[发明专利]一种非全驱型大行程微机械执行器

说明书

本发明公开了一种非全驱型大行程微机械执行器，包括基座、上极板、下极板和支撑件，所述上极板与支撑件连接，支撑件与基座连接，上极板平行于基座；所述下极板铺设在基座的上表面，下极板位于上极板的下方，下极板与上极板之间具有间隙；所述上极板的长度大于下极板的长度。本发明的非全驱型大行程微机械执行器，具有比全驱型微执行器大的线行程。

技术领域

本发明属于微电子机械技术领域，具体涉及一种采用单晶硅或多晶硅材料制造的非全驱型大行程微机械执行器。

背景技术

扭转平板式微执行器和悬臂梁式微执行器是最常用的两类微机械执行器，它们一般是静电驱动的。以矩形扭转平板式微执行器为例，矩形扭转平板是刚性的，它由扭转支撑梁支撑。矩形扭转平板是驱动电极的上电极，是活动极板。驱动电极的下电极板设置在扭转平板正下方的基底上。下电极板厚度很薄，远远小于上电极和下电极之间的间隙g₀，也远远小于上电极板厚度。上电极和下电极间施加阶跃电压，扭转支撑梁在静电力矩作用下发生弹性扭转变形，并带动平板产生整体扭转。当输入电压较小时，静电力矩等于扭转支撑梁的扭转支撑反力矩时，刚性平板扭转角度不大，不与下极板接触。当输入电压超过一个特定数值时，静电力矩超过扭转支撑梁的扭转支撑力矩，扭转平板一侧被拉向下极板，与下极板“吸合(Pull-in)”在一起。工程上，与吸合失稳现象对应的电压和转角被称为“吸合电压”和“吸合位置”。静电驱动的悬臂梁式微执行器也类似的吸合失稳现象。

在现有器件中，为了能产生较大的驱动力矩，必须充分利用上极板的物理面积，所以下极板的面积必须尽可能大，最好是下极板面积等于上极板面积，即采用全驱型。图1是全驱型扭转式微执行器，图2是悬臂梁式微执行器。从图中可以看出，下电极长度方向(x方向)的尺寸等于上极板的长度L，宽度方向(y方向)的尺寸等于上极板的宽度W。研究表明，由于吸合现象的存在，全驱型器件不能满行程工作。例如，对于全驱型扭转式微执行器，动态吸合位置是：θ_pulling＝0.645·θ_max，其中，是器件允许的最大几何转角，g₀是驱动电压为零时上极板和下极板之间的间隙，是理论上的最大几何线行程。Dynamic pull-in ofparallel-plate and torsional electrostatic MEMS actuactors,IEEE Journal ofMicroelectromechanical System 2006,15(4),pp.811-821中公开了器件实际线行程是θ_pulling·L，不到几何允许最大值g₀的2/3。A new approach and model for accuratedetermination of the dynamic pull-in parameters of microbeams actuated by astep voltage,Journal of Micromechanics and Microengineering,23(2013)045010中公开了对于全驱型悬臂梁式微执行器，其实际行程也不到允许值的2/3。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种非全驱型大行程微机械执行器，具有比全驱型微执行器大的线行程。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种非全驱型大行程微机械执行器，包括基座、上极板、下极板和支撑件，所述上极板与支撑件连接，支撑件与基座连接，上极板平行于基座；所述下极板铺设在基座的上表面，下极板位于上极板的下方，下极板与上极板之间具有间隙；所述上极板的长度大于下极板的长度。

作为本发明实施例的进一步改进，所述上极板为刚性矩形平板；所述支撑件包括两个支撑子件，两个支撑子件沿上极板的宽度方向布设在基座上；每个支撑子件包括固定支撑部和扭转支撑梁，固定支撑部与基座固定连接，扭转支撑梁的一端与固定支撑部连接，扭转支撑梁的另一端与上极板连接；所述上极板能够绕两个扭转支撑梁构成的扭转轴线旋转。