[发明专利]一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构

说明书

技术领域

本发明属于微平移旋转机构和微光电机械系统领域，具体涉及一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构。

背景技术

微平移旋转机构可以应用于自适应光学的波阵面校正、空间光调制、微内窥镜共焦成像、自动对焦或者自动变焦镜头的微小移动、光学元件对准、显微操纵器和微位移平台等方面。这些应用领域大多需要出平面平移或者旋转运动，或者即需要平移又需要旋转。例如，应用于大型地面望远镜的自适应光学模块需要超过10μm的移动，视觉领域的自适应光学模块的波阵面校正需要超过20μm的移动，自动对焦或者自动变焦镜头的微小移动需要几十到几百微米，还有如光学元件的对准、微操作器、微移动平台、光学相关断层扫描、共焦显微成像和一些二维旋转成像及显示等方面的应用。

人们开发了多种微型机构，以实现较大的出面平移和旋转运动。这些设计包括V.Milanovic等人提出的基于微静电驱动器的微型机构(发表在IEEE Photonics Technology Letters，Vol.16，pp.1891-1893，2004)、A.Jain，H.Xie所设计的基于电热驱动器的微型机构(发表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.13，pp.228-234，2007)和I-J Cho，E.Yoon所提出的基于电磁激励的微型机构(发表在J.Micromech.Microeng.Vol.19，pp.1-8，2009)。

基于微电热驱动器的设计能够实现几百微米的出面移动。但是，基于电热驱动器的设计需要较高的能量供给(10s～100s mW)，响应慢且精度低。基于电磁驱动器的设计能够实现84μm的移动，其缺点是能量消耗较大，高达100smW，并且磁性薄膜的制造和外磁场的施加非常困难。相对于微电热驱动器和微电磁驱动器，基于微静电驱动器的设计所需之能量消耗很小(低于1Mw，甚至可以以零能量消耗来维持静态位置)，响应快，精度高且CMOS的加工制造互换性很好。但是，用微静电驱动器实现大行程的出面平移旋转运动还是非常有挑战性的。为此，多种静电驱动器的已经被开发出来以实现大行程出平面运动。例如F.Pardo等人提出的静电驱动器可以实现5μm的出平面移动(发表于Journal of Microelectronic Engineering，Vol.84，pp.1157-1161，2007)，此设计将面内的梳状驱动器的旋转运动转化为出面平移运动。M.A.Helmbrecht提出的平行板驱动器(发表在Proc.SPIE，Vol.6223，2006，pp.622305.1-622305.7)可实现7.5μm，它是利用残余应力获取较大的初始间隙来抬高运动电极。V.Milanovic等人提出的静电驱动器(发表在IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.10，pp.462-471，462-471，2004)可实现60μm的出面移动，此驱动器是利用一个纵向梳状结构和一个旋转变压器结构来实现的，利用正面和背面的SOI晶圆腐蚀来实现其加工制造。

鉴于上述讨论，有必要提出可实现大行程平移旋转运动的微驱动器的设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，克服了现有产品实现大行程出平面运动难度大的不足，能够简单的实现大行程出平面运动，具有能量消耗很小，响应快，精度高且加工制造互换性好的特点。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于双向或多向静电驱动器的平移旋转机构，包括一个基准底座；一个能够传递和转换元件的平移或转动单元；两个或两个以上的静电驱动器；一个或者多个弹簧或者挠性装置；每个静电驱动器均由静电极和动电极组成；静电极安装在所述的基准底座上；每个弹簧或者挠性装置将静电极连接到传递和转换元件上；因此只要通过给静电驱动器加电压通过分别控制加在静电驱动器上的电压信号就能够使静电极相对于基准底座运动，就是传递和转换元件能够单独平移，单独转动或者同时平移转动。

所述每个静电驱动器弹性连接到传递和转换元件的对面，传递和转换元件在一个平面上旋转。

所述静电驱动器等距、弹性的分布在传递和转换元件的周围，其中传递和转换元件在两个面上旋转。

所述静电驱动器具有相同数目的电极；所述静电驱动器具有相同的电极长度；所述静电驱动器具有相同的电极宽度；所述静电驱动器具有相同的悬架弹簧或者挠性装置。