CN105129719B - 一种基于洛伦兹力的双向串联mems执行器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种基于洛伦兹力执行的双向串联MEMS执行执行器，其由两个可动的弹性结构串联而成，可以在电流和磁场的作用下，利用洛伦兹力实现结构的双向运动。执行器只需很小的驱动电流，就能实现很大的位移。通过控制电流的方向，两个结构既可以实现相向运动，相互合并；也可以实现反向运动，相互分离。

Description

一种基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器。

背景技术

随看科学技术的进步，电子、机械等系统向着小型化、微型化方向发展，芯片的高密度、多功能、智能化集成成为人们研究的重要方向。以微型化、集成化，智能化、信息化、先进制造为特点的MEMS技术从设计到制造，不仅以微电子技术为基础，而且涉及到计算机技术、通信技术、微电子技术、自动控制技术、机械设计与制造等多技术学科，可以说是一门多学科交叉的综合技术。基于MEMS技术的微型传感器、微型执行器、微光学系统、射频系统、微生物芯片、微流体器件、立体集成电路等复杂的微系统，已有相当多的应用于工业、军事、生物、医学等行业。

目前，执行器是MEMS器件的最基本结构单元，是实现各种功能的基础。现有的MEMS器件主要通过静电、电热、压电和电磁等方式驱动。尽管静电驱动方式研究广泛，是MEMS器件应用最多的工作方式，但静电驱动所需的驱动电压非常高。同时由于静电驱动器的位移通常和驱动电压的平方成正比，线性度差，难以通过驱动电压的大小实现位移量的精确控制。与静电方式相比，压电和电热等方式所需的驱动电压低，但压电材料受到工艺的限制；电热驱动在工作过程中需要不断地产热和放热，响应速度慢，功耗高，受温度影响大。而电磁驱动中，驱动线圈不易制作，所能通过的电流受到热效应的限制；使用磁性材料的驱动方式往往会引入磁滞效应，使器件的响应变差。这些都严重限制了MEMS驱动器在微电子机械器件和系统中的应用。

利用洛伦兹力可以提供较大的驱动力，实现大范围的移动，响应速度快，没有磁滞效应，不需要特殊的磁性材料。洛伦兹力与电流成正比，线性度好，功耗低。洛伦兹力与输入电流相关，可以通过改变输入电流而很容易地实现对其方向和大小的控制；而且，基于洛伦兹力的执行器可以利用外部的永久磁铁产生磁场，器件结构简单，制作方便，成本低。

现有的MEMS执行器大多数为单一结构单向运动，在实际应用需求中，需要运动的位移较大，所需的驱动电压高，限制了MEMS执行器的应用。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种基于洛伦兹力驱动的MEMS执行器，实现了双向同时运动，结构简单、成本低、制作方便、具有实际应用价值的MEMS执行器。

本发明方案的MEMS执行器由两个结构串联而成，工作于轴向磁场中，通过加载电流，在结构上产生洛伦兹力，驱动结构运动；通过控制电流的方向，两个结构既可以实现相向运动，相互合并；也可以实现反向运动，相互分离。通过控制电流，可以精确控制执行器的位移。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器，利用洛伦兹力进行驱动，结构简单，驱动电压和驱动时间等参数均可以明显优于其他驱动方式，为器件的应用提供了良好的基础。

本发明提供的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器，利用串联的结构，实现了两个结构同时的反向运动，可以满足相应的MEMS器件的工作需求。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1是串联MEMS执行器的基本结构示意图；

图2是结构合并运动的工作原理示意图；

图3是结构分离运动的工作原理示意图。

附图标记说明：

a、b、c、d分别表示两个可动弹性结构的锚点；I表示电流，箭头指示了两个弹性结构中电流的方向；B表示磁场，×表示磁场方向为垂直纸面向里。

具体实施方式

图1示出了本发明的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的基本结构示意图。如图1所示，所述MEMS执行器包括两个并列的可动弹性结构ab、cd。利用微机械加工技术可以保证两个弹性结构形状相同，尺寸相等。两个弹性结构的右侧锚点b和d相互连接在一起，形成串联关系。当在执行器的a、c两个端口加载电压时，在两个串联的结构上分别产生方向相反的电流。通过改变a、c间的电压，可以改变结构中的电流大小和方向。

通有电流的导线在磁场中会受到洛伦兹力的作用：洛伦兹力的大小正比于磁场和电流的大小。洛伦兹力的方向取决于磁场和电流的方向。图2和图3示出了本发明基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的工作原理的示意图。当本发明的串联MEMS执行器工作于均匀的轴向磁场中时，在两个弹性结构ab和cd上分别会产生大小相等、方向相反的洛伦兹力。在洛伦兹力的作用下，结构会发生形变，产生位移。因两个弹性结构ab和cd的形状和尺寸相同，因此二者会产生大小相等、方向相反的位移。如图2所示，执行器位于垂直执行器平面向里的磁场中。电流从c端口流进执行器，经弹性结构cd，再经过弹性结构ba后，从a端口流出。在洛伦兹力的作用下，两个弹性结构均向中间运动，相互靠近。如图3所示，改变电流方向后洛伦兹力的方向也会改变，两个弹性结构改变运动方向，均向远离中心的方向运动，相互分离。

所述可动结构ab、cd发生形变后，由于结构的弹性会产生弹性回复力，弹性力的大小与结构的位移成正比。结构稳定时，弹性力与洛伦兹力相等。而洛伦兹力大小与驱动电流成正比，因此，可以通过控制电流的大小来控制结构的位移。在稳定的磁场下，电流产生的洛伦兹力可以精确地确定结构的位移，使用连续可变的电流可以获得连续可变的位移量。由于弹性力与结构的位移成正比，洛伦兹力与电流成正比，因此在磁场和结构确定的条件下，结构的位移与驱动电流成正比，可以利用电流对结构位移实现线性控制。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器，其是在磁场中利用电流产生的洛伦兹力实现双向弹性结构同时运动，其特征在于：所述MEMS执行器由两个并列的可动的弹性结构串联而成，电流分别从弹性结构的两个端口流进和流出，在两个弹性结构上通过的电流方向相反，所述的两个弹性结构的形状为直梁结构或折叠梁结构；使用的材料是硅或者金属。

2.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器，其特征在于：所述的两个串联弹性结构是制作在同一平面内，或制作在不同平面内；制作在不同平面内是使器件在相互合并时相互遮挡。

3.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器，其特征在于：所述磁场与弹性结构平面相互垂直，磁场通过永久磁铁或通电线圈提供。

4.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的应用，其特征在于，执行器工作于磁场中，通过加载电流，在两个串联弹性结构上产生方向相反的洛伦兹力，执行双向弹性结构运动；通过控制电流的方向，两个弹性结构既可以实现相向运动，相互合并；也可以实现反向运动，相互分离。