MEMS執(zhí)行器——微電機

1、微 電 機 機電工程與自動化學(xué)院MEMS執(zhí)行器執(zhí)行器 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機的概述微電機的分類介紹微電機的應(yīng)用微電機的研究和發(fā)展方向論文結(jié)構(gòu)論文結(jié)構(gòu) 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機概述微電機概述 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 執(zhí)行器根據(jù)信號處理，控制電路發(fā)出的指令自動完成人們所需要的各種功能?？梢酝ㄟ^靜電力、電磁力、壓電力、磁致伸縮、超聲波和形狀記憶合金膜片等驅(qū)動。. 微執(zhí)行器的核心部件是微電動機, 在微執(zhí)行器中占主導(dǎo)地位。根據(jù)其執(zhí)行原理不同分為不同類型，其各自的性能和應(yīng)用場合也各異。微電機概述微電機概述 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器各種執(zhí)行方式比較靜電執(zhí)行材料簡單需折中驅(qū)動力與位移大小執(zhí)行相應(yīng)速度快易受吸合效應(yīng)的限

2、制熱執(zhí)行能得到較大位移量功耗相對較大執(zhí)行相應(yīng)速度適中對環(huán)境溫度變化敏感壓電執(zhí)行響應(yīng)快速材料制備過程復(fù)雜可得到較大的位移量低頻工作時性能下降磁執(zhí)行可產(chǎn)生較大角度位移量制造工藝較為復(fù)雜可使用很強磁力作為偏置 片上螺線管制造較為復(fù)雜微電機概述微電機概述 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類微電機靜電型微電機電磁型微電機壓電微電機形狀記憶合金微電機磁致伸縮型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 當兩個導(dǎo)體施加電壓的時候，會產(chǎn)生靜電力。 靜電力的大小與尺寸的平方成反比。靜電力很少用于驅(qū)動宏觀機械，但是微型器件通常有較大的表面積體積比以及非常小的質(zhì)量，使得靜電力成為一種很有吸引力的微執(zhí)行驅(qū)動源。 靜電型微電機可分

3、為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。微電機分類微電機分類靜電型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類旋轉(zhuǎn)靜電微電機 對一組定子電極施加偏置電壓，則該組中任一給定電極與其緊鄰的轉(zhuǎn)子輪齒之間會產(chǎn)生面內(nèi)電場，并在它們之間產(chǎn)生靜電引力，從而使輪齒與定子對準，通過分組連續(xù)激勵定子電極，轉(zhuǎn)子可以實現(xiàn)持續(xù)的運動。靜電型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)靜電微電機的結(jié)構(gòu)微電機分類微電機分類靜電型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類靜電型微電機 靜電驅(qū)動薄膜直線電機 基于平行板電容器的基本結(jié)構(gòu)，平行板相對運動有兩種法向移動和切向移動，當固定其中的一個平板，另一塊用機械彈簧懸吊，在偏置電壓下，平板將產(chǎn)生位移。 微

4、機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 兩平行板間施加電壓,載荷會產(chǎn)生靜電力Fe 假設(shè)平板的平衡位置為x，x軸方向沿著間隙變大的方向，位移為x時，電極間的距離變?yōu)閐+x,在平衡位置的靜電力為 dCUUdAFe2222121222)()(21)(21UxdxCUxdAFe微電機分類微電機分類靜電型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 在位移x處，機械回復(fù)力與靜電力大小相等，對上述等式整理可得 兩個電容器極板之間的平衡距離可以通過求解上述關(guān)于x的二次方程得到。2)()(21UkxdxCkFekFmxmmm微電機分類微電機分類靜電型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類 優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單功耗低響應(yīng)快靜電型微電機 缺點驅(qū)動電壓大

5、輸出力矩小 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器電磁型微電機 電磁型超微電動機的研究始于20 世紀90 年代,根據(jù)電磁間互相作用產(chǎn)生的電磁力作驅(qū)動力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電磁型超微電動機基于傳統(tǒng)電磁理論設(shè)計,多采用無刷電機結(jié)構(gòu)。電磁微電機的結(jié)構(gòu)微電機分類微電機分類 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 根據(jù)磁執(zhí)行原理，利用磁場產(chǎn)生力、力矩或者微結(jié)構(gòu)的位移，驅(qū)動磁場作用在載流導(dǎo)線、電感線圈或者磁性材料。 微電機分類微電機分類電磁型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類電磁型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類電磁型微電機 優(yōu)點驅(qū)動力矩大驅(qū)動電壓低易于裝配 缺點結(jié)構(gòu)復(fù)雜與IC工藝兼容性差 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器壓電微電機 壓電

6、電動機按結(jié)構(gòu)可分為行波壓電電動機、駐波壓電電動機和復(fù)合壓電電動機; 按照電機激勵部分的材料可分為薄膜壓電電動機和陶瓷壓電電動機。 壓電電動機由于輸出轉(zhuǎn)矩大、無電磁干擾、響應(yīng)速度快、微小位移輸出穩(wěn)定等優(yōu)點, 可用于精密儀器、照相機、機器人及航空領(lǐng)域。如日本Canon公司將圓環(huán)式行波超聲波電動機用于鏡頭的驅(qū)動，微電機分類微電機分類 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 在壓電陶瓷片上施加電信號, 使之產(chǎn)生一定軌跡的機械振動, 激勵與其粘接在一起的定子彈性體的振動, 通過彈性體與轉(zhuǎn)子間的相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。微電機分類微電機分類壓電超聲波微電機的結(jié)構(gòu)壓電微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行

7、器微電機分類微電機分類壓電微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 優(yōu)點響應(yīng)速度快輸出轉(zhuǎn)矩高廉價質(zhì)輕 缺點材料制備復(fù)雜電機難以實現(xiàn)勻速壽命短微電機分類微電機分類壓電微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器形狀記憶合金微電機 執(zhí)行機構(gòu)比較簡單，有偏置式和推挽式兩種。按電機的運動形式，其基本結(jié)構(gòu)可分為直線位移型和旋轉(zhuǎn)位移型。微電機分類微電機分類直線位移型SMA電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器形狀記憶合金微電機微電機分類微電機分類旋轉(zhuǎn)位移型SMA電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 對偏置式而言，加熱SMA彈簧，相變發(fā)生，形狀回復(fù)力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動作。冷卻時，SMA發(fā)生逆相變，此時，SMA彈簧很軟，在拉伸彈簧的作用下，驅(qū)動器恢復(fù)到原來的位置。

8、如此反復(fù)，可使電機輸出位移 。 對推挽式而言，加熱一側(cè)SMA的同時，冷卻另一側(cè)的SMA，電機具有雙向做功的能力。一般來說，推挽式比偏置式的輸出功率太，能量轉(zhuǎn)換效率高。微電機分類微電機分類形狀記憶合金微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機的分類微電機的分類 優(yōu)點驅(qū)動電壓低結(jié)構(gòu)簡單電場干擾小無振動噪聲、無污染對人體無毒害作用 缺點記憶形狀具有一定不穩(wěn)定性材料特性的變化會改變驅(qū)動頻率連接元件易損耗形狀記憶合金微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器磁致伸縮型微電機 某些材料置于磁場中，其幾何尺寸會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)，這些材料則稱為磁致伸縮金屬。根據(jù)材料幾何尺寸變化形式的不同, 磁致伸縮效應(yīng)又可分為縱向效

9、應(yīng)、橫向效應(yīng)、握轉(zhuǎn)效應(yīng)和體積效應(yīng)。 磁致伸縮型電動機是利用磁致伸縮效應(yīng), 在磁場激勵源下，通過磁致伸縮型驅(qū)動器實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換?？煞譃橹本€型和旋轉(zhuǎn)型兩種。微電機分類微電機分類 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器磁致伸縮型微電機微電機分類微電機分類 主要由Terfenol-D驅(qū)動棒、起固定驅(qū)動棒作用的定子管和用來產(chǎn)生磁場的線圈三部分組成。磁致伸縮直線電機結(jié)構(gòu)圖 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 兩個相互垂直的超磁致伸縮棒A和B由驅(qū)動元件連接在一起，A和B上分別繞有線圈，線圈由正弦波形的電流驅(qū)動。其中A、B兩個棒的驅(qū)動線圈電流相位差為90。微電機分類微電機分類磁致伸縮摩擦電機原理圖磁致伸縮型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 主要由8個(

10、或8個以上)超磁致伸縮驅(qū)動器、柔輪和剛輪三部分組成。通過依次控制驅(qū)動器的伸縮位移，使柔輪產(chǎn)生流動的彈性變形。超磁致伸縮諧波電動機結(jié)構(gòu)原理圖微電機分類微電機分類磁致伸縮型微電機 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機分類微電機分類磁致伸縮型微電機 特點： 轉(zhuǎn)速低、步進驅(qū)動、調(diào)速范圍寬、慣量小、響應(yīng)快、運動平穩(wěn)、精度高、承載力大、效率高、控制性能好。 但是由于超磁致伸縮材料易受到電磁場的干擾，必須對超磁致伸縮材料作一定的屏蔽磁場措施。 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機的應(yīng)用微電機的應(yīng)用信息領(lǐng)域 微電動機與傳感器、數(shù)字電路集成在一個半導(dǎo)體芯片上用作開關(guān)組合部件。光纖產(chǎn)品、光學(xué)儀器，如光開關(guān)、各種視盤機及光刻機、激光設(shè)備及

11、激光刀等都需要精密微型電機驅(qū)動和超微電動機與光器件融合為一體的光機電系統(tǒng)。微電機的應(yīng)用 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器軍事領(lǐng)域 各種機器昆蟲、微機器人等將會在今后的反恐、救援、戰(zhàn)爭前線偵察、考古、司法取證、科學(xué)探索等方面大顯身手，而每一個微型探測器內(nèi)部都裝有大量的微電機以完成各種需要的動作。醫(yī)療領(lǐng)域 醫(yī)療領(lǐng)域是微機械技術(shù)應(yīng)用的最具代表性的領(lǐng)域。微創(chuàng)傷內(nèi)窺診療、精密顯微外科、體內(nèi)局部微量給藥都需要高度靈巧、高度柔順性的微電機。微電機的應(yīng)用微電機的應(yīng)用 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器人工心臟微電機的應(yīng)用微電機的應(yīng)用 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器微電機的應(yīng)用微電機的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域 微電機可用在帶攝像裝置進入衛(wèi)星、火箭或宇航飛機內(nèi)檢查故障的機器人上。在超微電機基礎(chǔ)上還可以發(fā)展慣性導(dǎo)航器件，如微陀螺。上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器國內(nèi)外微電機研究對比微電機研究和發(fā)展方向微電機研究和發(fā)展方向 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 目前微電機研究遇到的困難和發(fā)展趨勢 1.微機械性能評測技術(shù) 微電機建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計的正確性、有效性，需要微機械性能評測技術(shù)加以評價。 2.微摩擦與微支撐 電機發(fā)出的力很小，往往會被其自身的摩擦力消耗掉。極小的運動間隙需要嚴格的防塵技術(shù)。發(fā)熱和耐久性問題是值得關(guān)注的課題。微電機研究和發(fā)展方向微電機研究和發(fā)展方向 微機電系統(tǒng) 執(zhí)行器 3.降低功耗與低電壓驅(qū)動 微機器人的無纜化