CN110557049A - 一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，用于实现微尺度下的运动转换和运动规律实现。所述机构由致动器、驱动头、凸轮回程弹簧、从动件、从动件回程弹簧、凸轮和止动器、一个V型微止动器组成，整个装置为多晶硅材料，用MEMS工艺制作。该机构由U型冷热臂电热致动器作为主驱动用来驱动凸轮体向右运动，凸轮体带动从动件实现不同的运动规律，凸轮轮廓形状改变，从动件运动规律随之改变，可实现微尺度下较为复杂的运动，结构简单，效率高，可用在引信等MEMS器件中。

Description

一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构

技术领域

本发明属于半导体芯片技术领域，具体涉及一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构。

背景技术

微凸轮机构是MEMS的重要部件，承担着运动转化、运动传递、运动放大和特定运动轨迹的实现等重要作用，按运动方式分为移动从动件和摆动从动件两种凸轮机构。在宏观机械运动中，运动转化、运动轨迹等功能通过凸轮、曲柄连杆、齿轮等的组合较易实现，而在MEMS领域，由于表面力占主导地位，器件之间容易粘附在一起，运动部件之间出现黏着磨损，再加上加工工艺的限制，使得运动转化等功能的实现非常不易。2001年，Jae-Sung利用V型电热硅微致动器在硅芯片上制作了热致动微马达机构的思路，实现了旋转运动，但没有输出功能，不具有实用性。2001年，Long Que等在Bent-beam electrothermal actuators-Part I:Single beam and cascaded devices(Journal of MicroelectromechanicalSystems,Vol.10,NO.2,June 2001)中报道了一种基于多晶硅的V型电热微致动器，通过推拉式结构将V型电热微致动器产生的往复直线运动转变成齿轮的转动，该致动器结构简单，易于控制，能产生往复直线运动，但该机构没有负载输出，不具备实用性。沈雪瑾等在基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达(ZL 201210325630.7)中提出使用是一种基于凸轮机构的可调输出位移的直线微马达，该装置利用右侧和上侧V型电热致动器阵列的交替工作，实现齿条滑槽的往复直线运动，利用凸轮的轮廓曲线，实现调节控制叉子型推杆的输出位移大小，该专利标志着凸轮机构在MEMS构件中可实现特定轮廓曲线。

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凸轮机构没有相关报道。

为使得运动转化、运动传递等在微尺度下的实现，提供了一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，用来实现微尺度下的运动传递和特定运动规律的实现。

发明内容

本发明的目的在于实现微尺度下的运动转化、运动传递、运动放大和特定运动轨迹的实现等作用，发明了一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，结构简单，可实现多种运动转换。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，包括：一个U型冷热臂电热致动器的电极甲和电极乙、一个U型冷热臂电热致动器、一个驱动头、一个凸轮回程弹簧、一个从动件、一个从动件约束副、一个从动件回程弹簧、一个凸轮、一个凸轮约束副、若干个驱动齿、一个V型微止动器、一个V型微止动器电极丙和电极丁，所述驱动头与U型冷热臂电热致动器相连，其上有两个齿与驱动齿相啮合，凸轮回程弹簧与凸轮相连，从动件回程弹簧与从动件相连，从动件置于凸轮附近，V型微止动器与驱动齿相连，所述从动件和凸轮分别由从动件约束副和凸轮约束副进行约束。

所述凸轮的形状可以是弧形，也可以是波浪形和梯形等不同形状。

所述从动件的形状可以是圆弧形从动件，也可以是尖顶形从动件。

所述U型冷热臂电热致动器的数目可阵列2-5个。

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：

本发明将宏观机械中的凸轮机构转换到微尺度下引用，继承了凸轮机构的优点，能实现运动转化、运动传递、运动放大和特定运动轨迹，结构新颖独特，与MEMS工艺兼容，易于控制，输出效率高。

附图说明

图1是实施例一的结构示意图；

图2是实施例二的波浪形凸轮结构示意图；

图3是实施例二的梯形凸轮结构示意图；

图4是实施例三的机构示意图

图中：1a、电极甲；1b、电极乙；2、U型冷热臂电热致动器；3、驱动头；4、凸轮回程弹簧；5、从动件；6、从动件约束副；7、从动件回程弹簧；8、凸轮；9、凸轮约束副；10、驱动齿；11、V型微止动器；12a、电极丙；12b、电极丁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

参见图1，本制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，包括：一个U型冷热臂电热致动器的电极甲1a和电极乙1b、一个U型冷热臂电热致动器2、一个驱动头3、一个凸轮回程弹簧4、一个从动件5、一个从动件约束副6、一个从动件回程弹簧7、一个凸轮8、一个凸轮约束副9、若干个驱动齿10、一个V型微止动器11、一个V型微止动器电极丙12a和电极丁12b，所述驱动头3与U型冷热臂电热致动器2相连，其上有两个齿与驱动齿10相啮合，凸轮回程弹簧4与凸轮8相连，从动件回程弹簧7与从动件5相连，从动件5置于凸轮附近，V型微止动器11与驱动齿10相连，所述从动件和凸轮分别由从动件约束副6和凸轮约束副9进行约束。

实施例二：

参见图1、图2和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述凸轮8的形状可以是弧形，也可以是波浪形和梯形等不同形状。所述从动件5的形状可以是圆弧形从动件，也可以是尖顶形从动件。

实施例三：

参加图1和图4，本实施例与实施例一、实施例二基本相同，特别之处如下：所述U型冷热臂电热致动器2的数目可阵列2～5个。

实施例四：

本硅微移动凸轮机构，电极甲1a和电极乙1b用于给U型冷热臂电热致动器2供电，电极丙12a和电极丁12b用于给V型微止动器供电。致动器的工作原理为：电极通电后，致动器中有电流通过，产生电阻热，U型冷热臂微致动器的梁不等宽，窄梁产生的电阻热大于宽梁，导致窄梁热膨胀量大于宽梁，形成弧状运动，V型微止动器的梁横截面相同，两端热膨胀量相等，产生直线运动。

参看附图1，电极甲1a和电极乙1b通电后，U型冷热臂电热致动器2中有电流通过，带动驱动头3产生向右的弧状运动，驱动头3上的齿与凸轮8上的驱动齿10啮合，带动凸轮8向右移动。电极甲1a和电极乙1b断电的同时电极丙12a和电极丁12b通电，V型微止动器11中有电流通过，产生直线运动，止动器工作，阻止凸轮8向左运动。

U型冷热臂电热致动器2输入交流电，凸轮8在驱动头3的驱动下向右运动，直至与从动件5接触，并迫使从动件5向上运动，从动件到达最高位置后在从动件回程弹簧7的作用下，从动件开始下降，凸轮8继续向右直至从动件回复原位，凸轮回程弹簧4被压缩，此时电极丙12a和电极丁12b断电，V型微止动器11回复原位，一个工作循环完成。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，包括：一个U型冷热臂电热致动器的电极甲(1a)和电极乙(1b)、一个U型冷热臂电热致动器(2)、一个驱动头(3)、一个凸轮回程弹簧(4)、一个从动件(5)、一个从动件约束副(6)、一个从动件回程弹簧(7)、一个凸轮(8)、一个凸轮约束副(9)、若干个驱动齿(10)、一个V型微止动器(11)、一个V型微止动器电极丙(12a)和电极丁(12b)，其特征在于：所述驱动头(3)与U型冷热臂电热致动器(2)相连，其上有两个齿与驱动齿(10)相啮合，凸轮回程弹簧(4)与凸轮(8)相连，从动件回程弹簧(7)与从动件(5)相连，从动件(5)置于凸轮(8)一侧，V型微止动器(11)与驱动齿(10)相连，所述从动件(5)和凸轮(8)分别设置在动件约束副(6)和凸轮约束副(9)内。

2.根据权利要求1所述的一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，其特征在于：所述凸轮(8)的形状设置为弧形、波浪形或梯形。

3.根据权利要求1所述的一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，其特征在于：所述从动件(5)的形状设置为圆弧形从动件或者尖顶形从动件。

4.根据权利要求1所述的一种制作在半导体芯片上的硅微移动凸轮机构，其特征在于：所述U型冷热臂电热致动器(2)的数目阵列设置2-5个。