專利名稱：基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中的微執(zhí)行器類，特別涉及一種基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于將電熱致動(dòng)器產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
背景技術(shù)：
致動(dòng)器是MEMS的執(zhí)行部件，承擔(dān)著能量轉(zhuǎn)化、運(yùn)動(dòng)傳遞等重要作用，按能量來(lái)源分為電能、化學(xué)能、流體能和熱能致動(dòng)方式。電能致動(dòng)器利用電荷作用力、磁場(chǎng)力等產(chǎn)生致動(dòng)，響應(yīng)速度快、功耗低，但輸出位移小、所需電壓高，如壓電式、電磁式和靜電式。靜電 致動(dòng)器由于功耗低，工作頻率高，具有高的可設(shè)計(jì)性和可靠性，在RF-MEMS開(kāi)關(guān)、MEMS光學(xué)開(kāi)關(guān)、微位移工作臺(tái)和一些通信器件方面得到了廣泛應(yīng)用，但工作電壓高，輸出力小，難與IC電壓兼容。壓電致動(dòng)器利用壓電材料的壓電效應(yīng)致動(dòng)，響應(yīng)速度快、能量密度高、位移輸出穩(wěn)定、無(wú)吸合效應(yīng)、驅(qū)動(dòng)電壓小，但制作工藝復(fù)雜、輸出位移小。電磁致動(dòng)器基于電磁作用產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，具有易與機(jī)構(gòu)連接、可在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，但發(fā)熱量大、能耗高、工藝復(fù)雜、不易制造。電熱致動(dòng)器利用溫度變化產(chǎn)生形變致動(dòng)，輸出位移和力大、操作電壓小、與IC兼容，是現(xiàn)階段MEMS可行的主要致動(dòng)方式，如膨脹伸長(zhǎng)式和形狀記憶合金式。可利用加熱固體產(chǎn)生熱膨脹致動(dòng)，如雙金屬效應(yīng)執(zhí)行器產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，冷熱臂、長(zhǎng)短臂、曲臂執(zhí)行器產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)；也可利用加熱空氣、液體等介質(zhì)產(chǎn)生體積變化致動(dòng)，如噴墨打印機(jī)噴頭。由于熱致動(dòng)器較低的驅(qū)動(dòng)電壓和較大的輸出力以及與IC工藝的良好兼容性，熱致動(dòng)器比傳統(tǒng)的靜電致動(dòng)器有更大的優(yōu)勢(shì)，但也有響應(yīng)速度慢(通常為100-300 ii S)、能量損耗大、需持續(xù)供電等缺點(diǎn)。電熱致動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力較大，輸入交變電壓后產(chǎn)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，但產(chǎn)生的位移較小，為實(shí)現(xiàn)特定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，需通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將致動(dòng)器產(chǎn)生的微小位移轉(zhuǎn)換放大，以實(shí)現(xiàn)大位移傳動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。若通過(guò)合適的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置將其產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即可達(dá)到轉(zhuǎn)速合適、驅(qū)動(dòng)力大的實(shí)際應(yīng)用要求。MEMS領(lǐng)域，一般通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)或摩擦驅(qū)動(dòng)方法將往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。Jae-Sung Park等在 Bent-Beam Electrothermal Actuators-Part II: Linear and Rotary Microengines(Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 10, NO. 2, June 2001)文中介紹了一種通過(guò)推拉式結(jié)構(gòu)將電熱致動(dòng)器產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)只有在致動(dòng)器位移較大時(shí)才能實(shí)現(xiàn)推拉運(yùn)動(dòng)，如文中所述致動(dòng)器輸出位移要求為34
而一般電熱致動(dòng)器的輸出位移很難直接到達(dá)此值，故此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)不適合于微小位移致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換° David G. Smith 等在 Piezoresistive encoders for ratchetingactuation systems (Sensors and Actuators A, Vol. 165, No. 2, 2011)文中介紹了用棘輪機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于棘輪結(jié)構(gòu)的間歇運(yùn)動(dòng)特性，轉(zhuǎn)化后的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不連續(xù)，是間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為克服上述兩類結(jié)構(gòu)自身的缺點(diǎn)，本發(fā)明利用兩組熱致動(dòng)器交替驅(qū)動(dòng)齒條，將致動(dòng)器的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成齒輪的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，該裝置對(duì)致動(dòng)器的輸出位移適應(yīng)范圍寬，結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，與MEMS工藝兼容，傳動(dòng)效率高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化方法的缺陷，提供一種適應(yīng)范圍廣、對(duì)致動(dòng)器輸出位移無(wú)特殊要求、輸出效率高、控制簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
本發(fā)明的任務(wù)在于建立一種與MEMS表面工藝兼容、無(wú)需裝配、能將電熱致動(dòng)器產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的多晶硅微機(jī)械裝置。采用電熱致動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力大。 根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，包括驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)水平排列的各上下兩個(gè)主致動(dòng)器以及左側(cè)和右側(cè)各一個(gè)嚙合控制致動(dòng)器，所述左右兩側(cè)共四個(gè)主致動(dòng)器分別由6個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極和四個(gè)正電極；所述左右兩側(cè)共兩個(gè)嚙合控制致動(dòng)器分別由3個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極和兩個(gè)正電極；
所述轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)各一個(gè)齒條和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)套裝在一根固定齒輪軸上的齒輪，所述左右兩側(cè)上下兩個(gè)主致動(dòng)器的中部以及左右兩側(cè)的嚙合控制致動(dòng)器的中部分別連接左右兩側(cè)的齒條，兩個(gè)齒條與齒輪之間的位置能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)齒條與齒輪受控嚙合與分離。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其特征在于
所述驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分制備在硅基板的氮化層上，該氮化層上有固定結(jié)構(gòu)層
PolyO，在PolyO上有固定的結(jié)構(gòu)層Poly2構(gòu)成齒輪軸(5)，PolyO上有活動(dòng)結(jié)構(gòu)層Polyl構(gòu)成齒輪(4)，兩個(gè)齒條(6、3)和嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步 本發(fā)明通過(guò)齒輪、齒條和電熱動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)了齒輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控
制，輸出效率高，整個(gè)裝置無(wú)需裝配。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中主致動(dòng)器Ic和Id改變方向后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖I的A-A橫截面圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例結(jié)合附圖詳述如下
實(shí)施例一
參見(jiàn)圖I和圖2，本基電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，包括驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分，其特征在于
I)所述驅(qū)動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)水平排列的各上下兩個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)以及左側(cè)和右側(cè)各一個(gè)嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)，所述左右兩側(cè)共四個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)分別由6個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極(9a、9b)和四個(gè)正電極(10a、10b和10c、10d);所述左右兩側(cè)共兩個(gè)嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)分別由3個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極(7b、7a)和兩個(gè)正電極(8b、8a)；
2)所述轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)各一個(gè)齒條(6、3)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)套裝在一根固定齒輪軸(5)上的齒輪(4)，所述左右兩側(cè)上下兩個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)的中部以及左右兩側(cè)的嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)的中部分別連接左右兩側(cè)的齒條(6、3)，兩個(gè)齒條(6、3)與齒輪(4)之間的位置能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)齒條(6、3)與齒輪(4)受控嚙合與分離。實(shí)施例二
參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例與實(shí)施例一級(jí)別相同，特別之處是所述驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分制備在娃基板的氮化層上，該氮化層上有固定結(jié)構(gòu)層PolyO,在PolyO上有固定的結(jié)構(gòu)層Poly2構(gòu)成齒輪軸(5)，PolyO上有活動(dòng)結(jié)構(gòu)層Polyl構(gòu)成齒輪(4)，兩個(gè)齒條(6、3)和嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)。實(shí)施例三
本轉(zhuǎn)換裝置，初始狀態(tài)時(shí)齒條3與齒輪4嚙合，電極7、8給嚙合控制致動(dòng)器2供電，電極9、10給主動(dòng)致動(dòng)器I供電。參看附圖I，所述電極9a、9b和10a、10b、10c、IOd間同時(shí)加合適電壓后，主動(dòng)致動(dòng)器la、lb、lc和Id中有電流通過(guò)，在電阻熱應(yīng)力的作用下致動(dòng)器同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條3和6向上運(yùn)動(dòng)，在齒條3作用下，齒輪4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；接著電極7a、8a和7b、8b通電，嚙合控制致動(dòng)器2a、2b有電流通過(guò)，在電阻熱應(yīng)力作用下向右運(yùn)動(dòng)，齒條3與齒輪4脫離嚙合，齒條6與齒輪4進(jìn)入嚙合；電極9a、9b和10a、10b、10c、IOd同時(shí)斷電，主動(dòng)致動(dòng)器Ia和lb、Ic和Id恢復(fù)原位，帶動(dòng)齒條6向下運(yùn)動(dòng)，在齒條6作用下，齒輪4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；最后電極7a、8a和7b、8b斷電，齒條3與齒輪4再次進(jìn)入嚙合，完成一個(gè)工作循環(huán)，如此循環(huán)，致動(dòng)器交替連續(xù)驅(qū)動(dòng)，齒輪4實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。參看附圖2，本實(shí)施例所述致動(dòng)器Ic和Id與實(shí)例二中的方向相反，與實(shí)施例一工作原理相同，實(shí)施過(guò)程如下電極9a、10a和9b、10b通電后，主動(dòng)致動(dòng)器la、lb同時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條3向上運(yùn)動(dòng)，在齒條3作用下，齒輪4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度；接著電極7a、8a和7b、8b通電，嚙合控制致動(dòng)器2a、2b向右運(yùn)動(dòng)，齒條3與齒輪4脫離嚙合，齒條6與齒輪4進(jìn)入嚙合；此時(shí)電極9a、9b和10c、IOd通電，主致動(dòng)器lc、ld帶動(dòng)齒條6向下運(yùn)動(dòng)，在齒條6的作用下，齒輪4逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)一定角度；最后所有電極斷電，各部件恢復(fù)原位，完成一個(gè)工作循環(huán)，如此交替循環(huán)驅(qū)動(dòng)，齒輪4連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.ー種基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，包括驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分，其特征在于: 1)所述驅(qū)動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)水平排列的各上下兩個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)以及左側(cè)和右側(cè)各ー個(gè)嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)，所述左右兩側(cè)共四個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)分別由6個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極(9a、9b)和四個(gè)正電極(10a、10b和10c、10d);所述左右兩側(cè)共兩個(gè)嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)分別由3個(gè)V型電熱硅微致動(dòng)器串聯(lián)構(gòu)成，端部分別連接兩個(gè)負(fù)電極(7b、7a)和兩個(gè)正電極(8b、8a)； 2)所述轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分包括左側(cè)和右側(cè)各ー個(gè)齒條(6、3)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)套裝在一根固定齒輪軸(5)上的齒輪(4)，所述左右兩側(cè)上下兩個(gè)主致動(dòng)器(la、lb和ld、lc)的中部以及左右兩側(cè)的嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)的中部分別連接左右兩側(cè)的齒條(6、3)，兩個(gè)齒條(6、3)與齒輪(4)之間的位置能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)齒條(6、3)與齒輪(4)受控嚙合與分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，其特征在于 所述驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)換傳動(dòng)部分制備在硅基板的氮化層上，該氮化層上有固定結(jié)構(gòu)層PolyO，在PolyO上有固定的結(jié)構(gòu)層Poly2構(gòu)成齒輪軸(5)，PolyO上有活動(dòng)結(jié)構(gòu)層Polyl構(gòu)成齒輪(4)，兩個(gè)齒條(6、3)和嚙合控制致動(dòng)器(2b、2a)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電熱驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)微轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于將電熱致動(dòng)器產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所述裝置由主動(dòng)致動(dòng)器、嚙合控制致動(dòng)器、齒條、齒輪構(gòu)成，整個(gè)裝置采用多晶硅材料，用MEMS表面硅工藝制作，無(wú)需裝配。該裝置將致動(dòng)器的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)辇X輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出效率高，可與齒條組合應(yīng)用在微夾鉗、微操作臺(tái)、微馬達(dá)等MEMS器件中。
文檔編號(hào)H02K37/24GK102769371SQ20121024160
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者周玲, 沈雪瑾, 王振祿, 胡懿, 陳曉陽(yáng) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)