專利名稱：：基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種微機電系統
技術領域：
的微驅動器，具體地說，涉及的是一種基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器。
背景技術：
：微機電系統(MEMS)最重要的兩個特征是微傳感器與微驅動器，其中微驅動器作為MEMS中最重要核心技術的一部分，其驅動機理及原型器件的制備成為近年來研究的重點。微驅動器的驅動機理主要是利用各種物理效應，典型的驅動機制有靜電驅動、電磁驅動、電熱驅動、壓電驅動等。靜電驅動的MEMS微驅動器雖然結構簡單，功耗較低，但要使其保持良好工作性能所需要的靜電驅動電壓較高，高電壓不但有損于使用壽命和穩定性，而且與集成電路(IC)工藝不兼容。電磁驅動所需要的驅動電壓可以達到很低水平，但其工作特性的尺度效應明顯，結構復雜，功耗高而效率低。電熱驅動是一種適合于微尺度運動的驅動機制，驅動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動，穩定可靠。但是熱驅動亦有兩個顯著的缺點，即功耗較大且反應速度慢。多方面研究表明，引入雙穩態機構有助于改善熱驅動器件的上述缺陷。所謂雙穩態機構是指在其運動范圍內具有兩個穩定平衡位置的一種機構，這種機構在其一部分運動過程中存儲能量，而當其向另一個穩定平衡位置運動時釋放能量。這種機構在受到外界比較小的驅動時會自動回到其穩定平衡位置(即勢能最低的狀態)上，而且具有無需能量輸入都能位于一個適當平衡位置的特性。因此用雙穩態機構制作的MEMS微驅動器具有較好的驅動效果和較低的功耗。同時利用體積熱膨脹效應較大的優勢，彎曲梁在熱場中各向同性的膨脹，缺乏驅動方向的導向，如果此時給彎曲梁施加一個導向力，電熱驅動梁將會產生較大的響應速度，且提高了驅動的定位精度。經對現有技術的文獻檢索發現，Michael等在《Microelectromechanicalsystem》(《微機電系統》)2008年第17期第58-69頁上發表的題名"ANovelBistableTwo—WayActuatedOut—of-PlaneElectrothermalMicrobridge，，("~■種新型雙穩態雙向面外運動電熱驅動器")，該文獻報道提出了一種新型雙向驅動雙穩態電熱驅動器，該設計采用橋式面外運動方式，電熱驅動部分采用由彈簧和支架支撐的彎曲梁構成，同時彈簧和支架采用Si/Si02/Si02的三層結構，當驅動電壓9V時，橋長1200iam時可產生31iira的面外位移，可見其驅動效率是比較低的。同時，由于利用彈簧剛度和支架的熱應力使梁彎曲，顯然驅動力很小，且彎曲梁易疲勞損傷導致壽命有限，而且熱驅動響應慢，不足以達到快速控制外接電路開關的效果。另夕卜，WeisongWang等在《MicroelectronicEngineering》(《微電子工程》)2008年第85期第587-598頁上發表的題名"DesignofabidirectionalMEMSactuatorwithhighdisplacementresolution,largedrivingforceandpower-freelatching"("—種具有高位移分辨率、大驅動力及無源自鎖功能的雙向MEMS微驅動器")，該文獻報道提出了一種基于尺蠖結構的雙向運動的MEMS驅動器，其驅動機制采用兩個加緊裝置作為鎖定結構，受熱膨脹的推進桿的位移變化轉換成嵌入其中的光纖的位移變化，雖然分辨率很高，但驅動器的實際位移很小(只有約4pm)，該裝置主要面向光纖調節研究，在某些特定場合不足以適用，而且驅動響應速度很慢，驅動機理與過程較復雜，不適合用于雙向接觸的微繼電器o
發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，采用帶有剛體質量塊的柔性電熱彈簧作為電熱電磁驅動單元，一個帶有可動觸點的雙向運動梁在左右兩個靜觸點之間進行穿梭運動，并由帶有鎖定機構的機械鎖定單元提供機械鎖定，實現了無功耗的雙向運動的雙穩態驅動模式。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括永磁體，襯底，電熱電磁驅動單元，雙向運動梁單元，機械鎖定單元，電接觸單元。其中永磁體位于襯底下方，并與襯底緊密相連；電熱電磁驅動單元、雙向運動梁單元、機械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元相連，構成一個可以懸空自由運動的可動梁；一對機械鎖定單元對稱分布于雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元的左右兩邊；一對電接觸單元對稱分布于雙向運動梁單元的左右兩端。上述各單元的功能電熱電磁驅動單元主要對可動梁單元的運動產生驅動作用；可動梁單元主要實現機構的雙向運動；機械鎖定單元對雙向運動梁單元的運動趨勢進行機械鎖定，實現雙穩態效應；電接觸單元與雙向運動梁單元共同協調作用，實現外接回路的斷開與閉合。所述電熱電磁驅動單元包括磁驅動基座、磁驅動電極、剛體質量塊、柔性電熱彈簧。其中磁驅動基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；磁驅動電極位于磁驅動基座上方，剛體質量塊的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧；一對柔性電熱彈簧通過磁驅動電極與磁驅動基座相連。磁驅動基座提供結構支撐作用，磁驅動電極用于接通外電流，柔性電熱彈簧和剛體質量塊作為電熱電磁驅動主體為雙向運動梁提供驅動力。所述一對柔性電熱彈簧并聯分布，具有反向的v型結構。所述雙向運動梁單元包括雙向運動梁、鎖定滑塊、柔性緩沖彈簧、動觸點。其中雙向運動梁與電熱電磁驅動單元中的柔性電熱彈簧相連，構成可以自由運動的可動梁；一對鎖定滑塊對稱分布于雙向運動梁的左右兩邊，與機械鎖定單元中的鎖定觸頭相協調作用，共同實現對雙向運動梁的機械鎖定；一對動觸點對稱分布于雙向運動梁的左右兩端，通過柔性緩沖彈簧與雙向運動梁相連，實現外接回路的斷開與閉合；蛇形結構的柔性緩沖彈簧連接著動觸點，目的是為了防止電火花的產生，實現動、靜觸點之間更加有效的電接觸。所述機械鎖定單元包括熱驅動基座、熱驅動電極、U型熱驅動熱臂、U型熱驅動冷臂、鎖定觸頭。其中熱驅動基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；熱驅動電極位于熱驅動基座上方，U型熱驅動器熱臂和U型熱驅動器冷臂分別與熱驅動電極相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅動器熱臂和U型熱驅動器冷臂；鎖定觸頭位于U型熱驅動器熱臂的端部，鎖定觸頭具有圓弧形結構。其中，熱驅動基座提供結構支撐作用，熱驅動電極用于接通外電流；利用U型熱驅動器熱臂和U型熱驅動器冷臂之間的非對稱熱膨脹效應，可以實現鎖定觸頭的自鎖功能，使得雙向運動梁上的鎖定滑塊順利的滑過鎖定觸頭，形成對雙向運動梁的機械鎖定，實現了機構的雙穩態功能。所述電接觸單元包括靜觸點和外接回路。其中外接回路位于襯底上方，并與襯底緊密相連；一對靜觸點隸屬于外接回路，它與雙向運動梁上的動觸點相匹配，共同實現對外接回路的導通與斷開。本發明以MEMS微細加工技術為基礎，襯底可以根據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實現雙向雙穩態微驅動器結構的制作。與現有技術相比，本發明的主要優勢在于-1、采用平直的雙向運動梁作為微驅動器中的可動部件，而且梁的驅動位移是平行于襯底的面內運動，屬于梁的平動，相比
背景技術：
中提及的驅動梁的面外彎曲運動，這樣就有效地避免了驅動梁因為彎曲過度導致疲勞損傷而壽命有限的問題。2、采用具有較大剛度系數的V型柔性電熱彈簧來提供較大的驅動力，在通電過程中，V型柔性電熱彈簧一方面受到一個由于電熱產生體積膨脹的電熱驅動力，一方面受到一個由于磁場作用的洛倫茲力，在兩者的協同驅動作用下使得V型柔性電熱彈簧運動到一個與初始形狀相反的狀態，從而可實現了較大的驅動力和驅動位移。3、由于本設計結構自身帶有自鎖機構單元，當雙向運動梁上的動觸點到達靜觸點接通外電路后，在柔性電熱彈簧內無電流接通的情況下，梁上的鎖定滑塊會與鎖定觸頭協同作用執行自鎖功能，從而實現了微驅動器的雙向雙穩態功能。綜上所述，本發明的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，充分體現了MEMS技術與靈巧機械結構的完美結合，不僅合理利用了電熱電磁力的協調互助作用，巧妙地實現了無功耗的雙穩態機制，而且基于電磁力的驅動方式，以及僅利用電熱膨脹的升溫過程，在不考慮電熱器件較長的冷卻過程時，使得本設計機構的響應速度大大提高。本發明制作簡單，成本較低，只需要兩個掩膜版即可完成整個微驅動器件的制作。圖1是實施例1中基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器的結構示意圖；圖2是實施例1中雙向雙穩態微驅動器的雙向運動梁單元示意圖；圖3是實施例1中雙向雙穩態微驅動器的電熱電磁驅動單元示意圖；圖4是實施例1中雙向雙穩態微驅動器的機械鎖定單元示意圖；圖中永磁體l，襯底2，雙向運動梁單元3，電熱電磁驅動單元4，機械鎖定單元5，電接觸單元6，雙向運動梁7、鎖定滑塊8、柔性緩沖彈簧9、動觸點10，磁驅動基座ll、磁驅動電極12、剛體質量塊13、柔性電熱彈簧14，熱驅動基座15、熱驅動電極16、U型熱驅動器冷臂17、U型熱驅動器熱臂18、鎖定觸頭19，靜觸點20和外接回路21。具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1-4所示，本實施例基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器包括永磁體l，襯底2，雙向運動梁單元3，電熱電磁驅動單元4，機械鎖定單元5，電接觸單元6。連接關系是永磁體1位于襯底2下方，并與襯底2緊密相連；電熱電磁驅動單元4、雙向運動梁單元3、機械鎖定單元5和電接觸單元6分別位于襯底2上方，雙向運動梁單元3與電熱電磁驅動單元4相連，構成一個可以懸空自由運動的可動梁；一對機械鎖定單元5對稱分布于雙向運動梁單元3與電熱電磁驅動單元4的左右兩邊；一對電接觸單元6對稱分布于雙向運動梁單元3的左右兩端。雙向運動梁單元3、電熱電磁驅動單元4、機械鎖定單元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，構成了雙向雙穩態微驅動器。電熱電磁驅動單元4主要對雙向運動梁單元3中雙向可動梁7的運動產生驅動作用，機械鎖定單元5主要執行機構自鎖功能，實現雙穩態效應；雙向運動梁單元3與電接觸單元6，用來實現驅動器狀態與外電路的接通或斷開。圖2是本實施例中雙向雙穩態微驅動器的雙向運動梁單元3示意圖，所述雙向運動梁單元3包括雙向運動梁7、鎖定滑塊8、柔性緩沖彈簧9、動觸點IO。其中雙向運動梁7與電熱電磁驅動單元4中的柔性電熱彈簧14相連，構成可以自由運動的可動梁；鎖定滑塊8具有圓弧形狀結構，一對鎖定滑塊8對稱分布于雙向運動梁7的左右兩邊，與機械鎖定單元中的鎖定觸頭19相協調作用，共同實現對雙向運動梁的機械鎖定；一對動觸點10對稱分布于雙向運動梁7的左右兩端，通過柔性緩沖彈簧9與雙向運動梁7相連；蛇形結構的柔性緩沖彈簧9連接動觸點10。動觸點10與電接觸單元6中靜觸點20相耦合實現了外電路的接通或斷開。柔性緩沖彈簧9主要在電接觸系統中起到防止電火花的產生，并實現了動、靜觸點之間更加有效的電接觸。圖3是本實施例中雙向雙穩態微驅動器的電熱電磁驅動單元4示意圖，所述電熱電磁驅動單元4包括磁驅動基座11、磁驅動電極12、剛體質量塊13、柔性電熱彈簧14。其中磁驅動基座11位于襯底2上方，并與襯底2緊密相連；磁驅動電極12位于磁驅動基座11上方，剛體質量塊13的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧14;一對柔性電熱彈簧14并聯而成，具有反向的V型結構，該柔性電熱彈簧14通過磁驅動電極12與磁驅動基座11相連。一對具有反向的V型結構柔性電熱彈簧14，既作為電載體既承受一個體積熱膨脹所產生的電熱驅動力，又承受一個由于電磁場所產生的洛倫茲力，兩者共同作用產生了對雙向運動梁7的雙向運動；柔性電熱彈簧14的彈簧結構既增加了電熱膨脹的幅度，又為剛體質量塊13的左右擺動提供一定的柔性。具有高深寬比的剛體質量塊13連接兩段柔性電熱彈簧14，實現了V型結構的兩種運動狀態。圖4是本實施例中雙向雙穩態微驅動器的機械鎖定單元示5意圖，所述機械鎖定單元5包括熱驅動基座15、熱驅動電極16、U型熱驅動器冷臂17、U型熱驅動器熱臂18、鎖定觸頭19。其中熱驅動基座15位于襯底2上方，并與襯底2緊密相連；熱驅動電極16位于熱驅動基座15上方，U型熱驅動器冷臂17和U型熱驅動器熱臂18分別與熱驅動電極16相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅動器冷臂17和U型熱驅動器熱臂18;—對鎖定觸頭19分布于U型熱驅動器熱臂18的端部，鎖定觸頭19具有圓弧形結構。其中，熱驅動基座15提供結構支撐作用，熱驅動電極16用于接通外電流；利用U型熱驅動器冷臂17和U型熱驅動器熱臂18之間的非對稱熱膨脹效應，可以實現鎖定觸頭19的自鎖功能，使得雙向運動梁7上的鎖定滑塊10順利地滑過鎖定觸頭19，形成對雙向運動梁7的機械鎖定，實現了機構的雙穩態功能。所述電接觸單元6包括靜觸點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；一對靜觸點20隸屬于外接回路21，它與雙向運動梁7上的動觸點10相匹配，共同實現對外接回路21的導通與斷開。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構。如圖1所示，在靜止狀態時，左右兩個柔性電熱彈簧14由于剛體質量塊13的作用，呈現如圖所示形狀相反的兩種狀態，當整個驅動機構處于永磁體提供的垂直襯底向上的磁場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差El時，該柔性電熱彈簧14必將受到一個由于電熱產生體積膨脹的電熱驅動力和一個由于磁場作用的洛倫茲力，根據左手定則，該彈簧14將受到一個向右(即圖中所示的X正方向)的導向作用力(洛倫茲力)，從而推動雙向運動梁7向右驅動，運動的結果是左邊柔性電熱彈簧14呈現與右邊柔性電熱彈簧14相同的變形方向，雙向運動梁7同時被右邊機械鎖定單元5鎖定，右邊電接觸單元6導通。此時，左邊柔性電熱彈簧14的電極之間(El)停止通電，可實現無功耗的單向穩態接觸。若要斷開右邊電接觸單元6，可在右邊機械鎖定單元5的兩端同時通入電勢差E3、E4，則右邊機械鎖定單元5中的鎖定觸頭19被打開，由于柔性電熱彈簧14在變形過程中儲存的彈簧勢能使得雙向運動梁7又恢復到最初的狀態。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差E2時，雙向運動梁7將沿向左(即圖中所示的X負方向)運動，同時被左邊鎖定機構5鎖定，實現了左邊電接觸單元6的導通，右邊柔性電熱彈簧14的電極之間(E2)停止通電時，又可實現另外一種運動方向下無功耗的單向穩態接觸。綜上所述，所設計的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器就實現了無功耗的雙向運動的雙穩態驅動模式。相比于以往采用面外彎曲運動的雙向運動梁結構，本實施例利用可動梁平行于襯底的面內平動，在一對帶有剛體質量塊的V型柔性電熱彈簧的雙向驅動下實現了雙向運動。同時，采用了雙向鎖定機構執行自鎖功能，當動觸點到達靜觸點接通外電路后，在無任何外界能量輸入的情況下，實現了微驅動器的雙向雙穩態功能。本實施例充分體現了MEMS技術與靈巧機械結構的完美結合，不僅合理利用了電熱電磁力的協調互助作用，巧妙地實現了無功耗的雙穩態機制。權利要求1、一種基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器機構，其特征在于包括永磁體、襯底、電熱電磁驅動單元、雙向運動梁單元、機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；電熱電磁驅動單元、雙向運動梁單元、機械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元相連，構成一個懸空自由運動的可動梁；一對機械鎖定單元對稱分布于雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元的左右兩邊；一對電接觸單元對稱分布于雙向運動梁單元的左右兩端。2、根據權利要求1所述的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，其特征是，所述電熱電磁驅動單元包括磁驅動基座、磁驅動電極、剛體質量塊、柔性電熱彈簧，其中磁驅動基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；磁驅動電極位于磁驅動基座上方，剛體質量塊的兩端分別連接一段柔性電熱彈簧；一對柔性電熱彈簧通過磁驅動電極與磁驅動基座相連。3、根據權利要求2所述的雙向雙穩態微驅動器機構，其特征是，所述一對柔性電熱彈簧是并聯分布，且具有反向的v型結構。4、根據權利要求1所述的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，其特征是，所述雙向運動梁單元包括雙向運動梁、鎖定滑塊、柔性緩沖彈簧、動觸點，其中雙向運動梁與電熱電磁驅動單元中的柔性電熱彈簧相連，構成自由運動的可動梁；一對鎖定滑塊對稱分布于雙向運動梁的左右兩邊，一對動觸點對稱分布于雙向運動梁的左右兩端，并通過柔性緩沖彈簧與雙向運動梁相連；蛇形結構的柔性緩沖彈簧連接著動觸點。5、根據權利要求4所述的雙向雙穩態微驅動器機構，其特征是，所述鎖定滑塊是一個具有圓弧形結構。6、根據權利要求1所述的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，其特征是，所述機械鎖定單元包括熱驅動基座、熱驅動電極、U型熱驅動熱臂、U型熱驅動冷臂、鎖定觸頭，其中熱驅動基座位于襯底上方，并與襯底緊密相連；熱驅動電極位于熱驅動基座上方，U型熱驅動器熱臂和U型熱驅動器冷臂分別與熱驅動電極相連，一段圓弧形片段連接U型熱驅動器熱臂和U型熱驅動器冷臂；鎖定觸頭位于U型熱驅動器熱臂的端部。7、根據權利要求6所述的雙向雙穩態微驅動器機構，其特征是，所述的鎖定觸頭具有圓弧形結構。8、根據權利要求1所述的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，其特征是，所述電接觸單元包括靜觸點和外接回路，其中外接回路位于襯底上方，并與襯底緊密相連；一對靜觸點與雙向運動梁上的動觸點相匹配，共同實現對外接回路的導通與斷開。全文摘要本發明涉及一種微機電系統
技術領域：
的基于電熱電磁驅動的雙向雙穩態微驅動器，包括永磁體、襯底、電熱電磁驅動單元、雙向運動梁單元、機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；電熱電磁驅動單元、雙向運動梁單元、機械鎖定單元和電接觸單元分別位于襯底上方，雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元相連，構成一個懸空自由運動的可動梁；一對機械鎖定單元對稱分布于雙向運動梁單元與電熱電磁驅動單元的左右兩邊；一對電接觸單元對稱分布于雙向運動梁單元的左右兩端。本發明工藝簡單，不僅充分體現了MEMS技術與靈巧機械結構的完美結合，而且合理利用了電熱電磁力的協調互助作用，實現了無功耗的雙穩態機制。文檔編號B81B7/00GK101544347SQ20091004987公開日2009年9月30日申請日期2009年4月23日優先權日2009年4月23日發明者丁桂甫,吳義伯,張叢春,張小波,娟王,王亞攀申請人:上海交通大學