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

摘要

本发明涉及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，该定位平台包括单晶硅基片和玻璃基片，单晶硅基片上设有载物台、静电梳齿致动器、检测梁、折叠梁、柔性支撑梁和柔性铰链，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，检测梁上集成有位移检测传感器，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，单晶硅基片上的载物台、静电梳齿致动器、检测梁、折叠梁、柔性支撑梁和柔性铰链采用体硅工艺在同一硅片上一体化加工形成。与现有技术相比，本发明集结构、驱动和位移检测于一体可实现各运动方向位移实时检测和控制，定位精度高。

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。

一种用于上述带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的制作方 法，包括以下步骤：

1)采用(111)晶面的双面抛光单晶硅基片，单晶硅基片厚度取350μm，电阻 率范围取1Ω·cm～12Ω·cm，通过向该单晶硅基片进行硼离子注入的方式设置应力敏 感电阻，注入倾斜角取7°～12°，应力敏感电阻的电阻值为82～90欧姆；

2)制作应力敏感电阻的引线孔，然后溅射铝薄膜在单晶硅基片上表面形成引 线和焊盘；

3)单晶硅基片下表面涂光刻胶并光刻出静电梳齿致动器、折叠梁、柔性支撑 梁、载物台、检测梁的可活动结构区域和静电致动器引线电极走线位置区域，然后 利用硅深度反应离子刻蚀工艺刻蚀出所述的可活动结构区域和走线位置区域，刻蚀 深度为300μm；

4)取一玻璃基片，在玻璃基片的其中一个表面上溅射铝薄膜，涂光刻胶后光 刻并制作形成静电梳齿致动器的引线电极；

5)将单晶硅基片的下表面与玻璃基片的引线电极所在面通过硅-玻璃阳极键合 方式连接；

6)在单晶硅基片上表面涂光刻胶并光刻出可活动结构的图形，然后采用反应 离子刻蚀工艺刻蚀掉可活动结构的图形区域的钝化保护层，在利用硅深度反应离子 刻蚀工艺刻蚀释放可活动结构。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于体硅微机械加工工艺的，集结构、驱 动和位移检测于一体，具有三自由度的硅基平面并联纳米级定位平台，可实现对各 运动方向位移的实时检测和控制，从而进一步提高了定位平台的定位精度，而且具 有结构尺寸小，制作成本低，定位精度高和可对位移进行实时监控等优点。

附图说明

图1为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的结构 示意图；

图2为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台局部结 构示意图；

图3为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台截面结 构示意图；

图4为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的柔性 支撑梁及柔性铰链处局部结构示意图；

图5为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的检测 梁、检测压阻和静电梳齿致动器处的局部结构示意图。

图6为实施例中的带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的制作 方法各个步骤的示意图；其中：(a)为N型(111)晶面单晶硅基片；(b)制作应 力敏感电阻；(c)制作应力敏感电阻引线孔及引线；(d)单晶硅基片下表面刻蚀可 活动结构及驱动电极走线互连槽；(e)玻璃基片键合面制作静电致动器驱动电极及 引线；(f)单晶硅基片和玻璃衬底键合；(g)硅片上表面释放可活动结构。

图中，1为玻璃基片，2为单晶硅基片，3为检测梁，4应力压敏电阻的引线 和焊盘，5为致动器驱动电极，6为折叠梁，7为载物台，8静电梳齿致动器，9为 柔性支撑梁，10为柔性铰链，11为应力压敏压阻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1～5所示，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2和玻璃基片1，单晶硅基片2设在玻璃基片1上方，单晶硅基片2 上设有载物台7、静电梳齿致动器8、检测梁3、折叠梁6、柔性支撑梁9和柔性铰 链10，载物台7位于单晶硅基片2的中央并可三自由度运动，载物台7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10依次连接柔性支撑梁 9、折叠梁6、静电梳齿致动器8和检测梁3，形成Y型结构。通过控制三个静电 梳齿致动器8的输出可实现载物平台7沿X和Y方向的平动以及绕Z轴的转动， 而载物台7输出位移可通过位移传感器实现实时自检测功能，从而进一步提高了载 物台7的定位精度，玻璃基片1上设有与静电梳齿致动器8连接的致动器驱动电极 5。

每个检测梁3上连接均位移检测传感器，每个位移检测传感器包括两个外接电 阻和两个设在检测梁3上的应力压敏电阻11，两个外接电阻和两个应力压敏电阻 11组成半桥检测电路，两个应力压敏电阻11采用离子注入的方式集成在检测梁3 两端的上表面，应力压敏电的引线和焊盘4固定在单晶硅基片2的上表面。

单晶硅基片2采用N型(111)晶面的单晶硅基片，该单晶硅基片2上的载物 台7、静电梳齿致动器8、检测梁3、折叠梁6、柔性支撑梁9、柔性铰链10以及 应力敏感电阻11采用体硅工艺在同一硅片上一体化加工形成，柔性铰链10为圆弧 形柔性铰链，其基本的特征是基体切去部分边缘为圆弧形，通过柔性铰链10实现 柔性支撑梁9和载物台7的链接，实现载物台7的平动和转动功能，静电梳齿致动 器8为推-拉式侧向平动静电梳齿致动器。

一种用于上述带位移自检测功能的3-DOF硅基平面并联定位平台的制作方 法，其进行每个步骤时的示意图如图6所示，包括以下步骤：

步骤一、采用如图6(a)所示的(111)晶面的双面抛光单晶硅基片，单晶硅 基片厚度取350μm，电阻率范围取1Ω·cm～12Ω·cm，通过向该单晶硅基片进行硼离 子注入的方式设置应力敏感电阻，注入倾斜角取7°～12°，应力敏感电阻的电阻值为 82～90欧姆，如图6(b)所示。

步骤二、制作应力敏感电阻的引线孔，然后溅射铝薄膜在单晶硅基片上表面形 成引线和焊盘，如图6(c)所示。

步骤三、单晶硅基片下表面涂光刻胶并光刻出静电梳齿致动器、折叠梁、柔性 支撑梁、载物台、检测梁的可活动结构区域和静电致动器引线电极走线位置区域， 然后利用硅深度反应离子刻蚀工艺刻蚀出所述的可活动结构区域和走线位置区域， 刻蚀深度为300μm，如图6(d)所示。

步骤四、取一玻璃基片，在玻璃基片的其中一个表面上溅射铝薄膜，涂光刻胶 后光刻并制作形成静电梳齿致动器的引线电极，如图6(e)所示。

步骤五、将单晶硅基片的下表面与玻璃基片的引线电极所在面通过硅-玻璃阳 极键合方式连接，如图6(f)所示。

步骤六、在单晶硅基片上表面涂光刻胶并光刻出可活动结构的图形，然后采用 反应离子刻蚀工艺刻蚀掉可活动结构的图形区域的钝化保护层，在利用硅深度反应 离子刻蚀工艺刻蚀释放可活动结构，如图6(g)所示。