專利名稱：基于屈曲的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及屈曲微驅(qū)動(dòng)器，可用于射頻RF開關(guān)、光開 關(guān)、微可編程光柵系統(tǒng)和空間載SBR指向可變相控陣天線。
背景技術(shù)：
屈曲微驅(qū)動(dòng)器，是由微機(jī)械技術(shù)加工而成，突破彈性力為恢復(fù)力的傳統(tǒng)觀念，利用 微梁在屈曲變形中的彈性能量釋放和剛度變化而表現(xiàn)出的突跳特性，將彈性力轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng) 力，實(shí)現(xiàn)微驅(qū)動(dòng)器大位移、低電壓、快速響應(yīng)驅(qū)動(dòng)目的。它具有體積小、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 等特點(diǎn)，因此在射頻RF開關(guān)、光開關(guān)、微可編程光柵和空間載SBR指向可變相控陣天線等驅(qū) 動(dòng)領(lǐng)域中，具有強(qiáng)烈需求。2008年以色列Technion-Israe技術(shù)大學(xué)研制了一端固接，一端軸向自由接加靜 電力驅(qū)動(dòng)的屈曲型驅(qū)動(dòng)器[JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 15,NO. 6, DECEMBER 2006,1656—1672,Experimental Validation of Electromechanical Buckling, SamyAbu-Salih and David Elata, Technion-Israe Institute of Technology, Haifa, Israel.]，如圖1所示。上端13和下端16分別為固定極板，懸梁12左端11固接，右端14 沿水平方向自由滑動(dòng)，15為限制14上下運(yùn)動(dòng)的鉸鏈。在14滑動(dòng)端施加靜電力，當(dāng)靜電力達(dá) 到懸梁歐拉臨界載荷時(shí)，發(fā)生屈曲變形，如虛線所示。在上下極板13和16施加反向電壓， 驅(qū)動(dòng)懸梁向下變形，恢復(fù)原始狀態(tài)。這種屈曲型驅(qū)動(dòng)器存在以下問題1)由于在14滑動(dòng)端施加靜電力需要加100V的高電壓，因而系統(tǒng)存在燒蝕危險(xiǎn)。2)在懸梁變形工程中，由于存在靜電力達(dá)到歐拉臨界載荷過程，增大了懸梁變形 響應(yīng)時(shí)間。2009年西安電子科技大學(xué)研制了大撓度后屈曲微驅(qū)動(dòng)器[賈建援，趙劍，王洪喜， 大撓度后屈曲傾斜梁結(jié)構(gòu)的非線性力學(xué)特性，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,45 (2)，138-143]，如圖2 所示。左懸梁25左端固接，右端鉸接于質(zhì)量塊23。右懸梁26右端固接，左端鉸接于質(zhì)量塊 23。鉸鏈22約束質(zhì)量塊23只能在垂直方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊23所受垂直方向作用力達(dá)到懸 梁25和26的歐拉臨界載荷，懸梁25和26發(fā)生后屈曲變形，如圖虛線所示。雖然這種結(jié)構(gòu) 提高了抗干擾性，但是它本身又存在如下問題1)實(shí)現(xiàn)后屈曲變形的驅(qū)動(dòng)力過大，在實(shí)際工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。2)在變形過程中，當(dāng)質(zhì)量塊23脫離鉸鏈22約束后，存在水平方向擾動(dòng)，導(dǎo)致懸梁 無法實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)計(jì)的后屈曲對(duì)稱變形。3)由于采用雙懸梁屈曲變形，增大懸梁斷裂危險(xiǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種基于屈曲的低電壓大變形 微驅(qū)動(dòng)器，以減小驅(qū)動(dòng)力，保證微梁屈曲變形對(duì)稱，防止出現(xiàn)斷裂危險(xiǎn)。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)器包括微梁、固定機(jī)座、驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于微
3梁通過外構(gòu)架固定，該外構(gòu)架的兩端固定有上頂蓋和下底蓋；固定機(jī)座的兩端固定有上導(dǎo) 向槽和下導(dǎo)向槽，用于限制微梁的左右運(yùn)動(dòng)；上導(dǎo)向槽和下導(dǎo)向槽分別與上頂蓋和下底蓋 之間形成一對(duì)調(diào)節(jié)電極。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中微梁和固定機(jī)座的表面均淀積有的金膜層，兩金膜層之間形 成了驅(qū)動(dòng)電極，該驅(qū)動(dòng)電極通過鍵合方式與外部驅(qū)動(dòng)電路相連。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中固定機(jī)座為硅材料，兩端設(shè)有上下導(dǎo)向槽，以保證微梁裝配時(shí) 垂直于調(diào)節(jié)電極對(duì)。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中上下導(dǎo)向槽的外側(cè)表面和上下蓋的內(nèi)壁均沉積有一層金膜， 以在上導(dǎo)向槽與上頂蓋的金膜層之間和下導(dǎo)向槽與下底蓋的金膜層之間分別形成調(diào)節(jié)電 極對(duì)。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中調(diào)節(jié)電極通過鍵合方式與外部調(diào)節(jié)電路相連，且同步控制，保 證微梁維持“微彎平衡”狀態(tài)。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中外構(gòu)架內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度小于微梁長(zhǎng)度，以使得微梁在裝配時(shí)已經(jīng)含 有軸向擠壓力。上述微驅(qū)動(dòng)器，其中微梁與外構(gòu)架的連接方式采用兩端固結(jié)直梁結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明的微梁由于通過外構(gòu)架固定，保證了通常情況下，微梁處于直線狀態(tài)。2.本發(fā)明由于采用外構(gòu)架的上頂蓋與下底蓋內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度小于微梁長(zhǎng)度，使得微梁在 發(fā)生屈曲變形前，就存儲(chǔ)了彈性能量，因此減小了微梁軸向達(dá)到歐拉臨界載荷所需施加的 外載荷量，也減小了驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間。3.本發(fā)明由于在固定機(jī)座的兩端采用導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，可以限制微梁的左右運(yùn)動(dòng)，保 證微梁屈曲變形對(duì)稱，避免二次屈曲變形發(fā)生，同時(shí)保證微梁裝配時(shí)同上頂蓋和下底蓋保 持垂直狀態(tài)。4.本發(fā)明由于設(shè)置了一對(duì)調(diào)節(jié)電極，可保證微梁處于“微彎平衡”狀態(tài)，同時(shí)避免 微梁長(zhǎng)期處于受載狀態(tài)，對(duì)微梁起到保護(hù)作用。5.本發(fā)明由于采用兩端固結(jié)直梁結(jié)構(gòu)，因而加工簡(jiǎn)單，成本低。6.本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有器件，由于部件數(shù)量減少，易于裝配。
圖1為現(xiàn)有固接-自由接屈曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖；圖2為現(xiàn)有后屈曲驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于屈曲的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器利用微機(jī)械技術(shù)在裝配中存儲(chǔ)的擠壓 勢(shì)能在驅(qū)動(dòng)變形中的釋放所表現(xiàn)出的大變形、快速響應(yīng)及突跳特性，突破彈性力為阻力的 傳統(tǒng)觀念，將彈性力轉(zhuǎn)變?yōu)橹黩?qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)小驅(qū)動(dòng)電壓、大驅(qū)動(dòng)位移、小響應(yīng)時(shí)間的設(shè) 計(jì)目的。參照?qǐng)D3，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器主要由固定機(jī)座38、微梁34、外構(gòu)架37組成。其中外構(gòu)架
437材料為硅，兩端固定有上頂蓋40、下底蓋39，該上頂蓋40、下底蓋39內(nèi)側(cè)長(zhǎng)14. 9mm,其 內(nèi)壁表面均沉積有金的膜層。固定機(jī)座38材料為硅，利用鍵合方式加工而成，該固定機(jī)座 38兩端固定有上導(dǎo)向槽31、下導(dǎo)向槽35，導(dǎo)向槽由激光打孔機(jī)加工，上下導(dǎo)向槽可以限制 微梁的左右運(yùn)動(dòng)，保證微梁屈曲變形對(duì)稱，避免二次屈曲變形發(fā)生，同時(shí)保證微梁裝配時(shí)同 上頂蓋和下底蓋保持垂直狀態(tài)。固定機(jī)座38的右側(cè)和上下導(dǎo)向槽31、35的外側(cè)表面均沉 積有金膜層，上頂蓋40和下底蓋39的內(nèi)壁均沉積有一層金膜，以在上導(dǎo)向槽與上頂蓋的金 膜層之間和下導(dǎo)向槽與下頂蓋的金膜層之間分別形成同步控制調(diào)節(jié)電極對(duì)32、36，電極對(duì) 極板之間的間隙為0. 005mm。調(diào)節(jié)電極對(duì)32、36通過波峰焊同外界驅(qū)動(dòng)電路相連，調(diào)節(jié)電極 對(duì)32、36是同步控制，在微梁同外構(gòu)架加工出現(xiàn)誤差時(shí)，通過外界調(diào)節(jié)電路同時(shí)控制微梁 軸向載荷變化，以保證微梁處于“微彎平衡”狀態(tài)，同時(shí)避免微梁長(zhǎng)期處于受載狀態(tài)，減小微 梁斷裂危險(xiǎn)，對(duì)微梁起到保護(hù)作用。該微梁34為硅材料，尺寸為15mmX0.5mmX0.4mm。其 長(zhǎng)度15mm大于外構(gòu)架內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度14. 9mm，因此在微梁發(fā)生屈曲變形前，就存儲(chǔ)了彈性能量， 由此減小了微梁軸向達(dá)到歐拉臨界載荷所需施加的外載荷量，也減小了驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)器響 應(yīng)時(shí)間。微梁34通過光刻加工，在其表面沉積有金膜層，該金膜層與固定機(jī)座38右側(cè)金膜 層構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極33，驅(qū)動(dòng)電極33通過壓焊同外界驅(qū)動(dòng)電路相連驅(qū)動(dòng)，由外界電路控制其驅(qū) 動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)，微梁發(fā)生屈曲彎曲變形，微梁右側(cè)貼到外構(gòu)架左側(cè)。微梁34采用直梁結(jié)構(gòu)，其 兩端固接在外構(gòu)件37的內(nèi)側(cè)，使微梁在通常情況下處于直線狀態(tài)，緊緊頂在外構(gòu)件內(nèi)側(cè)。所述驅(qū)動(dòng)器的工作原理如下通常情況下，微梁34處于直線狀態(tài)，兩端緊緊頂著外構(gòu)架37，由于上下導(dǎo)向槽31、 35的限位，保證微梁34垂直上頂蓋40和下底蓋39，如圖3實(shí)線所示。上下調(diào)節(jié)電極對(duì)32、 36電壓為0，使得微梁34軸向載荷未達(dá)到其歐拉載荷臨界狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電極33電壓開始為 0，當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)時(shí)，上下調(diào)節(jié)電極對(duì)32、36先施加調(diào)節(jié)電壓，使得微梁34軸向載荷達(dá)到歐拉 載荷臨界值，然后給驅(qū)動(dòng)電極33施加驅(qū)動(dòng)電壓，此時(shí)，軸向載荷達(dá)到歐拉載荷臨界值的微 梁34已處在“微彎平衡”狀態(tài)，非常小的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力就可以導(dǎo)致微梁34產(chǎn)生快 速的大屈曲變形，即驅(qū)動(dòng)完成，如圖3虛線所示。以上僅是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制，顯然在本發(fā)明的思 想下可對(duì)驅(qū)動(dòng)器的具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行變換，但這些均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種基于屈曲的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器，包括微梁(34)、固定機(jī)座(38)、驅(qū)動(dòng)電路(33)，其特征在于微梁(34)通過外構(gòu)架(37)固定，該外構(gòu)架的兩端固定有上頂蓋(40)和下底蓋(39)；固定機(jī)座(38)的兩端固定有上導(dǎo)向槽(31)和下導(dǎo)向槽(35)，用于限制微梁的左右運(yùn)動(dòng)；上導(dǎo)向槽(31)和下導(dǎo)向槽(35)分別與上頂蓋(40)和下底蓋(39)之間形成一對(duì)調(diào)節(jié)電極(32，36)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于微梁(34)和固定機(jī)座(38)的表面均 淀積有的金膜層，兩金膜層之間形成了驅(qū)動(dòng)電極(33)，該驅(qū)動(dòng)電極通過鍵合方式與外部驅(qū) 動(dòng)電路相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于固定機(jī)座(38)為硅材料，兩端設(shè)有上 下導(dǎo)向槽(31，35)，以保證微梁裝配和變形時(shí)垂直于調(diào)節(jié)電極對(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于上下導(dǎo)向槽(31，35)的外側(cè)表面和上 下蓋(40，39)的內(nèi)壁均沉積有一層金膜，以在上導(dǎo)向槽(31)與上頂蓋(40)的金膜層之間 和下導(dǎo)向槽(35)與下底蓋(39)的金膜層之間分別形成調(diào)節(jié)電極對(duì)(32，36)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于調(diào)節(jié)電極對(duì)(32，36)通過鍵合方式與 外部調(diào)節(jié)電路相連，且同步控制，保證微梁(34)維持“微彎平衡”狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于外構(gòu)架(37)內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度小 于微梁(34)長(zhǎng)度，以使得微梁(34)在裝配時(shí)已經(jīng)含有軸向擠壓力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器，其特征在于微梁(34)與外構(gòu)架 (37)的連接方式采用兩端固結(jié)直梁結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于屈曲的低電壓大變形微驅(qū)動(dòng)器，它屬于微機(jī)械領(lǐng)域，主要解決現(xiàn)有微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓過高、驅(qū)動(dòng)位移過小、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問題。該驅(qū)動(dòng)器包括微梁(34)、固定機(jī)座(38)、驅(qū)動(dòng)電路(33)，其中微梁(34)通過外構(gòu)架(37)固定，該外構(gòu)架的兩端固定有上頂蓋(40)和下底蓋(39)；固定機(jī)座(38)的兩端固定有上導(dǎo)向槽(31)和下導(dǎo)向槽(35)，用于限制微梁的左右運(yùn)動(dòng)；上導(dǎo)向槽(31)和下導(dǎo)向槽(35)分別與上頂蓋(40)和下底蓋(39)之間形成一對(duì)調(diào)節(jié)電極對(duì)(32，36)。本發(fā)明具有抗干擾性強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)電壓小、驅(qū)動(dòng)位移大、響應(yīng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，可用于射頻RF開關(guān)、光開關(guān)、微可編程光柵系統(tǒng)和空間載SBR指向可變相控陣天線。
文檔編號(hào)H02N2/00GK101895230SQ201010210029
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者李雪梅, 楊銀堂, 田文超 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)