[发明专利]基于电热驱动的步进微转动装置

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统技术领域中的微执行器类，特别涉及一种基于电热驱动的步进微转动装置，用于将电热致动器产生的往复直线运动转换为齿轮的旋转运动。

背景技术

致动器是MEMS的执行部件，承担着能量转化、运动传递等重要作用，按能量来源分为电能、化学能、流体能和热能致动方式。电能致动器利用电荷作用力、磁场力等产生致动，响应速度快、功耗低，但输出位移小、所需电压高，如压电式、电磁式和静电式。静电致动器由于功耗低，工作频率高，具有高的可设计性和可靠性，在RF-MEMS开关、MEMS光学开关、微位移工作台和一些通信器件方面得到了广泛应用，但工作电压高，输出力小，难与IC电压兼容。压电致动器利用压电材料的压电效应致动，响应速度快、能量密度高、位移输出稳定、无吸合效应、驱动电压小，但制作工艺复杂、输出位移小。电磁致动器基于电磁作用产生驱动力，具有易与机构连接、可在恶劣环境下工作等优点，但发热量大、能耗高、工艺复杂、不易制造。电热致动器利用温度变化产生形变致动，输出位移和力大、操作电压小、与IC兼容，是现阶段MEMS可行的主要致动方式，如膨胀伸长式和形状记忆合金式。可利用加热固体产生热膨胀致动，如双金属效应执行器产生垂直运动，冷热臂、长短臂、曲臂执行器产生水平运动；也可利用加热空气、液体等介质产生体积变化致动，如喷墨打印机喷头。由于热致动器较低的驱动电压和较大的输出力以及与IC工艺的良好兼容性，热致动器比传统的静电致动器有更大的优势，但也有响应速度慢（通常为100-300μs）、能量损耗大、需持续供电等缺点。

电热致动器结构简单、驱动力较大，输入交变电压后产生往复直线运动，但产生的位移较小，为实现特定的机械运动，需通过传动系统将致动器产生的微小位移转换放大，以实现大位移传动或转动。若通过合适的运动转换装置将其产生的往复直线运动转换成连续旋转运动，即可达到转速合适、驱动力大的实际应用要求。MEMS领域，一般通过齿轮齿条机构、棘轮机构或摩擦驱动方法将往复直线运动转换为旋转运动。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) 文中介绍了一种通过推拉式结构将电热致动器产生的往复直线运动转变成齿轮的转动，该结构只有在致动器位移较大时才能实现推拉运动，如文中所述致动器输出位移要求为34                                               ，而一般电热致动器的输出位移很难直接到达此值，故此转换结构不适合于微小位移致动器的运动转换。David G. Smith等在Piezoresistive encoders for ratcheting actuation systems (Sensors and Actuators A, Vol.165, No. 2, 2011) 文中介绍了用棘轮机构将直线运动转化成旋转运动，由于棘轮结构的间歇运动特性，转化后的旋转运动不连续，是间歇旋转运动。

为克服上述两类结构自身的缺点，本发明利用两组热致动器交替驱动齿条，将致动器的往复直线运动转化成齿轮的连续转动，该装置对致动器的输出位移适应范围宽，结构新颖独特，与MEMS工艺兼容，传动效率高。

发明内容

本发明的目的在于克服传统运动转化方法的缺陷，提供一种适应范围广、对致动器输出位移无特殊要求、输出效率高、控制简单、能实现连续转动的基于电热驱动的步进微转动装置。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的任务在于建立一种与MEMS表面工艺兼容、无需装配、能将电热致动器产生的往复直线运动转换成齿轮连续转动的多晶硅微机械装置。采用电热致动，结构简单、驱动力大。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于电热驱动的步进微转动装置，包括驱动部分和转换传动部分，其特征在于：

所述驱动部分包括左侧和右侧水平排列的各上下两个主致动器以及左侧和右侧各一个啮合控制致动器，所述左右两侧共四个主致动器分别由6个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极和四个正电极；所述左右两侧共两个啮合控制致动器分别由3个V型电热硅微致动器串联构成，端部分别连接两个负电极和两个正电极；