CN108109879A - 一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动mems开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的微驱动器，属于一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关。它包括衬底、分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元，所述分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元均位于衬底上，所述分段式双层膜电热驱动单元固定设在基座上，基座于衬底固定连接，所述电接触单元设置在分段式双层膜电热驱动单元上方；所述电接触单元包括静接触点、V型支撑梁、柔性弹簧和弧形电接触质量块，所述V型支撑梁固定在分段式双层膜电热驱动单元上方，弧形电接触质量块通过柔性弹簧连接在V型支撑梁上，所述静接触点设置在弧形电接触质量块上方，静接触点与弧形电接触质量块相配合，所述静接触点与外界电路连接。

Description

一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的微驱动器，具体的说，属于一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关。
背景技术
微机电系统(MEMS)在高速发展的科学技术中起到了越来越重要的作用，微结构器件和系统在航空航天、医疗、机械、生物等学科都受到世界范围内的广泛关注。微驱动器MEMS开关作为MEMS最重要的核心技术之一，其驱动机理和器件的制备近年来都成为各个研究机构的重点。微驱动器MEMS开关的动作范围大小、响应速度快慢、结构可靠性等指标决定着微驱动器MEMS开关的产品质量，是微机电系统发展的最重要的环节。微驱动器MEMS开关的驱动机制有静电驱动、电热驱动、电磁驱动、压电驱动等。
静电驱动结构的微驱动器MEMS开关具有结构简单、功耗低等优点，但是要维持其良好工作性能所要保持的静电电压比较高，不利于器件的寿命和稳定性；电磁驱动所需的驱动电压低、输出力矩大、输出范围广，但是电磁驱动所需要的功耗比较大、效率低、结构复杂。利用电热驱动虽然反应速度慢、动态特性较差，但是相对于其他驱动方式来说，电热驱动结构简单、制作工艺方便、适合批量化生产。
发明内容
本发明针对现有MEMS技术对于驱动结构的不足，提供一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关。将扇形结构单元引入到微驱动MEMS开关机构中，并结合柔性弹簧等结构大幅度的增加机构本身的弹性变形、稳定性和回复性能，另一方面，本发明还可以提供双向的开关功能，最大限度的配合外接电路的接通或者断开，适用于多种场合。
本发明采用如下技术方案：
一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，它包括衬底、分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元，所述分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元均位于衬底上，所述分段式双层膜电热驱动单元固定设在基座上，基座于衬底固定连接，所述电接触单元设置在分段式双层膜电热驱动单元上方；所述电接触单元包括静接触点、V型支撑梁、柔性弹簧和弧形电接触质量块，所述V型支撑梁固定在分段式双层膜电热驱动单元上方，弧形电接触质量块通过柔性弹簧连接在V型支撑梁上，所述静接触点设置在弧形电接触质量块上方，静接触点与弧形电接触质量块相配合，所述静接触点与外界电路连接。
本技术方案进一步的优化，所述分段式双层膜电热驱动单元具有复合弓型的结构。
本技术方案进一步的优化，所述分段式双层膜电热驱动单元是由两段相反形状的双层膜构成，所述双层膜所述双层膜为热膨胀率不同的膜。
本技术方案进一步的优化，所述基座的两侧设置有电极，所述电极与驱动电路连接。
本技术方案进一步的优化，所述V形支撑梁的材料为硅或二氧化硅。
本技术方案进一步的优化，所述柔性弹簧为蛇形结构的弹簧。
本技术方案进一步的优化，所述弧形电接触质量块是具有弧形结构的金属单元，两边与柔性弹簧相连接。
本技术方案进一步的优化，所述静接触点具有弧形结构，弧形结构的曲率半径与弧形电接触质量块相等并与其保持接通或者断开。
本技术方案进一步的优化，所述衬底材料为硅或陶瓷。
本发明在工作时，通过对电极施加驱动电压，电流经过分段式双层膜电热驱动单元，双层膜结构产生焦耳热迅速升温，而双层膜结构的热膨胀系数不同从而电热驱动结构两侧产生较大的温度差。根据双层悬臂梁的受热机理可以知道，整个悬臂梁结构会向温度较低的一侧弯曲。由于采用分段式的双层膜结构，产生较大的弯曲效果，推动弧形电接触质量块运动，与外接电路的静接触点接触，接通电信号；当撤除驱动电压时，电阻丝热量迅速散开，弧形电接触质量块储存的应变能作用和温度的作用下使得整个装置回复迅速平直，完成复位，电接触单元断开，从而实现整个机构的快速的运动响应，实现开关的功能。
本发明的有益效果如下：
1.利用分段式双层膜结构的电热驱动单元，具有导向作用，输出力矩大，驱动电压低，响应时间快，能够实现快速的平移运动；
2.双层膜电热驱动采用对称式复合弓型结构，可以实现对称的双重驱动能力，降低了工作过程的疲劳损耗，可以更好的适应高频率工作环境，增加了功能的可靠性；
3.采用扇形柔顺结构，并且配合弹簧的作用，能实现摩擦小，间隙小，回复作用快捷，功耗低，有效的缓冲振荡、冲击、有效减少电火花的产生，改善工作中的接触黏着效应，延长使用寿命；
4.采用弧形结构的电路接触单元，不但可以有效的实现较大的接触面积，增加过电流能力，而且弧形结构的柔顺缓冲作用使得机构有效的减少电火花的产生，增加可靠性和稳定性，延长使用周期；
5.采用蛇形柔性弹簧连接，使得整个机构的柔性效果达到更高的效果；
6.对称的结构设计、模板制作方便，一体化的结构优势，有效的降低了制作工序，缩短制作周期，成本低廉，有利于实现批量化生产。
附图说明
图1为具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关的结构图；
图2为具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关的电接触单元示意图；
图3为具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关的分段式双层膜电加热驱动单元结构。
图中：1-静接触点、2-衬底、3-弧形电接触质量块、4-分段式双层膜电热驱动单元、5-基座、6-V型支撑梁、7-静接触点、8-柔性弹簧、9-电极、10-弧形电路接触点、11-热膨胀率较高的膜、12-热膨胀率较低的膜。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，包括：第一静接触点1、衬底2、弧形电接触质量块3、分段式双层膜电热驱动单元4、基座5、V型支撑梁6、第二静接触点7、柔性弹簧8、电极9和弧形电路接触点10。其中，电接触单元包括第一静接触点1、V型支撑梁6、柔性弹簧8、弧形电接触质量块3、第二静接触点7和弧形电路接触点10。电极9包括两个，设置在基座5两侧，电极9与驱动电路连接，驱动电路为电极9提供驱动电压。
分段式双层膜电热驱动单元4、基座5和电接触单元位于衬底2的上方并通过基座5与衬底2相连。弧形的分段式双层膜电热驱动单元4为电热驱动单元，位于衬底2中间，这样的结构具有做大限度的应变能储存机制，使得机构的回弹效果得到很好的提升，避免了接触点之间的黏着应力。
如图2所示，为电接触单元的示意图，包括第一静接触点1、V型支撑梁6、柔性弹簧8、弧形电接触质量块3、第二静接触点7和弧形电路接触点10，其中柔性弹簧8与弧形电接触质量块3相连，用于构成弧形梁，V型支撑梁6连接分段式双层膜电热驱动单元4。V形支撑梁6、弧形梁共同构成的扇形柔性结构；弧形电接触质量块3由柔性弹簧8连接在V型支撑梁6上；电接触单元的第一静接触点1、第二静接触点7对称分布于左右两端，与弧形梁结构上的弧形电接触质量块3连通或者断开。当分段式双层膜电热驱动单元4受热产生运动时，带动弧形电接触质量块3与第一静接触点1、第二静接触点7柔性接触。弧形电接触质量块3、柔性弹簧8的双重柔性结构，大大的降低了工作过程的振荡、冲击，与电路连接时，更加避免了刚性冲击带来的电火花，增加了整个装置的安全性能，延长器件的使用寿命。
分段式双层膜电热驱动单元4向上运动工作时，通过对电极9施加驱动电压，电流流经分段式双层膜电热驱动单元4，分段式双层膜电热驱动单元4产生焦耳热迅速升温，而双层膜结构的热膨胀不同，使得双层膜结构产生热应力使材料弯曲，由于两边的结构是闭环，所以具有相反方向结构的双层膜结构迅速膨胀产生向上的导向运动。从而分段式双层膜电热驱动单元4使弧形电接触质量块3与第一静接触点1、第二静接触点7接触，扇形结构的柔性弹簧8起到了缓冲的作用，弧形的结构形式使得接触变成柔性接触，并储存一部分的应变能。这时弧形电接触质量块3与外接电路的第一静接触点1、第二静接触点7接触，接通电信号；当撤除驱动电压时，分段式双层膜电热驱动单元4迅速降温，机构回复，这时储存在弧形结构的应变能发挥作用，辅助分段式双层膜电热驱动单元4回复形状，使得整个机构回弹，迅速完成复位，电接触单元断开，从而实现整个机构的往复运动。
如图3所示，为分段式双层膜电热驱动单元的单元组成，包括：热膨胀率较高的膜11和热膨胀率较低的膜12，其中，双层膜是相反的叠加方向。这样的设计结构可以使得电加热产生的运动效率大大的增加，还可以实现导向性的运动。特殊的弧形结构让整个装置处于柔顺工作状态，灵活性高，柔顺结构特有的应变能储存功能使机构具有更大的回复效果。双层膜的热膨胀系数不一样可以产生弯曲从而实现机构的运动，分段式双层膜电热驱动单元通过电加热的方式，由不同热膨胀系数的双层膜产生不平衡的焦耳热驱动。
本发明上改进了电热驱动结构，采用分段式双层膜结构的电热驱动，并引入了扇形柔顺结构。双层膜结构的电热驱动响应更快，驱动力更大，驱动更远，适合高频率的工作响应。扇形柔顺结构由弧形梁、V型支撑块构成，由于这种柔顺机构易于加工，工艺成熟，具有良好的机械性能，定位精确稳定，可以成为替代刚性杆件的新机构，避免了刚性杆件接触带来得刚性冲击。扇形柔顺结构采用弧形的接触面，并搭配弹簧使用，最大限度的增加了柔性杆件的柔性变形，极大缓冲了由于杆件运动所带来的振荡、冲击、摩擦等损耗。按照MEMS微驱动器的设计原则，扇形柔顺结构在动态接触的时候可以很好的保持残余应力，储存应变能，响应速度快、回复性能优越、稳定性能高，可以方便的实现小型化、批量化。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：它包括衬底、分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元，所述分段式双层膜电热驱动单元、基座和电接触单元均位于衬底上，所述分段式双层膜电热驱动单元固定设在基座上，基座于衬底固定连接，所述电接触单元设置在分段式双层膜电热驱动单元上方；所述电接触单元包括静接触点、V型支撑梁、柔性弹簧和弧形电接触质量块，所述V型支撑梁固定在分段式双层膜电热驱动单元上方，弧形电接触质量块通过柔性弹簧连接在V型支撑梁上，所述静接触点设置在弧形电接触质量块上方，静接触点与弧形电接触质量块相配合，所述静接触点与外界电路连接。
2.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述分段式双层膜电热驱动单元具有复合弓型的结构。
3.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述分段式双层膜电热驱动单元是由两段相反形状的双层膜构成，所述双层膜为热膨胀率不同的膜。
4.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述基座的两侧设置有电极，所述电极与驱动电路连接。
5.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述V形支撑梁的材料为硅或二氧化硅。
6.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述柔性弹簧为蛇形结构的弹簧。
7.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述弧形电接触质量块是具有弧形结构的金属单元，两边与柔性弹簧相连接。
8.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述静接触点具有弧形结构，弧形结构的曲率半径与弧形电接触质量块相等并与其保持接通或者断开。
9.如权利要求1所述的具有柔顺机构的分段式双层膜电热驱动MEMS开关，其特征在于：所述衬底材料为硅或陶瓷。
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