通过将平面内梳状驱动器（XY-Microstage）与垂直于平面的Al/SiO2双形态驱动器（bimorph actuators）集成，实现大位移、低串扰的单块晶圆级级联驱动XYZ微平台

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Monolithic-Wafer-Based Cascade-Actuation XYZ-Microstage With Large Displacement and Low Crosstalk by Integrating an In-Plane Comb-Drive XY-Microstage With Out-of-Plane Al/SiO2 Bimorph Actuators

单晶圆集成三级串行XYZ微 stages实现大位移和低交叉 talk运动，通过平面电刷XY微 stages与垂直Al/SiO2热电微 actuators协同驱动，结合隔离运动结构设计，有效解决单晶圆垂直位移受限问题，X/Y/Z轴位移达92.3/78.3/2.0μm。

　　

摘要：

本研究创新性地提出并展示了一种基于单片晶圆的级联驱动XYZ微平台，该平台具有较大的位移行程和低串扰运动特性。这是通过首次将平面内梳状驱动XY微平台与垂直于平面的Al/SiO2双晶热电执行器集成实现的。在单片晶圆内部采用了三级串联运动方案，即三级框架结构配置，以减少X轴、Y轴和Z轴之间的运动串扰。平面内梳状驱动XY微平台由四个驱动单元组成，通过采用解耦结构设计和电容耦合串扰约束机制，确保沿±X轴和±Y轴的运动具有低串扰特性。四组垂直于平面的Al/SiO2双晶执行器独立驱动XY微平台沿Z轴运动。此外，还引入了机械硅弹簧来促进XY微平台与外部焊盘之间的电气连接。该设计还克服了单片晶圆在垂直于平面方向上的行程空间限制，从而最大化了驱动潜力，实现了显著的垂直位移。微制造过程中的一个关键步骤是在SOI晶圆的支撑层中通过工程化“阶梯”结构成功制备高纵横比的硅梳和Al/SiO2双晶结构，以实现后续结构的释放。最终，所制备的基于单片晶圆的XYZ微平台在X轴、Y轴和Z轴方向上分别能够实现92.3 μm、78.3 μm和2.0 μm的位移。此外，单片晶圆内的三维级联驱动配置可适应多种驱动模式组合，从而实现多自由度驱动。[2025-0021]

引言

精确定位的多维MEMS微平台在许多应用中需求量很大，例如扫描探针显微镜（SPM）[1]、[2]、[3]、内窥成像系统[4]、基于探针的数据存储系统[5]以及微光学系统[6]。特别是SPM依赖于XYZ微平台进行三维（3D）扫描，从而在三维空间中表征样品表面的纳米到原子级特性[7]。迄今为止，已经开发了多种驱动模式，包括静电[8]、[9]、压电[10]、[11]、电热[12]、[13]和电磁[14]、[15]、[16]等，用于构建具有定位能力的微驱动结构。为了实现沿X轴、Y轴和Z轴的多维驱动，需要将多个驱动单元集成到多轴微平台上，以减少运动串扰问题[17]、[18]。此外，从单片晶圆制造三轴XYZ微平台对于克服所有三个方向上的位移限制至关重要，尤其是在垂直于平面的（Z）方向[19]。尽管基于压电驱动的微平台在商业应用中得到了广泛发展，但由于驱动单元的三维堆叠以及需要反馈控制来处理迟滞特性，它们在某些场景中存在体积较大的缺点[20]、[21]、[22]。因此，这些因素促使科学家和研究人员寻找一种能够在X轴、Y轴和Z轴之间实现大位移行程和独立运动的强大XYZ微平台。