[发明专利]一种大可控行程微作动器

说明书

本发明提供一种大可控行程微作动器，包括：动极板、极板底座、嵌入式镍极板弹簧和定极板，其中：所述嵌入式镍极板弹簧呈“一”字形，伸入所述动极板中央，沿所述动极板中轴线对称布置在所述动极板中央的两侧，所述嵌入式镍极板弹簧一端固定在所述极板底座长度方向的中点上，另一端固定在所述动极板中央，所述嵌入式镍极板弹簧在所述动极板运动过程中产生的弹性回复力与弹簧变形量为非线性关系。本发明明显提高了微机械作动器的可控行程、降低了驱动电压，同时减少了对响应速度的不利影响。

技术领域

本发明涉及一种精密机械技术领域的微机械作动器，具体地，涉及一种大可控行程微作动器。

背景技术

基于MEMS技术的光开关、微继电器和射频开关等器件分别是应用于未来全光通信网、先进仪器仪表和控制系统、相控阵雷达与移动通信等领域的基础性关键器件。这类器件通常工作在开、关状态，驱动行程在数微米至100微米，驱动力为微牛顿至毫牛顿量级、响应时间在毫秒至微秒量级，要求低功耗、低电压、响应快、寿命长。目前这类器件通常是基于静电驱动或电磁驱动原理。对于这两类驱动原理的驱动器，由于静电力和电磁力都会随着作动器工作气隙的减小而非线性增大，导致驱动力的增加远远大于结构弹簧回复力的增加，进而导致失稳现象。这一方面导致作动器的可控行程缩短，另一方面由于输入电压和输出位移之间存在的严重非线性也会导致作动器的输出难以准确调整。目前，在光开关、微继电器、射频开关等器件研究领域，具有较大可控行程的微作动器正受到越来越多的关注，国内外相关机构纷纷开展研究。

经对现有技术文献的检索发现，B.Rivlin等人在《JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS》(微机电系统学报)，撰文“A gap-closingelectrostatic actuator with a linear extended range”(一种扩大线性驱动范围的静电驱动器)”，提出了一种输入电压与输出位移之间具有线性关系的微作动器结构方案，利用一个特殊轮廓的凸轮支撑块，连续调整微作动器悬臂梁在驱动过程中的有效力臂长度，从而使得微作动器悬臂梁的等效刚度随着输出位移的增大而增大，从而避免了输出位移增加时，静电驱动力远远大于微作动器结构弹性回复力的情况，使得输入电压与输出位移间近似呈线性关系，作动器可控行程达到总气隙的85％。该驱动器虽然性能有了明显改善，但是仍然存在以下不足：该驱动器仅适用于面内运动的场合，难以在面外运动作动器中应用，该设计需要引入特殊形状的凸轮支撑块，器件结构复杂，难以进一步微型化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种大可控行程微作动器，结构简洁，无需复杂凸轮支撑块，满足器件对微作动器在可控行程、准确性等方面的综合要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现的：

一种大可控行程微作动器，包括：动极板、极板底座、嵌入式镍极板弹簧和定极板，其中：

所述极板底座位于所述定极板的两侧，所述动极板通过所述嵌入式镍极板弹簧、所述极板底座固定在所述定极板的正上方，能够相对于定极板上下运动，所述动极板、定极板之间为工作气隙；

所述嵌入式镍极板弹簧呈“一”字形，伸入所述动极板中央，沿所述动极板中轴线对称布置在所述动极板中央的两侧，所述嵌入式镍极板弹簧一端固定在所述极板底座长度方向的中点上，另一端固定在所述动极板中央，所述嵌入式镍极板弹簧在所述动极板运动过程中产生的弹性回复力与弹簧变形量为非线性关系。

优选地，所述动极板上包含加强筋，以使所述动极板本身的结构刚度远大于所述嵌入式镍极板弹簧的刚度，在所述动极板上下运动时，保持平动状态而不发生扭转，从而使得所述动极板下方不同平面位置上的工作气隙保持相同。

优选地，所述定极板的上表面设有绝缘层，用于防止所述动极板与所述定极板接触时发生短路。

优选地，所述嵌入式镍极板弹簧的长宽比大于10，宽厚比大于5，厚度小于2微米，气隙与弹簧厚度比大于5。