CN103342331B - 一种硅微并联五杆机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用硅微加工工艺制作的微并联五杆机构，由可以两两组成V梁型电热硅微致动器的硅微活动杆件(1)、(2)、(3)和(4)，以及柔性铰链(5)、锚点(6)、读数装置(7)组成。读数装置(7)用于硅微并联五杆机构不同位置的微位移的测量，锚点(6)用于外界控制电压的输入以及为活动构件提供支撑作用，各构件之间采用柔性铰链(5)连接，可以使运动传递时机构具有很好的灵活性。为了实现硅微并联五杆机构的运动，当在锚点(6)之间施加驱动电压时，由活动构件组成的各V型电热硅微致动器之间产生相对运动，从而使得该机构具有确定的运动形式。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅微并联五杆机构，其活动硅微杆件采用硅微加工工艺，以多晶硅薄膜或者高深宽比的单晶硅等半导体材料制成，整个结构尺寸在微米到亚毫米之间。
背景技术
微电子机械系统Micro-electro-mechanical System, MEMS是以半导体为结构材料，以MEMS微加工工艺为技术为手段，将微机械致动器、微机械执行器以及传感、检测、信号处理等微电路集成在同一块芯片上，其特征尺寸一般在微米至亚毫米范围。MEMS技术是微电子学、微机械学、微尺度力学、微光学、材料学、物理学、化学及生物学等多学科交叉的新兴技术领域，在空间技术、国防、生物医学、信息技术、工业过程控制及其他新技术中有着广泛的应用前景。
通过文献资料查阅和已经公开专利检索，现有技术中对于宏观尺度的硅微机构研究较多，而以多晶硅薄膜或单晶硅制作的硅微并联五杆机构没有相关报道。此外，目前MEMS微机械机构有微致动器、微执行器微阀、微泵及各种微传感器机构，而采用V型梁电热硅微致动器作为驱动构件组成的硅微并联五杆机构未有出现。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用MEMS硅微加工工艺制作的一种硅微并联五杆机构，其活动硅微杆件可以是多晶硅薄膜，也可以是单晶硅等其他半导体材料。
为解决上述技术问题，本发明的制作的硅微并联五杆机构由兼作V型梁电热硅微致动器的活动硅微杆件和柔性铰链及锚点和读数装置组成。各活动硅微杆件之间是通过柔性铰链连接，而且活动硅微杆件与锚点之间也采用柔性铰链连接，读数装置用于该硅微并联五杆机构在不同位置的位移进行观察和测量用；该机构中的活动硅微杆件两两之间可以构成V型梁电热硅微致动器，并且为串接关系，当机构中两锚点之间通入驱动电压时，借助硅材料活动硅微杆件产生的热膨胀效应而产生致动力，从而使得构成V型梁电热硅微致动器的活动硅微杆件之间发生相对运动，可以实现硅微并联五杆机构的运动输出。
作为驱动装置的V型梁电热硅微致动器作为机构的动力源，具有分散动力的特性，通过改变施加在锚点上的驱动电压的频率和电压幅值，可改变机构输出运动的大小和运动的频率；通过改变各个构件的尺寸比例，可以实现不同的运动。
由于是V型梁电热硅微致动器兼作活动硅微杆件，并且动力分散，使得机构传递的运动具有较大的驱动力，并且机构运动灵活，通过施加在锚点上控制电压，可以控制该机构的运动。
构成硅微并联五杆机构的V型梁电热硅微致动器的第一活动硅微杆件和第二活动硅微杆件、第二活动硅微杆件和第三活动硅微杆件及第三活动硅微杆件和第四活动硅微杆件的两臂制作为等长。
构成硅微并联五杆机构的V型梁电热硅微致动器的第一活动硅微杆件和第二活动硅微杆件、第二活动硅微杆件和第三活动硅微杆件及第三活动硅微杆件和第四活动硅微杆件的两臂制作为不等长。
此硅微并联五杆机构上不同位置设计有读数标尺，可以定量测得机构不同位置的位移输出数值的大小，从而在机构执行运动的时候便于控制和检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是对本发明的一种实施方式结构图。
具体实施方法
图1所示的硅微并联五杆机构，由兼作V型梁电热硅微致动器的第一活动硅微杆件1、第二活动硅微杆件2、第三活动硅微杆件3、第四活动硅微杆件4组成，第一活动硅微杆件1和第二活动硅微杆件2之间、第二活动硅微杆件2和第三活动硅微杆件3之间及第三活动硅微杆件3和第四活动硅微杆件4之间两两组成了V型梁电热硅微致动器，并且各V型梁电热硅微致动器之间为串接关系。活动硅微杆件之间及与锚点6之间是采用了柔性铰链5连接，共同组成了硅微并联五杆机构。读数装置7用于硅微并联五杆机构在不同位置时微位移的测量，锚点6用于外界控制电压的输入和悬浮活动硅微杆件的支撑作用。
该硅微并联五杆机构的第一活动硅微杆件1、第二活动硅微杆件2、第三活动硅微杆件3、第四活动硅微杆件4类似于V型电热硅微致动器的V型梁，两两组成V型电热硅微致器，两锚点之间的距离相当于第五杆（机架杆）。当在锚点施加驱动电压时，机构中的V型电热硅微致动器相当于原动件，符合机构自由度与约束的要求，该机构活动硅微杆件上可产生响应，输出运动。通过分析其运动特性和理论计算，可确定其确定的运动状况。
为了实现该硅微并联五杆机构的驱动，机构中的第一活动硅微杆件1的一端和第二活动硅微杆件2的一端、第二活动硅微杆件2的另一端和第三活动硅微杆件3一端、第三活动硅微杆件3另一端和第四活动硅微杆件4一端、第一活动硅微杆件1的另一端和一个锚点6、第四活动硅微杆件4的另一端和另一个锚点6均通过柔性铰链5相互连接。当两个锚点之间通入驱动电压时，由于V型电热硅微致动器的热膨胀作用而使机构产生驱动力，从而输出运动。各个活动硅微杆件之间采用硅微柔性铰链连接便于运动的传递，当改变组成硅微并联五杆机构各活动硅微杆件的长度尺寸包括两个锚点6之间的距离时，可改变机构的运动输出。该硅微并联五杆机构上的读数装置是为了便于观察和测量机构不同位置上的位移输出而设计的。
本发明不局限于上述具体实施方式，只要硅微并联五杆机构采用活动硅微杆件组成相当于V型电热硅微致动器的五杆机构，不论是驱动装置如何组合，活动硅微杆件采用不同的截面形状、构件之间不同的尺寸关系，均落在本发明的保护范围之中。
Claims (4)
1.一种硅微并联五杆机构，包括第一活动硅微杆件（1）、第二活动硅微杆件（2）、第三活动硅微杆件（3）、第四活动硅微杆件（4），以及柔性铰链（5）、锚点（6）和读数装置（7），整体机构采用硅微加工工艺制作而成，其特征在于：所述的硅微并联五杆机构的第一活动硅微杆件（1）和第二活动硅微杆件（2）之间、第二活动硅微杆件（2）和第三活动硅微杆件（3）之间及第三活动硅微杆件（3）和第四活动硅微杆件（4）之间分别组成了电热硅微致动器，两锚点（6）之间的距离相当于第五杆，当在锚点（6）之间施加驱动电压时，第一活动硅微杆件（1）、第二活动硅微杆件（2）、第三活动硅微杆件（3）、第四活动硅微杆件（4）之间相当于电热驱动元件两两串接，整个机构符合自由度与约束的要求，从而该机构产生响应，输出运动；
第一活动硅微杆件（1）的一端和第二活动硅微杆件（2）的一端、第二活动硅微杆件（2）的另一端和第三活动硅微杆件（3）一端、第三活动硅微杆件（3）另一端和第四活动硅微杆件（4）一端、第一活动硅微杆件（1）的另一端和一个锚点（6）、第四活动硅微杆件（4）的另一端和另一个锚点（6）均通过柔性铰链（5）相互连接；读数装置（7）用于硅微并联五杆机构在不同位置时微位移的测量；锚点（6）用于外界控制电压的输入和悬浮活动硅微杆件的支撑作用；各个活动硅微杆件之间采用硅微柔性铰链连接便于运动的传递，当改变组成硅微并联五杆机构各活动硅微杆件的长度尺寸包括两个锚点（6）之间的距离时，可改变机构的运动输出。
2.如权利要求1所述的硅微并联五杆机构，其特征在于：组成硅微并联五杆机构的第一活动硅微杆件（1）和第二活动硅微杆件（2）、第二活动硅微杆件（2）和第三活动硅微杆件（3）及第三活动硅微杆件（3）和第四活动硅微杆件（4）之间构成了V型梁电热硅微致动器。
3.如权利要求2所述的硅微并联五杆机构，其特征在于：构成硅微并联五杆机构的V型梁电热硅微致动器的第一活动硅微杆件（1）和第二活动硅微杆件（2）、第二活动硅微杆件（2）和第三活动硅微杆件（3）及第三活动硅微杆件（3）和第四活动硅微杆件（4）的两臂制作为等长。
4.如权利要求2所述的硅微并联五杆机构，其特征在于：构成硅微并联五杆机构的V型梁电热硅微致动器的第一活动硅微杆件（1）和第二活动硅微杆件（2）、第二活动硅微杆件（2）和第三活动硅微杆件（3）及第三活动硅微杆件（3）和第四活动硅微杆件（4）的两臂制作为不等长。
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