一种基于拉链梳齿的MEMS驱动器及其工作方法与流程

本发明涉及一种mems器件结构，尤其是一种基于拉链梳齿的mems驱动器及其工作方法，属于微机电技术领域。

背景技术：

近红外波段的可调谐光源一直吸引了众多领域的关注，在诸多工业以及科研用途上已经展现出了非常广大的应用前景。可调谐激光器独特的优点在于，它的结构比较短小紧凑、光谱调谐范围高、输出激光线宽比较窄、生产可以规模化系统化、价格合理等，它在光通信、光谱分析领域、激光检测距离、多行业工艺检测、大气环境分析与污染检测、医学器械、雷达等方面都有广泛的应用空间。现在市面上常见的可调谐激光器大致分为分布式布拉格反射型激光器，分布反馈型激光器阵列、高度集成的分布反馈式激光器阵列以及高度集成的基于mems转镜外腔可调谐激光器等等。其中，高度集成的基于mems转镜可调谐外腔激光器在小体积、窄线宽方面等方面具有独特的优点。

mems(微电子机械系统)是微米尺度量级上的新世纪前沿技术，是指对微米/纳米量级的器件进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它会将机电器件、光学元件、电路控制系统高度集成为一个微型的整体单元，成为一个完整的工作系统。这种工作系统可以采集、加工并发送信息和命令，还可以依据接收到的信息或者命令，根据设定或者依据外部控制要求进行相关处理。mems系统的制造需要依靠微电子技术和微加工技术结合，在微米/纳米尺寸上完成，常用技术有硅体微加工、多材料表面微加工、liga和多材料键合等技术。通过以上技术合理组合，并根据不同器件材料选择合适的方法调整参数，可以制造出各种性能良好、价格低廉、结构紧凑的执行器、传感器、驱动器和流体系统等等。其中mems转镜是mems领域中的一个用途很广泛的组成部分，其中一个非常重要的用途就是应用于外腔可调谐激光器，用以作为调谐的驱动镜或者驱动光栅。目前市面上大多应用于外腔可调谐激光器的mems转镜都使用一种晶片顶部表面作为反射表面，驱动时绕顶部表面内一点旋转。除此之外，光学层析成像和光学滤波器的能领域的许多应用需要mems转镜在平面内平移或旋转镜绕外侧虚轴点移动才能满足需求。顶部表面作为镜子不能满足以上应用的要求，只有具有平面内移动能力的垂直的mems反射镜则可以满足需求。

现在一些应用于外腔可调谐激光器的，平面内移动的垂直mems驱动器，有些是旋转半径较大但是调谐范围相对较小，如2003年ionon公司应用于外腔可调谐激光器的mems转镜设计；还有一些是调谐范围较大但是旋转半径较小，且结构较大不易于激光器设计，如台湾清华大学的mems转镜设计。现有设计不能同时满足外腔可调谐激光器所需的结构紧凑、调谐范围大、旋转半径长，窄线宽的要求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于拉链梳齿的mems驱动器及其工作方法，同时满足外腔可调谐激光器所需的结构紧凑、调谐范围大、旋转半径长的要求。相比于现有技术，该驱动器采用了拉链梳齿结构，同一梳子上，不同半径的梳齿对应圆心角不同，不同于一般的拉链梳齿，半径越小对应圆心角越小，由半径大的梳齿先驱动，带动半径小的梳齿驱动。本发明有助于减小由于衍架厚度造成的小半径梳齿位移限制，充分利用梳齿间旋转空间，精简结构。

本发明采用一种基于四对梳子，两个弹性梁和固定锚点，进行双侧绕虚轴点旋转的方案，可以实现大角度旋转，长旋转半径，以及紧凑结构。

术语解释：

衍架也叫做桁架，由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的支撑横梁结构。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于拉链梳齿的mems驱动器，包括可动部分、固定梳子、固定锚点和基底层，所述固定梳子和固定锚点均固定于所述基底层，施加电压时，可动部分中的可动梳齿与固定梳齿间存在电压差，产生切向静电力，可动部分中的弹性梁受到切向静电力绕虚轴点弯曲，使可动部分绕虚轴点旋转；

所述可动部分包括径向衍架、弧向衍架、连接部分、可动梳子和弹性梁，所述弧向衍架设置在以虚轴点为圆的圆弧位置上，设置在对应半径的弧位置上，所述径向衍架沿半径方向设置，所述径向衍架包括与可动梳齿连接的第一径向衍架和与所述连接部分的聚合端连接的第二径向衍架，所述第一径向衍架和第二径向衍架与弧向衍架在交点处连接，所述连接部分的聚合端是以虚轴点为圆心的扇形，其侧端以所述第二径向衍架为边；

所述可动梳子包括多个可动梳齿，多个可动梳齿通过所述第一径向衍架连接，所述弹性梁沿以虚轴点为圆的半径方向设置，所述弹性梁的固定端与所述固定锚点连接，所述弹性梁的自由端与连接部分的聚合端连接；

所述固定梳子包括固定梳齿和连接梁，固定梳齿、连接梁均固定在基底层，所述固定梳齿一侧通过连接梁连接构成固定梳子，所述固定梳齿与可动梳齿的长均为以虚轴点为圆心的弧，梳齿位置在半径对应的弧位置上；

所述可动梳齿与固定梳齿保持一定间隔，固定梳子与可动梳子成对交叉分布，其对数为4对，每对固定梳子与可动梳子中，距离虚轴点由近及远，其梳齿的弧长逐渐增大，未施加电压时，每对固定梳子与可动梳子靠虚轴点的一部分未交叉，远离虚轴点的另一部分互相交叉。未交叉部分与交叉部分连接处为初始重叠梳齿，最外侧可动梳齿与固定梳齿按照一定角度交叉，从初始重叠梳齿开始，其外侧梳齿开始重叠，剩余未交叉部分的可动梳子和固定梳子的梳齿的长度需要以初始重叠梳齿为圆心，减小一定角度对应的弧长，使未交叉部分的可动梳子和固定梳子不再重合，在未施加电压时仅外侧的一部分梳齿交叉。

优选的，每对固定梳子与可动梳子中固定梳齿与可动梳齿的对数为40～50对，未施加电压时，固定梳子与可动梳子的初始重叠梳齿从外侧数第10～20对梳齿。本发明中固定梳齿与可动梳齿的对数产生足够的驱动力，并给弹性梁留出足够长度，使驱动器绕虚轴点旋转，单侧旋转优选超过2.5°。

优选的，最外侧的可动梳齿与固定梳齿对应的圆心角均为2.5～3.5°，宽度均为7～10um，为了保证结构紧凑，可设计单侧旋转角度不超过3°。

优选的，未施加电压时，远离虚轴点的另一部分互相交叉的重叠角度为0.25～0.35°，与对应的圆心角2.5～3.5°相对应，重叠角度0.25°对应圆心角2.5°，以此类推。固定梳子与可动梳子的初始重叠梳齿优选从外侧数第15对梳齿开始交叉，剩余可动梳子和固定梳子的梳齿的长度需要以外侧第15对梳齿为圆心，按照0.7～1.3°(优选为1°)夹角对应的弧长减小。

可动梳齿与固定梳齿交叉端优选是从外侧第15对梳齿开始交叉，分离的可动梳齿与固定梳齿之间的夹角为1°，构成拉链梳齿，有助于减小由于衍架厚度造成的小半径梳齿位移限制，充分利用梳齿间旋转空间，控制整体结构的大小。

优选的，相邻两可动梳齿间的距离，以及相邻两固定梳齿间的距离均为17～20um；

优选的，可动梳齿与固定梳齿间的距离为5～7um，考虑间隔刻蚀的工艺难度，选择合适的梳齿宽度与梳齿间隔，降低工艺要求。

优选的，所述弧向衍架最外侧弧对应半径为2450um～2550um，所述弧向衍架的宽度为30～32um，所述弧向衍架对应圆心角为20～22°，本发明具有足够的半径长度，控制整体结构大小，应用于外腔可调谐激光器时，以减小腔长。

所述径向衍架的宽度为30～32um，所述第一径向衍架的长度为2300um～2400um，可连接足够的梳齿数，以足够的驱动力，并给弹性梁留出足够长度，使驱动器绕虚轴点旋转，单侧旋转优选超过2.5°。

进一步优选的，所述连接部分的扇形半径为150um，保证连接部分面积足够小，减小连接部分对旋转角度的影响，可以使驱动器绕虚轴点旋转，并减小虚轴点漂移的问题。

进一步优选的，所述弹性梁为2根，其长度为700～760um，宽度为7～9um。弹性梁应该有足够的弹性系数，足够的驱动力，使驱动器绕虚轴点旋转，旋转单侧优选超过2.5°。

进一步优选的，所述可动部分、固定梳子、固定锚点和基底层的材料均为硅，所述固定锚点和连接梁的表面镀金，用作电极，可为可动梳齿接地，为固定梳齿供电。

进一步优选的，可动梳子、固定锚点与基底层均接地，对固定梳子施加电压，工作时，施加电压的固定梳子对应的可动梳子上的外侧交叉的可动梳齿进一步插入对应固定梳子上的固定梳齿之间的间隔中，原本已经交叉与新交叉的可动梳齿与固定梳齿之间存在电压差，产生切向静电力，可动部分中的弹性梁受到切向静电力绕虚轴点弯曲，驱动可动部分绕虚轴点旋转，当电压驱动到一定角度时，原本未交叉的可动梳齿与对应的固定梳齿开始交叉，形成新的驱动梳齿，进一步驱动可动部分绕虚轴点旋转，施加电压后形成的切向总静电力是驱动的主要动力，切向总静电力公式如下：

公式(1)中，fx为切向总静电力，ε为介电常数，v为可动梳齿与固定梳齿之间的电压差，h为可动部分的厚度，g为可动梳齿与固定梳齿之间的弧侧边的间隔，n为一对梳子结构中重合的可动与固定梳齿对数，n是一个随着位移变化而变化的参量。

根据公式可以看出，未施加电压时n为初始重合的梳齿对数，随着电压v增大，可动部分开始产生位移，越来越多的梳齿开始重合，n的数目增大，切向总静电力fx越发增大，产生更大的位移。

另一方面，本发明提供上述一种基于拉链梳齿的mems驱动器的工作方法，所述固定梳子和可动梳子的对数为4对，所述弹性梁为2个，所述mems驱动器中从左向右、从上向下梳子分布为：第一固定梳子、第一可动梳子、第二可动梳子、第二固定梳子、第三固定梳子、第三可动梳子、第四可动梳子、第四固定梳子；

可动部分接地，对第一固定梳子与第四固定梳子施加电压，第一对和第四对可动梳齿与固定梳齿间产生电压差，产生了顺时针方向的切向静电力，此时弹性梁受到顺时针方向的驱动力，弹性梁自由端绕虚轴点顺时针方向弯曲，可动部分顺时针方向旋转，第一固定梳子与第一可动梳子之间，以及第四可动梳子与第四固定梳子之间相互靠近，第二可动梳子与第二固定梳子之间，以及第三固定梳子与第三可动梳子之间相互远离。

再一方面，本发明还提供上述一种基于拉链梳齿的mems驱动器的工作方法，所述固定梳子和可动梳子的对数为4对，所述弹性梁为2个，所述mems驱动器中从左向右、从上向下梳子分布为：第一固定梳子、第一可动梳子、第二可动梳子、第二固定梳子、第三固定梳子、第三可动梳子、第四可动梳子、第四固定梳子；

可动部分接地，对第二固定梳子与第三固定梳子施加电压，第二对和第三对可动梳齿与固定梳齿间产生电压差，产生了逆时针方向的切向静电力，此时弹性梁受到逆时针方向的驱动力，弹性梁自由端绕虚轴点逆时针方向弯曲，可动部分逆时针方向旋转，第二可动梳子与第二固定梳子之间，以及第三固定梳子与第三可动梳子之间相互靠近，第一固定梳子与第一可动梳子之间，以及第四可动梳子与第四固定梳子之间相互远离。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用了拉链梳齿结构，同一固定梳子(或可动梳子)上，不同半径的固定梳齿(或可动梳齿)对应圆心角不同，不同于一般的拉链梳齿，本发明半径越小对应圆心角越小，由半径大的梳齿先驱动，带动半径小的梳齿驱动。本发明有助于减小由于径向衍架和弧向衍架厚度造成的小半径梳齿位移限制，充分利用梳齿间旋转空间，精简结构。

2)本发明采用绕虚轴点的设计，结构对称，能够降低虚轴点漂移的影响，应用于外腔可调谐激光器时，可以将光栅或者平面镜粘在可动梳齿上方，实现激光器的无跳模调谐。

3)本发明结构较小，也可将延长臂沿径向方向粘在弧向衍架外侧，在延长臂上方安装镜子或者光栅，应用于外腔可调谐激光器可以使激光器实现短腔设计从而实现更窄的线宽，以获得单纵模。

附图说明

图1为本发明的基于拉链梳齿的mems驱动器的整体结构示意图；

图2为图1中ab切割线的剖面示意图；

图3为图1中c部分未施加电压时的放大图；

图4为图1中c部分在第二固定梳子和第三固定梳子施加电压时的放大图；

其中：1：可动部分，2：固定梳子，3：固定锚点，4：基底层，5、5-1、5-2：弧向衍架，6：连接部分，7：可动梳子，8：弹性梁，9：可动梳齿，10：第一径向衍架，11：第二径向衍架，12：虚轴点，13：固定梳齿，14：连接梁，2-1：第一固定梳子，7-1：第一可动梳子，7-2：第二可动梳子，2-2：第二固定梳子，2-3：第三固定梳子，7-3：第三可动梳子，7-4：第四可动梳子，2-4：第四固定梳子。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，如图1～4所示，包括可动部分1、固定梳子2、固定锚点3和基底层4，固定梳子2和固定锚点3均固定于基底层4；

可动部分1包括径向衍架、弧向衍架5、连接部分6、可动梳子7和弹性梁8，弧向衍架5设置在以虚轴点12为圆的圆弧位置上，设置在对应半径的弧位置上，径向衍架沿半径方向设置，径向衍架包括与可动梳齿9连接的第一径向衍架10和与连接部分6的聚合端连接的第二径向衍架11，第一径向衍架10和第二径向衍架11与弧向衍架5(此处弧向衍架5包括与第一径向衍架10和第二径向衍架11的端部弧向衍架5-1和位于第二径向衍架中部的弧向衍架5-2)在交点处连接，连接部分6的聚合端是以虚轴点为圆心的扇形，其侧端以第二径向衍架11为边；

可动梳子7包括多个可动梳齿9，多个可动梳齿9通过第一径向衍架10连接，弹性梁8沿以虚轴点12为圆的半径方向设置，弹性梁8的固定端与固定锚点3连接，弹性梁8的自由端与连接部分6的聚合端连接；

固定梳子2包括固定梳齿13和连接梁14，固定梳齿13、连接梁14均固定在基底层4，固定梳齿13一侧通过连接梁14连接构成固定梳子2，固定梳齿13与可动梳齿9的长均为以虚轴点12为圆心的弧，梳齿位置在半径对应的弧位置上；

可动梳齿9与固定梳齿13保持一定间隔，固定梳子2与可动梳子7成对交叉分布，其对数为4对，每对固定梳子2与可动梳子7中，距离虚轴点12由近及远，其梳齿的弧长逐渐增大，未施加电压时，每对固定梳子与可动梳子靠虚轴点12的一部分未交叉，远离虚轴点12的另一部分互相交叉。未交叉部分与交叉部分连接处为初始重叠梳齿，最外侧可动梳齿与固定梳齿按照一定角度交叉，从初始重叠梳齿开始，其外侧梳齿开始重叠，剩余未交叉部分的可动梳子和固定梳子的梳齿的长度需要以初始重叠梳齿为圆心，减小一定角度对应的弧长，使未交叉部分的可动梳子和固定梳子不再重合，在未施加电压时仅外侧的一部分梳齿交叉。施加电压时，可动部分1中的可动梳齿与固定梳齿间存在电压差，产生切向静电力，可动部分1中的弹性梁8受到切向静电力绕虚轴点弯曲，使可动部分绕虚轴点旋转。

实施例2：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例1所示，其不同在于，每对固定梳子2与可动梳子7中固定梳齿与可动梳齿的对数为49对，未施加电压时，固定梳子2与可动梳子7的初始重叠梳齿从外侧数第15对梳齿。本发明中固定梳齿与可动梳齿的对数产生足够的驱动力，并给弹性梁留出足够长度，使驱动器绕虚轴点旋转，单侧旋转优选超过2.5°。

实施例3：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例2所示，其不同在于，最外侧的可动梳齿与固定梳齿对应的圆心角均为3°，宽度均为8m，为了保证结构紧凑，可设计单侧旋转角度不超过3°。

实施例4：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例3所示，其不同在于，未施加电压时，远离虚轴点12的一部分互相交叉的重叠角度为0.3，与对应的圆心角3°相对应，固定梳子2与可动梳子7的初始重叠梳齿从外侧数第15对梳齿开始交叉，剩余可动梳子和固定梳子的梳齿的长度需要以外侧第15对梳齿为圆心，按照1°夹角对应的弧长减小。

可动梳齿与固定梳齿交叉端优选是从外侧第15对梳齿开始交叉，分离的可动梳齿与固定梳齿之间的夹角为1°，构成拉链梳齿，有助于减小由于衍架厚度造成的小半径梳齿位移限制，充分利用梳齿间旋转空间，控制整体结构的大小。

实施例5：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例4所示，其不同在于，相邻两可动梳齿9间的距离，以及相邻两固定梳齿13间的距离均为18um；

可动梳齿9与固定梳齿13间的距离为5um，考虑间隔刻蚀的工艺难度，选择合适的梳齿宽度与梳齿间隔，降低工艺要求。

实施例6：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例5所示，其不同在于，弧向衍架5-1最外侧弧对应半径为2500um，弧向衍架5的宽度为30～32um，弧向衍架5对应圆心角为20°，本发明具有足够的半径长度，控制整体结构大小，应用于外腔可调谐激光器时，以减小腔长。

径向衍架的宽度为30um，第一径向衍架10的长度为2350um，可连接足够的梳齿数，以足够的驱动力，并给弹性梁留出足够长度，使驱动器绕虚轴点旋转，单侧旋转优选超过2.5°。

实施例7：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例5所示，其不同在于，连接部分6的扇形半径为150um，保证连接部分面积足够小，减小连接部分对旋转角度的影响，可以使驱动器绕虚轴点旋转，并减小虚轴点漂移的问题。

实施例8：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例5所示，其不同在于，弹性梁8为2根，其长度为760um，宽度为7um。弹性梁应该有足够的弹性系数，足够的驱动力，使驱动器绕虚轴点旋转，旋转单侧优选超过2.5°。

实施例9：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例5所示，其不同在于，可动部分1、固定梳子2、固定锚点3和基底层4的材料均为硅，固定锚点3表面镀金，用作电极，可为可动梳齿接地，为固定梳齿供电。

实施例10：

一种基于拉链梳齿的mems驱动器，结构如实施例5所示，其不同在于，可动梳子7、固定锚点3与基底层4均接地，对固定梳子2施加电压，工作时，施加电压的固定梳子2对应的可动梳子7上的外侧交叉的可动梳齿进一步插入对应固定梳子上的固定梳齿之间的间隔中，原本已经交叉与新交叉的可动梳齿与固定梳齿之间存在电压差，产生切向静电力，可动部分1中的弹性梁受到切向静电力绕虚轴点12弯曲，驱动可动部分1绕虚轴点12旋转，当电压驱动到一定角度时，原本未交叉的可动梳齿与对应的固定梳齿开始交叉，形成新的驱动梳齿，进一步驱动可动部分绕虚轴点旋转，施加电压后形成的切向总静电力是驱动的主要动力，切向总静电力公式如下：

公式(1)中，fx为切向总静电力，ε为介电常数，v为可动梳齿与固定梳齿之间的电压差，h为可动部分的厚度h1，如图2所示，g为可动梳齿与固定梳齿之间的弧侧边的间隔，n为一对梳子结构中重合的可动与固定梳齿对数，n是一个随着位移变化而变化的参量。

根据公式可以看出，未施加电压时n为初始重合的梳齿对数，随着电压v增大，可动部分开始产生位移，越来越多的梳齿开始重合，n的数目增大，切向总静电力fx越发增大，产生更大的位移。

实施例11：

一种实施例1的基于拉链梳齿的mems驱动器的工作方法，固定梳子和可动梳子的对数为4对，弹性梁8为2个，如图1所示，mems驱动器中从左向右、从上向下梳子分布为：第一固定梳子2-1、第一可动梳子7-1、第二可动梳子7-2、第二固定梳子2-2、第三固定梳子2-3、第三可动梳子7-3、第四可动梳子7-4、第四固定梳子2-4；

可动部分1接地，对第一固定梳子2-1与第四固定梳子2-4施加电压，第一对和第四对可动梳齿与固定梳齿间产生电压差，产生了顺时针方向的切向静电力，此时弹性梁8受到顺时针方向的驱动力，弹性梁8自由端绕虚轴点13顺时针方向弯曲，可动部分1顺时针方向旋转，第一固定梳子2-1与第一可动梳子7-2之间，以及第四可动梳子7-4与第四固定梳子2-4之间相互靠近，第二可动梳子7-2与第二固定梳子2-2之间，以及第三固定梳子2-3与第三可动梳子7-3之间相互远离。

实施例12：

一种实施例1的基于拉链梳齿的mems驱动器的工作方法，如图1所示，固定梳子和可动梳子的对数为4对，弹性梁8为2个，mems驱动器中从左向右、从上向下梳子分布为：第一固定梳子2-1、第一可动梳子7-1、第二可动梳子7-2、第二固定梳子2-2、第三固定梳子2-3、第三可动梳子7-3、第四可动梳子7-4、第四固定梳子2-4；

可动部分1接地，对第二固定梳子2-2与第三固定梳子2-3施加电压，第二对和第三对可动梳齿与固定梳齿间产生电压差，产生了逆时针方向的切向静电力，此时弹性梁8受到逆时针方向的驱动力，弹性梁8自由端绕虚轴点逆时针方向弯曲，可动部分1逆时针方向旋转，第二可动梳子7-2与第二固定梳子2-2之间，以及第三固定梳子2-3与第三可动梳子7-3之间相互靠近，第一固定梳子2-1与第一可动梳子7-1之间，以及第四可动梳子7-4与第四固定梳子2-4之间相互远离。

本发明中的驱动器的结构同样也适用于不同可动梳齿、固定梳齿初始对应半径、圆心角、宽度，不同的可动梳齿与固定梳齿的初始交叉对数，不同的可动、固定梳齿间间距，不同的可动与固定梳齿间间距，不同的径向衍架长度，宽度，不同的弧向衍架对应圆心角、半径、宽度，不同的弹性梁长度、宽度，不同的连接梁宽度、长度，不同的连接部分聚合端半径，每对梳子不同的梳齿对数，不同的梳子对数，不同的结构厚度等其他参数。如上所述,上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非用于限定其实施范围。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。