低驱动电压的微型冲击锤的制作方法

文档序号:13643532
低驱动电压的微型冲击锤的制作方法

本发明涉及一种微机械结构,可广泛应用于跳跃机器人、对药物和疫苗的无针输送、研究在微观尺度上的断裂以及设计一种自毁传感器。



背景技术:

微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,简称MEMS),是微电子技术的拓宽和延伸,它是将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,并将微电子与机械融为一体的系统。MEMS相对宏观机电装置而言,其优势在于尺寸微小,厚度一般不超过1cm。另外,MEMS器件可用与集成电路相兼容的工艺进行大批量、低成本生产,因此性价比相对于传统制造技术有很大程度提高。MEMS 技术是最适于开发智能化产品的技术,它能够提高微电子产品的计算能力及微传感器和微执行器的感知和控制能力。

MEMS的制造技术主要包括两类:体微机械加工和表面微机械加工方法。表面微机械加工以硅片为基体,通过多层膜淀积和图形加工制备三维微机械结构。硅片本身不被加工,器件的结构部分由淀积的薄膜层加工而成,结构与基体之间的空隙应用牺牲层技术,其作用是支撑结构层并形成所需形状的最基本过程。表面微机械加工是微机械期间完全制作在晶片表面而不穿透晶片表面,利用牺牲层腐蚀技术直接在衬底表面制作微机械元件结构的一种加工技术。体微加工技术包含硅的湿法和干法技术,硅刻蚀自终止技术、LIGA技术以及DEM技术。表面微机械加工具有适用于微小构件的加工,形成层状结构的特点为微器件设计提供较大的灵活性,可实现微小可动部件的加工,与IC工艺兼容性好以及可加工制造各种悬式结构等特点,其中Sandia SUMMIT工艺是一种五层多晶硅表面微加工工艺,其具两个机械层时能够制造绕轮轴旋转的齿轮,当增加到三个机械层时可以但不局限于制造杆连接驱动器的机制,所以本发明采用表面微机械加工技术中的Sandia SUMMIT工艺来制备该微型冲击锤。

微致动器作为MEMS的核心,它既可以为微系统提供动力,也可以成为微系统的操作和执行单元。其最基本的工作原理是将其他能量(一般是电能)转换为机械能。其中静电式微致动器应用较为广泛,静电作用属于表面力,它和器件尺寸的二次方成正比,在尺寸微小化时,能够产生很大的能量。其优点是:(1)采用电压控制;(2)驱动力与体积比极高;(3)其制作工艺与IC相仿;(4)低能耗和短时间响应。但是由于静电力驱动获得的力通常是很小的而且静电力与电极施加的电压的平方成正比,与电极间距离的平方成反比。因此要输出较大驱动力就必须施加大电压。

目前,在微观尺度上的机械能量存储和快速释放以及低电压驱动的MEMS微型冲击锤做的研究十分有限,其中能够存储和释放μJ级能量的MEMS器件所需驱动电压过高,通常需要几十伏甚至上百伏电压来进行驱动,从而实际中无法得到广泛应用。因此,优化致动结构,增加机械利益来减小静电式微型冲击锤的驱动电压,是亟需解决的问题。



技术实现要素:

为了克服上述背景技术所存在的不足, 本发明提供一种低驱动电压微型冲击锤。该微型冲击锤改进了传动锁定结构,从而使冲击锤能够在低驱动电压下存储和快速释放机械能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

本发明包括圆柱形的冲击器、储存能量的梁和弹簧体、微齿轮组、机械锁、微型曲柄滑块机构和微驱动器。

单级大齿轮与小齿轮相嵌合,小齿轮带动大齿轮,小齿轮分度圆半径为r,大齿轮分度圆半径为R,则小齿轮驱动力为大齿轮阻力的r/R。同时多级结构能大大减少驱动力。杠杆臂可被机械锁锁定,主齿轮上的驱动块旋转可钩住冲击器锤体,锤体与梁以及弹簧体相连接。梁和弹簧体固定在锚定硅上。当结构储能锁定之后,需要释放能量时,对梳状微驱动器施加电压使其重新开始工作,通过微型曲柄滑块结构以及微齿轮组使得不完全齿轮再沿顺时针方向转动一个微小角度,同时不完全齿轮释放对主齿轮的锁定,弹簧体以及梁释放能量,冲击器锤体获得高机械能。

本发明的有益效果是:通过微型曲柄滑块机构将梳状微驱动器水平方向的驱动转换为圆周运动,再通过高减速比微齿轮组与机械锁的结合,使得锁定冲击器锤体所需的驱动力大幅度降低,优化了锁定结构。实际中可以综合考虑尺寸以及驱动电压之间的需求来增加减速齿轮组级数。本发明通过多级机械利益来减小锤体所需的驱动力,从而降低驱动电压,弥补了高驱动电压下无法广泛应用的缺陷。

附图说明

图1为本发明的结构俯视图。

图2为图1中微齿轮组点划线位置截面图。

图3为图1中微曲柄滑块结构主视图。

图4为图1结构装载储能状态下的结构俯视图。

图1中各部分组件如下1:梳状微驱动器,2:微型曲柄滑块结构 ,3.1:圆盘,3.2、4.2、5.2:12齿副齿轮,4.1:36齿传动齿轮、5.1:60齿传动齿轮、7:24齿传动齿轮,6:杠杆臂,8:27齿不完全齿轮,9.1:48齿主齿轮,9.2:主齿轮从动块,10:锤体,11:弹性梁,12:弹簧体,13.1、13.2:锚定硅,14:机械锁,15:销轴,16:基片,17:减速齿轮组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中为三层结构,分度圆处为虚线的齿轮以及虚线结构(3.2、4.2、5.2、7、8、9.1、9.2、10、11、12、13)处于底层,实线结构(1、2、3.1、4.1、5.1)处于中层,杠杆臂6及机械锁14处于顶层。主齿轮9.1与主齿轮从动块9.2一体,传动齿轮5.1与副齿轮5.2为5:1双层齿轮,与杠杆臂6一体,传动齿轮4.1与副齿轮4.2为3:1双层齿轮,副齿轮3.2与圆盘3.1一体。销轴15在图1中表示为黑点。

在图2中,组件编号表示同图1,为图1中微齿轮组点划线位置截面示意图。

在图3中,同种填充图案为一体,不同图案结构间为销轴连接,可发生相对转动。

在图4中,组件编号表示同图1,主齿轮驱动块9.2抓住冲击器锤体10,开始装载梁11使梁11发生形变,同时压缩弹簧体12。随后机械锁14锁定杠杆臂6达到存储机械能效果。

本发明的工作过程:如图1所示,梳状微驱动器1受静电力作用产生水平方向的振动,通过微型曲柄滑块结构2将水平方向运动转化为顺时针圆周方向运动,微型曲柄滑块结构2上圆盘3.1带动其同轴一体副齿轮3.2顺时针转动,同时带动传动齿轮4.1及其同轴副齿轮4.2逆时针转动,再通过副齿轮4.2带动传动齿轮5.1顺时针转动,同时与其同轴一体的副齿轮5.2与杠杆臂6同步转动,副齿轮5.2带动传动齿轮7逆时针转动,再通过传动齿轮7带动不完全齿轮8顺时针转动,最后不完全齿轮8带动主齿轮9.1及其从动块9.2逆时针转动,从动块9.2钩住冲击器锤体10,开始装载梁11同时压缩弹簧体12。当不完全齿轮8顺时针转过三个齿时,副齿轮5.2同步转过3个齿,由于副齿轮5.2具有12齿,即副齿轮5.1转过90°杠杆臂同步转动,此时杠杆臂6被机械锁14锁定,梳状驱动器1停止工作,存储的机械能被锁定。当需要释放能量时,对梳状微驱动器施加电压使其重新开始工作,通过微型曲柄滑块结构2以及齿轮组使得不完全齿轮8再沿顺时针方向转动一个微小角度,同时不完全齿轮8释放对主齿轮9.1的锁定,弹簧体12以及梁11释放能量,使冲击器锤体10获得高机械能。

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