專利名稱：帶位移自檢測功能的3-dof硅基平面并聯(lián)定位平臺及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺及制作方法，具體地說是一種米用側(cè)向平動靜電梳齒驅(qū)動的3-D0F娃基定位平臺，可實現(xiàn)X和Y向的平動以及沿Z軸的轉(zhuǎn)動，且在該平臺上集成了基于壓阻檢測技術(shù)的位移檢測傳感器，可實現(xiàn)對各個運動方向位移的實時檢測和控制。
背景技術(shù)：
微動機器人作為微操作系統(tǒng)的一個重要組成部分，在精密機械工程、光學(xué)調(diào)整、光纖作業(yè)、數(shù)據(jù)儲存、生物工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近幾年來，由于微納加工技術(shù)的不斷完善，深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)技術(shù)的日益成熟，使用體硅微機械技術(shù)制作的微型定位平臺受到人們的關(guān)注。同時伴隨著微納操作技術(shù)的不斷進(jìn)步，操作對象朝小型化、微型化方向發(fā)展，這些都要求作業(yè)工具應(yīng)當(dāng)具有足夠高的定位精度，因此定位平臺的位置閉環(huán)控制將是一個不可忽視的發(fā)展趨勢。由于基于硅微機械加工工藝的定位平臺具有整體結(jié)構(gòu)尺寸小，集成應(yīng)力敏感電阻式位移檢測傳感器難等特點，到目前為止，在定位平臺上集成應(yīng)力敏感電阻式位移檢測傳感器的報道少之又少。王家疇等人于2008年提出了一種集成位移檢測的納米級定位平臺，通過在靜電梳齒致動器上集成了側(cè)壁應(yīng)力敏感電阻組成的位移檢測傳感器，從而實現(xiàn)了對載物臺的輸出位移的實時控制[L.N.Sun, J.C.Wang, ff.B.Rong, et al.A SiliconIntegrated Micro Nano-Posistioning XY-stage for Nano-manipulation J.Micromech.Microeng., vol.18, n0.12, pp.1 9, 2008.],但是，其定位平臺是一種 2-D0F 定位平臺，它只能實現(xiàn)X和Y方面的平動功能，不可能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，因此在作為作業(yè)工具方面大大限制了其應(yīng)用范圍。Bonjin Koo等人最近提出了一種具有位置閉環(huán)控制的2-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺[B.J.Koo, X.M.Zhang, J.Y.Dong, et al.A 2Degree-of-Freedom SO1-MEMSTranslation Stage With Closed-Loop Positioning J.Microelectromech.Syst.,vol.21, n0.1, pp.1 9，2012.]，該種定位平臺也只能實現(xiàn)X和Y方向上的平動，且采用差分電容檢測方式實現(xiàn)對平臺輸出位移的實時檢測功能，相對于基于壓阻檢測技術(shù)而言，電容檢測由于其檢測電容的變化量都很小，大多在皮法量級，且定位平臺本身存在較大的寄生電容，這些都大大增大了后續(xù)檢測電路的復(fù)雜處理程度。此外，該定位平臺采用SOI單晶硅片制作，大大增加了平臺的制作成本，不利于批量制作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺及制作方法，所提供的定位平臺集結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和位移檢測于一體，可實現(xiàn)X方 向和Y方向的平動以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動，同時可對各運動位移進(jìn)行實時檢測功能，從而進(jìn)一步提聞了平臺定位精度。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，包括單晶硅基片和玻璃基片，所述的單晶硅基片設(shè)在玻璃基片上方，單晶硅基片上設(shè)有載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁、柔性鉸鏈以及檢測傳感器，所述的載物臺位于單晶硅基片的中央并可三自由度運動，載物臺通過柔性鉸鏈依次連接柔性支撐梁、折疊梁、靜電梳齒致動器和檢測梁，所述的檢測梁上集成有位移檢測傳感器，所述的玻璃基片上設(shè)有與靜電梳齒致動器連接的致動器驅(qū)動電極。所述的載物臺呈等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形結(jié)構(gòu)的每個頂角處均通過柔性鉸鏈依次連接柔性支撐梁、折疊梁、靜電梳齒致動器和檢測梁形成Y型結(jié)構(gòu)。所述的位移監(jiān)測傳感器包括兩個外接電阻和兩個設(shè)在檢測梁上的應(yīng)力壓敏電阻，所述的兩個外接電阻和兩個應(yīng)力壓敏電阻組成半橋檢測電路。所述的兩個應(yīng)力壓敏電阻采用離子注入的方式設(shè)置在檢測梁兩端的上表面。所述的兩個應(yīng)力壓敏電阻設(shè)有引線和焊盤，所述的引線和焊盤固定在單晶硅基片上表面。所述的單晶硅基片采用(111)晶面的單晶硅基片。所述的單晶硅基片上的載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁、柔性鉸鏈以及檢測傳感器采用體硅工藝在同一單晶硅基片上一體化加工形成。所述的柔性鉸鏈為圓弧形柔性鉸鏈。所述的靜電梳齒致動器為推-拉式側(cè)向平動靜電梳齒致動器。一種用于上述帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的制作方法，包括以下步驟:I)采用(111)晶面的雙面拋光單晶硅基片，單晶硅基片厚度取350μπι，電阻率范圍取1Ω._，通過向該單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方式設(shè)置應(yīng)力敏感電阻，注入傾斜角取7° 12°，應(yīng)力敏感電阻的電阻值為82 90歐姆；2)制作應(yīng)力敏感電阻的引線孔，然后濺射鋁薄膜在單晶硅基片上表面形成引線和焊盤；3)單晶硅基片下表面涂光刻膠并光刻出靜電梳齒致動器、折疊梁、柔性支撐梁、載物臺、檢測梁的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和靜電致動器引線電極走線位置區(qū)域，然后利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出所述的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和走線位置區(qū)域，刻蝕深度為300 μ m ;4)取一玻璃基片，在玻璃基片的其中一個表面上濺射鋁薄膜，涂光刻膠后光刻并制作形成靜電梳齒致動器的引線電極；5)將單晶硅基片的下表面與玻璃基片的引線電極所在面通過硅-玻璃陽極鍵合方式連接；6)在單晶硅基片上表面涂光刻膠并光刻出可活動結(jié)構(gòu)的圖形，然后采用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉可活動結(jié)構(gòu)的圖形區(qū)域的鈍化保護(hù)層，在利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕釋放可活動結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種基于體硅微機械加工工藝的，集結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和位移檢測于一體，具有三自由度的硅基平面并聯(lián)納米級定位平臺，可實現(xiàn)對各運動方向位移的實時檢測和控制 ，從而進(jìn)一步提高了定位平臺的定位精度，而且具有結(jié)構(gòu)尺寸小，制作成本低，定位精度高和可對位移進(jìn)行實時監(jiān)控等優(yōu)點。


圖1為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的柔性支撐梁及柔性鉸鏈處局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的檢測梁、檢測壓阻和靜電梳齒致動器處的局部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為實施例中的帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的制作方法各個步驟的示意圖；其中:(a)為N型(111)晶面單晶硅基片；(b)制作應(yīng)力敏感電阻；(c)制作應(yīng)力敏感電阻引線孔及引線；(d)單晶硅基片下表面刻蝕可活動結(jié)構(gòu)及驅(qū)動電極走線互連槽；(e)玻璃基片鍵合面制作靜電致動器驅(qū)動電極及引線；(f)單晶硅基片和玻璃襯底鍵合；(g)硅片上表面釋放可活動結(jié)構(gòu)。圖中，I為玻璃基片，2為單晶硅基片，3為檢測梁，4應(yīng)力壓敏電阻的引線和焊盤，5為致動器驅(qū)動電極，6為折疊梁，7為載 物臺，8靜電梳齒致動器，9為柔性支撐梁，10為柔性鉸鏈，11為應(yīng)力壓敏壓阻。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實施例如圖1 5所示，一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，包括單晶硅基片2和玻璃基片1，單晶硅基片2設(shè)在玻璃基片I上方，單晶硅基片2上設(shè)有載物臺
7、靜電梳齒致動器8、檢測梁3、折疊梁6、柔性支撐梁9和柔性鉸鏈10，載物臺7位于單晶硅基片2的中央并可三自由度運動，載物臺7呈等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形結(jié)構(gòu)的每個頂角處均通過柔性鉸鏈10依次連接柔性支撐梁9、折疊梁6、靜電梳齒致動器8和檢測梁3，形成Y型結(jié)構(gòu)。通過控制三個靜電梳齒致動器8的輸出可實現(xiàn)載物平臺7沿X和Y方向的平動以及繞Z軸的轉(zhuǎn)動，而載物臺7輸出位移可通過位移傳感器實現(xiàn)實時自檢測功能，從而進(jìn)一步提高了載物臺7的定位精度，玻璃基片I上設(shè)有與靜電梳齒致動器8連接的致動器驅(qū)動電極5。每個檢測梁3上連接均位移檢測傳感器，每個位移檢測傳感器包括兩個外接電阻和兩個設(shè)在檢測梁3上的應(yīng)力壓敏電阻11，兩個外接電阻和兩個應(yīng)力壓敏電阻11組成半橋檢測電路，兩個應(yīng)力壓敏電阻11采用離子注入的方式集成在檢測梁3兩端的上表面，應(yīng)力壓敏電的引線和焊盤4固定在單晶硅基片2的上表面。單晶娃基片2米用N型(111)晶面的單晶娃基片，該單晶娃基片2上的載物臺7、靜電梳齒致動器8、檢測梁3、折疊梁6、柔性支撐梁9、柔性鉸鏈10以及應(yīng)力敏感電阻11采用體硅工藝在同一硅片上一體化加工形成，柔性鉸鏈10為圓弧形柔性鉸鏈，其基本的特征是基體切去部分邊緣為圓弧形，通過柔性鉸鏈10實現(xiàn)柔性支撐梁9和載物臺7的鏈接，實現(xiàn)載物臺7的平動和轉(zhuǎn)動功能，靜電梳齒致動器8為推-拉式側(cè)向平動靜電梳齒致動器。一種用于上述帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺的制作方法，其進(jìn)行每個步驟時的示意圖如圖6所示，包括以下步驟:步驟一、采用如圖6(a)所示的(111)晶面的雙面拋光單晶硅基片，單晶硅基片厚度取350 μ m，電阻率范圍取I Ω.αιι，通過向該單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方式設(shè)置應(yīng)力敏感電阻，注入傾斜角取7° 12。，應(yīng)力敏感電阻的電阻值為82 90歐姆，如圖6(b)所示。步驟二、制作應(yīng)力敏感電阻的引線孔，然后濺射鋁薄膜在單晶硅基片上表面形成引線和焊盤，如圖6(c)所示。步驟三、單晶硅基片下表面涂光刻膠并光刻出靜電梳齒致動器、折疊梁、柔性支撐梁、載物臺、檢測梁的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和靜電致動器引線電極走線位置區(qū)域，然后利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出所述的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和走線位置區(qū)域，刻蝕深度為300 μ m，如圖6(d)所示。步驟四、取一玻璃基片，在玻璃基片的其中一個表面上濺射鋁薄膜，涂光刻膠后光刻并制作形成靜電梳齒致動器的引線電極，如圖6(e)所示。步驟五、將單晶硅基片的下表面與玻璃基片的引線電極所在面通過硅-玻璃陽極鍵合方式連接，如圖6(f)所示。步驟六、在單晶硅基片上表面涂光刻膠并光刻出可活動結(jié)構(gòu)的圖形，然后采用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉可活動 結(jié)構(gòu)的圖形區(qū)域的鈍化保護(hù)層，在利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕釋放可活動結(jié)構(gòu)，如圖6(g)所示。
權(quán)利要求
1.一種帶位移自檢測功能的3-D0F娃基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，包括單晶娃基片和玻璃基片，所述的單晶硅基片設(shè)在玻璃基片上方，單晶硅基片上設(shè)有載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁和柔性鉸鏈，所述的載物臺位于單晶硅基片的中央并可三自由度運動，載物臺通過柔性鉸鏈依次連接柔性支撐梁、折疊梁、靜電梳齒致動器和檢測梁，所述的檢測梁上集成有位移檢測傳感器，所述的玻璃基片上設(shè)有與靜電梳齒致動器連接的致動器驅(qū)動電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的載物臺呈等腰三角形結(jié)構(gòu)，等腰三角形結(jié)構(gòu)的每個頂角處均通過柔性鉸鏈依次連接柔性支撐梁、折疊梁、靜電梳齒致動器和檢測梁形成Y型結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的位移檢測傳感器包括兩個外接電阻和兩個設(shè)在檢測梁上的應(yīng)力壓敏電阻，所述的兩個外接電阻和兩個應(yīng)力壓敏電阻組成半橋檢測電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的兩個應(yīng)力壓敏電阻采用離子注入的方式設(shè)置在檢測梁兩端的上表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的兩個應(yīng)力壓敏電阻設(shè)有引線和焊盤，所述的引線和焊盤固定在單晶硅基片上表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的單晶硅基片采用(111)晶面的單晶硅基片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的單晶硅基片上的載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁、柔性鉸鏈以及檢測傳感器采用體硅工藝在同一單晶硅基片上一體化加工形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的柔性鉸鏈為圓弧形柔性鉸鏈。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶位移自檢測功能的3-D0F硅基平面并聯(lián)定位平臺，其特征在于，所述的靜電梳齒致動器為推-拉式側(cè)向平動靜電梳齒致動器。
10.一種如權(quán)利要求1所述的帶位移自檢測功能的3-DOF硅基平面并聯(lián)定位平臺的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用(111)晶面的雙面拋光單晶硅基片，單晶硅基片厚度取350μ m，電阻率范圍取1Ω._，通過向該單晶硅基片進(jìn)行硼離子注入的方式設(shè)置應(yīng)力敏感電阻，注入傾斜角取7° 12°，應(yīng)力敏感電阻的電阻值為82 90歐姆； 2)制作應(yīng)力敏感電阻的引線孔，然后濺射鋁薄膜在單晶硅基片上表面形成引線和焊盤； 3)單晶硅基片下表面涂光刻膠并光刻出靜電梳齒致動器、折疊梁、柔性支撐梁、載物臺、檢測梁的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和靜電致動器引線電極走線位置區(qū)域，然后利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕出所述的可活動結(jié)構(gòu)區(qū)域和走線位置區(qū)域，刻蝕深度為300 μ m ; 4)取一玻璃基片，在玻璃基片的其中一個表面上濺射鋁薄膜，涂光刻膠后光刻并制作形成靜電梳齒致動器的引線電極； 5)將單晶硅基片的 下表面與玻璃基片的引線電極所在面通過硅-玻璃陽極鍵合方式連接； 6)在單晶硅基片上表面涂光刻膠并光刻出可活動結(jié)構(gòu)的圖形，然后采用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉可活動結(jié)構(gòu)的圖形區(qū)域的鈍化保護(hù)層，再利用硅深度反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕釋放可活 動結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶位移自檢測功能的3-DOF硅基平面并聯(lián)定位平臺及制作方法，該定位平臺包括單晶硅基片和玻璃基片，單晶硅基片上設(shè)有載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁和柔性鉸鏈，載物臺位于單晶硅基片的中央并可三自由度運動，載物臺通過柔性鉸鏈依次連接柔性支撐梁、折疊梁、靜電梳齒致動器和檢測梁，檢測梁上集成有位移檢測傳感器，玻璃基片上設(shè)有與靜電梳齒致動器連接的致動器驅(qū)動電極，單晶硅基片上的載物臺、靜電梳齒致動器、檢測梁、折疊梁、柔性支撐梁和柔性鉸鏈采用體硅工藝在同一硅片上一體化加工形成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明集結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和位移檢測于一體可實現(xiàn)各運動方向位移實時檢測和控制，定位精度高。
文檔編號B81C1/00GK103241701SQ20121002381
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者宋芳 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)