靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器制造技術

本發明專利技術涉及一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器。包括基板、由支撐梁支撐而貼近基板表面絕緣層的致動平板、與致動平板連成一體的墊塊、以及分別接通基板和致動平板的固定電極，所述的支撐梁是與致動平板連成一體而從致動平板兩側向外延伸彎折形成的兩個折疊梁，所述的致動平板一側或兩側的折疊梁與所述的連通致動平板的固定電極連成一體。本發明專利技術的整體體積較小，可與集成電路制作工藝相兼容。具有致動位移大、精度高、致動過程可控性好、能實現納米級步進致動。通過施加驅動電壓、驅動微致動器，實現其執行機構傳遞負載的作用。本發明專利技術在生物醫學、航空航天技術、ＩＴ產業、制造業等方面具有較大的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種靜電致動微致動器，特別是一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器。
技術介紹
日本Akiyama和Shono于1993年首先提出刮板式微型致動器的概念，由多晶硅作為主要結構材料，致動原理主要是因垂直方向的靜電力，使微致動器致動平板及其連成一體的墊塊摩擦基板表面絕緣層而產生水平致動力；美國Colorado大學的Linderman等設計制作了基于微致動器陣列的微機器人機構，該機構可以用于MEMS的裝配及封裝領域，并在硅晶圓片上對集成芯片進行移動，成功實現精確定位操作。Akiyama等人由實驗觀察分析微致動器位移速度與輸入電壓頻率的關系、輸入電壓峰值與每一步進距離的關系和微致動器平板長度與每一步進距離之間的關系。除此之外，設計微致動器連接于一撓曲桿件上，用撓曲桿件的撓曲以測量微致動器輸出力，得出輸入電壓峰值與輸出力的關系。現有技術的微致動器致動平板的支撐梁都是直梁結構，結構如圖1所示，由致動平板(1)、支撐梁(2)、墊塊(3)和有表面絕緣層(5)的基板(4)所構成，其支撐梁(2)在水平與垂直方向上的剛度偏大，致使驅動電壓偏大，致動行程較小。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術存在的缺陷，提供一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，具有輸出位移大，能夠保證單步位移為納米量級、實現連續步進致動，折疊梁式供電，整體體積相對較小，可與集成電路制作工藝相兼容。為達到上述目的，本專利技術的構思是本專利技術的任務在于建立一種可與集成電路制作工藝相兼容的、靜電微致動機構的多晶硅微機械裝置。采用靜電致動，一方面可以通過輸入電壓控制微致動器的動作，另一方面靜電微致動器可具有相對較大的致動力，能夠保證穩定的輸出力和持續的位移。可采用與IC兼容的制造工藝有望將該微致動器與控制電路部分集成制作在同一芯片，可以實現低成本、大批量生產。根據上述構思，本專利技術采用下述技術步驟一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，包括基板、由支撐梁支撐而貼近基板表面絕緣層的致動平板、與致動平板連成一體的墊塊、以及分別接通基板和致動平板的固定電極，其特征在于所述的支撐梁是與致動平板連成一體而從致動平板兩側向外延伸彎折形成的兩個折疊梁，所述的致動平板一側或兩側的折疊梁與所述的連通致動平板的固定電極連成一體。上述的兩個折疊梁分別彎折排布在致動平板的兩側或沿致動平板兩側外展排布。上述的致動平板上均布著工藝穿孔。上述的基板是由一塊絕緣體基底上沉積的一層內側導線層和一層表面絕緣層構成。上述的絕緣體基底為單晶硅板，所述的內側導線層為多晶硅層，所述的表面絕緣層為氮化硅層。上述的致動平板、墊塊和支撐梁是在基底和基板上方沉積形成的多晶硅微機構。上述的連通基板的固定電極是在基板上的一層多晶硅層，穿透基板上的表面絕緣層而與基板上的內側導線層固定連接；所述的連通致動平板的固定電極是在基底上的一層多晶硅層，穿透基底上的一層表面絕緣層而與基底上的一層內側導線層固定連接。本專利技術與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本專利技術采用了折疊梁式結構作為微致動器的支撐和供電裝置，相對于直梁，同樣長度的弓字型支撐梁在水平與垂直方向上的剛度均要比直梁的剛度小，降低了驅動電壓，在結構設計上，為在基底上沉積的多晶硅微機械機構，整體體積較小，可與集成電路制作工藝相兼容。具有致動位移大、精度高、致動過程可控性好、能實現納米級步進致動。通過施加驅動電壓，驅動微致動器運動，實現其執行機構傳遞負載的作用。本專利技術在生物醫學、航空航天技術、IT產業、制造業等方面具有較大的應用前景。附圖說明圖1是已有技術的微致動器立體結構示意圖。圖2是本專利技術的一個實施例的結構示意圖。圖3是圖1中A-A處的剖面圖。圖4是圖1中B-B處的剖面圖。圖5是本專利技術的另一個實施例的結構示意圖。圖6是圖2示例的立體結構示意圖。圖7是圖5示例的立體結構示意圖。圖8是本專利技術的工作狀態示意圖。具體實施例方式本專利技術的一個優選實施例是參見圖2，本靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器包含基板4、由支撐梁2支撐而貼近基板4表面絕緣層5的致動平板1、與致動平板1連成一體的墊塊3、以及分別接通基板4和致動平板1的固定電極7、8，其特征在于所述的支撐梁2是與致動平板1連成一體而從致動平板1兩側向外延伸彎折形成的兩個折疊梁6，所述的致動平板1一側或兩側的折疊梁與所述的連通致動平板1的固定電極7連成一體。所述的兩個折疊梁6分別彎折排布在致動平板1的兩側。上述的致動平板1上均布著24個工藝穿孔9。參見圖3和圖4，上述的基板4是一塊絕緣體基底10上沉積的一層內側導線層11和一層表面絕緣層5構成。上述的絕緣基底10為單晶硅板，所述的內側導線層11為多晶硅層，所述的表面絕緣層5為氮化硅層。上述的連通基板4的固定電極8是在基板4上的一層多晶硅層，穿透基板4上的表面絕緣層5而與基板4上的內側導線層11固定連接；所述的連通致動平板1的固定電極7是在基底10上的一層多晶硅層，穿透基底10上的一層表面絕緣層5而與基底10上的一層內側導線層11固定連接。本靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器總長為360μm，總寬為336μm，折疊梁6的寬度為3μm，致動平板1的寬度為70μm，致動平板1的長度為100μm，單晶硅基底10的厚度為400μm。微致動器通過淀積，刻蝕、濺射，腐蝕等工藝制成。圖6示出其立體結構圖形本專利技術的另一個實施例是參見圖5，本實施例的結構基本上與上述實施例相同，所不同之處是所述的兩個折疊梁6分別沿致動平板1兩側外展排布。圖7示出其立體結構圖形。本專利技術的基本工作原理參見圖8，靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器分為微致動器上部結構和基板4，微致動上部結構為多晶硅層結構，基板為單晶硅基底的多晶硅結構層和氮化硅絕緣層，致動平板1和基板4之間就形成了類似平板電容的結構。開始施加驅動電壓后，致動平板1向基板4方向逐漸傾斜，在接觸基板4后，致動平板1會發生彎曲變形。而致動平板1的彎曲變形引起了墊塊3的傾斜，墊塊3下端會在基板4上向前滑行一定的距離dx。當驅動電壓過了峰值后，致動平板1開始處于向平衡位置恢復的過程，與此同時，致動平板1的末端向前滑動dx。在致動平板1恢復到平衡位置后，微致動器開始進入下一個周期的運動。該微致動器結構簡單，可通過控制輸入驅動電壓的大小控制單步位移大小。目前是通過芯片上的固定電極有外界的控制電源進行控制，使用方便、靈活。權利要求1.一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，包括基板(4)、由支撐梁(2)支撐而貼近基板(4)表面絕緣層(5)的致動平板(1)、與致動平板(1)連成一體的墊塊(3)、以及分別接通基板(4)和致動平板(1)的固定電極(7、8)，其特征在于所述的支撐梁(2)是與致動平板(1)連成一體而從致動平板(1)兩側向外延伸彎折形成的兩個折疊梁(6)，所述的致動平板(1)一側或兩側的折疊梁與所述的連通致動平板(1)的固定電極(7)連成一體。2.根據權利要求1所述的靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，其特征在于所述的兩個折疊梁(6)分別彎折排布在致動平板(1)的兩側或沿致動平板(1)兩側外展排布。3.根據權利要求1所述的靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，其特征在于所述的致動平板(1)上均布著工藝穿孔(9)。4.根據權利本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種靜電致動折疊梁式納米級步進微致動器，包括基板（４）、由支撐梁（２）支撐而貼近基板（４）表面絕緣層（５）的致動平板（１）、與致動平板（１）連成一體的墊塊（３）、以及分別接通基板（４）和致動平板（１）的固定電極（７、８），其特征在于所述的支撐梁（２）是與致動平板（１）連成一體而從致動平板（１）兩側向外延伸彎折形成的兩個折疊梁（６），所述的致動平板（１）一側或兩側的折疊梁與所述的連通致動平板（１）的固定電極（７）連成一體。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：于茂華，王小靜，劉永武，高嶸，謝明春，張敏亮，王國亮，
申請(專利權)人：上海大學，
類型：發明
國別省市：31[中國|上海]