[发明专利]带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台及制作方法，具体地说是一种采用侧向平动静电梳齿驱动的3-DOF硅基定位平台，可实现X和Y向的平动以及沿Z轴的转动，且在该平台上集成了基于压阻检测技术的位移检测传感器，可实现对各个运动方向位移的实时检测和控制。

背景技术

微动机器人作为微操作系统的一个重要组成部分，在精密机械工程、光学调整、光纤作业、数据储存、生物工程等领域具有广阔的应用前景。近几年来，由于微纳加工技术的不断完善，深度反应离子刻蚀(DRIE)技术的日益成熟，使用体硅微机械技术制作的微型定位平台受到人们的关注。同时伴随着微纳操作技术的不断进步，操作对象朝小型化、微型化方向发展，这些都要求作业工具应当具有足够高的定位精度，因此定位平台的位置闭环控制将是一个不可忽视的发展趋势。

由于基于硅微机械加工工艺的定位平台具有整体结构尺寸小，集成应力敏感电阻式位移检测传感器难等特点，到目前为止，在定位平台上集成应力敏感电阻式位移检测传感器的报道少之又少。王家畴等人于2008年提出了一种集成位移检测的纳米级定位平台，通过在静电梳齿致动器上集成了侧壁应力敏感电阻组成的位移检测传感器，从而实现了对载物台的输出位移的实时控制[L.N.Sun，J.C.Wang，W.B.Rong，et al.A Silicon Integrated Micro Nano-Posistioning XY-stage for Nano-manipulation J.Micromech.Microeng.，vol.18，no.12，pp.1～9，2008.]，但是，其定位平台是一种2-DOF定位平台，它只能实现X和Y方面的平动功能，不可能实现转动，因此在作为作业工具方面大大限制了其应用范围。Bonjin Koo等人最近提出了一种具有位置闭环控制的2-DOF硅基平面并联定位平台[B.J.Koo，X.M.Zhang，J.Y. Dong，et al.A 2Degree-of-Freedom SOI-MEMS Translation Stage With Closed-Loop Positioning J.Microelectromech.Syst.，vol.21，no.1，pp.1～9，2012.]，该种定位平台也只能实现X和Y方向上的平动，且采用差分电容检测方式实现对平台输出位移的实时检测功能，相对于基于压阻检测技术而言，电容检测由于其检测电容的变化量都很小，大多在皮法量级，且定位平台本身存在较大的寄生电容，这些都大大增大了后续检测电路的复杂处理程度。此外，该定位平台采用SOI单晶硅片制作，大大增加了平台的制作成本，不利于批量制作。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台及制作方法，所提供的定位平台集结构、驱动和位移检测于一体，可实现X方向和Y方向的平动以及绕Z轴的转动，同时可对各运动位移进行实时检测功能，从而进一步提高了平台定位精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台，包括单晶硅基片和玻璃基片，所述的单晶硅基片设在玻璃基片上方，单晶硅基片上设有载物台、静电梳齿致动器、检测梁、折叠梁、柔性支撑梁、柔性铰链以及检测传感器，所述的载物台位于单晶硅基片的中央并可三自由度运动，载物台通过柔性铰链依次连接柔性支撑梁、折叠梁、静电梳齿致动器和检测梁，所述的检测梁上集成有位移检测传感器，所述的玻璃基片上设有与静电梳齿致动器连接的致动器驱动电极。

所述的载物台呈等腰三角形结构，等腰三角形结构的每个顶角处均通过柔性铰链依次连接柔性支撑梁、折叠梁、静电梳齿致动器和检测梁形成Y型结构。

所述的位移监测传感器包括两个外接电阻和两个设在检测梁上的应力压敏电阻，所述的两个外接电阻和两个应力压敏电阻组成半桥检测电路。

所述的两个应力压敏电阻采用离子注入的方式设置在检测梁两端的上表面。

所述的两个应力压敏电阻设有引线和焊盘，所述的引线和焊盘固定在单晶硅基片上表面。

所述的单晶硅基片采用(111)晶面的单晶硅基片。

所述的单晶硅基片上的载物台、静电梳齿致动器、检测梁、折叠梁、柔性支撑梁、柔性铰链以及检测传感器采用体硅工艺在同一单晶硅基片上一体化加工形成。

所述的柔性铰链为圆弧形柔性铰链。

所述的静电梳齿致动器为推-拉式侧向平动静电梳齿致动器。