专利名称：静电致动器及其制备方法、抗瞬时扰动方法
技术领域：
本发明涉及微致动器领域，尤其涉及
电致动器及其制备方法、抗瞬时扰动方法。
种适用于高精度光MEMS器件的抗扰动静
背景技术：
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)是泛指体积或动作范围 在微米等级的组件或系统。有别于传统机械加工制造的方式，MEMS大部分是利用与集成电 路的半导体制程兼容的方式，包含体型硅微加工技术和面型硅微加工技术，用于制作微小 的机械组件与结构。由于MEMS具有体积轻薄短小、可批量制造、以及易于创造高附加价值 等优点，再加上比一般传统制造技术有着更高的分辨率与灵敏度，使得近年来MEMS相关的 技术广泛受到学术界与产业界的重视，进而投入大量人力与资源进行研发。目前，MEMS的研 究领域大致可分为三类，即微传感器、微致动器及微结构制造技术。随着微机械加工制造技 术的不断进步，各领域组件的发展也渐趋成熟，使得目前的MEMS组件在设计上朝向更高的 机械性能方向发展。然而对于MEMS组件而言，要追求更高的机械性能表现，除了要寻求机 构设计上的突破及制程技术的提升外，还有一项常被忽略但却是非常重要的考虑因素。即 产品的可靠度。 致动器是能量转换器的一种，在光MEMS器件中，高精度关键部件对光进行精密机 械运动操作发挥着至关重要的作用。事实上，即使微弱的瞬态扰动也可能对器件的性能造 成显著的影响，甚至导致器件失效。因此，光MEMS器件对关键部件的运动精度要求达到微 米/亚微米级，乃至纳米级(< 10nm)。这就要求微致动器不仅具有高精确定位、高可靠性 外，更要求其在实际工作环境中有效克服由外部环境振动引入的冲击扰动-特别是瞬态振 动引起的扰动。
发明内容
本发明的目的是提供一种静电致动器及其制作方法、抗瞬时扰动方法，该静电致 动器具有单片集成、自适应性等技术特点，还具有高精确定位、高可靠性，能够有效克服由
外部环境振动引入的冲击扰动，特别是瞬态振动引起的扰动，可克服现有技术存在的不足。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。 本发明提供了一种静电致动器，该静电致动器包括固定电极，为固定连接于衬底
上的引线电极的平板电极；第一可动电极，为设置于距所述衬底设定高度的平板电极；第
二可动电极，为矩形框平板电极，设置于所述第一可动电极同一平面上、所述固定电极与所
述第一可动电极之间；所述第一可动电极及第二可动电极均与弹性部件相连。 其中，所述固定电极、第一可动电极均有两个，每个所述固定电极以及与其对应的
一个第一可动电极之间设置所述第二可动电极矩形框的一条边。 其中，所述弹性部件为折叠弹簧。 本发明还提供了一种基于上述静电致动器的复合静电致动器，该复合致动器由静电致动器及梳齿致动器两部分构成。 其中，所述静电致动器的第二可动电极固定在穿过其中线的通梁上，通过所述通 梁与所述梳齿致动器的折叠弹簧及可动电极相连，所述通梁一端设置光处理端头。
本发明还提供一种上述静电致动器或复合静电致动器的抗瞬时扰动方法，用于包 含所述静电致动器或复合静电致动器的系统中，该方法包括步骤 Dl.通过弹性部件，探测扰动因素引起的静电致动器可动电极位置变化，获得外来 瞬态干扰信息； D2.利用电场效应，将位置变化信号转变为电场信号，对系统进行自适应复位补偿 控制，使系统稳定。
本发明还提供了一种静电致动器的制备方法，包括步骤
SI.选取硅片及玻璃衬底； S2.在所述硅片上形成掩膜，刻蚀第一深槽，所述第一深槽的深度为第一、第二可 动电极与玻璃衬底之间的设定高度； S3.去除所述掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，形成欧姆接触；
S4.在所述玻璃衬底上制作引线电极；
S5.将所述玻璃衬底及硅片进行阳极键合； S6.在所述硅片上形成掩膜，刻蚀第二深槽，所述第二深槽的深度为第一、第二可 动电极的厚度； S7.去除所述掩膜，继续刻蚀释放结构，完成制备。 其中，所述硅片为双/单抛型硅片，厚度为400士10微米。 其中，步骤S3中，采用粒子注入或扩散工艺进行掺杂。 本发明的静电致动器采用单晶硅材料制作，可大大减小结构的内应力，提高器件 结构的质量；其制备方法可采用常规MEMS工艺设备，实现大批量制造，工艺过程简单，与多 种类型的MEMS器件工艺兼容，可用于不同功能器件的抗扰动性能优化。
图1为依照本发明一种实施方式的复合静电致动器立体结构示意图； 图2(a)为依照本发明一种实施方式的静电致动器立体结构示意图； 图2(b)为依照本发明一种实施方式的静电致动器平面俯视图； 图2(C)为依照本发明一种实施方式的静电致动器剖视图； 图3 (a)-3(c)为依照本发明一种实施方式的静电致动器工作原理示意图； 图4(a)-4(e)为依照本发明一种实施方式的静电致动器的制备方法示意图。
具体实施例方式
本发明提出的静电致动器及其制备方法、抗瞬时扰动方法，结合附图和实施例说 明如下。 依照本发明一种实施方式的静电致动器可以用来减小外界扰动对于光处理端头 性能的影响，如图2(a)-2(c)所示，本发明提供的静电致动器包括固定电极l，为两个固定 连接于玻璃衬底上的引线电极ll的平板电极；第一可动电极2，为两个设置于距玻璃衬底设定高度h的平板电极；第二可动电极3，为矩形框平板电极，设置于第一可动电极2同一 平面上、固定电极1与第一可动电极2之间；每个固定电极l以及与其对应的一个第一可动
电极2之间设置第二可动电极3矩形框的一条边。固定电极l以及第一、第二可动电极2、
3不等高，高度差即为上述设定高度h ;第一可动电极2及第二可动电极3均与弹性部件相
连，弹性部件可等效为弹簧，优选地，第一可动电极1与折叠弹簧72相连。 如图1所示，本发明还提供了一种基于上述静电致动器的复合静电致动器，该复
合致动器由上述结构的静电致动器(图中虚线框所示)及梳齿致动器两部分构成。 其中，静电致动器的第二可动电极3固定在穿过其中线的通梁8上，通过通梁8与
梳齿致动器的折叠弹簧71及可动电极4相连，通梁8 —端设置光处理端头9 。梳齿致动器为
经典结构，包括执行静电致动的梳齿(comb)和用于结构运动的折叠梁和锚点(anchor)5、
6。固定电极(作为辅助结构，图中未使出)为相对设置在玻璃衬底上的梳齿式电极；与其
对应，可动电极4梳齿插设在固定电极之间，形成梳齿型静电致动器。折叠梁包括两个通过
锚点5、6悬浮连接在玻璃衬底上的折叠弹簧71，和一根连接梳齿型静电致动器可动电极4
和光处理端头9的通梁8，和固定在玻璃衬底上的与锚点5、6相连的引线电极11。 在该静电致动器及复合静电致动器的使用当中，当致动器受到S或N方向的冲击
扰动时，第二可动电极3受到的静电合力方向与冲击扰动方向相反，从而快速返回原平衡
位置。对于光MEMS器件在实际应用中主要受到的多个模态段的冲击扰动，本发明的静电致
动器或复合静电致动器可以通过优化设计实现自适应响应。因此，该致动器不仅具有结构 简单、可靠等优点，而且相对于普通的平板静电驱动结构(由一固定电极和一可动电极组 成)，致动器的功能更强大，也更灵活。通过将静电致动器的本质特性有效融入到光MEMS器 件的设计中，可使光MEMS器件关键部件具有抗瞬时扰动的功能。
结合图3(a)-3(c)介绍本发明静电致动器的工作原理。 当静电致动器受到S或N方向的冲击扰动时，第二可动电极3受到的静电合力方 向与冲击扰动方向相反，从而快速返回原平衡位置。对于光MEMS器件在实际应用中主要受 到的多个模态段的冲击扰动，本发明的静电致动器可以通过优化设计实现自适应响应。
如图3(a)所示，假定与第一可动电极2相连的折叠弹簧的劲度系数为、，与第二 可动电极3相连的折叠弹簧的劲度系数为k2，并且假定在未受到外界扰动时，第一可动电极 2和第二可动电极3之间的距离与第二可动电极3和固定电极1之间的距离均为d。扰动 发生在N和S的方向上，该方向垂直于通梁8指向的方向，也即扰动方向垂直于光处理端头 9正常工作时运动的方向。 为第一可动电极2、第一可动电极3和固定电极l分别接上Vp、和V。的电压。当 光处理端头9受到S方向的扰动，如图3b所示，第一可动电极2和第二可动电极3的间距 由d变为dp第二可动电极3和固定电极l的间距由d变为4， d〉4〉dp由于在电压 一定的情况下，静电力与间距成反比，因此可动电极会受到由于间距变化而产生的静电力 FN、 Fs的作用，FN > Fs。因此第二可动电极3受到的合力大小为FfFs，沿N方向，这一合力 会使得第二可动电极3在较短的时间内从偏离平衡位置处向N方向移动到平衡位置处。这 一过程比第二可动电极3不受静电力，仅依靠带阻尼的简谐振动恢复到平衡位置的过程要 快，因此自然而然地提升光处理端头9的抗扰动特性。 同理，当光处理端头9受到N方向的扰动，如图3c所示，第一可动电极2和第二可动电极3的间距由d变为，第二可动电极3和固定电极1的间距由d变为d2， d < d2 < 。 可动电极会受到由于间距变化而产生的静电力FN、FS的作用，F, > Fs。因此第二可动电极3 受到的合力大小为FS-FN，沿S方向，这一合力会使得第二可动电极3在较短的时间内从偏离 平衡位置处向S方向移动到平衡位置处。这一过程同样比第二可动电极3不受静电力，仅 依靠带阻尼的简谐振动恢复到平衡位置的过程要快，提升了光处理端头9的抗扰动特性。
基于上述原理，本发明提出了一种可兼容制动器结构、非电路控制式的光MEMS单 片集成抗瞬时扰动快速复位伺服方法。其基本原理是根据光MEMS器件关键部件的功能与 结构特点，以包蕴本发明静电致动器特性的器件结构综合设计方案，最终形成以非电路控 制方式实现关键部件相应的抗瞬时扰动快速复位功能。 依照本发明一种实施方式的抗瞬时扰动方法用于基于本发明的静电致动器的系 统中，该方法包括步骤 Dl.瞬态振动信号获取通过快速响应的弹性部件的连接结构，探测由振动等扰 动因素引起的可动电极的位置变化，获得外界瞬态干扰信息； D2.振动复位信号的产生利用电场效应，将位置变化信号转变为电场信号，再给 系统进行自适应复位补偿控制，使系统稳定。 如图4(a)-4(e)所示，本发明还提供了一种上述静电致动器的制备方法，该方法 包括步骤 SI.选取双/单抛N型硅片12及玻璃衬底IO，硅片12厚度为400±10微米；
S2.在硅片12上形成氧化硅掩膜，刻蚀第一深槽13，第一深槽13的深度定出固定 电极1与第一可动电极2、第二可动电极3之间的高度差h，即第一可动电极2、第二可动电 极3与玻璃衬底10之间的预设高度h ; S3.去除氧化硅掩膜，对硅片12表面采用粒子注入或扩散工艺进行掺杂，形成欧 姆接触，掺杂杂质为硼14 ; S4.在玻璃衬底10上制作引线电极11 ; S5.将玻璃衬底10及硅片12进行阳极键合，并将硅片12减薄；
S6.在硅片12上形成光刻胶掩膜15，以光刻胶掩膜15为掩膜刻蚀第二深槽16，第 二深槽16的深度为第一可动电极2、第二可动电极3等结构的厚度；
S7.去除光刻胶掩膜15，继续刻蚀释放结构，形成所需结构，完成器件的制备。
鉴于静电致动是光MEMS领域中应用最广泛的驱动方式，本发明提出的静电致动 器为适用于高精度光MEMS器件的抗扰动器件。其中，静电致动器所具有的单片集成、自适 应性等技术特点是当前光MEMS器件的重要发展方向。这种静电致动器的应用面广，其功能 具有高附加值特性，可在与现有主流光MEMS器件(如体硅SOI (Silicon-On-Insulator)类 等)结构、工艺等兼容的前提下提升器件的性能与可靠性，更可作为构建下一代更高性能、 更高精度的新型光MEMS器件的重要技术基础。对光MEMS器件及MEMS系统，特别是自由空 间高精度反射类、干涉类等光MEMS器件，以及探究相关基础科学问题，具有重要意义。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种静电致动器，包括固定电极，为固定连接于衬底上的引线电极的平板电极；第一可动电极，为设置于距所述衬底设定高度的平板电极；第二可动电极，为矩形框平板电极，设置于所述第一可动电极同一平面上、所述固定电极与所述第一可动电极之间；所述第一可动电极及第二可动电极均与弹性部件相连。
2. 如权利要求1所述的静电致动器，其特征在于，所述固定电极、第一可动电极均有两个，每个所述固定电极以及与其对应的一个第一可动电极之间设置所述第二可动电极矩形框的一条边。
3. 如权利要求1所述的静电致动器，其特征在于，所述弹性部件为折叠弹簧。
4. 一种基于权利要求1所述的静电致动器的复合静电致动器，该复合致动器由静电致动器及梳齿致动器两部分构成。
5. 如权利要求4所述的复合静电致动器，其特征在于，所述静电致动器的第二可动电极固定在穿过其中线的通梁上，通过所述通梁与所述梳齿致动器的折叠弹簧及可动电极相连，所述通梁一端设置光处理端头。
6. —种基于权利要求l-3任一项所述的静电致动器或权利要求4-5任一项所述的复合静电致动器的抗瞬时扰动方法，用于包含所述静电致动器或复合静电致动器的系统中，该方法包括步骤Dl.通过弹性部件，探测扰动因素引起的静电致动器可动电极位置变化，获得外来瞬态干扰信息；D2.利用电场效应，将位置变化信号转变为电场信号，对系统进行自适应复位补偿控制，使系统稳定。
7. —种静电致动器的制备方法，包括步骤`51. 选取硅片及玻璃衬底；`52. 在所述硅片上形成掩膜，刻蚀第一深槽，所述第一深槽的深度为第一、第二可动电极与玻璃衬底之间的设定高度；`53. 去除所述掩膜，对所述硅片表面进行掺杂，形成欧姆接触；`54. 在所述玻璃衬底上制作引线电极；`55. 将所述玻璃衬底及硅片进行阳极键合；``56. 在所述硅片上形成掩膜，刻蚀第二深槽，所述第二深槽的深度为第一、第二可动电极的厚度；`57. 去除所述掩膜，继续刻蚀释放结构，完成制备。
8. 如权利要求7所述的静电致动器的制备方法，其特征在于，所述硅片为双/单抛型硅片，厚度为400士10微米。
9. 如权利要求7所述的静电致动器的制备方法，其特征在于，步骤S3中，采用粒子注入或扩散工艺进行掺杂。
全文摘要
本发明涉及一种静电致动器及其制备方法、抗瞬时扰动方法，该静电致动器包括固定电极，为固定连接于衬底上的引线电极的平板电极；第一可动电极，为设置于距所述衬底设定高度的平板电极；第二可动电极，为矩形框平板电极，设置于所述第一可动电极同一平面上、所述固定电极与所述第一可动电极之间；所述第一可动电极及第二可动电极均与弹性部件相连。本发明的静电致动器具有单片集成、自适应性等技术特点，还具有高精确定位、高可靠性，能够有效克服由外部环境振动引入的冲击扰动，特别是瞬态振动引起的扰动。
文档编号B81C1/00GK101704498SQ200910237719
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月16日 优先权日2009年11月16日
发明者吴文刚, 夏雨, 张海霞, 杜博超, 贾鲲鹏, 郝一龙, 陈庆华 申请人:北京大学