微機電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ) 課件

第四章微機械執(zhí)行器4.1概述微執(zhí)行器是組成微系統(tǒng)的要素之一。微執(zhí)行器多種多樣，都是由許多精細(xì)微元件在無塵車間、于顯微鏡下細(xì)致組裝而成，是一種活動可控的微機械裝置。在種類繁多的執(zhí)行器中，占有主導(dǎo)地位的是微電機、微泵和微閥以及微驅(qū)動器。1/11/20231微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.2微電機1.概述：微電機是微執(zhí)行器研究中的重要課題。根據(jù)微電機的運動方式，可分為旋轉(zhuǎn)微電機和直線微電機。由于微結(jié)構(gòu)和微尺寸效應(yīng)，微電機的驅(qū)動方式不像傳統(tǒng)電機那樣采用電磁力驅(qū)動，而是采用靜電力或壓電力驅(qū)動，因而其更具有吸引力。1/11/20232微機電系統(tǒng)技術(shù)補充：步進電機的原理如圖所示，步進電機是由一組纏繞在電機固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。如果線圈中電流的流向如圖1所示，并且我們從電機頂部向下看齒槽的頂部，那么電流在繞兩個齒槽按逆時針流向流動。根據(jù)安培定律和右手準(zhǔn)則，這樣的電流會產(chǎn)生一個北極向上的磁場。1/11/20233微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器2.微電機的原理（1）目前在微機械和器件中使用的微型電動機有兩種：直線電動機和旋轉(zhuǎn)電動機。（2）微型電動機的驅(qū)動力主要是靜電力。線性電動機內(nèi)相互錯開的的電極產(chǎn)生滑動力，促使產(chǎn)生要求的相對運動。原理如下圖靜電驅(qū)動直線電機1/11/20234微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器2.微電機原理續(xù)由上圖可知，兩塊基板初始時錯開了W/3的距離。固定下面的基板，而上面的基板可以在水平面上相對上基板滑動。首先給電極A，A’加電壓會驅(qū)動上面的基板向左移動，直至A，A’完全對齊為止，這時，基板B，B’間也錯開了相同的距離W/3，一直持續(xù)下去，直到最后一對電極對齊為止。綜上所述，上下兩塊基板上，按合適的間距安裝幾組電極，就可以產(chǎn)生需要的靜電力，促使兩組基板發(fā)生相對運動。1/11/20235微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.2.1靜電力驅(qū)動變電容式微電機4.2.1.1步進微電機1.設(shè)計實例如下頁圖所示為靜電力驅(qū)動變電容式微電機的剖視圖，主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。轉(zhuǎn)子和定子常用厚度為1.0-1.5微米的多晶硅片制成。轉(zhuǎn)子直徑多為60-120微米，轉(zhuǎn)子的靜電極數(shù)一般為4個或8個；定子的靜電極數(shù)為6、12或24個。轉(zhuǎn)子和定子電極之間的空隙為1-2微米，或稍大些。靜電場加在轉(zhuǎn)子和定子之間。1/11/20236微機電系統(tǒng)技術(shù)靜電驅(qū)動微電機1/11/20237微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器2.上圖所示的微電機的設(shè)計，應(yīng)考慮的因素：（1）能產(chǎn)生較大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，這關(guān)系到合理電壓的選?。?）盡可能減小摩擦（3）精細(xì)的角分辨率1/11/20238微機電系統(tǒng)技術(shù)3.變電容式微電機的作用原理（1）轉(zhuǎn)子電極和定子電極間變化電容產(chǎn)生的蓄電能

W=1/2CV2V為加在轉(zhuǎn)子和定子之間的偏置電壓，一般在10-100V之間。（2）相對于轉(zhuǎn)角θ的轉(zhuǎn)矩微機械執(zhí)行器1/11/20239微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角位置的關(guān)系由圖可知，欲使轉(zhuǎn)子啟動，應(yīng)把轉(zhuǎn)子電極和定子電極的相對位置調(diào)整到能產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的位置上1/11/202310微機電系統(tǒng)技術(shù)1/11/202311微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器5.電極數(shù)選取規(guī)則為保證轉(zhuǎn)子相對定子的步進轉(zhuǎn)動時序，在前一對電極產(chǎn)生步進后，相鄰的下一對電極的相對位置必須在轉(zhuǎn)矩最大位置上，才能使轉(zhuǎn)子繼續(xù)啟動；因此轉(zhuǎn)子的電極數(shù)和定子的電極數(shù)不是隨意的。微電機的轉(zhuǎn)動步幅是定子電極數(shù)ns和轉(zhuǎn)子電極數(shù)nr的函數(shù)1/11/202312微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器6.為了降低微機械電機工作中的摩擦力和表面吸附力，采取的措施如下：相對運動的接觸表面，采用2種不同材料相匹配。（實踐證明，Si3N4和多晶硅接觸間的摩擦系數(shù)，遠(yuǎn)小于2層多晶硅材料接觸之間的摩擦系數(shù)。）為了減小因間隙太小而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子表面和襯底表面間的吸附力，在結(jié)構(gòu)原理上采用了微小球面接觸支撐和懸浮力的方法。1/11/202313微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器克服摩擦和表面吸附力的局部結(jié)構(gòu)1/11/202314微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器7.微電機制造的工藝步驟在厚度約300微米的硅襯底上，生長一層300-500nm的SiO2膜；再在SiO2膜上淀積（如LPCVD)一層約為1微米的Si3N4膜。（該復(fù)合材料層起電隔離作用）在Si3N4膜的適當(dāng)部位，淀積一層1微米的磷硅玻璃，并用干法刻蝕形成圖案。（這里磷硅玻璃起犧牲層的作用）在磷硅玻璃上淀積一層約1.5微米的多晶硅膜，并用干法刻蝕成型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)子表面再淀積和填充第二層磷硅玻璃，同時刻蝕出中心軸位置的窗口。在第一層磷硅玻璃的外環(huán)表面上及Si3N4膜外邊環(huán)處淀積第二層多晶硅膜，并用干法刻蝕出定子結(jié)構(gòu)，定子與轉(zhuǎn)子間的間隙約2微米；再在中部位填充Si3N4，并刻蝕出帶輪轂的固定軸。用HF酸去除全部硅玻璃，余下的多晶硅結(jié)構(gòu)層和氮化硅結(jié)構(gòu)變組成微電機。1/11/202315微機電系統(tǒng)技術(shù)步進微電機制造工藝步驟1/11/202316微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器1.上圖的說明（1）第一層多晶硅淀積在復(fù)合材料(SiO2+Si3N4)層上，厚度約為300nm，起屏蔽轉(zhuǎn)子與襯底的靜電力的作用，以減小作用在轉(zhuǎn)子上的吸引力，使轉(zhuǎn)子能懸浮支撐在帶輪轂的軸頸上。（2）用淀積在磷硅玻璃犧牲層上的第二層多晶硅制作定子和轉(zhuǎn)子，且定子和轉(zhuǎn)子共面，以使指向襯底的靜電分力盡可能小（3）第三層多晶硅用來制作帶輪轂的固定軸（4）在轉(zhuǎn)子和軸頸之間、轉(zhuǎn)子和定子之間均制有Si3N4襯墊，以減小摩擦。1/11/202317微機電系統(tǒng)技術(shù)2.同步微電機的制造步驟（1）在復(fù)合膜(SiO2+Si3N4)層上淀積一層厚度約300nm的多晶硅膜，作為電機的基礎(chǔ)平面。（2）在多晶硅層上覆蓋一層厚度約2.2微米的磷硅玻璃膜，作為犧牲層，并在上面淀積第二層多晶硅膜，厚度約1.5微米；再在第二層多晶硅上生長一層厚0.1微米的SiO2，起保護多晶硅的作用。（3）在SiO2層上再淀積一層厚約340nm的Si3N4膜，并用干法刻蝕出大、小窗口。（4）刻蝕出Si3N4襯墊、轉(zhuǎn)子及定子。（5）淀積一層磷硅玻璃膜，并刻蝕出帶輪轂的軸頸；最后用HF去除犧牲層，余下的就夠成了同步微電機。微機械執(zhí)行器1/11/202318微機電系統(tǒng)技術(shù)1/11/202319微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器3.存在的問題（1）摩擦力（2）吸附力（3）納米單位精度加工的軸承1/11/202320微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.2.2靜電驅(qū)動諧波式微電機1.結(jié)構(gòu)如右圖所示：定子由彼此分開且絕緣的8節(jié)同心圓弧段形成的圓柱套構(gòu)成；轉(zhuǎn)子被套在圓柱孔內(nèi)，轉(zhuǎn)子半徑小于定子孔半徑，且轉(zhuǎn)子與定子孔不同心，轉(zhuǎn)子軸心為Or，定子孔心為Os，偏心距離為OrOs=H。由于偏心矩的存在，轉(zhuǎn)子在電場力的作用下，自轉(zhuǎn)的同時，還沿著定子內(nèi)圓公轉(zhuǎn)。1/11/202321微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器2.諧波微電機的工作原理設(shè)初始位置，轉(zhuǎn)子與定子在B1節(jié)上接觸；當(dāng)電壓施加在轉(zhuǎn)子和定子B2節(jié)之間時，電動勢（靜電力）將迫使轉(zhuǎn)子以滾動運轉(zhuǎn)方式沿定子內(nèi)圓周運行到B2節(jié)上接觸；依次電壓施加在轉(zhuǎn)子和后面的定子節(jié)點上，周而復(fù)始，便可維持轉(zhuǎn)子連續(xù)運轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子軸心還繞定子孔心轉(zhuǎn)動。1/11/202322微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器3.轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角頻率和公轉(zhuǎn)角頻率的關(guān)系為轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角頻率為公轉(zhuǎn)角頻率RS，Rr分別為定子孔半徑和轉(zhuǎn)子半徑1/11/202323微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.諧波微電機的特點轉(zhuǎn)子與定子間為滾動摩擦，有利于降低磨損。為了避免轉(zhuǎn)子與定子間可能產(chǎn)生的滑動，常在轉(zhuǎn)子和定子圓周表面均布微小凹槽，使轉(zhuǎn)子和定子間的相對運動好像一對齒輪傳動，不出現(xiàn)滑動。功耗低，工作可靠不存在彼此間因為空隙小而產(chǎn)生吸附效應(yīng)1/11/202324微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器4.2.3電懸浮微電機前面的微電機，因有接觸都存在摩擦力，工作中一部分電能消耗在克服摩擦上，下面介紹一種電懸浮電機，將明顯降低乃至消除摩擦力的影響。電懸浮是一種電場力懸浮支撐。在電懸浮支撐下的轉(zhuǎn)子，能繞某一軸在懸浮平衡的位置上運轉(zhuǎn)；但這樣的自由懸浮平衡，如果沒有外加控制，通常是不穩(wěn)定的，稍有擾動，轉(zhuǎn)子就會偏離平衡而失去穩(wěn)定。1/11/202325微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器1.使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的方法（1）連續(xù)地或間隔一定時間直接敏感轉(zhuǎn)子位置的變化，通過閉環(huán)系統(tǒng)以足夠的速度控制電場力的變化，制約轉(zhuǎn)子位置的偏離，但直接敏感轉(zhuǎn)子的位置的微小變化是比較困難的（2）采用由交流電源頻率比驅(qū)動的諧振電路，通過調(diào)整諧振電路參數(shù)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的自動穩(wěn)定。1/11/202326微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器2.電懸浮微電機的原理結(jié)構(gòu)（1）無調(diào)節(jié)電懸浮電機原理結(jié)構(gòu)1/11/202327微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器無調(diào)節(jié)電懸浮電機原理結(jié)構(gòu)說明作用在極板上的這個電場力可表示為：U是轉(zhuǎn)子和定子極板間電場的電勢能，這個電勢能可用極板間有效電容C和電容極板間電壓VC來表示：將轉(zhuǎn)子沿Z方向拉向定子的分力：平板有效電容C可表示為1/11/202328微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器轉(zhuǎn)子平衡時滿足的方程當(dāng)z方向力的代數(shù)和為0時，轉(zhuǎn)子才處于自身的平衡位置，此時的d即為平衡距離。稍有擾動轉(zhuǎn)子就會失去平衡。下面就是改進的結(jié)構(gòu)1/11/202329微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器（2）有調(diào)節(jié)電懸浮電機原理原理圖如下圖利用交流電源（ωs

，Vs)驅(qū)動的LC諧振電路，通過電容調(diào)節(jié)便能使轉(zhuǎn)子自動穩(wěn)定在平衡位置上1/11/202330微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器上圖所示系統(tǒng)可用下列方程描述Vc為電容器的端電壓對于穩(wěn)態(tài)而言，可視電容近似為常數(shù)，在此條件下，上面方程的解為：φ為電源電壓和電容器極板電壓之間的相位差1/11/202331微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器施加在電容器上的有效電壓為：把上式改造一下，就得到了有效電壓比隨頻率變化關(guān)系：由上式可知，當(dāng)電源頻率ωs等于LC電路的固有頻率（即）時，電路產(chǎn)生諧振，諧振關(guān)系如下圖所示。1/11/202332微機電系統(tǒng)技術(shù)電懸浮微電機系統(tǒng)諧振特性1/11/202333微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定的原理由上圖可知，在電源頻率ωs

大于LC電路的固有頻率ωor

，電容有效電壓便隨著電容器極板間距的增加而增加，隨著間距減小而減小。因為電容大小與間距成反比。所以轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定平衡的條件：LC電路的固有頻率ωor

必須小于電源頻率ωor

即：1/11/202334微機電系統(tǒng)技術(shù)微機械執(zhí)行器從懸浮力來說有如下公式：與以前沒有調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的方程相比，上式有電容調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，所以即使有外界擾動，電路系統(tǒng)也能通過電容變化自動調(diào)節(jié)使其滿足上式條件，使轉(zhuǎn)子在平衡位置