专利名称：一种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS领域马达，特别是一种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，该装置利用电热驱动及齿轮传动，实现大位移的直线往复运动。
背景技术：
随着MEMS技术的快速发展以及MEMS应用领域的扩展，对具有实用性的MEMS马达的研究和需求日益增多。在宏观机械运动中，往复直线运动和旋转运动之间的转换较为常见，通过凸轮、曲柄连杆、齿轮等就能实现转换。在MEMS领域，往复直线运动与旋动运动的转换较宏观相比，比较难实现。这是因为虽然传动功能的基本原理一样，但是MEMS尺寸微小，其表面力占主导地位，器件之间容易粘附在一起，运动部件之间出现黏着磨损，加工工 艺的限制。1988年，美国加州大学伯克利分校的研究人员采用表面工艺制作了直径为120
的静电型微马达，直接利用静电力驱动转子，虽然可小型化，与MEMS工艺兼容，但输出力矩小，转速高，无法直接应用。2001年，Jae-Sung提出利用V型电热硅微致动器单元在硅芯片上制作了热致动微马达机构的思路，但是只实现了旋转运动而没有输出功能，不具有头用性。本发明结合电热致动器具有输出位移和力大、操作电压小、与IC兼容、运动可控等有利特点，利用V型电热致动器阵列，齿轮传动的旋转运动，实现齿条滑槽的往复直线运动。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，该微马达利用电热驱动及齿轮传动，实现大位移的直线往复运动，该微马达具有与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于控制、输出效率高、可测试静态特性等优点。为达到上述目的，本发明的构思是两侧电热致动器阵列同时工作，推动齿轮传动，大齿轮推动齿条滑槽往复运动，实现该往复直线微马达的往复直线运动；弓字形弹簧用于测试齿条滑槽向上和向下的输出力；标尺用于测试电热致动器阵列，两侧啮合控制器和齿条滑槽向上和向下的输出位移。因此该设计的优点是与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于控制、输出效率高、可测试静态特性。本发明的基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，包括左侧和右侧两个驱动装置，一个传动装置、一个输出装置和测试装置，马达用MEMS表面工艺制作，无需装配，初始位置时推杆齿与小齿轮有间隙不哨合；对哨合控制器的正负电极同时施加合适的电压，两侧啮合控制器推动推杆齿与小齿轮啮合；对电热致动器阵列的正负电极同时施加合适的电压，电热致动器阵列分别推动推杆齿向上运动。推杆齿推动小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮推动齿条滑槽向上运动，实现该往复直线微马达的向上直线运动；对电热致动器阵列的正负电极同时施加合适的电压，电热致动器阵列分别推动推杆齿向上运动。对啮合控制器的正负电极同时施加合适的电压，啮合控制器推动推杆齿与小齿轮啮合。释放电热致动器阵列的正负电极的电压，两侧电热致动器阵列因热量散失而带动推杆齿向下运动。推杆齿推动小齿轮，小齿轮带动大齿轮，大齿轮推动齿条滑槽向下运动，实现该往复直线微马达的向下直线运动。所述测试装置包括两个弹簧和六个标尺，两个弹簧分别用于测试齿条滑槽向上和向下的输出力；六个标尺用于测试电热致动器阵列，两侧啮合控制器和齿条滑槽向上和向下的输出位移。所述驱动装置可以是电热V型梁致动器，也可以是其它适宜产生直线运动的电热致动器。可以是单个致动器，也可以是多个数量阵列的致动器。
所述传动装置可以是两级齿轮传动，也可以是单个齿轮传动或多级齿轮传动。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，包括左侧和右侧两个驱动装置和一个传动装置，其特征在于所述右侧驱动装置是两个水平并列的由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列的中部与一个推杆齿相连，而两端分别各连接一个负电极和一个正电极；一个与电热致动器阵列相垂直方向设置的由三个V型电热娃微致动器并列而成的啮合控制器的两端分别连接一个正电极和一个负电极，而中部连接所述推杆齿；所述左侧驱动装置与右侧驱动装置结构相同而对称设置包括两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列，一个啮合控制器，两个电热致动器阵列与两个电热致动器阵列的一端共同连接一个负电极，两个电热致动器的另一端分别各连接一个正电极，啮合控制器的两端分别各连接一个正电极和一个负电极，两个电热致动器阵列和啮合控制器的中部连接一个推杆齿；所述传动装置是位置中央垂直方向设置一个固定的导块，一个齿条滑槽与该导块滑配，两个左右大齿轮分别置于齿条滑槽的左右侧而齿条啮合，两个左右小齿轮分别于左右大齿轮啮合，两个左右小齿轮所处位置能分别与推杆齿和推杆齿之间进行受控啮合与分离；所述两个大齿轮和两个小齿轮分别活动套装在固定的大齿轮轴和小齿轮轴上。该马达中还包含有一个检测机构，该检测机构是两个弹簧分别安装在两个共用的负电极旁，用于测量齿条滑槽向上向下的输出力，六个分别设置在齿条滑槽上下端旁、左右两个电热致动器阵列中部旁和两个啮合控制器旁的标尺，用于测量两个电热致动器阵列和两个啮合控制器的中部位移。所述左侧和右侧两个驱动装置和传动装置制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层PolyO,在PolyO上固定的结构层Poly2构成大齿轮轴和小齿轮轴及导块，PolyO上有活动结构层Polyl构成大齿轮和小齿轮及齿条滑槽。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步
(I)采用电热致动方式，与集成电路制造工艺相兼容。(2)通过电热致动器的放电，实现往回运动，无需另外结构。(3)齿轮传动,放大输出位移。(4)实用性强，易于控制、输出效率高。
图I是本发明中右侧致动装置的示意图。图2是本发明的总体结构图。图3是测试输出装置的测试结构示意图。图4是本发明中两对齿轮及滑槽的剖面图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合附图详述如下
实施例一参见图I和图2，本基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，包括左侧和右侧两个驱动装置和一个传动装置，其特征在于
1)所述右侧驱动装置是两个水平并列的由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列a(la，lb)的中部与一个推杆齿a(3a)相连，而两端分别各连接一个负电极(5a，5b)和一个正电极(4a,4b);—个与电热致动器阵列相垂直方向设置的由三个V型电热娃微致动器并列而成的啮合控制器a(2a)的两端分别连接一个正电极(6a)和一个负电极(6b)， 而中部连接所述推杆齿a(3a)；
2)所述左侧驱动装置与右侧驱动装置结构相同而对称设置包括两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列b (lc, Id)，一个啮合控制器b (2b)，两个电热致动器阵列a (la，Ib)与两个电热致动器阵列b(lc，Id)的一端共同连接一个负电极(5a，5b)，两个电热致动器b(lc，ld)的另一端分别各连接一个正电极(4c，4d)，啮合控制器b (2b)的两端分别各连接一个正电极(6c)和一个负电极(6d)，两个电热致动器阵列b(lc，ld)和啮合控制器b (2b)的中部连接一个推杆齿b (3b)；
3)所述传动装置是位置中央垂直方向设置一个固定的导块(12)，一个齿条滑槽(11)与该导块(12)滑配，两个左右大齿轮(9a，9b)分别置于齿条滑槽(11)的左右侧而齿条啮合，两个左右小齿轮(7a，7b)分别于左右大齿轮(9a，9b)啮合，两个左右小齿轮(7a，7b)所处位置能分别与推杆齿a(3a)和推杆齿b(3b)之间进行受控啮合与分离；所述两个大齿轮(9a, 9b)和两个小齿轮(7a，7b)分别活动套装在固定的大齿轮轴(10b，IOa)和小齿轮轴(8b,8a)上。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下所述基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达包含一个检测机构，该检测机构是两个弹簧(13)分别安装在两个共用的负电极(5a，5b)旁，用于测量齿条滑槽(11)向上向下的输出力，六个分别设置在齿条滑槽
(11)上下端旁、左右两个电热致动器阵列3、匕(1&，113，1(3，1(1)中部旁和两个啮合控制器a、b (2a, 2b)旁的标尺(14)，用于测量两个电热致动器阵列a、b (la，lb，lc，Id)和两个啮合控制器a、b (2a，2b)的中部位移。所述左侧和右侧两个驱动装置和传动装置制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层PolyO,在PolyO上固定的结构层Poly2构成大齿轮轴和小齿轮轴(8b，10b, 10a, 8a)及导块(12)，PolyO上有活动结构层Polyl构成大齿轮和小齿轮(9b，9a，7b，7a)及齿条滑槽(11)。实施例三参看图I和图2，本基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，包括左侧和右侧两个驱动装置，一个传动装置、一个输出装置和测试装置。所述右侧驱动装置主要包括两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列(la，lb)、一个啮合控制器(2a), 一个推杆齿(3a),三个正电极(4a, 4b, 6a)和三个负电极(5a, 5b, 6b)。所述左侧驱动装置主要包括两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列(lc，Id)、一个卩齿合控制器(2b), —个推杆齿(3b),三个正电极(4c,4d,6c)和三个负电极(5a,5b，6d)。所述传动装置主要包括左右两对齿轮，即两个小齿轮(7a，7b)，两个小齿轮轴(8a，8b)，两个大齿轮(9a，9b)和两个大齿轮轴(7a，7b)。所述输出装置包括齿条滑槽(11)，和导块(12)。两侧啮合控制器(2a，2b)由三个V型电热硅微致动器串联而成。对左右两侧卩齿合控制器(2a,2b)的正负电极(6a,6b,6c,6d)同时施加合适的电压，两侧啮合控制器(2a，2b)受热膨胀在顶端产生位移或力，分别推动推杆齿(3a，3b)向中间运动，从而使得推杆齿(3a，3b)分别与小齿轮(7a，7b)啮合。对左右两侧电热致动器阵列(la, lb, lc, Id)的正负电极(4a, 4b, 6a, 5a, 5b, 6b)同时施加合适的电压，电热致动器阵列(la，lb，lc，ld)受热膨胀在顶端产生位移或力，分别推动推杆齿(3a，3b)向上运动。推杆齿(3a)向上运动从而推动小齿轮(7a)绕小齿轮轴(8a)逆时针转动，同时推杆齿(3b)向 上运动从而推动小齿轮(7b)绕小齿轮轴(8b)顺时针转动。小齿轮(7a)带动大齿轮(9a)绕大齿轮轴(IOa)顺时针转动，小齿轮(7b)带动大齿轮(9b)绕大齿轮轴(IOb)逆时针转动。左侧大齿轮(9a)和右侧大齿轮(9b)同时推动齿条滑槽(11)向上运动，导块(12)纵向约束齿条滑槽(11)。通过上述步骤，实现该往复直线微马达的向上直线运动。释放所有正负电极(4a，4b，6a，5a，5b，6b，6c，6d)的电压。左右侧两个驱动装置因放电回到初始位移。对左右两侧电热致动器阵列(la，lb，lc，ld)的正负电极(4a，4b，6a，5a, 5b,6b)同时施加合适的电压，电热致动器阵列(la，lb，lc，ld)受热膨胀在顶端产生位移或力，分别推动推杆齿(3a，3b)向上运动。对左右两侧啮合控制器(2a，2b)的正负电极(6a，6b，6c，6d)同时施加合适的电压，两侧啮合控制器(2a，2b)受热膨胀在顶端产生位移或力，分别推动推杆齿(3a，3b)向中间运动，从而使得推杆齿(3a，3b)分别与小齿轮(7a，7b)啮合。释放左右两侧电热致动器阵列(la, lb, lc, Id)的正负电极(4a，4b，6a，5a，5b，6b)的电压，两侧电热致动器阵列(la，lb，lc，ld)因热量散失而带动推杆齿(3a，3b)向下运动。推杆齿(3a)向下运动从而推动小齿轮(7a)绕小齿轮轴(8a)顺时针转动，同时推杆齿(3b)向下运动从而推动小齿轮(7b)绕小齿轮轴(8b)逆时针转动。小齿轮(7a)带动大齿轮(9a)绕大齿轮轴(IOa)逆时针转动，小齿轮(7b)带动大齿轮(9b)绕大齿轮轴(IOb)顺时针转动。左侧大齿轮(9a)和右侧大齿轮(9b)同时推动齿条滑槽(11)向下运动。通过上述步骤，实现该往复直线微马达的向下直线运动。实施例四参看图3，本实施例与实施例一基本相同，在实施例一的基础上实现测试静态输出特性的功能包括两个弹簧(13)和六个标尺(14)。两个弹簧(13)分别用于测试齿条滑槽(11)向上和向下的输出力。六个标尺(14)用于测试电热致动器阵列(la，lb，lc，Id)，两侧啮合控制器(2a，2b)和齿条滑槽(11)向上和向下的输出位移。附图4中，为齿轮(7a，7b，9a，9b)和齿条滑槽(11)的截面图。本发明采用MEMS表面工艺制作，无需装配，两个小齿轮(7a，7b)，两个大齿轮(9a，9b)和齿条滑槽(11)为结构层Polyl，浮动在PolyO上，为可动件；两个小齿轮轴(8a，8b)，两个大齿轮轴(10a，IOb)和导块(12)为结构层Poly2，固定在PolyO上，为固定件，并且Z方向约束结构层Polyl层上构件。基本原理
电热硅微致动器是一种典型的固体热膨胀微致动器，其特点是以在基底材料上制作出的娃微机械机构作为驱动兀件，而娃结构层具有一定的电阻值，所以结构层本身又可兼作加热器，当通过控制输入电压或功率时，由于结构受热膨 胀而产生致动效应，从而输出位移或力。
权利要求
1.ー种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，包括左侧和右侧两个驱动装置和一个传动装置，其特征在干 1)所述右侧驱动装置是两个水平并列的由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列a(la，lb)的中部与ー个推杆齿a(3a)相连，而两端分别各连接ー个负电极(5a，5b)和ー个正电极(4a,4b); —个与电热致动器阵列相垂直方向设置的由三个V型电热娃微致动器并列而成的啮合控制器a(2a)的两端分别连接ー个正电极(6a)和ー个负电极(6b)，而中部连接所述推杆齿a(3a)； 2)所述左侧驱动装置与右侧驱动装置结构相同而对称设置包括两个由六个V型电热硅微致动器并列而成的电热致动器阵列b (lc, Id)，一个啮合控制器b (2b)，两个电热致动器阵列a (la，Ib)与两个电热致动器阵列b(lc，Id)的一端共同连接ー个负电极(5a，5b)，两个电热致动器b(lc，ld)的另一端分别各连接ー个正电极(4c，4d)，啮合控制器b (2b)的两端分别各连接ー个正电极(6c)和ー个负电极(6d)，两个电热致动器阵列b(lc，ld)和啮合控制器b (2b)的中部连接ー个推杆齿b (3b)； 3)所述传动装置是位置中央垂直方向设置ー个固定的导块(12)，ー个齿条滑槽(11)与该导块(12)滑配，两个左右大齿轮(9a，9b)分别置于齿条滑槽(11)的左右侧而齿条啮合，两个左右小齿轮(7a，7b)分别于左右大齿轮(9a，9b)啮合，两个左右小齿轮(7a，7b)所处位置能分别与推杆齿a(3a)和推杆齿b(3b)之间进行受控啮合与分离；所述两个大齿轮(9a，9b)和两个小齿轮(7a，7b)分别活动套装在固定的大齿轮轴(10b，IOa)和小齿轮轴(8b,8a)上。
2.根据权利要求I所述的基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，其特征在于包含一个检测机构，该检测机构是两个弹簧(13)分别安装在两个共用的负电极(5a，5b)旁，用于测量齿条滑槽(11)向上向下的输出力，六个分别设置在齿条滑槽(11)上下端旁、左右两个电热致动器阵列a、b (la, lb, lc, Id)中部旁和两个哨合控制器a、b (2a, 2b)旁的标尺(14),用于测量两个电热致动器阵列a、b (la, lb, lc, Id)和两个哨合控制器a、b (2a, 2b)的中部位移。
3.根据权利要求I所述的基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达，其特征在于所述左侧和右侧两个驱动装置和传动装置制备在硅基板的氮化层上，该氮化层上有固定结构层PolyO，在PolyO上固定的结构层Poly2构成大齿轮轴和小齿轮轴(8b，10b, 10a, 8a)及导块(12)，PolyO上有活动结构层Polyl构成大齿轮和小齿轮(9b，9a，7b，7a)及齿条滑槽(11)。
全文摘要
本发明涉及一种基于电热驱动及齿轮传动的往复直线微马达。它包括左侧和右侧两个驱动装置，一个传动装置。所述驱动装置利用V型电热致动器阵列控制啮合状态及推动齿轮。所述传动装置包括两对齿轮传动，齿轮浮动在Poly0上，作为可动件，放大输出位移。所述输出装置为齿条滑槽，可接微操作平台，具有往复大位移运动的功能。所述测试装置利用微弹簧和标尺测试输出力和输出位移等静态特性。因此，本发明设计的往复直线微马达，具有与集成电路制造工艺相兼容、输出位移大、实用性强，易于控制、输出效率高、可测试静态特性等优点。
文档编号H02N2/06GK102769408SQ20121024160
公开日2012年11月7日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者周玲, 沈雪瑾, 王振禄, 胡懿, 陈晓阳 申请人:上海大学