CN1972102B - 静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器。包括基板、由支撑梁支撑而贴近基板表面绝缘层的致动平板、与致动平板连成一体的垫块、以及分别接通基板和致动平板的固定电极，所述的支撑梁是与致动平板连成一体而从致动平板两侧向外延伸弯折形成的两个折叠梁，所述的致动平板一侧或两侧的折叠梁与所述的连通致动平板的固定电极连成一体。本发明的整体体积较小，可与集成电路制作工艺相兼容。具有致动位移大、精度高、致动过程可控性好、能实现纳米级步进致动。通过施加驱动电压，驱动微致动器，实现其执行机构传递负载的作用。本发明在生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等方面具有较大的应用前景。

Description

静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器
技术领域
本发明涉及一种静电致动微致动器，特别是一种静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器。
背景技术
日本Akiyama和Shono于1993年首先提出刮板式微型致动器的概念，由多晶硅作为主要结构材料，致动原理主要是因垂直方向的静电力，使微致动器致动平板及其连成一体的垫块摩擦基板表面绝缘层而产生水平致动力；美国Colorado大学的Linderman等设计制作了基于微致动器阵列的微机器人机构，该机构可以用于MEMS的装配及封装领域，并在硅晶圆片上对集成芯片进行移动，成功实现精确定位操作。Akiyama等人由实验观察分析微致动器位移速度与输入电压频率的关系、输入电压峰值与每一步进距离的关系和微致动器平板长度与每一步进距离之间的关系。除此之外，设计微致动器连接于一挠曲杆件上，用挠曲杆件的挠曲以测量微致动器输出力，得出输入电压峰值与输出力的关系。
现有技术的微致动器致动平板的支撑梁都是直梁结构，结构如图1所示，由致动平板(1)、支撑梁(2)、垫块(3)和有表面绝缘层(5)的基板(4)所构成，其支撑梁(2)在水平与垂直方向上的刚度偏大，致使驱动电压偏大，致动行程较小。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，具有输出位移大，能够保证单步位移为纳米量级、实现连续步进致动，折叠梁式供电，整体体积相对较小，可与集成电路制作工艺相兼容。
为达到上述目的，本发明的构思是：
本发明的任务在于建立一种可与集成电路制作工艺相兼容的、静电微致动机构的多晶硅微机械装置。采用静电致动，一方面可以通过输入电压控制微致动器的动作，另一方面静电微致动器可具有相对较大的致动力，能够保证稳定的输出力和持续的位移。可采用与IC兼容的制造工艺有望将该微致动器与控制电路部分集成制作在同一芯片，可以实现低成本、大批量生产。
根据上述构思，本发明采用下述技术步骤：
一种静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，包括基板、由支撑梁支撑而贴近基板表面绝缘层的致动平板、与致动平板连成一体的垫块、以及接通基板的固定电极和接通致动平板的固定电极，其特征在于所述的支撑梁是与致动平板连成一体而从致动平板两侧向外延伸弯折形成的两个折叠梁，所述的致动平板一侧或两侧的折叠梁与所述的连通致动平板的固定电极连成一体。
上述的两个折叠梁分别弯折排布在致动平板的两侧或沿致动平板两侧外展排布。
上述的致动平板上均布着工艺穿孔。
上述的基板是由一块绝缘体基底上沉积的一层内侧导线层和一层表面绝缘层构成。
上述的绝缘体基底为单晶硅板，所述的内侧导线层为多晶硅层，所述的表面绝缘层为氮化硅层。
上述的致动平板、垫块和支撑梁是在基底和基板上方沉积形成的多晶硅微机构。
上述的连通基板的固定电极是在基板上的一层多晶硅层，穿透基板上的表面绝缘层而与基板上的内侧导线层固定连接；所述的连通致动平板的固定电极是在基底上的一层多晶硅层，穿透基底上的一层表面绝缘层而与基底上的一层内侧导线层固定连接。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明采用了折叠梁式结构作为微致动器的支撑和供电装置，相对于直梁，同样长度的弓字型支撑梁在水平与垂直方向上的刚度均要比直梁的刚度小，降低了驱动电压，在结构设计上，为在基底上沉积的多晶硅微机械机构，整体体积较小，可与集成电路制作工艺相兼容。具有致动位移大、精度高、致动过程可控性好、能实现纳米级步进致动。通过施加驱动电压，驱动微致动器运动，实现其执行机构传递负载的作用。本发明在生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等方面具有较大的应用前景。
附图说明
图1是已有技术的微致动器立体结构示意图。
图2是本发明的一个实施例的结构示意图。
图3是图1中A-A处的剖面图。
图4是图1中B-B处的剖面图。
图5是本发明的另一个实施例的结构示意图。
图6是图2示例的立体结构示意图。
图7是图5示例的立体结构示意图。
图8是本发明的工作状态示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例是：参见图2，本静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器包含基板4、由支撑梁2支撑而贴近基板4表面绝缘层5的致动平板1、与致动平板1连成一体的垫块3、以及接通基板4的固定电极8和接通致动平板1的固定电极7，其特征在于所述的支撑梁2是与致动平板1连成一体而从致动平板1两侧向外延伸弯折形成的两个折叠梁6，所述的致动平板1一侧或两侧的折叠梁与所述的连通致动平板1的固定电极7连成一体。所述的两个折叠梁6分别弯折排布在致动平板1的两侧。上述的致动平板1上均布着24个工艺穿孔9。参见图3和图4，上述的基板4是一块绝缘体基底10上沉积的一层内侧导线层11和一层表面绝缘层5构成。上述的绝缘基底10为单晶硅板，所述的内侧导线层11为多晶硅层，所述的表面绝缘层5为氮化硅层。上述的连通基板4的固定电极8是在基板4上的一层多晶硅层，穿透基板4上的表面绝缘层5而与基板4上的内侧导线层11固定连接；所述的连通致动平板1的固定电极7是在基底10上的一层多晶硅层，穿透基底10上的一层表面绝缘层5而与基底10上的一层内侧导线层11固定连接。本静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器总长为360μm，总宽为336μm，折叠梁6的宽度为3μm，致动平板1的宽度为70μm，致动平板1的长度为100μm，单晶硅基底10的厚度为400μm。微致动器通过淀积，刻蚀、溅射，腐蚀等工艺制成。图6示出其立体结构图形
本发明的另一个实施例是：参见图5，本实施例的结构基本上与上述实施例相同，所不同之处是：所述的两个折叠梁6分别沿致动平板1两侧外展排布。图7示出其立体结构图形。
本发明的基本工作原理参见图8，静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器分为微致动器上部结构和基板4，微致动上部结构为多晶硅层结构，基板为单晶硅基底的多晶硅结构层和氮化硅绝缘层，致动平板1和基板4之间就形成了类似平板电容的结构。开始施加驱动电压后，致动平板1向基板4方向逐渐倾斜，在接触基板4后，致动平板1会发生弯曲变形。而致动平板1的弯曲变形引起了垫块3的倾斜，垫块3下端会在基板4上向前滑行一定的距离dx。当驱动电压过了峰值后，致动平板1开始处于向平衡位置恢复的过程，与此同时，致动平板1的末端向前滑动dx。在致动平板1恢复到平衡位置后，微致动器开始进入下一个周期的运动。该微致动器结构简单，可通过控制输入驱动电压的大小控制单步位移大小。目前是通过芯片上的固定电极有外界的控制电源进行控制，使用方便、灵活。

Claims (7)

1.一种静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，包括基板(4)、由支撑梁(2)支撑而贴近基板(4)表面绝缘层(5)的致动平板(1)、与致动平板(1)连成一体的垫块(3)、以及接通基板(4)的固定电极(8)和接通致动平板(1)的固定电极(7)，其特征在于所述的支撑梁(2)是与致动平板(1)连成一体而从致动平板(1)两侧向外延伸弯折形成的两个折叠梁(6)，所述的致动平板(1)一侧或两侧的折叠梁与所述的连通致动平板(1)的固定电极(7)连成一体。
2.根据权利要求1所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的两个折叠梁(6)分别弯折排布在致动平板(1)的两侧或沿致动平板(1)两侧外展排布。
3.根据权利要求1所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的致动平板(1)上均布着工艺穿孔(9)。
4.根据权利要求1所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的基板(4)是由一块绝缘体基底(10)上沉积的一层内侧导线层(11)和一层表面绝缘层(5)构成。
5.根据权利要求4所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的绝缘层基底(10)为单晶硅板，所述的内侧导线层(11)为多晶硅层，所述的表面绝缘层(5)为氮化硅层。
6.根据权利要求1所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的致动平板(1)、垫块(3)和支撑梁(2)是在基底(10)和基板(4)上方沉积形成的多晶硅微机构。
7.根据权利要求1所述的静电致动折叠梁式纳米级步进微致动器，其特征在于所述的连通基板(4)的固定电极(8)是在基板(4)上的一层多晶硅层，穿透基板(4)上的表面绝缘层(5)而与基板(4)上的内侧导线层(11)固定连接；所述的连通致动平板(1)的固定电极(7)是在基底(10)上的一层多晶硅层，穿透基底(10)上的一层表面绝缘层(5)而与基底(10)上的一层内侧导线层(11)固定连接。
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