CN105129719B - 一种基于洛伦兹力的双向串联mems执行器 - Google Patents
一种基于洛伦兹力的双向串联mems执行器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明描述了一种基于洛伦兹力执行的双向串联MEMS执行执行器,其由两个可动的弹性结构串联而成,可以在电流和磁场的作用下,利用洛伦兹力实现结构的双向运动。执行器只需很小的驱动电流,就能实现很大的位移。通过控制电流的方向,两个结构既可以实现相向运动,相互合并;也可以实现反向运动,相互分离。
Description
技术领域
本发明涉及微机电***(MEMS)领域,尤其涉及一种基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器。
背景技术
随看科学技术的进步,电子、机械等***向着小型化、微型化方向发展,芯片的高密度、多功能、智能化集成成为人们研究的重要方向。以微型化、集成化,智能化、信息化、先进制造为特点的MEMS技术从设计到制造,不仅以微电子技术为基础,而且涉及到计算机技术、通信技术、微电子技术、自动控制技术、机械设计与制造等多技术学科,可以说是一门多学科交叉的综合技术。基于MEMS技术的微型传感器、微型执行器、微光学***、射频***、微生物芯片、微流体器件、立体集成电路等复杂的微***,已有相当多的应用于工业、军事、生物、医学等行业。
目前,执行器是MEMS器件的最基本结构单元,是实现各种功能的基础。现有的MEMS器件主要通过静电、电热、压电和电磁等方式驱动。尽管静电驱动方式研究广泛,是MEMS器件应用最多的工作方式,但静电驱动所需的驱动电压非常高。同时由于静电驱动器的位移通常和驱动电压的平方成正比,线性度差,难以通过驱动电压的大小实现位移量的精确控制。与静电方式相比,压电和电热等方式所需的驱动电压低,但压电材料受到工艺的限制;电热驱动在工作过程中需要不断地产热和放热,响应速度慢,功耗高,受温度影响大。而电磁驱动中,驱动线圈不易制作,所能通过的电流受到热效应的限制;使用磁性材料的驱动方式往往会引入磁滞效应,使器件的响应变差。这些都严重限制了MEMS驱动器在微电子机械器件和***中的应用。
利用洛伦兹力可以提供较大的驱动力,实现大范围的移动,响应速度快,没有磁滞效应,不需要特殊的磁性材料。洛伦兹力与电流成正比,线性度好,功耗低。洛伦兹力与输入电流相关,可以通过改变输入电流而很容易地实现对其方向和大小的控制;而且,基于洛伦兹力的执行器可以利用外部的永久磁铁产生磁场,器件结构简单,制作方便,成本低。
现有的MEMS执行器大多数为单一结构单向运动,在实际应用需求中,需要运动的位移较大,所需的驱动电压高,限制了MEMS执行器的应用。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题,本发明提供了一种基于洛伦兹力驱动的MEMS执行器,实现了双向同时运动,结构简单、成本低、制作方便、具有实际应用价值的MEMS执行器。
本发明方案的MEMS执行器由两个结构串联而成,工作于轴向磁场中,通过加载电流,在结构上产生洛伦兹力,驱动结构运动;通过控制电流的方向,两个结构既可以实现相向运动,相互合并;也可以实现反向运动,相互分离。通过控制电流,可以精确控制执行器的位移。
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器,利用洛伦兹力进行驱动,结构简单,驱动电压和驱动时间等参数均可以明显优于其他驱动方式,为器件的应用提供了良好的基础。
本发明提供的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器,利用串联的结构,实现了两个结构同时的反向运动,可以满足相应的MEMS器件的工作需求。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明,其中:
图1是串联MEMS执行器的基本结构示意图;
图2是结构合并运动的工作原理示意图;
图3是结构分离运动的工作原理示意图。
附图标记说明:
a、b、c、d分别表示两个可动弹性结构的锚点;I表示电流,箭头指示了两个弹性结构中电流的方向;B表示磁场,×表示磁场方向为垂直纸面向里。
具体实施方式
图1示出了本发明的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的基本结构示意图。如图1所示,所述MEMS执行器包括两个并列的可动弹性结构ab、cd。利用微机械加工技术可以保证两个弹性结构形状相同,尺寸相等。两个弹性结构的右侧锚点b和d相互连接在一起,形成串联关系。当在执行器的a、c两个端口加载电压时,在两个串联的结构上分别产生方向相反的电流。通过改变a、c间的电压,可以改变结构中的电流大小和方向。
通有电流的导线在磁场中会受到洛伦兹力的作用:洛伦兹力的大小正比于磁场和电流的大小。洛伦兹力的方向取决于磁场和电流的方向。图2和图3示出了本发明基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的工作原理的示意图。当本发明的串联MEMS执行器工作于均匀的轴向磁场中时,在两个弹性结构ab和cd上分别会产生大小相等、方向相反的洛伦兹力。在洛伦兹力的作用下,结构会发生形变,产生位移。因两个弹性结构ab和cd的形状和尺寸相同,因此二者会产生大小相等、方向相反的位移。如图2所示,执行器位于垂直执行器平面向里的磁场中。电流从c端口流进执行器,经弹性结构cd,再经过弹性结构ba后,从a端口流出。在洛伦兹力的作用下,两个弹性结构均向中间运动,相互靠近。如图3所示,改变电流方向后洛伦兹力的方向也会改变,两个弹性结构改变运动方向,均向远离中心的方向运动,相互分离。
所述可动结构ab、cd发生形变后,由于结构的弹性会产生弹性回复力,弹性力的大小与结构的位移成正比。结构稳定时,弹性力与洛伦兹力相等。而洛伦兹力大小与驱动电流成正比,因此,可以通过控制电流的大小来控制结构的位移。在稳定的磁场下,电流产生的洛伦兹力可以精确地确定结构的位移,使用连续可变的电流可以获得连续可变的位移量。由于弹性力与结构的位移成正比,洛伦兹力与电流成正比,因此在磁场和结构确定的条件下,结构的位移与驱动电流成正比,可以利用电流对结构位移实现线性控制。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器,其是在磁场中利用电流产生的洛伦兹力实现双向弹性结构同时运动,其特征在于:所述MEMS执行器由两个并列的可动的弹性结构串联而成,电流分别从弹性结构的两个端口流进和流出,在两个弹性结构上通过的电流方向相反,所述的两个弹性结构的形状为直梁结构或折叠梁结构;使用的材料是硅或者金属。
2.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器,其特征在于:所述的两个串联弹性结构是制作在同一平面内,或制作在不同平面内;制作在不同平面内是使器件在相互合并时相互遮挡。
3.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器,其特征在于:所述磁场与弹性结构平面相互垂直,磁场通过永久磁铁或通电线圈提供。
4.如权利要求1所述的基于洛伦兹力的双向串联MEMS执行器的应用,其特征在于,执行器工作于磁场中,通过加载电流,在两个串联弹性结构上产生方向相反的洛伦兹力,执行双向弹性结构运动;通过控制电流的方向,两个弹性结构既可以实现相向运动,相互合并;也可以实现反向运动,相互分离。
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1486999A2 (en) * | 2003-06-10 | 2004-12-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Seesaw MEMS switch for radio frequency and its manufacturing method |
CN1729548A (zh) * | 2002-12-19 | 2006-02-01 | 西门子公司 | 电磁驱动器 |
CN101059557A (zh) * | 2007-05-22 | 2007-10-24 | 东南大学 | 微机电***磁场传感器及磁场测量方法 |
CN101092233A (zh) * | 2006-06-22 | 2007-12-26 | 三星电子株式会社 | 微机电***装置 |
CN101515026A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-26 | 东南大学 | 谐振式微机电***磁场传感器及测量方法 |
CN101544347A (zh) * | 2009-04-23 | 2009-09-30 | 上海交通大学 | 基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器 |
CN103472410A (zh) * | 2013-09-30 | 2013-12-25 | 东南大学 | 一种双扭摆式微机电磁场传感器 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3380898B2 (ja) * | 2000-05-26 | 2003-02-24 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | スライダ機構及びスライダ機構の駆動方法 |
-
2015
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1729548A (zh) * | 2002-12-19 | 2006-02-01 | 西门子公司 | 电磁驱动器 |
EP1486999A2 (en) * | 2003-06-10 | 2004-12-15 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Seesaw MEMS switch for radio frequency and its manufacturing method |
CN101092233A (zh) * | 2006-06-22 | 2007-12-26 | 三星电子株式会社 | 微机电***装置 |
CN101059557A (zh) * | 2007-05-22 | 2007-10-24 | 东南大学 | 微机电***磁场传感器及磁场测量方法 |
CN101515026A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-08-26 | 东南大学 | 谐振式微机电***磁场传感器及测量方法 |
CN101544347A (zh) * | 2009-04-23 | 2009-09-30 | 上海交通大学 | 基于电热电磁驱动的双向双稳态微驱动器 |
CN103472410A (zh) * | 2013-09-30 | 2013-12-25 | 东南大学 | 一种双扭摆式微机电磁场传感器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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