CN102185518B - 一种带限位锁止功能的静电微驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带限位锁止功能的静电微驱动器，属于微机电系统领域。该微驱动器在驱动组件两侧分布有四个限位锁止组件，驱动组件通过弹性支撑梁与锚点连接，限位锁止组件通过弹性支撑梁与锚点连接，限位锁止棘齿通过与驱动组件两侧的驱动棘齿咬合实现静电微驱动器的限位锁止功能。这种带限位锁止功能的静电微驱动器克服了现有技术中静电微驱动器存在不带限位锁止功能、不能停电离线工作等缺点，使得静电微驱动器在达到预设的输出位移时，能进行限位锁止，如此以来，静电微驱动器可以停电离线工作，可长时间恒定输出位移。
Description
所属领域：
本发明涉及一种带限位锁止功能的静电微驱动器，属于微机电系统领域。
背景技术
微机电系统(MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。微驱动器是微机电系统的关键组成部分，是微观世界的动力源，输出位移或力。微驱动器按照驱动方式划分可分为压电驱动、热驱动、静电驱动等类型。
静电微驱动器具有制作工艺与IC工艺兼容、易实现小型化和和集成化、响应速度快、控制方便等优点，因此在微机电系统领域得到广泛应用。现有技术中典型的静电微驱动器的工作原理是，在微驱动器的活动梳齿、固定梳齿分别施加不同的驱动电压，活动梳齿在静电力驱动下输出位移或力。在公开号为CN1693180的专利文献“一种微型平板静电驱动器及其制作方法”中，西北工业大学提出了一种采用非线性微梁支撑的微型平板静电驱动器，这种静电微驱动器在输出位移或力时，需要持续不断地对微驱动器供电。在一些需要长时间恒定输出位移的场合，这种静电微驱动器不带限位锁止功能，不能停电离线工作，同时还会因长时间持续不断地供电工作，导致静电微驱动器发热，甚至导致静电微驱动器失效。
发明内容：
本发明的目的是：为克服现有技术中静电微驱动器存在不带限位锁止功能、不能停电离线工作等缺点，本发明提出了一种带限位锁止功能的静电微驱动器，这种带限位锁止功能的静电微驱动器在达到预设的输出位移时，进行限位锁止，如此以来，静电微驱动器可以停电离线工作，可长时间恒定输出位移。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：参见图1，一种带限位锁止功能的静电微驱动器，包括驱动组件50和限位锁止组件I 10、限位锁止组件II 20、限位锁止组件III30、限位锁止组件IV40；
所述的驱动组件50包括一个驱动框架54，驱动框架54通过弹性支撑梁IX53、弹性支撑梁X55、弹性支撑梁XI58、弹性支撑梁XII59悬置在锚点V65上；驱动框架54由驱动电极V61、驱动电极VI62、驱动电极VII63、驱动电极VIII64控制产生往复运动；定义驱动框架54运动方向为x轴，与之垂直的方向为y轴；驱动框架54的x方向两端各有一驱动输出末端51；各驱动输出末端51的y方向两侧分别连有驱动棘齿I 52、驱动棘齿II 56、驱动棘齿III57和驱动棘齿IV60；
所述的限位锁止组件I 10包括通过两平行的弹性支撑梁I 12、弹性支撑梁II 13连接在锚点I 11上的限位锁止框架I 15，限位锁止框架I 15上连有限位锁止棘齿I 16，它与驱动组件50上的驱动棘齿I 52配对；所述限位锁止框架I 15由驱动电极I 14控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件II 20包括通过两平行的弹性支撑梁III22、弹性支撑梁IV23连接在锚点II 21上的限位锁止框架II 25，限位锁止框架II 25上连有限位锁止棘齿II 26，它与驱动组件50上的驱动棘齿II 56配对；所述限位锁止框架II25由驱动电极II24控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件III30包括通过两平行的弹性支撑梁V 32、弹性支撑梁VI33连接在锚点III31上的限位锁止框架III35，限位锁止框架III35上连有限位锁止棘齿III36，它与驱动组件50上的驱动棘齿IV60配对；所述限位锁止框架III35由驱动电极III34控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件IV40包括通过两平行的弹性支撑梁VII42、弹性支撑梁VIII43连接在锚点IV41上的限位锁止框架IV45，限位锁止框架IV45上连有限位锁止棘齿IV46，它与驱动组件50上的驱动棘齿III57配对；所述限位锁止框架IV45由驱动电极IV44控制其在y方向的往复运动。
本发明的有益效果是：本发明提出的这种带限位锁止功能的静电微驱动器在达到预设的输出位移时，进行限位锁止，如此以来，静电微驱动器可以停电离线工作，可长时间恒定输出位移。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明(附图在文字中的引用说明)
图1是本发明提出的带限位锁止功能的静电微驱动器结构示意图
图2用本发明提出的带限位锁止功能的静电微驱动器向左驱动输出位移示意图
图3用本发明提出的带限位锁止功能的静电微驱动器向右驱动输出位移示意图
图中，10-限位锁止组件I，11-锚点I，12-弹性支撑梁I，13-弹性支撑梁II，14-驱动电极I，15-限位锁止框架I，16-限位锁止棘齿I，20-限位锁止组件II，21-锚点II，22-弹性支撑梁III，23-弹性支撑梁IV，24-驱动电极II，25-限位锁止框架II，26-限位锁止棘齿II，30-限位锁止组件III，31-锚点III，32-弹性支撑梁V，33-弹性支撑梁VI，34-驱动电极III，35-限位锁止框架III，36-限位锁止棘齿III，40-限位锁止组件IV，41-锚点IV，42-弹性支撑梁VII，43-弹性支撑梁VIII，44-驱动电极IV，45-限位锁止框架IV，46-限位锁止棘齿IV，50-驱动组件，51-驱动输出末端，52-驱动棘齿I，53-弹性支撑梁IX，54-驱动框架，55-弹性支撑梁X，56-驱动棘齿II，57-驱动棘齿III，58-弹性支撑梁XI，59-弹性支撑梁XII，60-驱动棘齿IV，61-驱动电极V，62-驱动电极VI，63-驱动电极VII，64-驱动电极VIII，65-锚点V。
具体实施方式：
本实施例提供了一个带限位锁止功能的静电微驱动器，参见图1，该静电微驱动器包括驱动组件50和限位锁止组件I 10、限位锁止组件II 20、限位锁止组件III30、限位锁止组件IV40；
所述的驱动组件50包括一个驱动框架54，驱动框架54通过弹性支撑梁IX53、弹性支撑梁X55、弹性支撑梁XI58、弹性支撑梁XII59悬置在锚点V65上；驱动框架54由驱动电极V
61、驱动电极VI62、驱动电极VII63、驱动电极VIII64控制产生往复运动；定义驱动框架54运动方向为x轴，与之垂直的方向为y轴；驱动框架54的x方向两端各有一驱动输出末端51；各驱动输出末端51的y方向两侧分别连有驱动棘齿I 52、驱动棘齿II 56、驱动棘齿III57和驱动棘齿IV60；
所述的限位锁止组件I 10包括通过两平行的弹性支撑梁I 12、弹性支撑梁II 13连接在锚点I 11上的限位锁止框架I 15，限位锁止框架I 15上连有限位锁止棘齿I 16，它与驱动组件50上的驱动棘齿I 52配对；所述限位锁止框架I 15由驱动电极I 14控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件II 20包括通过两平行的弹性支撑梁III22、弹性支撑梁IV23连接在锚点II 21上的限位锁止框架II 25，限位锁止框架II 25上连有限位锁止棘齿II 26，它与驱动组件50上的驱动棘齿II 56配对；所述限位锁止框架II25由驱动电极II24控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件III30包括通过两平行的弹性支撑梁V 32、弹性支撑梁VI33连接在锚点III31上的限位锁止框架III35，限位锁止框架III35上连有限位锁止棘齿III36，它与驱动组件50上的驱动棘齿IV60配对；所述限位锁止框架III35由驱动电极III34控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件IV40包括通过两平行的弹性支撑梁VII42、弹性支撑梁VIII43连接在锚点IV41上的限位锁止框架IV45，限位锁止框架IV45上连有限位锁止棘齿IV46，它与驱动组件50上的驱动棘齿III57配对；所述限位锁止框架IV45由驱动电极IV44控制其在y方向的往复运动。
当实施例中的带限位锁止功能的静电微驱动器工作时，按照微驱动器的位移输出方向，可分为：(1)向左驱动输出位移；(2)向右驱动输出位移。
(1)向左驱动输出位移：参见图2(b)，首先将锚点I 11和锚点III31接地，驱动电极I 14和驱动电极III34施加驱动电压，限位锁止框架I 15受到驱动电极I 14的静电力，并带动弹性支撑梁I 12、弹性支撑梁II 13向靠近锚点I 11的方向运动，限位锁止框架III35受到驱动电极III34的静电力，并带动弹性支撑V32、弹性支撑梁VI33向靠近锚点III31的方向运动；参见图2(c)，再将驱动电极V61、驱动电极VII63和锚点V65接地，驱动电极VI62和驱动电极VIII64施加驱动电压，驱动框架54受到驱动电极VI62和驱动电极VIII64的静电力，并带动弹性支撑梁IX53、弹性支撑梁X55、弹性支撑梁XI58和弹性支撑梁XII59向左输出位移或力，调节施加在驱动电极VI62和驱动电极VIII64上的驱动电压，使驱动组件50向左输出预设的位移或力；参见图2(d)，驱动组件50向左输出预设的位移或力后，将驱动电极I 14和驱动电极III34接地，限位锁止框架I 15在弹性支撑I 12、弹性支撑梁II 13的弹性力作用下向远离锚点I 11的方向运动，直至限位锁止棘齿I 16与驱动棘齿I 52咬合，同时限位锁止框架III
35在弹性支撑梁V32、弹性支撑梁VI33的弹性力作用下向远离锚点III31的方向运动，直至限位锁止棘齿III36与驱动棘齿III60咬合，进行限位锁止，此时，静电微驱动器在达到预设的输出位移，可将驱动电极VI62和驱动电极VIII64接地，如此以来，静电微驱动器可以停电离线工作，可长时间恒定输出位移；若要限位锁止组件解除限位锁止功能，参见图2(a)，将锚点I 11和锚点III31接地，驱动电极I 14和驱动电极III34施加驱动电压，限位锁止框架I 15受到驱动电极I 14的静电力，并带动弹性支撑梁I 12、弹性支撑梁II 13向靠近锚点I 11的方向运动，直至限位锁止棘齿I 16与驱动棘齿I 52解除咬合并脱离，限位锁止框架III35受到驱动电极III34的静电力，并带动弹性支撑V32、弹性支撑梁VI33向靠近锚点III31的方向运动，直至限位锁止棘齿III36与驱动棘齿III60解除咬合并脱离，此时限位锁止组件解除限位锁止功能，驱动框架54在弹性支撑IX53、弹性支撑梁X 55、弹性支撑梁XI58和弹性支撑梁XII59的弹性力作用下向右运动，恢复初始状态；若要调节改变静电微驱动器的输出位移，循环上述调解过程，直至静电微驱动器达到设定的输出位移。
(2)向右驱动输出位移：参见图3(b)，首先将锚点II 21和锚点IV41接地，驱动电极II24和驱动电极IV44施加驱动电压，限位锁止框架II25受到驱动电极II24的静电力，并带动弹性支撑梁III22、弹性支撑梁IV23向靠近锚点II 21的方向运动，限位锁止框架IV45受到驱动电极IV44的静电力，并带动弹性支撑梁VII42、弹性支撑梁VIII43向靠近锚点IV41的方向运动；参见图3(c)，再将驱动电极VI62和驱动电极VIII64和锚点V65接地，驱动电极V61和驱动电极VII63施加驱动电压，驱动框架54受到驱动电极V61和驱动电极VII63的静电力，并带动弹性支撑IX53、弹性支撑梁X 55、弹性支撑梁XI58和弹性支撑梁XII59向右输出位移或力，调节施加在驱动电极V61和驱动电极VII63上的驱动电压，使驱动组件50向右输出预设的位移或力；参见图3(d)，驱动组件50向右输出预设的位移或力后，将驱动电极II24和驱动电极IV44接地，限位锁止框架II 25在弹性支撑梁III22、弹性支撑梁IV23的弹性力作用下向远离锚点II21的方向运动，直至限位锁止棘齿II26与驱动棘齿II 56咬合，同时限位锁止框架IV45在弹性支撑梁VII42、弹性支撑梁VIII43的弹性力作用下向远离锚点IV41的方向运动，直至限位锁止棘齿IV46与驱动棘齿IV57咬合，进行限位锁止，此时，静电微驱动器在达到预设的输出位移，可将驱动电极V 61和驱动电极VII63接地，如此以来，静电微驱动器可以停电离线工作，可长时间恒定输出位移；若要限位锁止组件解除限位锁止功能，参见图3(a)，将锚点II 21和锚点IV41接地，驱动电极II 24和驱动电极IV44施加驱动电压，限位锁止框架II 25受到驱动电极II 24的静电力，并带动弹性支撑梁III22、弹性支撑梁IV23向靠近锚点II21的方向运动，直至限位锁止棘齿II26与驱动棘齿II 56解除咬合并脱离，限位锁止框架IV45受到驱动电极IV44的静电力，并带动弹性支撑梁VII42、弹性支撑梁VIII43向靠近锚点IV41的方向运动，直至限位锁止棘齿IV46与驱动棘齿IV57解除咬合并脱离，此时限位锁止组件解除限位锁止功能，驱动框架54在弹性支撑IX53、弹性支撑梁X 55、弹性支撑梁XI58和弹性支撑梁XII59的弹性力作用下向左运动，恢复初始状态；若要调节改变静电微驱动器的输出位移，循环上述调解过程，直至静电微驱动器达到设定的输出位移。
Claims (1)
1.一种带限位锁止功能的静电微驱动器，包括驱动组件(50)和限位锁止组件I(10)、限位锁止组件II(20)、限位锁止组件III(30)、限位锁止组件IV(40)；
所述的驱动组件(50)包括一个驱动框架(54)，驱动框架(54)通过弹性支撑梁IX(53)、弹性支撑梁X(55)、弹性支撑梁XI(58)、弹性支撑梁XII(59)悬置在锚点V(65)上；驱动框架(54)由驱动电极V(61)、驱动电极VI(62)、驱动电极VII(63)、驱动电极VIII(64)控制产生往复运动；定义驱动框架(54)运动方向为x轴，与之垂直的方向为y轴；驱动框架(54)的x方向两端各有一驱动输出末端(51)；各驱动输出末端(51)的y方向两侧分别连有驱动棘齿I(52)、驱动棘齿II(56)、驱动棘齿III(57)和驱动棘齿IV(60)；
所述的限位锁止组件I(10)包括通过两平行的弹性支撑梁I(12)、弹性支撑梁II(13)连接在锚点I(11)上的限位锁止框架I(15)，限位锁止框架I(15)上连有限位锁止棘齿I(16)，限位锁止棘齿I(16)与驱动组件(50)上的驱动棘齿I(52)配对；所述限位锁止框架I(15)由驱动电极I(14)控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件II(20)包括通过两平行的弹性支撑梁III(22)、弹性支撑梁IV(23)连接在锚点II(21)上的限位锁止框架II(25)，限位锁止框架II(25)上连有限位锁止棘齿II(26)，限位锁止棘齿II(26)与驱动组件(50)上的驱动棘齿II(56)配对；所述限位锁止框架II(25)由驱动电极II(24)控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件III(30)包括通过两平行的弹性支撑梁V(32)、弹性支撑梁VI(33)连接在锚点III(31)上的限位锁止框架III(35)，限位锁止框架III(35)上连有限位锁止棘齿III(36)，限位锁止棘齿III(36)与驱动组件(50)上的驱动棘齿IV(60)配对；所述限位锁止框架III(35)由驱动电极III(34)控制其在y方向的往复运动；
所述的限位锁止组件IV(40)包括通过两平行的弹性支撑梁VII(42)、弹性支撑梁VIII(43)连接在锚点IV(41)上的限位锁止框架IV(45)，限位锁止框架IV(45)上连有限位锁止棘齿IV(46)，限位锁止棘齿IV(46)与驱动组件(50)上的驱动棘齿III(57)配对；所述限位锁止框架IV(45)由驱动电极IV(44)控制其在y方向的往复运动。
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