專利名稱：一種范德華力振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平面運(yùn)動(dòng)振蕩器，尤其是涉及一種基于范德華約束力的平面運(yùn)動(dòng) 振蕩器。
背景技術(shù)：
微加工振蕩器常用于運(yùn)動(dòng)感測(cè)，如直線加速、旋轉(zhuǎn)加速等，也用于無線通訊的機(jī)械 式濾波器。為了減少振蕩體與基底之間的摩擦力，得到高品質(zhì)因子的振蕩，原有的微加工振 蕩器需要單點(diǎn)或多點(diǎn)懸掛支撐，保持振蕩體與基底間隔一段距離。該類振蕩器在制作過程 或使用中，常因振蕩體與基底接觸，產(chǎn)生范德華吸附力而喪失應(yīng)有的功能。并且懸掛支撐也 會(huì)導(dǎo)致器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法有效縮小振蕩器件面積，不利于批量生產(chǎn)。因此，可以利用有邊 界的原子級(jí)光滑表面平面滑移時(shí)由邊界產(chǎn)生的范德華約束力，用于制造不需要有懸掛支撐 的、可以進(jìn)行滑動(dòng)的、尺寸小的振蕩器件。因此，本發(fā)明揭示了以原子級(jí)光滑表面平面滑移和范德華約束力為原理的振蕩器 件。

發(fā)明內(nèi)容
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出了一種范德華力平面振蕩器。該振蕩器利用具有原 子級(jí)光滑且平整表面間的范德華約束力傾向于增大兩個(gè)部件之間的接觸面面積以降低系 統(tǒng)的表面能的性質(zhì)，從而構(gòu)成具有平面運(yùn)動(dòng)約束的振蕩器件。本發(fā)明提供的范德華力振蕩器，包括相互貼合的兩個(gè)部件，其中，位于振蕩器上部 的部件的下表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面，位于振蕩器下部的部件的上表面具有原子 級(jí)光滑且平整的表面。所述兩個(gè)部件接觸而且可相互滑動(dòng)，在滑動(dòng)方向上存在至少一個(gè)接 觸面積的極大值。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，振蕩器可以位于一個(gè)基底之上。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí) 施例中，所述原子級(jí)光滑且平整表面的材料包括石墨、石墨烯、云母、氮化硼、鉍之一。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，所述兩個(gè)部件分別由兩層以上材料組成。在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，位于所述振蕩器上部的部件的下表面和所述振蕩器 下部的部件的上表面具有相同的表面形狀。在滑動(dòng)方向上設(shè)計(jì)不同形狀的接觸面積，可以得到所期望恢復(fù)力的平面振蕩器 件。通過本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)不需要有固定梁的平面滑移型運(yùn)動(dòng)振蕩器。這種振蕩器的優(yōu)點(diǎn) 是體積小、造價(jià)低、速度快，Q值高。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的范德華力振蕩器結(jié)構(gòu)圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的平面運(yùn)動(dòng)振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的矩形振蕩 的結(jié)構(gòu)圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的矩形加多邊形平移振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的圓形內(nèi)接矩形平移振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的同心圓平移振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的同心圓二階振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的同心圓轉(zhuǎn)動(dòng)振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的法線方向振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；圖10根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的上下部件形狀相同的線性/非線性振蕩器 的結(jié)構(gòu)圖；圖11是圖10所示的振蕩器的另一種結(jié)構(gòu)的平面俯視圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的帶有偏置力的上下部件形狀相同的線性 /非線性振蕩器的結(jié)構(gòu)圖；以及圖13是根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例的上下部件形狀相同的二維振蕩器的結(jié)構(gòu) 俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖更加詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的范德華力器件的具體實(shí)施例。參照?qǐng)D1，示出了一種典型的范德華力振蕩器，包括相互貼合的兩個(gè)部件1和1’ ； 其中，位于振蕩器上部的部件1的下表面具有原子級(jí)光滑且平整表面，位于振蕩器下部的 部件1，的上表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面。圖示中，部件1、1’的形狀可以是任意選定 的形狀，可以相同也可以不同，但在滑動(dòng)方向上存在接觸面積的極大值。如果存在一個(gè)接觸 面積的極大值，在滑動(dòng)方向上就存在一個(gè)振蕩平衡位置；如果存在多個(gè)接觸面積的極大值， 則滑動(dòng)方向上存在相同個(gè)數(shù)的振蕩平衡位置。圖1的實(shí)施例中當(dāng)兩個(gè)部件完全重合時(shí)接觸 面積最大。當(dāng)所述兩個(gè)部件接觸而且相對(duì)平移存在暴露表面時(shí)，則所述兩個(gè)部件的接觸表 面間具有范德華力約束力。如圖所示，當(dāng)部件1向右側(cè)跨越部件1’的邊緣時(shí)，部件1會(huì)受 到圖中的范德華約束力作用將其拉回到平衡位置。此時(shí)部件1的動(dòng)能使其越過平衡位置繼 續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而在平面內(nèi)往復(fù)振蕩。部件1、1’的接觸界面在滑動(dòng)時(shí)具有很小的摩擦，通過這 兩個(gè)部件構(gòu)成的振蕩器具有很高的品質(zhì)因子，即Q值(例如在石墨層間非共度接觸下其理 論預(yù)計(jì)9值> 10000)。通過形狀設(shè)計(jì)還可以獲得不同的回復(fù)力-位移關(guān)系進(jìn)而獲得不同 性質(zhì)的面內(nèi)振蕩器件。這種平面運(yùn)動(dòng)振蕩器的平衡位置可以是初始的部件1、1’的重合位 置，也可以是在部件1發(fā)生一定移動(dòng)后的新的局部平衡位置。這種新的平衡位置是由于范 德華力的約束形成的。以材料物性所決定的范德華力為例，假若重合接觸面積為A，范德華
JA
系數(shù)為C，移動(dòng)方向的位移為X，則部件1與1’之間的范德華約束力受力為F = -C^r。因而
αχ
可以由形狀設(shè)計(jì)產(chǎn)生單一或多重局部的接觸面積的極大值。這些極大值點(diǎn)就是上下兩個(gè)部 件滑動(dòng)層間范德華力相互作用的局部平衡點(diǎn)。上下部件偏離局部極點(diǎn)可提供迫使滑動(dòng)部件 回到平衡點(diǎn)的約束力，形成穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)，在此約束力的作用下，上下滑動(dòng)層可在局部平衡 點(diǎn)附近形成平移或旋轉(zhuǎn)，線性或非線性振蕩。該上下部件可以由兩層以上或多層材料組成， 如圖2所示，在圖2中分別標(biāo)注為1，2，，3…以及1，，2，，，3，…，其中1與1’層之間可以滑 動(dòng)。上下部件的層數(shù)可以對(duì)稱也可以不對(duì)稱。當(dāng)部件1’在基底上固定時(shí)，部件1便是整個(gè)
4器件中的運(yùn)動(dòng)部分。圖3所示是最簡(jiǎn)易的矩形一維振蕩器，其中圖3(a)所示為主視圖，圖3(b)所示為 俯視圖。如圖所示，部件1和部件1’均為矩形。對(duì)于振蕩器件，范德華約束力表現(xiàn)為滑塊 的回復(fù)行為，因此也稱其為回復(fù)力。該回復(fù)力F隨位移χ的關(guān)系是F = -C*L*sgn*(X)，具 體請(qǐng)參照文獻(xiàn) Self-Retracting Motion of Graphite Microflakes0 其中，C 是范德華作 用的系數(shù)，如果采用石墨，石墨層間范德華力的理論值為0.41N/m。L為矩形寬度。當(dāng)乂> O時(shí)，F(xiàn) < O將部件1拉回到平衡位置，即平衡點(diǎn)x = 0;當(dāng)x<0時(shí)，F(xiàn)>0也將其拉回到 平衡位置，即平衡點(diǎn)χ = O。該平衡位置就是部件1和部件1’重合的位置。圖4所示為矩形加多邊形平移振蕩器，其中圖4 (a)所示為主視圖，圖4(b)所示為 俯視圖。如圖所示，部件1為多邊形，部件1’為矩形。將部件1從初始重合位置推到圖示
位置下，當(dāng)|x| <U時(shí)，其回復(fù)力為其中，L為矩形寬度，u為圖4所示六邊形的
特征長(zhǎng)度，主要振蕩方向?yàn)棣址较?，平移距離為X，平衡點(diǎn)為χ = 0。進(jìn)而獲得在所期望平衡 位置附近的矩形加多邊形平移振蕩振蕩器。圖5所示的圓形內(nèi)接矩形平移振蕩器為二維簡(jiǎn)諧振蕩器，其中圖5(a)所示為主 視圖，圖5(b)所示為俯視圖。如圖所示，部件1為矩形，部件1’為圓形。Φ為圓的直徑。 假設(shè)振蕩方向?yàn)棣斗较颍揭凭嚯x為Δχ，平衡點(diǎn)為Δχ = 0。當(dāng)Δχ<< φ，且Δχ —0，
Ar
F = -Cy。如圖所示χ方向與y方向具有相同的本征振蕩，也可以調(diào)整矩形的四個(gè)頂角得
到不相同的本征振蕩或非線性振蕩。此外，矩形也可換為多邊形。圖6所示的同心圓平移振蕩器為二維簡(jiǎn)諧振蕩器，其中圖6(a)所示為主視圖，圖 6(b)所示為俯視圖。如圖所示，部件1和部件1’為大小不同的圓形。Φ為部件1’的同心 圓直徑，(Φ-u)為部件1的同心圓直徑。部件1’的同心圓有四個(gè)對(duì)稱的鏤空三角頂住，L 為三角底長(zhǎng)，u為三角的高。如驅(qū)動(dòng)振蕩方向?yàn)棣址较?，平移距離為Δχ，平衡點(diǎn)為ΔΧ = 0。
當(dāng)Δχ <U，且
權(quán)利要求
一種范德華力振蕩器，包括相互貼合的兩個(gè)部件，其中，位于振蕩器上部的部件的下表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面，位于振蕩器下部的部件的上表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面，所述兩個(gè)部件接觸而且可滑動(dòng)，在滑動(dòng)方向上存在至少一個(gè)接觸面積的極大值。
2.如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于，所述振蕩器位于一個(gè)基底之上。
3.如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于，所述原子級(jí)光滑且平整表面的材料包括 石墨、石墨烯、云母、氮化硼、鉍之一。
4.
5.如權(quán)利要求1或4所述的振蕩器，其特征在于，所述兩個(gè)部件分別由兩層以上材料組成。
6.如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于，位于所述振蕩器上部的部件的下表面和 所述振蕩器下部的部件的上表面具有相同的表面形狀。
7.如權(quán)利要求6所述的振蕩器，其特征在于，所述位于器件上部的部件的下表面和器 件下部的部件的上表面具有鏤空部分。
8.如權(quán)利要求7所述的振蕩器，其特征在于，所述位于器件上部的部件的下表面和器 件下部的部件的上表面的鏤空部分形狀相同。
9.如權(quán)利要求6所述的振蕩器，其特征在于，所述兩個(gè)部件的接觸表面形狀為矩形、方 形、圓形、橢圓形、多邊形中的一種。
10.如權(quán)利要求1所述的振蕩器，其特征在于，所述部件之一發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，兩個(gè)部件滑(JA動(dòng)層間的范德華約束力為F = -Cy，其中C為范德華系數(shù)，A為接觸面積，X為滑動(dòng)方向的αχ位移。全文摘要
本發(fā)明提供了一種范德華力振蕩器，包括相互貼合的兩個(gè)部件，其中，位于振蕩器上部的部件的下表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面，位于振蕩器下部的部件的上表面具有原子級(jí)光滑且平整的表面，所述兩個(gè)部件接觸而且可滑動(dòng)，在滑動(dòng)方向上存在至少一個(gè)接觸面積的極大值。當(dāng)所述兩個(gè)部件接觸而且存在暴露表面時(shí)，則所述兩個(gè)部件的接觸表面間具有范德華力約束力。在滑動(dòng)方向上設(shè)計(jì)不同形狀的接觸面積，可以得到所期望恢復(fù)力的平面振蕩器件。通過本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)不需要有固定梁的平面滑移型運(yùn)動(dòng)振蕩器。這種振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、造價(jià)低、速度快，Q值高。
文檔編號(hào)B81B3/00GK101973506SQ20101024198
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者任曉燕, 任曼瑞, 劉念華, 劉澤, 劉益?zhèn)? 姚學(xué)峰, 弗朗西斯·格雷, 楊佳瑞, 楊興, 江博, 程曜, 鄭泉水 申請(qǐng)人:清華大學(xué)