2018年第37卷第1期设计与制造。
传感器与微系统（Transducer andMicrosystemTechnologies）
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DOI:10.13873/J.10009787(2018)01009105
毫米级静电微扑翼驱动器的结构设计、工艺与测试
杨艺，车云龙
（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一一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（冀展9mm，重量3mg）以91Hz的频率实现了土40°的拍动和土25°的扭转运动，输出1.5m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)01-0091-05
Structure design, fabrication and testing of millimeter-scale
electrostatic micro flapping-wing actuator *
YANG Yi', CHE Yun-long
(1. School of Energy and Power Engineering,Beihang University,Beijing 100191, China; 2. Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190, China
Abstract: Insect-inspired flapping-wing micro air vehicles (FMAV) are small in size and with high maneuver Aiming at problems of structure characteristic and research difficulties of micro actuator, core power device of FMAV, a millimeter-scale electrostatic micro flapping-wing actuator based on electrostatic-actuated principle is designed. Moreover, a series of fabrication and testing methods are also developed. The result of testing shows that the 9mm in wing span and 3mg in weight stroke frequency of actuator is 91 Hz, flapping angle is ±40°, rotating angle is ±25°and lift force is 1. 5mg. Lift-to-weight ratio is highly increased compared to previous results. These achievements lead to a new way to realize liftoff of FMAV and lay the foundation for theory and experiment.
Keywords: micro air vehicle(MAV) ; micro-electro-mechanical systems (MEMS); micro actuator; electrostatic actuaton
0引言
仿昆虫微型扑翼飞行器（1）（insect-inspired flapping-wing micro airvehicles,FMAV）研究的主要难点在于设计并加工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-mechanical system，MEMS）领域的静电梳齿、静电振荡器等结构中得到了广泛应用*.9。然而，早期的静电微扑翼驱动器均采用交流电压输人，且基于受迫振动原理"」。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，克服广上述不定，为仿昆虫微型飞行器的动力研制提供了新的思路。自前，采用该原理驱动的厘米(cm)级微扑冀驱动器的双翅构型（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冀驱动器单翅验证性构型；引入了一种采用激光切割