CN1337087A - 静电激励器的驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种静电激励器装置及用来激励该装置的方法。该装置包括一对激励板,它具有为其提供电压的电极,并且一对中的至少一个能够相对于另外一个运动。在通过附着在板上的电极施加电压时可以移动板的位置。一个驱动装置为电极提供电压,使至少一个板运动。驱动装置产生一个合成交流信号,其上升/下降阶段至少是激励器机械响应时间的10到100倍(最好是超过20倍)。最佳的交流信号是从方波,正弦波,三角波及其混合波形中选择的。最佳电路所产生的上升/下降阶段是交流信号的一个完整周期的四分之一,并且仅有合成交流信号的额定阶段被用来驱动激励器。

Description

静电激励器的驱动方法

技术领域

本发明涉及到驱动静电激励器的驱动装置和方法。本发明具体涉及到使用合成交流(交流)信号的驱动装置和方法。

发明背景

静电激励器是可以选择的，并且是选择采用小功率，高速操作，低成本和小尺寸的激励器的解决方案。这些装置具有明显的优点：所需功率更小的过热装置；使用小功率并具有小尺寸的过电磁装置；或者是具有高成本并具有更小的运动量的压电激励器。

然而，迄今为止，市场上还没有这样的静电激励器。在由于存在介电隔离电极而招致具体问题时特别关注静电激励。

在静电激励器中产生的位移是两个物体上分布的带相反符号的电荷之间的静电吸附力的结果，其中一个物体是可以移动的。在本发明中将这两个物体称为激励板。激励板被放置在相距预定的距离。如果在作为激励板一部分的两个导电电极之间施加一个电位差，就会产生电荷分布。如果在电极之间施加电位差，激励器就处在ON状态或模式下，两个板相向运动。如果两个电极是等电位(短路)，激励器就处在OFF状态。

直流(DC)电压从理论上说能够感应激励周期的ON状态。然而，实际的问题限制了直流电压对某些静电激励器的激励作用。在实际的设备中，直流驱动具有记忆效应，使激励器的性能严重依赖于以往的激励过程。直流驱动还会感应净摩擦(1)通过从电介质/金属电极界面上注入的电荷，(2)通过在电介质/空气界面上俘获的电荷。

使用交流信号来感应静电激励器的ON状态也是可行的，并且能消除直流驱动的缺点。

正弦波交流驱动被发现具有一些有害的性质。正弦波交流驱动不能产生许多应用中需要的静电压力的稳态电平。激励器板与板的位移会跟随着正弦波施加的电压，在施加正弦波交流电压时会产生有害的振动。为了克服这一缺点可以采用多相位/多电极的驱动方案。然而，这种方法会招致结构的复杂化和有限的力。方波交流驱动可以提供高而稳定的静电力。然而，它还会产生过早的净摩擦，对性能有不利的影响，实际应用中会造成许多设备不能达到预期的使用寿命。

有一组专利描述了采用精密微型阀门，传感器和其他部件的流体控制，使用一个入口与引出口之间的主通道和入口与出口之间的伺服通道。由一个控制流量管控制伺服通道，用静电移动流量管的薄片。授子Bonne等人的美国专利5.176,358公开了这样一种流体调节装置，而分案的美国专利5,323,999和5,441,597涉及到变更的实施例。

上述专利仅仅是简单介绍了实际的静电装置，在激励一个装置以改变有关的至少一个电极的电压时产生一个静电力，使作为介电层一部分的至少一个薄片朝向或是离开一个孔移动。

关于上述可供参考的专利的进一步信息和使用静电力的微型阀门的另外一组专利有关系。参照了前述那些专利的未决美国专利申请在Bonne等人的美国专利5,082,242中得到了完善。这一专利描述了一种装在一件硅片上的整体结构的微型阀门，该装置是一个在硅晶片的相对两侧具有入口和出口的流通阀。阀门在接触到阀门座时关闭，而表面之间必须匹配以免阀门性能恶化。美国专利5,180,623和5,244,527这两件专利是涉及到第一件专利的分案专利。这些专利笼统描述了由各类电压源驱动的静电阀门的操作。具体来看，如果在电极之间施加一个直流电压，这种阀门可以说是一种具有全开和全闭位置的两个位置的阀门。也可以通过施加与关闭阀门所需的电压成正比的电压来实现比例控制阀门的操作。最后，这些专利还描述了具有脉宽调制电压信号的阀门的操作，用来调制通过阀门的气流。

在某些静电激励器中，激励板在正常操作周期中必须要精密接触。这些激励器有时被称为接触式静电激励器。为了避免在操作周期的接触阶段发生电路短路，导电电极由介电层彼此隔离。为了用具体的装置获得最高的效率，通常要在两个导电电极之间形成大电场。静电吸引的非线性性质会造成突发动作，使激励板以高达10⁸g的加速度和超过10³m/sec的速度相向运动。在发生碰撞之后，激励板的自由面被大静电场产生的压力彼此排斥。这种操作模式往往会在激励板之间产生很大的机械碰撞和强烈的相互作用力。某些这种力会一直持续到激励板之间的电位差消失之后。在某些情况下，这些力会超过能够使电极回到其原始位置的恢复力。在这种情况下，两个电极仍然会暂时或永久地吸附，而激励器也就不能正常工作了。有时将这种状态称为“静摩擦”。

在静电激励器中产生静摩擦的主要的力是表面互动力(固定搭接，Vander Waals力，氢接合)以及永久或暂时陷入电介质内的电荷产生的静电力。为了减少表面互动力，可以采用两种分案。第一，减少接触面积，这需要更加精密的结构并且提供一些有效的静电力。第二是降低接触层上的表面能量，基于这种原理的装置还没有成功的先例。

在一个激励器的寿命中，大机械碰撞和大静电压力会逐渐增加激励板之间的实际接触面积，并且加强表面互动力。

如果能从技术上减少甚至完全避免这种积累作用，那一定是非常有益的。

如果能对静电激励器的驱动方法进行改进，使其可以用于任何激励器及其具体部件的结构，那将是技术上的另一个重大进步。

从下文中可以看出其他优点。

                       发明概述

目前业已发现本发明的上述和其他目的可以用以下的方法来实现。具体地说，本发明包括一个激励器驱动器，它产生的合成交流信号有三个不同的段，被称作段I或上升段，段II或额定段，以及段III或下降段。额定段作为实际产生力的段，而上升和下降段则作为零信号和交流信号的额定幅值之间的过渡段。这种驱动器能够从整体上延长激励器的寿命，因为它减少了电荷，并且减少了激励器部件间的接触点上的机械碰撞。在不同段中使用的信号可以是方波，正弦波，三角波或是混合信号。

该装置被用在具有至少一对激励板和电极的静电激励器中，用来为其产生电压。一对中的至少一个可以相对于另外一个移动。激励板所处的位置使其在通过电极施加电压时能够移动。驱动装置为电极提供一个电压，使至少一个激励板移动。

本发明的驱动装置用以下结构来产生一种合成交流信号。段II或是额定段中的信号是一种方波交流信号。这一信号能够产生稳定的静电力。这一信号的幅值和频率是按照具体应用的机械和电气特性来选择的。以下是上述信号的一个例子：方波交流信号幅值的峰-峰间幅值是60V，而频率是250Hz。在某些对寿命要求适中的应用中(数百到数千次激励周期)，信号的这一段可以是独立的。

段I和III中的信号不一定要产生显著的静电力，但是要确保缓慢地增/减电信号的幅值。如果信号从零达到其最大值所需的时间至少比激励器的机械响应时间长10到100倍，这种增/减就被认为是很慢了。这样，激励器的位移就能够跟随施加的电压。满足这些要求的信号有幅值调制的方波，正弦波或三角波信号。幅值调制可以有一定的时间函数限制，例如但是并非仅限于线性指数或正弦函数。交流信号在段I和III中的周期次数可以随着具体应用的响应时间和功率需求而改变。最佳实施例是周期20次以上。

如果在合成信号的段I和/或III中使用正弦波或三角波信号，可以将这些段缩短到一个完整交流周期的四分之一。这样能够明显地缩短装置的响应时间和功率消耗，同时保留减少机械碰撞和减少电荷的优点。

优选的电路产生的激励周期有一个通过基本交流信号的多个独立周期从零上升到理想的最终值的幅值，还有一个同样通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零的幅值。

升/降段的具体结构和交流信号的频率可以在很大的数值范围被修改，以适应具体应用的速度和功率需求。对交流信号的特定频率和升/降段的次数进行调节是为了尽量减少上述激励板之间的静摩擦。

为了更加充分地理解本发明，以下要参照附图予以描述，在附图中：

附图简述

图1-5的示意图表示电压对时间的曲线，代表在按照本发明的各种静电激励器中使用的各种驱动信号；以及

图6是显示本发明的驱动电路的具体实施例的一个框图。

发明详述

本发明提供了一种改进的静电激励器，它的工作寿命与直流信号驱动的同样的激励器相比可达到数千倍，与采用规则的方波信号相比能达到20倍以上。

如图1所示，本发明的驱动信号的形状是由三个不同段合成的信号：由幅值线性增加的方波交流信号构成的上升段；由恒定幅值的规则方波信号构成的额定段；由幅值线性减少的方波交流信号构成的下降段。信号的上升和下降段的时间要比交流信号的周期长得多。这样就能减少电荷并且减少激励器零件之间的接触部位上的机械碰撞。

从图1中可见，方波信号的上升段大约是50毫秒(ms)，它比信号的一个周期长得多。下降段也是大约50ms，与信号的周期相比也要长得多。

图2表示代表线性幅值调制的近似曲线，此处表示信号在激励周期的每个顺序的ON状态下的相位变化。图中还清楚地表示了与这一信号周期相比的长上升和下降段。图3是另一种实施例，在其中采用了正弦幅值调制，同样表示了与信号周期相比的长上升和下降段。图4表示按照本发明的具有线性幅值调制的一种组合的正弦/方波驱动电压。图5表示合成的正弦/方波驱动电压的具体例子，信号的上升和下降段各自仅占一个完整的交流周期的四分之一。

驱动周期频率和幅值以及合成信号的上升和下降段的时间可以按照本发明在具体设备中的应用而在大范围内调节。尽管不是为了限制变化的范围，还是有这样一个例子，方波频率是250Hz，峰-峰间幅值是70V，而上升/下降时间分别是0.1秒。或者是这样一个例子，方波频率是1.6KHz，而上升/下降时间分别是0.02秒。在各种情况下，频率，幅值和上升/下降时间的具体值是由本发明的具体应用来确定的。

按照本发明及其产生的信号，上升/下降段的时间可以在驱动信号的一个周期的四分之一到交流信号周期的几倍之间。上升/下降时间最好是至少达到二十倍长，这样有助于在开始激励电压时减少机械碰撞，并且能够在撤掉激励电压时更好地排空电荷。而这在本发明之前是不可能的。

可以用各种电路来产生本发明的信号，但是这种电路必须能够以一种通过足够数量的基本交流信号的独立周期从零增加到所需的最终值的幅值来起动一个激励周期。每个激励周期的结束也必须要让交流周期的幅值同样经过足够数量的基本交流信号周期从额定值逐渐下降到零。

图6表示按照本发明用来产生理想驱动信号的一种电路的具体实施例，但是本发明并非仅限于这一具体的电路。

由图5的电路所产生的信号是250Hz的方波。方波的峰-峰间额定幅值是70V。上升时间和下降时间都是0.1秒。用来产生激励器实际运动的调制频率大约是1Hz。

如图6所示，输入端11的电压经过反相13到达时钟发生器15和包络线发生器17。来自包络线发生器17的信号被放大19，并且在直流/交流变换器23中经过来自时钟发生器15的信号加工后进入激励器21。这种装置被用来产生图1-4所示的信号，并且按以下所述方式工作。

为了证明本发明的效果，预备了六个相同的接触式静电激励器，各自是受到1Hz激励频率激励的25个独立小片的一个阵列。按以下方式驱动这六个装置：(1)有三个采用如图1所示的本发明的驱动信号；(2)有三个采用规则的方波，它的上升和下降时间比激励器的机械响应时间短，并且远远小于AV驱动信号的周期。由本发明的信号驱动的装置通过了8,000,000次ON/OFF周期没有发生任何故障。由规则的方波驱动的对比装置显示出90％的片有非同步运动。最终，仅仅经过400,000次周期之后就发现有60％的片存在静摩擦。在经过350,000次周期之后就会出现大量故障，在前350,000次周期中有30％的片损坏了，而在接着的50,000次周期中又损坏了30％。由直流电压驱动同样的装置在经过几个激励周期之后就会出现静摩擦。这就充分证明本发明确实能够减少机械碰撞和静摩擦。

从上文的具体说明中可见，本发明完全适合在几乎所有静电激励器中使用。特别是对接触式的应用具有优越性，本发明可以用于阀门，泵，开关，快门，摆动电机及其他许多类似装置的静电激励器。能够大大提高这些装置的工作性能并且延长使用时间，因为本发明能够通过选择最佳的驱动电压来减少激励板之间的机械碰撞以及减少静摩擦。尽管上文所述的是本发明的特殊实施例，但是并不构成对本发明的限制，本发明的范围是由权利要求书来限定的。

Claims (26)

1.一种静电激励器包括：

一对激励板，它具有为其提供电压的电极，并且上述一对中的至少一个能够相对于另外一个运动，在通过附着在上述板上的电极施加电压时可以移动上述板的位置；以及

为上述电极提供电压导致上述运动的驱动装置，上述驱动装置产生一个合成交流信号，其上升/下降阶段至少是激励器机械响应时间的10到100倍。

2.按照权利要求1的装置，其特征是上升/下降阶段超过上述交流信号周期的二十倍。

3.按照权利要求1的装置，其特征是上升/下降阶段是上述交流信号的一个完整周期的四分之一。

4.按照权利要求1的装置，其特征是仅有合成交流信号的额定阶段被用来驱动激励器。

5.按照权利要求1的装置，其特征是上述交流信号是从方波，正弦波，三角波及其混合波形中选择的一种。

6.按照权利要求1的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，由上述电路产生的激励周期有一个上升阶段，信号幅值在此阶段中通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值。

7.按照权利要求1的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，由上述电路产生的激励周期有一个下降阶段，信号幅值在此阶段中通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

8.按照权利要求1的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，由上述电路产生的激励周期有一个上升阶段，信号幅值在此阶段中通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值，还有一个下降阶段信号幅值在此阶段中通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

9.按照权利要求1的装置，其特征是上述静电激励器是一种接触式静电激励器。

10.在一种接触式静电激励器中具有一对激励板，它具有为其提供电压的电极，并且上述板中的至少一个能够相对于另外一个运动，在通过附着在上述板上的电极施加电压时可以移动上述板的位置，并且还有一个为上述电极提供电压导致上述运动的驱动装置，其特征是：

用驱动装置产生一个合成交流信号，其上升/下降阶段至少是激励器机械响应时间的10到100倍。

11.按照权利要求10的装置，其特征是上升/下降阶段超过上述交流信号周期的二十倍。

12.按照权利要求10的装置，其特征是上升/下降阶段是上述交流信号的一个完整周期的四分之一。

13.按照权利要求10的装置，其特征是仅有合成交流信号的额定阶段被用来驱动激励器。

14.按照权利要求10的装置，其特征是上述交流信号是从方波，正弦波，三角波及其混合波形中选择的一种。

15.按照权利要求10的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，在上述电路产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值。

16.按照权利要求10的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，在上述电路产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

17.按照权利要求10的装置，其特征是上述驱动装置是一个驱动电路，在上述电路产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值，还有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

18.驱动静电激励器的一种方法，激励器具有一对激励板，它具有为其提供电压的电极，上述一对中的至少一个能够相对于另外一个运动，在通过附着在上述板上的电极施加电压时可以移动上述板的位置，其特征是包括以下步骤：

为上述电极提供一个电压导致上述运动，用上述驱动装置产生一个合成交流信号，其上升阶段至少是激励器机械响应时间的10到100倍，而下降时间也是激励器机械响应时间的10到100倍。

19.按照权利要求18的方法，其特征是上述上升和下降时间超过上述交流信号周期的二十倍。

20.按照权利要求18的方法，其特征是上升/下降阶段是上述交流信号的一个完整周期的四分之一。

21.按照权利要求18的方法，其特征是仅有合成交流信号的额定阶段被用来驱动上述接触式激励器。

22.按照权利要求18的方法，其特征是上述交流信号是从方波，正弦波，三角波及其混合波形中选择的一种。

23.按照权利要求18的方法，其特征是在上述信号产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值。

24.按照权利要求18的方法，其特征是在上述信号产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

25.按照权利要求18的方法，其特征是在上述信号产生的激励周期中，有一个幅值通过基本交流信号的多个独立周期从零增加到理想的最终值，还有一个幅值同样通过基本交流信号的多个独立周期从一个额定的最终值下降到零。

26.按照权利要求18的方法，其特征是还包括以下步骤，调节方波交流信号的频率和幅值调制的上升及下降时间，以减少上述激励板之间的静摩擦。

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