本發(fā)明屬于微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。
背景技術(shù):
MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))執(zhí)行器是微機(jī)電技術(shù)一個(gè)重要的分支,是許多微機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分。微執(zhí)行器最基本的工作原理是能量轉(zhuǎn)換,一般是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,從而實(shí)現(xiàn)一定的機(jī)械操作。常見的驅(qū)動方式主要有四類:靜電式、電磁式、電熱式、壓電式等。一般的這些微驅(qū)動器產(chǎn)生位移或驅(qū)動動力較小,且多用于產(chǎn)生線性位移的場合,相比于其他驅(qū)動器,電熱驅(qū)動器能夠產(chǎn)生較大驅(qū)動位移,但仍然難以滿足某些特定的場合,特別需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)且需要大旋轉(zhuǎn)角度的場合。因此單獨(dú)的微驅(qū)動器這樣小的變化如果不加以放大或處理,在實(shí)際應(yīng)用中是沒有意義的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明的目的是提供一種能產(chǎn)生大旋轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行器。
為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器,包括旋轉(zhuǎn)圓環(huán),它還包括自上而下緊貼的至少四層結(jié)構(gòu):電極層、結(jié)構(gòu)層、電絕緣氧化隔離 層和基底層,
所述電極層包括四個(gè)電極,四個(gè)電極對稱分布在執(zhí)行器的兩端;
所述結(jié)構(gòu)層包括陣列V型電熱驅(qū)動器和杠桿,所述杠桿包括推力杠桿和拉力杠桿;
所述電絕緣氧化隔離層包括陣列V型電熱驅(qū)動器的錨點(diǎn)和杠桿的錨點(diǎn);
所述結(jié)構(gòu)層還包括與陣列V型電熱驅(qū)動器和推力杠桿相連的柔性梁、推力杠桿在錨點(diǎn)處的柔性梁、推力杠桿和拉力杠桿的連接梁、拉力杠桿在錨點(diǎn)處的柔性梁、旋轉(zhuǎn)圓環(huán)、拉力杠杠與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的柔性連接梁,其中推力杠桿和拉力杠杠為柔性杠桿機(jī)構(gòu)的主要組成部分,
所述執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)層以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)為對稱點(diǎn),所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機(jī)構(gòu)皆是具有一定剛度的彈性機(jī)構(gòu)。
作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化,所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機(jī)構(gòu)剛度比值為1。
進(jìn)一步地,所述電絕緣氧化隔離層為氧化硅隔離層。
進(jìn)一步地,所述四個(gè)電極為Ti/Au電極。
進(jìn)一步地,所述結(jié)構(gòu)層主要成分為摻雜硅。
進(jìn)一步地,所述基底層采用硅制成。
進(jìn)一步地,所述拉力杠杠與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的柔性連接梁長500~1200微米,寬5~30微米。
進(jìn)一步地,所述柔性連接梁與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)之間預(yù)留旋轉(zhuǎn)角度為20~60°。
進(jìn)一步地,所述旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度為45~120°。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)為:在本發(fā)明兩端的陣列V型電熱驅(qū)動器上加載相同的電壓,V型電熱驅(qū)動器的頂端輸出力和位移,經(jīng)過兩級柔性杠桿機(jī)構(gòu)的放大作用,從而使中間的圓環(huán)獲得較大的轉(zhuǎn)動角度;本發(fā)明提出的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)計(jì)方法新穎,可采用標(biāo)準(zhǔn)的SOIMUMPs工藝加工,能夠有效地增大圓環(huán)的轉(zhuǎn)動角度,促進(jìn)了執(zhí)行器在MEMS領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的等軸測結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的剖視圖。
圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的電極層示意圖。
圖4是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)層示意圖。
圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的氧化隔離層示意圖。
圖6是本發(fā)明一實(shí)施例的基底層示意圖。
圖7是本發(fā)明一實(shí)施例的陣列V型電熱驅(qū)動器示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,其中,附圖構(gòu)成本申請一部分,并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。
如圖1~7所示,一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器,包括旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9,它還包括自上而下緊貼的至少四層結(jié)構(gòu):電極層a、結(jié)構(gòu)層b、電絕緣氧化隔離層c和基底層d,
所述電極層包括四個(gè)電極A1、A2、A3、A4,四個(gè)電極A1、A2、A3、A4對稱分布在執(zhí)行器的兩端;
所述結(jié)構(gòu)層包括陣列V型電熱驅(qū)動器和杠桿,所述杠桿包括推力杠桿4和拉力杠桿7;
所述電絕緣氧化隔離層包括陣列V型電熱驅(qū)動器的錨點(diǎn)m、n、p、q和杠桿的錨點(diǎn)u、v、x、y;
所述結(jié)構(gòu)層還包括與陣列V型電熱驅(qū)動器和推力杠桿4相連的柔性梁2、推力杠桿4在錨點(diǎn)u處的柔性梁3、推力杠桿4和拉力杠桿7的連接梁5、拉力杠桿7在錨點(diǎn)v處的柔性梁6、旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9、拉力杠杠7與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的柔性連接梁8,其中推力杠桿4和拉力杠杠7為柔性杠桿機(jī)構(gòu)的主要組成部分,
所述執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)層以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9為對稱點(diǎn),所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機(jī)構(gòu)皆是具有一定剛度的彈性機(jī)構(gòu)。所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機(jī)構(gòu)剛度比值為1。
所述電絕緣氧化隔離層為氧化硅隔離層,主要是起電絕緣和錨點(diǎn)固定作用。
所述四個(gè)電極為Ti/Au電極。
所述結(jié)構(gòu)層主要成分為摻雜硅。
所述基底層采用硅制成,主要起固定作用,將結(jié)構(gòu)層中錨點(diǎn)位置通過隔離層氧化硅固定起來,為整個(gè)結(jié)構(gòu)層的運(yùn)動提供一個(gè)平臺。
所述拉力杠杠7與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的柔性連接梁8長800微米,寬5微米。所述柔性連接梁8與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9之間預(yù)留旋轉(zhuǎn)角度45°。
本實(shí)施例的陣列V型電熱驅(qū)動器1和兩級柔性杠桿放大機(jī)構(gòu)都是具有一定剛度的彈性機(jī)構(gòu),本實(shí)施例合理的利用二者之間的剛度匹配,當(dāng)二者的剛度比等于1時(shí),該V型電熱驅(qū)動器和和杠桿機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)輸出能量最大,即在輸出一定位移的同時(shí),也能輸出一定的驅(qū)動力。經(jīng)仿真計(jì)算證明:當(dāng)結(jié)構(gòu)層硅材料的電阻率為0.042Ω·cm時(shí),在V型電熱驅(qū)動器兩端加載15V電壓,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,整個(gè)器件的溫升不超過600℃,連接旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9處的位移能夠達(dá)到139μm,旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的轉(zhuǎn)角能夠達(dá)到79.6°。
圖7是陣列V型電熱驅(qū)動器1的結(jié)構(gòu)示意圖,是本實(shí)施例的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的重要組成部件,它是由單個(gè)V型梁陣列組成,陣列后的V型驅(qū)動器能夠增大相應(yīng)的輸出力。其的工作原理是在V型梁的兩端m、n上加載電極,施加一定的電壓后,V型梁被通電加熱并膨脹,因此,在V型梁的頂端B就會產(chǎn)生一定輸出力和輸出位移。結(jié)合圖4,當(dāng)在A1、A3之間和A2、A4之間加載一定的等幅電壓后,結(jié)構(gòu)層兩端的陣列V型電熱驅(qū)動器1被加熱膨脹后,在它們的端點(diǎn)出會產(chǎn)生一定的推力和位移。從圖4可以看出,該層在以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9為中心的左右兩邊的結(jié)構(gòu)是對稱的,但陣列V型電熱驅(qū)動器1產(chǎn)生的推力方向正好相反。下面就圖4左半部分來說明下本發(fā)明的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器是如何工作的。當(dāng)電極A1和A3之間加載一定電壓后,陣列V型電熱驅(qū)動器1被通電加熱,然后膨脹,在其頂端產(chǎn)生推力,通過柔性梁2輸入推力杠桿4,在錨點(diǎn)u處相當(dāng)于支點(diǎn)的柔性梁3的作用下,在推力杠桿1另一端產(chǎn)生一 個(gè)后拉的作用力,該作用力通過柔性連接梁5輸入到拉力杠桿7,在錨點(diǎn)v處相當(dāng)于支點(diǎn)的柔性梁6的作用下,在推力杠桿4另一端產(chǎn)生一個(gè)后拉的作用力,該作用力通過柔性連接梁8拉動旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9向后(左)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同理,該結(jié)構(gòu)層右半部分也產(chǎn)生一個(gè)向后拉的作用力,該作用力與左半部分產(chǎn)生的作用力形成一對力偶,因此在該力偶的作用下,使中間的旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9產(chǎn)生一個(gè)很大的轉(zhuǎn)角。
上面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式作了詳細(xì)說明,但是本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式,在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi),還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應(yīng)當(dāng)理解,本發(fā)明不限于特定的實(shí)施方式,本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。