毫米级静电微扑翼驱动器的结构设计、工艺与测试
２０１８年第３７卷第１期
传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）檸檸檸檸檸檸
檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠设计与制造ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００—９７８７（２０１８）０１—００９１—０５毫米级静电微扑翼驱动器的结构设计、工艺与测试*杨 艺１，车云龙２（１．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京１００１９１；２．中国科学院电工研究所，北京１００１９０）摘 要：针对仿昆虫扑翼飞行器核心动力装置——微驱动器的结构特点和研究难点，设计了一种基于静电驱动原理的毫米（ｍｍ）级微扑翼驱动器，并针对各个部件研究了整套加工工艺与测试方法。运动优化与升力测试结果表明：微扑翼驱动器（翼展９ｍｍ，重量３ｍｇ）以９１Ｈｚ的频率实现了±４０°的拍动和±２５°的扭转运动，输出１．５ｍｇ的升力，升重较以往静电微扑翼驱动器有大幅提升。研究成果为实现仿昆虫微型飞行器的自主飞行提供了新的方向，并奠定了理论与试验基础。关键词：微型飞行器；微机电系统；微驱动器；静电驱动中图分类号：Ｖ２７９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—９７８７（２０１８）０１—００９１—０５Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ-ｓｃａｌｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｉｃｒｏｆｌａｐｐｉｎｇ-ｗｉｎｇａｃｔｕａｔｏｒ*ＹＡＮＧＹｉ１，ＣＨＥＹｕｎ-ｌｏｎｇ２（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｓｅｃｔ-ｉｎｓｐｉｒｅｄｆｌａｐｐｉｎｇ-ｗｉｎｇｍｉｃｒｏａｉｒｖｅｈｉｃｌｅｓ（ＦＭＡＶ）ａｒｅｓｍａｌｌｉｎｓｉｚｅａｎｄｗｉｔｈｈｉｇｈｍａｎｅｕｖｅｒ．Ａｉｍｉｎｇａｔｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ，ｃｏｒｅｐｏｗｅｒｄｅｖｉｃｅｏｆＦＭＡＶ，ａｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ-ｓｃａｌｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｍｉｃｒｏｆｌａｐｐｉｎｇ-ｗｉｎｇａｃｔｕａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ-ａｃｔｕａｔｅｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ａｓｅｒｉｅｓｏｆｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅａｌｓｏｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｓｔｉｎｇｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅ９ｍｍｉｎｗｉｎｇｓｐａｎａｎｄ３ｍｇｉｎｗｅｉｇｈｔｓｔｒｏｋｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆａｃｔｕａｔｏｒｉｓ９１Ｈｚ，ｆｌａｐｐｉｎｇａｎｇｌｅｉｓ±４０°，ｒｏｔａｔｉｎｇａｎｇｌｅｉｓ±２５°ａｎｄｌｉｆｔｆｏｒｃｅｉｓ１．５ｍｇ．Ｌｉｆｔ-ｔｏ-ｗｅｉｇｈｔｒａｔｉｏｉｓｈｉｇｈｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｐｒｅｖｉｏｕｓｒｅｓｕｌｔｓ．ＴｈｅｓｅａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｌｅａｄｔｏａｎｅｗｗａｙｔｏｒｅａｌｉｚｅｌｉｆｔｏｆｆｏｆＦＭＡＶａｎｄｌａｙｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏａｉｒｖｅｈｉｃｌｅ（ＭＡＶ）；ｍｉｃｒｏ-ｅｌｅｃｔｒｏ-ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）；ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｃｔｕａｔｏｒ０ 引 言仿昆虫微型扑翼飞行器［１］（ｉｎｓｅｃｔ-ｉｎｓｐｉｒｅｄｆｌａｐｐｉｎｇ-ｗｉｎｇｍｉｃｒｏａｉｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＦＭＡＶ）研究的主要难点在于设计并加工一种在微尺度下适用且高效的动力装置，即微扑翼驱动器。目前，针对微扑翼驱动器的研究多采用静电［２，３］、电磁［４，５］以及压电［６，７］驱动原理。其中，静电驱动原理已经在微机
电系统（ｍｉｃｒｏ-ｅｌｅｃｔｒｏ-ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）领域的静电梳齿、静电振荡器等结构中得到了广泛应用［８，９］。然而，早期的静电微扑翼驱动器均采用交流电压输入，且基于受迫振动原理［３］。且该原理由于存在着输出位移小、交流电路无法微型化的缺陷，以及吸合短路失效的危险，一直未得到成功应用。２０１５年，文献［２］提出了一种基于自激收稿日期：２０１７—０１—１８*基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１６０２０１０）振动原理的新型静电微扑翼驱动器，克服了上述不足，为仿昆虫微型飞行器的动力研制提供了新的思路。目前，采用该原理驱动的厘米（ｃｍ）级微扑翼驱动器的双翅构型（翼展５ｃｍ），已经完成升力验证，产生了相当于３．１ｍｇ质量的升力，但整机质量达到了３３０ｍｇ，升重比仅有０．００９４，离整机飞行仍有较大差距。为实现上述装置的整机飞行，本文提出了２个需要改进的方面：１）将装置的尺寸继续缩小，研究ｃｍ级驱动器，因为驱动力（静电力）属于表面力，因此，静电驱动在小尺寸、大表面积／体积比上更具有优势；２）改进各部件的加工工艺，在保证性能的前提下尽量降低整机质量。由此，本文提出了一种采用自激振动、静电驱动原理的微扑翼驱动器单翅验证性构型；引入了一种采用激光切割１９万方数据