CN101654216B - 弧形mems柔顺双稳态机构 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统技术领域的弧形MEMS柔顺双稳态机构，包括：弧型梁、柔性弹簧、集中质量块和基座，其中：集中质量块固定设置于弧型梁的正中心，弧型梁的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧的一端相连，两个柔性弹簧的另一端分别与两个相同结构的基座相连。本发明结构简单，制作方便，易于实现且成本较低，只需要两个掩膜版即可完成整个微驱动器件的制作。同时，结构整体尺寸小，有利于MEMS器件的集成化、批量化。同时具有柔顺机构无摩擦无间隙的特点和双稳态机构定位精度高的特性，因此具有较好的稳定性，更适合新型低功耗MEMS器件。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种弧形MEMS柔顺双稳态机构。
背景技术
由于柔顺双稳态机构易于加工，机械性能良好，定位准确等显著特性，引起了世界范围内的广泛关注，并逐渐成为微机构学研究领域的新热点。柔顺机构，采用大变形柔性构件代替刚性构件，当机构传递运动时，不仅由运动副传递运动，还能从其柔性部件的变形中获得一部分运动。柔顺机构具有成本低和提高性能等优点，同时，可以避免振动冲击、摩擦、磨损等缺陷。双稳态机构，是指在构件运动过程中至少具有两个稳定平衡位置的一类机构，这种机构在稳态位置转换过程中存储能量，而当其向另一个稳定平衡位置运动时释放能量。由于稳态位置就是能量的最低点，因此，MEMS柔顺双稳态机构具有较好的定位精度，经常应用于微控制器、微型定位器，数据存储等装置中。柔顺双稳态机构的设计，综合运用了柔顺机构与双稳态机构的优点，把各部件的运动和能量并入其中一个部件中考虑，所以是更方便得到双稳态效应的新机构。
按照设计原则，双稳态机构一般可分为以下几类：机械锁定型双稳态机构，多段铰链锁定型双稳态机构，残余应力锁定型双稳态机构等等。机械锁定型双稳态，虽然可以达到较好的锁定效果，但同时需要在构件上制造复杂的机械锁定装置，不利于设计制造；多段铰链锁定型，可以灵活控制，使机构快速的达到稳态位置，但要求铰链最好能无间隙，无摩擦，无刚度，才能达到准确定位的效果，这在MEMS目前的制作工艺上是很难实现的；残余应力锁定型，要求在稳态位置时，构件内部有足够多的残余压应力，以维持稳定性，在加工制作过程中，要控制构建内部的残余应力的大小程度，都是很难实现的。基于以上问题，研究学界提出了，由柔性构件代替刚性构件，无需机械锁定装置，铰链，残余应力，仅依靠柔性构件自身变形储存能量，以实现双稳态特性的特殊机构即柔顺双稳态机构。柔顺双稳态机构很容易实现微型化，特别适合于小变形领域，在MEMS领域的应用越来越广泛。
经对现有技术的文献检索发现，基于柔顺双稳态特性的机构有很多。Qiu Jin等在《Micro Electro Mechanical Systems》(中文名《微机电系统》)2001年第14卷第353页上发表的题名“A centrally-clamped parallel-beam bistable MEMS mechanism”(中文名称“一种中心并联的平行梁双稳态MEMS机构”)，报道了一种余弦曲梁结构，这种曲线梁双稳态结构摆脱了以往靠铰链，自锁机构以及构件贮存的残余应力等装置，来实现自锁功能，而直接靠机构本身形状来保持自锁。此结构长3mm，深度达490μm，由深度反应离子刻蚀制得。但受尺寸上长度和深度的影响，当构件在两稳态之间转换时，由于余弦曲梁内部无残余应力，受力后会发生扭转，其在稳态位置不易准确控制。且此结构尺寸大，不易于集成制造，微型化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种弧形MEMS柔顺双稳态机构，将柔性弹簧和弧型梁作为储能构件，当弧型梁在两个双稳态之间转换时，储存弹性势能，集中质量块一方面用于承载外力，有效避免整个结构翻转，另一方面作为整个机构的外界触点，在稳态位置时，接通或断开外电路。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：弧型梁、柔性弹簧、集中质量块和基座，其中：集中质量块固定设置于弧型梁的正中心，弧型梁的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧的一端相连，两个柔性弹簧的另一端分别与两个相同结构的基座相连。
所述的弧型梁为两段弧状轴对称结构的金属单层梁，弧型梁通过柔性弹簧悬空于两个基座之间。该弧型梁的宽度尺寸范围为5μm-20μm，厚度尺寸范围为10μm-40μm，长度尺寸范围为300μm-1000μm，悬空高度范围为5μm-30μm，圆弧半径范围50μm-500μm，圆弧圆心角为20o-180o。
所述的柔性弹簧为蛇形结构的金属弹簧，其宽度尺寸范围为2μm-10μm，厚度尺寸范围为10μm-40μm，柔性弹簧的径向长度尺寸范围为10-80μm。该柔性弹簧实现机构对弧型梁的柔性屈服控制，以储存更多的弹性势能。而且弧型梁与基座结合处设计了这个金属柔性弹簧使得整个弧型柔顺双稳态机构具有一定的柔性，更容易产生屈服变形。
所述的集中质量块为金属制成，其宽度尺寸范围为30μm-50μm，厚度尺寸范围为20μm-80μm，长度尺寸范围为10μm-100μm。所述集中质量块与弧形梁相平行的两个侧面与外部电路相接触作为电路开关。
所述的基座为硅或玻璃片制成的衬底，采用紫外线曝光光刻技术UV-LIGA)电镀而成的金属支撑结构，其基座宽度×厚度×长度的范围为100μm-500μm×100μm-500μm×5μm-50μm。
本发明在静止状态时，弧型梁及柔性弹簧均没有变形，其内部没有储存弹性势能，当外加载荷沿水平方向作用于集中质量块上时，整个集中质量块及弧型梁将沿外力的方向向两个基座中心运动，此时柔性弹簧及弧型梁内部储存的弹性势能逐渐达到最大，为整个系统的不稳定状态，当机构运动到中心线(即势能最高点)以下，由于柔性构件自身弹性作用，无需外力的作用，会自发运动到另一稳定状态，此时结构呈V型，即第二稳态位置。因此，所设计的弧型柔顺双稳态机构就实现了无功耗的双稳态功能。
与现有技术相比，本发明该结构简单，制作方便，易于实现且成本较低，只需要两个掩膜版即可完成整个微驱动器件的制作。同时，结构整体尺寸小，有利于MEMS器件的集成化、批量化。同时具有柔顺机构无摩擦无间隙的特点和双稳态机构定位精度高的特性，因此具有较好的稳定性，更适合新型低功耗MEMS器件。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
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所示，本发明包括：弧型梁1、柔性弹簧2、集中质量块3和基座4，其中：集中质量块3固定设置于弧型梁1的正中心，弧型梁1的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧2的一端相连，两个柔性弹簧2的另一端分别与两个相同结构的基座4相连。
所述的弧型梁1为两段弧状轴对称结构的金属单层梁，弧型梁1通过柔性弹簧2悬空于两个基座4之间，该弧型梁1的宽度为7μm，厚度为25μm，长度为650μm，悬空高度为17μm，弧型梁1的两段弧的圆弧半径为275μm，圆弧圆心角为100o。
所述的柔性弹簧2是具有蛇形结构的金属弹簧，其宽度为6μm，厚度为25μm，柔性弹簧的径向长度为45μm。
所述的集中质量块3为金属制成，其宽度为40μm，厚度为50μm，长度为55μmm。所述集中质量块3与弧形梁1相平行的两个侧面与外部电路相接触作为电路开关。
所述的基座4为玻璃基片制成的衬底，其尺寸为300μm*300μm*27μm。
本实施例通过以下方式制备获得
1、清洗玻璃基片，120℃高温烘烤；
2、溅射种子层Cr/Cu，其中Cr粘结层
Cu种子层
3、甩光刻胶，基座掩膜版光刻显影，电镀金属Ni基座；
4、程控烘箱中90℃坚膜；
5、溅射种子层，甩正胶，弧型梁掩膜版光刻显影，电镀金属Ni结构层；
6、NaOH溶液去除正胶，去除种子层；
7、释放结构。
本实施例该结构简单，制作方便，同时具有柔顺机构无摩擦无间隙的特点和双稳态机构定位精度高的特性。
Claims (8)
1.一种弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征在于，包括：弧型梁、柔性弹簧、集中质量块和基座，其中：集中质量块固定设置于弧型梁的正中心，弧型梁的两端分别与两个相同结构的柔性弹簧的一端相连，两个柔性弹簧的另一端分别与两个相同结构的基座相连；
所述的弧型梁，其宽度尺寸范围为5μm-20μm，厚度尺寸范围为10μm-40μm，长度尺寸范围为300μm-1000μm，悬空高度范围为5μm-30μm，圆弧半径范围50μm-500μm，圆弧圆心角为20°-180°；
所述的弧型梁、柔性弹簧和集中质量块为同种金属材料制成。
2.根据权利要求1所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的弧型梁为两段弧状轴对称结构的金属单层梁，弧型梁通过柔性弹簧悬空于两个基座之间。
3.根据权利要求1所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的柔性弹簧为蛇形结构的金属弹簧。
4.根据权利要求1或3所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的柔性弹簧的宽度尺寸范围为2μm-10μm，厚度尺寸范围为10μm-40μm，柔性弹簧的径向长度尺寸范围为10-80μm。
5.根据权利要求1所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的集中质量块的宽度尺寸范围为30μm-50μm，厚度尺寸范围为20μm-80μm，长度尺寸范围为10μm-100μm。
6.根据权利要求1或5所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的集中质量块与弧型梁相平行的两个侧面与外部电路相接触作为电路开关。
7.根据权利要求1所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的基座为硅或玻璃片制成的衬底。
8.根据权利要求1或7所述的弧形MEMS柔顺双稳态机构，其特征是，所述的基座宽度×厚度×长度的范围为：100μm-500μm×100μm-500μm×5μm-50μm。
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