[发明专利]基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的微驱动器，具体地说，涉及的是一种基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器。

背景技术

微机电系统(MEMS)最重要的两个特征是微传感器与微驱动器，其中微驱动器作为MEMS中最重要核心技术的一部分，其驱动机理及原型器件的制备成为近年来研究的重点。微驱动器的驱动机理主要是利用各种物理效应，典型的驱动机制有静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动等。静电驱动的MEMS微驱动器虽然结构简单，功耗较低，但要使其保持良好工作性能所需要的静电驱动电压较高，高电压不但有损于使用寿命和稳定性，而且与集成电路(IC)工艺不兼容。电磁驱动所需要的驱动电压可以达到很低水平，但其工作特性的尺度效应明显，结构复杂，功耗高而效率低。电热驱动是一种适合于微尺度运动的驱动机制，驱动电压低而输出力矩大，相同尺度下体积功率密度显著高于静电和电磁驱动，稳定可靠。但是热驱动亦有两个显著的缺点，即功耗较大且反应速度慢。

多方面研究表明，引入双稳态机构有助于改善热驱动器件的上述缺陷。所谓双稳态机构是指在其运动范围内具有两个稳定平衡位置的一种机构，这种机构在其一部分运动过程中存储能量，而当其向另一个稳定平衡位置运动时释放能量。这种机构在受到外界比较小的驱动时会自动回到其稳定平衡位置(即势能最低的状态)上，而且具有无需能量输入都能位于一个适当平衡位置的特性。因此用双稳态机构制作的MEMS微驱动器具有较好的驱动效果和较低的功耗。同时利用体积热膨胀效应较大的优势，弯曲梁在热场中各向同性的膨胀，缺乏驱动方向的导向，如果此时给弯曲梁施加一个导向力，电热驱动梁将会产生较大的响应速度，且提高了驱动的定位精度。

经对现有技术的文献检索发现，Michael等在《Microelectromechanicalsystem》(《微机电系统》)2008年第17期第58-69页上发表的题名“A NovelBistable Two-Way Actuated Out-of-Plane Electrothermal Microbridge”(“一种新型双稳态双向面外运动电热驱动器”)，该文献报道提出了一种新型双向驱动双稳态电热驱动器，该设计采用桥式面外运动方式，电热驱动部分采用由弹簧和支架支撑的弯曲梁构成，同时弹簧和支架采用Si/SiO₂/SiO₂的三层结构，当驱动电压9V时，桥长1200μm时可产生31μm的面外位移，可见其驱动效率是比较低的。同时，由于利用弹簧刚度和支架的热应力使梁弯曲，显然驱动力很小，且弯曲梁易疲劳损伤导致寿命有限，而且热驱动响应慢，不足以达到快速控制外接电路开关的效果。

另外，Weisong Wang等在《Microelectronic Engineering》(《微电子工程》)2008年第85期第587-598页上发表的题名“Design of a bidirectional MEMSactuator with high displacement resolution，large driving force andpower-free latching”(“一种具有高位移分辨率、大驱动力及无源自锁功能的双向MEMS微驱动器”)，该文献报道提出了一种基于尺蠖结构的双向运动的MEMS驱动器，其驱动机制采用两个加紧装置作为锁定结构，受热膨胀的推进杆的位移变化转换成嵌入其中的光纤的位移变化，虽然分辨率很高，但驱动器的实际位移很小(只有约4μm)，该装置主要面向光纤调节研究，在某些特定场合不足以适用，而且驱动响应速度很慢，驱动机理与过程较复杂，不适合用于双向接触的微继电器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器，采用带有刚体质量块的柔性电热弹簧作为电热电磁驱动单元，一个带有可动触点的双向运动梁在左右两个静触点之间进行穿梭运动，并由带有锁定机构的机械锁定单元提供机械锁定，实现了无功耗的双向运动的双稳态驱动模式。