[发明专利]静电激励器的驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及到驱动静电激励器的驱动装置和方法。本发明具体涉及到使用合成交流(交流)信号的驱动装置和方法。

发明背景

静电激励器是可以选择的，并且是选择采用小功率，高速操作，低成本和小尺寸的激励器的解决方案。这些装置具有明显的优点：所需功率更小的过热装置；使用小功率并具有小尺寸的过电磁装置；或者是具有高成本并具有更小的运动量的压电激励器。

然而，迄今为止，市场上还没有这样的静电激励器。在由于存在介电隔离电极而招致具体问题时特别关注静电激励。

在静电激励器中产生的位移是两个物体上分布的带相反符号的电荷之间的静电吸附力的结果，其中一个物体是可以移动的。在本发明中将这两个物体称为激励板。激励板被放置在相距预定的距离。如果在作为激励板一部分的两个导电电极之间施加一个电位差，就会产生电荷分布。如果在电极之间施加电位差，激励器就处在ON状态或模式下，两个板相向运动。如果两个电极是等电位(短路)，激励器就处在OFF状态。

直流(DC)电压从理论上说能够感应激励周期的ON状态。然而，实际的问题限制了直流电压对某些静电激励器的激励作用。在实际的设备中，直流驱动具有记忆效应，使激励器的性能严重依赖于以往的激励过程。直流驱动还会感应净摩擦(1)通过从电介质/金属电极界面上注入的电荷，(2)通过在电介质/空气界面上俘获的电荷。

使用交流信号来感应静电激励器的ON状态也是可行的，并且能消除直流驱动的缺点。

正弦波交流驱动被发现具有一些有害的性质。正弦波交流驱动不能产生许多应用中需要的静电压力的稳态电平。激励器板与板的位移会跟随着正弦波施加的电压，在施加正弦波交流电压时会产生有害的振动。为了克服这一缺点可以采用多相位/多电极的驱动方案。然而，这种方法会招致结构的复杂化和有限的力。方波交流驱动可以提供高而稳定的静电力。然而，它还会产生过早的净摩擦，对性能有不利的影响，实际应用中会造成许多设备不能达到预期的使用寿命。

有一组专利描述了采用精密微型阀门，传感器和其他部件的流体控制，使用一个入口与引出口之间的主通道和入口与出口之间的伺服通道。由一个控制流量管控制伺服通道，用静电移动流量管的薄片。授子Bonne等人的美国专利5.176,358公开了这样一种流体调节装置，而分案的美国专利5,323,999和5,441,597涉及到变更的实施例。

上述专利仅仅是简单介绍了实际的静电装置，在激励一个装置以改变有关的至少一个电极的电压时产生一个静电力，使作为介电层一部分的至少一个薄片朝向或是离开一个孔移动。

关于上述可供参考的专利的进一步信息和使用静电力的微型阀门的另外一组专利有关系。参照了前述那些专利的未决美国专利申请在Bonne等人的美国专利5,082,242中得到了完善。这一专利描述了一种装在一件硅片上的整体结构的微型阀门，该装置是一个在硅晶片的相对两侧具有入口和出口的流通阀。阀门在接触到阀门座时关闭，而表面之间必须匹配以免阀门性能恶化。美国专利5,180,623和5,244,527这两件专利是涉及到第一件专利的分案专利。这些专利笼统描述了由各类电压源驱动的静电阀门的操作。具体来看，如果在电极之间施加一个直流电压，这种阀门可以说是一种具有全开和全闭位置的两个位置的阀门。也可以通过施加与关闭阀门所需的电压成正比的电压来实现比例控制阀门的操作。最后，这些专利还描述了具有脉宽调制电压信号的阀门的操作，用来调制通过阀门的气流。

在某些静电激励器中，激励板在正常操作周期中必须要精密接触。这些激励器有时被称为接触式静电激励器。为了避免在操作周期的接触阶段发生电路短路，导电电极由介电层彼此隔离。为了用具体的装置获得最高的效率，通常要在两个导电电极之间形成大电场。静电吸引的非线性性质会造成突发动作，使激励板以高达10⁸g的加速度和超过10³m/sec的速度相向运动。在发生碰撞之后，激励板的自由面被大静电场产生的压力彼此排斥。这种操作模式往往会在激励板之间产生很大的机械碰撞和强烈的相互作用力。某些这种力会一直持续到激励板之间的电位差消失之后。在某些情况下，这些力会超过能够使电极回到其原始位置的恢复力。在这种情况下，两个电极仍然会暂时或永久地吸附，而激励器也就不能正常工作了。有时将这种状态称为“静摩擦”。