CN101544347B

CN101544347B - 基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器

Info

Publication number: CN101544347B
Application number: CN2009100498726A
Authority: CN
Inventors: 丁桂甫; 吴义伯; 张丛春; 王娟; 张小波; 王亚攀
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: CN101544347A

Abstract

本发明涉及一种微机电系统技术领域的基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，包括：永磁体、衬底、电热电磁驱动单元、双向运动梁单元、机械锁定单元和电接触单元，其中：永磁体位于衬底下方，并与衬底紧密相连；电热电磁驱动单元、双向运动梁单元、机械锁定单元和电接触单元分别位于衬底上方，双向运动梁单元与电热电磁驱动单元相连，构成一个悬空自由运动的可动梁；一对机械锁定单元对称分布于双向运动梁单元与电热电磁驱动单元的左右两边；一对电接触单元对称分布于双向运动梁单元的左右两端。本发明工艺简单，不仅充分体现了MEMS技术与灵巧机械结构的完美结合，而且合理利用了电热电磁力的协调互助作用，实现了无功耗的双稳态机制。

Description

基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的微驱动器，具体地说，涉及的是一种基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器。

背景技术

微机电系统(MEMS)最重要的两个特征是微传感器与微驱动器，其中微驱动器作为MEMS中最重要核心技术的一部分，其驱动机理及原型器件的制备成为近年来研究的重点。微驱动器的驱动机理主要是利用各种物理效应，典型的驱动机制有静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动等。静电驱动的MEMS微驱动器虽然结构简单，功耗较低，但要使其保持良好工作性能所需要的静电驱动电压较高，高电压不但有损于使用寿命和稳定性，而且与集成电路(IC)工艺不兼容。电磁驱动所需要的驱动电压可以达到很低水平，但其工作特性的尺度效应明显，结构复杂，功耗高而效率低。电热驱动是一种适合于微尺度运动的驱动机制，驱动电压低而输出力矩大，相同尺度下体积功率密度显著高于静电和电磁驱动，稳定可靠。但是热驱动亦有两个显著的缺点，即功耗较大且反应速度慢。

多方面研究表明，引入双稳态机构有助于改善热驱动器件的上述缺陷。所谓双稳态机构是指在其运动范围内具有两个稳定平衡位置的一种机构，这种机构在其一部分运动过程中存储能量，而当其向另一个稳定平衡位置运动时释放能量。这种机构在受到外界比较小的驱动时会自动回到其稳定平衡位置(即势能最低的状态)上，而且具有无需能量输入都能位于一个适当平衡位置的特性。因此用双稳态机构制作的MEMS微驱动器具有较好的驱动效果和较低的功耗。同时利用体积热膨胀效应较大的优势，弯曲梁在热场中各向同性的膨胀，缺乏驱动方向的导向，如果此时给弯曲梁施加一个导向力，电热驱动梁将会产生较大的响应速度，且提高了驱动的定位精度。

经对现有技术的文献检索发现，Michael等在《Microelectromechanicalsystem》(《微机电系统》)2008年第17期第58-69页上发表的题名“A NovelBistable Two-Way Actuated Out-of-Plane Electrothermal Microbridge”(“一种新型双稳态双向面外运动电热驱动器”)，该文献报道提出了一种新型双向驱动双稳态电热驱动器，该设计采用桥式面外运动方式，电热驱动部分采用由弹簧和支架支撑的弯曲梁构成，同时弹簧和支架采用Si/SiO₂/SiO₂的三层结构，当驱动电压9V时，桥长1200μm时可产生31μm的面外位移，可见其驱动效率是比较低的。同时，由于利用弹簧刚度和支架的热应力使梁弯曲，显然驱动力很小，且弯曲梁易疲劳损伤导致寿命有限，而且热驱动响应慢，不足以达到快速控制外接电路开关的效果。

另外，Weisong Wang等在《Microelectronic Engineering》(《微电子工程》)2008年第85期第587-598页上发表的题名“Design of a bidirectional MEMSactuator with high displacement resolution，large driving force andpower-free latching”(“一种具有高位移分辨率、大驱动力及无源自锁功能的双向MEMS微驱动器”)，该文献报道提出了一种基于尺蠖结构的双向运动的MEMS驱动器，其驱动机制采用两个加紧装置作为锁定结构，受热膨胀的推进杆的位移变化转换成嵌入其中的光纤的位移变化，虽然分辨率很高，但驱动器的实际位移很小(只有约4μm)，该装置主要面向光纤调节研究，在某些特定场合不足以适用，而且驱动响应速度很慢，驱动机理与过程较复杂，不适合用于双向接触的微继电器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，采用带有刚体质量块的柔性电热弹簧作为电热电磁驱动单元，一个带有可动触点的双向运动梁在左右两个静触点之间进行穿梭运动，并由带有锁定机构的机械锁定单元提供机械锁定，实现了无功耗的双向运动的双稳态驱动模式。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：永磁体，衬底，电热电磁驱动单元，双向运动梁单元，机械锁定单元，电接触单元。其中：永磁体位于衬底下方，并与衬底紧密相连；电热电磁驱动单元、双向运动梁单元、机械锁定单元和电接触单元分别位于衬底上方，双向运动梁单元与电热电磁驱动单元相连，构成一个可以悬空自由运动的可动梁；一对机械锁定单元对称分布于双向运动梁单元与电热电磁驱动单元的左右两边；一对电接触单元对称分布于双向运动梁单元的左右两端。上述各单元的功能：电热电磁驱动单元主要对可动梁单元的运动产生驱动作用；可动梁单元主要实现机构的双向运动；机械锁定单元对双向运动梁单元的运动趋势进行机械锁定，实现双稳态效应；电接触单元与双向运动梁单元共同协调作用，实现外接回路的断开与闭合。

所述电热电磁驱动单元包括磁驱动基座、磁驱动电极、刚体质量块、柔性电热弹簧。其中：磁驱动基座位于衬底上方，并与衬底紧密相连；磁驱动电极位于磁驱动基座上方，刚体质量块的两端分别连接一段柔性电热弹簧；一对柔性电热弹簧通过磁驱动电极与磁驱动基座相连。磁驱动基座提供结构支撑作用，磁驱动电极用于接通外电流，柔性电热弹簧和刚体质量块作为电热电磁驱动主体为双向运动梁提供驱动力。

所述一对柔性电热弹簧并联分布，具有反向的V型结构。

所述双向运动梁单元包括双向运动梁、锁定滑块、柔性缓冲弹簧、动触点。其中：双向运动梁与电热电磁驱动单元中的柔性电热弹簧相连，构成可以自由运动的可动梁；一对锁定滑块对称分布于双向运动梁的左右两边，与机械锁定单元中的锁定触头相协调作用，共同实现对双向运动梁的机械锁定；一对动触点对称分布于双向运动梁的左右两端，通过柔性缓冲弹簧与双向运动梁相连，实现外接回路的断开与闭合；蛇形结构的柔性缓冲弹簧连接着动触点，目的是为了防止电火花的产生，实现动、静触点之间更加有效的电接触。

所述机械锁定单元包括热驱动基座、热驱动电极、U型热驱动热臂、U型热驱动冷臂、锁定触头。其中：热驱动基座位于衬底上方，并与衬底紧密相连；热驱动电极位于热驱动基座上方，U型热驱动器热臂和U型热驱动器冷臂分别与热驱动电极相连，一段圆弧形片段连接U型热驱动器热臂和U型热驱动器冷臂；锁定触头位于U型热驱动器热臂的端部，锁定触头具有圆弧形结构。其中，热驱动基座提供结构支撑作用，热驱动电极用于接通外电流；利用U型热驱动器热臂和U型热驱动器冷臂之间的非对称热膨胀效应，可以实现锁定触头的自锁功能，使得双向运动梁上的锁定滑块顺利的滑过锁定触头，形成对双向运动梁的机械锁定，实现了机构的双稳态功能。

所述电接触单元包括静触点和外接回路。其中：外接回路位于衬底上方，并与衬底紧密相连；一对静触点隶属于外接回路，它与双向运动梁上的动触点相匹配，共同实现对外接回路的导通与断开。

本发明以MEMS微细加工技术为基础，衬底可以根据器件的使用要求加以选择，如玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷或者其他任何表面平整的基片。为了与集成电路的兼容需要，硅片是较好的选择。永磁体黏附在衬底之下，采用室温下在衬底上叠层电镀及图形化材料来实现双向双稳态微驱动器结构的制作。

与现有技术相比，本发明的主要优势在于：

1、采用平直的双向运动梁作为微驱动器中的可动部件，而且梁的驱动位移是平行于衬底的面内运动，属于梁的平动，相比背景技术中提及的驱动梁的面外弯曲运动，这样就有效地避免了驱动梁因为弯曲过度导致疲劳损伤而寿命有限的问题。

2、采用具有较大刚度系数的V型柔性电热弹簧来提供较大的驱动力，在通电过程中，V型柔性电热弹簧一方面受到一个由于电热产生体积膨胀的电热驱动力，一方面受到一个由于磁场作用的洛伦兹力，在两者的协同驱动作用下使得V型柔性电热弹簧运动到一个与初始形状相反的状态，从而可实现了较大的驱动力和驱动位移。

3、由于本设计结构自身带有自锁机构单元，当双向运动梁上的动触点到达静触点接通外电路后，在柔性电热弹簧内无电流接通的情况下，梁上的锁定滑块会与锁定触头协同作用执行自锁功能，从而实现了微驱动器的双向双稳态功能。

综上所述，本发明的基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，充分体现了MEMS技术与灵巧机械结构的完美结合，不仅合理利用了电热电磁力的协调互助作用，巧妙地实现了无功耗的双稳态机制，而且基于电磁力的驱动方式，以及仅利用电热膨胀的升温过程，在不考虑电热器件较长的冷却过程时，使得本设计机构的响应速度大大提高。本发明制作简单，成本较低，只需要两个掩膜版即可完成整个微驱动器件的制作。

附图说明

图1是实施例1中基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器的结构示意图；

图2是实施例1中双向双稳态微驱动器的双向运动梁单元示意图；

图3是实施例1中双向双稳态微驱动器的电热电磁驱动单元示意图；

图4是实施例1中双向双稳态微驱动器的机械锁定单元示意图；

图中：永磁体1，衬底2，双向运动梁单元3，电热电磁驱动单元4，机械锁定单元5，电接触单元6，双向运动梁7、锁定滑块8、柔性缓冲弹簧9、动触点10，磁驱动基座11、磁驱动电极12、刚体质量块13、柔性电热弹簧14，热驱动基座15、热驱动电极16、U型热驱动器冷臂17、U型热驱动器热臂18、锁定触头19，静触点20和外接回路21。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-4所示，本实施例基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器包括：永磁体1，衬底2，双向运动梁单元3，电热电磁驱动单元4，机械锁定单元5，电接触单元6。连接关系是：永磁体1位于衬底2下方，并与衬底2紧密相连；电热电磁驱动单元4、双向运动梁单元3、机械锁定单元5和电接触单元6分别位于衬底2上方，双向运动梁单元3与电热电磁驱动单元4相连，构成一个可以悬空自由运动的可动梁；一对机械锁定单元5对称分布于双向运动梁单元3与电热电磁驱动单元4的左右两边；一对电接触单元6对称分布于双向运动梁单元3的左右两端。双向运动梁单元3、电热电磁驱动单元4、机械锁定单元5与电接触单元6位于同一平面，并悬空于永磁体1和衬底2上方，构成了双向双稳态微驱动器。电热电磁驱动单元4主要对双向运动梁单元3中双向可动梁7的运动产生驱动作用，机械锁定单元5主要执行机构自锁功能，实现双稳态效应；双向运动梁单元3与电接触单元6，用来实现驱动器状态与外电路的接通或断开。

图2是本实施例中双向双稳态微驱动器的双向运动梁单元3示意图，所述双向运动梁单元3包括双向运动梁7、锁定滑块8、柔性缓冲弹簧9、动触点10。其中：双向运动梁7与电热电磁驱动单元4中的柔性电热弹簧14相连，构成可以自由运动的可动梁；锁定滑块8具有圆弧形状结构，一对锁定滑块8对称分布于双向运动梁7的左右两边，与机械锁定单元中的锁定触头19相协调作用，共同实现对双向运动梁的机械锁定；一对动触点10对称分布于双向运动梁7的左右两端，通过柔性缓冲弹簧9与双向运动梁7相连；蛇形结构的柔性缓冲弹簧9连接动触点10。动触点10与电接触单元6中静触点20相耦合实现了外电路的接通或断开。柔性缓冲弹簧9主要在电接触系统中起到防止电火花的产生，并实现了动、静触点之间更加有效的电接触。

图3是本实施例中双向双稳态微驱动器的电热电磁驱动单元4示意图，所述电热电磁驱动单元4包括磁驱动基座11、磁驱动电极12、刚体质量块13、柔性电热弹簧14。其中：磁驱动基座11位于衬底2上方，并与衬底2紧密相连；磁驱动电极12位于磁驱动基座11上方，刚体质量块13的两端分别连接一段柔性电热弹簧14；一对柔性电热弹簧14并联而成，具有反向的V型结构，该柔性电热弹簧14通过磁驱动电极12与磁驱动基座11相连。一对具有反向的V型结构柔性电热弹簧14，既作为电载体既承受一个体积热膨胀所产生的电热驱动力，又承受一个由于电磁场所产生的洛伦兹力，两者共同作用产生了对双向运动梁7的双向运动；柔性电热弹簧14的弹簧结构既增加了电热膨胀的幅度，又为刚体质量块13的左右摆动提供一定的柔性。具有高深宽比的刚体质量块13连接两段柔性电热弹簧14，实现了V型结构的两种运动状态。

图4是本实施例中双向双稳态微驱动器的机械锁定单元示5意图，所述机械锁定单元5包括热驱动基座15、热驱动电极16、U型热驱动器冷臂17、U型热驱动器热臂18、锁定触头19。其中：热驱动基座15位于衬底2上方，并与衬底2紧密相连；热驱动电极16位于热驱动基座15上方，U型热驱动器冷臂17和U型热驱动器热臂18分别与热驱动电极16相连，一段圆弧形片段连接U型热驱动器冷臂17和U型热驱动器热臂18；一对锁定触头19分布于U型热驱动器热臂18的端部，锁定触头19具有圆弧形结构。其中，热驱动基座15提供结构支撑作用，热驱动电极16用于接通外电流；利用U型热驱动器冷臂17和U型热驱动器热臂18之间的非对称热膨胀效应，可以实现锁定触头19的自锁功能，使得双向运动梁7上的锁定滑块10顺利地滑过锁定触头19，形成对双向运动梁7的机械锁定，实现了机构的双稳态功能。

所述电接触单元6包括静触点20和外接回路21。外接回路21位于衬底2上方，并与衬底2紧密相连；一对静触点20隶属于外接回路21，它与双向运动梁7上的动触点10相匹配，共同实现对外接回路21的导通与断开。

所述的衬底是以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷或者其他任何表面平整的基片为衬底形成的金属支撑结构。

如图1所示，在静止状态时，左右两个柔性电热弹簧14由于刚体质量块13的作用，呈现如图所示形状相反的两种状态，当整个驱动机构处于永磁体提供的垂直衬底向上的磁场B中。如果在左边柔性电热弹簧14的电极两端通入一定电势差E1时，该柔性电热弹簧14必将受到一个由于电热产生体积膨胀的电热驱动力和一个由于磁场作用的洛伦兹力，根据左手定则，该弹簧14将受到一个向右(即图中所示的X正方向)的导向作用力(洛伦兹力)，从而推动双向运动梁7向右驱动，运动的结果是左边柔性电热弹簧14呈现与右边柔性电热弹簧14相同的变形方向，双向运动梁7同时被右边机械锁定单元5锁定，右边电接触单元6导通。此时，左边柔性电热弹簧14的电极之间(E1)停止通电，可实现无功耗的单向稳态接触。若要断开右边电接触单元6，可在右边机械锁定单元5的两端同时通入电势差E3、E4，则右边机械锁定单元5中的锁定触头19被打开，由于柔性电热弹簧14在变形过程中储存的弹簧势能使得双向运动梁7又恢复到最初的状态。同理，如果在右边柔性电热弹簧14的电极两端通入一定电势差E2时，双向运动梁7将沿向左(即图中所示的X负方向)运动，同时被左边锁定机构5锁定，实现了左边电接触单元6的导通，右边柔性电热弹簧14的电极之间(E2)停止通电时，又可实现另外一种运动方向下无功耗的单向稳态接触。综上所述，所设计的基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器就实现了无功耗的双向运动的双稳态驱动模式。

相比于以往采用面外弯曲运动的双向运动梁结构，本实施例利用可动梁平行于衬底的面内平动，在一对带有刚体质量块的V型柔性电热弹簧的双向驱动下实现了双向运动。同时，采用了双向锁定机构执行自锁功能，当动触点到达静触点接通外电路后，在无任何外界能量输入的情况下，实现了微驱动器的双向双稳态功能。本实施例充分体现了MEMS技术与灵巧机械结构的完美结合，不仅合理利用了电热电磁力的协调互助作用，巧妙地实现了无功耗的双稳态机制。

Claims

1.一种基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，其特征在于，包括：永磁体、衬底、电热电磁驱动单元、双向运动梁单元、机械锁定单元和电接触单元，其中：永磁体位于衬底下方，并与衬底紧密相连；电热电磁驱动单元、双向运动梁单元、机械锁定单元和电接触单元分别位于衬底上方，双向运动梁单元与电热电磁驱动单元相连，构成一个悬空自由运动的可动梁；一对机械锁定单元对称分布于双向运动梁单元与电热电磁驱动单元的左右两边；一对电接触单元对称分布于双向运动梁单元的左右两端；

所述双向运动梁单元包括双向运动梁、锁定滑块、柔性缓冲弹簧、动触点，其中：双向运动梁与电热电磁驱动单元中的柔性电热弹簧相连，构成自由运动的可动梁；锁定滑块具有圆弧形结构，一对锁定滑块对称分布于双向运动梁的左右两边，一对动触点对称分布于双向运动梁的左右两端，并通过柔性缓冲弹簧与双向运动梁相连；蛇形结构的柔性缓冲弹簧连接着动触点；

所述机械锁定单元包括热驱动基座、热驱动电极、U型热驱动热臂、U型热驱动冷臂、锁定触头，其中：热驱动基座位于衬底上方，并与衬底紧密相连；热驱动电极位于热驱动基座上方，U型热驱动器热臂和U型热驱动器冷臂分别与热驱动电极相连，一段圆弧形片段连接U型热驱动器热臂和U型热驱动器冷臂；锁定触头位于U型热驱动器热臂的端部。

2.根据权利要求1所述的基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，其特征是，所述电热电磁驱动单元包括磁驱动基座、磁驱动电极、刚体质量块、柔性电热弹簧，其中：磁驱动基座位于衬底上方，并与衬底紧密相连；磁驱动电极位于磁驱动基座上方，刚体质量块的两端分别连接一段柔性电热弹簧；一对柔性电热弹簧通过磁驱动电极与磁驱动基座相连。

3.根据权利要求2所述的双向双稳态微驱动器，其特征是，所述一对柔性电热弹簧是并联分布，且具有反向的V型结构。

4.根据权利要求1所述的双向双稳态微驱动器，其特征是，所述的锁定触头具有圆弧形结构。

5.根据权利要求1所述的基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，其特征是，所述电接触单元包括静触点和外接回路，其中：外接回路位于衬底上方，并与衬底紧密相连；一对静触点与双向运动梁上的动触点相匹配，共同实现对外接回路的导通与断开。