一种低能耗微定位驱动器

摘要

一种低能耗静电微定位驱动器，属于微电子机械系统(MEMS)。该静电驱动器主要包括两端固定于基体上的弧形全柔性梁，可动梳齿型驱动部件通过线性弹簧与弧形全柔性梁上的特定点连接。在电压激励下，可动梳齿带动全柔性梁横向运动，迅速发生跳跃并达到预定的位置；在施加异向驱动电压时，迅速跳转返回原始位置，实现准确定位的功能。该静电驱动器采用非线性全柔性机构来代替传统的线弹性结构以提高响应速度和稳态保持能力，无需外界能量输入即可保持定位点位置，具有机构简单、短程驱动、能耗低和抗干扰能力强的特点。

权利要求

1.一种低能耗静电微定位驱动器，其特征在于，它主要包括固定梳齿(4)、两端固定于基底(3)的全柔性梁(1)，其中可动梳齿(2)与承载平台(5)通过构件(2a)连接成一体，在电压激励下，可动梳齿(2)带动全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到预定位置，在施加异向驱动电压时，驱动器迅速跳转返回初始状态；

其中，所述全柔性梁(1)的构型为余弦线、弧形线或拱形线；

所述全柔性梁(1)和可动梳齿(2)的连接通过弹簧(2a)，且连接点与固定点的距离大于L/4和小于L/2，其中L为全柔性梁(1)的跨度。

2.根据权利要求1所述的一种低能耗静电微定位驱动器，其特征在于：所述全柔性梁(1)、可动梳齿(2)和固定梳齿(4)均为金属材料，固定基底(3)为绝缘材料。

3.根据权利要求1所述的一种低能耗静电微定位驱动器，其特征在于：所述全柔性梁(1)的另一侧固定有可移动平台(5)。

说明书

一种低能耗微定位驱动器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种低能耗静电微定位驱动器，属于微电子机械系统(MEMS)，主要应用于智能制造定位系统、仪器仪表和机器人定位系统等系统。

背景技术

[0002] 基于微机械系统(MEMS)技术的微定位驱动器可以准确的推动被加工零件达到预定位置，实现精密加工和智能制造的定位需求，在SMT表面组装与封装系统、仪器仪表系统和机器人系统具有广泛的应用需求。

[0003] 近年来，很多单位和研究机构致力于驱动器结构和驱动形式的研究，包括静电型、热驱动型、电磁型等。由于静电驱动具有结构简单、工艺兼容性好的优点，其研究也最为广泛。其中基于线弹性元件的静电型驱动器利用静电吸合力使悬臂梁式的活动电极弯曲，达到定位驱动的目的，具有结构简单，工艺容易实现。但是，由于采用线弹性元件，驱动器需要一直供电才能保持对应的定位状态，造成较大的系统能耗和发热变形，造成定位误差。另外，热机械型驱动器采用热致动器，由水平接触电极，加热器、触点和温度补偿结构组成，结构较为复杂，它依靠梁结构的热变形来使触点接触，电路闭合。由于采用热驱动变形，这就容易造成微系统中的散热问题，并且体膨胀效应固有的滞后性决定了它响应速度低，成为阻碍其广泛应用的主要原因。

[0004] 电磁型微继电器与传统电磁继电器原理基本相同，在双稳态微继电器研制方面主要 采 用 电 磁 型 ，但 其 结 构 较 为 复 杂 。U S 4 2 2 3 2 9 0 A ，“Electromagneticdeviceoftheflatpackagetape”(扁平封装电磁器件)采用两个平放的永磁体实现双稳态驱动。US6492887B1，“Miniaturizedflatspoolrelay”(微小型扁平绕组继电器)提出了一种微型化扁平绕组驱动器，利用双环静磁场和反对称双环电磁场实现双稳态电磁驱动。中国发明专利CN1452202A，“双稳态电磁型微驱动器及其制备方法”，该驱动器利用平面螺线管线圈进行电磁驱动，采用扭转梁作为动片的倾转轴。中国专利CN101206973A，“双稳态微机电继电器”采用电磁基板和微球组合的形式提出了一种具有状态保持功能的微型化继电器，但仅能用于开关信号触发，难以实现准确的系统定位。

发明内容

[0005] 本发明要解决的问题是：解决现有的基于线弹性结构的静电微定位驱动器存在的不足，提供一种具有双稳态保持功能、短程驱动、低能耗的新型静电微定位驱动器，具有结构简单、大行程、响应迅速、抗干扰能力强的特点，适用于通讯、工业控制和仪器仪表等军用和民用场合。

[0006] 本发明的技术解决方案是：一种低能耗静电微定位驱动器，它主要包括可动梳齿和固定梳齿、全柔性梁，可动梳齿与柔性梁采用构件连接成一体，所述全柔性梁两端固定于基底上；在电压激励下，可动梳齿带动全柔性梁横向运动，并发生快速翻转到预定位置，且在预定位置无需外接能量输入；在施加异向驱动电压时，迅速跳转返回原始位置。

[0007] 所述全柔性梁通过线弹簧与可动梳齿连接；

[0008] 所述线弹簧与全柔性梁的连接点位置，介于距固定端距离为L/4和L/2之间，其中L为全柔性梁(1)的跨度；

[0009] 所述全柔性梁的构型包括余弦线、弧形线、拱形线等；

[0010] 所述低能耗静电驱动器的各个部分为金属材料，固定基底为绝缘材料；

[0011] 所述绝缘凸台采用SU-8胶光刻的办法固定于氧化层上。

[0012] 所述全柔性梁另一侧固定有可移动平台(5)。

[0013] 上述的技术方案利用现有的微电铸工艺制作大行程双稳态柔性机构，解决了低能耗微驱动器的工程实用化的主要技术问题。其制作过程工艺简单，便于大批量生产。其工作过程是：柔性机构在行程范围内具有两个稳定状态，在梳齿驱动下柔性机构在两个弹性势能局部最小位置之间跳动，当柔性机构的中心位置达到机构弹性势能局部最大位置后，机构发生能量释放，不需要静电力作用，机构能够快速跳转到第二稳态位置，整个过程具有短程驱动、低能耗的特点。

[0014] 本发明与现有技术相比具有如下的优点：

[0015] [1]本发明采用非线性全柔性梁机构替代传统的线弹性梁结构作为定位驱动器弹性元件，在定位点处无需外界输入能量，具有重复定位精度高、短程驱动、能耗低和响应迅速的特点。

[0016] [2]本发明为依靠全柔性梁结构替代电磁机构，具有工作行程大、抗干扰能力强、结构简单易于MEMS加工的特点，提高驱动器在各种制造环境下的定位精度，适用于民用和军用产品制造场合。

[0017] 该驱动器具有结构简单、驱动电压低、大行程、低能耗、响应迅速、切换准确和抗干扰能力强的特点。由于本发明具有上述优点，因此在通讯、工业控制、仪器仪表以及消费电子等领域具有广泛的推广应用价值。

附图说明

[0018] 图1是一种低能耗静电微定位驱动器示意图。

[0019] 图2是驱动器受力示意图。

[0020] 图3是多级定位驱动器示意图。

[0021] 图中：1全柔性梁；2、可动梳齿；2a、线弹簧；3固定基底；4、固定梳齿；5、移动平台。

具体实施方式

[0022] 实施例一

[0023] 图1给出了一种低能耗静电微定位驱动器，可动梳齿2与全柔性梁1通过线弹簧2a连接成一体，全柔性梁1的两端固定于基底3上；所述全柔性梁具有双稳态特性，能够在两个不同的位置达到力平衡状态。

[0024] 图2为驱动器定位过程中的受力状态图，当驱动器达到预定位置后，无需施加电压就能使其保持在预定位置，达到低能耗的目的。机构需要较小的能量输入便可达到弹性势能最大值，施加较小的反向驱动电压，梳齿电容提供反向作用力拉动双稳态柔性机构越过最大势能位置后，机构迅速跳转到第一稳态位置，返回初始状态。

[0025] 实施例二

[0026] 图3示出了在实施例一的基础上，增加具有不同刚度的全柔性梁驱动器系统，实现多级驱动定位的功能。具体包括，实施例一种的固定梳齿4变为可动梳齿7，并通过线弹簧7a(与线弹簧2a具有不同刚度)与全柔性梁8连接，全柔性梁8的两端固定于基底10上，可移动平台9与全柔性梁8连接。所述全柔性梁1和全柔性梁8具有不同的弹性刚度，依靠不同的驱动电压能够达到不同的驱动位置，只需改变上方的可动梳齿2和下方的可动梳齿7的输入电压方向，即可实现上下驱动器的动作控制。