[发明专利]具有增强的恢复力的弯曲的致动器

说明书

本发明涉及一种静电致动器，尤其涉及一种具有增强的恢复力的改进的致动器。

静电致动器已被选择用作使用的功率小、操作速度高、生产成本低并且体积小的致动器。这些器件具有许多重要的优点：和热器件相比，其要求小得多的功率，和电磁器件相比，其使用较小的功率并具有较小的体积，或者和压电致动器相比，压电致动器具有较高的成本和小得多的运动幅值。

然而，至今还没有在市场上可以得到的静电致动器。其中尤其关心的是具有介电绝缘之电极的静电致动器，其中具有许多特殊问题。

在静电致动器中，所需的位移是由在两个物体上分布的相反电荷之间的相互作用而产生的静电吸力引起的，其中所述两个物体中的一个物体是可以运动的。为了说明本发明，这两个物体被称为致动器板。所述致动器板被分开一个预定距离。然后，通过在两个作为致动器板的一部分的导电电极之间提供一个电位差产生电荷分布。当在电极之间施加电位差时，所述致动器处于ON状态或ON方式，当两个电极处于相同的电位时，致动器处于0FF状态。

一个同族专利披露了一种流体控制，其中使用微型阀、检测器和使用在一个入口和一个出口之间的主通道的其它元件，在入口和出口之间还有一个伺服通道。所述伺服通道利用控制流量管控制，使得调节片以静电方式运动。Bonne等人的美国专利5176358披露了一种这样的流体调节装置，而分案的美国专利5323999和5441597涉及另外的实施例。

上述专利只对实际的静电装置作了简短的说明，其中至少一个被作为介电层的一部分形成的调节片在装置被启动时离开或朝向小孔运动，用于改变和其相连的至少一个电极的电位，从而产生静电力。

上述的参考专利和另一个同族专利一样，其中具有关于使用静电力的微型阀的其它信息。涉及到首先提及的那些专利的待审专利已被批准为Bonne等人的美国专利5082242。该专利披露了一种作为一种整体结构的微型阀，这种结构被制造在一个硅片上，使得该装置成为一种具有被设置在硅片上的相对侧上的入口和出口的流量控制阀。这种控制阀由在底座上的接点控制，其中表面必须匹配，以便避免阀门性能的变劣。US5180623和US5244527两个专利是关于第一专利的分案申请。这些专利基本上披露了利用各种电压源驱动的静电阀的操作。具体地说，所述的控制阀通过在电极之间施加直流电压作为具有两个位置的控制阀进行操作，其具有完全打开位置和完全闭合位置。此外，还披露了作为比例控制阀进行操作，其中施加为闭合阀门所需的电压成比例的电压。最后，这些专利披露了利用脉冲宽度调制电压信号控制这些阀门，以便调制通过阀门的气体流量。

在一些静电致动器中，在正常的操作周期期间，致动器板必须紧密接触。这些致动器有时被称为触摸式静电致动器。为了阻止在操作周期的触摸阶段期间发生电短路，导电电极利用介电层相互绝缘。为了从特定装置获得最大功，通常在两个导电电极之间产生大的电场。静电吸引作用的非线性特征产生咬合作用，其中致动器板以高达10⁸g的加速度和超过10³m/sec的速度彼此相向运动。在撞击之后，致动器板的自由表面被以静电方式产生的大的压力彼此相互推动。这种操作方式可以引起大的机械撞击，因而在致动器板之间产生大的相互作用力。这些力可以在除去致动器板之间的电位差之后继续起作用。在一些情况下，这些力大于用于使电极回到其原始位置的恢复力。在这种情况下，两个电极暂时或永久地保持连接，因而致动器停止进行所需的操作。这种状态有时被称为被“黏住”。在现有技术中的静电致动器产生被减小的恢复力使得它们由于永久的粘连现象而易于发生故障。

在静电致动器中产生粘连的主要的力是表面相互作用力(固态桥接、凡得华力、氢键)以及由暂时地或永久地陷入介电质中的电荷产生的力。为了减少表面相互作用力，使用两个办法。第一种办法是减少接触面积，这需要更复杂的结构，并且要失去一些可以利用的静电力。第二种办法是减少接触的层的表面能量，目前还没有基于这个概念的成功的例子。