一种大可控行程微作动器制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A large controllable stroke micro actuator

The invention provides a controllable stroke micro actuator comprises a movable plate, base plate, nickel plate embedded spring and a fixed plate, wherein the embedded nickel plate spring is \a\ glyph, extends into the central plate, along the axis of symmetry in the moving plate is arranged on the movable side the central plate, wherein the embedded nickel plate one end of the spring is fixed at the midpoint of the length direction of the plate of the base and the other end is fixed on the movable plate central, the nickel plate embedded in the spring and the spring plate movement in the process of elastic restoring force deformation nonlinear relationship. The invention obviously improves the controllable stroke of the micromechanical actuator, reduces the driving voltage, and reduces the adverse effect on the response speed.

【技术实现步骤摘要】
一种大可控行程微作动器
本专利技术涉及一种精密机械
的微机械作动器，具体地，涉及一种大可控行程微作动器。
技术介绍
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《JOURNALOFMICROELECTROMECHANICALSYSTEMS》(微机电系统学报)，撰文“Agap-closingelectrostaticactuatorwithalinearextendedrange”(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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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，本专利技术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。更优选地，通过改变所述嵌入式镍极板弹簧的平面形状、长度、宽度或厚度中一种或多种参数，可以改变嵌入式镍极板弹簧的非线性特性，包括初始刚度以及刚度随变形量增加而增大的速度。本专利技术通过采用嵌入式镍极板弹簧，在提高微机械作动器可控输出行程、输出准确性的同时，有效简化了器件结构，缩小了器件尺寸，降低了设计和集成制造的难度。具体的，本专利技术的设计原理在于：(1)将极板弹簧设计成嵌入式结构，在进一步降低驱动电压，明显降低分析、设计难度的同时，有效缩小了器件的尺寸。如果按照现有常规技术，将极板弹簧布置在动极板四周，由于此时动极板的刚度远大于极板弹簧，在分析极板弹簧变形时需要将其等效为一端固定，另一端为垂直滑动的悬臂梁，作用在动极板的静电力或电磁力需作为分布力处理，动极板上不同位置的静电力或电磁力相对于固定端的力臂不同，分析静电力或电磁力-变形过程十分复杂。相比之下，本专利技术中创造性地采用“一”字形的嵌入式镍极板弹簧且嵌入式镍极板弹簧深入动极板中央的结构设计，与镍极板弹簧长度相比，两侧镍极板弹簧间距很短，因此在分析嵌入式镍极板弹簧非线性条件下的变形和应变时，可以将对称布置在动极板中央两侧的嵌入式镍极板弹簧近似作为一根固定端为动极板两侧极板底座上的连续悬臂梁来分析，即抽象为一根两端固定的悬臂梁，作用在动极板的静电力或电磁力可以认为是作用在极板中央的集中力，即力臂最长的位置，一方面避免了动极板本身的结构刚度对于分析极板弹簧变形的影响，另一方面与静电力或电磁力分布在动极板上各处相比，能够显著降低驱动电压，同时明显简化了分析过程，降低了设计的难度。与此同时，由于悬臂梁深入动极板中央，与极板弹簧布置在动极板四周相比，在悬臂梁长度相等的情况下，所占用的器件面积明显减小；而且用两根悬臂梁即可达到需要四根悬臂梁才能达到的效果，在相同刚度、相同长度、相同材料时，本专利技术中嵌入式镍极板弹簧的厚度可以比布置在动极板四周的极板弹簧增大20％以上，有助于提高悬臂梁抵抗冲击过载的能力。(2)工作中，当向动极板、定极板施加驱动电压时会在两块极板之间产生静电或电磁吸合力，克服嵌入式镍极板弹簧产生的弹性回复力，使动极板相对于定极板向下运动。由于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，材料为金属镍，在动极板向下运动的过程中，变形量大于5微米，明显超过嵌入式镍极板弹簧的厚度，嵌入式镍极板弹簧的长度增大，由此导致嵌入式镍极板弹簧一方面发生弯曲变形，另一方面沿着长度方向发生拉伸，由此导致的非线性大变形使得嵌入式镍极板弹簧产生的弹性回复力与弹簧变形量为非线性关系，也就是说，作动器的结构刚度不再是常数，而是随着作动器的位移变大而迅速变大，当到达吸合位置时，结构刚度可达初始值的10倍以上，对应的弹性回复力也远远大于线性弹簧。因此，当接近吸合位置时，虽然此时由于定极板与动极板的间距变小，外加驱动力(静电力或电磁力)急剧增大，仍然可以避免由于外加驱动力的增大速度远大于弹性回复力的增大速度导致结构发生失稳，从而有效增大了微机械作动器的可控输出行程。(3)由于所设计的微机械作动器结构刚度呈开始小，随输出位移增加逐渐变大的特点，这意味着与吸合位置弹性回复力相等的线性弹簧相比，本专利技术所提出的微作动器嵌入式镍极板弹簧的初始结构刚度要远小于基于线性弹簧的微作动器，因此在初始位置，动极板与定极板的间距最大时，由于本专利技术的嵌入式镍极板弹簧初始结构刚度小，对应的弹性回复力小，只需要较小的驱动电压就可以在动极板与定极板之间产生足够的静电或电磁吸合力，克服嵌入式镍极板弹簧的弹性回复力使动极板向下运动，从而有效降低了微机械作动器的工作电压。现有技术中也有通过降低极板弹簧刚度减小驱动电压的方案，但由于所采用的是线性弹簧，在微作动器的工作行程范围内弹簧刚度都较小，由此导致微作动器的响应速度下降。而本专利技术中，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大可控行程微作动器，其特征在于，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，能够相对于所述定极板上下运动；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。

【技术特征摘要】
1.一种大可控行程微作动器，其特征在于，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，能够相对于所述定极板上下运动；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。2.根据权利要求1所述的大可控行程微作动器，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的大可控行程微作动器，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴旭涵，向小健，孙诗，丁桂甫，赵小林，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31