基于体硅工艺的集成式定位平台

　　1　引　言

　　近年来,在微电子机械系统(MEMS)领域,由于先进微纳加工技术的不断发展,深度反应离子刻蚀(DRIE)技术的日益成熟[1],使用体硅微机械技术制作的微型定位平台受到人们的关注。静电梳齿致动器[2]由于具有工艺集成度好、位移与驱动电压平方成线性关系及易于控制等特点在定位平台中得到广泛应用。Kazuhiro等人利用深度反应离子刻蚀技术研制了一种基于SOI的二自由度定位平台,该平台将电极和引线互连部分集成在SOI片子上,把悬臂梁、框架及定位平台集成在衬底上,在减少平台整体尺寸同时大大提高了定位平台的有效使用面积[3]。Gu等人利用体硅微加工技术研制出基于单晶硅的二自由度定位平台,采用侧壁沟渠绝缘技术实现不同梳齿电极之间的电绝缘[4]。静电梳齿致动器作为定位平台的关键组成部分其静态特性和动态特性的好坏直接关系到定位平台工作特性,但大多数文献[5-7]对这方面并没有系统地展开分析。

　　本文提出了一种基于单晶硅(SCS)的,集结构、驱动和检测于一体的新型二自由度微型定位平台,平台采用侧向平动静电梳齿驱动。利用力电耦合原理对静电致动器的致动机理、输出位移、失效形式和失效条件进行了详细分析研究,为定位平台的结构设计提供理论依据,同时考虑了空气阻尼的影响,利用能量守恒原理对致动器的最大运行速率、最大过冲位移等动态特性进行分析,为定位平台的有效控制提供了理论参考。

　　2　定位平台结构

　　集成式纳米级定位平台的结构示意图如图1所示,定位平台主要由作为衬底的Pyrex7740玻璃和作为结构层的单晶硅组成。首先利用硅微机械加工技术在单晶硅上加工出定位平台的结构和位移传感器,然后利用硅-玻璃阳极键合工艺把结构层的硅和玻璃衬底键合在一起[8]。

　　定位平台的结构层主要由以下5个部分组成:运动平台、折叠梁、柔性弯曲梁、侧向平动梳齿静电驱动器和检测梁,其中检测梁也是位移传感器的主要弹性检测元件。运动平台由4对柔性弯曲梁、折叠梁和弹性检测梁支撑,悬浮在整个运动平台中心位置,其中柔性弯曲梁用来连接运动平台和折叠梁;静电驱动器位于折叠梁和弹性检测梁之间,采用侧向平动驱动方式。定位平台通过4对静电驱动器分别实现运动平台沿X、-X、Y、-Y方向运动;检测梁采用两端固支结构,分别位于每一组静电驱动器的末端,运动平台一旦有位移变化,检测梁在相应的运动方向上将会发生等值形变。同时,通过优化柔性弯曲梁和折叠梁的结构尺寸实现运动平台X和Y方向上的自解耦。图2是定位平台的运动模式示意图。

　　3　静电致动器致动机理