[發明專利]基于電熱驅動的步進微轉動裝置

有效

• 申請號: 201210241602.7
• 申請日: 2012-07-13
• 公開（公告）號: CN102769371A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 沈雪瑾;王振祿;周玲;陳曉陽;胡懿
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02K37/24
• 分類號: H02K37/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及微機電系統技術領域中的微執行器類，特別涉及一種基于電熱驅動的步進微轉動裝置，用于將電熱致動器產生的往復直線運動轉換為齒輪的旋轉運動。

背景技術

致動器是MEMS的執行部件，承擔著能量轉化、運動傳遞等重要作用，按能量來源分為電能、化學能、流體能和熱能致動方式。電能致動器利用電荷作用力、磁場力等產生致動，響應速度快、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。靜電致動器由于功耗低，工作頻率高，具有高的可設計性和可靠性，在RF-MEMS開關、MEMS光學開關、微位移工作臺和一些通信器件方面得到了廣泛應用，但工作電壓高，輸出力小，難與IC電壓兼容。壓電致動器利用壓電材料的壓電效應致動，響應速度快、能量密度高、位移輸出穩定、無吸合效應、驅動電壓小，但制作工藝復雜、輸出位移小。電磁致動器基于電磁作用產生驅動力，具有易與機構連接、可在惡劣環境下工作等優點，但發熱量大、能耗高、工藝復雜、不易制造。電熱致動器利用溫度變化產生形變致動，輸出位移和力大、操作電壓小、與IC兼容，是現階段MEMS可行的主要致動方式，如膨脹伸長式和形狀記憶合金式。可利用加熱固體產生熱膨脹致動，如雙金屬效應執行器產生垂直運動，冷熱臂、長短臂、曲臂執行器產生水平運動；也可利用加熱空氣、液體等介質產生體積變化致動，如噴墨打印機噴頭。由于熱致動器較低的驅動電壓和較大的輸出力以及與IC工藝的良好兼容性，熱致動器比傳統的靜電致動器有更大的優勢，但也有響應速度慢（通常為100-300μs）、能量損耗大、需持續供電等缺點。

電熱致動器結構簡單、驅動力較大，輸入交變電壓后產生往復直線運動，但產生的位移較小，為實現特定的機械運動，需通過傳動系統將致動器產生的微小位移轉換放大，以實現大位移傳動或轉動。若通過合適的運動轉換裝置將其產生的往復直線運動轉換成連續旋轉運動，即可達到轉速合適、驅動力大的實際應用要求。MEMS領域，一般通過齒輪齒條機構、棘輪機構或摩擦驅動方法將往復直線運動轉換為旋轉運動。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推拉式結構將電熱致動器產生的往復直線運動轉變成齒輪的轉動，該結構只有在致動器位移較大時才能實現推拉運動，如文中所述致動器輸出位移要求為34???????????????????????????????????????????????，而一般電熱致動器的輸出位移很難直接到達此值，故此轉換結構不適合于微小位移致動器的運動轉換。David?G.?Smith等在Piezoresistive?encoders?for?ratcheting?actuation?systems?(Sensors?and?Actuators?A,?Vol.165,?No.?2,?2011)?文中介紹了用棘輪機構將直線運動轉化成旋轉運動，由于棘輪結構的間歇運動特性，轉化后的旋轉運動不連續，是間歇旋轉運動。

為克服上述兩類結構自身的缺點，本發明利用兩組熱致動器交替驅動齒條，將致動器的往復直線運動轉化成齒輪的連續轉動，該裝置對致動器的輸出位移適應范圍寬，結構新穎獨特，與MEMS工藝兼容，傳動效率高。

發明內容

本發明的目的在于克服傳統運動轉化方法的缺陷，提供一種適應范圍廣、對致動器輸出位移無特殊要求、輸出效率高、控制簡單、能實現連續轉動的基于電熱驅動的步進微轉動裝置。

為達到上述目的，本發明的構思是：

本發明的任務在于建立一種與MEMS表面工藝兼容、無需裝配、能將電熱致動器產生的往復直線運動轉換成齒輪連續轉動的多晶硅微機械裝置。采用電熱致動，結構簡單、驅動力大。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：

一種基于電熱驅動的步進微轉動裝置，包括驅動部分和轉換傳動部分，其特征在于：

所述驅動部分包括左側和右側水平排列的各上下兩個主致動器以及左側和右側各一個嚙合控制致動器，所述左右兩側共四個主致動器分別由6個V型電熱硅微致動器串聯構成，端部分別連接兩個負電極和四個正電極；所述左右兩側共兩個嚙合控制致動器分別由3個V型電熱硅微致動器串聯構成，端部分別連接兩個負電極和兩個正電極；