CN104617811A - 单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达及制备方法。微马达包括致动单元和滑杆两部分。致动单元包括致动器、驱动杆和驱动头，致动器可以是电热致动器，也可以是静电致动器、电磁致动器和压电制动器等任意能产生往复运动的致动器。滑杆为微马达的输出构件，通过防黏附凸块支撑在衬底上，垂直衬底方向用约束罩约束。微马达由单对致动器驱动实现前进和后退的双向运动，用MEMS表面硅工艺制作、无需装配、结构简单，可应用在通讯、航空航天、生物医学等领域。

Description

单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达及制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域中的微执行器类，特别涉及一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达及制备方法。

背景技术

随着产品小型化、微型化、精密化程度的提高，微镜、微夹持器、微飞行器和微型医疗器械等对驱动机构提出了更高的要求，对大位移、大驱动力、稳定高效的微马达的需求越来越多。各类应用中对微马达的要求不尽相同，如光学和精密机械系统中用于元器件精确驱动和定位的微马达，要求速度高、响应快、小型化；用在航空航天领域的微马达，要求输出力矩大、效率高、重量轻、体积小、寿命长、可靠性高；用在微纳技术领域的微马达，既要求力矩大、小型化、效率高，又要求马达的转速适宜，与微纳加工工艺兼容。现有微马达主要有静电马达、电磁感应马达、超声波马达、压电陶瓷冲击式驱动马达等。1988年，美国加州大学伯克利分校的研究人员采用表面硅工艺制作了直径为120 μm的静电微马达，该静电马达是MEMS领域出现最早的马达，直接利用静电力驱动转子，可小型化，与MEMS工艺兼容，但输出力矩小、转速高、无法直接应用，美国专利中Muller等人的专利“Micro Motor and Method for Their Fabrication（专利号：5252881）”就是利用静电力驱动的微马达。电磁感应微马达输出力矩大、速度快，但线圈损耗大，结构不易小型化；超声波马达和表面声波马达近几年国内外也做了大量的研究。这些马达各具特点，但都很难直接应用在MEMS器件中。

发明内容

本发明的目的在于克服传统两对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达结构复杂的缺点，提供一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达及制备方法，结构简单、直线马达的运动方向和速度可调、输出效率高。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的任务在于建立一种与MEMS表面工艺兼容，能在单对致动器的驱动下产生双向直线运动、结构简单、输出效率高的直线微马达。

根据上述发明思想，通过如下技术方案达到发明目的：

一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，包括致动单元和滑杆，所述致动单元由冷热臂电热致动器、驱动杆和驱动头组成；冷热臂电热致动器的一端通过锚点固定在硅衬底上，另一端与驱动杆相连，驱动杆的端部为方形驱动头，驱动头与滑杆之间有间隙，所述滑杆为浮动杆，由两个纵向约束罩约束，纵向约束罩通过锚点固定在硅衬底上，所述冷热臂电热致动器的锚点同时也是微马达的供电电极。

所述致动单元中的冷热臂电热致动器使用V型电热致动器、静电梳齿致动器、电磁致动器或压电制动器代替。

所述致动单元仅在滑杆的单侧布置一个。

所述滑杆的两个纵向约束罩为用“Π”型约束罩布置在滑杆的左右两端，或用“T”型约束罩布置在滑杆的中部，所述滑杆是阶梯轴，或由两根细长杆在末端连接构成。

所述驱动杆的长度和宽度能够调节，驱动头的形状为方形头、三角头、梯形头或圆形头。

一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达的制备方法，采用MEMS表面工艺制备，在硅衬底平面上，有氮化硅绝缘层，氮化硅绝缘层上有固定的用作导线的多晶硅层Poly0，在多晶硅层Poly0上有固定结构层Poly2构成的纵向约束罩，在多晶硅层Poly0上还有活动结构层Poly1构成的滑杆和致动单元。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

本发明结合致动器在交流电作用下往复运动的特点，利用致动器对滑杆的摩擦驱动实现了直线微马达的运动，利用单对或单个致动器将致动器的往复运动转变成滑杆的双向直线运动，结构新颖简单，与MEMS工艺兼容，易于控制，输出效率高。

附图说明

图1是本发明用一对电热U型致动器驱动的结构示意图。

图2是本发明用一对电热V型致动器驱动的结构示意图。

图3是本发明用一对静电梳齿致动器驱动的结构示意图。

图4是本发明用单侧的一个电热U型致动器驱动的结构示意图。

图5是本发明的“T”型纵向约束罩布置在细长杆构成的滑杆中部的结构示意图。

图6是本发明的“Π”型纵向约束罩布置在梯形滑杆两端的结构示意图。

图7是本发明的横截面图。

具体实施方式

本发明的优选实例结合附图详述如下：

实施例1

参见图1，一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，包括致动单元和滑杆5，其特征在于：所述致动单元由冷热臂电热致动器8a、8b、驱动杆4a、4b和驱动头3a、3b组成；冷热臂电热致动器8a、8b的一端通过锚点7a、7b，7c、7d固定在硅衬底上，另一端与驱动杆4a、4b相连，驱动杆4a、4b的端部为方形驱动头3a、3b，驱动头3a、3b与滑杆5之间有间隙，所述滑杆5为浮动杆，由两个纵向约束罩1a、1b约束，纵向约束罩1a、1b通过锚点2a、2b，6a、6b固定在硅衬底上，所述冷热臂电热致动器8a、8b的锚点7a、7b，7c、7d同时也是微马达的供电电极。

实施例2

参见图2和图3，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：所述致动单元中的冷热臂电热致动器使用V型电热致动器、静电梳齿致动器代替。

实施例3

参见图4，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：所述致动单元仅在滑杆5的单侧布置一个。

实施例4

参见图5和图6，本实施例与实施例1基本相同，特别之处如下：所述滑杆5的两个纵向约束罩1a、1b为用“Π”型约束罩布置在滑杆5的左右两端，或用“T”型约束罩布置在滑杆5的中部，所述滑杆5是阶梯轴，或由两根细长杆在末端连接构成。

参见图7，一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达的制备方法，其特征在于：采用MEMS表面工艺制备，在硅衬底平面上，有氮化硅绝缘层，氮化硅绝缘层上有固定的用作导线的多晶硅层Poly0，在多晶硅层Poly0上有固定结构层Poly2构成的纵向约束罩1，在多晶硅层Poly0上还有活动结构层Poly1构成的滑杆5和致动单元。

本发明装置的原理如下：

本单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达中，驱动头3a、3b与滑杆5是非接触的，通常有2~3 μm的工艺间隙。电极7a、7b和7c、7d用于给致动器8a、8b供电，致动器在交流电作用下往复运动，当致动器8a、8b向滑杆5方向运动时，驱动头3a、3b与滑杆5接触，在致动力的作用下驱动杆4a、4b发生弯曲变形，储存弹性变形能。若施加较低的电压，致动器8a、8b产生的驱动力小，滑杆5在致动器8a、8b的推动下向前滑动，微马达形成向前的运动。施加较高的驱动电压，致动器8a、8b产生的驱动力大，驱动杆4a、4b弯曲变形，两侧的驱动头3a、3b像夹钳一样将滑杆5夹紧，驱动头4a、4b和滑杆5之间产生大的摩擦力，致动器8a、8b返回时，滑杆5在摩擦力的作用下向后运动，微马达形成向后的运动。特别说明，该直线微马达在等值驱动电压下，通过调节驱动频率也能改变滑杆5的运动方向，相关实验中已发现了该现象。

参看附图1，电极7a、7b和7c、7d通入交流电后，第一个致动循环开始，致动器8a、8b向滑杆5的方向运动，推动滑杆5向前运动，如此往复循环，滑杆向前运动到所需位置为止。若施加合适的驱动电压，滑杆5将在摩擦力的作用下向后运动，带动滑杆向后运动到所需位置为止。另外，调节致动频率也可实现滑杆5向前或向后的直线运动。

Claims (6)

1.一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，包括致动单元和滑杆（5），其特征在于：所述致动单元由冷热臂电热致动器（8a、8b）、驱动杆（4a、4b）和驱动头（3a、3b）组成；冷热臂电热致动器（8a、8b）的一端通过锚点（7a、7b，7c、7d）固定在硅衬底上，另一端与驱动杆（4a、4b）相连，驱动杆（4a、4b）的端部为方形驱动头（3a、3b），驱动头（3a、3b）与滑杆（5）之间有间隙，所述滑杆（5）为浮动杆，由两个纵向约束罩（1a、1b）约束，纵向约束罩（1a、1b）通过锚点（2a、2b，6a、6b）固定在硅衬底上，所述冷热臂电热致动器（8a、8b）的锚点（7a、7b，7c、7d）同时也是微马达的供电电极。

2.根据权利要求1所述的单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，其特征在于：所述致动单元中的冷热臂电热致动器使用V型电热致动器、静电梳齿致动器、电磁致动器或压电制动器代替。

3.根据权利要求1所述的单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，其特征在于：所述致动单元仅在滑杆（5）的单侧布置一个。

4.根据权利要求1所述的单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，其特征在于：所述滑杆（5）的两个纵向约束罩（1a、1b）为用“Π”型约束罩布置在滑杆（5）的左右两端，或用“T”型约束罩布置在滑杆（5）的中部，所述滑杆（5）是阶梯轴，或由两根细长杆在末端连接构成。

5.根据权利要求1所述的单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达，其特征在于：所述驱动杆（4a、4b）的长度和宽度能够调节，驱动头（3a、3b）的形状为方形头、三角头、梯形头或圆形头。

6.一种单对致动器驱动的摩擦式双向直线运动微马达的制备方法，其特征在于：采用MEMS表面工艺制备，在硅衬底平面上，有氮化硅绝缘层，氮化硅绝缘层上有固定的用作导线的多晶硅层Poly0，在多晶硅层Poly0上有固定结构层Poly2构成的纵向约束罩（1），在多晶硅层Poly0上还有活动结构层Poly1构成的滑杆（5）和致动单元。