微平台研究及相关探索

目前MEMS（微机电系统）的研究领域大致可分为三类，即微执行器、微传感器，以及微结构制造技术。虽然各领域的发展都相当迅速，但是目前MEMS的制作工艺多是沿袭半导体器件的制作技术，这导致只能利用堆叠的方式制作三维结构，因此微器件设计往往会受到制作工艺的制约，使微器件无法达到预定的功能，这间接限制了MEMS器件的应用空间。微装配技术可以制造出由不同微结构及致动器组成的复合式MEMS器件，这就可以克服MEMS制作工艺的限制，因此微装配技术日趋重要。具有精密定位功能的微平台（Microstage）便可应用在微装配过程中，目前微平台已经在扫瞄隧道显微镜和原子力显微镜上得到应用。1992年，Jaecklin等人采用梳状微致动器，利用表面微加工技术设计制造了二维微平台[511]，如图9.1所示。该微平台的设计利用了易弯曲的悬空结构，只需要20 V左右的驱动电压便可驱动微平台的运作，而以前设计的微平台要200 V以上的驱动电压才能有明显的动作。

图9.1　Jaecklin等人设计的二维微平台

2002年，Ando等人设计出一种静电式梳状致动器微平台[512]，利用体微加工技术和聚焦离子束制作出与水平具有45°夹角的悬空结构，再利用其几何形状的特性来达到微平台平移与提升的运动。他们提出了三种型式的设计，分别具有平移、抬升及旋转的作动模式，图9.2所示的微平台便是其中一种。

图9.2　Ando等人设计的微平台

Kim等人设计出一种使用单晶硅作为结构的XY微平台[513]，如图9.3所示。他们首先利用Deep RIE方法制作出高深宽比的结构，再用等向性蚀刻基材使结构悬空，进而得到具高深宽比的微平台。由于利用大量的静电式梳状致动器，因此该微平台具有大的移动范围。(www.xing528.com)

图9.3　Kim等人设计的XY微平台[513]

2002年，Chu等人设计出一种具有XY方向定位能力的微平台[514]。利用电热式致动器加上位移放大机构使其位移量变大，并直接结合梳状电极作为位移传感器。这样，其具有次纳米定位的能力，而且可在实验时直接分析电信号而测量其位移量，如图9.4所示。

图9.4　Chu等人设计的微平台

从上述简要的回顾中可以发现与微平台相关的研究都集中在两个方面：第一是应用各种已知或新发展的制造技术来开发制作微平台，如表面微加工技术、体微加工技术和离子束加工技术等；第二是应用不同的致动原理来设计微平台，如静电梳状致动器和电热式致动器等。通常，微平台包括两个部分，分别是驱动源及结构部分。结构部分包含带动平台所需要的机构，针对微平台不同的应用场合，结构部分有不同的设计形式，有些还会加上位移放大机构来加强运动的效果。但目前结构部分的设计仍然多是基于设计人员的经验和直觉，还没有系统的设计方法。本章研究可作为微平台使用的二维执行器拓扑优化方法和加工工艺。