靜電致動器和用于生產(chǎn)其的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種具有懸臂電極的靜電致動器和用于生產(chǎn)其的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 通常，靜電致動器如下構(gòu)造，此處W如下順序從下到上示意性地描述：將固定或可 移動的第一電極設(shè)置在第一致動器材料上并由絕緣層覆蓋。在后者上，設(shè)置犧牲層，犧牲層 再被固定或可移動的第二電極覆蓋。將第二致動器材料設(shè)置在第二電極上。第一和第二電 極中的電極材料均可W不同于致動器材料，其中第一致動器材料也可W不同于第二致動器 材料，具體地，第一或第二致動器材料可W為在其上W不可移動的方式形成致動器的襯底。 在層和電極結(jié)合在一起之后，移除犧牲層，于是在結(jié)構(gòu)內(nèi)的電極之間留下間隙。
[0003] 靜電致動器的常見生產(chǎn)過程在靜電致動器的兩個電極之間形成空氣間隙，尤其由 于引入的犧牲層。由間隙形成的電極之間的距離一方面導致操作致動器所需電壓的顯著 增加，另一方面導致致動器的依賴于當前獲得的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的偏轉(zhuǎn)性能的變化，甚至導致"吸 和"效應。
[0004] 靜電致動器的生成的力隨著電極彼此之間的距離增加而二次方地減小。在經(jīng)典的 平行板致動器的情況下，靜電致動器的力能夠通過忽略絕緣層由W下公式給出 陽00引F=l/2(e〇Av2)/(g-d)2
[0006] 其中F描述靜電力，e。描述電場常數(shù)，V描述所施加的電壓，d描述電壓相關(guān)偏轉(zhuǎn)， A描述電容器面積，g描述電極彼此之間的初始距離。由于靜電致動器的幾何形狀和高度非 線性力生成，^比例^~^^二次方地依賴于電極彼此之間的距離，靜電致動器的效率隨著 {g-d) 電極彼此之間的距離的增大而大大地減小。在平行板致動器的情況下，該距離為最大的可 能行程。
[0007] 圖3a示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的靜電致動器的側(cè)視圖，其中將靜止電極14設(shè)置在襯 底12上，將絕緣層16設(shè)置在靜止電極14的遠離襯底12的一側(cè)上。與靜止電極14相對， 設(shè)置固定在固定夾具18處的彎折件32。將可移動的電極34設(shè)置在彎折件32的朝向靜止 電極14的一側(cè)，其中在可移動的電極34和絕緣層16之間形成間隙17,其中間隙17是例如 移除在致動器的上述生產(chǎn)過程中已經(jīng)設(shè)置的犧牲層的結(jié)果。
[0008] 使用電極14和34之間形成的間隙17相對于彼此定位兩個電極14和34導致致 動器的上述限制。
[0009] 圖3b示出了圖3a中的靜電致動器的俯視圖。設(shè)置在固定夾具18上的彎折件32 W平面均勻方式實現(xiàn)。
[0010] 當超過電極14和34之間的基于幾何形狀和材料參數(shù)的控制電壓時，電極14和34 之間的間隙17和非線性力生成導致吸和效應。 W11] 由于由生產(chǎn)引起的限制，電極14和34之間的間隙17不能夠被完全關(guān)閉，但能夠 通過優(yōu)化生產(chǎn)過程被最小化。由此，由電極14和34彼此之間余留的距離導致的可靜電地 產(chǎn)生并使用的力的損失可被接受。
[0012] 傳統(tǒng)技術(shù)包括大量的靜電致動器的不同結(jié)構(gòu)。已知實現(xiàn)示出，例如，彎折件或板通 過彈黃元件被懸臂或通過固定夾具或彈黃元件在兩側(cè)被夾緊。同樣，關(guān)于靜止電極或彎折 件的幾何形狀，已知大量不同的實現(xiàn)，其中電極之間的間隙導致實現(xiàn)中的上述缺點。
[0013] 公開描述如何利用彎折件所包含的非常柔軟的突片（t油），通過非常早的靜電激 勵，即W非常低的被施加的電壓，并通過利用由所施加的電壓產(chǎn)生的電極之間的吸引力產(chǎn) 生柔軟突片朝向相對的電極的偏轉(zhuǎn)，部分地關(guān)閉電極之間的間隙，并且偏轉(zhuǎn)部分地關(guān)閉接 觸點處的間隙。但是間隙本身仍然存在。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的目的在于提供一種靜電致動器W及用于生產(chǎn)其的方法，由此能夠減小用 于操作的電壓。
[0015] 該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的靜電致動器和根據(jù)權(quán)利要求16的方法實現(xiàn)。
[0016] 本發(fā)明基于通過利用機械預加載部分地關(guān)閉電極之間的間隙而防止上述問題的 知識。此外，通過設(shè)置懸臂電極，能夠影響施加的電壓和導致的致動器行程之間的特征曲 線。
[0017] 例如在光刻工藝中，能夠?qū)崿F(xiàn)彎折件的材料中的由生產(chǎn)引起的張力并用于使懸臂 相對于彎折件偏轉(zhuǎn)。通過稍微改變的幾何形狀和機械張力梯度，能夠在致動器內(nèi)產(chǎn)生不同 地彎曲的區(qū)域。如果不同地彎曲的區(qū)域是同步的，電極之間的間隙能夠在接觸點處被部分 地關(guān)閉和/或能夠產(chǎn)生額外的彈黃元件。額外的彈黃元件能夠被用于，例如，通過由彈黃元 件改變的反方向的力使靜電致動器的力-偏轉(zhuǎn)曲線線性化。
[0018] 用于改變偏轉(zhuǎn)曲線的一個進一步并更加可靠的并且技術(shù)上也更加簡單的選擇是 電極形狀的改變，W通過局部不同的電極構(gòu)造調(diào)整局部不同的激勵功率并因此調(diào)整已改變 的偏轉(zhuǎn)曲線。
[0019] 根據(jù)一個實施例，彎折件包括沿靜止電極方向偏轉(zhuǎn)的懸臂電極，W使懸臂電極接 觸設(shè)置在靜止電極上的絕緣層，并由此在懸臂電極和靜止電極之間的接觸點處部分地關(guān)閉 電極之間的例如通過移除犧牲層而暴露的間隙。由此，當在電極之間施加電壓時，產(chǎn)生高吸 引力并W較低電壓實現(xiàn)彎折件的偏轉(zhuǎn)。
[0020] 根據(jù)可選的實施例，沿軸向伸展彎曲彎折件，W使彎折件和靜止電極之間的距離 沿彎曲并從彎折件的夾具開始增加。運個布置允許致動器在可偏轉(zhuǎn)端和靜止電極之間的行 程增加。
[0021] 根據(jù)進一步的實施例，設(shè)置兩個靜電致動器W使彎折件的可偏轉(zhuǎn)端彼此相對并在 可偏轉(zhuǎn)端之間設(shè)置彈黃結(jié)構(gòu)，運產(chǎn)生相對于偏轉(zhuǎn)致動器的靜電力的恢復力。由此，額外地影 響電壓偏轉(zhuǎn)行為。
[0022] 根據(jù)進一步的實施例，在彎折件的自由可偏轉(zhuǎn)端處設(shè)置梁元件，W通過杠桿作用 增加靜電致動器的行程。
[0023] 進一步的有利實施是從屬權(quán)利要求的主題。
【附圖說明】
[0024] 下面參考附圖描述本發(fā)明的實施例。它們示出：
[00巧]圖la為靜電致動器的側(cè)視圖，除絕緣層之外，靜電致動器的彎折件包括懸臂電 極，懸臂電極沿靜止電極的方向偏轉(zhuǎn)并關(guān)閉電極之間的間隙； 陽026] 圖化為圖la中的靜電致動器的俯視圖；
[0027] 圖2為類似于圖la的靜電致動器的側(cè)視圖，其中懸臂電極沿靜止電極的方向偏轉(zhuǎn) 并部分地減小電極之間的間隙；
[002引圖3a為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不具有懸臂電極的靜電致動器的側(cè)視圖； 陽029] 圖3b為圖3a中的靜電致動器的俯視圖；
[0030] 圖4a為類似于圖la的靜電致動器，其中彎折件包括機械預加載，W使彎折件具有 彎曲；
[0031] 圖4b為圖4a中的靜電致動器的俯視圖；
[0032] 圖5a為具有方形懸臂的靜電致動器的俯視圖；
[0033] 圖化為具有Ξ角形懸臂的靜電致動器的俯視圖；
[0034] 圖5c為具有梯形懸臂的靜電致動器的俯視圖；
[0035] 圖5d為具有矩形懸臂的靜電致動器的俯視圖，矩形懸臂的可偏轉(zhuǎn)端沿彎折件的 軸向曲線延伸；
[0036] 圖6a為類似于圖5a的具有鄰近固定夾具設(shè)置的減小的懸臂的靜電致動器的俯視 圖；
[0037] 圖化為類似于圖6a的具有鄰近彎折件的可偏轉(zhuǎn)端設(shè)置的減小的懸臂的靜電致動 器的俯視圖；
[003引圖6c為具有分別類似于圖6a和化的懸臂的靜電致動器的俯視圖；
[0039] 圖7a為可偏轉(zhuǎn)端通過彈黃元件相連的兩個相對的靜電致動器的側(cè)視圖； W40] 圖化為圖7a中的靜電致動器的俯視圖；
[0041] 圖8為具有四個懸臂的環(huán)形靜電致動器的俯視圖；
[0042] 圖9a為具有根據(jù)圖4a的預彎曲和懸臂電極的靜電致動器的側(cè)視圖；
[0043] 圖9b為不同示意性電極幾何形狀的圖示；
[0044] 圖9c為具有圖9b中的不同電極幾何形狀的示意性致動器偏轉(zhuǎn)的曲線圖；
[0045] 圖10a為處于非偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的靜電致動器的俯視圖，在其可偏轉(zhuǎn)端處設(shè)置梁元件；
[0046] 圖1化為圖10a中的靜電致動器的側(cè)視圖；
[0047] 圖10c為類似于圖1化的靜電致動器處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時的側(cè)視圖；
[0048] 圖lOd為圖lOa-c中的靜電致動器處于類似于圖10c的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時的俯視圖；
[0049] 圖11a為類似于圖10a的靜電致動器的俯視圖，其中彎折件具有相對于梁元件而 言較小的軸向伸展；
[0050] 圖Ub為圖11a中的類似于圖1化的靜電致動器的側(cè)視圖；
[0051] 圖11c為類似于圖1化的靜電致動器處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時的側(cè)視圖；
[0052] 圖lid為類似于圖11a的靜電致動器處于類似于圖11c的可偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時的俯視 圖；
[0053] 圖12a為類似于圖11a的靜電致動器的俯視圖，其中在梁元件的區(qū)域內(nèi)設(shè)置梁電 極；
[0054] 圖1化為根據(jù)圖12a的類似于圖1化的致動器的側(cè)視圖； 陽化5]圖12c為類似于圖12b的致動器的側(cè)視圖，其中額外地設(shè)置的梁元件被偏轉(zhuǎn)；
[0056] 圖12d為類似于圖12a的靜電致動器處于類似于圖12c的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時的俯視圖。
【具體實施方式】
[0057] 圖la示出了具有靜電致動器的裝置10的側(cè)視圖。在襯底12上設(shè)置W平面的方 式被絕緣層16覆蓋的靜止電極14。與靜止電極14相對，間隔開間隙17,布置設(shè)置在固定 夾具18上的彎折件22,其中彎折件包括可變形致動器材料24和設(shè)置在其上的彎折件電極 26。彎折件22的中性纖維27平行于靜止電極14延伸。彎折件22的區(qū)域限定出懸臂28并 在靜止電極14的方向上偏轉(zhuǎn)，其中在懸臂28的朝向靜止電極14的表面上設(shè)置與彎折件電 極26絕緣的懸臂電極29,W便可W在彎折件電極26和懸臂電極29之間施加不同的電勢。 在空閑狀態(tài)下，不施加電場，懸臂28被預偏轉(zhuǎn)，W使懸臂電極29在接觸點31處接觸絕緣層 16并在接觸點31處部分地關(guān)閉懸臂電極29和靜止電極14之間的間隙17。通過彎折件的 從固定夾具18朝向與彎折件的被夾緊側(cè)相對的可偏轉(zhuǎn)端33的軸向彎曲，在空閑狀態(tài)下并 且沒有施加電場的情況下，除了懸臂電極29W外，彎折件22包括彎折件和絕緣層16之間 的W及因此與靜止電極14之間的幾乎恒定的距離，其中在該距離內(nèi)形成間隙17。