本發(fā)明涉及微機(jī)電，尤其涉及一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)及其位置檢測方法。

背景技術(shù)：

1、采用微機(jī)電系統(tǒng)(mems，micro-electro-mechanical?system)的微型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有尺寸小、可靠性高、功耗低、易于批量制造等優(yōu)點(diǎn)，由其構(gòu)成的微型驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，在諸多mems器件中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)方式，mems微動(dòng)平臺(tái)可以分為靜電式、壓電式、電磁式和電熱式四類。相比而言，電熱式驅(qū)動(dòng)方式僅需較低的輸入電壓便能實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力和位移，常被用于微鏡、微鑷子、微開關(guān)等mems器件中，在光譜儀、生物醫(yī)療、信號處理等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注和深入研究。

2、然而，電熱式驅(qū)動(dòng)方式也存在一些不足：較高的工作溫度使執(zhí)行器極易發(fā)生氧化，且材料蠕變和滯回效應(yīng)明顯，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和線性控制能力下降，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。雖然采用具有較高楊氏模量和熔點(diǎn)的cu/w材料組合能有效增強(qiáng)執(zhí)行器的機(jī)械剛度，但該材料組合難以滿足執(zhí)行器的長期穩(wěn)定性和大形變輸出?；赼l和sio2的材料組合具有較好的高溫耐氧化性和較大差異的材料溫度膨脹系數(shù)，能提供良好的長期穩(wěn)定性和大形變輸出，是目前普遍使用的材料組合，然而它卻存在響應(yīng)速度慢(大約60ms)、大范圍掃描頻率低(10hz以內(nèi))等問題。

3、為了進(jìn)一步改善電熱式微動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度和控制精度，在器件或系統(tǒng)中引入執(zhí)行器的位置信息反饋以形成閉環(huán)控制，是除“材料組合”之外的另一解決方案。然而，目前現(xiàn)有的位置檢測方法還存在諸多痛點(diǎn)：1)基于光學(xué)反射和干涉的檢測方法對外部光路依賴性強(qiáng)，在系統(tǒng)層面上對對準(zhǔn)和組裝要求較高；2)基于電磁耦合的檢測方法中，渦流引起的能量損耗會(huì)顯著降低線圈的q值(電感質(zhì)量的參數(shù))，導(dǎo)致同一電磁信號激勵(lì)作用下檢測靈敏度的降低，甚至出現(xiàn)檢測盲區(qū)；3)基于電容的位置檢測方法存在因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)引起的電容變化過小而必須采用高精度外部檢測電路的問題；4)基于壓阻位置檢測方法由于所用材料大多無法承受125℃以上的溫度，存在與目標(biāo)電熱執(zhí)行器不兼容的問題。

4、由此可見，現(xiàn)有的位置檢測方法在系統(tǒng)集成、檢測電路、材料兼容性等方面均有不足，如何更有效地對電熱式微動(dòng)平臺(tái)的位置進(jìn)行檢測是當(dāng)前亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電熱式微動(dòng)平臺(tái)的位置檢測方法存在的技術(shù)問題，提供了一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)及其位置檢測方法。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

3、第一方面，提供一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，包括外圍支撐結(jié)構(gòu)、電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、微平臺(tái)，以及用于檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的壓電位置檢測結(jié)構(gòu)。

4、在一些實(shí)施例中，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料和壓電材料構(gòu)成。

5、優(yōu)選地，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料、壓電材料、導(dǎo)電材料依次疊層形成三明治檢測結(jié)構(gòu)。

6、優(yōu)選地，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料和壓電材料經(jīng)過多次交替疊層形成復(fù)合層狀檢測結(jié)構(gòu)。

7、優(yōu)選地，所述壓電材料為鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷、anbo3(堿金屬鈮酸鹽化合物)、pzt、zno、litao3、aln、alscn、gan、batio3、pvdf、bspt中的一種或幾種構(gòu)成的復(fù)合材料。

8、在一些實(shí)施例中，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)為聲表面波檢測結(jié)構(gòu)或體聲波檢測結(jié)構(gòu)。

9、優(yōu)選地，所述聲表面波檢測結(jié)構(gòu)為利用瑞利波(rayleigh?wave)、勒夫波(lovewave)、水平剪切波(sheared?horizontal?wave)、表面橫波(surface?transverse?wave)構(gòu)成的聲表面波檢測結(jié)構(gòu)或者為利用體聲波(bulkwave)構(gòu)成的體聲波檢測結(jié)構(gòu)。

10、第二方面，提供一種所述電熱微動(dòng)平臺(tái)的位置檢測方法，所述方法包括：

11、利用壓電位置檢測結(jié)構(gòu)檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

12、在一些實(shí)施例中，所述利用壓電位置檢測結(jié)構(gòu)檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括：

13、電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)在外界電學(xué)信號驅(qū)動(dòng)作用時(shí)，電能會(huì)被轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為機(jī)械能使電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)微平臺(tái)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時(shí)引起壓電位置檢測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化。由于壓電原理，所引起的應(yīng)變會(huì)被轉(zhuǎn)換為電荷，并在壓電位置檢測結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料上形成富集，所產(chǎn)生的電荷量與應(yīng)變大小呈正相關(guān)關(guān)系，且導(dǎo)電材料的電學(xué)極性與應(yīng)變的方向相關(guān)。通過將電荷引入至電荷放大器，則可得到電壓或電流信號，進(jìn)一步建立電壓或電流幅值(或相位、頻率)與微平臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，則可通過測量相應(yīng)的感應(yīng)電壓或電流確定微平臺(tái)在相應(yīng)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作用時(shí)它的偏轉(zhuǎn)角度。同理，多個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單獨(dú)作用或者同時(shí)作用時(shí)微平臺(tái)的各個(gè)偏轉(zhuǎn)角度也能得到。由于微平臺(tái)的尺寸已知，在獲得各個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)角度后，通過空間幾何便可以最終解析出微平臺(tái)的位置和狀態(tài)。

14、在一些實(shí)施例中，所述利用壓電位置檢測結(jié)構(gòu)檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括：

15、當(dāng)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)工作時(shí)會(huì)引起壓電位置檢測結(jié)構(gòu)(聲表面波器件或體聲波器件)發(fā)生應(yīng)變，根據(jù)攝動(dòng)理論，此時(shí)壓電位置檢測結(jié)構(gòu)基底的材料常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致彈性波的頻率(或相位、幅值)發(fā)生改變，通過建立頻率(或相位、幅值)與微平臺(tái)在單個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作用時(shí)它的偏轉(zhuǎn)角度、應(yīng)變大小(方向、頻率)的關(guān)系，則可通過測量頻率(或相位、幅值)確定微平臺(tái)在相應(yīng)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作用時(shí)它的偏轉(zhuǎn)角度。同理，多個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)單獨(dú)作用或者同時(shí)作用時(shí)微平臺(tái)的各個(gè)偏轉(zhuǎn)角度也能得到。由于微平臺(tái)的尺寸已知，在獲得各個(gè)方向上的偏轉(zhuǎn)角度后，通過空間幾何便可以最終解析出微平臺(tái)的位置和狀態(tài)。

16、需要進(jìn)一步說明的是，上述各選項(xiàng)對應(yīng)的技術(shù)特征在不沖突的情況下可以相互組合或替換構(gòu)成新的技術(shù)方案。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果是：

18、本發(fā)明將壓電位置檢測結(jié)構(gòu)與電熱微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行一體式集成，不僅能在不影響微平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度地獲得微平臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)方向等姿態(tài)信息，還能顯著降低器件及其閉環(huán)控制反饋電路的復(fù)雜程度，同時(shí)對相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸優(yōu)化，以及實(shí)現(xiàn)器件小型化和輕量化具有重要作用。

技術(shù)特征：

1.一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，包括外圍支撐結(jié)構(gòu)、電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、微平臺(tái)，其特征在于，所述外圍支撐結(jié)構(gòu)上還設(shè)置有壓電位置檢測結(jié)構(gòu)，用于檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料和壓電材料構(gòu)成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電材料、壓電材料、導(dǎo)電材料依次疊層形成三層結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述壓電材料為鉍層狀結(jié)構(gòu)壓電陶瓷、anbo3(堿金屬鈮酸鹽化合物)、pzt、zno、litao3、aln、alscn、gan、batio3、pvdf、bspt壓電材料中的一種或幾種構(gòu)成的復(fù)合材料。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)為利用導(dǎo)電材料和壓電材料構(gòu)成的三明治檢測結(jié)構(gòu)或者經(jīng)過多次交替堆疊形成的復(fù)合層狀檢測結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述壓電位置檢測結(jié)構(gòu)為聲表面波檢測結(jié)構(gòu)或體聲波檢測結(jié)構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述聲表面波檢測結(jié)構(gòu)為利用瑞利波、勒夫波、水平剪切波、表面橫波構(gòu)成的聲表面波檢測結(jié)構(gòu)或?yàn)槔皿w聲波構(gòu)成的體聲波檢測結(jié)構(gòu)。

8.一種權(quán)利要求5中所述集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)的位置檢測方法，其特征在于，所述利用壓電位置檢測結(jié)構(gòu)檢測微動(dòng)結(jié)構(gòu)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括：

9.一種權(quán)利要求7中所述集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)的位置檢測方法，其特征在于，所述利用壓電位置檢測結(jié)構(gòu)檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種集成壓電反饋的電熱微動(dòng)平臺(tái)及其位置檢測方法，屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域，該平臺(tái)包括外圍支撐結(jié)構(gòu)、電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、微平臺(tái)，以及用于檢測微平臺(tái)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的壓電位置檢測結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將壓電位置檢測結(jié)構(gòu)與電熱微動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行一體式集成，不僅能在不影響微動(dòng)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的情況下實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、高精度地獲得微動(dòng)結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)方向的姿態(tài)信息，還能顯著降低器件及其系統(tǒng)的閉環(huán)控制姿態(tài)反饋電路的復(fù)雜程度，優(yōu)化相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及實(shí)現(xiàn)器件的小型化和輕量化。

技術(shù)研發(fā)人員：江超,焦文龍,李易,姜森林,謝會(huì)開
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京理工大學(xué)重慶微電子研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17