CN110932594A - 一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，包括彼此一一首尾交错连接的若干弧形杆和直杆，若干所述弧形杆和直杆位于同一平面上，任一所述弧形杆首尾连接的一对直杆与所述弧形杆呈Z字型相连，所述弧形杆上固定有施加电压后产生形变的驱动件，所述弧形杆随所述驱动件的形变而形变。本发明提出的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，结构巧妙，设计合理，通过弧形杆和直杆作为弹性杆件和扭转铰链完成所需运动，可用于微机械中的执行机构。此种机构在施加更小力的情况下，可以产生更大的位移，在同样驱动位移的情况下，所需的力更小，可应用于微机电系统需要产生较大变形或位移的场合。
Description
技术领域
本申请属于微机电系统技术领域，尤其是涉及一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构。
背景技术
在微机电系统技术中的微机构的执行机构与宏观机械机构的区别不仅是在尺度上的差别。微机构的执行机构中，虽然构件间相对运动的摩擦和磨损在宏观机构中是常见的，但是摩擦和磨损对微机构的影响则是致命的，即具有摩擦和磨损的微机构是无法实际应用的。目前，微机构多采用弹性机构或平面折展机构产生相对运动，因为此类机构无摩擦和磨损，不需要考虑润滑，其机构本身即是一个整体构件，不仅结构紧凑，而且无须装配。
宏观机构中研究平面折展机构较多，其杆件作为刚体，研究重心在通过柔性铰链实现相对运动，但对弹性机构研究的不多。在微机械中，弹性机构的应用基本限于矩形直杆的研究(Jacobsen J O,Winder B G,Howell L L,et al.Lamina emergent mechanismsand their basic elements[J].Journal of Mechanisms&Robotics,2010,2(1):11003-11009.)。折展机构是通过柔性铰链与刚体杆件的组合完成所需运动，需要提供额外的动力源，且位移效果有限。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中微机构运动效能的不足，从而提供一种相同载荷下可获得更大位移的新型弹性执行机构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，包括彼此一一首尾交错连接的若干弧形杆和直杆，若干所述弧形杆和直杆位于同一平面上，任一所述弧形杆首尾连接的一对直杆与所述弧形杆呈Z字型相连，所述弧形杆上固定有施加电压后产生形变的驱动件，所述弧形杆随所述驱动件的形变而形变。
在其中一个实施例中，所述直杆与所述弧形杆的轴线方向互相垂直。
在其中一个实施例中，所述弧形杆的形变为垂直于所述平面的弯曲形变。
在其中一个实施例中，所述弧形杆为两侧呈弧形的杆件。
在其中一个实施例中，所述弧形杆和直杆由单晶硅材料制成。
在其中一个实施例中，所述弧形杆和直杆的厚度为20μm～30μm。
在其中一个实施例中，所述弧形杆的长度大于所述直杆的长度。
在其中一个实施例中，所述驱动件包括压电材料层，以及分别在所述压电材料层上侧和下侧形成的上电极和下电极。
在其中一个实施例中，所述压电材料层由压电材料组成。
在其中一个实施例中，所述压电材料层由多层复合压电材料组成。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，结构巧妙，设计合理，通过弧形杆和直杆作为弹性杆件和扭转铰链完成所需运动，可用于微机械中的执行机构。此种机构在施加更小力的情况下，可以产生更大的位移，在同样驱动位移的情况下，所需的力更小，可应用于微机电系统需要产生较大变形或位移的场合。本发明也可作为动力驱动源，驱动其他微机构，不需要提供额外动力源。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构的局部结构示意图；
图2是本申请实施例制备驱动件的示意图之一；
图3是本申请实施例制备驱动件的示意图之二；
图4是本申请实施例制备驱动件的示意图之三；
图5是本申请实施例制备驱动件的示意图之四；
图6是本申请实施例制备驱动件的示意图之五；
图7是本申请实施例制备驱动件的示意图之六；
图8是本申请实施例制备驱动件的示意图之七；
图9是本申请实施例基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构的工作情景示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，包括彼此一一首尾交错连接的若干弧形杆12和直杆13，若干弧形杆12和直杆13位于同一平面上，任一弧形杆12首尾连接的一对直杆13与弧形杆12呈Z字型相连，弧形杆12上固定有施加电压后产生形变的驱动件，弧形杆12随驱动件的形变而形变。上述机构为微尺度下微机电系统的弹性执行机构，能够获得较大位移且没有摩擦和磨损，无须装配。与直杆13弹性机构相比，本实施例弹性执行机构相对应尺寸下施加相同载荷，可以获得更大的位移，在微机械的应用具有实际意义，同样，获得相同位移，所需施加的力更小，节省能量。在本实施例应用过程中，弧形杆12承受的是弯曲变形，而直杆13承受的是扭转变形，弧形杆12的变形承担了机构的主要位移，而承担扭转变形的直杆13起到了铰链的作用。
在其中一个实施例中，直杆13与弧形杆12的轴线方向互相垂直，上述轴线分别为直杆13与弧形杆12的长度轴线，这样便于使直杆13与弧形杆12相互交错连接，形成Z字形结构，完成形变传导。
在其中一个实施例中，弧形杆12的形变为垂直于上述若干弧形杆12和直杆13位于的平面的弯曲形变，弧形杆12的弯曲变形承担了机构的主要位移。在本实施例中，弧形杆12的弯曲变形体现为垂直于上述平面的上下运动，从而使整个微机构产生位移，完成整个机构的运动。
在其中一个实施例中，弧形杆12为两侧呈弧形的杆件，弧形杆12具有良好的形变能力。弧形杆12与直杆13的连接部较弧形的中间部位宽度较宽，保证良好形变弯曲性能下的与直杆13的连接强度。
在其中一个实施例中，弧形杆12和直杆13由单晶硅材料制成
在其中一个实施例中，弧形杆12和直杆13的厚度为20μm～30μm。在不同的实施例中，弧形杆12和直杆13的厚度为20μm或30μm，优选的弧形杆12和直杆13的厚度为25μm。
在其中一个实施例中，弧形杆12的长度大于直杆13的长度。弧形杆12的弯曲变形承担了机构的主要位移，而承担扭曲变形的直杆13起到了铰链的作用。
在其中一个实施例中，驱动件包括压电材料层5，以及分别在压电材料层5上侧和下侧形成的上电极6和下电极7。当上、下电极施加电压时，引起压电材料层5变形，从而使整个驱动件变形，进而带动弧形杆12变形，从而使整个执行机构产生运动。
在其中一个实施例中，压电材料层5由压电材料组成。在其中一个实施例中，压电材料层5由多层复合压电材料组成。在弧形杆12的上部有一层压电材料或多层复合压电材料，对压电材料施加电压后产生变形或多层复合压电材料施加电压产生不均匀变形，驱动弧形杆12的弯曲变形，从而使整个执行机构产生运动。
本发明还公开了制备上述驱动件的方法，包括如下步骤：
步骤一、如图2进行热氧化，形成氧化绝缘层4。器件层1、绝缘层2和基底层3组成SOI硅片。在该SOI硅片上热氧化，形成氧化绝缘层4。该层氧化绝缘层4将后续压电材料层5和其电极与器件层1的弹性机构电绝缘隔离；
步骤二、如图3进行光刻剥离形成压电材料层5及其上电极6和下电极7，光刻剥离形成压电材料层5和其电极，形成该新型机构的驱动源；
步骤三、如图4进行淀积二氧化硅层8保护压电材料层5及其上电极6和下电极7；
步骤四、如图5所示，光刻二氧化硅层8，形成刻蚀器件层1中的弹性执行机构的掩膜层；
步骤五、如图6所示，刻蚀器件层1，形成弹性执行机构；
步骤六、如图7所示，形成刻蚀基底层3的第一掩膜10和第二掩膜11。在SOI硅片的底部淀积二氧化硅层8和氮化硅层9并光刻，形成刻蚀基底层3的掩膜；
步骤七、如图8所示，利用掩膜，刻蚀SOI硅片的基底层3和绝缘层2。然后，去除氧化绝缘层4和二氧化硅层8以及掩膜，形成整个驱动件。
本发明还公开了基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构的工作情景。请参考图9，中间为微针阵列(微针没有画出)，四周曲线形杆和扭转杆串联交叉组合，形成Z字形整体结构，作为上述基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构。对称的设计是可保证微针阵列能够直上直下运动，从而驱动微针刺入皮肤。
一般Z形直杆13机构与本发明基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构对比：使用CO MSOL模拟仿真软件，以单晶硅材料为例，许用应力[Sy]＝930MPa，构建同等尺寸Z形直杆13机构和本发明所提供的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构。Z形直杆13机构中，弯曲直杆13长1600μm，宽100μm，扭转直杆13长100μm，宽100μm，铰链厚度25μm。中间的微针阵列板为3000*3000μm2，厚度25μm。Z形直杆13机构与阵列板之间的连接杆长100μm，宽100μm，厚度25μm。本发明的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，曲线形杆长1600μm，宽100μm，机构厚度25μm。在曲线形杆中，半椭圆弧形的短半轴长30μm。中间的微针阵列板为3000*3000μm2，厚度25μm。基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构与阵列板之间的连接杆长100μm，宽100μm，厚度25μm。
按照以上尺寸构建仿真模型，分别对8个自由端施加固定约束，然后对微针阵列板施加垂直向下的力，对机构的应力、位移进行测试：对于Z形直杆13机构，当F＝0.052N时，最大应力为924.69MPa，小于许用应力，此时机构可以正常工作。最大驱动位移为677.67μm。而本发明基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，当F＝0.04N时，最大应力为924.34MPa，小于许用应力，此时机构可以正常工作。最大驱动位移为800.24μm。所以基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构在施加更小力的情况下，产生更大的位移。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，结构巧妙，设计合理，通过弧形杆和直杆作为弹性杆件和扭转铰链完成所需运动，可用于微机械中的执行机构。此种机构在施加更小力的情况下，可以产生更大的位移，在同样驱动位移的情况下，所需的力更小，可应用于微机电系统需要产生较大变形或位移的场合。本发明也可作为动力驱动源，驱动其他微机构，不需要提供额外动力源。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (10)
1.一种基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，包括彼此一一首尾交错连接的若干弧形杆和直杆，若干所述弧形杆和直杆位于同一平面上，任一所述弧形杆首尾连接的一对直杆与所述弧形杆呈Z字型相连，所述弧形杆上固定有施加电压后产生形变的驱动件，所述弧形杆随所述驱动件的形变而形变。
2.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述直杆与所述弧形杆的轴线方向互相垂直。
3.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述弧形杆的形变为垂直于所述平面的弯曲形变。
4.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述弧形杆为两侧呈弧形的杆件。
5.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述弧形杆和直杆由单晶硅材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述弧形杆和直杆的厚度为20μm～30μm。
7.根据权利要求1所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述弧形杆的长度大于所述直杆的长度。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述驱动件包括压电材料层，以及分别在所述压电材料层上侧和下侧形成的上电极和下电极。
9.根据权利要求8所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述压电材料层由压电材料组成。
10.根据权利要求9所述的基于微机电系统的自驱动新型弹性执行机构，其特征在于，所述压电材料层由多层复合压电材料组成。
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