[发明专利]多级驱动的MEMS静电驱动器

说明书

本发明提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，结构包括：衬底、载荷、逐级串联的若干个一维静电驱动结构、锚点、导线及绝缘介质；每一级的一维静电驱动结构均包括外框架、至少一个静电驱动单元、及至少一个弹性梁；载荷与第一级的外框架连接；除最后一级的外框架通过最后一级的弹性梁悬挂固定到衬底以外，其余每一级的外框架均通过位于同一级的弹性梁连接下一级的外框架；静电驱动单元包括两个位置相对的梳齿集，分别布置于位于同一级的外框架，及衬底或下一级的所述外框架；每一级的外框架在位于同一级的静电驱动单元的作用下独立地实现一维运动；在各级的一维静电驱动结构的共同作用下，载荷实现无耦合干扰的多维运动或/和大位移运动。

技术领域

本发明属于微机电领域，特别是涉及一种多级驱动的MEMS静电驱动器。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)是指利用微机械加工技术和集成电路制造技术在半导体芯片上实现机电系统功能的微型集成器件或系统，已广泛应用于社会生产生活的各个领域，是半导体技术中所谓的“超越摩尔”路线的主要技术。MEMS驱动器作为MEMS对外输出动作和(或)功能的部件，既是MEMS器件中的基本功能单元之一，又同MEMS传感器一样为MEMS技术的重要的应用方向，因此一直是MEMS技术的研究重点，成功的应用包括数字微镜(DMD)、喷墨打印头、光开关、RF开关、微继电器、微麦克风等。在众多驱动原理中，静电驱动凭借其控制精确、驱动重复性好、易实现和功耗低等优点，成为了MEMS驱动器的最为主要的驱动方式。

针对不同的应用需求，MEMS静电驱动器需要提供一维或多维的驱动，驱动方向包括沿着X/Y/Z向的平动和绕着X/Y/Z轴的扭转，共六个自由度(若芯片处于XY平面，则沿着X/Y向平动和绕着Z轴扭转称为面内运动，沿着Z向平动和绕着X/Y轴扭转称为离面运动)。相比于一维驱动，多维驱动除了结构和加工工艺更加复杂外，不同驱动方向之间的耦合干扰是制约高精度独立驱动的主要因素，即一个方向的驱动会影响到另一个方向的驱动效果，给驱动控制带来了巨大的困难。目前已报道的驱动方向最多的MEMS三维驱动器(Wu Lei,etal.A Tip-Tilt-Piston Micromirror Array for Optical Phased ArrayApplications.JMEMS 19.6:1450-1461)，是绕X/Y轴扭转和沿着Z向平动的复合驱动器(又称为Tip-Tilt-Piston(TTP)驱动器)；该种三维多级驱动的MEMS驱动器采用无转轴的四个单轴扭转驱动器运动合成TTP的三维运动，因此TTP三个轴之间不可避免地存在耦合串扰，从而难以实现独立驱动，驱动控制十分复杂。

此外，受限于驱动材料/结构的能量密度和结构尺寸，MEMS静电驱动器往往只能获得几微米至十几微米的平动位移、或零点几度至几度的扭转角位移，要实现更大的平动位移和更大的扭转角位移在技术上非常困难，严重限制了多级驱动的MEMS驱动器的应用。

因此，如何解决现有的MEMS静电驱动器中的轴间耦合及位移偏小的问题，已经成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多级驱动的MEMS静电驱动器，用于解决现有技术中的轴间耦合干扰和无法实现大位移的问题。