CN101895230B - 基于屈曲的低电压变形微驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于屈曲的低电压大变形微驱动器，它属于微机械领域，主要解决现有微驱动器驱动电压过高、驱动位移过小、响应时间长的问题。该驱动器包括微梁(34)、固定机座(38)、驱动电路(33)，其中微梁(34)通过外构架(37)固定，该外构架的两端固定有上顶盖(40)和下底盖(39)；固定机座(38)的两端固定有上导向槽(31)和下导向槽(35)，用于限制微梁的左右运动；上导向槽(31)和下导向槽(35)分别与上顶盖(40)和下底盖(39)之间形成一对调节电极对(32，36)。本发明具有抗干扰性强、驱动电压小、驱动位移大、响应时间短的优点，可用于射频RF开关、光开关、微可编程光栅系统和空间载SBR指向可变相控阵天线。

Description

基于屈曲的低电压变形微驱动器

技术领域

本发明属于微机械技术领域，特别涉及屈曲微驱动器，可用于射频RF开关、光开关、微可编程光栅系统和空间载SBR指向可变相控阵天线。

技术背景

屈曲微驱动器，是由微机械技术加工而成，突破弹性力为恢复力的传统观念，利用微梁在屈曲变形中的弹性能量释放和刚度变化而表现出的突跳特性，将弹性力转变为驱动力，实现微驱动器大位移、低电压、快速响应驱动目的。它具有体积小、可靠性高、结构简单等特点，因此在射频RF开关、光开关、微可编程光栅和空间载SBR指向可变相控阵天线等驱动领域中，具有强烈需求。

2008年以色列Technion-Israe技术大学研制了一端固接，一端轴向自由接加静电力驱动的屈曲型驱动器[JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.15，NO.6，DECEMBER 2006，1656-1672，Experimental Validation of Electromechanical Buckling，SamyAbu-Salih and David Elata，Technion-IsraeInstitute of Technology，Haifa，Israel.]，如图1所示。上端13和下端16分别为固定极板，悬梁12左端11固接，右端14沿水平方向自由滑动，15为限制14上下运动的铰链。在14滑动端施加静电力，当静电力达到悬梁欧拉临界载荷时，发生屈曲变形，如虚线所示。在上下极板13和16施加反向电压，驱动悬梁向下变形恢复原始状态。这种屈曲型驱动器存在以下问题：

1)由于在14滑动端施加静电力需要加100V的高电压，因而系统存在烧蚀危险。

2)在悬梁变形工程中，由于存在静电力达到欧拉临界载荷过程，增大了悬梁变形响应时间。

2009年西安电子科技大学研制了大挠度后屈曲微驱动器[贾建援，赵剑，王洪喜，大挠度后屈曲倾斜梁结构的非线性力学特性，机械工程学报，2009，45(2)，138-143]，如图2所示。左悬梁25左端固接，右端铰接于质量块23。右悬梁26右端固接，左端铰接于质量块23。铰链22约束质量块23只能在垂直方向运动。质量块23所受垂直方向作用力达到悬梁25和26的欧拉临界载荷，悬梁25和26发生后屈曲变形，如图虚线所示。虽然这种结构提高了抗干扰性，但是它本身又存在如下问题：

1)实现后屈曲变形的驱动力过大，在实际工程应用中很难实现。

2)在变形过程中，当质量块23脱离铰链22约束后，存在水平方向扰动，导致悬梁无法实现预先设计的后屈曲对称变形。

3)由于采用双悬梁屈曲变形，增大悬梁断裂危险。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于屈曲的低电压变形微驱动器，以减小驱动力，保证微梁屈曲变形对称，防止出现断裂危险。

为实现上述目的，本发明的驱动器包括：微梁、固定机座、驱动电路，其特征在于微梁通过外构架固定，该外构架的两端固定有上顶盖和下底盖；固定机座的两端固定有上导向槽和下导向槽，用于限制微梁的左右运动；上导向槽和下导向槽分别与上顶盖和下底盖之间形成一对调节电极。

上述微驱动器，其中微梁和固定机座的表面均淀积有的金膜层，两金膜层之间形成了驱动电极，该驱动电极通过键合方式与外部驱动电路相连。

上述微驱动器，其中固定机座为硅材料，两端设有上下导向槽，以保证微梁装配时垂直于调节电极对。

上述微驱动器，其中上下导向槽的外侧表面和上下盖的内壁均沉积有一层金膜，以在上导向槽与上顶盖的金膜层之间和下导向槽与下底盖的金膜层之间分别形成调节电极对。

上述微驱动器，其中调节电极通过键合方式与外部调节电路相连，且同步控制，保证微梁维持“微弯平衡”状态。

上述微驱动器，其中外构架内侧长度小于微梁长度，以使得微梁在装配时已经含有轴向挤压力。

上述微驱动器，其中微梁与外构架的连接方式采用两端固结直梁结构。

本发明具有如下优点：

1.本发明的微梁由于通过外构架固定，保证了通常情况下，微梁处于直线状态。

2.本发明由于采用外构架的上顶盖与下底盖内侧长度小于微梁长度，使得微梁在发生屈曲变形前，就存储了弹性能量，因此减小了微梁轴向达到欧拉临界载荷所需施加的外载荷量，也减小了驱动力和驱动器响应时间。

3.本发明由于在固定机座的两端采用导向槽结构，可以限制微梁的左右运动，保证微梁屈曲变形对称，避免二次屈曲变形发生，同时保证微梁装配时同上顶盖和下底盖保持垂直状态。

4.本发明由于设置了一对调节电极，可保证微梁处于“微弯平衡”状态同时避免微梁长期处于受载状态，对微梁起到保护作用。

5.本发明由于采用两端固结直梁结构，因而加工简单，成本低。

6.本发明相对于现有器件，由于部件数量减少，易于装配。

附图说明

图1为现有固接-自由接屈曲驱动器结构图；

图2为现有后屈曲驱动器结构图；

图3为本发明低电压大变形微驱动器结构图。

具体实施方式

本发明基于屈曲的低电压大变形微驱动器利用微机械技术在装配中存储的挤压势能在驱动变形中的释放所表现出的大变形、快速响应及突跳特性，突破弹性力为阻力的传统观念，将弹性力转变为主驱动力，从而实现小驱动电压、大驱动位移、小响应时间的设计目的。

参照图3，整个驱动器主要由固定机座38、微梁34、外构架37组成。其中外构架37材料为硅，两端固定有上顶盖40、下底盖39，该上顶盖40、下底盖39内侧长14.9mm，其内壁表面均沉积有金的膜层。固定机座38材料为硅，利用键合方式加工而成，该固定机座38两端固定有上导向槽31、下导向槽35，导向槽由激光打孔机加工，上下导向槽可以限制微梁的左右运动，保证微梁屈曲变形对称，避免二次屈曲变形发生，同时保证微梁装配时同上顶盖和下底盖保持垂直状态。固定机座38的右侧和上下导向槽31、35的外侧表面均沉积有金膜层，上顶盖40和下底盖39的内壁均沉积有一层金膜，以在上导向槽与上顶盖的金膜层之间和下导向槽与下顶盖的金膜层之间分别形成同步控制调节电极对32、36，电极对极板之间的间隙为0.005mm。调节电极对32、36通过波峰焊同外界驱动电路相连，调节电极对32、36是同步控制，在微梁同外构架加工出现误差时，通过外界调节电路同时控制微梁轴向载荷变化，以保证微梁处于“微弯平衡”状态，同时避免微梁长期处于受载状态，减小微梁断裂危险，对微梁起到保护作用。该微梁34为硅材料，尺寸为15mm×0.5mm×0.4mm。其长度15mm大于外构架内侧长度14.9mm，因此在微梁发生屈曲变形前，就存储了弹性能量，由此减小了微梁轴向达到欧拉临界载荷所需施加的外载荷量，也减小了驱动力和驱动器响应时间。微梁34通过光刻加工，在其表面沉积有金膜层，该金膜层与固定机座38右侧金膜层构成驱动电极33，驱动电极33通过压焊同外界驱动电路相连驱动，由外界电路控制其驱动，驱动时，微梁发生屈曲弯曲变形，微梁右侧贴到外构架左侧。微梁34采用直梁结构，其两端固接在外构件37的内侧，使微梁在通常情况下处于直线状态，紧紧顶在外构件内侧。

所述驱动器的工作原理如下：

通常情况下，微梁34处于直线状态，两端紧紧顶着外构架37，由于上下导向槽31、35的限位，保证微梁34垂直上顶盖40和下底盖39，如图3实线所示。上下调节电极对32、36电压为0，使得微梁34轴向载荷未达到其欧拉载荷临界状态。驱动电极33电压开始为0，当需要驱动时，上下调节电极对32、36先施加调节电压，使得微梁34轴向载荷达到欧拉载荷临界值，然后给驱动电极33施加驱动电压，此时，轴向载荷达到欧拉载荷临界值的微梁34已处在“微弯平衡”状态，非常小的驱动电压产生的电场力就可以导致微梁34产生快速的大屈曲变形，即驱动完成，如图3虚线所示。

以上仅是本发明的一个实例，并不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的思想下可对驱动器的具体结构和参数进行变换，但这些均属本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于屈曲的低电压变形微驱动器，包括：微梁(34)、固定机座(38)、驱动电极(33)，其特征在于微梁(34)通过外构架(37)固定，该外构架的两端固定有上顶盖(40)和下底盖(39)；固定机座(38)的两端固定有上导向槽(31)和下导向槽(35)，用于限制微梁的左右运动；上导向槽(31)和下导向槽(35)分别与上顶盖(40)和下底盖(39)之间形成一对调节电极(32，36)。

2.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于微梁(34)的表面和固定机座(38)的表面均淀积有金膜层，两金膜层之间形成了驱动电极(33)，该驱动电极通过键合方式与外部驱动电路相连。

3.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于固定机座(38)为硅材料，两端的上下导向槽(31，35)保证微梁装配和变形时垂直于调节电极对。

4.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于上下导向槽(31，35)的外侧表面和上下盖(40，39)的内壁均沉积有一层金膜，以在上导向槽(31)与上顶盖(40)的金膜层之间和下导向槽(35)与下底盖(39)的金膜层之间分别形成调节电极对(32，36)。

5.根据权利要求4所述的微驱动器，其特征在于调节电极对(32，36)为同步控制调节电极对，且通过键合方式与外部调节电路相连，保证微梁(34)维持“微弯平衡”状态。

6.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于外构架(37)内侧长度小于微梁(34)长度，以使得微梁(34)在装配时已经含有轴向挤压力。

7.根据权利要求1所述的微驱动器，其特征在于微梁(34)与外构架(37)的连接方式采用两端固结直梁结构，即微梁(34)采用直梁结构，其两端固接在外构件(37)的内侧。

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