專利名稱：：弧形mems柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的裝置，具體是一種弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
：由于柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)易于加工，機(jī)械性能良好，定位準(zhǔn)確等顯著特性，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，并逐漸成為微機(jī)構(gòu)學(xué)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。柔順機(jī)構(gòu)，采用大變形柔性構(gòu)件代替剛性構(gòu)件，當(dāng)機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動時，不僅由運(yùn)動副傳遞運(yùn)動，還能從其柔性部件的變形中獲得一部分運(yùn)動。柔順機(jī)構(gòu)具有成本低和提高性能等優(yōu)點(diǎn)，同時，可以避免振動沖擊、摩擦、磨損等缺陷。雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，是指在構(gòu)件運(yùn)動過程中至少具有兩個穩(wěn)定平衡位置的一類機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)位置轉(zhuǎn)換過程中存儲能量，而當(dāng)其向另一個穩(wěn)定平衡位置運(yùn)動時釋放能量。由于穩(wěn)態(tài)位置就是能量的最低點(diǎn)，因此，MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)具有較好的定位精度，經(jīng)常應(yīng)用于微控制器、微型定位器，數(shù)據(jù)存儲等裝置中。柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了柔順機(jī)構(gòu)與雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，把各部件的運(yùn)動和能量并入其中一個部件中考慮，所以是更方便得到雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的新機(jī)構(gòu)。按照設(shè)計(jì)原則，雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)一般可分為以下幾類機(jī)械鎖定型雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，多段鉸鏈鎖定型雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，殘余應(yīng)力鎖定型雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)等等。機(jī)械鎖定型雙穩(wěn)態(tài)，雖然可以達(dá)到較好的鎖定效果，但同時需要在構(gòu)件上制造復(fù)雜的機(jī)械鎖定裝置，不利于設(shè)計(jì)制造；多段鉸鏈鎖定型，可以靈活控制，使機(jī)構(gòu)快速的達(dá)到穩(wěn)態(tài)位置，但要求鉸鏈最好能無間隙，無摩擦，無剛度，才能達(dá)到準(zhǔn)確定位的效果，這在MEMS目前的制作工藝上是很難實(shí)現(xiàn)的；殘余應(yīng)力鎖定型，要求在穩(wěn)態(tài)位置時，構(gòu)件內(nèi)部有足夠多的殘余壓應(yīng)力，以維持穩(wěn)定性，在加工制作過程中，要控制構(gòu)建內(nèi)部的殘余應(yīng)力的大小程度，都是很難實(shí)現(xiàn)的?；谝陨蠁栴}，研究學(xué)界提出了，由柔性構(gòu)件代替剛性構(gòu)件，無需機(jī)械鎖定裝置，鉸鏈，殘余應(yīng)力，僅依靠柔性構(gòu)件自身變形儲存能量，以實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性的特殊機(jī)構(gòu)即柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)微型化，特別適合于小變形領(lǐng)域，在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，基于柔順雙穩(wěn)態(tài)特性的機(jī)構(gòu)有很多。QiuJin等在《MicroElectroMechanicalSystems》(中文名《微機(jī)電系統(tǒng)》)2001年第14巻第353頁上發(fā)表的題名"Acentrally-clampedparallel-beambistableMEMSmechanism"(中文名稱"一種中心并聯(lián)的平行梁雙穩(wěn)態(tài)MEMS機(jī)構(gòu)")，報(bào)道了一種余弦曲梁結(jié)構(gòu)，這種曲線梁雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)擺脫了以往靠鉸鏈，自鎖機(jī)構(gòu)以及構(gòu)件貯存的殘余應(yīng)力等裝置，來實(shí)現(xiàn)自鎖功能，而直接靠機(jī)構(gòu)本身形狀來保持自鎖。此結(jié)構(gòu)長3mm，深度達(dá)490ym，由深度反應(yīng)離子刻蝕制得。但受尺寸上長度和深度的影響，當(dāng)構(gòu)件在兩穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，由于余弦曲梁內(nèi)部無殘余應(yīng)力，受力后會發(fā)生扭轉(zhuǎn)，其在穩(wěn)態(tài)位置不易準(zhǔn)確控制。且此結(jié)構(gòu)尺寸大，不易于集成制造，微型化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，將柔性彈簧和弧型梁作為儲能構(gòu)件，當(dāng)弧型梁在兩個雙穩(wěn)態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，儲存彈性勢能，集中質(zhì)量塊一方面用于承載外力，有效避免整個結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，另一方面作為整個機(jī)構(gòu)的外界觸點(diǎn)，在穩(wěn)態(tài)位置時，接通或斷開外電路。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括弧型梁、柔性彈簧、集中質(zhì)量塊和基座，其中集中質(zhì)量塊固定設(shè)置于弧型梁的正中心，弧型梁的兩端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的柔性彈簧的一端相連，兩個柔性彈簧的另一端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的基座相連。所述的弧型梁為兩段弧狀軸對稱結(jié)構(gòu)的金屬單層梁，弧型梁通過柔性彈簧懸空于兩個基座之間。該弧型梁的寬度尺寸范圍為5um-20um，厚度尺寸范圍為IOym-40ym，長度尺寸范圍為300ym-1000ym，懸空高度范圍為5ym-30ym，圓弧半徑范圍50ym-500ym，圓弧圓心角為200-180o。所述的柔性彈簧為蛇形結(jié)構(gòu)的金屬彈簧，其寬度尺寸范圍為2um-10um，厚度尺寸范圍為10ym-40ym，柔性彈簧的徑向長度尺寸范圍為10-80ym。該柔性彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)對弧型梁的柔性屈服控制，以儲存更多的彈性勢能。而且弧型梁與基座結(jié)合處設(shè)計(jì)了這個金屬柔性彈簧使得整個弧型柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)具有一定的柔性，更容易產(chǎn)生屈服變形。所述的集中質(zhì)量塊為金屬制成，其寬度尺寸范圍為30um-50um，厚度尺寸范圍為20ym-80ym，長度尺寸范圍為IOym-100ym。所述集中質(zhì)量塊與弧形梁相平行的兩個側(cè)面與外部電路相接觸作為電路開關(guān)。所述的基座為硅或玻璃片制成的襯底，采用紫外線曝光光刻技術(shù)(UV-LIGA)電鍍而成的金屬支撐結(jié)構(gòu)，其基座寬度X厚度X長度的范圍為IOOym-500ymX100ym-500ymX5ym-50ym。本發(fā)明在靜止?fàn)顟B(tài)時，弧型梁及柔性彈簧均沒有變形，其內(nèi)部沒有儲存彈性勢能，當(dāng)外加載荷沿水平方向作用于集中質(zhì)量塊上時，整個集中質(zhì)量塊及弧型梁將沿外力的方向向兩個基座中心運(yùn)動，此時柔性彈簧及弧型梁內(nèi)部儲存的彈性勢能逐漸達(dá)到最大，為整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動到中心線(即勢能最高點(diǎn))以下，由于柔性構(gòu)件自身彈性作用，無需外力的作用，會自發(fā)運(yùn)動到另一穩(wěn)定狀態(tài)，此時結(jié)構(gòu)呈V型，即第二穩(wěn)態(tài)位置。因此，所設(shè)計(jì)的弧型柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)就實(shí)現(xiàn)了無功耗的雙穩(wěn)態(tài)功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明該結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，只需要兩個掩膜版即可完成整個微驅(qū)動器件的制作。同時，結(jié)構(gòu)整體尺寸小，有利于MEMS器件的集成化、批量化。同時具有柔順機(jī)構(gòu)無摩擦無間隙的特點(diǎn)和雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)定位精度高的特性，因此具有較好的穩(wěn)定性，更適合新型低功耗MEMS器件。圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本發(fā)明包括弧型梁l、柔性彈簧2、集中質(zhì)量塊3和基座4，其中集中質(zhì)量塊3固定設(shè)置于弧型梁1的正中心，弧型梁1的兩端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的柔性彈簧2的一端相連，兩個柔性彈簧2的另一端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的基座4相連。所述的弧型梁l為兩段弧狀軸對稱結(jié)構(gòu)的金屬單層梁，弧型梁1通過柔性彈簧2懸空于兩個基座4之間，該弧型梁l的寬度為7ym，厚度為25ym，長度為650ym，懸空高度為17ym，弧型梁l的兩段弧的圓弧半徑為275ym，圓弧圓心角為lOOo。所述的柔性彈簧2是具有蛇形結(jié)構(gòu)的金屬彈簧，其寬度為6ym，厚度為25ym，柔性彈簧的徑向長度為45ym。所述的集中質(zhì)量塊3為金屬制成，其寬度為40ym，厚度為50ym，長度為55ymm。所述集中質(zhì)量塊3與弧形梁1相平行的兩個側(cè)面與外部電路相接觸作為電路開關(guān)。所述的基座4為玻璃基片制成的襯底，其尺寸為300ym*300ym*27ym。本實(shí)施例通過以下方式制備獲得1、清洗玻璃基片，12(TC高溫烘烤；2、濺射種子層Cr/Cu，其中Cr粘結(jié)層600人，Cu種子層800人；3、甩光刻膠，基座掩膜版光刻顯影，電鍍金屬Ni基座；4、程控烘箱中9(TC堅(jiān)膜；5、濺射種子層，甩正膠，弧型梁掩膜版光刻顯影，電鍍金屬Ni結(jié)構(gòu)層；6、NaOH溶液去除正膠，去除種子層；7、釋放結(jié)構(gòu)。本實(shí)施例該結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，同時具有柔順機(jī)構(gòu)無摩擦無間隙的特點(diǎn)和雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)定位精度高的特性。權(quán)利要求1.一種弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征在于，包括弧型梁、柔性彈簧、集中質(zhì)量塊和基座，其中集中質(zhì)量塊固定設(shè)置于弧型梁的正中心，弧型梁的兩端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的柔性彈簧的一端相連，兩個柔性彈簧的另一端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的基座相連。2根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的弧型梁為兩段弧狀軸對稱結(jié)構(gòu)的金屬單層梁，弧型梁通過柔性彈簧懸空于兩個基座之間。3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的弧型梁，其寬度尺寸范圍為5um-20um，厚度尺寸范圍為IOym-40ym，長度尺寸范圍為300ym-1000ym，懸空高度范圍為5ym-30ym，圓弧半徑范圍50ym-500ym，圓弧圓心角為20o-1800。4根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的柔性彈簧為蛇形結(jié)構(gòu)的金屬彈簧。5根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的的柔性彈簧的寬度尺寸范圍為2ym-10ym，厚度尺寸范圍為IOym-40ym，柔性彈簧的徑向長度尺寸范圍為10-80ym。6根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的集中質(zhì)量塊為金屬制成。7根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的集中質(zhì)量快的寬度尺寸范圍為30um-50um，厚度尺寸范圍為20ym-80ym，長度尺寸范圍為10ym-100ym。8根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的集中質(zhì)量塊與弧形梁相平行的兩個側(cè)面與外部電路相接觸作為電路開關(guān)。9根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的基座為硅或玻璃片制成的襯底。10根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的基座寬度X厚度X長度的范圍為lOOym-500ymX100ym-500ymX5ym-50ym全文摘要一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的弧形MEMS柔順雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，包括弧型梁、柔性彈簧、集中質(zhì)量塊和基座，其中集中質(zhì)量塊固定設(shè)置于弧型梁的正中心，弧型梁的兩端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的柔性彈簧的一端相連，兩個柔性彈簧的另一端分別與兩個相同結(jié)構(gòu)的基座相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，只需要兩個掩膜版即可完成整個微驅(qū)動器件的制作。同時，結(jié)構(gòu)整體尺寸小，有利于MEMS器件的集成化、批量化。同時具有柔順機(jī)構(gòu)無摩擦無間隙的特點(diǎn)和雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)定位精度高的特性，因此具有較好的穩(wěn)定性，更適合新型低功耗MEMS器件。文檔編號B81B7/00GK101654216SQ20091030784公開日2010年2月24日申請日期2009年9月28日優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日發(fā)明者丁桂甫,吳義伯,張叢春,毛勝平,紅汪,娟王申請人:上海交通大學(xué)