一种MEMS线性静电驱动技术的制作方法

本发明涉及一种基于梳齿结构的mems线性静电驱动技术，属于微机电系统领域。

背景技术：

微机电系统(micro-electro-mechanicalsystem，简称mems)指其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。mems器件结构微小，传统的驱动方法在mems器件中难以奏效，其常用的驱动方法包括静电驱动、压电驱动、电磁驱动或者热膨胀力驱动等。其中，静电驱动具有低功耗，制作简单，与集成电路(ic)工艺兼容，响应速度快等优点，在mems领域最为常见。

静电驱动利用两平行极板间的静电力/力矩作为驱动力，可分为变电极板间距方式和变电极板间有效正对面积方式。改变电极板间间距的静电驱动过程称为变间距驱动；变间距驱动极板移动距离小，多用于小位移检测，常设计为大平行板结构。改变电极板间有效正对面积的静电驱动过程称为变面积驱动；变面积驱动可以实现大位移驱动，常设计为梳齿结构。

线性驱动有利于实现位移的精准控制，是mems驱动领域的设计目标之一。由于静电驱动产生的静电力/力矩与驱动电压的平方成正比，因此较难实现线性静电驱动。为解决上述问题，论文“modelingandoptimalforcecontrolofanonlinearelectrostaticmicrogripper”通过设计变刚度铰链结构，实现了静电驱动器的驱动位移与驱动电压间的近似线性关系。该方法中未能实现非线性的静电力/力矩，而是借助复杂的非线性刚度支撑结构实现驱动位移的近似线性化。

技术实现要素：

为实现驱动力/力矩与驱动电压间的线性关系，本发明提出一种新的mems线性静电驱动技术，为mems静电驱动的线性控制提供新的技术方案。

本发明解决其技术问题所采用的方案是一种mems线性静电驱动技术(参见图1)，其特征在于：

所述mems线性静电驱动技术基于一个mems线性静电驱动系统实现，所述系统主要包括梳齿结构部分ⅰ和驱动电路部分ⅱ。

所述梳齿结构部分ⅰ由居中可动梳齿部分和两侧的固定梳齿组组成；所述居中可动梳齿部分主要包括中支撑体5、左可动梳齿4、右可动梳齿8、弹性梁6和中锚点7，所述中支撑体5两侧对称分布左可动梳齿4和右可动梳齿8，所述中支撑体5通过弹性梁6固定于中锚点7上；所述左侧固定梳齿组主要包括左固定梳齿3、左支撑体2和左锚点1，所述左固定梳齿3通过左支撑体2和固定于左锚点1上；所述右侧固定梳齿组主要包括右固定梳齿9、右支撑体11和右锚点10，所述右固定梳齿9通过右支撑体11固定于右锚点10上；所述左侧固定梳齿组的左固定梳齿3和右侧固定梳齿组的右固定梳齿9分别与居中可动梳齿部分的左可动梳齿4和右可动梳齿8形成梳齿对。

所述驱动电路ⅱ由分压电路12、恒压源13和控制器14组成；所述恒压源13接入分压电路12后，输出第一驱动电压v1和第二驱动电压v2两路电压，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2大小可通过控制器14调节，满足关系v1+v2≡vc；vc由分压电路12和恒压源13决定，其电压值恒定不变。所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2分别与接入左侧固定梳齿组的左固定锚点1和右侧固定梳齿组的右固定锚点10；居中的可动部分的中锚点7接入零电势v0。

本发明提出的mems线性静电驱动技术中，以基于直梳齿的静电驱动系统为例(参见图1)，电势为零的可动梳齿部分和电势为v1的左侧固定梳齿组存在电压差，使所述可动梳齿部分与左侧固定梳齿组产生沿x向的静电力，表示为：

其中n为左侧固定梳齿组中的梳齿个数，ε为空气介电常数，h为梳齿厚度，d梳齿间间距，v0为中锚点7接入的电势，v1为左锚点1接入的驱动电压。

由于右侧固定梳齿组与左侧固定梳齿组结构对称，梳齿的数量、厚度和间距等参数相同。当右侧固定梳齿组接入驱动电压v2时，使所述可动梳齿部分与右侧固定梳齿组沿x反向产生静电力，表示为：

因此，居中的可动梳齿部分受到两侧的静电合力可表示为：

由于第一驱动电压v1和第二驱动电压v2，满足关系v1+v2≡vc，且v0为零；可动梳齿部分部分受到的静电合力f可表示为：

由于电压vc由分压电路12和恒压源13决定，其电压值恒定不变，因此静电力f随驱动电压v1线性变化，实现了静电驱动系统的线性驱动。

本发明的有益效果是：固定部分的左固定锚点1和右固定锚点10分别接入驱动电压v1和v2，可动部分的中锚点7接入零电势；左固定梳齿组3和右固定梳齿组9分别与左可动梳齿组4和右可动梳齿组8形成梳齿对，所述梳齿对将静电驱动力与驱动电压的平方关系转化为与驱动电压v1和v2的和差关系，因此梳齿结构部分ⅰ和驱动电路部分ⅱ实现了静电驱动系统的线性驱动。

附图说明

图1为本发明提出的静电驱动系统的示意图。

图中，1-左锚点，2-左支撑体，3-左固定梳齿组，4-左可动梳齿组，5-中支撑体，6-弹性梁，7-中锚点，8-右可动梳齿组，9-右固定梳齿组，10-右锚点，11-右支撑体，12-分压电路，13-恒压源，14-控制器。

图2为实施例中基于弧形梳齿的静电驱动系统的示意图。

图中，1-左锚点，2-左支撑体，3-左固定梳齿组，4-左可动梳齿组，5-中支撑体，6-弹性梁，7-中锚点，8-右可动梳齿组，9-右固定梳齿组，10-右锚点，11-右支撑体，12-分压电路，13-恒压源，14-控制器。

图3为实施例中基于弧形梳齿的静电驱动系统在微夹持器应用的示意图

图中，1-左锚点，2-左支撑体，3-左固定梳齿组，4-左可动梳齿组，5-中支撑体，6-弹性梁，7-中锚点，8-右可动梳齿组，9-右固定梳齿组，10-右锚点，11-右支撑体，12-分压电路，13-恒压源，14-控制器，15-加持臂，16-加持头。

具体实施方式

实施例1：参阅图1，本实施例中mems线性静电驱动技术的梳齿结构部分为直梳齿结构。

该实施例中的所述静电驱动系统主要包括：梳齿结构部分ⅰ和驱动电路部分ⅱ；所述梳齿结构部分ⅰ由居中可动梳齿部分和两侧的固定梳齿组组成；所述居中可动梳齿部分主要包括中支撑体5、左可动梳齿4、右可动梳齿8、弹性梁6和中锚点7，所述中支撑体5两侧对称分布左可动梳齿4和右可动梳齿8，所述中支撑体5通过弹性梁6固定于中锚点7上；所述左侧固定梳齿组主要包括左固定梳齿3、左支撑体2和左锚点1，所述左固定梳齿3通过左支撑体2和固定于左锚点1上；所述右侧固定梳齿组主要包括右固定梳齿9、右支撑体11和右锚点10，所述右固定梳齿9通过右支撑体11固定于右锚点10上；所述左侧固定梳齿组的左固定梳齿3和右侧固定梳齿组的右固定梳齿9分别与居中可动梳齿部分的左可动梳齿4和右可动梳齿8形成梳齿对。本实施例中梳齿对的间距d均为3μm，数量n为100，梳齿厚度h均为60μm。

所述驱动电路ⅱ由分压电路12、恒压源13和控制器14组成；所述恒压源13接入分压电路12后，输出第一驱动电压v1和第二驱动电压v2两路电压，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2大小可通过控制器14调节，满足关系v1+v2≡vc；vc由分压电路和恒压源13决定，其电压值恒定不变，本实施例中，vc为50v。所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2分别与接入左侧固定梳齿组的左固定锚点1和右侧固定梳齿组的右固定锚点10；居中的可动部分的中锚点7接入零电势。

由于电势为零的可动梳齿部分和电势为v1的左侧固定梳齿组存在电压差，可使所述可动梳齿部分与左侧固定梳齿组产生沿x向的静电力，表示为：

其中n为左侧固定梳齿组中的梳齿个数，ε为空气介电常数，h为梳齿的厚度，d梳齿间间距，v0为中锚点7接入的电势，v1为左锚点1接入的驱动电压。

由于右侧固定梳齿组与左侧固定梳齿组结构对称，梳齿的数量、厚度和间距等参数相同。当右侧固定梳齿组接入驱动电压v2时，使所述可动梳齿部分与右侧固定梳齿组沿x反向产生静电力，表示为：

因此，居中的可动梳齿部分受到两侧的静电合力可表示为：

由于第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足关系v1+v2≡vc，vc由分压电路12和恒压源13决定。可动梳齿部分部分受到的静电合力f可表示为：

由于本实施例中梳齿对的间距d均为3μm，数量n为100，梳齿厚度h均为60μm，电压vc为50v，空气介电常数ε为8.85x10^-12f/m，因此可动梳齿部分部分受到的静电合力f为：

f=1.77-6×10^-6×(v1-25)(9)

当第一驱动电压为15v时，驱动力为-17.7μn；当第一驱动电压为25v时，驱动力为0；当第一驱动电压为45v时，驱动力为35.4μn。静电力f与驱动电压v1为线性关系，实现了直梳齿静电驱动系统的线性驱动。

实施例2：参阅图2，本实施例中mems线性静电驱动系统的梳齿结构部分为弧形梳齿结构。

该实施例中的所述静电驱动系统主要包括：梳齿结构部分ⅰ和驱动电路部分ⅱ；所述梳齿结构部分ⅰ由居中可动梳齿部分和两侧的固定梳齿组组成；所述居中可动梳齿部分主要包括中支撑体5、左可动梳齿4、右可动梳齿8、弹性梁6和中锚点7，所述中支撑体5两侧对称分布左可动梳齿4和右可动梳齿8，所述中支撑体5通过弹性梁6固定于中锚点7上；所述左侧固定梳齿组主要包括左固定梳齿3、左支撑体2和左锚点1，所述左固定梳齿3通过左支撑体2和固定于左锚点1上；所述右侧固定梳齿组主要包括右固定梳齿9、右支撑体11和右锚点10，所述右固定梳齿9通过右支撑体11固定于右锚点10上；所述左侧固定梳齿组的左固定梳齿3和右侧固定梳齿组的右固定梳齿9分别与居中可动梳齿部分的左可动梳齿4和右可动梳齿8形成梳齿对。

所述驱动电路ⅱ由分压电路12、恒压源13和控制器14组成；所述恒压源13接入分压电路12后，输出第一驱动电压v1和第二驱动电压v2两路电压，所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2大小可通过控制器14调节，且满足关系v1+v2≡50v。所述第一驱动电压v1和第二驱动电压v2分别与接入左侧固定梳齿组的左固定锚点1和右侧固定梳齿组的右固定锚点10；居中的可动部分的中锚点7接入零电势。

由于电势为零的可动梳齿部分和电势为v1的左侧固定梳齿组存在电压差，使所述可动梳齿部分与左侧固定梳齿组产生逆时针方向的静电力矩，根据论文“arotarymicrogripperwithlockingfunctionviaaratchetmechanism”的理论推导，该静电力矩可表示为：

τ1＝α(v1-v0)²(10)

其中α为弧形梳齿组系数，与梳齿组数、梳齿宽度、梳齿间距、最内梳齿半径等结构参数相关，为常数；v0为中锚点7接入的电势，v1为左锚点1接入的驱动电压。

由于右侧固定梳齿组与左侧固定梳齿组结构对称，梳齿结构参数相同，因此当右侧固定梳齿组接入驱动电压v2时，使所述可动梳齿部分与右侧固定梳齿组产生顺时针方向的静电力矩，可表示为：

τ2＝-α(v2-v0)²(11)

因此，居中的可动梳齿部分受到两侧的静电合力矩可表示为：

本实施例中第一驱动电压v1和第二驱动电压v2满足关系v1+v2≡50v，v0为零，弧形的梳齿组系数α为8×10^-10。可动梳齿部分部分受到的静电合力矩τ为：

当第一驱动电压为15v时，驱动力矩为-16nn·m；当第一驱动电压为25v时，驱动力矩为0；当第一驱动电压为45v时，驱动力矩为32nn·m。静电合力矩τ与驱动电压v1为线性关系，实现了弧形梳齿静电驱动系统的线性驱动。

参阅图3，给出了本实施例中弧形梳齿静电驱动系统在微夹持器中的具体应用实例。该夹持器主要包括：梳齿结构部分ⅰ、驱动电路部分ⅱ和夹持结构iii。

所述夹持结构iii由加持臂15和加持头16组成；所述加持臂15连接中支撑体5和加持头16，加持头16用于夹持物体。本实施例中加持头16距中锚点7距离为3000μm。

在如式(13)所示的静电合力矩τ的作用下，加持头16绕中锚点7转动，所述加持头16的位移可表示为：

其中θ加持头的转动角度；k为可动梳齿部分转动刚度，本实施例中k为83.8nn·m/°；l为加持头到中锚点7的距离，本实施例中l为3000μm。因此加持头16的位移为：

当第一驱动电压为15v时，加持头16的位移为-10μm；当第一驱动电压为25v时，加持头16的位移为0；当第一驱动电压为45v时，加持头16的位移为20μm。加持头16的位移与驱动电压v1为线性关系，实现了夹持器开口尺寸的线性化。

本专利中的梳齿结构部分不局限于以上实施例的形式，例如，居中可动梳齿部分和两侧的固定梳齿组可以变换为多个小梳齿组的形式。