[发明专利]一种基于双稳态柔顺机构的梳齿电容精密装配方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双稳态柔顺机构的梳齿电容精密装配方法，属于MEMS器件中的微致动器和微传感器技术领域。

背景技术

梳齿状电容器是MEMS器件中常用的微致动器和微传感器的结构形式。梳齿状电容器正负极板之间的间隙需要精密控制，才能使批量具有相同结构的MEMS器件具有一致的、可估计的电容值，从而提高静电MEMS器件批量制造时性能的一致性。但是梳齿状电容器插齿间隙通常只有几微米，给采用深层反应离子刻蚀制造工艺造成很大困难。

发明内容

针对梳齿状电容器正负极板之间的间隙需要精密控制的问题，本发明提出一种基于双稳态柔顺机构的梳齿电容精密装配方法，能够提高梳齿状电容器正负极板之间间隙的精密控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

所述梳齿状电容器的固定梳齿和活动梳齿采用平面铺开制造，制造完成后，固定极板与活动极板之间具有一定的水平横向距离。

为实现固定梳齿与活定梳齿的交叉装配和精密定位，在活动极板后侧设计与之相连的双稳态柔顺机构。双稳态柔顺机构是一种具有两个静力学平衡位形的柔顺并联机构。利用双稳态柔顺机构的两位形平衡特征和柔顺运动能力，设计了一种进行微机械电子系统（MEMS）器件的片上装配方法。可用于多种需要精确定位和结构间隙控制的MEMS器件中。这种结构具有设计制造简单，结构刚度和力－变形分析方便的优点，适合于MEMS器件的批量制造。

在双稳态柔顺机构的后侧同时设计电热柔顺致动器。电热柔顺制动是一种能输出相对较大输出力的微机械致动器。由于热量损耗的不确定性，电热微致动器的精确运动控制十分困难。在本设计中，只利用电热微致动器进行双稳态柔顺机构的平衡位形变换的驱动控制，活动极板的精密装配定位控制通过锁定块实现。

附图说明

图1是梳齿装配前示意图。

所述图1中标号说明：1固定梳齿、2 活动梳齿、3 锁定块、4 弹性梁、5 双稳态柔顺机构、6 支撑块、7 电热驱动电极、8 电热柔顺机构微致动器。

图2是梳齿装配后示意图。

图3是锁定块的工作原理图。

图4是双端支撑柔性双稳态屈梁示意图。

图5是电热柔顺机构微致动器的工作原理图。

具体实施方式

如附图1所示，一种基于双稳态柔顺机构的梳齿电容精密装配方法，其特征在于，所述装置包含有：固定梳齿1、活动梳齿2、锁定块3、弹性梁4、双稳态柔顺机构5、支撑块6、电热驱动电极7、电热柔顺机构微致动器8。

如附图1和附图2所示，分别为双稳态柔顺机构5装配完成前和装配完成后的两个静态平衡位形。由于双稳态柔顺机构5在其两个静态平衡位形都有一定的稳定性，当器件工作于振动环境时，活动极板的位置也不会发生变化，能实现稳定锁定。

如附图3所示，活动极板位置锁定块3的结构采用末端A处为V形收缩槽结构，B处为薄壁悬臂梁结构。当活动极板支架对锁定块3的A端斜面施加作用力F时，锁定块3的薄壁梁B将产生弯曲变形                                                。当活动极板支架通过V形槽后，锁定块3薄壁梁B变形回复原位，锁定块的A端面顶在活动极板支架的后端面，使活动极板不能回复到原位，实现静电梳状插齿电极的交叉装配。锁定块3 A端V形槽斜面的倾角需要根据柔性梁B的弯曲刚度进行匹配设计。当柔性梁B的弯曲刚度较大时，设计A端斜面倾角为较小值；当柔性梁B的弯曲刚度较小时，设计A端斜面倾角为较大值，从而为活动极板位置的锁定提供更可靠的支撑。

如附图4所示，双稳态柔顺机构5的设计采用双端支撑柔性屈梁结构。在外力F的所用下柔顺机构的稳态位形可从图4(a)所示位置变为图4(b)所示位置。这种稳态位形的变化可用于MEMS器件内活动部件位置的调整和装配。

如附图5所示，采用电热柔顺机构微致动器8实现双稳态柔顺机构5稳态位形的驱动变换。电热柔顺机构微致动器8的电极两端施加电压时，柔顺梁中产生电流，由于柔顺梁具有一定的电阻，在通过电流后会产生热量。电阻发热将导致柔顺梁长度增加。由于电热柔顺机构采用V形梁对称结构，当柔顺梁的长度增加时，在两侧对称力作用下，柔性梁的中间支架将只产生水平横向位移。电热微致动器可产生相对较大的输出力，推动双稳态柔顺机构5产生位形的变换，从而实现静电插齿活动电极位置的控制。当活动电极支架通过如图3所示的V形槽后，锁定块3位置回复，实现活动极板位置的锁定。

要使该片上装配机构正常工作，需要将电热柔顺机构的水平方向结构刚度设计为，将双稳态柔顺机构5的弯曲变形刚度设计为，将锁定块柔性梁的结构刚度设计为，且三个结构刚度满足关系。