三自由度MEMS活塞管静电微致动器的制作方法

本发明涉及提供大的力、大的面外(out-of-plane)平移行程和/或双轴旋转的微致动器领域。

背景技术：

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(Optical Image Stabilization，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(Vertical Comb-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发明。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(Direct Reactive Ion Etching，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。该发明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。本发明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。该发明的目的是增加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(bulk micromachining fabrication process)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之间的接合未对准。

(3)在限制致动器的带宽的多种设计中使用的梳状电极的腔齿构造中的显著阻尼效应。

(4)表面微加工的VCD致动器在能够提供大的平移(活塞式)行程方面受到限制。这种限制是由于用于沉积大高度(厚度)层的表面微加工工艺没有能力实现。

技术实现要素：

为了克服先前列出的与VCD致动器相关的问题，开发了一种利用活塞管型构造的新型静电致动器。该致动器由两个结构组成：固定结构和移动结构。固定结构包括多个在活塞管型系统中用作活塞的电极。活塞或齿可以布置成正方形、圆形或任何其它构造。这些活塞附接到基部(即，其上定位有活塞的基部的表面限定xy平面)并且在与其垂直的方向(即沿着z轴)突出，并且它们形成致动器的定子。移动结构包括横截面类似于活塞的横截面的多个管(通孔)。移动管围绕致动器板，并且它们由三个或更多个支撑弹簧悬置，支撑弹簧用于在没有施加电压的情况下使致动器板返回到其初始位置。活塞可以分为三个或更多个彼此电隔离的组，以提供围绕平面内轴(x和y)的双轴旋转。

当跨(across)转子和所有定子施加电压时，在垂直方向上在相邻的活塞和管之间产生静电力。该静电力沿着z轴以纯平移(活塞式)运动将转子(自由移动结构)从其静态位置朝向定子(固定结构)移动。当电压下降时，由于支撑弹簧中的恢复力，转子移回到其平衡位置。为了使致动器的转子围绕x轴和/或y轴旋转，跨转子和仅一个或多个定子施加电压。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)活塞管构造使得能够使用用于电极的宽广区域。因此，能够产生平移模式下的高输出力(或者旋转模式下的高扭矩)。

(2)活塞管构造显著地减小了致动器电极之间的气体阻尼效应，其是先前列出的腔齿构造致动器的固有问题。这是因为，当活塞和管在运动期间接合时，由于管是通孔，因而没有气体被捕获在活塞和管之间。在该致动器的一个实施方式中仍然存在挤压薄膜阻尼，但是可以通过固定结构(基座)的背面蚀刻(back etching)来消除薄膜阻尼，以在致动器板下面形成中心通孔。

(3)该设计使得能够制造准确对准的致动器电极。这是由于在使用双侧对准将转子层(移动结构)结合到经蚀刻的定子层(固定结构)之后转子管被图案化和蚀刻的事实。这种技术导致相邻的活塞和管之间的精确对准。

(4)具有双定子实施方式的活塞管构造(两个定子从转子的平行于基部的两侧结合到转子上)能够使转子沿着z轴双向平移，使得致动器的行程加倍。

(5)活塞管致动器提供3-DOF运动，即沿着z轴平移以及绕x和y轴的双轴旋转。

这些优点可以通过以下部分中提供的信息进一步描述。

附图说明

在下文中将结合提供的附图来描述本文的实施方式，并不限制权利要求的范围，其中相同的标号表示相同的元件，并且其中：

图1A示出了3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的固定结构(活塞)。

图1B示出了3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的移动结构(管)。

图1C是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的最终结构的透视图。

图1D示出了3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的最终结构的顶视图、详细视图和截面图。

图2A是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式2的固定结构(活塞)的透视图。

图2B是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式2的移动结构(管)的透视图。

图2C是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式2的最终结构的透视图。

图2D示出了3-DOF活塞管静电致动器的实施方式2的最终结构(即，管内的黑色结构代表活塞)的顶部详细视图。

图3A是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式3的固定结构(活塞)的透视图。

图3B是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式3的移动结构(管)的透视图。

图3C是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式3的最终结构的透视图。

图4A是3-DOF活塞管静电致动器的实施方式4(双定子样式)的分解图，示出了包含活塞的下固定基座、包含管的转子和包含活塞的上固定基座。

图4B是3-DOF活塞管静电致动器的实施方式4(双定子样式)的透视图，示出了在结合三个结构之后的致动器的最终形式。

图4C是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式4的最终结构的俯视图。

图4D是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式4的最终结构的横截面图。

图5A是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的制造原型的俯视图的SEM显微照片。

图5B是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的制造原型的转子和定子的俯视图的SEM显微照片。

图5C是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的制造原型的转子和定子以及弹簧的一部分的放大俯视图的SEM显微照片。

图6D是示出3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的制造原型的对准精度的SEM显微照片。

图7示出了在输出力测试期间负载质量为1mg的3-DOF活塞管静电致动器的实施方式1的原型致动器的截图。

图8示出了制造的原型致动器相对于施加电压的平移行程。

具体实施方式

一种MEMS静电微致动器，包括：具有顶表面和厚度的第一基板；在所述基板的顶表面的中心处构造的腔，其设定尺寸成接收致动器板；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；每个所述齿电极具有形状、长度、高度和厚度；所述齿阵列被分组成一个或多个齿子阵列，每个齿子阵列包括一个或多个齿，其中每个齿子阵列中的齿彼此电连接并且与其他齿子阵列电隔离；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；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致动器板；在所述第二板的厚度中构造的间隔开的开口阵列；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；所述开口阵列被分组成一个或多个开口子阵列，每个开口子阵列包括一个或多个开口，其中每个开口子阵列彼此电连接并且与其它开口子阵列电隔离；每个开口子阵列由从所述第二板的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；以及多个弹簧装置，其沿着所述第二板的外围结构延伸以将每个所述转子附接到所述外围结构，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，由此定子的齿响应于来自施加在所述定子和转子之间的驱动电压的静电力而在致动期间穿入转子的开口中，并且通过选择性地对每个齿子阵列(定子)和每个开口(转子)子阵列充电而实现三自由度(3-DOF)致动。

实施方式1：

本发明(3-DOF MEMS静电致动器)的第一实施方式在图1中示出。如图1A所示，本实施方式中的固定结构包括多个同心圆弧形的齿(活塞)102、103、104，并且移动结构包括被设定尺寸为和被设计为接收固定结构的齿的多个同心弧形的槽或开口(管)122(图1B)。

齿或活塞被分成以120°布置的三个定子102、103、104。每个定子包括多个弧形活塞，其与转子中的弧形管(开口)122竖直对准，使得它们在致动期间相互交叉。三个定子102、103、104通过利用SOI晶片的埋置氧化物(BOX)层107彼此电隔离。然而，每个定子的电极经由BOX层上方的小厚度(高度)层106电连接。围绕活塞的三个圆形岛105是电衬垫。

转子在另一硅(Si)晶片的器件层中制造，并且其包括围绕致动器板121的多个弧形管122。管通过三个支撑梁123附接到基板上。致动器的最终结合结构在图1C中示出。图1D示出了致动器的俯视图以及详细视图，该详细视图示出了活塞(黑色)和管(白色)彼此之间相对地定位的方式。

虽然致动器的该实施方式提供了3-DOF运动，但在实现大的旋转角度方面受到限制。这种限制是由于活塞和管之间的水平间隙(g)126随着旋转角度的增加而变化的事实，这使得该设计不适于提供大的旋转角度；但它是提供大的平移行程的良好设计。

该实施方式的另一个限制是，由于活塞的圆形几何形状，其中空气体积125被捕获在致动器板的下方和最内侧活塞(最靠近致动器板的中心的活塞)的内侧。该空气体积导致在转子运动期间致动器板(不是致动器电极)和基座之间的挤压阻尼效应。然而，可以通过增加基底SOI晶片的处理层的背面蚀刻步骤来去除这些阻尼效应。

该实施方式使用SOI晶片的直接反应离子蚀刻(DRIE)主体微加工工艺制造。与表面微加工工艺不同，主体硅的DRIE使得能够制造大厚度(高度)的电极，这又使得致动器能够提供大的行程。SOI晶片的BOX层提供致动器的定子之间的电隔离以能够双轴旋转。

实施方式2：

为了避免实施方式1在双轴旋转方面的限制，定子和转子的电极可以以在旋转期间减小间隙126的变化的方式布置。在图2A中示出的该实施方式中的活塞204、205、206、207从致动器的内部径向延伸到外部周边。活塞和管的侧面之间的平行板电容器在致动器的圆形板的径向方向上延伸。因此，在致动器的旋转期间，对于垂直或几乎垂直于旋转轴线的那些带电的活塞管对，预期在水平间隙(g)126的变化可以忽略不计。这些带电的活塞管对也产生扭矩与电压的几乎线性的关系。当定子层被分割成大量定子时尤其是这样，参见图2D(尽管该图示出了一个4个定子的致动器，但定子层可以被分割成更多的定子)。这使得致动器的该实施方式与实施方式1相比在经历任何拉入不稳定之前能够实现大的旋转角度。该实施方式的另一个优点是由活塞和管形成的平行板电容器垂直于弹簧的纵向方向，弹簧的纵向方向是弹簧223的最大刚度的方向(弹簧的纵向方向位于致动器板的切线方向上)。因此，可以实现大的面外平移行程。该实施方式的另一方面是弹簧相对于转子的构造，其中弹簧沿着转子的周边延伸(参见图2B对比图1B)。弹簧的这种构造具有四个优点。首先，其允许弹簧很长(导致具有纵向刚度比横向刚度的高的比率，因为梁的纵向刚度与长度成反比，横向刚度与长度的立方成反比)。该高的比率值进一步扩大(push)侧向不稳定性极限，因此可以实现大的行程。第二个优点是，与实施方式1的弹簧构造相反，它为将增多的电极提供了宽的空间，参见图1，其中弹簧径向向内延伸，导致转子区域的收缩。第三，弹簧可以具有与转子(管)层相同的厚度，这意味着可以消除蚀刻转子层以软化弹簧所需的制造步骤，从而简化了制造过程。第四，具有近似于电极高度的大的高度(厚度)的弹簧，使得MEMS静电致动在被装载有诸如透镜之类的质量体时更耐冲击。

实施方式3：

致动器的另一实施方式在图3中示出。在该实施方式中，活塞304、305、306、307具有矩形横截面，并且它们朝向转子竖直地突出并且沿着两个面内轴(x和y)水平地延伸。每个相对的定子包含也沿着两个面内轴(x和y)水平延伸的多个矩形活塞。转子中的管310是矩形通孔，并且它们面向活塞，使得活塞在致动期间沿着管穿透。与其中由于圆形转子的几何形状而不利用致动器的拐角的实施方式2相比，该设计在总电极电容方面更具区域效率。它还利用了类似于实施方式2中使用的有效弹簧构造。然而，由于相邻活塞和管之间的水平间隙的改变，该实施方式的旋转角度受到限制，特别是当致动器板朝向致动器的拐角旋转时。

实施方式4：

图4所示的该实施方式的目的是使实施方式3中所描述的致动器的平移行程加倍。具有中心开孔并具有与实施方式3中的致动器的下基座301的特征相同的特征的基座402接合到转子401的顶表面。接合该基部402使得致动器转子401能够沿着z轴平移。因此，致动器的行程加倍，因为致动器提供了双向平移。在致动器的旋转模式中，在转子与下定子和上定子之间产生的扭矩增加，因为更多的活塞-管对被用于产生作用在转子边缘上的力。因此，需要较低的输入电压来旋转转子。然而，在上部基座402的活塞和转子401的管之间预期会发生接合不对准，因为接合是在蚀刻两种结构(上基座和转子)的特征之后进行的。转子401在使用背面对准接合到下基座301之后进行附接。

图5示出了从致动器的实施方式1的顶侧得到的扫描电子显微镜(SEM)快照，并且还使用SEM研究了致动器的电极之间的对准精度。图5D表示实现了相邻的活塞和管之间的高对准精度，因为偏移小于电极之间的水平间隙126的0.005％。

通过评估其在负载1mg质量时的静态性能，对致动器的实施方式1的原型进行输出力测试。使用镊子将负载放置在致动器板上，然后使用针将其重新定位在板的中心。图6是在输出力测试期间负载1mg质量的致动器的快照。图7示出了测得的带负载致动器的位移与所施加的电压的关系。致动器能够将质量负载(1mg)垂直平移24μm。

前述内容被认为仅是本发明原理的说明。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和改变，因此不期望将本发明限制为所示和所描述的确切结构和操作，因此，所有合适的修改和等同物可以被再分类为落入本发明的范围内。

关于上述描述，应当认识到，对于本领域技术人员来说，与尺寸、形状、形式、材料、功能和操作方式、组装和使用有关的本发明的部件的最佳关系被认为是显而易见的和明显的，并且与附图中所示的和说明书中描述的那些相关的所有等效关系旨在包括在本发明中。

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