一种基于电热驱动的MEMS旋转执行器的制作方法

本发明属于微机电技术领域，具体涉及一种基于电热驱动的MEMS旋转执行器。

背景技术：

MEMS(微机电系统)执行器是微机电技术一个重要的分支，是许多微机电系统的重要组成部分。微执行器最基本的工作原理是能量转换，一般是将电能转化为机械能，从而实现一定的机械操作。常见的驱动方式主要有四类：静电式、电磁式、电热式、压电式等。一般的这些微驱动器产生位移或驱动动力较小，且多用于产生线性位移的场合，相比于其他驱动器，电热驱动器能够产生较大驱动位移，但仍然难以满足某些特定的场合，特别需要产生旋转且需要大旋转角度的场合。因此单独的微驱动器这样小的变化如果不加以放大或处理，在实际应用中是没有意义的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能产生大旋转角度的执行器。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于电热驱动的MEMS旋转执行器，包括旋转圆环，它还包括自上而下紧贴的至少四层结构：电极层、结构层、电绝缘氧化隔离 层和基底层，

所述电极层包括四个电极，四个电极对称分布在执行器的两端；

所述结构层包括阵列V型电热驱动器和杠杆，所述杠杆包括推力杠杆和拉力杠杆；

所述电绝缘氧化隔离层包括阵列V型电热驱动器的锚点和杠杆的锚点；

所述结构层还包括与阵列V型电热驱动器和推力杠杆相连的柔性梁、推力杠杆在锚点处的柔性梁、推力杠杆和拉力杠杆的连接梁、拉力杠杆在锚点处的柔性梁、旋转圆环、拉力杠杠与旋转圆环的柔性连接梁，其中推力杠杆和拉力杠杠为柔性杠杆机构的主要组成部分，

所述执行器的结构层以旋转圆环为对称点，所述阵列V型电热驱动器和柔性杠杆机构皆是具有一定刚度的弹性机构。

作为上述方案的进一步优化，所述阵列V型电热驱动器和柔性杠杆机构刚度比值为1。

进一步地，所述电绝缘氧化隔离层为氧化硅隔离层。

进一步地，所述四个电极为Ti/Au电极。

进一步地，所述结构层主要成分为掺杂硅。

进一步地，所述基底层采用硅制成。

进一步地，所述拉力杠杠与旋转圆环的柔性连接梁长500～1200微米，宽5～30微米。

进一步地，所述柔性连接梁与旋转圆环之间预留旋转角度为20～60°。

进一步地，所述旋转圆环的旋转角度为45～120°。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现为：在本发明两端的阵列V型电热驱动器上加载相同的电压，V型电热驱动器的顶端输出力和位移，经过两级柔性杠杆机构的放大作用，从而使中间的圆环获得较大的转动角度；本发明提出的大转角基于电热驱动的MEMS旋转执行器结构简单，设计方法新颖，可采用标准的SOIMUMPs工艺加工，能够有效地增大圆环的转动角度，促进了执行器在MEMS领域的发展和应用。

附图说明

图1是本发明一实施例的等轴测结构示意图。

图2是本发明一实施例的剖视图。

图3是本发明一实施例的电极层示意图。

图4是本发明一实施例的结构层示意图。

图5是本发明一实施例的氧化隔离层示意图。

图6是本发明一实施例的基底层示意图。

图7是本发明一实施例的阵列V型电热驱动器示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1～7所示，一种基于电热驱动的MEMS旋转执行器，包括旋转圆环9，它还包括自上而下紧贴的至少四层结构：电极层a、结构层b、电绝缘氧化隔离层c和基底层d，

所述电极层包括四个电极A1、A2、A3、A4，四个电极A1、A2、A3、A4对称分布在执行器的两端；

所述结构层包括阵列V型电热驱动器和杠杆，所述杠杆包括推力杠杆4和拉力杠杆7；

所述电绝缘氧化隔离层包括阵列V型电热驱动器的锚点m、n、p、q和杠杆的锚点u、v、x、y；

所述结构层还包括与阵列V型电热驱动器和推力杠杆4相连的柔性梁2、推力杠杆4在锚点u处的柔性梁3、推力杠杆4和拉力杠杆7的连接梁5、拉力杠杆7在锚点v处的柔性梁6、旋转圆环9、拉力杠杠7与旋转圆环9的柔性连接梁8，其中推力杠杆4和拉力杠杠7为柔性杠杆机构的主要组成部分，

所述执行器的结构层以旋转圆环9为对称点，所述阵列V型电热驱动器和柔性杠杆机构皆是具有一定刚度的弹性机构。所述阵列V型电热驱动器和柔性杠杆机构刚度比值为1。

所述电绝缘氧化隔离层为氧化硅隔离层，主要是起电绝缘和锚点固定作用。

所述四个电极为Ti/Au电极。

所述结构层主要成分为掺杂硅。

所述基底层采用硅制成，主要起固定作用，将结构层中锚点位置通过隔离层氧化硅固定起来，为整个结构层的运动提供一个平台。

所述拉力杠杠7与旋转圆环9的柔性连接梁8长800微米，宽5微米。所述柔性连接梁8与旋转圆环9之间预留旋转角度45°。

本实施例的阵列V型电热驱动器1和两级柔性杠杆放大机构都是具有一定刚度的弹性机构，本实施例合理的利用二者之间的刚度匹配，当二者的刚度比等于1时，该V型电热驱动器和和杠杆机构的组合机构输出能量最大，即在输出一定位移的同时，也能输出一定的驱动力。经仿真计算证明：当结构层硅材料的电阻率为0.042Ω·cm时，在V型电热驱动器两端加载15V电压，达到稳态后，整个器件的温升不超过600℃，连接旋转圆环9处的位移能够达到139μm，旋转圆环9的转角能够达到79.6°。

图7是阵列V型电热驱动器1的结构示意图，是本实施例的大转角基于电热驱动的MEMS旋转执行器的重要组成部件，它是由单个V型梁阵列组成，阵列后的V型驱动器能够增大相应的输出力。其的工作原理是在V型梁的两端m、n上加载电极，施加一定的电压后，V型梁被通电加热并膨胀，因此，在V型梁的顶端B就会产生一定输出力和输出位移。结合图4，当在A1、A3之间和A2、A4之间加载一定的等幅电压后，结构层两端的阵列V型电热驱动器1被加热膨胀后，在它们的端点出会产生一定的推力和位移。从图4可以看出，该层在以旋转圆环9为中心的左右两边的结构是对称的，但阵列V型电热驱动器1产生的推力方向正好相反。下面就图4左半部分来说明下本发明的大转角基于电热驱动的MEMS旋转执行器是如何工作的。当电极A1和A3之间加载一定电压后，阵列V型电热驱动器1被通电加热，然后膨胀，在其顶端产生推力，通过柔性梁2输入推力杠杆4，在锚点u处相当于支点的柔性梁3的作用下，在推力杠杆1另一端产生一 个后拉的作用力，该作用力通过柔性连接梁5输入到拉力杠杆7，在锚点v处相当于支点的柔性梁6的作用下，在推力杠杆4另一端产生一个后拉的作用力，该作用力通过柔性连接梁8拉动旋转圆环9向后(左)产生旋转。同理，该结构层右半部分也产生一个向后拉的作用力，该作用力与左半部分产生的作用力形成一对力偶，因此在该力偶的作用下，使中间的旋转圆环9产生一个很大的转角。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。