专利名称：一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的制作方法
技术领域：
本发明属于微平移旋转机构和微光电机械系统领域，具体涉及一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构。
背景技术：
微平移旋转机构可以应用于自适应光学的波阵面校正、空间光调制、微内窥镜共焦成像、自动对焦或者自动变焦镜头的微小移动、光学元件对准、显微操纵器和微位移平台等方面。这些应用领域大多需要出平面平移或者旋转运动，或者即需要平移又需要旋转。例如，应用于大型地面望远镜的自适应光学模块需要超过10 μ m的移动，视觉领域的自适应光学模块的波阵面校正需要超过20 μ m的移动，自动对焦或者自动变焦镜头的微小移动需要几十到几百微米，还有如光学元件的对准、微操作器、微移动平台、光学相关断层扫描、共焦显微成像和一些二维旋转成像及显示等方面的应用。人们开发了多种微型机构，以实现较大的出面平移和旋转运动。这些设计包括V.Milanovic等人提出的基于微静电驱动器的微型机构(发表在IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 16，pp. 1891-1893，2004)、A. Jain, H. Xie 所设计的基于电热驱动器白勺微型机构(发表在 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 13，pp. 228-234,2007)和I-J Cho, Ε. Yoon所提出的基于电磁激励的微型机构(发表在 J. Micromech. Microeng. Vol. 19，pp.1-8,2009)。基于微电热驱动器的设计能够实现几百微米的出面移动。但是，基于电热驱动器的设计需要较高的能量供给(IOs 100s mW)，响应慢且精度低。基于电磁驱动器的设计能够实现84 μ m的移动，其缺点是能量消耗较大，高达IOOsmW,并且磁性薄膜的制造和外磁场的施加非常困难。相对于微电热驱动器和微电磁驱动器，基于微静电驱动器的设计所需之能量消耗很小(低于lMw，甚至可以以零能量消耗来维持静态位置)，响应快，精度高且CMOS的加工制造互换性很好。但是，用微静电驱动器实现大行程的出面平移旋转运动还是非常有挑战性的。为此，多种静电驱动器的已经被开发出来以实现大行程出平面运动。例如F. Pardo等人提出的静电驱动器可以实现5μπι的出平面移动(发表于Journal of Microelectronic Engineering, Vol. 84, pp. 1157-1161，2007)，此设计将面内的梳状驱动器的旋转运动转化为出面平移运动。M.A. Helmbrecht提出的平行板驱动器(发表在 Proc. SPIE, Vol. 6223，2006，pp. 622305. 1-622305. 7)可实现 7. 5 μ m,它是利用残余应力获取较大的初始间隙来抬高运动电极。V.Milanovic等人提出的静电驱动器(发表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol. 10，pp.462—471，462—471， 2004)可实现60 μ m的出面移动，此驱动器是利用一个纵向梳状结构和一个旋转变压器结构来实现的，利用正面和背面的SOI晶圆腐蚀来实现其加工制造。鉴于上述讨论，有必要提出可实现大行程平移旋转运动的微驱动器的设计
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，克服了现有产品实现大行程出平面运动难度大的不足，能够简单的实现大行程出平面运动，具有能量消耗很小，响应快，精度高且加工制造互换性好的特点。为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，包括一个基准底座；一个能够传递和转换元件的平移或转动单元；两个或两个以上的静电驱动器；一个或者多个弹簧或者挠性装置；每个静电驱动器均由静电极和动电极组成；静电极安装在所述的基准底座上；每个弹簧或者挠性装置将静电极连接到传递和转换元件上；因此只要通过给静电驱动器加电压通过分别控制加在静电驱动器上的电压信号就能够使静电极相对于基准底座运动，就是传递和转换元件能够单独平移，单独转动或者同时平移转动。所述每个静电驱动器弹性连接到传递和转换元件的对面，传递和转换元件在一个平面上旋转。所述静电驱动器等距、弹性的分布在传递和转换元件的周围，其中传递和转换元件在两个面上旋转。所述静电驱动器具有相同数目的电极；所述静电驱动器具有相同的电极长度；所述静电驱动器具有相同的电极宽度；所述静电驱动器具有相同的悬架弹簧或者挠性装置。所述每个静电驱动器的电极具有相同的长度；每个静电驱动器具有相同的电极伸
出觅度O静电驱动器分布在沿着传递和转换元件的圆周方向上。所述弹簧或者挠性装置把传递和转换元件与所述的静电驱动器连接起来；所述弹簧或者挠性装置具有相同的形状或尺寸。所述弹簧或者挠性装置分布在传递和转换元件的圆周方向上。传递和转换元件是一个形成活塞或电极头或倾斜纤维镜面的反光镜平面。基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的实现方法主要包括以下几步(a)提供一个基准底座；(b)提供一个传递和转换元件；(c)利用固定组件把两个或者更多的静电驱动器联接在基准底座上； (d)用一个具有弹性的弹簧或者挠性装置把传递和转换元件与每个可移动的静电驱动器连接起来；(e) 一种应用电压改变静电驱动器从而驱动传递和转换元件的方法(i)通过对所有的静电驱动器同时应用相同的电压信号实现基准底座平移；(ii)通过在不同的静电驱动器中采用不同的电压实现基准底座旋转，其中至少一个静电驱动器的电压为零；(iii)对于通过对所有的静电驱动器应用不同的电压，实现整个基准底座的传递和转换元件的同步运动，其中没有任何一个静电驱动器的电压为零。本发明所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的有益效果是能够简单的实现大行程出平面运动，具有能量消耗很小，响应快，精度高且加工制造互换性好的特
点ο
图1为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的透视图；图2为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构当电压加到执行器后其传递和转换元件，以及所做的非平面位移透视图；图3为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构在排斥力执行器中产生的非对称电场示意图；图4为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的传递和转换元件的运动透视图；图5为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构在不同电压下传递和转换元件沿着两条垂直轴所测得的旋转状态图；图6为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的静电驱动器的电极横截面图；图7为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的影响静电驱动器所产生力矩的参数的原理图；图8为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的第一代大冲程平移微执行器的静态性能图；图9为本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构在不同振动频率下非平面的平移运动图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的最佳实施方案作进一步的详细的描述。如图1-9所示，本发明实施例所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，由传递和转换单元2，四个静电驱动器3组成，其中这四个静电驱动器3是作为旋转驱动单元，旋转驱动单元的数量取决于所设计的执行器。比如，相互间呈900夹角的两个静电驱动器3与这里四个静电驱动器3产生同样的效果，但是柔性要差些。所述静电驱动器3由静电极5和动电极6组成，传递和转换单元2通过弹簧或挠性装置4与每个静电驱动器3 中间长的静电极5相连。在这种设计下，四个静电驱动器3对称的分布在传递和转换单元 2周围并且承受相同的电压。因此，在任何情况下，四个静电驱动器3转过相同的非平面角度。当输入电压时，四个静电驱动器3的非平面转动通过四个弹簧或挠性装置4转换为传递和转换单元2的非平面转动。传递和转换单元2是一个镜面，可调电容/电感的电极，定位微小透镜的平台，一个微小镜台/操作器平台。在每个静电驱动器3里，静电极5与共用支撑杆7相连，这个支撑杆7通过弹簧或挠性装置4固定在基准底座1下。每个静电驱动器3的运动相互影响，因此，每个静电驱动器3是独立的。所述静电极5可以活动的连到基准底座1上，所述静电极5包括多个电极，一个或多个静电极5在基底上有一个对应的电极，基准底座1上每个对应静电极5在周围布置了至少一个电极，并且产了一个或几个区间。通过对静电极5加Vl电压，Vl对应基准底座1 上的电极，V2不对应基准底座1的电极，产生排斥力，通过施加Vl对静电极5，V2对基准底座1上的电极产生吸引力。
如图3所示，当一个电压施加到所述静电驱动器3上的时候，即动电极6处于一个电势，静电极5处于另一个电势，因此，在动电极6水平中心线周围会产生一个非对称电场。 结果就会在动电极6上产生一个向上的净力推动动电极6远离静电极5。此静电驱动器3 可以实现大行程出平面平移/旋转运动而不会出现传统平行板静电驱动器中所出现的“拉回”效应。此静电驱动器3仅仅需要两个薄膜层，因此它非常适合利用表面微加工技术进行加工制造。所述静电驱动器3中所用的动电极6长度不同。例如，距离传递和转换单元2中心远的动电极6要比距离近的动电极6短一些。这是为了保证邻近传递和转换单元2的动电极6之间没有交叠。当四个静电驱动器3受同样的电压驱动时，静电驱动器3产生出平面的平移。静电驱动器3也能够实现转动。通过独立控制施加在四个静电驱动器3上的电压，可以实现传递和转换单元2在任意方向(一定转动范围内)的转动。如图4和5所示，所述四个静电驱动器3实现传递和转换单元2沿两正交轴旋转的示意图。VI、V2、V3和V4分别是施加在静电驱动器3上的电压。图中显示依次为平动、 转动、平动加转动。所述四个静电驱动器3用图4所示方式控制时测得的传递和转换单元 2的转动。因为动电极6以不同的角度出平面旋转，不能反射足够的光回3D光学轮廓仪中的低放大倍数棱镜(大焦距)，所以在图5中动电极6没有显示。如图6和7所示，所述每个静电驱动器3产生的转距取决于横截面上沿动指长度方向作用在动电极6上的所有力。根据排斥力驱动器的定标法则，作用在横截面上一个动电极6上的力可以静电极5和动电极6之间的垂直距离H，应用电压V，指宽g或者是邻近静电极5之间的水平距离，电极长度L等术语表达。大冲程平移微静电驱动器只需要两层薄膜结构，适合表面微加工技术。静电驱动器3原型通过P0IyMUMI5s工艺制作。静电驱动器3第一个实施方案的尺寸如表1所示。四个静电驱动器3的所有静电极5都由PolyO层制成。动电极6、弹簧或挠性装置4和传递和转换单元2都由Polyl层制成。在传递和转换单元2、动电极6和一般支撑杆7上设计有释放孔和凹痕。一个PolyO制成的方形电极置于传递和转换单元2之下，受与传递和转换单元2相同的势能驱动。这样做是为了防止当电压施加到静电驱动器3时传递和转换单元2 粘着到基准底座1上。静电极5和动电极6之间的起始垂直距离是HO = 0.75m。指宽可以取不同的数值，较适合的取值是g = 51m。装置的操作取决于驱动器的整体刚度。为了得到系统刚度，首先需要确定以下两个的关系1)四个静电驱动器3的旋转角与达到该角度所需转距之间的关系；2)传递和转换单元2的出平面位移与四个静电驱动器3旋转角之间的关系。表1 静电驱动器3的结构参数(单位m)
权利要求
1.一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于包括一个基准底座；一个能够传递和转换元件的平移或转动单元；两个或两个以上的静电驱动器；一个或者多个弹簧或者挠性装置；每个静电驱动器均由静电极和动电极组成；静电极安装在所述的基准底座上；每个弹簧或者挠性装置将静电极连接到传递和转换元件上；因此只要通过给静电驱动器加电压通过分别控制加在静电驱动器上的电压信号就能够使静电极相对于基准底座运动，就是传递和转换元件能够单独平移，单独转动或者同时平移转动。
2.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 所述每个静电驱动器弹性连接到传递和转换元件的对面，传递和转换元件在一个平面上旋转。
3.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 所述静电驱动器等距、弹性的分布在传递和转换元件的周围，其中传递和转换元件在两个面上旋转。
4.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 所述静电驱动器具有相同数目的电极；所述静电驱动器具有相同的电极长度；所述静电驱动器具有相同的电极宽度；所述静电驱动器具有相同的悬架弹簧或者挠性装置。
5.根据权利要求1或4所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于所述每个静电驱动器的电极具有相同的长度；每个静电驱动器具有相同的电极伸出宽度。
6.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 静电驱动器分布在沿着传递和转换元件的圆周方向上。
7.根据权利要求4所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 所述弹簧或者挠性装置把传递和转换元件与所述的静电驱动器连接起来；所述弹簧或者挠性装置具有相同的形状或尺寸。
8.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 所述弹簧或者挠性装置分布在传递和转换元件的圆周方向上。
9.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 传递和转换元件是一个形成活塞或电极头或倾斜纤维镜面的反光镜平面。
10.根据权利要求1所述的基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，其特征在于 基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构的实现方法主要包括以下几步(a)提供一个基准底座；(b)提供一个传递和转换元件；(c)利用固定组件把两个或者更多的静电驱动器联接在基准底座上；(d)用一个具有弹性的弹簧或者挠性装置把传递和转换元件与每个可移动的静电驱动器连接起来；(e)一种应用电压改变静电驱动器从而驱动传递和转换元件的方法(i)通过对所有的静电驱动器同时应用相同的电压信号实现基准底座平移；( )通过在不同的静电驱动器中采用不同的电压实现基准底座旋转，其中至少一个静电驱动器的电压为零；(iii)对于通过对所有的静电驱动器应用不同的电压，实现整个基准底座的传递和转换元件的同步运动，其中没有任何一个静电驱动器的电压为零。
全文摘要
本发明公开了一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，包括一个基准底座；一个能够传递和转换元件的平移或转动单元；两个或两个以上的静电驱动器；一个或者多个弹簧或者挠性装置；每个静电驱动器均由静电极和动电极组成；静电极安装在所述的基准底座上；每个弹簧或者挠性装置将静电极连接到传递和转换元件上；因此只要通过给静电驱动器加电压通过分别控制加在静电驱动器上的电压信号就能够使静电极相对于基准底座运动，就是传递和转换元件能够单独平移，单独转动或者同时平移转动。通过对静电驱动器施加和控制施加的电压信号，能够使各静电驱动器相对于基准底座移动，上述的传递和转换元件能够平动，转动，或同时平动和转动。
文档编号B81B7/02GK102442630SQ201010298189
公开日2012年5月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者奔瑞尔·瑞达, 贺思源 申请人:奔瑞尔·瑞达, 贺思源