一种刚度可定制的微作动器的制作方法

本发明涉及一种精密机械技术领域的微机械作动器，具体地，涉及一种刚度可定制的微作动器。

背景技术：

静电微机械执行器作为一种基础性电子元器件，在微电动机、色散器、微夹钳、数字微镜和各种微光学开关中具有广泛的应用。目前，微机械执行器的工程化应用已经呼之欲出，但要真正大规模推广应用、还需要大幅度提高器件的可操作范围和可靠性。静电式微机械执行器是一种以静电吸合为动力的驱动装置，由于静电力本质上具有高度非线性特性，当驱动电压超过一个临界值时，静电式微机械执行器会发生失稳，对于使用线性弹簧悬浮支撑的平行极板静电驱动器来说，这个稳定的驱动行程范围被限制在初始极板气隙的三分之一以内。这很大程度上限制了静电式微机械执行器在微器件领域的应用。这种不稳定现象发生的根本原因在于，现有的静电微执行器结构刚度通常为固定值，相当于一个变形量与弹性回复力比值固定的线性弹簧。随着气隙减小，弹性回复力线性增大，而非线性静电力则急剧增大，在电压增大过程中，静电力随间隙减小呈指数上升、而线性弹簧变形力则通常与位移量呈正比，因此随着位移增大/间隙减小，静电力增加远超弹簧变形力。由此导致当静电驱动电压增大到一临界值时，微执行器驱动极板突然失稳，最终与定极板猛烈撞击，导致驱动失效。如果能使弹簧刚度不再是固定值，而是随着吸合行程而自动增大，形成一种自适应调控的机制，则弹簧弹力就会随着行程的增加快速增大，从而削弱静电力非线性增大的不利影响。目前在微作动器领域，具有可变刚度的微作动器正受到越来越多的关注，国内外相关机构纷纷开展研究。

经对现有技术文献的检索发现，b.rivlin等人在《journalofmicroelectromechanicalsystems》(微机电系统学报)，撰文“agap-closingelectrostaticactuatorwithalinearextendedrange”(一种扩大线性驱动范围的静电驱动器)”，提出了一种刚度可连续调整的微作动器结构方案，利用一个特殊轮廓的凸轮支撑块，连续调整微作动器悬臂梁在驱动过程中的有效力臂长度，从而使得微作动器悬臂梁的等效刚度随着输出位移的增大而增大，从而避免了输出位移增加时，静电驱动力远远大于微作动器结构弹性回复力的情况，明显改善了微作动器的输出位移特性，作动器可控行程达到总气隙的85％。该驱动器虽然性能有了明显改善，但是仍然存在以下不足：该驱动器需要引入面积较大的凸轮支撑块，器件结构较复杂，并且需要手动促使梁与凸轮的初始接触，难以集成到已有的器件结构方案中，同时从原理上看，其刚度调整范围有限，难以根据不同类型驱动器的要求实现大范围灵活调整。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可定制刚度的微作动器，其结构相对简洁，无需手动预压接触，可以针对不同驱动方式的工况特点，满足微作动器件对特定刚度-位移特性的灵活需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现的：

本发明提供了一种刚度可定制的微作动器，所述微作动器包括：动极板、定极板、折叠弹簧、止挡块、第一锚点、第二锚点，其中，所述动极板通过所述折叠弹簧固定于所述第一锚点上，所述定极板连接所述第二锚点，其特征在于：

所述微作动器还包括外框、第三锚点、第四锚点、第一顶杆、第二顶杆，其中，所述第一顶杆和所述第二顶杆对称设置于所述动极板的两侧，所述第一顶杆、所述第二顶杆的长度方向与所述动极板运动方向平行，所述第一顶杆、所述第二顶杆的一端分别固定于所述第三锚点、所述第四锚点；所述第一顶杆和所述第二顶杆的另一端为自由端，所述自由端上设置圆角曲面；

所述外框的一侧连接所述动极板，所述外框的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的曲面分别对应所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端，当所述动极板在静电力作用在水平方向运动时，使所述第一顶杆的自由端和所述第二顶杆的自由端分别沿所述外框上的所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓滑动，产生水平方向的作用力。

所述第一顶杆和所述第二顶杆在所述动极板朝着所述定极板运动时可以沿着第一预定制曲线轮廓、第二预定制曲线轮廓滑动，对所述动极板产生水平和纵向两个方向的作用力，而这两个方向的作用力比值取决于第一预定制曲线轮廓、第二预定制曲线轮廓曲线的斜率，本发明通过在外框上对称设置所述第一预定制曲线轮廓、所述第二预定制曲线轮廓且分布于所述动极板两侧，从而使所述动极板受到的垂直方向作用力相互平衡抵消，水平方向的作用力用来抵抗动极板受到的外加激励力(静电力)，与所述动极板移动位移的关系可由预定制曲线轮廓，即不同位置上的切线与水平方向的夹角来确定，即作动器的刚度可以通过定制曲线轮廓调节。

上述装置通过在所述外框设置第一预定制曲线轮廓和第二预定制曲线轮廓的结构，设计了一种刚度可任意调节的静电微作动器，该执行器的系统输出(比如电压-位移曲线)可以通过预定制曲线轮廓的形状来进行调节和定制，理论上，可以明显延长静电执行器的稳态行程，并使其电压-位移输出关系呈现线性。

所述外框能保持弯矩平衡，始终保持平动状态而不发生扭转。

所述动极板与所述外框刚性相连。

所述动极板由8个上下对称的手指组成。

所述定极板由8个对称分布手指组成，所述定极板正对所述动极板，所述正极板与所述定极板之间有一定的工作气隙；

优选地，所述第一顶杆的一端夹紧固定于第三锚点上，另一端为自由端；所述第一顶杆由第一悬臂梁、第二悬臂梁并联组成，所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁的所述自由端通过粗短梁连接，所述粗短梁上设置圆角曲面。进一步设置一根粗短梁连接所述第一悬臂梁、所述第二悬臂梁的自由端，确保所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端不会因为受到面内作用力而发生偏转，始终处于平动运动状态。所述第二顶杆与所述第一顶杆具有完全相同的结构。

优选地，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓厚度与所述动极板的厚度相同，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的初始曲率大于零。

本发明的进一步设置为：

所述折叠弹簧对称设置于所述外框内，所述折叠弹簧由多个悬臂梁通过粗短梁并联或串联组成，支撑所述外框；所述折叠弹簧的一端连接所述第一锚点，另一端连接所述外框；所述折叠弹簧支撑所述外框和所述动极板在水平方向的运动，使得本发明的结构更加紧凑，减小了结构的整体尺寸。

优选地，所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的起始位置分别与所述第一顶杆和所述第二顶杆的下边缘对齐，使所述动极板运动时，所述第一顶杆和所述第二顶板的自由端的圆角曲面分别沿所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓上滑动。

优选地，所述第一顶杆和所述第二顶杆的长度与所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓在垂直方向的高度比大于40倍以上，使所述第一顶杆和所述第二顶杆的自由端的挠度相对于其长度变形小，所述第一顶杆和所述第二顶杆在垂直方向的刚度为一个常数。

优选地，所述第一顶杆、所述第二顶杆的自由端的圆角曲面的曲率分别小于所述第一预定制曲线轮廓和所述第二预定制曲线轮廓的初始曲率，使圆角曲面与预定制曲线轮廓在初始接触时不发生干涉。

优选地，所述作用力与位移的关系可由所述第一预定制轮廓和所述第一预定制轮廓的形状确定，即通过改变预定制曲线轮廓形状定制水平方向所需要的力-位移曲线。

优选地，具有以下一种多种特征：

所述动极板与定极板之间设有工作气隙；所述止挡块与所述动极板之间设有工作气隙；

所述止挡块与所述动极板之间的工作气隙小于所述动极板与所述定极板之间的工作气隙，用于防止所述定极板和所述动极板接触而发生短路。

具体的，本发明的设计原理在于：

(1)在外框上设置一组对称分布的预定制曲线轮廓，当顶杆自由端在定制曲线轮廓上滑动时，顶杆对动极板水平方向的作用力可由预定制曲线轮廓的形状支配，即，通过预先定制曲线轮廓可以调节微作动器固有的力-位移曲线(刚度曲线)，从而控制微作动器系统的输出特性曲线，达到可以任意调节微作动器的固有刚度特性，以便满足不同的应用工况。

如果按照现有常规技术，微作动器通常通过改变支撑悬浮弹簧的有效臂长来改变系统的固有刚度，实现方法是在悬浮弹簧下方布置离散刚性的接触锚点或者可连续接触的凸轮机构，当动极板运动时，悬浮弹簧的悬臂也将发生位移变形，与布置在其下方的刚性锚点发生接触，改变悬臂的有效臂长，从而增强系统的固有刚度。对于离散接触，多层次的锚点势必大大增加微作动器的工艺复杂程度，且不能获得较为连续的系统刚度变化。凸轮机构虽然可以实现连续的接触，满足平滑的刚度变化，但是由于深硅刻蚀工艺的限制，在静电微作动器工作前，需要人为地施加外载力使悬浮弹簧的悬臂与凸轮发生初始接触，这种复杂的操作限制了其在微作动器领域的进一步应用。

相比之下，本发明使用顶杆与预定制曲线轮廓之间的滑动，产生在水平方向可以定制调节的回复力，通过预先设计的曲线轮廓，可以支配静电微作动器的系统输出特性。预定制曲线轮廓的起始位置与顶杆自由端需设置有一定的初始气隙，这种设计一方面为了满足深硅刻蚀工艺对深宽比的要求，另一方面，不需要人为地施加作用力促使顶杆自由端的曲面圆角与定制曲线轮廓的初始接触，有利于该定制刚度执行器的推广应用。

(2)工作中，当在动极板和定极板之间施加驱动电压时，两块极板之间会产生静电力，动极板受到静电作用力发生水平运动，在顶杆自由端与曲线轮廓的初始气隙之前，静电力由支撑动极板的折叠弹簧平衡，在此之后，顶杆沿着预定制曲线轮廓滑动在水平方向产生平衡静电驱动力的弹簧回复力，实现需要的静态响应特性。设计的顶杆由悬臂梁-短梁组成，梁长度与自由端纵向位移的比值大于20以上，顶杆自由端水平方向的刚度与纵向刚度的比大于300以上，因此，在垂直方向上顶杆自由端的刚度符合小变形梁理论，可认为是常数，其在水平方向上的刚度要远远小于纵向刚度，可以忽略不计，这很大程度上降低了预定制曲线轮廓在数学模型建立和求解曲面轮廓方面的复杂程度，有利于使用此设计方法的微作动器的普及应用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明无需复杂凸轮支撑机构和手动预加载的初始接触，总体结构相对简洁、紧凑，能明显提高微作动器的可控行程，通过定制特定的曲线轮廓可以线性化微作动器的电压-位移输出特性。

具体的，本发明采用预定制的曲线轮廓与顶杆自由端之间的滑动来产生水平方向上期望的输出刚度特性，可以明显延长驱动器的可控行程，实现微作动器驱动电压-位移曲线的线性输出。所定制曲线轮廓的起始位置与顶杆自由端之间设计有一定距离的空气气隙，这种设计满足了深硅刻蚀的工艺要求，同时，不需要手动地驱动外框到初始接触位置。这使本发明的结构能够更容易地集成到微器件中去。

另一方面，本发明进一步采用由两个悬臂梁通过粗短梁并联组成的顶杆，设计的梁长度与其自由端纵向位移的比值大于40以上，顶杆自由端水平方向的刚度与纵向刚度的比大于300以上，因此，在垂直方向上顶杆自由端的刚度符合小变形梁理论，可认为是常数。另外，其在水平方向上的刚度要远远小于垂直方向刚度，因此可以忽略不计，这很大程度上降低了预定制曲线轮廓在数学模型建立和求解方面的复杂程度，有利于使用此设计方法的微作动器的普及应用。

进一步的，本发明采用由悬臂梁通过短粗梁组成的折叠弹簧作为动极板的支撑部件，折叠弹簧对称分布在动极板的内部，使的器件整体结构紧凑、结构简洁。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例1中微作动器的结构示意图的俯视图；

图2为本发明实施例1中微作动器的第一预定制曲线轮廓或第二预定制曲线轮廓的局部放大图；

图3为本发明实施例2中折叠弹簧的局部放大图；

图中标记分别表示为：动极板1、定极板2、外框3、第一锚点4、第二锚点5、折叠弹簧6、第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8、第一顶杆9、第二顶杆10、第一悬臂梁11、曲面圆角12、粗短梁13、第三锚点14、第四锚点15、止挡块16、第二悬臂梁17。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，为本实施例一种刚度可定制的微作动器的结构示意图，可实现面内运动的刚度可调微机械作动器。微作动器包括：动极板1、定极板2、折叠弹簧6、止挡块16、第一锚点4、第二锚点5，其中，动极板1通过折叠弹簧6固定于第一锚点4上，定极板2连接第二锚点5。微作动器还包括外框3、第三锚点14、第四锚点15、第一顶杆9、第二顶杆10，其中，第一顶杆9和第二顶杆10对称设置于动极板1的两侧，第一顶杆9、第二顶杆10的长度方向与动极板1运动方向平行，第一顶杆9、第二顶杆10的一端分别固定于第三锚点14、第四锚点15；第一顶杆9和第二顶杆10的另一端为自由端，自由端上设置圆角曲面12；外框3的一侧连接动极板1，外框3的上、下两端分别对称设置第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8，第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8的曲面分别对应第一顶杆9和第二顶杆10的自由端，当动极板1在静电力作用在水平方向运动时，使第一顶杆9的自由端和第二顶杆10的自由端分别沿外框3上的第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8滑动，产生水平方向的作用力。第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8对称分布在外框3之上。当动极板1运动时，第一顶杆9和第二顶杆10的自由端分别沿着第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8的曲线轮廓滑动，产生作用于外框3的在水平方向的反作用力，这个水平作用力可由预定制曲线轮廓支配调整。即，微作动器在水平方向的力-位移关系(刚度)可以预先定制调整。

在一优选方式中：第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8厚度与的动极板1的厚度相同，第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8的初始曲率大于零。第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8的起始位置分别与第一顶杆9和第二顶杆10的下边缘对齐，使动极板1运动时，第一顶杆9和第二顶板10的自由端的圆角曲面分别沿第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8上滑动。

作为一优选方式，第一顶杆9和第二顶杆10的长度与第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8在垂直方向的高度比大于40倍以上，使第一顶杆9和第二顶杆10的自由端的挠度相对于其长度变形小，第一顶杆9和第二顶杆10在垂直方向的刚度为一个常数。

作为一优选方式，第一顶杆9、第二顶杆10的自由端的圆角曲面的曲率分别小于第一预定制曲线轮廓7和第二预定制曲线轮廓8的初始曲率，使圆角曲面与预定制曲线轮廓在初始接触时不发生干涉。作用力与动极板1位移的关系可由第一预定制轮廓7和第一预定制轮廓8的形状确定，即通过改变预定制曲线轮廓形状定制水平方向所需要的力-位移曲线。

如图1所示的实施例中，动极板1由8个手指对称分布组成，与外框3相连，布置在其左侧；定极板2由8个手指对称分布组成，定极板2正对动极板1，两极板之间有一定的工作气隙；止挡块16与动极板1之间的工作气隙小于动极板1与定极板2之间的工作气隙，用于防止定极板2和动极板1接触而发生短路。

作为一优选方式，第一顶杆9和第二顶杆10的一端夹紧固定于锚点上，另一端为自由端；第一顶杆9由第一悬臂梁11、第二悬臂梁17并联组成，第一悬臂梁11、第二悬臂梁17的自由端通过粗短梁13连接，粗短梁13上设置曲面圆角12。第一顶杆9和第二顶杆10的固定端分别与第三锚点14和第四锚点15相连，为固定夹紧状态，另一端处于自由状态，但是只能平动，不能发生弯曲扭转。第一顶杆9和第二顶杆10具有相同的结构组成。第一顶杆9、第二顶杆10的自由端可以分别沿预定制轮廓7和预定制轮廓8滑动。

作为一优选方式，折叠弹簧6一端与第一锚点4相连，另一端与外框3相连，对称布置在外框3内部，该结构设计使微作动器整体结构较为紧凑；外框3由折叠弹簧6支撑。

作为一优选方式，本实施例中外框3的宽度需大于70微米，以便保持较好的结构刚度，当外框3受到顶杆5的接触作用力时外框3不发生大的变形。

上述实施例在具体实施的过程中：动极板1与定极板2之间的工作气隙为20微米，止挡块16与动极板1之间的工作气隙为18微米。组成动极板1的手指长度为500微米，宽度需大于35微米，以防止在静电力的作用下手指发生过大的弯曲变形，造成动极板1与定极板2发生短路。微作动器的结构材料为低阻单晶硅，结构厚度应小于60微米，确保在采用深硅刻蚀技术制备器件时能有较适宜的深宽比，以便有较好的工艺性。

本实施例中上述各优选方式的技术特征，在互不冲突的前提下，可以任一或任意组合的使用。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中不同之处在于：如图2所示，第一顶杆9、第二顶杆10均分别由第一悬臂梁11、第二悬臂梁17并联组成，第一悬臂梁11、第二悬臂梁17的自由端通过一根粗短梁13相连，粗短梁13右下角为圆角曲面12。圆角曲面12的曲率必须小于第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8的初始曲率，确保圆角曲面12与第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8在初始接触时不发生干涉。

在本实施例中，设计的第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8在垂直方向上的高度需限定在40微米以内，第一悬臂梁11、第二悬臂梁17的长度为800微米，因此，由于长宽比大于20，第一悬臂梁11、第二悬臂梁17的自由端在垂直方向的位移认为是微小形变，其刚度被认为是常数。这种设计另外一个特点是第一悬臂梁11、第二悬臂梁17组成的第一顶杆9、第二顶杆10在水平方向的刚度要远远大于其在垂直方向的刚度(>300倍以上)，因此，在设计预定制曲线轮廓时，第一顶杆9、第二顶杆10的自由端由于受到水平方向的接触力而产生的位移相对较小，可以不予考虑。这很大程度上降低了系统力学建模的难度。

本实施例中，圆角曲面12的底部与第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8的起始位置应在水平方向对齐，且圆角曲面12与第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8的起点位置应该保持不大于6.6微米的隔离气隙。当动极板1移动位移小于设置的气隙时，微作动器的回复力仅由具有线性刚度的折叠弹簧6提供，对于线性折叠弹簧6，微作动器的稳态行程仅仅是工作气隙的三分之一(本实施例中为6.6微米)，因此，设置的隔离气隙需不大于6.6微米，以防止微作动器出现静态吸合不稳定。当动极板1移动位移大于设置气隙时，微作动器回复力由折叠弹簧6和第一预定制曲线轮廓7、第二预定制曲线轮廓8在水平方向受到的接触力一起提供。预定制的水平方向的非线性接触力可以克服非线性静电力造成的不稳定现象，延长微作动器的可控行程。

实施例3：

在实施例1的基础上，本实施例中不同之处在于：如图3所示，折叠弹簧6由多个悬臂梁通过粗粗短梁13并联和/或串联组成，其一端与外框3相连，另一端与第一锚点4相连，且对称分布在外框3内部，支撑起外框3和动极板1，这使的微作动器整体结构较为紧凑。折叠弹簧6的长度为800微米，宽度为6微米，较低的水平方向上的刚度使微作动器具有更宽的变刚度范围。

上述实施例所有附图仅仅是为了便于解释说明本发明的技术内容；构成最优实施方式所采用的数字、零部件的位置、零部件之间的相互关系以及零部件的尺寸等技术特征不构成对技术方案本身的限定，而应延伸至该技术领域所覆盖的整个领域。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。