一种含有液体传动的复合压电和静电驱动振膜驱动器的制作方法

本发明涉及动力驱动设备技术领域，尤其涉及一种含有液体传动的复合压电和静电驱动振膜驱动器。

背景技术：

微型驱动器是流体设备中的动力源，常见的驱动器例如压缩机或泵，它们都属于动力循环系统中的核心部件。微型驱动器的市场需求很大，通过微型驱动器有利于实现系统的微型化，使系统更加紧凑，响应速度快，并且具有较高的控制精度，目前微信驱动器已广泛应用于医药、化工、航天以及电子冷却等领域。

目前微型驱动器的驱动方式主要包括压电驱动、静电驱动、电磁驱动、热气动驱动以及记忆合金等。从可靠性和响应速度来看，压电和静电驱动具有较好的优势。压电驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应，在交变电场下，压电陶瓷在垂直场强方向产生伸缩，通过复合弹性基层，将压电陶瓷形变放大并转化至纵向，产生一定的驱动力或位移。静电驱动器利用电极壁面与薄膜电极之间的静电力，使得薄膜产生形变，实现驱动作用。相比传统电机驱动结构，压电和静电的驱动方式具有结构简单、体积小以及效率高等特点。

目前微型振膜压缩机的使用范围还比较狭窄，限制微型振膜压缩机在微型制冷系统或氢气压缩系统中的应用主要原因在于压缩机驱动器的驱动力不足，导致压缩机压升水平较低。根据目前现有微型振膜驱动结构，导致其压缩机压升水平较低主要存在两方面原因：一方面由于驱动器的驱动力不足，如薄膜压电驱动器的形变较小，克服的压力载荷也较低，对于静电驱动器，由于实际过程中很难降低介电层厚度，静电驱动力难以提升，并且驱动振膜时候易失稳。另一方面，压缩机容积效率较低，主要存在于薄膜压电驱动微型压缩机中，由于薄膜压电驱动器在电压信号驱动下，产生的形变函数较为复杂，因此难以设计出回转曲面型腔体使得驱动器在排气结束时完全与腔体壁面贴合，导致微型压缩机的容积效率较低，所以如何提升驱动器的驱动力和容积效率是提升微型压缩机压升的主要方向。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种含有液体传动的复合压电和静电驱动振膜驱动器。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提升微型驱动器的驱动力和容积效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种含有液体传动的复合压电和静电驱动振膜驱动器。

在本发明的较佳实施方式中，一种含有液体传动的复合压电和静电驱动振膜驱动器包括：薄膜压电驱动器、静电驱动器、不可压缩流体、底座、基体、固定壁面。

进一步地，静电驱动器包括柔性薄膜、固定壁面、固定壁面介电层。

进一步地，柔性薄膜上设有薄膜表面电极，柔性薄膜的弹性模量＜3GPa，柔性薄膜的厚度＜1mm。

进一步地，固定壁面上设有进口孔和出口孔。

进一步地，薄膜压电驱动器包括：弹性基片、压电陶瓷片和压电陶瓷片表面电极。

进一步地，薄膜压电驱动器和静电驱动器通过同步的驱动电压信号驱动。

进一步地，薄膜压电驱动器与不可压缩流体的接触面积大于柔性薄膜与不可压缩流体的接触面积。

进一步地，薄膜压电驱动器中分别在所述压电陶瓷片表面电极层和所述基体中焊接导线，用以接收驱动电压信号。

进一步地，柔性薄膜表面的薄膜表面电极和固定壁面介电层之间施加同步的交变电压驱动信号。

进一步地，薄膜表面电极以及引线的制作工艺包括：

①将薄膜进行清洗并固定于基板上，通过溅射，在薄膜表面沉积厚度为0.1μm的种子层(Cr)；

②进行二次溅射电极层(Cu)，沉积厚度为0.8μm，再通过光刻获得电极引线；为防止电极层被氧化，需要在其表面电镀防护层(Au)，厚度为0.1μm；

③通过化学刻蚀除去多余金属层。

进一步地，基体采用硬质绝缘材料，包括聚醚醚酮和有机玻璃。

进一步地，固定壁面采用导电材料，包括硅或大刚度金属材料。

进一步地，固定壁面采用电导体加工而成，其电极可直接焊接于其侧壁；固定壁面介电层通过物理气相沉积或者高温干氧氧化在腔体表面制作，厚度低于1μm；

进一步地，柔性薄膜包括弹性金属膜、聚酰亚胺薄膜或PDMS薄膜。

进一步地，该复合驱动振膜驱动器的实际结构可以是单侧或双侧驱动结构，结构尺寸不局限于微型振膜驱动器，放大后的结构也在本发明保护的范围之内。

进一步地，不可压缩流体为可传递压力的液体，包括液压油。

进一步地，复合压电和静电驱动振膜驱动器的底座、基体和固定壁面的固定方法包括通过周向均匀螺钉或螺丝固定，也可以采用键合胶进行键合装配固定。

技术效果：

与现有振膜驱动结构相比，本发明通过液体传递并放大了压电驱动器的驱动力，同时使得静电驱动和压电驱动更易复合，提升了振膜驱动器的驱动力，使振膜驱动更加稳定。因此本发明的振膜驱动器具有更高的驱动力，其应用范围更加广泛。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的单侧驱动结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的双侧驱动结构示意图；

其中，1.底座，2.基体，3.弹性基片，4.压电陶瓷片，5.压电陶瓷表面电极，6.不可压缩流体，7.柔性薄膜，8.柔性薄膜表面电极，9.进口孔，10.出口孔，11.固定壁面介电层，12.固定壁面，13.导线孔。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，单侧含有液体传递驱动的复合压电和静电驱动振膜结构主要由薄膜压电驱动器、静电驱动器、不可压缩流体6、底座1、基体2、固定壁面12组成，固定壁面12上设有进口孔9和出口孔10。

薄膜压电驱动器包括：弹性基片3、压电陶瓷片4和压电陶瓷片表面电极5，在交替电压驱动信号下，由于压电陶瓷片的逆压电效应，使得薄膜压电驱动器产生周期性横向振动，实现驱动作用。

静电驱动器包括柔性薄膜7、固定壁面12、固定壁面介电层11，柔性薄膜上设有薄膜表面电极，柔性薄膜的弹性模量＜3GPa，柔性薄膜的厚度＜1mm，在交替电压驱动信号下，柔性薄膜表面电极8与固定壁面介电层11之间形成交替的静电力，驱动柔性薄膜向壁面贴合，实现驱动作用，在单侧驱动结构中，将薄膜压电驱动器的电极侧置于外侧，以便接入驱动信号导线。

对于压电和静电的复合，通过中间不可压缩流体6的传递作用，将薄膜压电驱动器产生的驱动力传递至柔性薄膜7，与静电驱动器协同驱动，因此要求薄膜压电驱动器和静电驱动器的电压驱动信号同步，薄膜压电驱动器和静电驱动器通过同步的驱动电压信号驱动，薄膜压电驱动器与不可压缩流体6的接触面积大于柔性薄膜7与不可压缩流体6的接触面积。

底座1和基体2材料采用硬质绝缘材料，如聚醚醚酮(PEEK)和有机玻璃(PMMA)，固定壁面12采用导电材料，如硅和其他刚度较大的金属材料，通过气相物理沉积，在壁面表面形成厚度为1μm的SiO2介电层。

柔性薄膜7材料为聚酰亚胺(PI)或PDMS薄膜，一侧加工有厚度为1μm的电极层，该电极层的加工工艺为：首先将柔性薄膜7进行清洗并固定于基板上，通过溅射，在柔性薄膜7表面沉积厚度为0.1μm的种子层(Cr)；其次，进行二次溅射电极层(Cu)，沉积厚度为0.8μm，再通过光刻获得电极引线；为防止电极层被氧化，需要在其表面电镀防护层(Au)，厚度为0.1μm；最后通过化学刻蚀除去多余金属层。

复合压电和静电驱动振膜驱动器的底座、基体和固定壁面的固定方法包括通过周向均匀螺钉或螺丝固定，也可以采用键合胶进行键合装配固定。

实施例2

如图2所示，本发明也可以采用双侧驱动结构，两侧共用一个薄膜压电驱动器，每侧均包含一个静电驱动器，在含有压电电极侧的基体2的侧向开导线孔(13)，便于接入驱动信号导线，该导线孔采用抗油密封胶密封，保证不可压缩流体的密封性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。