别连接外框架和左、右副质量块，它可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于副质量块的厚度；

3.左、右副质量块分别与左、右副悬臂梁相连且和主悬臂梁连接，在A、B二部分紧密结合后，其正下方分别为左、右副电极，且在远离主悬臂梁的一端的正下方为左、右阻挡块；

4.主悬臂梁为双端悬臂梁时，将依次将左副质量块、主质量块和右副质量块连接；主悬臂梁为单端悬臂梁时，它或将右副质量块和主质量块相连；或将左副质量块和主质量块连接；主悬臂梁厚度一般小于或等于主质量块的厚度；

5.主质量块与主悬臂梁相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极；

6.主质量块底部和左、右二个副质量块底部是在同一水平面上，即上层面，A、B二部分也是在这一水平面上紧密结合；

7.左、右中层面上各有左、右副电极和左、右阻挡块，也即左、右中层面位于左、右副电极和左、右阻挡块的下方，在垂直方向上它比上层面低，比底层面高；在A、B之间紧密结合后，左、右副电极正上方为左、右副质量块；

8.左、右副电极分别在左、右中层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方分别为左、右副质量块；主电极位于下层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方主质量块；

9.底层面位于主电极的下方，在垂直方向上它比中层面低，而左、右中层面比上层面低；

10.左、右阻挡块分别位于左、右中层面上，靠近相应副电极其相对于主电极的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁的长度方向，高度低于相应上层面与中层面高度差的一半。

本发明提供的又一种结构单元的特征在于它也是由A、B二部分紧密结合而成，只不过B组件上的上层面、左右两个中层面以及阻挡块改做在A组件上；B组件上结构简单，对所用材料不要求易于加工，主电极和左、右副电极均在同一水平面上，且均在底层面上。

此结构单元不同于前述结构单元的特征在于：

1)左、右副质量块的厚度是主质量块厚度的几倍甚至几十倍；

2)左、右副质量块分别连接左、右副悬臂梁和主悬臂梁，不过在远离主悬臂梁的一端下部分别连接有阻挡块；

3)上层面为与主质量块底部相平的平面；二个中层面分别为左、右副质量块底部的平面，也即分别为左、右阻挡块顶部的平面。

4)外框架底部的平面为底层面，A、B二部分在这一平面上紧密结合；

在所提供的二种结构单元中悬臂梁的形状或为双端固支悬臂梁，双端固支折叠梁或为双端固支悬臂梁和折叠梁的组合；悬臂梁的结构或主悬臂梁为双端固支，副悬臂梁为单端固支悬臂梁；或主悬臂梁为单端固支，副悬臂梁为双端固支悬臂梁；或主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支。

附图说明

下面结合附图进一步阐明本发明的特点。为阐明方便，先对附图作一说明：

图1是本发明提供的一种结构单元的斜视图和剖面视图。1-1 A、B二个部分的斜视图，1-2 A、B二部分紧密结合后的剖面视图。

图2是阻挡块作用说明示意图。2-1没有阻挡块的结构，2-2存在阻挡块的结构。

图3是图1中悬臂梁的不同形状示意图。3-1双端固支悬臂梁，3-2双端固支折叠梁，3-3、3-4为双端固支悬臂梁和折叠梁的组合。

图4是图1中悬臂梁的不同结构示意图。4-1左、右副悬臂梁为单端固支悬臂梁，主悬臂梁为双端固支悬臂梁。4-2左或右副悬臂梁为双端固支悬臂梁，主悬臂梁为单端固支悬臂梁。4-3主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支悬臂梁。本图中只是列出了悬臂梁的不同结构，关于折叠梁的不同结构也可依次类推。

图5是本发明结构单元的另一种等效变形结构单元。3-1 A、B二个部分的斜视图，3-2 A、B二部分紧密结合后的剖面视图。

图6是本发明结构单元的扩展。以上图片的只是二级结构。可根据图1至图5所示基本结构的设计思想将机构扩展至三级、四级乃至更高。6-1三级结构，6-2四级结构。

图中：

1-外框架，2-右副悬臂梁，3-右副质量块，4-左副悬臂梁，5-左副质量块，6-主悬臂梁，7-主质量块，8-上层面，9-右中层面，10-右副电极，11-左中层面，12-左副电极，13-底层面，14-主电极，15-右阻挡块，16-左阻挡块。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的如图1所示一种结构单元静电驱动大位移微结构。它由A、B两个部分紧密结合而成，A可为硅体或其它易于微机械加工的低电阻率材料，B为硅体或其它易于微机械加工的材料，A、B之间相互绝缘。A部分上的组件有外框架1、左、右副悬臂梁4和2、左、右副质量块5和3、主悬臂梁6、主质量块7等七个部分。B部分上的组件有上层面8、左、右中层面11和9、左、右副电极12和10、底层面13、主电极14、左右两个阻挡块16和15等九个部分。待组合完毕后，右副质量块3同右副电极10之间的距离为h₁，左副质量块5同左副电极12的距离为h₂，主质量块7同主电极14之间距离为h₃。

其工作原理根据电极连接方法的不同分为两种：

①电极10、12、14短路。h₁可制作成等于h₂，h₃可制作成h₁的两倍。因为A为同一导电体制成，因而各个组件可视作电等势。当A同电极10、12、14之间施加不同的静电时，静电力将使质量块2、5、7向各自对应电极运动，当静电力达到刚好可以使质量块3和5同各自对应电极10和12吸合时，此时质量块7同电极14的距离刚好等于h₁，由于质量块3、5同电极10、12绝缘，因而质量块7同电极14之间仍然存在足够大的静电力使两者吸合。从而实现了以较小的静电力(反映为较低的电压)使质量块7发生较大的位移。根据静电力学理论，吸合电压同两电极板之间的距离的二分之三次方成正比，因此上述结构质量块7和电极14之间吸合时，所需电压只是普通结构的约35％。

②电极10、12、14之间相互断路。因h₁、h₂、h₃可制作成不同值，假定h₁＜h₂＜h₃，质量块7的横向位置可制作成刚好位于质量块3和5的中间。当只在电极10同A之间加上足够大不同的静电从而导致质量块3同电极10吸合时，质量块5因为电极12没有加电压因而保持位置不变，则此时质量块7相对于电极14的位移为h₁/2。若保持加电状态不变，则质量块7的位移也保持不变并维持稳定。同理，当只在电极12上加足够电压时，质量块7相对于电极14的位移为h₂/2；当同时在电极10和12上加足够电压，电极14不加电压时，质量块7相对于电极14的位移为(h₁+h₂)/2；当同时在电极10、12、14加足够电压导致吸合时，质量块7相对于电极14的位移为h₃/2。这样，通过在不同的电极上加电，质量块7就可以实现四种不同位移，并能在加电压的状态下保持稳定，不会因为电压的细微变化导致质量块7位移的剧烈变化。另外值得一提的是当质量块7实现位移h₃时，电极14上所加的电压并不需要达到普通结构中需要的电压值，因为通过在电极10、12上加电压导致质量块3、5吸合，质量块7已经有了(h₁+h₂)/2的位移与主电极14的距离只有(h₃-h₁/2-h₂/2)，在电极14上加的电压只需要达到普通结构中吸合这段距离所需电压值即可。

本实施例各部分结构特征和相互关联性是：

1.外框架1主要为支撑左、右副悬臂梁4、2及其相连的主悬臂梁6和左、右副质量块5、3和主质量块7。另外通过这一组件与B部分紧密结合。

2.右副悬臂梁2连接外框架1和右副质量块3，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于右副质量块3的厚度。

3.右副质量块3连接右副悬臂梁2和主悬臂梁6，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为右副电极10，在远离主悬臂梁6的一端的正下方为右阻挡块15。

4.左副悬臂梁4连接外框架1和左副质量块5，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于左副质量块5的厚度。

5.左副质量块5连接左副悬臂梁4和主悬臂梁6，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为左副电极12，在远离主悬臂梁6的一端的正下方为左阻挡块16。

6.主悬臂梁6为双端悬臂梁时，将右副质量块3、主质量块7、左副质量块5依次连接；为单端悬臂梁时，连接左副质量块5(或右副质量块3)和主质量块7，其厚度一般小于或等于主质量块7的厚度。

7.主质量块7与主悬臂梁6相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极14。

8.上层面8为与主质量块7底部相平的平面，也即是A部分外框架1底部的平面，A、B二部分在这一平面上紧密结合。

9.右中层面9位于右副电极10和右阻挡块15的下方。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。

10.右副电极10位于右中层面9上，其相对于主电极14的远端紧埃着右阻挡块15，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为右副质量块3。

11.左中层面11位于左副电极12和左阻挡块16的下方。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。

12.左副电极12位于左中层面11上，其相对于主电极14的远端紧埃着左阻挡块16，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为左副质量块5。

13.底层面13位于主电极14下，在垂直方向上比左中层面11和右中层面9低。

14.主电极14位于底层面13上。在A、B二部分紧密结合后，其正上方为主质量块7。

15.右阻挡块15位于右中层面9上，靠近右副电极10其相对于主电极14的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度低于上层面8与右中层面9高度差的一半。

16.左阻挡块16位于左中层面11上，靠近左副电极12其相对于主电极14的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度低于上层面8与左中层面11高度差的一半。

阻挡块的作用如图2所示。利用右阻挡块15(或左阻挡块16)，可使当右副质量块3(或左副质量块5)吸合时，在主质量块7上产生额外的附加位移，从而使质量块7的吸合电压进一步降低。现以本实施例工作原理①为例说明。图2-1为没有加阻挡块的结构，当右副质量块3和左副质量块5吸合时，主质量块7同电极13的垂直距离为h₃-h₁。图2-2为存在阻挡块的结构，当右副质量块3与右副电极电极9之间的电压足够大，右副质量块3向右副电极电极9运动时，由于右阻挡块15的阻挡，右副质量块3的一端被右阻挡块15挡住停止，但其余部分依然受到静电力向下运动，因而右副质量块3向主电极14方向发生扭转。左副质量块5也同样向电极14方向发生扭转。右副质量块3和左副质量块5的扭转带动主悬臂梁梁6、主质量块7向下运动，从而产生额外的附加位移。附加位移的大小由右阻挡块15的高度和左阻挡块16的高度，右副质量块3和左副质量块5在主悬臂梁6方向上的长度，主悬臂梁6的长度三个因素共同决定。

实施例2

如图3所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁为图3-1所示双端固支悬臂梁，其余同实施例1。

实施例3

如图3所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁为图3-2所示双端固支折叠梁，其余同实施例1。

实施例4、5

如图3所示，左、右副悬臂梁和主悬臂梁为图3-3或图3-4所示双端固支悬臂梁和折叠梁的组合，其余同实施例1。

实施例6、7、8

悬臂梁的三种不同结构分别如图4-1、4-2、4-3所示，其余同实施例1。

实施例9

如图5所示的另一种等效变形静电驱动的大位移结构。它也是由A、B二部分组成。与图1不同的是上层面8、左右二个中层面11、9、左右两个阻挡块16、15均在A上。

图5所示变形结构的各部分结构特征和相互关联性描述如下：

1.外框架1主要为支撑左、右副悬臂梁4、2及其相连的主悬臂梁6和左、右副质量块5、3和主质量块7。另外通过这一组件与B部分紧密结合。

2.右副悬臂梁2连接外框架1和右副质量块3，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于右副质量块3的厚度。

3.右副质量块3连接右副悬臂梁2和主悬臂梁6，在其远离主悬臂梁6的一端下部连接右阻挡块15，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为右副电极10，右副质量块3的厚度是主质量块7的厚度的几倍至几十倍。

4.左副悬臂梁4连接外框架1和左副质量块5，可为双端固支悬臂梁或单端固支悬臂梁，其厚度一般小于或等于左副质量块5的厚度。

5.左副质量块5连接左副悬臂梁4和主悬臂梁6，在其远离主悬臂梁6的一端下部连接左阻挡块16，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为左副电极12，左副质量块5的厚度是主质量块7的厚度的几倍至几十倍。

6.主悬臂梁6为双端悬臂梁时，将右副质量块3、主质量块7、左副质量块5依次连接；为单端悬臂梁时，连接右副质量块3(或左副质量块5)和主质量块7，其厚度一般小于或等于主质量块7的厚度。

7.主质量块7与主悬臂梁6相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极14。

8.上层面8为与主质量块7底部相平的平面。

9.右中层面9为与右副质量块3底部的平面，也即右阻挡块15顶部的平面。在A、B二部分紧密结合后，其正下方为右副电极10。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。

10.右副电极10位于底层面13上，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为右副质量块3和右阻挡块15。

11.左中层面11为与左副质量块5底部的平面，也即左阻挡块16顶部的平面。在A、B二部分紧密结合后，其正下方为左副电极12。在垂直方向上比上层面8低，比底层面13高。

12.左副电极12位于底层面13上，在A、B二部分紧密结合后，其正上方为左副质量块5和阻挡块16。

13.底层面13位于左副电极12，右副电极10和主电极14的下部，在垂直方向上比右中层面9和左中层面11低。A、B两部分在这一层面上紧密结合，也即外框架1底部的平面。

14.主电极14位于底层面13上。在A、B二部分紧密结合后，其正上方为主质量块7。

15.右阻挡块15位于右副质量块3远离主悬臂梁6的远端的下部，右中层面9上，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度小于右中层面9与底层面13高度差的一半。在A、B二部分紧密结合后，其正下方为右副电极10远离主电极14的一边。

16.左阻挡块16位于左副质量块5远离主悬臂梁6的远端的下部，左中层面11上，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁6的长度方向，高度小于左中层面11与底层面13高度差的一半。在A、B二部分紧密结合后，其正下方为左副电极12远离主电极14的一边。

Claims (7)

1、一种由静电驱动大位移的微结构，包括悬臂梁、质量块、电极，其特征在于：

(1)它由A、B两个部分紧密结合而成，A、B之间相互绝缘，A部分上的组件有外框架、左右两个副悬臂梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块；B部分上的组件有一个上层面、左右两个中层面、一个底层面、左右两个副电极、主电极以及左右两个阻挡块；

(2)外框架起支撑左、右两个副悬臂梁及与副悬臂梁相连的主悬臂梁以及左、右两个副质量块及主质量块的作用，并通过这一组件之底部平面与B部分的上层面紧密结合；

(3)左、右副悬臂梁分别连接外框架和左、右副质量块，其厚度小于或等于副质量块的厚度；

(4)左、右副质量块分别与左、右副悬臂梁相连且和主悬臂梁连接，在A、B二部分紧密结合后，其正下方分别为左、右副电极，且在远离主悬臂梁的一端的正下方为左、右阻挡块；

(5)主悬臂梁为双端悬臂梁时，将依次将左副质量块、主质量块和右副质量块连接；主悬臂梁为单端悬臂梁时，它或将右副质量块和主质量块相连；或将左副质量块和主质量块连接；主悬臂梁厚度小于或等于主质量块的厚度；

(6)主质量块与主悬臂梁相连，在A、B二部分紧密结合后，其正下方为主电极；

(7)主质量块底部和左、右二个副质量块底部是在同一水平面上，即上层面，A、B二部分也是在这一水平面上紧密结合的；

(8)左、右中层面上各有左、右副电极和左、右阻挡块，也即左、右中层面位于左、右副电极和左、右阻挡块的下方，在垂直方向上它比上层面低，比底层面高；在A、B之间紧密结合后，左、右副电极正上方为左、右副质量块；

(9)左、右副电极分别在左、右中层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方分别为左、右副质量块；主电极位于下层面上，在A、B部分紧密结合后，其正上方为主质量块；

(10)底层面位于主电极的下方，在垂直方向上它比中层面低，而左、右中层面比上层面低；

(11)左、右阻挡块分别位于左、右中层面上，靠近相应副电极其相对于主电极的远端，为长条形结构，长边垂直于主悬臂梁的长度方向，高度低于相应上层面与中层面高度差的一半。

2、按权利要求1所述的由静电驱动大位移的微结构，其特征在于所述的悬臂梁的形状为双端固支悬臂梁、双端固支折叠梁或为双端固支悬臂梁和折叠梁的组合；悬臂梁的结构或主悬臂梁为双端固支，副悬臂梁为单端固支悬臂梁；或主悬臂梁为单端固支，副悬臂梁为双端固支悬臂梁；或主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支。

3、按权利要求1所述的由静电驱动大位移的微结构，其特征在于右副质量块与右副电极之间距离为h₁，左副质量块同左副电极之间距离为h₂，主质量块同主电极之间距离为h₃，根据电极连接的不同，分为二种：

(1)左、右二个副电极和主电极短路，当h₁＝h₂，h₃为h₁或h₂的2倍，主质量块与主电极吸合时，所需电压只是普通结构的35％；

(2)左、右二个副电极和主电极相互断路，h₁＜h₂＜h₃时主质量块的横向位置刚好位于左、右副质块的中间；左、右副电极施加电压使左、右副质量块吸合，主质量块的位移为(h₁+h₂)/2与主电极的距离为 $(h_3-\frac{1}{2}{h}_1-\frac{1}{2}{h}_2).$

4、按权利要求1所述的由静电驱动大位移的微结构，其特征在于所述的左、右阻挡块使左、右副质量块与左、右副电极吸合时，在主质量块产生额外的附加位移，从而使主质量块的吸合电压降低。

5、按权利要求4所述的由静电驱动大位移的微结构，其特征在于所述附加位移的大小由右阻挡块的高度和左阻挡块的高度，右副质量块和左副质量块在主悬臂梁(6)方向上的长度以及主悬臂梁的长度三个因素共同决定。

6、一种由静电驱动大位移的微结构，包括悬臂梁、质量块、电极，其特征在于：

(1)它是由A、B二部分紧密结合而成，A部分上的组成有外框架、左右两个副悬浮梁、左右两个副质量块、主悬臂梁、主质量块、上层面、左右两个中层面以及阻挡块；B部分上的主电极和左、右副电极均在底层面上；A、B之间相互绝缘；

(2)左、右副质量块的厚度是主质量块厚度的几倍甚至几十倍；

(3)左、右副质量块分别连接左、右副悬臂梁和主悬臂梁，且在远离主悬臂梁的一端下部分别连接有阻挡块；

(4)上层面为与主质量块底部相平的平面；二个中层面分别为左、右副质量块底部的平面，也即分别为左、右阻挡块顶部的平面；

(5)外框架底部的平面为底层面，A、B二部分在这一平面上紧密结合。

7、按权利要求6所述的一种由静电驱动大位移的微结构，其特征在于所述的悬臂梁的形状为双端固支悬臂梁、双端固支折叠梁或为双端固支悬臂梁和折叠梁的组合；悬臂梁的结构或主悬臂梁为双端固支，副悬臂梁为单端固支悬臂梁；或主悬臂梁为单端固支，副悬臂梁为双端固支悬臂梁；或主悬臂梁和副悬臂梁均为单端固支。

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