專(zhuān)利名稱(chēng)：：基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的微驅(qū)動(dòng)器，具體地說(shuō)，涉及的是一種基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
：微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)最重要的兩個(gè)特征是微傳感器與微驅(qū)動(dòng)器，其中微驅(qū)動(dòng)器作為MEMS中最重要核心技術(shù)的一部分，其驅(qū)動(dòng)機(jī)理及原型器件的制備成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)。微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)理主要是利用各種物理效應(yīng)，典型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制有靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)等。靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS微驅(qū)動(dòng)器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗較低，但要使其保持良好工作性能所需要的靜電驅(qū)動(dòng)電壓較高，高電壓不但有損于使用壽命和穩(wěn)定性，而且與集成電路(IC)工藝不兼容。電磁驅(qū)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到很低水平，但其工作特性的尺度效應(yīng)明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗高而效率低。電熱驅(qū)動(dòng)是一種適合于微尺度運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，驅(qū)動(dòng)電壓低而輸出力矩大，相同尺度下體積功率密度顯著高于靜電和電磁驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定可靠。但是熱驅(qū)動(dòng)亦有兩個(gè)顯著的缺點(diǎn)，即功耗較大且反應(yīng)速度慢。多方面研究表明，引入雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)有助于改善熱驅(qū)動(dòng)器件的上述缺陷。所謂雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)是指在其運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)具有兩個(gè)穩(wěn)定平衡位置的一種機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)在其一部分運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存儲(chǔ)能量，而當(dāng)其向另一個(gè)穩(wěn)定平衡位置運(yùn)動(dòng)時(shí)釋放能量。這種機(jī)構(gòu)在受到外界比較小的驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)回到其穩(wěn)定平衡位置(即勢(shì)能最低的狀態(tài))上，而且具有無(wú)需能量輸入都能位于一個(gè)適當(dāng)平衡位置的特性。因此用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)制作的MEMS微驅(qū)動(dòng)器具有較好的驅(qū)動(dòng)效果和較低的功耗。同時(shí)利用體積熱膨脹效應(yīng)較大的優(yōu)勢(shì)，彎曲梁在熱場(chǎng)中各向同性的膨脹，缺乏驅(qū)動(dòng)方向的導(dǎo)向，如果此時(shí)給彎曲梁施加一個(gè)導(dǎo)向力，電熱驅(qū)動(dòng)梁將會(huì)產(chǎn)生較大的響應(yīng)速度，且提高了驅(qū)動(dòng)的定位精度。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Michael等在《Microelectromechanicalsystem》(《微機(jī)電系統(tǒng)》)2008年第17期第58-69頁(yè)上發(fā)表的題名"ANovelBistableTwo—WayActuatedOut—of-PlaneElectrothermalMicrobridge，，("~■種新型雙穩(wěn)態(tài)雙向面外運(yùn)動(dòng)電熱驅(qū)動(dòng)器")，該文獻(xiàn)報(bào)道提出了一種新型雙向驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)電熱驅(qū)動(dòng)器，該設(shè)計(jì)采用橋式面外運(yùn)動(dòng)方式，電熱驅(qū)動(dòng)部分采用由彈簧和支架支撐的彎曲梁構(gòu)成，同時(shí)彈簧和支架采用Si/Si02/Si02的三層結(jié)構(gòu)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓9V時(shí)，橋長(zhǎng)1200iam時(shí)可產(chǎn)生31iira的面外位移，可見(jiàn)其驅(qū)動(dòng)效率是比較低的。同時(shí)，由于利用彈簧剛度和支架的熱應(yīng)力使梁彎曲，顯然驅(qū)動(dòng)力很小，且彎曲梁易疲勞損傷導(dǎo)致壽命有限，而且熱驅(qū)動(dòng)響應(yīng)慢，不足以達(dá)到快速控制外接電路開(kāi)關(guān)的效果。另夕卜，WeisongWang等在《MicroelectronicEngineering》(《微電子工程》)2008年第85期第587-598頁(yè)上發(fā)表的題名"DesignofabidirectionalMEMSactuatorwithhighdisplacementresolution,largedrivingforceandpower-freelatching"("—種具有高位移分辨率、大驅(qū)動(dòng)力及無(wú)源自鎖功能的雙向MEMS微驅(qū)動(dòng)器")，該文獻(xiàn)報(bào)道提出了一種基于尺蠖結(jié)構(gòu)的雙向運(yùn)動(dòng)的MEMS驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)機(jī)制采用兩個(gè)加緊裝置作為鎖定結(jié)構(gòu)，受熱膨脹的推進(jìn)桿的位移變化轉(zhuǎn)換成嵌入其中的光纖的位移變化，雖然分辨率很高，但驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際位移很小(只有約4pm)，該裝置主要面向光纖調(diào)節(jié)研究，在某些特定場(chǎng)合不足以適用，而且驅(qū)動(dòng)響應(yīng)速度很慢，驅(qū)動(dòng)機(jī)理與過(guò)程較復(fù)雜，不適合用于雙向接觸的微繼電器o
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，采用帶有剛體質(zhì)量塊的柔性電熱彈簧作為電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元，一個(gè)帶有可動(dòng)觸點(diǎn)的雙向運(yùn)動(dòng)梁在左右兩個(gè)靜觸點(diǎn)之間進(jìn)行穿梭運(yùn)動(dòng)，并由帶有鎖定機(jī)構(gòu)的機(jī)械鎖定單元提供機(jī)械鎖定，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗的雙向運(yùn)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)模式。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括永磁體，襯底，電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?，機(jī)械鎖定單元，電接觸單元。其中永磁體位于襯底下方，并與襯底緊密相連；電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、機(jī)械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元相連，構(gòu)成一個(gè)可以懸空自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)機(jī)械鎖定單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元的左右兩邊；一對(duì)電接觸單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧淖笥覂啥?。上述各單元的功能電熱電磁?qū)動(dòng)單元主要對(duì)可動(dòng)梁?jiǎn)卧倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用；可動(dòng)梁?jiǎn)卧饕獙?shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的雙向運(yùn)動(dòng)；機(jī)械鎖定單元對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧倪\(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行機(jī)械鎖定，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)；電接觸單元與雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧餐瑓f(xié)調(diào)作用，實(shí)現(xiàn)外接回路的斷開(kāi)與閉合。所述電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元包括磁驅(qū)動(dòng)基座、磁驅(qū)動(dòng)電極、剛體質(zhì)量塊、柔性電熱彈簧。其中磁驅(qū)動(dòng)基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；磁驅(qū)動(dòng)電極位于磁驅(qū)動(dòng)基座上方，剛體質(zhì)量塊的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧；一對(duì)柔性電熱彈簧通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)電極與磁驅(qū)動(dòng)基座相連。磁驅(qū)動(dòng)基座提供結(jié)構(gòu)支撐作用，磁驅(qū)動(dòng)電極用于接通外電流，柔性電熱彈簧和剛體質(zhì)量塊作為電熱電磁驅(qū)動(dòng)主體為雙向運(yùn)動(dòng)梁提供驅(qū)動(dòng)力。所述一對(duì)柔性電熱彈簧并聯(lián)分布，具有反向的v型結(jié)構(gòu)。所述雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧p向運(yùn)動(dòng)梁、鎖定滑塊、柔性緩沖彈簧、動(dòng)觸點(diǎn)。其中雙向運(yùn)動(dòng)梁與電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元中的柔性電熱彈簧相連，構(gòu)成可以自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)鎖定滑塊對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁的左右兩邊，與機(jī)械鎖定單元中的鎖定觸頭相協(xié)調(diào)作用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁的機(jī)械鎖定；一對(duì)動(dòng)觸點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁的左右兩端，通過(guò)柔性緩沖彈簧與雙向運(yùn)動(dòng)梁相連，實(shí)現(xiàn)外接回路的斷開(kāi)與閉合；蛇形結(jié)構(gòu)的柔性緩沖彈簧連接著動(dòng)觸點(diǎn)，目的是為了防止電火花的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間更加有效的電接觸。所述機(jī)械鎖定單元包括熱驅(qū)動(dòng)基座、熱驅(qū)動(dòng)電極、U型熱驅(qū)動(dòng)熱臂、U型熱驅(qū)動(dòng)冷臂、鎖定觸頭。其中熱驅(qū)動(dòng)基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；熱驅(qū)動(dòng)電極位于熱驅(qū)動(dòng)基座上方，U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂和U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂分別與熱驅(qū)動(dòng)電極相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂和U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂；鎖定觸頭位于U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂的端部，鎖定觸頭具有圓弧形結(jié)構(gòu)。其中，熱驅(qū)動(dòng)基座提供結(jié)構(gòu)支撐作用，熱驅(qū)動(dòng)電極用于接通外電流；利用U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂和U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂之間的非對(duì)稱(chēng)熱膨脹效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)鎖定觸頭的自鎖功能，使得雙向運(yùn)動(dòng)梁上的鎖定滑塊順利的滑過(guò)鎖定觸頭，形成對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁的機(jī)械鎖定，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)功能。所述電接觸單元包括靜觸點(diǎn)和外接回路。其中外接回路位于襯底上方，并與襯底緊密相連；一對(duì)靜觸點(diǎn)隸屬于外接回路，它與雙向運(yùn)動(dòng)梁上的動(dòng)觸點(diǎn)相匹配，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)外接回路的導(dǎo)通與斷開(kāi)。本發(fā)明以MEMS微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，襯底可以根據(jù)器件的使用要求加以選擇，如玻璃片、硅片、氧化鋁陶瓷或者其他任何表面平整的基片。為了與集成電路的兼容需要，硅片是較好的選擇。永磁體黏附在襯底之下，采用室溫下在襯底上疊層電鍍及圖形化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)的制作。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的主要優(yōu)勢(shì)在于-1、采用平直的雙向運(yùn)動(dòng)梁作為微驅(qū)動(dòng)器中的可動(dòng)部件，而且梁的驅(qū)動(dòng)位移是平行于襯底的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，屬于梁的平動(dòng)，相比
背景技術(shù)：
中提及的驅(qū)動(dòng)梁的面外彎曲運(yùn)動(dòng)，這樣就有效地避免了驅(qū)動(dòng)梁因?yàn)閺澢^(guò)度導(dǎo)致疲勞損傷而壽命有限的問(wèn)題。2、采用具有較大剛度系數(shù)的V型柔性電熱彈簧來(lái)提供較大的驅(qū)動(dòng)力，在通電過(guò)程中，V型柔性電熱彈簧一方面受到一個(gè)由于電熱產(chǎn)生體積膨脹的電熱驅(qū)動(dòng)力，一方面受到一個(gè)由于磁場(chǎng)作用的洛倫茲力，在兩者的協(xié)同驅(qū)動(dòng)作用下使得V型柔性電熱彈簧運(yùn)動(dòng)到一個(gè)與初始形狀相反的狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)了較大的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)位移。3、由于本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)自身帶有自鎖機(jī)構(gòu)單元，當(dāng)雙向運(yùn)動(dòng)梁上的動(dòng)觸點(diǎn)到達(dá)靜觸點(diǎn)接通外電路后，在柔性電熱彈簧內(nèi)無(wú)電流接通的情況下，梁上的鎖定滑塊會(huì)與鎖定觸頭協(xié)同作用執(zhí)行自鎖功能，從而實(shí)現(xiàn)了微驅(qū)動(dòng)器的雙向雙穩(wěn)態(tài)功能。綜上所述，本發(fā)明的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，充分體現(xiàn)了MEMS技術(shù)與靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，不僅合理利用了電熱電磁力的協(xié)調(diào)互助作用，巧妙地實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，而且基于電磁力的驅(qū)動(dòng)方式，以及僅利用電熱膨脹的升溫過(guò)程，在不考慮電熱器件較長(zhǎng)的冷卻過(guò)程時(shí)，使得本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度大大提高。本發(fā)明制作簡(jiǎn)單，成本較低，只需要兩個(gè)掩膜版即可完成整個(gè)微驅(qū)動(dòng)器件的制作。圖1是實(shí)施例1中基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例1中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧疽鈭D；圖3是實(shí)施例1中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元示意圖；圖4是實(shí)施例1中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械鎖定單元示意圖；圖中永磁體l，襯底2，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?，電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4，機(jī)械鎖定單元5，電接觸單元6，雙向運(yùn)動(dòng)梁7、鎖定滑塊8、柔性緩沖彈簧9、動(dòng)觸點(diǎn)10，磁驅(qū)動(dòng)基座ll、磁驅(qū)動(dòng)電極12、剛體質(zhì)量塊13、柔性電熱彈簧14，熱驅(qū)動(dòng)基座15、熱驅(qū)動(dòng)電極16、U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂17、U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18、鎖定觸頭19，靜觸點(diǎn)20和外接回路21。具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1-4所示，本實(shí)施例基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器包括永磁體l，襯底2，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?，電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4，機(jī)械鎖定單元5，電接觸單元6。連接關(guān)系是永磁體1位于襯底2下方，并與襯底2緊密相連；電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、機(jī)械鎖定單元5和電接觸單元6分別位于襯底2上方，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?與電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4相連，構(gòu)成一個(gè)可以懸空自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)機(jī)械鎖定單元5對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?與電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4的左右兩邊；一對(duì)電接觸單元6對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?的左右兩端。雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4、機(jī)械鎖定單元5與電接觸單元6位于同一平面，并懸空于永磁體1和襯底2上方，構(gòu)成了雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器。電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4主要對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?中雙向可動(dòng)梁7的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用，機(jī)械鎖定單元5主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)自鎖功能，實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)；雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?與電接觸單元6，用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)與外電路的接通或斷開(kāi)。圖2是本實(shí)施例中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?示意圖，所述雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?包括雙向運(yùn)動(dòng)梁7、鎖定滑塊8、柔性緩沖彈簧9、動(dòng)觸點(diǎn)IO。其中雙向運(yùn)動(dòng)梁7與電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4中的柔性電熱彈簧14相連，構(gòu)成可以自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；鎖定滑塊8具有圓弧形狀結(jié)構(gòu)，一對(duì)鎖定滑塊8對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁7的左右兩邊，與機(jī)械鎖定單元中的鎖定觸頭19相協(xié)調(diào)作用，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁的機(jī)械鎖定；一對(duì)動(dòng)觸點(diǎn)10對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁7的左右兩端，通過(guò)柔性緩沖彈簧9與雙向運(yùn)動(dòng)梁7相連；蛇形結(jié)構(gòu)的柔性緩沖彈簧9連接動(dòng)觸點(diǎn)10。動(dòng)觸點(diǎn)10與電接觸單元6中靜觸點(diǎn)20相耦合實(shí)現(xiàn)了外電路的接通或斷開(kāi)。柔性緩沖彈簧9主要在電接觸系統(tǒng)中起到防止電火花的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)、靜觸點(diǎn)之間更加有效的電接觸。圖3是本實(shí)施例中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4示意圖，所述電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元4包括磁驅(qū)動(dòng)基座11、磁驅(qū)動(dòng)電極12、剛體質(zhì)量塊13、柔性電熱彈簧14。其中磁驅(qū)動(dòng)基座11位于襯底2上方，并與襯底2緊密相連；磁驅(qū)動(dòng)電極12位于磁驅(qū)動(dòng)基座11上方，剛體質(zhì)量塊13的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧14;一對(duì)柔性電熱彈簧14并聯(lián)而成，具有反向的V型結(jié)構(gòu)，該柔性電熱彈簧14通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)電極12與磁驅(qū)動(dòng)基座11相連。一對(duì)具有反向的V型結(jié)構(gòu)柔性電熱彈簧14，既作為電載體既承受一個(gè)體積熱膨脹所產(chǎn)生的電熱驅(qū)動(dòng)力，又承受一個(gè)由于電磁場(chǎng)所產(chǎn)生的洛倫茲力，兩者共同作用產(chǎn)生了對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁7的雙向運(yùn)動(dòng)；柔性電熱彈簧14的彈簧結(jié)構(gòu)既增加了電熱膨脹的幅度，又為剛體質(zhì)量塊13的左右擺動(dòng)提供一定的柔性。具有高深寬比的剛體質(zhì)量塊13連接兩段柔性電熱彈簧14，實(shí)現(xiàn)了V型結(jié)構(gòu)的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖4是本實(shí)施例中雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械鎖定單元示5意圖，所述機(jī)械鎖定單元5包括熱驅(qū)動(dòng)基座15、熱驅(qū)動(dòng)電極16、U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂17、U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18、鎖定觸頭19。其中熱驅(qū)動(dòng)基座15位于襯底2上方，并與襯底2緊密相連；熱驅(qū)動(dòng)電極16位于熱驅(qū)動(dòng)基座15上方，U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂17和U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18分別與熱驅(qū)動(dòng)電極16相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂17和U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18;—對(duì)鎖定觸頭19分布于U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18的端部，鎖定觸頭19具有圓弧形結(jié)構(gòu)。其中，熱驅(qū)動(dòng)基座15提供結(jié)構(gòu)支撐作用，熱驅(qū)動(dòng)電極16用于接通外電流；利用U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂17和U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂18之間的非對(duì)稱(chēng)熱膨脹效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)鎖定觸頭19的自鎖功能，使得雙向運(yùn)動(dòng)梁7上的鎖定滑塊10順利地滑過(guò)鎖定觸頭19，形成對(duì)雙向運(yùn)動(dòng)梁7的機(jī)械鎖定，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)功能。所述電接觸單元6包括靜觸點(diǎn)20和外接回路21。外接回路21位于襯底2上方，并與襯底2緊密相連；一對(duì)靜觸點(diǎn)20隸屬于外接回路21，它與雙向運(yùn)動(dòng)梁7上的動(dòng)觸點(diǎn)10相匹配，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)外接回路21的導(dǎo)通與斷開(kāi)。所述的襯底是以玻璃片、硅片、氧化鋁陶瓷或者其他任何表面平整的基片為襯底形成的金屬支撐結(jié)構(gòu)。如圖1所示，在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，左右兩個(gè)柔性電熱彈簧14由于剛體質(zhì)量塊13的作用，呈現(xiàn)如圖所示形狀相反的兩種狀態(tài)，當(dāng)整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處于永磁體提供的垂直襯底向上的磁場(chǎng)B中。如果在左邊柔性電熱彈簧14的電極兩端通入一定電勢(shì)差El時(shí)，該柔性電熱彈簧14必將受到一個(gè)由于電熱產(chǎn)生體積膨脹的電熱驅(qū)動(dòng)力和一個(gè)由于磁場(chǎng)作用的洛倫茲力，根據(jù)左手定則，該彈簧14將受到一個(gè)向右(即圖中所示的X正方向)的導(dǎo)向作用力(洛倫茲力)，從而推動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)梁7向右驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是左邊柔性電熱彈簧14呈現(xiàn)與右邊柔性電熱彈簧14相同的變形方向，雙向運(yùn)動(dòng)梁7同時(shí)被右邊機(jī)械鎖定單元5鎖定，右邊電接觸單元6導(dǎo)通。此時(shí)，左邊柔性電熱彈簧14的電極之間(El)停止通電，可實(shí)現(xiàn)無(wú)功耗的單向穩(wěn)態(tài)接觸。若要斷開(kāi)右邊電接觸單元6，可在右邊機(jī)械鎖定單元5的兩端同時(shí)通入電勢(shì)差E3、E4，則右邊機(jī)械鎖定單元5中的鎖定觸頭19被打開(kāi)，由于柔性電熱彈簧14在變形過(guò)程中儲(chǔ)存的彈簧勢(shì)能使得雙向運(yùn)動(dòng)梁7又恢復(fù)到最初的狀態(tài)。同理，如果在右邊柔性電熱彈簧14的電極兩端通入一定電勢(shì)差E2時(shí)，雙向運(yùn)動(dòng)梁7將沿向左(即圖中所示的X負(fù)方向)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)被左邊鎖定機(jī)構(gòu)5鎖定，實(shí)現(xiàn)了左邊電接觸單元6的導(dǎo)通，右邊柔性電熱彈簧14的電極之間(E2)停止通電時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)另外一種運(yùn)動(dòng)方向下無(wú)功耗的單向穩(wěn)態(tài)接觸。綜上所述，所設(shè)計(jì)的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器就實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗的雙向運(yùn)動(dòng)的雙穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)模式。相比于以往采用面外彎曲運(yùn)動(dòng)的雙向運(yùn)動(dòng)梁結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例利用可動(dòng)梁平行于襯底的面內(nèi)平動(dòng)，在一對(duì)帶有剛體質(zhì)量塊的V型柔性電熱彈簧的雙向驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了雙向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，采用了雙向鎖定機(jī)構(gòu)執(zhí)行自鎖功能，當(dāng)動(dòng)觸點(diǎn)到達(dá)靜觸點(diǎn)接通外電路后，在無(wú)任何外界能量輸入的情況下，實(shí)現(xiàn)了微驅(qū)動(dòng)器的雙向雙穩(wěn)態(tài)功能。本實(shí)施例充分體現(xiàn)了MEMS技術(shù)與靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，不僅合理利用了電熱電磁力的協(xié)調(diào)互助作用，巧妙地實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制。權(quán)利要求1、一種基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)，其特征在于包括永磁體、襯底、電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧C(jī)械鎖定單元和電接觸單元，其中永磁體位于襯底下方，并與襯底緊密相連；電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、機(jī)械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元相連，構(gòu)成一個(gè)懸空自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)機(jī)械鎖定單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元的左右兩邊；一對(duì)電接觸單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧淖笥覂啥恕?、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元包括磁驅(qū)動(dòng)基座、磁驅(qū)動(dòng)電極、剛體質(zhì)量塊、柔性電熱彈簧，其中磁驅(qū)動(dòng)基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；磁驅(qū)動(dòng)電極位于磁驅(qū)動(dòng)基座上方，剛體質(zhì)量塊的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧；一對(duì)柔性電熱彈簧通過(guò)磁驅(qū)動(dòng)電極與磁驅(qū)動(dòng)基座相連。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)，其特征是，所述一對(duì)柔性電熱彈簧是并聯(lián)分布，且具有反向的v型結(jié)構(gòu)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧p向運(yùn)動(dòng)梁、鎖定滑塊、柔性緩沖彈簧、動(dòng)觸點(diǎn)，其中雙向運(yùn)動(dòng)梁與電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元中的柔性電熱彈簧相連，構(gòu)成自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)鎖定滑塊對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁的左右兩邊，一對(duì)動(dòng)觸點(diǎn)對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁的左右兩端，并通過(guò)柔性緩沖彈簧與雙向運(yùn)動(dòng)梁相連；蛇形結(jié)構(gòu)的柔性緩沖彈簧連接著動(dòng)觸點(diǎn)。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)，其特征是，所述鎖定滑塊是一個(gè)具有圓弧形結(jié)構(gòu)。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述機(jī)械鎖定單元包括熱驅(qū)動(dòng)基座、熱驅(qū)動(dòng)電極、U型熱驅(qū)動(dòng)熱臂、U型熱驅(qū)動(dòng)冷臂、鎖定觸頭，其中熱驅(qū)動(dòng)基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；熱驅(qū)動(dòng)電極位于熱驅(qū)動(dòng)基座上方，U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂和U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂分別與熱驅(qū)動(dòng)電極相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂和U型熱驅(qū)動(dòng)器冷臂；鎖定觸頭位于U型熱驅(qū)動(dòng)器熱臂的端部。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)，其特征是，所述的鎖定觸頭具有圓弧形結(jié)構(gòu)。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，其特征是，所述電接觸單元包括靜觸點(diǎn)和外接回路，其中外接回路位于襯底上方，并與襯底緊密相連；一對(duì)靜觸點(diǎn)與雙向運(yùn)動(dòng)梁上的動(dòng)觸點(diǎn)相匹配，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)外接回路的導(dǎo)通與斷開(kāi)。全文摘要本發(fā)明涉及一種微機(jī)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
的基于電熱電磁驅(qū)動(dòng)的雙向雙穩(wěn)態(tài)微驅(qū)動(dòng)器，包括永磁體、襯底、電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、機(jī)械鎖定單元和電接觸單元，其中永磁體位于襯底下方，并與襯底緊密相連；電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元、雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧?、機(jī)械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元相連，構(gòu)成一個(gè)懸空自由運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)梁；一對(duì)機(jī)械鎖定單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧c電熱電磁驅(qū)動(dòng)單元的左右兩邊；一對(duì)電接觸單元對(duì)稱(chēng)分布于雙向運(yùn)動(dòng)梁?jiǎn)卧淖笥覂啥恕１景l(fā)明工藝簡(jiǎn)單，不僅充分體現(xiàn)了MEMS技術(shù)與靈巧機(jī)械結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合，而且合理利用了電熱電磁力的協(xié)調(diào)互助作用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功耗的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制。文檔編號(hào)B81B7/00GK101544347SQ20091004987公開(kāi)日2009年9月30日申請(qǐng)日期2009年4月23日優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日發(fā)明者丁桂甫,吳義伯,張叢春,張小波,娟王,王亞攀申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)