三自由度MEMS活塞管静电微致动器制造技术

技术编号:15226147 阅读:106 留言:0更新日期:2017-04-27 05:19
公开了一种三自由度MEMS静电活塞管致动器。该致动器包括两个结构。一个结构包括:多个固定的活塞状电极,所述多个固定的活塞状电极附接到基座,并且形成致动器的定子。第二结构包括多个移动的管状电极,所述多个移动的管状电极附接到上部结构的主体并形成致动器的转子。该转子通过机械弹簧连接到定子。致动器的转子提供3‑DOF运动,包括垂直平移和围绕结构的轴线的双轴旋转。本活塞管致动器利用能够使用宽广区域电极的构造,并且因此提供使得转子能够平移的高输出力或者能够使转子旋转的高输出转矩。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及提供大的力、大的面外(out-of-plane)平移行程和/或双轴旋转的微致动器领域。
技术介绍
大的面外平移和高输出力的微致动器在自适应光学和微机器人中具有广泛的应用。在自适应光学中,它们用于自动对焦[1]、微型相机中的光学图像稳定(OpticalImageStabilization,OIS)[2]和可变形微镜[3]。对于手机相机应用中的自动对焦,需要致动器使3毫克(mg)质量的透镜沿着光轴平移80μm[4]。手机相机中的OIS需要使45毫克质量的镜筒[2]绕两个轴旋转1°以消除手抖对图像和录制视频的任何影响。在微机器人中,大行程和高输出力致动器用于微装配系统和微型夹具[5][6]。使用不同的微致动方法。这些包括电磁式、压电式和静电式的微致动器。电磁致动器提供大行程和高输出力;然而,他们已知有许多缺点,如高功耗和大尺寸[7][4]。虽然压电致动器提供高输出力,但它们对温度敏感并且难以制造[1][8]。静电致动器提供高速响应、低功耗和小尺寸[9][7][4]。然而,设计能够同时提供高输出力、大的面外行程并且同时保持低电压的静电致动器是具有挑战性的[10]。提供面外行程的静电致动器包括平行板和垂直梳状驱动(VerticalComb-Drive,VCD)致动器。前者受到拉入效应的影响,该效应将致动器的垂直行程限制为板之间的初始间隙的三分之一[9]。后者可以分为两种类型:旋转式和平移式(活塞式)VCD致动器。在旋转梳状驱动致动器(包括交错式和角式VCD致动器)中,转子的初始运动是旋转,因此提供旋转的面外行程;然而,这些致动器通常利用机械放大机构,例如杠杆,以扩大行程,以及将转子的初始旋转运动转换成负载的平移。由于运动放大和变换,作用在负载上的致动器的输出转矩通常低于产生的输出转矩。已经开发了旋转VCD致动器的不同设计。例如,由V.Milanovic等人开发的旋转VCD致动器[11]实现了在150V下60μm的垂直偏转(对应于20°的旋转角)。它利用悬臂进行机械放大。Li等人[12]开发了一种旋转(交错式)VCD致动器,其实现了在35V下180μm的垂直偏转。将板连接到致动器的自由梳状物以实现大的旋转行程,同时减小输出转矩。美国专利No.8,358,925B2[13]公开了用于使透镜沿着光轴(z)平移的旋转梳状驱动致动器的专利技术。转子的初始运动是面外旋转,其(借助围绕透镜的类似致动器)使用复杂变换机制被转换为透镜的垂直偏转。在运动的变换期间消耗大量的转子扭矩。由于该致动器的转子结构的复杂性,因此当透镜被多个类似致动器致动时,在透镜的平移期间发生不期望的倾斜。该倾斜需要运动控制器来消除。美国专利No.8,269,395B2[14]公开了一种大行程旋转梳状驱动致动器。它基于排斥力原理工作,并且致动器的转子基于致动器的四个边缘中的每一个处的旋转行程在200V下实现86μm的垂直偏转,然后使用悬臂梁将其放大;然而,由于使用放大机构以及用于产生力的指状物的小区域,其提供了低的输出扭矩。在平移VCD中,转子的初始运动是平移,并且在电极之间产生的总静电力直接施加到附接到转子的负载,而不使用任何行程放大或变换机构。开发了许多平移VCD致动器。由V.Mloricovic等人开发的平移VCD致动器在140V下实现15μm的平移行程。使用SOI晶片的直接反应离子蚀刻(DirectReactiveIonEtching,DRIE)制造致动器,其使得能够制造大高度电极;然而,其提供低输出力,因为梳状电极配置在总电极电容方面不是区域有效的。这是因为致动器的转子由两个指状物阵列组成(每个阵列沿着转子的一侧形成)。这两个阵列中的指状物的数量可仅沿一个方向(即梳指的横向方向)增加[11]。由E.Carr等人开发的自对准平移VCD致动器[15]能够实现仅1.4μm的行程,这是由于支撑梁沿着z轴(面外轴线)的高刚度以及由于致动器可产生的低输出力,这归因于区域无效的配置,如在先前的平移VCD致动器[11]中的情况。美国专利No.6,384,952B1[16]公开了一种用于致动可变形镜的平移垂直梳状驱动致动器。致动器具有腔齿构造,其能够实现用于电极的宽广区域,并且其在100V下提供20μm的面外平移;然而,致动器仅提供一个自由度(1-DOF)运动,即垂直平移。在镜子表面下方的VCD致动器的平移差异导致镜子表面的双轴旋转。换句话说,梳状驱动致动器仅具有1-DOF运动,其为沿着z轴的平移,而镜面本身具有三个自由度(3-DOF)运动,即沿着z轴平移以及围绕面内轴(x和y)的双轴旋转。该致动器的限制是齿腔构造需要单独制造致动器的转子和定子。然后将制造的转子晶片和定子晶片结合在一起,这可能导致上电极和下电极之间的亚微米级大小的不对准。这种不对准限制了致动器的行程。腔齿构造还导致在梳状电极之间的气体阻尼效应,因为在致动器的运动期间气体被捕获在齿和相应的腔之间。该捕获的气体在致动期间仅具有一个出口(排出口),其是移动指状物和固定指状物之间的间隙。与指状物宽度相比,该间隙通常尺寸非常小。美国专利No.7,538,471B2[17]公开了一种为光学表面提供增加的刚性的垂直梳状驱动致动器构造。该专利技术的目的是克服光学表面变形的问题,所述光学表面变形由于在光学表面上沉积诸如金或铝之类的反射金属以增强其反射率而产生。本专利技术通过在多于一个方向上在反射表面下方加强梳状电极来消除这个问题。致动器提供3-DOF运动,即沿着z轴平移和围绕面内轴(x和y)的双轴旋转,而不使用任何行程放大机构。由于该电极构造在多于一个维度上扩展的能力,因而它还提供相当大的输出力。致动器使用表面微加工工艺制造,其中由于层沉积工艺的性质,梳状电极的高度受到限制。这些层不能具有大的高度(厚度),大的高度(厚度)导致对致动器的面外平移的限制。此外,梳状电极具有导致明显阻尼效应的齿腔构造,类似于结合美国专利No.6,384,952B1所列的问题。最近的美国专利No.8,711,495公开了一种MEMS自动对焦机构,其利用三个或更多个平移垂直梳状驱动致动器来实现手机相机中的自动对焦。该专利技术的目的是增加MEMS自动对焦结构对在移动电话的跌落测试期间发生的冲击的抵抗力。该致动机构的缺点包括低效的区域电极布局,因为其利用围绕透镜分布的单阵列梳状驱动致动器,这意味着需要:更高的驱动电压;有限的面外平移行程,因为电极的最大高度(厚度)为20微米;和低谐振频率,因为支撑梁在将透镜加载到中心环期间必须弯曲以在梳指之间提供偏移。总之,现有技术的平移(活塞式运动)VCD致动器具有有限的性能,因为它们由于以下一个或多个原因而不能同时实现大的输出力和大的行程:(1)传统VCD致动器的低效电极配置,其中梳指具有阵列式结构。该结构允许仅在沿着指状物的横向轴的一个维度上增加指状物的数量;因此,其导致产生低的输出力。换句话说,梳指基本上是自由端悬臂;因此它们不能沿着纵向轴大程度地拉长以增加输出力。因此,输出力可以通过仅沿梳指的横向轴增加梳指而增加。(2)如果使用主体微加工制造工艺(bulkmicromachiningfabricationprocess)制造具有腔齿构造的平移式VCD致动器,则可能出现转子电极和定子电极本文档来自技高网...
<a href="http://www.xjishu.com/zhuanli/45/201480080900.html" title="三自由度MEMS活塞管静电微致动器原文来自X技术">三自由度MEMS活塞管静电微致动器</a>

【技术保护点】
一种MEMS静电微致动器,其包括:a.第一基板,其具有顶表面和厚度;b.在所述基板的所述顶表面的中心处构造的腔,其设定尺寸成接收致动器板;c.在所述基板的厚度中构造的间隔开的齿电极阵列,其中所述齿电极阵列围绕所述腔,其中所述腔是封闭的或开放的腔;d.每个所述齿电极具有形状、长度、高度和厚度;e.所述齿阵列被分组成一个或多个齿子阵列,每个所述齿子阵列包括一个或多个齿,其中每个所述齿子阵列中的齿彼此电连接并且与其他齿子阵列电隔离;f.每个齿子阵列是电可寻址的,由此每个齿子阵列形成所述致动器的定子;g.第二板,其附接到所述基板并且具有设定尺寸成适于装配在所述基板上的结构,所述第二板具有固定的外围结构和移动的中心结构,由此所述固定结构附接到所述基板,并且所述移动的中心结构保持所述致动器板;h.在所述第二板的厚度中构造的间隔开的开口阵列;i.所述开口阵列被设定尺寸成和被设计为接收所述齿阵列并与所述齿阵列交叉,每个所述开口具有长度、宽度和高度;j.所述开口阵列被分组成一个或多个开口子阵列,每个所述开口子阵列包括一个或多个开口,其中每个所述开口子阵列彼此电连接并且与其它开口子阵列电隔离;k.每个所述开口子阵列由从所述第二板的所述固定的外围结构延伸的一个或多个支撑梁支撑,以保持它们相对于所述齿阵列对准,由此每个开口子阵列形成所述致动器的转子;以及l.多个弹簧装置,其沿着所述第二板的所述外围结构延伸,以将每个所述转子连接到所述外围结构,并且在没有驱动电压的情况下使所述转子返回到其初始位置,每个所述弹簧具有长度、厚度和高度,由此所述定子的齿响应于来自施加在所述定子和所述转子之间的驱动电压的静电力而在致动期间穿入所述转子的所述开口中,并且通过选择性地对每个齿子阵列(定子)和开口子阵列(转子)充电来实现3‑DOF致动。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种MEMS静电微致动器,其包括:a.第一基板,其具有顶表面和厚度;b.在所述基板的所述顶表面的中心处构造的腔,其设定尺寸成接收致动器板;c.在所述基板的厚度中构造的间隔开的齿电极阵列,其中所述齿电极阵列围绕所述腔,其中所述腔是封闭的或开放的腔;d.每个所述齿电极具有形状、长度、高度和厚度;e.所述齿阵列被分组成一个或多个齿子阵列,每个所述齿子阵列包括一个或多个齿,其中每个所述齿子阵列中的齿彼此电连接并且与其他齿子阵列电隔离;f.每个齿子阵列是电可寻址的,由此每个齿子阵列形成所述致动器的定子;g.第二板,其附接到所述基板并且具有设定尺寸成适于装配在所述基板上的结构,所述第二板具有固定的外围结构和移动的中心结构,由此所述固定结构附接到所述基板,并且所述移动的中心结构保持所述致动器板;h.在所述第二板的厚度中构造的间隔开的开口阵列;i.所述开口阵列被设定尺寸成和被设计为接收所述齿阵列并与所述齿阵列交叉,每个所述开口具有长度、宽度和高度;j.所述开口阵列被分组成一个或多个开口子阵列,每个所述开口子阵列包括一个或多个开口,其中每个所述开口子阵列彼此电连接并且与其它开口子阵列电隔离;k.每个所述开口子阵列由从所述第二板的所述固定的外围结构延伸的一个或多个支撑梁支撑,以保持它们相对于所述齿阵列对准,由此每个开口子阵列形成所述致动器的转子;以及l.多个弹簧装置,其沿着所述第二板的所述外围结构延伸,以将每个所述转子连接到所述外围结构,并且在没有驱动电压的情况下使所述转子返回到其初始位置,每个所述弹簧具有长度、厚度和高度,由此所述定子的齿响应于来自施加在所述定子和所述转子之间的驱动电压的静电力而在致动期间穿入所述转子的所述开口中,并且通过选择性地对每个齿子阵列(定子)和开口子阵列(转子)充电来实现3-DOF致动。2.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述齿电极阵列是弧形的并且与预定径向间隔径向同心。3.根据权利要求2所述的MEMS静电微致动器,其中所述微致动器包括三个相等尺寸的子阵列,由此平移致动和旋转致动两者都能够通过激活每个子阵列实现。4.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述齿电极阵列基本上是矩形、圆形、三角形、梯形、五边形或六边形,并且每个所述齿子阵列沿着它们的长度线性对准并且在每个所述子阵列中形成几个线性行。5.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述齿电极阵列基本上是矩形、圆形、三角形、梯形、五边形或六边形,并且每个所述齿子阵列沿其长度径向对准,并且在每个所述子阵列中形成多个弯曲行。6.根据权利要求4和5所述的MEMS静电微致动器,其中所述微致动器包括四个相等尺寸的子阵列。7.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中定子和转子管通过利用SOI晶片的埋置氧化物(BOX)层彼此电隔离并且电连接。8.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中使用直接反应离子蚀刻(DRIE)主体微加工工艺在Si/SOI晶片中制造所述MEMS致动器。9.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述弹簧是具有纵向刚度比横向刚度的高比率的长弹簧,以允许大行程致动。10.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述弹簧径向向内延伸。11.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述弹簧具有与所述开口的高度相同的厚度,由此消除了蚀刻所述转子以软化所述弹簧所需的制造步骤,从而简化了制造工艺。12.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述弹簧具有与所述开口的高度基本上相同的高度,由此使得在被装载质量物时MEMS静电致动更耐冲击。13.根据权利要求1所述的MEMS静电微致动器,其中所述致...

【专利技术属性】
技术研发人员:费斯·巴提斯里哈德·本马德
申请(专利权)人:费斯·巴提斯里哈德·本马德
类型:发明
国别省市:加拿大;CA

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