微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)

1、微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)1.概述 定義與內(nèi)涵20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。已在工業(yè)、醫(yī)療等方面獲得了很多應(yīng)用。微機(jī)械必將對(duì)固有產(chǎn)業(yè)和技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，但是，由于微機(jī)械是才有十幾年歷史的邊緣學(xué)科，在目前還有著諸多的科學(xué)難題有待于解決。 微機(jī)械的含義十分廣泛，至今還沒有一個(gè)權(quán)威性的定義。在微型機(jī)械的尺寸范圍內(nèi)，依其特征尺寸，可以劃分成三個(gè)等級(jí)：110mm的是小型機(jī)械，1m1mm的是微型機(jī)械，1nm1m的是納米機(jī)械或分子機(jī)械。但廣義的微機(jī)械是包含上述三個(gè)等級(jí)的微小機(jī)械。 2微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)定義與內(nèi)涵微機(jī)電系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，它是將微機(jī)械、信息輸入的微型傳感器、控制器、模擬或數(shù)字信號(hào)處理器、

2、輸出信號(hào)接口、致動(dòng)器(驅(qū)動(dòng)器)、電源等都微型化并集成在一起，成為一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部可分成幾個(gè)獨(dú)立的功能單元，同時(shí)又集成為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。圖1微機(jī)電系統(tǒng)的組成框圖 3微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)定義與內(nèi)涵集成的微機(jī)電系統(tǒng)在日本仍習(xí)慣稱其為微型機(jī)械，美國(guó)則稱其為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，歐洲則稱其為微系統(tǒng)。這些微型系統(tǒng)雖然被稱為微機(jī)電系統(tǒng)，可是它的含義決不只是機(jī)械和電器件的集成，需要時(shí)可以包括聲、光、化學(xué)和其他物理量的微型傳感器和器件，還可以包括光學(xué)系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。 MEMS可以在許多領(lǐng)域和部門得到應(yīng)用，如醫(yī)療和外科手術(shù)設(shè)備、航空航天工業(yè)、科學(xué)儀器、通訊設(shè)備儀器、傳感器工業(yè)、日用產(chǎn)品和國(guó)防等。4微

3、機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)2.微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ) 作為微型機(jī)械，當(dāng)尺寸縮小到一定范圍時(shí)，許多物理現(xiàn)象將與宏觀世界有很大差別，許多宏觀狀態(tài)下的物理量和機(jī)械量都發(fā)生了變化，在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)出特有的規(guī)律，由此決定了微機(jī)械具有自身特有的理論基礎(chǔ)。這時(shí)，一些常規(guī)理論必須加以修正。5微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)物理參量的微尺寸效應(yīng) 物體的大小一般用特征尺寸L來表征，特征尺寸L是指該物體正好可包含在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方體內(nèi)。器件特征尺寸L的變小，在進(jìn)入微小尺寸領(lǐng)域后，對(duì)各種物理特征變化的影響程度是各不相同的。例如表面力、彈性力和粘性力與L2成比例，體積和質(zhì)量與L3成比例。由于表面積與體積之比變大，表面效應(yīng)突出，因此，表面效

4、應(yīng)（如靜電力和表面凝聚力）將代替體積效應(yīng)（質(zhì)量）而占支配作用。傳統(tǒng)機(jī)械做功往往是體積力起主導(dǎo)作用，運(yùn)動(dòng)要克服的主要是重力、慣性力等，而在微機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，常常是表面力起主導(dǎo)作用。一般來說，當(dāng)L1mm時(shí)，體積力起主導(dǎo)作用，這時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力為FL3。而當(dāng)L1mm時(shí)，表面力將起主導(dǎo)作用，這時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力為FL2。 6微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)械中的常用材料 按其性質(zhì)可分為結(jié)構(gòu)材料、功能材料和智能材料。結(jié)構(gòu)材料。是指具有一定機(jī)械強(qiáng)度，用于構(gòu)造機(jī)械器件基本結(jié)構(gòu)的材料。結(jié)構(gòu)材料可以是單一材料，也可以是材料組合體。功能材料。是指壓電材料、光敏材料、形狀記憶材料、磁性材料等具有特定功能的材料。可以是單一材料，也可以是

5、復(fù)合材料。智能材料。一般具有傳感、致動(dòng)和控制等方面的基本功能，能模仿人類或生物的基本特定行為，能對(duì)外界信息具有反應(yīng)，對(duì)信息激勵(lì)有自適應(yīng)的能力。常用的智能材料有形狀記憶合金、電致伸縮材料、導(dǎo)電聚合材料、電流變和磁流變材料、儲(chǔ)氫材料等。多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微機(jī)械中用得很多的硅晶體，因它有較好的強(qiáng)度和力學(xué)性能，是一種較好的結(jié)構(gòu)材料；它又同時(shí)具有良好的多種傳感性能，如光電效應(yīng)、光電子效應(yīng)、熱阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等，因此又是一種很好的功能材料。7微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ) 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)包含多項(xiàng)功能、多種器件和多項(xiàng)技術(shù)。如圖1所示。MEMS涉及的基本技術(shù)面極廣

6、，主要有下面幾方面：MEMS的設(shè)計(jì)技術(shù)。包括微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)、有限元分析、CAD/CAM、仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等。MEMS的微細(xì)加工技術(shù)。包括IC加工技術(shù)、LIGA技術(shù)、微細(xì)特種加工和裝配技術(shù)。微型機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)的材料。微型構(gòu)件和部件、微型傳感器和微型執(zhí)行器等。微機(jī)構(gòu)和微機(jī)電系統(tǒng)的檢測(cè)。如強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力、應(yīng)變等。微機(jī)電系統(tǒng)的組裝與集成。包括系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、微型機(jī)械、微型傳感器、執(zhí)行器和控制器的組裝與集成、能源供應(yīng)、接口與通訊等。8微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3 微傳感器 微傳感器是微機(jī)電系統(tǒng)中最重要的功能部件之一，也是當(dāng)前MEMS功能部件中發(fā)展最快、商業(yè)化最早的部件。微傳感器因其體積小、質(zhì)量輕、功

7、耗小、成本低、使用靈活、動(dòng)態(tài)性能好、品質(zhì)和可靠性不降低，而受到使用者的歡迎，特別是在狹窄空間和要求質(zhì)量輕的場(chǎng)合。微傳感器體積小，又由于微加工和能集成的特點(diǎn)，因此微傳感器已實(shí)現(xiàn)陣列化。由于被測(cè)量種類繁多，傳感器的分類方法也有許多種，主要有：(1)按傳感器工作所依據(jù)的轉(zhuǎn)換原理可分為：物理、化學(xué)、生物傳感器等。(2)按傳感器測(cè)量的量的性質(zhì)可分為：壓力、加速度、氣體濃度、離子濃度等。(3)按傳感器的制備技術(shù)和材料可分為：薄膜、半導(dǎo)體、陶瓷等。(4)按傳感器的應(yīng)用可分為：汽車、醫(yī)學(xué)、航天等。9微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1 機(jī)械量微傳感器 機(jī)械微傳感器是將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一類傳感器，它的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛

8、，它所檢測(cè)的機(jī)械參量也非常多，如位置、位移、速度、加速度、力、力矩、應(yīng)力、壓力(壓強(qiáng))、應(yīng)變、剛度等。10微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.1 位移微傳感器 位移傳感器就是測(cè)量位移量，檢測(cè)位置的一類傳感器。根據(jù)傳感原理，位移傳感器可分為接觸式和非接觸式兩類。 接觸傳感方式要求將傳導(dǎo)桿與被測(cè)體固定在一起，然后將傳導(dǎo)桿的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。傳統(tǒng)的接觸式傳感器有電阻式、電容式、電感式、電磁式和光學(xué)式等。 反之，非接觸式傳感器不需要傳導(dǎo)桿而直接檢測(cè)目標(biāo)物的位移。通常非接觸式傳感器利用電容、電感或磁性技術(shù)，也可采用激光、遠(yuǎn)紅外光束、微波束或超聲波進(jìn)行測(cè)距。電阻、電容和電感式位移微傳感器檢測(cè)位移幅度在0.110

9、mm范圍的物體，它們的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致輸出電阻、電容或電感的變化。光學(xué)位移微傳感器的檢測(cè)一般利用光路的截?cái)?、光路的反射、光束的散射來測(cè)量位移或距離。超聲波位移微傳感器是利用超聲波的回聲定位原理來測(cè)量位移或位置的。有以下優(yōu)點(diǎn)：屬于非接觸式的，可以檢測(cè)導(dǎo)體、絕緣體、鐵電體和非鐵電體；對(duì)較臟的測(cè)試環(huán)境不敏感。在商用中屬于成本較低的類型。 11微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.2 速度和流速微傳感器 物體運(yùn)動(dòng)的速度可由其位移對(duì)時(shí)間的微分求得。流體的速度可由其流量求得。因此，測(cè)流速的問題可以通過測(cè)流量來解決。圖2為一尺寸600600各向異性刻蝕的共振微橋式流量微傳感器。這種微傳感器利用微橋共振頻率的變化來檢測(cè)流量，這種

10、檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)快和重復(fù)性好。圖2各向異性刻蝕的共振微橋式流量微傳感器12微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.3 加速度微傳感器 加速度傳感器或加速度計(jì)用來測(cè)量加速度、振動(dòng)或機(jī)械沖擊。雖然物體的加速度可以通過位移傳感器或速度傳感器獲得，但是通常大多數(shù)加速度計(jì)的傳感方法卻是采用質(zhì)量快-彈簧-阻尼系統(tǒng)。圖3所示為懸臂梁式硅微加速度計(jì)示意圖。用4個(gè)等值電阻連成電橋電路，電阻是在硅梁上制成，和硅梁一體化，可根據(jù)所測(cè)加速度和振動(dòng)頻率的要求，來設(shè)計(jì)該加速度傳感器的剛度和自振頻率。當(dāng)加速度作用在加速度計(jì)上時(shí)，基座產(chǎn)生加速度，質(zhì)量塊由于慣性力而使硅梁產(chǎn)生彎曲，硅梁上電阻的阻值變化，使電橋有電信號(hào)輸出。輸出

11、的電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可獲得被測(cè)的加速度。圖3懸臂梁式硅微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 13微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.3 加速度微傳感器 圖4是懸臂梁式電容微加速度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)。基板采用Si晶片或玻璃制成，上面電鍍Ni、Cr或Au導(dǎo)電層，上面用微細(xì)加工技術(shù)制成Si的懸臂梁、質(zhì)量塊和固定電極間形成差動(dòng)電容器。懸臂粱和質(zhì)量塊的高度約為300m。在垂直于懸臂梁平面的方向有加速度時(shí)，梁便彎曲擺動(dòng)，引起電容的變化。 圖4懸臂梁式電容加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 14微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.4 力、壓力和應(yīng)變微傳感器 圖5是一種典型的電阻應(yīng)變式微壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，它由外殼、單晶硅膜片、四個(gè)阻值相同的電阻、引線等組成。這四

12、個(gè)相同阻值的電阻(R1、R2、R3、R4)，是在單晶硅膜片上用IC工藝制成并與硅膜片一體化的電阻敏感元件。四個(gè)電阻導(dǎo)線連成電橋，膜片四周用硅圓環(huán)固定。膜片兩側(cè)有兩個(gè)壓力腔，一個(gè)是與被測(cè)壓力系統(tǒng)連接的高壓腔，另一個(gè)是與大氣相通的低壓腔。當(dāng)膜片兩側(cè)存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片產(chǎn)生的變形量與壓力差值成正比，且使電阻阻值變化，使電橋失去平衡而輸出相應(yīng)的電壓。根據(jù)輸出的電壓，可以測(cè)出膜片兩側(cè)的壓力差值。圖5電阻應(yīng)變式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 15微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.1.4 力、壓力和應(yīng)變微傳感器 圖6所示為典型的圓形薄膜式平行極板的電容式微壓力傳感器。有時(shí)也將平行硅薄膜極板制成方形。在壓力差P作用下

13、，可變形的硅膜片極板產(chǎn)生撓曲變形，改變兩極板間的電容C，通過檢測(cè)電路檢測(cè)電容變化值，獲得電壓或其他輸出電信號(hào)，從而測(cè)出壓力差值。至于應(yīng)變的測(cè)量，常用大家所熟悉的電阻應(yīng)變片測(cè)量。 圖6圓形薄膜平行極板電容式壓力傳感器工作原理圖 16微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)熱微傳感器 溫度是我們?cè)诳茖W(xué)研究、生產(chǎn)乃至日常生活中最經(jīng)常測(cè)量的物理量之一。理論上說，任何介質(zhì)，只要它的某項(xiàng)物理量隨溫度變化，就可以利用這一特性設(shè)計(jì)制造溫度計(jì)。從20世紀(jì)60年代開始，由于紅外技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用各種新型光敏或熱敏檢測(cè)元件的輻射溫度計(jì)(包括紅外輻射溫度計(jì))，從而擴(kuò)大了它的應(yīng)用領(lǐng)域。一般的溫度測(cè)量?jī)x表都有檢測(cè)和顯示兩個(gè)部分。

14、在簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量?jī)x表中，這兩部分是連成一體的，如水銀溫度計(jì)；在較復(fù)雜的儀表中則分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，中間用導(dǎo)線連接，如熱電偶或熱電阻是檢測(cè)部分，而與之相配的指示和記錄儀表是顯示部分。 17微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)熱微傳感器 熱-機(jī)械能量轉(zhuǎn)換是家用電器及自動(dòng)控溫裝置的基本工作原理之一。熱機(jī)械傳感器是利用材料的熱脹冷縮原理，即材料的尺寸隨溫度的變化而變化制成的傳感器?；镜膽?yīng)用是雙金屬溫度開關(guān)。其基本的工作原理如圖7所示。 圖7雙金屬溫度開關(guān)的基本工作原理 其他的熱微傳感器還有很多種類，如熱敏電阻類，有金屬熱敏電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻；熱二極管類；熱晶體管類；熱電偶類、光纖類熱傳感器。 18微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)

15、3.3 光微傳感器 這里主要介紹基于MEMS技術(shù)的光微傳感器。光學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍十分寬廣，在光纖通信、激光雷達(dá)、紅外探測(cè)等光電系統(tǒng)中，光探測(cè)器是必不可少的器件。目前，激光二極管、光電二極管和光電晶體管、電荷耦合(CCD，最近是CMOS)成像器件等都有大量的市場(chǎng)需求。根據(jù)信號(hào)在傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程不同，可以將光學(xué)傳感器分為直接轉(zhuǎn)換型和間接型兩大類。直接轉(zhuǎn)換型傳感器由光子的作用直接產(chǎn)生電信號(hào)(沒有任何中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，例如由光轉(zhuǎn)換為熱然后測(cè)量溫度)。19微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.3 光微傳感器 光敏電阻傳感器是基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的。當(dāng)光照射半導(dǎo)體材料時(shí)，由于材料吸收外來光的能量而使其內(nèi)部載流子濃度增大，

16、從而增大半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，表現(xiàn)為材料電阻的變化，通過檢測(cè)該變化量，即可測(cè)出入射光強(qiáng)度，如圖8所示。 圖8光敏電阻微傳感器的工作原理 20微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.3 光微傳感器 光電二極管和光電三極管是典型的光伏效應(yīng)傳感器，它們都是結(jié)型器件，有PN結(jié)，其中產(chǎn)生光生載流子，就像光敏電阻那樣。光電二極管的靈敏度更高、響應(yīng)時(shí)間更短、尺寸更小、穩(wěn)定性更好、線性度更優(yōu)。如圖9所示，當(dāng)光電二極管受到外來光照射時(shí)，P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的光生電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)的作用下發(fā)生移動(dòng)，光生電子移向N區(qū)，光生空穴移向P區(qū)，從而形成光生電流，其大小隨入射光強(qiáng)度而變化。圖8光敏電阻微傳感器的工作原理 間接型

17、光學(xué)傳感器主要有測(cè)輻射熱計(jì)，其種類很多，這里不一一介紹。 21微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)化學(xué)和電化學(xué)微傳感器 能夠?qū)⒒瘜W(xué)物質(zhì)的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器稱為化學(xué)傳感器，化學(xué)物質(zhì)可以是氣體、液體或固體。例如可探測(cè)空氣中氫氣含量的氣體傳感器，可探測(cè)空氣中水汽含量的濕度傳感器，以及探測(cè)水中離子濃度的傳感器?；瘜W(xué)傳感器也可以探測(cè)更加復(fù)雜的分子，如液體中的糖或蛋白質(zhì)?？商綔y(cè)生物的化學(xué)傳感器也稱作生物傳感器或生物化學(xué)傳感器?；瘜W(xué)/電化學(xué)微傳感器，其原理是利用特殊傳感器材料對(duì)被測(cè)材料的某種化學(xué)成分分子或離子特別敏感，致使傳感器材料某些性能改變(如導(dǎo)電性、電壓、電荷、諧振頻率等的改變)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。傳感器的敏感材料

18、可以有多種不同形式結(jié)構(gòu)，最常用的是涂層或鍍層薄膜，著名的化學(xué)傳感器ISFET是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 22微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)化學(xué)和電化學(xué)微傳感器 圖10所示是一種諧振式多氣體微傳感器，是利用石英諧振器來分析氣體，該傳感器有多個(gè)諧振器，每個(gè)石英諧振器上都覆蓋了一層用于吸收專門氣體的選擇層，其中一個(gè)作為參考頻率，其余幾個(gè)是吸收不同專門氣體的選擇性諧振器。如吸收到某種專門氣體，該選樣性諧振器隨所吸收氣體中含有物質(zhì)量而使諧振頻率變化，使諧振頻率和標(biāo)準(zhǔn)參考頻率產(chǎn)生差別，從而測(cè)出該專門氣體的存在。 圖10諧振式多氣體微傳感器圖 23微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)化學(xué)和電化學(xué)微傳感器 圖11所示是用來分析氣體的化學(xué)傳感器陣

19、列(稱為電鼻子)，可解決未知?dú)怏w的識(shí)別問題。這種電鼻子是在10mm10mm的氧化硅基板上集成40個(gè)不同的化學(xué)微傳感器-微化學(xué)傳感器陣列。由于這些微化學(xué)傳感器上敏感元件的金屬氧化物涂層的差異，使它對(duì)不同氣體具有不同的靈敏度。將被分析氣體接觸時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)樣本與事先儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)樣本用特殊編制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序比較，即可識(shí)別采得的信號(hào)樣本的氣體成分。這種“電鼻子”巳用于確定葡萄的成熱程度，效果良好。 圖11探測(cè)氣體的化學(xué)微傳感器陣列-電鼻子 24微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)化學(xué)和電化學(xué)微傳感器 電化學(xué)傳感器一般是通過在液體中感應(yīng)特種離子而工作的。電化學(xué)傳感器可以與檢測(cè)流量，粘性和密度的傳感器集成在一起而形成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。

20、化學(xué)和電化學(xué)微傳感器因體積小，便于將多個(gè)傳感器集成在一起實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的檢測(cè)。除了上面介紹的微傳感器外，還有光線微傳感器、生物微傳感器等。 25微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4 微致動(dòng)器 微致動(dòng)器又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動(dòng)器，是微機(jī)電系統(tǒng)中執(zhí)行動(dòng)作的部件。從裝置的結(jié)構(gòu)功能類型來看，微致動(dòng)器可分為微旋轉(zhuǎn)電機(jī)、微直線電機(jī)、微機(jī)構(gòu)(微齒輪、微軸、微梁、微軸承、微凸輪、微連桿、微振子等)、微夾持器、微閥門、微泵等。從驅(qū)動(dòng)力來看，微致動(dòng)器可分為靜電力、電磁力、電致伸縮力、形狀記憶合金的形狀恢復(fù)力、熱變形、激光、液壓力、氣壓力、生物力驅(qū)動(dòng)等。微致動(dòng)器因其尺寸極小，在設(shè)計(jì)中，選用驅(qū)動(dòng)力時(shí)必須考慮尺寸效應(yīng)的影響。近年來，由于世界各

21、國(guó)都對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)極為重視，其中關(guān)鍵部件的微執(zhí)行器發(fā)展很快，現(xiàn)在已制成多種尺寸很小的微執(zhí)行器。現(xiàn)在微執(zhí)行器的尺寸一般是毫米級(jí)和微米級(jí)，其內(nèi)部組成元件的尺寸已都是微米級(jí)。 26微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)靜電型微致動(dòng)器 靜電執(zhí)行器的基本原理是兩個(gè)帶有相異電荷的圓盤互相吸引。靜電力驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，首先是靜電力大小與L2(面積)成正比，即微機(jī)械尺寸越小，單位面積產(chǎn)生的作用力越大；其次采用電壓驅(qū)動(dòng)不僅功耗低，而且易于控制和達(dá)到高速；此外靜電力驅(qū)動(dòng)的微結(jié)構(gòu)，易于集成化制造。 27微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.1.1 靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī) 1988年，加州大學(xué)伯克利分校研制成功了轉(zhuǎn)子直徑約為60120m的靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖12所示，

22、轉(zhuǎn)子有4個(gè)電極，定子有12個(gè)電極，均勻分布在轉(zhuǎn)子周圍，每隔兩個(gè)電極并聯(lián)在一起，成為3相4極構(gòu)造。由圖(b)可以看到，轉(zhuǎn)子卡在中心軸的溝內(nèi)，不會(huì)脫出。轉(zhuǎn)子為多晶硅材料，在其外圈和內(nèi)圈沉積了Si3N4膜，以減少摩擦，轉(zhuǎn)子和定子的間隙為2m，工作電壓為60400V。當(dāng)向定子的各電極依次施加電壓時(shí)，由靜電力作用使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)測(cè)，電壓為200V時(shí)，轉(zhuǎn)速為150r/min。但按理論計(jì)算，電壓為200V時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)為120000r/min，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速大幅度降低，壽命也大幅度縮短。 圖12靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)(直徑120m) 28微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.1.1 靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī) MIT的Mehregahy等改

23、進(jìn)了上述電機(jī)：將轉(zhuǎn)子和中心軸間的間隙減小到以下；轉(zhuǎn)子和定子電極間的間隙減少為；轉(zhuǎn)子下面由3個(gè)凸起點(diǎn)支承，減小了摩擦；在氮?dú)庵泄ぷ?，防止硅的氧化。改進(jìn)后制成直徑100m，高2m的多晶硅電機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)到10 000r/min，壽命達(dá)到1星期以上。我國(guó)清華大學(xué)研制成功的硅基集成微靜電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，其轉(zhuǎn)子半徑為40m，轉(zhuǎn)子和定子由厚度為的多晶硅膜制成，轉(zhuǎn)子與定子間的空氣間隙為2m，驅(qū)動(dòng)電壓為50176V，最高轉(zhuǎn)速約為600r/min。 29微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.1.1 靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī) 微靜電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)廣泛應(yīng)用于各種微機(jī)電系統(tǒng)中。圖13是微靜電旋轉(zhuǎn)馬達(dá)在光線切換開關(guān)上的應(yīng)用，這是一個(gè)18的開關(guān)。該馬達(dá)的轉(zhuǎn)子直徑為

24、1mm，厚20m，在轉(zhuǎn)子上安裝有一個(gè)高500m寬900m的鏡子。圖13旋轉(zhuǎn)式光線切換開關(guān)示意圖 30微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.1.2 靜電直線電機(jī) 靜電直線電機(jī)是利用靜電作用產(chǎn)生直線輸出運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器。有的采用平行板產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，有的采用梳狀執(zhí)行器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，有的采用幾種形式的組合。靜電直線電機(jī)的工作原理如圖14所示，該系統(tǒng)由一個(gè)沉積有電極運(yùn)動(dòng)件和一個(gè)電極固定件組成。通過對(duì)靜止電極施加一序列電壓，可使帶電極的運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)。調(diào)節(jié)靜止電極上的電壓大小和正負(fù)，便可以控制運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。圖14靜電直線電機(jī)的工作原理 31微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.2 電磁型和磁致伸縮型微致動(dòng)器 電磁型微致動(dòng)器在毫

25、米尺度時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)力較大，動(dòng)作的幅度也較大，可用于電磁感應(yīng)發(fā)電。在MEMS領(lǐng)域，已研究開發(fā)了多種電磁型微致動(dòng)器，如電磁型微電機(jī)、微發(fā)電機(jī)、微泵、微繼電器、微鑷子、微光學(xué)開關(guān)等。電磁型微致動(dòng)器中還有一類磁致伸縮型微致動(dòng)器。某些材料具有磁致伸縮效應(yīng)，即在磁場(chǎng)中它的幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，磁致伸縮效應(yīng)又可分為縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)和體積效應(yīng)。磁致伸縮型微致動(dòng)器是通過在磁致伸縮材料外面加一線圈，線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，使磁致伸縮材料尺寸變化而工作的。磁致伸縮型微致動(dòng)器的應(yīng)用方式與壓電式微致動(dòng)器很類似。 32微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.3 壓電型微致動(dòng)器 利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，可以將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，即將電

26、壓(數(shù)十伏到數(shù)百伏)加到壓電材料上時(shí)，壓電材料的長(zhǎng)度(或厚度、體積)將改變，從而產(chǎn)生位移、扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)等。由于壓電型微致動(dòng)器的動(dòng)作可以有多種選擇，并且響應(yīng)速度快，位移精度高且可控，輸出力大，穩(wěn)定可靠，因而在MEMS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，目前它已用于微型機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)、微型機(jī)械手、激振器、壓電原理的微閥和微泵等?，F(xiàn)在納米科技中廣泛使用的掃描探針顯微鏡的三維掃描管、二維掃描工作臺(tái)、原子力顯微鏡微懸臂的激振等，也都使用壓電型致動(dòng)器。下面是幾個(gè)壓電型微致動(dòng)器的應(yīng)用實(shí)例。 33微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)細(xì)管微機(jī)器人蠕動(dòng)爬行的壓電型致動(dòng)器 圖15是一種壓電型細(xì)管微機(jī)器入在管道內(nèi)爬行的原理圖、該微機(jī)器人的爬行機(jī)構(gòu)

27、由質(zhì)量塊、壓電元件和彈性腿組成、靜止時(shí)彈性腿和管壁間的摩擦力使微機(jī)器人保持不動(dòng)，當(dāng)施加緩慢增大的電壓時(shí)，壓電元件緩慢伸長(zhǎng)帶動(dòng)質(zhì)量塊前進(jìn)；電壓突降，壓電元件突然縮短，這時(shí)質(zhì)量塊由于慣性而處于原位，壓電器件將帶動(dòng)彈性腿前進(jìn)，這個(gè)動(dòng)作不斷重復(fù)，機(jī)器人即逐步蠕動(dòng)向前爬行。如所加電壓是突然升高而緩慢降低的，則機(jī)器人將蠕動(dòng)向后爬行。 圖15 壓電型細(xì)管微機(jī)器人的行走原理 34微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)自行式微機(jī)器人的壓電V形驅(qū)動(dòng)腳 圖16所示是帶壓電V形腳的自行微機(jī)器人。其中圖(a)是使用雙晶片壓電元件制成的V型驅(qū)動(dòng)腳，控制加在壓電元件上的電壓，可使V形腳拾高或放下，向前或向后扭曲。裝有這種壓電V形腳的微機(jī)器人(

28、圖(b)，由施加電壓控制，可向前、轉(zhuǎn)彎或向后行走。 圖16 帶壓電V形腳的自行微機(jī)器人 35微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)壓電型硅微泵、微閥 圖17是一種壓電型硅微泵的結(jié)構(gòu)示意圖。該泵的出口閥和進(jìn)門閥均為單向閥。當(dāng)電壓施加到壓電器件上時(shí)，壓電器件伸長(zhǎng)，推動(dòng)硅膜片向上變形，減小了泵腔體積而使泵腔內(nèi)的流體從出口閥處流出泵腔體；反之，當(dāng)壓電器件斷電時(shí)，壓電器件縮短，硅膜片在彈性力作用下向下變形，增加了泵腔體積而使泵腔外的流體從進(jìn)口閥處流入泵腔體內(nèi)。 圖17壓電型硅微泵 圖18壓電型微閥 圖18所示為一種壓電型微閥的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)電壓加到壓電元件上時(shí)，它的長(zhǎng)度增加，推動(dòng)硅膜片使出氣口通道閉合。在不加電壓時(shí)，壓電元

29、件縮短到原長(zhǎng)度，出氣口被打開，壓電元件即可控制微閥的開關(guān)。 36微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.4 熱變形微致動(dòng)器 現(xiàn)在MEMS中使用的熱變形型微致動(dòng)器主要有兩類：第一類是雙金屬構(gòu)造的微致動(dòng)器，第二類是記憶合金的微致動(dòng)器。雙金屬構(gòu)造的微致動(dòng)器的熱驅(qū)動(dòng)原理是，雙金屬梁或膜被加熱升溫時(shí)，將產(chǎn)生彎曲變形，推動(dòng)微致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)已制成多種雙金屬微致動(dòng)器，如微閥、微泵、微鑷子、微機(jī)器人手臂等，在響應(yīng)速度要求不太高時(shí)，使用效果良好。形狀記憶合金的微致動(dòng)器的工作原理是，電流通過記憶合金結(jié)構(gòu)時(shí)，記憶合金溫度升高，產(chǎn)生變形，降溫后又恢復(fù)原來的形狀。記憶合金微致動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)是作用力和動(dòng)作幅度均較大。這類材料一般電阻較大，故通電

30、流時(shí)溫升較快，但降溫需靠熱傳導(dǎo)和輻射來散熱，雖然微機(jī)械的表面積相對(duì)較大，有利于散熱，但降溫的響應(yīng)速度還不是很快，且不易控制，這是這種致動(dòng)器的不足之處。 37微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.4 熱變形微致動(dòng)器 圖19是美國(guó)Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的微鉗結(jié)構(gòu)圖。由TiNiCu制成的形狀記憶合金膜厚度為5m，Si懸臂梁厚度。整個(gè)微鉗臂長(zhǎng)為900m，寬度為380m，厚度200m。當(dāng)將微鉗加熱到70C時(shí)，TiNiCu薄膜收縮，鉗口可張開110m；而冷卻時(shí)，利用Si基片自身的彈性，使鉗口回復(fù)加熱前的閉合狀態(tài)，這種微鉗在30mW（空氣中）或150mW（水中）條件下，工作頻率可達(dá)100Hz。因

31、采用的TiNiCu相變溫度均在人體溫度(37C)以上，且熱遲滯很小(約-5C)，非常適用于醫(yī)療上的應(yīng)用。 圖19 SMA微鉗結(jié)構(gòu)示意圖 38微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.5 微機(jī)電系統(tǒng)的能源 對(duì)于需做運(yùn)動(dòng)的微機(jī)電系統(tǒng)，如微型機(jī)器人、微型車輛、微型飛機(jī)等，能源的供應(yīng)成為重要難題。目前采用的有下列幾種能量供應(yīng)方法：非接觸能量供應(yīng)，如采用電磁感應(yīng)、微波、電磁波等，這些方法的能量傳輸和接收都比較復(fù)雜，有一定的局限性。機(jī)電系統(tǒng)中裝蓄電池或光電池，但因受體積和質(zhì)量的限制，能量供應(yīng)有限，能源供應(yīng)時(shí)間短，微系統(tǒng)工作的時(shí)間也短。微系統(tǒng)中裝發(fā)動(dòng)機(jī)(如微型飛機(jī))，但因受所裝燃料數(shù)量的限制，微系統(tǒng)能工作的時(shí)間亦有限制。微機(jī)電

32、系統(tǒng)中裝燃料電池或新化學(xué)電源，這是最新發(fā)展的能源，有希望能適當(dāng)延長(zhǎng)微系統(tǒng)的工作時(shí)間。 39微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5 微機(jī)器人 微型機(jī)器人體積小、靈活機(jī)動(dòng)、能通過狹窄通道進(jìn)入狹小或惡劣環(huán)境的空間；其次是很好的隱蔽性，進(jìn)行偵察工作而不被敵方發(fā)現(xiàn)。微飛行器從廣義上講也應(yīng)屬于微機(jī)器人，但因它有較多特殊性，故平時(shí)不把它算在微機(jī)器人范疇內(nèi)。微機(jī)器人近年來發(fā)展迅速，有軍民兩用性質(zhì)，目前己取得很多成果。 40微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.1 微機(jī)器人概述 微型機(jī)器人要自動(dòng)行走，就必須有行走機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在微機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有：輪式行走機(jī)構(gòu)，只適宜在較平坦的地面上行駛。履帶式行走機(jī)構(gòu)，可以在不平坦的地面上行駛。用腳行走，用得

33、最多的是四腳和六腳的行走機(jī)構(gòu)，如要求在不平坦的地面上行走，則機(jī)構(gòu)較復(fù)雜?？繎T性或自動(dòng)伸縮的步進(jìn)蠕動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)。在液體中用螺旋槳或其他方式推動(dòng)前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。微機(jī)器人的外形樣式較多，用輪子或履帶行走的微機(jī)器人外形多數(shù)像小車，用腳行走的微機(jī)器人外形多數(shù)像昆蟲，此外還有真空吸附爬壁微機(jī)器人、微管道機(jī)器人等。除有行走機(jī)構(gòu)外還應(yīng)有行走路徑，遇障礙物時(shí)能隨時(shí)調(diào)整行走方向并走向目的地?？梢园搭A(yù)先編制好的軟件走設(shè)定的行走路徑，也可以遙控指揮行走。為適應(yīng)偵察任務(wù)時(shí)的多變情況，微機(jī)器人必須在隱蔽的地方獨(dú)立行走，避開障礙物走向預(yù)定目標(biāo)，這就要求它具有人工智能，能自動(dòng)尋找行走路線，走向目的地。 41微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)

34、5.1 微機(jī)器人概述 微機(jī)器人要具有一定的人的行為功能，就需要配備相應(yīng)的設(shè)備。例如配備有微型照相機(jī)或攝像機(jī)、微型數(shù)字信息處理和輸送系統(tǒng)，并能自動(dòng)隱蔽保護(hù)自己；微型傳感器和相應(yīng)的微型信息處理輸送系統(tǒng)；機(jī)器人應(yīng)有自己的或受遙控的清掃執(zhí)行機(jī)構(gòu)和微攝像機(jī)等監(jiān)控系統(tǒng)；醫(yī)用的微型手術(shù)機(jī)器人，要在人體內(nèi)能獨(dú)立行走到需要手術(shù)的部位，配備有受控的手術(shù)機(jī)構(gòu)和攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。從上面的分析可知，微機(jī)器人是一套高水平、多功能、包含多個(gè)復(fù)雜功能分系統(tǒng)的微型機(jī)電系統(tǒng)。 42微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2 微機(jī)器人實(shí)例 5.2.1 輪式微機(jī)器人 1.圖示是美國(guó)Robotalive公司的輪式微型機(jī)器人。它具有很強(qiáng)的程序功能，能記錄行

35、走路線圖，并能自動(dòng)回到出發(fā)點(diǎn)。它還有紅外探測(cè)器用來檢測(cè)車行走的前方位置，遇到障礙物和危險(xiǎn)物時(shí)，能發(fā)出警報(bào)聲，自動(dòng)變速并轉(zhuǎn)彎。它還具有自動(dòng)搜索和走迷宮到達(dá)指定目的地的能力，還具有自學(xué)習(xí)功能，迷宮一次走過后，再走時(shí)能走捷徑，快速到達(dá)目的地。43微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.1 輪式微機(jī)器人 2.圖示是法國(guó)EPFL自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室1999年研制成功的輪式微型機(jī)器人，它的體積很小，比一只大螞蟻大不了多少?？梢园丛O(shè)定的程序走規(guī)定的路程，自動(dòng)變速和轉(zhuǎn)彎。這類輪式微型機(jī)器人微型化的一個(gè)關(guān)鍵問題是能源供應(yīng)，因?yàn)楝F(xiàn)在的化學(xué)電池和蓄電池的體積能量比都較大，限制了小車體積的縮小。 44微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.2 履帶

36、式微機(jī)器人 1.圖示是MIT所開發(fā)的履帶式微型機(jī)器人機(jī)器螞蟻。具有較多較強(qiáng)的功能，每個(gè)機(jī)器螞蟻內(nèi)集成了17個(gè)傳感器：4個(gè)光學(xué)傳感器、4個(gè)紅外傳感器、4個(gè)泵傳感器、4個(gè)進(jìn)食傳感器、1個(gè)傾斜傳感器。每個(gè)機(jī)器螞蟻用2個(gè)紅外發(fā)射接受器與外界進(jìn)行信息交流(一個(gè)在前端，另一個(gè)在后端)。機(jī)器螞蟻的行走運(yùn)動(dòng)用履帶來實(shí)現(xiàn)，能在不平地面上行駛。履帶用傳動(dòng)齒輪組來帶動(dòng)，傳動(dòng)齒輪采用電子表中的微小齒輪，故體積較小。 45微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.2 履帶式微機(jī)器人 圖示是美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2001年研制成的偵察用履帶式微型機(jī)器人。體積約為3 3)，質(zhì)量小于1oz(28.4g)，是具有多項(xiàng)自動(dòng)化功能微型機(jī)器人中

37、體積最小的。該微型車用3個(gè)手表電池來驅(qū)動(dòng)2個(gè)馬達(dá)，使履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，行駛速度最高為20in/min (50.8cm/min)。車上還裝備了微處理器、溫度傳感器、微型數(shù)碼照相機(jī)、微型麥克風(fēng)、微型信息傳輸系統(tǒng)等，能將偵察到的信息及時(shí)輸送回指揮控制中心。裝備了化學(xué)-生物氣體傳感器，使它能用于在平地和坑道內(nèi)檢測(cè)化學(xué)和生物武器。由于體積小、隱蔽性好，因而能通過狹窄通道并進(jìn)入普通偵察機(jī)器人不能進(jìn)入的狹小空間。 46微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.3 昆蟲型微機(jī)器人 1.圖 (a) 是美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的昆蟲型微機(jī)器人。它有六條腿，用電池組作能源，帶有偵察用的微型照像機(jī)或攝像機(jī)，有微型通信系統(tǒng)和程序控制系

38、統(tǒng)，能將偵察到的信息傳送到控制中心。這種昆蟲型微機(jī)器人體積小、隱蔽性好，不易被敵方發(fā)現(xiàn)。2.圖 (b) 是美國(guó)Epinions公司為進(jìn)行昆蟲型微機(jī)器人競(jìng)賽而研制的微機(jī)器人。該微機(jī)器人體積很小，用六條腿行走，眼睛是紅外傳感器，行動(dòng)時(shí)能自動(dòng)檢測(cè)前方是否有障礙物。 47微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.3 昆蟲型微機(jī)器人 3.日本精工-Epson公司1999年3月宣布已開發(fā)出世界上最小的昆蟲型機(jī)器人，如左圖所示。該機(jī)器人是瓢蟲形，銀制外殼，體積為1cm3，內(nèi)裝石英手表用超小型電動(dòng)機(jī)，兩只眼睛是光學(xué)傳感器，速度最高為15mm/s，充電3min，可走4min。 4. 2007年，日本研究人員展示了一種超小醫(yī)用機(jī)

39、器人的原始模型，外形如同甲殼蟲，如右圖所示。這種直徑1cm、長(zhǎng)為2cm、重僅為5g的機(jī)器人可以到達(dá)人體內(nèi)患病處。 48微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.4 蠕動(dòng)式微機(jī)器人 使用蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)的多數(shù)是微管道機(jī)器人。微管道機(jī)器人的蠕動(dòng)爬行機(jī)構(gòu)有兩種，第一種是由質(zhì)量塊、壓電伸縮元件和一組彈性腿組成，其蠕動(dòng)爬行原理如圖所示。第二種是由兩組彈性腳和壓電或SMA伸縮元件組成。 1. 圖8-26是上海交通大學(xué)研制的可在結(jié)腸內(nèi)行走的蠕動(dòng)式微機(jī)器人。該機(jī)器人采用3個(gè)直線電磁驅(qū)動(dòng)器，直徑為，長(zhǎng)度為120mm，質(zhì)量為，具有多個(gè)關(guān)節(jié)，能靈活有效地通過彎曲腸道。 49微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2.4 蠕動(dòng)式微機(jī)器人 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程

40、類似毛蟲的蠕動(dòng)。由于3節(jié)以上的運(yùn)動(dòng)單元中的一節(jié)與其他節(jié)的摩擦力差異總是存在的，故這種方式不需施加過大的表面壓力就可以獲取前進(jìn)中必須的摩擦力，從而避免了對(duì)腸道粘膜的損傷。牽引過程如圖8-27所示。對(duì)單元13分別施加控制信號(hào)，機(jī)器人前進(jìn)1個(gè)步距，完成5步動(dòng)作：第1步：t0時(shí)刻，所有單元處于蜷縮狀態(tài)；第2步：t0t1時(shí)刻，單元1被推向前；第3、4步：t1t2、t2t3時(shí)刻，單元2、3被先后推向前；第5步：t3t4時(shí)刻，單元0被來自單元13的反作用力共同推向前，機(jī)器人前進(jìn)1步，又回到第1步的狀態(tài)。上述過程不斷重復(fù)，則機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)連續(xù)行走。將控制信號(hào)反向，則機(jī)器人反向行走。 50微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)5.2

41、.4 蠕動(dòng)式微機(jī)器人 2. 1999年，賈寶賢、劉永紅等人仿照蚯蚓的蠕動(dòng)過程研制了如圖示的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由前SMA脹緊環(huán)1、后SMA脹緊環(huán)5、SMA拉伸螺旋彈簧2、普通壓縮螺旋彈簧(偏壓彈簧)4和限位元件3組成。動(dòng)作前為自由狀態(tài)，各SMA元件均不通電，如圖(a)所示。動(dòng)作時(shí)，按如下程序進(jìn)行：(1)前SMA脹緊環(huán)1通電，發(fā)熱后徑向膨脹與管壁壓緊，如圖(b)所示；(2)SMA拉伸螺旋彈簧2通電，發(fā)熱后剛度增加并收縮，偏壓彈簧4被壓縮，整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置向前收縮，直到偏壓彈簧4并緊為止，如圖(c)所示；(3)后SMA脹緊環(huán)5通電與管壁壓緊，前SMA脹緊環(huán)1斷電，與管壁松開，如圖(d)所示；(4)SMA拉伸螺

42、旋彈簧2斷電，隨著冷卻，其剛度降低，偏壓彈簧4受的壓力減小，便產(chǎn)生彈性恢復(fù)而伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)的幅度由限位件3限制，如圖(e)所示。這樣，蠕動(dòng)機(jī)構(gòu)就完成了一個(gè)工作循環(huán)，向前走了一步。如果改變通電順序，就可以改變機(jī)器人的行走方向。 51微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)6 微飛行器(MAV) 微型飛行器(MAV)一般是指長(zhǎng)、寬、高均小于15cm重量不超過120g，并能夠執(zhí)行某些有特定價(jià)值任務(wù)的飛行器。隨著軍事和尖端技術(shù)的發(fā)展，微飛行器發(fā)展極為迅速。微飛行器可以軍用，也可以民用。它可在山區(qū)、城市或室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行偵察、作戰(zhàn)、跟蹤尾隨，還可在化學(xué)或輻射等有害環(huán)境下執(zhí)行偵察、干擾、救護(hù)、救生定位等特殊任務(wù)。由于它便于攜帶

43、、成本低廉、維護(hù)使用方便、隱蔽性高等特點(diǎn)，極受使用者歡迎。其最大優(yōu)點(diǎn)是具有很強(qiáng)的隱身能力，通常很難被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，即使被發(fā)現(xiàn)，也很可能被認(rèn)為是鳥或其他生物。微飛行器實(shí)際上是一套復(fù)雜的，可在空中飛行的多功能微機(jī)電系統(tǒng)。它可以完成飛行、升降、自動(dòng)導(dǎo)航、偵察、信息傳輸、對(duì)敵干擾等多種任務(wù)。微飛行器的種類較多，除了常規(guī)的固定冀和旋冀微飛行器外，還有模仿昆蟲飛行形式的撲冀微飛行器及將不同飛行方式結(jié)合在一起的微飛行器等等。 52微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)6.2 微型飛行器(MAV)實(shí)例 1. 圖示為Florida大學(xué)2001年參賽獲獎(jiǎng)的微飛行器，其質(zhì)量為50多克。由于微飛行器尺寸的一再縮小，為獲得必要的飛行升力，機(jī)翼

44、加寬很多，使其外形更像飛碟，而不像普通飛機(jī)。圖8-29(b)所示是經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)而確定的這種機(jī)冀形狀。機(jī)翼質(zhì)量?jī)H為3g，用碳纖維做骨架，上面蒙以一層類似玻璃紙的聚酰亞胺薄膜制成。這種圓盤形機(jī)冀裝在質(zhì)量50g，翼展7英寸(17.8cm)的微飛行器上，獲得了良好的飛行效果。 53微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)微飛行器。 圖是美國(guó)桑德斯公司研制的MicroSTAR微飛行器的外觀圖，該微飛行器總重量約100g，總電功耗15瓦，飛行速度55km/h，可持續(xù)飛行60min。最佳使用飛行高度4560m，最高150m。該微飛行器配備有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，具有自動(dòng)導(dǎo)航功能，可以貼近目標(biāo)執(zhí)行詳盡偵察任務(wù)，尤其對(duì)地勢(shì)險(xiǎn)要或人員不易到達(dá)

45、的地域，以及對(duì)城市狹窄街巷上空，能夠自主穿行。該微飛行器配備有能夠晝夜使用的電視攝像機(jī)，并有較強(qiáng)功能的信息傳送機(jī)系統(tǒng)，能夠及時(shí)將偵察到的信息和圖像傳送回去。該微飛行器發(fā)射和回收由單人操作，不需要專用起飛或著陸場(chǎng)地。54微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3.“黑寡婦”微飛行器。 美航空環(huán)境公司制造出了“黑寡婦”固定翼微型飛行器。該機(jī)為直徑152mm的圓盤形，采用輕木結(jié)構(gòu)，螺旋槳驅(qū)動(dòng)。最大起飛質(zhì)量60g，最大載荷量7g，翼展15cm，續(xù)航時(shí)間22分鐘，航程2km。圖示是該公司新研制的“黑寡婦”微飛行器。其機(jī)翼展為，飛行速度為48km。機(jī)上裝有一臺(tái)照像機(jī)，一個(gè)5g重的GPS環(huán)球定位裝置。該機(jī)具有橫滾、俯仰穩(wěn)定性，速

46、度和航向保持能力。飛機(jī)的整個(gè)操縱過程能全部在地面監(jiān)視器上顯示，控制工作范圍。該機(jī)全套系統(tǒng)和操縱裝置、電視監(jiān)視器、天線和一個(gè)氣壓發(fā)射器可以裝在一個(gè)大公文包中。 55微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)4.“黃蜂”微型飛行器 美國(guó)黃蜂微型飛行器外形如圖8-32所示，飛行器的翼展為38cm，燃料充足時(shí)重量為140g，到2003年9月已試飛過3次，每次飛行15mim。飛行時(shí)由地面通過無線電控制其節(jié)流閥、方向舵、飛行高低和飛行速度。該飛行器用燃料電池作動(dòng)力，燃料電池的剛性金屬網(wǎng)是機(jī)翼結(jié)構(gòu)的一部分，氫儲(chǔ)存在干燥芯塊內(nèi)，與儲(chǔ)存在機(jī)上的水作用時(shí)釋放出氣體，與流經(jīng)機(jī)翼的氣流中的氧化合，在燃料電池中產(chǎn)生電能。氫與水作用釋放氣體的速

47、度，可用由地面的無線電遙控裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。在初始飛行試驗(yàn)時(shí)，平均輸出能量10W多，黃蜂增強(qiáng)型可攜帶一臺(tái)簡(jiǎn)單自動(dòng)駕駛儀和一臺(tái)彩色攝像機(jī)。上面配有兩個(gè)攝像頭，還能被GPS導(dǎo)航。 56微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)撲翼式微飛行器 對(duì)于重量較小的微飛行器，再制成固定翼結(jié)構(gòu)，很難獲得必要的飛行升空能力。因此，最小的微飛行器多數(shù)制成撲冀式，它們的外形更像飛鳥、蜻蜓或蒼蠅。國(guó)外已有多個(gè)單位研制撲翼式結(jié)構(gòu)，并已制成若干種能飛翔的樣機(jī)。但到目前為止，我們對(duì)撲翼式微飛行器的飛行力學(xué)原理，所知甚微，因此有多個(gè)單位開始研究飛蟲的撲翼飛行原理。 57微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)1. “飛行蠅” 微飛行器 美國(guó)加州大學(xué)伯克利(Berkeley)

48、分校于2001年研制成功一只非常微小的撲冀式微飛行器，取名為“飛行蠅”，如圖所示。這種微飛行器的體積極小，高度不到3cm，質(zhì)量只有100g，但能在100m高的空中飛行20min。蒼蠅是動(dòng)物界中的飛行能手，能在秒的瞬間迅速起飛，在310-5s內(nèi)改變方向，最高飛行速度為40km/s，是所有飛蟲中飛行最穩(wěn)定、機(jī)動(dòng)性能最佳的?！帮w行蠅”微飛行器就是利用仿生原理制造出的世界上第一只能飛的“機(jī)器蠅”。 58微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)1. “飛行蠅” 微飛行器 這種微飛行器的研制有極大的技術(shù)難度。首先是機(jī)冀問題，蒼蠅的翅膀上分布著20塊功能不同的肌肉，如何模仿這些肌肉的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行，成為研究重點(diǎn)。研究人員用了4年，

49、來弄清蒼蠅翅膀的動(dòng)作和飛行力學(xué)問題，前后做了30多個(gè)模型，最后使用一種類似玻璃紙的聚酰亞胺薄膜材料，制成長(zhǎng)8mm、寬3mm、厚5m的仿生翅膀，如右圖所示。這種翅膀的扇動(dòng)是用雙層壓電伸縮驅(qū)動(dòng)器，通過四連桿差動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。翅膀扇動(dòng)頻率為150次/s，能使微飛行器飛向空中，但它目前還不能快速飛行，不能自行控制飛行方向和速度，也不能在空中停留。 59微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)1. “飛行蠅” 微飛行器 圖示是這種飛行蠅的部件組成。微飛行器的眼睛是光學(xué)傳感器，可以探測(cè)飛行前方是否有障礙物，將來可以裝微型攝相機(jī)作偵察用。用微型電池為微飛行器提供能源，使撲翼扇動(dòng)，同時(shí)為各種電子儀器供電。微飛行器的尾翼用太陽(yáng)能電池

50、板制成，可以輔助供電。微飛行器的機(jī)架用不銹鋼架制造，有較高的強(qiáng)度和剛度。微飛行器機(jī)架上還裝有多種傳感器以及微型信息傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 60微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)2. 亞利桑那州大學(xué)的的撲翼式微飛行器 如圖所示，該撲翼機(jī)靠拍打翅膀舉升和推進(jìn)，翼展小于6英寸，可以在平靜的天氣留空3分鐘以上。撲翼機(jī)的骨架是用碳纖維制成的，機(jī)翼由聚脂薄膜制成。由于體積太小，飛在空中很難看到。他們打算下一次制作翼展4英寸的撲翼機(jī)，但是不知道如果看不見它該怎樣控制。可能會(huì)用電子導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)飛行，用上GPS定位系統(tǒng)。 61微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)3. “微蝙蝠”撲翼式微飛行器 圖示為美國(guó)加州理工學(xué)院、瓦伊倫門特公司和洛杉磯加州大學(xué)

51、聯(lián)合研制的“微蝙蝠”撲翼式微飛行器，質(zhì)量10g，可實(shí)現(xiàn)控制飛行，并可攜帶麥克風(fēng)陣列作為尋的聲源。62微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)6.2.3 旋翼式微飛行器 旋翼式微飛行器可以說是微小型化的直升飛機(jī)。 由EPSON開發(fā)制作出的FR微飛行器，如圖所示。采用自行開發(fā)的世界上最新的兩個(gè)超薄型的超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)上下反轉(zhuǎn)的兩層葉片來產(chǎn)生空氣升力；此外，在機(jī)構(gòu)與電路部分，集合了微機(jī)械的高新技術(shù)，達(dá)到微型化、輕量化的境界。機(jī)上不帶電池，能源靠尾部攜帶的電纜從外提供。機(jī)上配有藍(lán)牙無線通信單元、控制單元、陀螺儀和攝像機(jī)。主要參數(shù)：電源：；功率消耗：3W；尺寸：直徑130mm、高70mm；升力：13gf；總重量：約。 63微機(jī)械和微機(jī)電系統(tǒng)6.2.3 旋翼式微飛行器 FR型-II微飛行器如圖所示。該飛行器更輕、用了更先進(jìn)的傳感器。該機(jī)是用計(jì)算機(jī)規(guī)劃路徑通過藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行無線遙控而獨(dú)立飛行。該機(jī)具有完全的無線特征，不帶電纜；使用了愛普生擁有的當(dāng)時(shí)世界上