[发明专利]一种制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构

说明书

技术领域

本发明涉及一种制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构，其构件采用多晶硅薄膜或者高深宽比的单晶硅材料制成，结构尺寸在微米到亚毫米之间。

背景技术

微电子机械系统(Micro-electro-mechanical System，MEMS)是随着半导体集成电路技术发展而来的，是以半导体为结构材料，以微加工技术为手段，将微机械致动器、微机械执行器以及传感、检测、信号处理等微电路集成在芯片上，其特征尺寸一般在微米至亚毫米范围。MEMS技术是微电子学、微机械学、微尺度力学、微光学、材料学、物理学、化学及生物学等多学科交叉的新兴技术领域，在空间技术、国防、生物医药、信息技术、工业过程控制及其他技术领域中有着广泛的应用前景。

通过文献和专利检索，现有技术中对于宏观尺度的平面柔性连杆机构的研究较多，而采用多晶硅薄膜或单晶硅制作在半导体芯片上微尺度平面柔性连杆机构没有报道。此外，目前MEMS微机械机构有微阀、微泵、微为致动器、微为执行器及各种微传感器机构，而采用热致动器兼作机构构件的自驱动式硅微平面柔性连杆机构未有出现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构，构件材料可以是多晶硅薄膜，也可以是单晶硅等其他半导体材料。

为解决上述技术问题，本发明的制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构由兼作曲柄的电热硅微致动器、硅微连杆、从动构件、固定锚点以及标尺组成，各构件之间采用硅微柔性铰链连接；该机构中的曲柄为冷热臂电热硅微致动器，当其两锚点之间通入驱动电压时，借助半导体硅材料在微尺度的热膨胀效应而产生致动力，从而实现曲柄的自驱动；各个构件之间采用硅微柔性铰链连接有助于运动的传递，通过改变各个构件长度尺寸的比例，可以实现不同的运动方式。

作为驱动装置的冷热臂电热硅微致动器也可以是其他形式致动器，作为曲柄的动力源，改变施加在热致动器上的驱动电压的频率和电压幅值则可改变输出运动的大小和频率。

为了增加机构运动的驱动力，也可以用电热硅微致动器兼作从动构件，由于采用动力分散驱动，使得机构传递运动更具有灵活性，通过改变施加在两个热致动器上控制电压，可以控制该机构的运动。

此连杆机构上不同位置设计有读数标尺，可以定量测得机构不同位置的位移输出数值的大小，从而在机构执行运动的时候便于控制和检测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是对本发明第一种实施方式的结构图。

图2是对本发明第二种实施方式的结构图。

具体实施方式

图1所示的制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构，由兼作主动构件的冷热臂硅微致动器1、硅微连杆2、从动构件3、柔性铰链4组成平面柔性连杆机构，标尺5用于机构微位移的读数，锚点6用于外界控制电压的输入和对悬浮构件起支撑作用。为了实现硅微平面柔性连杆机构的自驱动，机构中的主动构件1是由冷热臂电热硅微致动器构成，并且该致动器的输出端通过柔性铰链4与硅微连杆2柔性连接，硅微致动器的输入端通过柔性铰链4与锚点6柔性连接，此外，硅微连杆2与从动构件3，以及与从动构件3与锚点之间也是采用柔性铰链的形式连接。当热致动器的两个锚点之间通入驱动电压时，由于热致动器的热膨胀效应而使得曲柄自驱动，曲柄产生的致动力使该平面柔性连杆机构产生运动，各个构件之间采用硅微柔性铰链连接，便于运动的传递，当机构中各个构件之间长度尺寸比例变化时，可以实现不同形式的运动。该硅微平面柔性连杆机构上的读数标尺是为了便于观察和测量机构不同位置上的位移输出而设计的。

图2示出了本发明制作在半导体芯片上的硅微平面柔性连杆机构的另一种具体实施方式。该机构中同时采用两个冷热臂电热硅微致动器分别兼作曲柄1和从动构件3，其中把硅微连杆2设置为输出构件，在其端部设置标尺5，以观察和测量机构的位移输出。该机构工作时，可同时在两个冷热臂电热硅微致动器的锚点6之间输入控制电压，改变施加在两个热致动器上控制电压，可以控制该机构的运动，由于动力分散驱动，使得机构传递运动的驱动力更大，并且更具有灵活性。