本發(fā)明屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器。

背景技術(shù)：

MEMS(微機電系統(tǒng))執(zhí)行器是微機電技術(shù)一個重要的分支，是許多微機電系統(tǒng)的重要組成部分。微執(zhí)行器最基本的工作原理是能量轉(zhuǎn)換，一般是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)一定的機械操作。常見的驅(qū)動方式主要有四類：靜電式、電磁式、電熱式、壓電式等。一般的這些微驅(qū)動器產(chǎn)生位移或驅(qū)動動力較小，且多用于產(chǎn)生線性位移的場合，相比于其他驅(qū)動器，電熱驅(qū)動器能夠產(chǎn)生較大驅(qū)動位移，但仍然難以滿足某些特定的場合，特別需要產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)且需要大旋轉(zhuǎn)角度的場合。因此單獨的微驅(qū)動器這樣小的變化如果不加以放大或處理，在實際應(yīng)用中是沒有意義的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種能產(chǎn)生大旋轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行器。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，包括旋轉(zhuǎn)圓環(huán)，它還包括自上而下緊貼的至少四層結(jié)構(gòu)：電極層、結(jié)構(gòu)層、電絕緣氧化隔離 層和基底層，

所述電極層包括四個電極，四個電極對稱分布在執(zhí)行器的兩端；

所述結(jié)構(gòu)層包括陣列V型電熱驅(qū)動器和杠桿，所述杠桿包括推力杠桿和拉力杠桿；

所述電絕緣氧化隔離層包括陣列V型電熱驅(qū)動器的錨點和杠桿的錨點；

所述結(jié)構(gòu)層還包括與陣列V型電熱驅(qū)動器和推力杠桿相連的柔性梁、推力杠桿在錨點處的柔性梁、推力杠桿和拉力杠桿的連接梁、拉力杠桿在錨點處的柔性梁、旋轉(zhuǎn)圓環(huán)、拉力杠杠與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的柔性連接梁，其中推力杠桿和拉力杠杠為柔性杠桿機構(gòu)的主要組成部分，

所述執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)層以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)為對稱點，所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機構(gòu)皆是具有一定剛度的彈性機構(gòu)。

作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機構(gòu)剛度比值為1。

進(jìn)一步地，所述電絕緣氧化隔離層為氧化硅隔離層。

進(jìn)一步地，所述四個電極為Ti/Au電極。

進(jìn)一步地，所述結(jié)構(gòu)層主要成分為摻雜硅。

進(jìn)一步地，所述基底層采用硅制成。

進(jìn)一步地，所述拉力杠杠與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的柔性連接梁長500～1200微米，寬5～30微米。

進(jìn)一步地，所述柔性連接梁與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)之間預(yù)留旋轉(zhuǎn)角度為20～60°。

進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)圓環(huán)的旋轉(zhuǎn)角度為45～120°。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)為：在本發(fā)明兩端的陣列V型電熱驅(qū)動器上加載相同的電壓，V型電熱驅(qū)動器的頂端輸出力和位移，經(jīng)過兩級柔性杠桿機構(gòu)的放大作用，從而使中間的圓環(huán)獲得較大的轉(zhuǎn)動角度；本發(fā)明提出的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方法新穎，可采用標(biāo)準(zhǔn)的SOIMUMPs工藝加工，能夠有效地增大圓環(huán)的轉(zhuǎn)動角度，促進(jìn)了執(zhí)行器在MEMS領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的等軸測結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明一實施例的剖視圖。

圖3是本發(fā)明一實施例的電極層示意圖。

圖4是本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)層示意圖。

圖5是本發(fā)明一實施例的氧化隔離層示意圖。

圖6是本發(fā)明一實施例的基底層示意圖。

圖7是本發(fā)明一實施例的陣列V型電熱驅(qū)動器示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖來具體描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中，附圖構(gòu)成本申請一部分，并與本發(fā)明的實施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

如圖1～7所示，一種基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，包括旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9，它還包括自上而下緊貼的至少四層結(jié)構(gòu)：電極層a、結(jié)構(gòu)層b、電絕緣氧化隔離層c和基底層d，

所述電極層包括四個電極A1、A2、A3、A4，四個電極A1、A2、A3、A4對稱分布在執(zhí)行器的兩端；

所述結(jié)構(gòu)層包括陣列V型電熱驅(qū)動器和杠桿，所述杠桿包括推力杠桿4和拉力杠桿7；

所述電絕緣氧化隔離層包括陣列V型電熱驅(qū)動器的錨點m、n、p、q和杠桿的錨點u、v、x、y；

所述結(jié)構(gòu)層還包括與陣列V型電熱驅(qū)動器和推力杠桿4相連的柔性梁2、推力杠桿4在錨點u處的柔性梁3、推力杠桿4和拉力杠桿7的連接梁5、拉力杠桿7在錨點v處的柔性梁6、旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9、拉力杠杠7與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的柔性連接梁8，其中推力杠桿4和拉力杠杠7為柔性杠桿機構(gòu)的主要組成部分，

所述執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)層以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9為對稱點，所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機構(gòu)皆是具有一定剛度的彈性機構(gòu)。所述陣列V型電熱驅(qū)動器和柔性杠桿機構(gòu)剛度比值為1。

所述電絕緣氧化隔離層為氧化硅隔離層，主要是起電絕緣和錨點固定作用。

所述四個電極為Ti/Au電極。

所述結(jié)構(gòu)層主要成分為摻雜硅。

所述基底層采用硅制成，主要起固定作用，將結(jié)構(gòu)層中錨點位置通過隔離層氧化硅固定起來，為整個結(jié)構(gòu)層的運動提供一個平臺。

所述拉力杠杠7與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的柔性連接梁8長800微米，寬5微米。所述柔性連接梁8與旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9之間預(yù)留旋轉(zhuǎn)角度45°。

本實施例的陣列V型電熱驅(qū)動器1和兩級柔性杠桿放大機構(gòu)都是具有一定剛度的彈性機構(gòu)，本實施例合理的利用二者之間的剛度匹配，當(dāng)二者的剛度比等于1時，該V型電熱驅(qū)動器和和杠桿機構(gòu)的組合機構(gòu)輸出能量最大，即在輸出一定位移的同時，也能輸出一定的驅(qū)動力。經(jīng)仿真計算證明：當(dāng)結(jié)構(gòu)層硅材料的電阻率為0.042Ω·cm時，在V型電熱驅(qū)動器兩端加載15V電壓，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，整個器件的溫升不超過600℃，連接旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9處的位移能夠達(dá)到139μm，旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9的轉(zhuǎn)角能夠達(dá)到79.6°。

圖7是陣列V型電熱驅(qū)動器1的結(jié)構(gòu)示意圖，是本實施例的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的重要組成部件，它是由單個V型梁陣列組成，陣列后的V型驅(qū)動器能夠增大相應(yīng)的輸出力。其的工作原理是在V型梁的兩端m、n上加載電極，施加一定的電壓后，V型梁被通電加熱并膨脹，因此，在V型梁的頂端B就會產(chǎn)生一定輸出力和輸出位移。結(jié)合圖4，當(dāng)在A1、A3之間和A2、A4之間加載一定的等幅電壓后，結(jié)構(gòu)層兩端的陣列V型電熱驅(qū)動器1被加熱膨脹后，在它們的端點出會產(chǎn)生一定的推力和位移。從圖4可以看出，該層在以旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9為中心的左右兩邊的結(jié)構(gòu)是對稱的，但陣列V型電熱驅(qū)動器1產(chǎn)生的推力方向正好相反。下面就圖4左半部分來說明下本發(fā)明的大轉(zhuǎn)角基于電熱驅(qū)動的MEMS旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器是如何工作的。當(dāng)電極A1和A3之間加載一定電壓后，陣列V型電熱驅(qū)動器1被通電加熱，然后膨脹，在其頂端產(chǎn)生推力，通過柔性梁2輸入推力杠桿4，在錨點u處相當(dāng)于支點的柔性梁3的作用下，在推力杠桿1另一端產(chǎn)生一 個后拉的作用力，該作用力通過柔性連接梁5輸入到拉力杠桿7，在錨點v處相當(dāng)于支點的柔性梁6的作用下，在推力杠桿4另一端產(chǎn)生一個后拉的作用力，該作用力通過柔性連接梁8拉動旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9向后(左)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。同理，該結(jié)構(gòu)層右半部分也產(chǎn)生一個向后拉的作用力，該作用力與左半部分產(chǎn)生的作用力形成一對力偶，因此在該力偶的作用下，使中間的旋轉(zhuǎn)圓環(huán)9產(chǎn)生一個很大的轉(zhuǎn)角。

上面結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施方式作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。

不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍可以做出許多其他改變和改型。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于特定的實施方式，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。