一种基于电磁原理的梁式微驱动器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于电磁原理的梁式微驱动器的驱动原理和结构设计，属于微机电系统、微执行器领域。
【背景技术】
[0002]根据驱动原理的不同，现有梁式微驱动器主要有压电式，静电式等，以悬臂梁式驱动器为例，说明其一般的工作原理:悬臂梁作为执行机构，将输入驱动器的电能转化为悬臂梁的振动，悬臂梁的振动继而带动负载，通过控制悬臂梁的振动参数，如振动幅值和振动频率，可以调节驱动器的输出功率。为了达到驱动器的最大功率，通常使微梁处于共振状态。
[0003]上述微驱动器通过微梁的振动将电能转化为机械能，根据微梁的振动形式不同，一般可以分为“强迫振动”和“自激振动”。若通过微梁的“强迫振动”驱动负载，要求驱动电压有交流成分，当驱动电压的频率等于微梁的固有频率时，微梁处于共振状态，此时驱动器的输出功率最大，根据“强迫振动”的特点，可以通过调节输入电压的幅值和频率调节微梁的振幅和频率，从而控制驱动器的输出功率，该类型梁式微驱动器包括压电式，静电式(辅助施加小幅值的交流电压)以及本次发明所提出的电磁式；若通过微梁的“自激振动”驱动外载，驱动电压一般为直流电压，此时无需调节电流频率微梁即处于共振状态，可通过调节电压的幅值控制驱动器的输出功率，该类型梁式微驱动器一般为静电式(无需辅助施加小幅值交流电压)。
[0004]对于微驱动器而言，驱动电压要求越低，输出幅值越大，输出功率范围越大，驱动器的应用范围越广。
[0005]现有同尺寸量级的梁式微驱动器，往往在上述三个方面难以兼顾。对于压电式微驱动器，尽管输出功率大，但受驱动原理的限制，压电式微驱动器在驱动电压和输出幅值方面可优化空间有限，为驱动压电微梁，往往需要较高的交流电压(数百伏)，另外，由于压电晶体的材料限制，压电微梁的输出幅值并不可观，在驱动负载时往往需要增添机械传动结构，导致系统结构复杂，技术难度较大；针对静电式微驱动器(“强迫振动”)，为了激励微梁的振动，首先需要施加较高的直流电压(数百至数千伏)，同时还需叠加小幅值的交流电压，这样对驱动电压提出了较高的要求，此外，由于微梁在振动过程中受到静电力的作用，容易存在微梁回复力无法克服静电力，继而引发微梁与电极吸合而短路，为避免短路，输出振幅有限；对于基于“自激振动”原理的静电式微驱动器，为驱动微梁的振动，往往要求很高的直流电压(数百至数千伏)，虽然微梁输出振幅很大，微梁一旦振动，就处于共振状态，只能通过调节电压大小控制输出功率，调节范围较小，且静电力大小有限，微梁直径不能太大，因而输出功率大小受到限制。
【发明内容】
[0006]本发明技术问题:针对现有同类型微驱动器的技术短板，提供一种基于电磁原理的梁式微驱动器，避免了高电压(交流或直流)带来的驱动源问题，同时舍弃了由于振动幅值不足所需的传动机构，在简化结构的同时，大大提高了功率范围和适用范围。
[0007]本发明提出的技术方案为:一种基于电磁原理的梁式微驱动器，包括:一个绝缘支撑平台，该支撑平台不连入电路，也无需接地；一根微梁，该微梁一端固定在上述绝缘支撑平台上，一端水平悬空，构成一个悬臂梁；一段金属绕线，该金属绕线缠绕在悬臂梁靠近根部段，用于通交流电；一个隔离板，该隔离板用于隔离两块相互吸引的平板式永磁铁；两个平板式永磁铁，该磁铁异性相吸面相对放置，中间用上述隔离板隔开并固定，构成一个U型结构，悬臂梁绕线段置于U型结构嵌套中；一个衬底，所述的绝缘支撑平台和平板式永磁铁均固定在该衬底上。
[0008]所述微梁的制备材料为各种非导磁固体材料，制备微梁的材料包括金、硅、铜、铝、形状记忆合金或塑料。所述微梁的横截面为多种形状，等截面梁或不等截面梁均可，包括矩形、圆形或椭圆形。所述微梁为等截面的圆形时，直径为0.05-0.2_，长度为10-25_。所述隔离板为非导磁材料，包括PVC塑料板，厚度为0.5-lmm。所述两个平板式永磁铁的间距为0.5-1_，材质为钕铁硼。所述金属绕线为多种导电材料制成的导线，包括:金、铜、硅铝丝，直径为10-30 4111，长度为20-50臟。所述金属绕线，通以可变频交流电，频率范围为0_500Hz且可变，电压范围为0-10V。所述衬底材料为各种绝缘材料，包括PVC塑料板。
[0009]通过理论计算和试验测试，当微梁的长度为15-25mm，微梁直径为0.05-0.2mm，磁铁间距为0.5-lmm时，所述梁式驱动器能在0-10V的交流电压下激发稳定持续的大幅值振动，通过调节驱动电压的幅值和频率，可以大范围地改变微梁的振动频率和幅值，当驱动电压的频率等于微梁的固有频率时，微梁达到共振状态，振幅最大。从结构动力学的角度来说，微梁的振动属于电磁场中的“强迫振动”。
[0010]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0011](I)本发明提供了一种驱动电源要求低，基于电磁原理的梁式微驱动器，驱动器只需在数伏的单一交流电压下即可激发大幅值的稳定振动，无需在驱动电源上叠加多种信号，同时也避免了高电压所必需的升压电路，并大大避免了高电压下容易引起的短路或击穿现象。
[0012](2)本发明提出的梁式微驱动器微梁材料的选择极为宽泛，所有非导磁材料均可用作微梁结构，且微梁的横截面没有固定的要求，这样对微梁的刚度设计提供了很大的空间，因而选用适合的材料与微梁的长细比(长度与截面特征尺寸之比)，微梁可以输出大幅值的振幅，避免了驱动时因振幅不足所需引进的传动机构。
[0013](3)本发明提出的梁式微驱动器基于电磁场中微梁的“强迫振动”，通过调节驱动电压的幅值和频率可以实现对微梁振动幅值和频率的调节，进而改变微驱动器的输出功率，且无需频率检测装置，微梁的振动频率等于驱动电压的频率，根据这一特点，可以对微梁的输出性能进行有效的控制。
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例子的结构示意图；
[0015]图2为本发明实施例子的U型磁铁结构局部示意图；
[0016]图3为本发明实施例子的微梁绕线局部示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1所示，本发明提供一种基于电磁原理的梁式微驱动