[发明专利]精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构及检测方法

权利要求书

1.一种精密作动/感知双模式一体化的微机械梳齿结构，其特征在于：包括金属层(11)、器件层(12)、牺牲层(13)和衬底层(14)，共同构成绝缘体上硅SOI三明治结构，其中器件层(12)由探针(15)、多组接线端子、两组横向静电梳齿结构(16)、两组法向静电梳齿结构I(17)、两组法向静电梳齿结构II(116)以及多组弹簧结构组成；各静电梳齿结构均由动极板和静极板交替排列而成，其中动极板与探针(15)构成动子，并通过多组弹簧结构与定子相连；微机械梳齿结构(1)属于微型器件，器件整体尺寸设定为L×(H1+H2+H3)×W，其中器件层(12)厚度为H1，牺牲层(13)厚度为H2，衬底层(14)厚度为H3；

所述的多组接线端子由沉积在器件层(12)上的金属层(11)组成并对称布置在探针(15)轴线两侧，其中金属层I(111A)、金属层II(111B)和金属层IX(115)控制探针(15)或动子的电压极性；金属层III(112A)和金属层IV(112B)控制横向静电梳齿结构(16)定极板的电压极性；金属层V(113A)和金属层VI(113B)控制法向静电梳齿结构I(17)定极板的电压极性；金属层VII(114A)和金属层VIII(114B)控制法向静电梳齿结构II(116)定极板的电压极性；通过改变各组静电梳齿结构中定极板和探针(15)或动子的电压极性产生相对运动，实现静电驱动加载，并且通过探针(15)测试过程中产生的反作用力改变极板间距产生电容变化，实现载荷和位移/变形的精确检测；

所述的多组弹簧结构由二维弹簧结构I(18)、一维弹簧结构II(19)和Y3-弹簧结构(110)组成，其中Y3-弹簧结构(110)采用单一柔性直梁形式；所述二维弹簧结构I(18)由两组Y1-弹簧结构(181)和X-弹簧结构(182)组成，其中Y1-弹簧结构(181)采用两组单一柔性直梁形式；X-弹簧结构(182)采用一组折叠式柔性梁形式，连接探针(15)与定子；所述一维弹簧结构II(19)由Y2-弹簧结构(191)和过冲保护结构(192)，其中Y2-弹簧结构(191)采用一组折叠式柔性梁形式，过冲保护结构(192)在探针(15)轴线方向即Y轴间隙较小且间隙两侧电压极性相同，当法向静电梳齿结构I(17)和法向静电梳齿结构II(116)所施加偏置电压大于临界pull-in电压，过冲保护结构(192)将首先接触提高受载方向即Y轴刚度，避免各组静电梳齿结构动静极板相接触发生短路破坏；

所述的法向静电梳齿结构I(17)是由对称分布在动子移动梁两侧的十七对静电梳齿结构组成，同理法向静电梳齿结构II(116)包含两组各四十对静电梳齿结构，结合一维弹簧结构II(19)和Y3-弹簧结构(110)实现动子沿Y轴驱动与检测；法向静电梳齿结构I(17)参数设定为：同极性极板间隔为D2，极板间重叠长度为L2，异极性极板间隔分别为d3和d4，d3d4，而法向静电梳齿结构II(116)参数设定为：同极性极板间隔为D3，极板间重叠长度为L3，异极性极板间隔分别为d5和d6，d5d6，要求D3D2，L2L3，d6d3；根据静电力学基本理论可知，已知相对介电常数ε，极板间电压分别为V₂和V₃，则

其中F_d1和F_d2为由于间隙改变引起的法向静电驱动载荷，C₂和C₃是法向静电梳齿结构I(17)和法向静电梳齿结构II(116)电容值；同时，分别对公式(1)至(4)求偏导数，计算不同静电梳齿结构参数的载荷灵敏度和位移灵敏度；