專利名稱：一種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MEMS領域馬達，特別是一種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，該裝置利用電熱驅(qū)動及齒輪傳動，實現(xiàn)大位移的直線往復運動。
背景技術：
隨著MEMS技術的快速發(fā)展以及MEMS應用領域的擴展，對具有實用性的MEMS馬達的研究和需求日益增多。在宏觀機械運動中，往復直線運動和旋轉(zhuǎn)運動之間的轉(zhuǎn)換較為常見，通過凸輪、曲柄連桿、齒輪等就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。在MEMS領域，往復直線運動與旋動運動的轉(zhuǎn)換較宏觀相比，比較難實現(xiàn)。這是因為雖然傳動功能的基本原理一樣，但是MEMS尺寸微小，其表面力占主導地位，器件之間容易粘附在一起，運動部件之間出現(xiàn)黏著磨損，加工工 藝的限制。1988年，美國加州大學伯克利分校的研究人員采用表面工藝制作了直徑為120
的靜電型微馬達，直接利用靜電力驅(qū)動轉(zhuǎn)子，雖然可小型化，與MEMS工藝兼容，但輸出力矩小，轉(zhuǎn)速高，無法直接應用。2001年，Jae-Sung提出利用V型電熱硅微致動器單元在硅芯片上制作了熱致動微馬達機構的思路，但是只實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)運動而沒有輸出功能，不具有頭用性。本發(fā)明結合電熱致動器具有輸出位移和力大、操作電壓小、與IC兼容、運動可控等有利特點，利用V型電熱致動器陣列，齒輪傳動的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)齒條滑槽的往復直線運動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的缺陷提供一種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，該微馬達利用電熱驅(qū)動及齒輪傳動，實現(xiàn)大位移的直線往復運動，該微馬達具有與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強，易于控制、輸出效率高、可測試靜態(tài)特性等優(yōu)點。為達到上述目的，本發(fā)明的構思是兩側電熱致動器陣列同時工作，推動齒輪傳動，大齒輪推動齒條滑槽往復運動，實現(xiàn)該往復直線微馬達的往復直線運動；弓字形彈簧用于測試齒條滑槽向上和向下的輸出力；標尺用于測試電熱致動器陣列，兩側嚙合控制器和齒條滑槽向上和向下的輸出位移。因此該設計的優(yōu)點是與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強，易于控制、輸出效率高、可測試靜態(tài)特性。本發(fā)明的基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置，一個傳動裝置、一個輸出裝置和測試裝置，馬達用MEMS表面工藝制作，無需裝配，初始位置時推桿齒與小齒輪有間隙不哨合；對哨合控制器的正負電極同時施加合適的電壓，兩側嚙合控制器推動推桿齒與小齒輪嚙合；對電熱致動器陣列的正負電極同時施加合適的電壓，電熱致動器陣列分別推動推桿齒向上運動。推桿齒推動小齒輪，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪推動齒條滑槽向上運動，實現(xiàn)該往復直線微馬達的向上直線運動；對電熱致動器陣列的正負電極同時施加合適的電壓，電熱致動器陣列分別推動推桿齒向上運動。對嚙合控制器的正負電極同時施加合適的電壓，嚙合控制器推動推桿齒與小齒輪嚙合。釋放電熱致動器陣列的正負電極的電壓，兩側電熱致動器陣列因熱量散失而帶動推桿齒向下運動。推桿齒推動小齒輪，小齒輪帶動大齒輪，大齒輪推動齒條滑槽向下運動，實現(xiàn)該往復直線微馬達的向下直線運動。所述測試裝置包括兩個彈簧和六個標尺，兩個彈簧分別用于測試齒條滑槽向上和向下的輸出力；六個標尺用于測試電熱致動器陣列，兩側嚙合控制器和齒條滑槽向上和向下的輸出位移。所述驅(qū)動裝置可以是電熱V型梁致動器，也可以是其它適宜產(chǎn)生直線運動的電熱致動器。可以是單個致動器，也可以是多個數(shù)量陣列的致動器。

所述傳動裝置可以是兩級齒輪傳動，也可以是單個齒輪傳動或多級齒輪傳動。根據(jù)上述發(fā)明構思，本發(fā)明采用下述技術方案
一種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置和一個傳動裝置，其特征在于所述右側驅(qū)動裝置是兩個水平并列的由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列的中部與一個推桿齒相連，而兩端分別各連接一個負電極和一個正電極；一個與電熱致動器陣列相垂直方向設置的由三個V型電熱娃微致動器并列而成的嚙合控制器的兩端分別連接一個正電極和一個負電極，而中部連接所述推桿齒；所述左側驅(qū)動裝置與右側驅(qū)動裝置結構相同而對稱設置包括兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列，一個嚙合控制器，兩個電熱致動器陣列與兩個電熱致動器陣列的一端共同連接一個負電極，兩個電熱致動器的另一端分別各連接一個正電極，嚙合控制器的兩端分別各連接一個正電極和一個負電極，兩個電熱致動器陣列和嚙合控制器的中部連接一個推桿齒；所述傳動裝置是位置中央垂直方向設置一個固定的導塊，一個齒條滑槽與該導塊滑配，兩個左右大齒輪分別置于齒條滑槽的左右側而齒條嚙合，兩個左右小齒輪分別于左右大齒輪嚙合，兩個左右小齒輪所處位置能分別與推桿齒和推桿齒之間進行受控嚙合與分離；所述兩個大齒輪和兩個小齒輪分別活動套裝在固定的大齒輪軸和小齒輪軸上。該馬達中還包含有一個檢測機構，該檢測機構是兩個彈簧分別安裝在兩個共用的負電極旁，用于測量齒條滑槽向上向下的輸出力，六個分別設置在齒條滑槽上下端旁、左右兩個電熱致動器陣列中部旁和兩個嚙合控制器旁的標尺，用于測量兩個電熱致動器陣列和兩個嚙合控制器的中部位移。所述左側和右側兩個驅(qū)動裝置和傳動裝置制備在硅基板的氮化層上，該氮化層上有固定結構層PolyO,在PolyO上固定的結構層Poly2構成大齒輪軸和小齒輪軸及導塊，PolyO上有活動結構層Polyl構成大齒輪和小齒輪及齒條滑槽。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著進步
(I)采用電熱致動方式，與集成電路制造工藝相兼容。(2)通過電熱致動器的放電，實現(xiàn)往回運動，無需另外結構。(3)齒輪傳動,放大輸出位移。(4)實用性強，易于控制、輸出效率高。


圖I是本發(fā)明中右側致動裝置的示意圖。圖2是本發(fā)明的總體結構圖。圖3是測試輸出裝置的測試結構示意圖。圖4是本發(fā)明中兩對齒輪及滑槽的剖面圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖詳述如下
實施例一參見圖I和圖2，本基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置和一個傳動裝置，其特征在于
1)所述右側驅(qū)動裝置是兩個水平并列的由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列a(la，lb)的中部與一個推桿齒a(3a)相連，而兩端分別各連接一個負電極(5a，5b)和一個正電極(4a,4b);—個與電熱致動器陣列相垂直方向設置的由三個V型電熱娃微致動器并列而成的嚙合控制器a(2a)的兩端分別連接一個正電極(6a)和一個負電極(6b)， 而中部連接所述推桿齒a(3a)；
2)所述左側驅(qū)動裝置與右側驅(qū)動裝置結構相同而對稱設置包括兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列b (lc, Id)，一個嚙合控制器b (2b)，兩個電熱致動器陣列a (la，Ib)與兩個電熱致動器陣列b(lc，Id)的一端共同連接一個負電極(5a，5b)，兩個電熱致動器b(lc，ld)的另一端分別各連接一個正電極(4c，4d)，嚙合控制器b (2b)的兩端分別各連接一個正電極(6c)和一個負電極(6d)，兩個電熱致動器陣列b(lc，ld)和嚙合控制器b (2b)的中部連接一個推桿齒b (3b)；
3)所述傳動裝置是位置中央垂直方向設置一個固定的導塊(12)，一個齒條滑槽(11)與該導塊(12)滑配，兩個左右大齒輪(9a，9b)分別置于齒條滑槽(11)的左右側而齒條嚙合，兩個左右小齒輪(7a，7b)分別于左右大齒輪(9a，9b)嚙合，兩個左右小齒輪(7a，7b)所處位置能分別與推桿齒a(3a)和推桿齒b(3b)之間進行受控嚙合與分離；所述兩個大齒輪(9a, 9b)和兩個小齒輪(7a，7b)分別活動套裝在固定的大齒輪軸(10b，IOa)和小齒輪軸(8b,8a)上。實施例二
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下所述基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達包含一個檢測機構，該檢測機構是兩個彈簧(13)分別安裝在兩個共用的負電極(5a，5b)旁，用于測量齒條滑槽(11)向上向下的輸出力，六個分別設置在齒條滑槽
(11)上下端旁、左右兩個電熱致動器陣列3、匕(1&，113，1(3，1(1)中部旁和兩個嚙合控制器a、b (2a, 2b)旁的標尺(14)，用于測量兩個電熱致動器陣列a、b (la，lb，lc，Id)和兩個嚙合控制器a、b (2a，2b)的中部位移。所述左側和右側兩個驅(qū)動裝置和傳動裝置制備在硅基板的氮化層上，該氮化層上有固定結構層PolyO,在PolyO上固定的結構層Poly2構成大齒輪軸和小齒輪軸(8b，10b, 10a, 8a)及導塊(12)，PolyO上有活動結構層Polyl構成大齒輪和小齒輪(9b，9a，7b，7a)及齒條滑槽(11)。實施例三參看圖I和圖2，本基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置，一個傳動裝置、一個輸出裝置和測試裝置。所述右側驅(qū)動裝置主要包括兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(la，lb)、一個嚙合控制器(2a), 一個推桿齒(3a),三個正電極(4a, 4b, 6a)和三個負電極(5a, 5b, 6b)。所述左側驅(qū)動裝置主要包括兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列(lc，Id)、一個卩齒合控制器(2b), —個推桿齒(3b),三個正電極(4c,4d,6c)和三個負電極(5a,5b，6d)。所述傳動裝置主要包括左右兩對齒輪，即兩個小齒輪(7a，7b)，兩個小齒輪軸(8a，8b)，兩個大齒輪(9a，9b)和兩個大齒輪軸(7a，7b)。所述輸出裝置包括齒條滑槽(11)，和導塊(12)。兩側嚙合控制器(2a，2b)由三個V型電熱硅微致動器串聯(lián)而成。對左右兩側卩齒合控制器(2a,2b)的正負電極(6a,6b,6c,6d)同時施加合適的電壓，兩側嚙合控制器(2a，2b)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力，分別推動推桿齒(3a，3b)向中間運動，從而使得推桿齒(3a，3b)分別與小齒輪(7a，7b)嚙合。對左右兩側電熱致動器陣列(la, lb, lc, Id)的正負電極(4a, 4b, 6a, 5a, 5b, 6b)同時施加合適的電壓，電熱致動器陣列(la，lb，lc，ld)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力，分別推動推桿齒(3a，3b)向上運動。推桿齒(3a)向上運動從而推動小齒輪(7a)繞小齒輪軸(8a)逆時針轉(zhuǎn)動，同時推桿齒(3b)向 上運動從而推動小齒輪(7b)繞小齒輪軸(8b)順時針轉(zhuǎn)動。小齒輪(7a)帶動大齒輪(9a)繞大齒輪軸(IOa)順時針轉(zhuǎn)動，小齒輪(7b)帶動大齒輪(9b)繞大齒輪軸(IOb)逆時針轉(zhuǎn)動。左側大齒輪(9a)和右側大齒輪(9b)同時推動齒條滑槽(11)向上運動，導塊(12)縱向約束齒條滑槽(11)。通過上述步驟，實現(xiàn)該往復直線微馬達的向上直線運動。釋放所有正負電極(4a，4b，6a，5a，5b，6b，6c，6d)的電壓。左右側兩個驅(qū)動裝置因放電回到初始位移。對左右兩側電熱致動器陣列(la，lb，lc，ld)的正負電極(4a，4b，6a，5a, 5b,6b)同時施加合適的電壓，電熱致動器陣列(la，lb，lc，ld)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力，分別推動推桿齒(3a，3b)向上運動。對左右兩側嚙合控制器(2a，2b)的正負電極(6a，6b，6c，6d)同時施加合適的電壓，兩側嚙合控制器(2a，2b)受熱膨脹在頂端產(chǎn)生位移或力，分別推動推桿齒(3a，3b)向中間運動，從而使得推桿齒(3a，3b)分別與小齒輪(7a，7b)嚙合。釋放左右兩側電熱致動器陣列(la, lb, lc, Id)的正負電極(4a，4b，6a，5a，5b，6b)的電壓，兩側電熱致動器陣列(la，lb，lc，ld)因熱量散失而帶動推桿齒(3a，3b)向下運動。推桿齒(3a)向下運動從而推動小齒輪(7a)繞小齒輪軸(8a)順時針轉(zhuǎn)動，同時推桿齒(3b)向下運動從而推動小齒輪(7b)繞小齒輪軸(8b)逆時針轉(zhuǎn)動。小齒輪(7a)帶動大齒輪(9a)繞大齒輪軸(IOa)逆時針轉(zhuǎn)動，小齒輪(7b)帶動大齒輪(9b)繞大齒輪軸(IOb)順時針轉(zhuǎn)動。左側大齒輪(9a)和右側大齒輪(9b)同時推動齒條滑槽(11)向下運動。通過上述步驟，實現(xiàn)該往復直線微馬達的向下直線運動。實施例四參看圖3，本實施例與實施例一基本相同，在實施例一的基礎上實現(xiàn)測試靜態(tài)輸出特性的功能包括兩個彈簧(13)和六個標尺(14)。兩個彈簧(13)分別用于測試齒條滑槽(11)向上和向下的輸出力。六個標尺(14)用于測試電熱致動器陣列(la，lb，lc，Id)，兩側嚙合控制器(2a，2b)和齒條滑槽(11)向上和向下的輸出位移。附圖4中，為齒輪(7a，7b，9a，9b)和齒條滑槽(11)的截面圖。本發(fā)明采用MEMS表面工藝制作，無需裝配，兩個小齒輪(7a，7b)，兩個大齒輪(9a，9b)和齒條滑槽(11)為結構層Polyl，浮動在PolyO上，為可動件；兩個小齒輪軸(8a，8b)，兩個大齒輪軸(10a，IOb)和導塊(12)為結構層Poly2，固定在PolyO上，為固定件，并且Z方向約束結構層Polyl層上構件?；驹?br> 電熱硅微致動器是一種典型的固體熱膨脹微致動器，其特點是以在基底材料上制作出的娃微機械機構作為驅(qū)動兀件，而娃結構層具有一定的電阻值，所以結構層本身又可兼作加熱器，當通過控制輸入電壓或功率時，由于結構受熱膨 脹而產(chǎn)生致動效應，從而輸出位移或力。
權利要求
1.ー種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置和一個傳動裝置，其特征在干 1)所述右側驅(qū)動裝置是兩個水平并列的由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列a(la，lb)的中部與ー個推桿齒a(3a)相連，而兩端分別各連接ー個負電極(5a，5b)和ー個正電極(4a,4b); —個與電熱致動器陣列相垂直方向設置的由三個V型電熱娃微致動器并列而成的嚙合控制器a(2a)的兩端分別連接ー個正電極(6a)和ー個負電極(6b)，而中部連接所述推桿齒a(3a)； 2)所述左側驅(qū)動裝置與右側驅(qū)動裝置結構相同而對稱設置包括兩個由六個V型電熱硅微致動器并列而成的電熱致動器陣列b (lc, Id)，一個嚙合控制器b (2b)，兩個電熱致動器陣列a (la，Ib)與兩個電熱致動器陣列b(lc，Id)的一端共同連接ー個負電極(5a，5b)，兩個電熱致動器b(lc，ld)的另一端分別各連接ー個正電極(4c，4d)，嚙合控制器b (2b)的兩端分別各連接ー個正電極(6c)和ー個負電極(6d)，兩個電熱致動器陣列b(lc，ld)和嚙合控制器b (2b)的中部連接ー個推桿齒b (3b)； 3)所述傳動裝置是位置中央垂直方向設置ー個固定的導塊(12)，ー個齒條滑槽(11)與該導塊(12)滑配，兩個左右大齒輪(9a，9b)分別置于齒條滑槽(11)的左右側而齒條嚙合，兩個左右小齒輪(7a，7b)分別于左右大齒輪(9a，9b)嚙合，兩個左右小齒輪(7a，7b)所處位置能分別與推桿齒a(3a)和推桿齒b(3b)之間進行受控嚙合與分離；所述兩個大齒輪(9a，9b)和兩個小齒輪(7a，7b)分別活動套裝在固定的大齒輪軸(10b，IOa)和小齒輪軸(8b,8a)上。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，其特征在于包含一個檢測機構，該檢測機構是兩個彈簧(13)分別安裝在兩個共用的負電極(5a，5b)旁，用于測量齒條滑槽(11)向上向下的輸出力，六個分別設置在齒條滑槽(11)上下端旁、左右兩個電熱致動器陣列a、b (la, lb, lc, Id)中部旁和兩個哨合控制器a、b (2a, 2b)旁的標尺(14),用于測量兩個電熱致動器陣列a、b (la, lb, lc, Id)和兩個哨合控制器a、b (2a, 2b)的中部位移。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達，其特征在于所述左側和右側兩個驅(qū)動裝置和傳動裝置制備在硅基板的氮化層上，該氮化層上有固定結構層PolyO，在PolyO上固定的結構層Poly2構成大齒輪軸和小齒輪軸(8b，10b, 10a, 8a)及導塊(12)，PolyO上有活動結構層Polyl構成大齒輪和小齒輪(9b，9a，7b，7a)及齒條滑槽(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于電熱驅(qū)動及齒輪傳動的往復直線微馬達。它包括左側和右側兩個驅(qū)動裝置，一個傳動裝置。所述驅(qū)動裝置利用V型電熱致動器陣列控制嚙合狀態(tài)及推動齒輪。所述傳動裝置包括兩對齒輪傳動，齒輪浮動在Poly0上，作為可動件，放大輸出位移。所述輸出裝置為齒條滑槽，可接微操作平臺，具有往復大位移運動的功能。所述測試裝置利用微彈簧和標尺測試輸出力和輸出位移等靜態(tài)特性。因此，本發(fā)明設計的往復直線微馬達，具有與集成電路制造工藝相兼容、輸出位移大、實用性強，易于控制、輸出效率高、可測試靜態(tài)特性等優(yōu)點。
文檔編號H02N2/06GK102769408SQ20121024160
公開日2012年11月7日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權日2012年7月13日
發(fā)明者周玲, 沈雪瑾, 王振祿, 胡懿, 陳曉陽 申請人:上海大學