一种大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器

本发明属于微电子机械技术领域，具体涉及一种大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器。

背景技术：

扭转活动极板是许多微机械执行器件的核心部分，这类器件一般采用硅材料制造。图1是现有扭转式平板微执行器原理图。无输入电压时，活动极板与固定极板平行，且它们的极板间距为g0。施加输入电压后，活动极板在静电力矩作用下发生扭转运动，器件的最大行程为g0。在输入电压作用下，这类器件必须具备相当大的阻尼，才能保证瞬态超调量较小，快速收敛到平衡位置。

microsystemdesign,kluweracademicpublishers,2001中公开了静电驱动力矩与极板间距g0的平方成反比。为了能用小的驱动电压产生较大的驱动力矩，活动极板和固定极板必须比较靠近。当活动极板向下运动时，间隙中的气体被压缩、被挤出；当活动极板向上运动时，间隙中的气体被扩张，间隙周围的气体则被吸进间隙。这个效应使得间隙内外产生了压力差。这个压力差有阻尼效应。这个阻尼效应就是挤压膜阻尼。compactanalyticalmodelingofsqueezefilmdampingwitharbitraryventingconditionsusingagreen’sfunctionapproach.sensactuatorsa70:32-41中公开了挤压膜阻尼与极板间距g0的三次方成反比。为了增大挤压膜阻尼，可以直接减小g0。但是，作为微执行器，必须具有较大的行程才有应用价值，即g0不能太小。所以，在g0不变的情况下如何增大挤压膜阻尼才是非常有意义的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器，具有大挤压膜阻尼，启动时瞬态超调量较小且收敛较快，停止时振幅衰减较快。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器，包括基座、上极板、下极板和两个支撑件，所述两个支撑件沿上极板的宽度方向布设在上极板的两侧；每个支撑子件包括固定支撑部和扭转支撑梁，固定支撑部与基座固定连接，扭转支撑梁的一端与固定支撑部连接，扭转支撑梁的另一端与上极板连接；所述上极板平行于基座，上极板能够绕两个扭转支撑梁构成的扭转轴线旋转；所述下极板固定在基座的上表面，下极板位于上极板的下方，下极板与上极板之间具有间隙；所述上极板的长宽比为4～8。

作为本发明实施例的进一步改进，所述两个扭转支撑梁分别与上极板的一条宽边的两端连接；所述上极板的长宽比为4。

作为本发明实施例的进一步改进，两个扭转支撑梁分别与上极板的两条长边的中点连接；所述上极板的长宽比为8。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：本发明实施例提供的大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器，上极板为活动电极，其长宽比为4～8，在保持一定板间间隙的条件下具有大挤压膜阻尼，使得执行器启动时，瞬态超调量较小，收敛较快，停止时振幅衰减也较快，可避免发生碰撞，保持执行器具有较小尺寸。

附图说明

图1是现有对称扭转式微执行器的结构示意图，其中，图1(a)是现有对称扭转式微执行器的主视图，图1(b)是现有对称扭转式微执行器的俯视图；

图2是本发明实施例的单边非对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的结构示意图，其中，图2(a)是单边非对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的主视图，图2(b)是单边非对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的俯视图；

图3是本发明实施例的对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的结构示意图，其中，图3(a)是对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的主视图，图3(b)是对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器的俯视图。

图中有：基座1、上极板2、下极板3、固定支撑部41、扭转支撑梁42。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更清楚、完整地描述。

本发明实施例提供一种大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器，包括基座1、上极板2、下极板3和两个支撑件，两个支撑件沿上极板2的宽度方向(图2和图3中的y轴方向)布设在上极板2的两侧。每个支撑子件包括固定支撑部41和扭转支撑梁42，固定支撑部41与基座1固定连接，扭转支撑梁42的一端与固定支撑部41连接，扭转支撑梁42的另一端与上极板2连接。上极板2平行于基座1，两个扭转支撑梁位于同一直线上，上极板2能够绕两个扭转支撑梁构成的扭转轴线旋转。下极板3固定在基座1的上表面，下极板3位于上极板2的下方，下极板3与上极板2之间具有间隙。上极板2的长宽比为4～8。其中，上极板2为刚性矩形平板，两个扭转支撑梁42的扭转刚度相同。

上述实施例的扭转式微机械执行器，上极板2为活动电极，下极板3为固定电极，驱动电压施加在上极板2和下极板3之间，扭转支撑梁42在静电力矩作用下发生弹性扭转变形，带动上极板2绕扭转轴线(图2和图3中的z轴方向上)产生扭转位移。

微机械执行器在阶跃输入电压驱动下，上极板产生了扭转变形。这种变形包含瞬态变形和稳态变形，其中，瞬态变形是没有用的。瞬态变形将在阻尼力的作用下逐渐减小，最后衰减为零。当阶跃输入停止时，上极板将退回到原来的位置。此时，相当于稳态变形为零，但瞬态变形依然存在。当器件阻尼过小时，则瞬态振动幅度较大。为了避免上极板与周围其它部分碰撞，上极板与周围的间隙必须较大，使得器件总体尺寸、质量都较大。

本实施例的扭转式微机械执行器，上极板2的长宽比为4～8，在保持一定板间间隙的条件下具有大挤压膜阻尼，使得执行器启动时，瞬态超调量较小，收敛较快，停止时振幅衰减也较快，可避免发生碰撞，保持执行器具有较小尺寸。

优选的，如图2所示，两个扭转支撑梁42分别与上极板2的一条宽边的两端连接。上极板2的长宽比为4。

本实施例的微机械执行器为单边非对称扭转式微机械执行器，扭转轴线为上极板的宽边(图2中y轴)。

按挤压膜阻尼的理论，忽略气体压缩效应，其扭转振动挤压膜阻尼系数为：

式中，lx表示上极板的长度，ly表示上极板的宽度，g0表示极板间距，μ表示气体粘度系数。

式(1)中级数第一项也是绝对大的。只取第一项，即m＝n＝1。因为静电驱动力、电容也与极板面积成正比，改变面积还直接影响驱动力和电容的大下，所以将在不改变矩形极板面积的情况下，讨论lx、ly与阻尼系数cdamping的关系。则式(1)转变为：

式中，a＝lxly表示上极板面积，表示上极板的长宽比。显然，上极板的长宽比越大，也越小，cdamping就越大。当时，cdamping也有最大值。

然而，考虑到上极板的长宽比过大会导致器件单向尺寸过大，出现畸形结构。本发明实施例中上极板的长宽比为4，即此时，挤压膜阻尼非常接近最大值，本发明实施例的单边非对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器具有大挤压膜阻尼。

优选的，如图3所示，两个扭转支撑梁42分别与上极板2的两条长边的中点连接。上极板2的长宽比为8。

本实施例的微机械执行器为对称扭转式微机械执行器，扭转轴线为上极板2的中心线(图3中y轴)。

按挤压膜阻尼的理论，可以忽略气体压缩效应，其扭转振动挤压膜阻尼系数为：

式中，lx表示上极板的长度，ly表示上极板的宽度，g0表示极板间距，μ表示气体粘度系数。

式(1)中级数第一项也是绝对大的。只取第一项，即m＝2和n＝1。因为静电驱动力、电容也与极板面积成正比，改变面积还直接影响驱动力和电容的大下，所以将在不改变矩形极板面积的情况下，讨论lx、ly与阻尼系数cdamping的关系。则式(1)转变为：

式中，a＝lxly表示上极板面积，表示上极板的长宽比。显然，上极板的长宽比越大，就越小，cdamping就越大。当长宽比β无穷大时，cdamping有最大值。

然而，考虑到上极板的长宽比过大会导致器件单向尺寸过大，出现畸形结构。本发明实施例中上极板的长宽比为8，即此时，挤压膜阻尼非常接近最大值，本发明实施例的对称大挤压膜阻尼扭转式微机械执行器具有大挤压膜阻尼。

下面提供两个具体实例来验证本发明实施例微机械执行器具有大挤压膜阻尼。

实例1

扭转式微机械执行器为对称结构：上极板的面积a＝800μm²，长lx＝80μm，宽

ly＝10μm。

得到微机械执行器的膜阻尼系数为：

对比例1

扭转式微机械执行器为对称结构：上极板的长和宽相等，lx＝ly＝28.28μm。

得到微机械执行器的膜阻尼系数为：

实例1与对比例1相比，实例1的膜阻尼系数是对比例1的5倍。

实例2

扭转式微机械执行器为单边非对称结构：上极板的面积a＝800μm²，长lx＝56.56μm，宽ly＝14.14μm。

得到微机械执行器的膜阻尼系数为：

对比例2

扭转式微机械执行器为对称结构：上极板的长和宽相等，lx＝ly＝28.28μm。

得到微机械执行器的膜阻尼系数为：

实例2与对比例2相比，实例2的膜阻尼系数是对比例2的2倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。