[发明专利]一种自卷曲交指结构的静电微执行器

说明书

本发明公开一种自卷曲交指结构的静电微执行器，属于自动控制和微纳技术领域。包括在硅衬底片上自卷曲形成多圈管状的自卷曲微管；自卷曲微管自外向内依次包括第一保护层、应力层、导电层及第二保护层；应力层用于使本体卷曲，导电层为良导体材料制成的交指结构。卷曲之后在两端馈线通不同电压，形成电势差。交指结构的尺寸以及每圈交指的数目都对变形效果产生影响。该静电微执行器最大变形情况下可实现维度转换，从平面结构到立体结构再到平面结构，相比于静电悬臂梁等微执行器，在形变位移上具有明显优势。自卷曲技术实现了小电极间距，极大程度的利用了静电力。

技术领域

本发明属于自动控制和微纳技术领域，具体涉及静电微执行器。

背景技术

微执行器最基本的工作原理是将其它形式的能量（通常为电能）转换为机械能，实现这一转换一般有三种途径：热驱动、磁驱动和静电驱动。静电驱动是通过两个电极间静电力的吸引作用来产生和控制电极间的相对运动。其优点在于低能耗和短的响应时间，宜于完成较高频率的驱动。由于静电力反比于电极间距离的平方，衰减很快，因此一般只有在电极间距离很小时其效应才比较显著。

静电微执行器结构容易实现，应用的也比较多。由于其多功能性、简单性以及与IC制造技术的高兼容性，目前已成为应用最广泛的驱动器。典型微器件应用的热点有数字光处理器中的数字微镜，光通讯中的静电驱动MEMS微开关，微惯性传感器-微陀螺，利用材料机械特性制作的微谐振器，静电微马达，静电力显微镜，此外微动平台、微泵、微阀、微钳等也采用静电力作为驱动源。MEMS静电执行器，典型的有静电驱动悬臂梁，梳齿型微驱动器等，利用两个平行板之间的库仑力，使得其中一个极板相对于另一个极板做平移或回旋运动。驱动力的大小和方向由偏置电压的大小和方向来确定，但普遍存在几个问题：

1.变形范围小。理论表明，典型的静电驱动器的可动范围是电极间距的1/3，大约为几微米，且只能实现上下的吸合与弹开变化。2.电极之间间距大，大约十几微米到几十微米，由于半导体制造工艺的限制，经典的悬臂梁驱动器两电极之间的距离受到限制，而在前面提到静电力反比于电极间距离的平方，衰减很快，因此一般只有在电极间距离很小时其效应才比较显著。所以悬臂梁结构对静电力的利用率比较低。3.存在吸合效应的缺点，静电力驱动结构常常是由固定极板、可动极板、弹性梁和敏感质量块组成。可动极板往往和弹性梁以及敏感质量块连接在一起, 当极板间发生静电作用时, 弹性梁会产生弹性力来平衡静电引力，当施加的电压过大时会出现，弹性梁无法平衡静电引力，基板就会出现吸合现象影响正常工作。

基于平移运动，许多研究者在文献中对静电微传感器和执行器进行了研究，但是关于卷曲变形的静电微执行器还未有研究发明。

发明内容

为了解决现有的静电微执行器存在的变形范围小、电极之间间距大，存在吸合效应的缺点，本发明提供一种自卷曲交指结构的静电微执行器，同时提供自卷曲交指结构的静电微执行器的制备工艺方法。

一种自卷曲交指结构的静电微执行器包括硅衬底片和自卷曲微管，自卷曲微管由导电层和应力层构成；所述导电层为平面交指结构的金属层，平面交指结构由若干正极交指和若干负极交指交错排列组成，正极交指的长宽和负极交指的长宽相同；若干正极交指的一端分别连接着正极馈线，若干负极交指的一端分别连接着负极馈线，正极馈线的一端和负极馈线的一端构成两个馈线端；

所述自卷曲微管为二圈以上的微管，相邻微管上的正极交指与正极交指相互对应、负极交指与负极交指相互对应；

所述应力层为两层，分别为上应力层和下应力层，上应力层提供压力，下应力层提供拉力；所述导电层位于上应力层上；

工作时，正极馈线31接正电压，负极馈线41接地；当静电微执行器的电极之间存在电势差时，二圈以上的微管沿卷曲相反的方向在硅衬底片上逐渐摊开，实现开关功能；同时在形态上，实现三维形态至二维形态或二维形态至三维形态的转换。

进一步地具体技术方案如下：