刮板式微致动器性能研究

　　纳米测控技术是纳米科技的重要基础, 而纳米级驱动是纳米测控系统中急需解决的关键问题。纳米级驱动, 指驱动精度达到纳米级( 10 nm ~ 100nm) 的各种形式的单、多自由度的微操作。目前, 此类微操作主要由宏观结构来实现。而随着科技的发展, 小型化、微型化是一大发展方向。纳米级驱动在纳米仪器设备和纳米加工设备中有着广泛的应用,如扫描探针显微镜的数据存储、探针驱动和样品进给装置、大规模集成电路制造中的多层压印套刻及分布压印对准技术、高密度大容量的计算机硬盘驱动器的磁头进给读写装置等[ 1-2] 。

　　刮板式微致动器是一种重要的静电致动MEMS 微致动器, 其相对于MEMS 静电梳谐振器具有致动位移大、精度高、致动过程可控性好[ 3] 等特点。本文结合了刮板式微致动器表面硅加工工艺特点建立了新的理论模型并和已有实验结果作了比较。

　　1 微致动器结构及原理

　　刮板式微致动器的结构如图1 所示, 结构的下部是表面覆盖有绝缘层的底板; 上部由垫块和平板构成, 在支撑梁的支撑下悬浮于底板之上; 垫块位于平板和支撑梁的相交处, 由于表面硅加工工艺的加工过程, 为了防止垫块和底板粘合在一起, 在垫块与底板间设计了一个间隙。

　　图2 所示为微致动器的致动原理, 在平板和底板之间施加驱动电压时, 平板和底板之间形成类似平板电容的结构。开始加电后, 平板向底板方向逐渐倾斜, 在接触底板后, 平板会发生弯曲变形。平板的弯曲变形引起垫块的倾斜、翘起, 垫块会在底板上向前滑行一段距离。施加电压达到峰值后, 平板开始向平衡位置恢复, 与此同时, 平板的末端向前滑动。在平板恢复到平衡位置后, 开始进入下一个周期的运动。在每个周期中, 致动器运动的位移为dx , 称为单步位移。经过多个单步位移, 微致动器可以实现大范围的运动。

　　2 微致动器的理论模型

　　2. 1 微致动器的临界电压

　　微致动器的纵向剖面如图3 所示, A0 B0 C0 表示结构未施加电压的状态; A1B1 C1 表示平板结构变形的开始状态; 而当端点A 附近被压平时即端点A 附近区域板的转角HA 等于ar ctan( h/ L) 时, 这个状态为临界状态。在临界状态下, 在平板上的分布电荷力q( x ) 的作用下, 平板将发生弯曲变形; 同时, 支撑梁也产生向下的弯曲变形及逆时针方向的扭转变形, 其反作用力F s 及扭矩Me 也对平板的变形产生作用。以下分别讨论这些静电力和支撑梁对平板变形的影响。

　　2. 2 平板上分布电荷产生的平板变形

　　如图3 所示, 由于在临界电压状态下, 平板横向的电荷分布均匀, 根据平板电容的极板电荷分布, 可得这种状态下平板上纵向的分布力为: