MEMS執(zhí)行器-微電機

微電機

機電工程與自動化學院MEMS執(zhí)行器微電機的概述微電機的分類介紹微電機的應用微電機的研究和發(fā)展方向論文結構微電機概述

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。可以通過靜電力、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，其各自的性能和應用場合也各異。微電機概述各種執(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)行相應速度快易受吸合效應的限制熱執(zhí)行能得到較大位移量功耗相對較大執(zhí)行相應速度適中對環(huán)境溫度變化敏感壓電執(zhí)行響應快速材料制備過程復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雜可使用很強磁力作為偏置片上螺線管制造較為復雜微電機概述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

當兩個導體施加電壓的時候，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。靜電型微電機可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。微電機分類靜電型微電機

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

旋轉(zhuǎn)靜電微電機的結構微電機分類靜電型微電機

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構，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。兩平行板間間施加電壓壓,載荷會產(chǎn)生生靜電力Fe假設設平平板板的的平平衡衡位位置置為為x，x軸方方向向沿沿著著間間隙隙變變大大的的方方向向，，位位移移為為x時，，電電極極間間的的距距離離變變?yōu)闉閐+x,在平平衡衡位位置置的的靜靜電電力力為為微電電機機分分類類靜電電型型微微電電機機在位位移移x處，，機機械械回回復復力力與與靜靜電電力力大大小小相相等等，，對對上上述述等等式式整整理理可可得得兩個個電電容容器器極極板板之之間間的的平平衡衡距距離離可可以以通通過過求求解解上上述述關關于于x的二二次次方方程程得得到到。。微電電機機分分類類靜電電型型微微電電機機微電電機機分分類類優(yōu)點點結構構簡簡單單功耗低響應快靜電型微電機機缺點驅(qū)動電壓大輸出力矩小電磁型微電機機電磁型超微電電動機的研究究始于20世紀90年代,根據(jù)電磁間互互相作用產(chǎn)生生的電磁力作作驅(qū)動力驅(qū)動動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。。電磁型超微微電動機基于于傳統(tǒng)電磁理理論設計,多采用無刷電電機結構。電磁微電機的的結構微電機分類根據(jù)磁執(zhí)行原原理，利用磁磁場產(chǎn)生力、、力矩或者微微結構的位移移，驅(qū)動磁場場作用在載流流導線、電感感線圈或者磁磁性材料。微電機分類電磁型微電機機微電機分類電磁型微電機機微電機分類電磁型微電機機優(yōu)點驅(qū)動力矩大驅(qū)動電壓低易于裝配缺點結構復雜與IC工藝兼容性差差壓電微電機壓電電動機按按結構可分為為行波壓電電電動機、駐波波壓電電動機機和復合壓電電電動機;按照電機激勵勵部分的材料料可分為薄膜膜壓電電動機機和陶瓷壓電電電動機。壓電電動機由由于輸出轉(zhuǎn)矩矩大、無電磁磁干擾、響應應速度快、微微小位移輸出出穩(wěn)定等優(yōu)點點,可用于精密儀儀器、照相機機、機器人及及航空領域。。如日本Canon公司將圓環(huán)式式行波超聲波波電動機用于于鏡頭的驅(qū)動動，微電機分類在壓電陶瓷片片上施加電信信號,使之產(chǎn)生一定定軌跡的機械械振動,激勵與其粘接接在一起的定定子彈性體的的振動,通過彈性體與與轉(zhuǎn)子間的相相互作用驅(qū)動動轉(zhuǎn)子運動。。微電機分類壓電超聲波微微電機的結構構壓電微電機微電機分類微電機分類壓電微電機優(yōu)點響應速度快輸出轉(zhuǎn)矩高廉價質(zhì)輕缺點材料制備復雜雜電機難難以實實現(xiàn)勻勻速壽命短短微電機機分類類壓電微微電機機形狀記記憶合合金微微電機機執(zhí)行機機構比比較簡簡單，，有偏偏置式式和推推挽式式兩種種。按按電機機的運運動形形式，，其基基本結結構可可分為為直線線位移移型和和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)位移移型。。微電機機分類類直線位位移型型SMA電機形狀記記憶合合金微微電機機微電機機分類類旋轉(zhuǎn)位位移型型SMA電機對偏置置式而而言，，加熱熱SMA彈簧，，相變變發(fā)生生，形形狀回回復力力克服服彈簧簧拉力力，產(chǎn)產(chǎn)生動動作。。冷卻卻時，，SMA發(fā)生逆逆相變變，此此時，，SMA彈簧很很軟，，在拉拉伸彈彈簧的的作用用下，，驅(qū)動動器恢恢復到到原來來的位位置。。如此此反復復，可可使電電機輸輸出位位移。。對推挽挽式而而言，，加熱熱一側側SMA的同時時，冷冷卻另另一側側的SMA，電機具具有雙向向做功的的能力。。一般來來說，推推挽式比比偏置式式的輸出出功率太太，能量量轉(zhuǎn)換效效率高。。微電機分分類形狀記憶憶合金微微電機微電機的的分類優(yōu)點驅(qū)動電壓壓低結構簡單單電場干擾擾小無振動噪噪聲、無無污染對人體無無毒害作作用缺點記憶形狀狀具有一一定不穩(wěn)穩(wěn)定性材料特性性的變化化會改變變驅(qū)動頻頻率連接元件件易損耗耗形狀記憶憶合金微微電機磁致伸縮縮型微電電機某些材料料置于磁磁場中，，其幾何何尺寸會會發(fā)生變變化，這這一現(xiàn)象象稱為磁磁致伸縮縮效應，，這些材材料則稱稱為磁致致伸縮金金屬。根根據(jù)材料料幾何尺尺寸變化化形式的的不同,磁致伸伸縮效效應又又可分分為縱縱向效效應、、橫向向效應應、握握轉(zhuǎn)效效應和和體積積效應應。磁致伸伸縮型型電動動機是是利用用磁致致伸縮縮效應應,在磁場場激勵勵源下下，通通過磁磁致伸伸縮型型驅(qū)動動器實實現(xiàn)能能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。。可分分為直直線型型和旋旋轉(zhuǎn)型型兩種種。微電機機分類類磁致伸伸縮型型微電電機微電機機分類類主要由由Terfenol-D驅(qū)動棒棒、起起固定定驅(qū)動動棒作作用的的定子子管和和用來來產(chǎn)生生磁場場的線線圈三三部分分組成成。磁致伸伸縮直直線電電機結結構圖圖兩個相相互垂垂直的的超磁磁致伸伸縮棒棒A和B由驅(qū)動動元件件連接接在一一起，，A和B上分別別繞有有線圈圈，線線圈由由正弦弦波形形的電電流驅(qū)驅(qū)動。。其中中A、B兩個棒棒的驅(qū)驅(qū)動線線圈電電流相相位差差為90°。微電機機分類類磁致伸伸縮摩摩擦電電機原原理圖圖磁致伸伸縮型型微電電機主要由由8個(或8個以上上)超磁致致伸縮縮驅(qū)動動器、、柔輪輪和剛剛輪三三部分分組成成。通通過依依次控控制驅(qū)驅(qū)動器器的伸伸縮位位移，，使柔柔輪產(chǎn)產(chǎn)生流流動的的彈性性變形形。超磁致致伸縮縮諧波波電動動機結結構原原理圖圖微電機機分類類磁致伸伸縮型型微電電機微電機機分類類磁致伸伸縮型型微電電機特點：：轉(zhuǎn)速低低、步步進驅(qū)驅(qū)動、、調(diào)速速范圍圍寬、、慣量量小、、響應應快、、運動動平穩(wěn)穩(wěn)、精精度高高、承承載力力大、、效率率高、、控制制性能能好。。但是由由于超超磁致致伸縮縮材料料易受受到電電磁場場的干干擾，，必須須對超超磁致致伸縮縮材料料作一一定的的屏蔽蔽磁場場措施施。微電機機的應應用信息領領域微電動動機與與傳感感器、、數(shù)字字電路路集成成在一一個半半導體體芯片片上用用作開開關組組合部部件。。光纖纖產(chǎn)品品、光光學儀儀器，，如光光開關關、各各種視視盤機機及光光刻機機、激激光設設備及及激光光刀等等都需需要精精密微微型電電機驅(qū)驅(qū)動和和超微微電動動機與與光器器件融融合為為一體體的光光機電電系統(tǒng)統(tǒng)。微電機機的應應用軍事領領域各種機機器昆昆蟲、、微機機器人人等將將會在在今后后的反反恐、、救援援、戰(zhàn)戰(zhàn)爭前前線偵偵察、、考古古、司司法取取證、、科學學探索索等方方面大大顯身身手，，而每每一個個微型型探測測器內(nèi)內(nèi)部都都裝有有大量量的微微電機機以完完成各各種需需要的的動作作。醫(yī)療領領域醫(yī)療領領域是是微機機械技技術應應用的的最具具代表表性的的領域域。微微創(chuàng)傷傷內(nèi)窺窺診療療、精精密顯顯微外外科、、體內(nèi)內(nèi)局部部微量量給藥藥都需需要高高度靈靈巧、、高度度柔順順性的的微電電機。。微電機機的應應用人工心心臟微電機機的應應用微電電機機的的應應用用航空空航航天天領領域域微電電機機可可用用在在帶帶攝攝像像裝裝置置進進入入衛(wèi)衛(wèi)星星、、火火箭箭或或宇宇航航飛飛機機內(nèi)內(nèi)檢檢查查故故障障的的機機器器人人上上。。在在超超微微電電機機基基礎礎上上還還可可以以發(fā)發(fā)展展慣慣性性導導航航器器件件，，如如微微陀陀螺螺。。上海交通通大學研研制的抗抗磁懸浮浮微陀螺螺國內(nèi)外微微電機研研究對比比微電機研研究和發(fā)發(fā)展方向向目前微電電機研究究遇到的的困難和和發(fā)展趨趨勢1.微機械性性能評測測技術微電機建建模、仿仿真、優(yōu)優(yōu)化設計計的正確確性、有有效性，，需要微微機械性性能評測測技術加加以評價價。2.微摩擦與與微支撐撐電機發(fā)出出的力很很小，往往往會被被其自身身的摩擦擦力消耗耗掉。極極小的運運動間隙隙需要嚴嚴格的防防塵技術術。發(fā)熱熱和耐久久性問題題是值得得關注的的課題。。微電機研研究和發(fā)發(fā)展方向向3.降低功耗耗與低電電壓驅(qū)動動微機器人人的無纜纜化、自自立化需需要用電電池或無無線能量量傳輸解解決供電電問題。。所以必必須研究究更簡單單高效的的驅(qū)動電電路和控控制電路路，開發(fā)發(fā)低功耗耗、低電電壓驅(qū)動動的電機機。4.薄型化、、多功能能化、多多自由度度微電機往往往應用用于空間間十分狹狹小的場場合，集集傳感、、驅(qū)動、、制動等等為一體體的多功功能微電電機，或或多自由由度的微微電機會會大受歡歡迎。特特別是在在非結構構環(huán)境中中，微電電機應能能控制其其柔順性性。微電機研研究和發(fā)發(fā)展方向向謝謝！9、靜夜四無鄰鄰，荒居舊業(yè)業(yè)貧。。1月-231月-23Wednesday,January4,202310、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。21:24:5721:24:5721:241/4/20239:24:57PM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。1月-2321:24:5721:24Jan-2304-Jan-2312、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。21:24:5721:24:5721:24Wednesday,January4,202313、乍見翻疑夢夢，相悲各問問年。。1月-231月-2321:24:5721:24:57January4,202314、他鄉(xiāng)鄉(xiāng)生白白發(fā)，，舊國國見青青山。。。04一一月月20239:24:57下下午21:24:571月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。。一月239:24下午午1月-2321:24January4,202316、行動出出成果，，工作出出財富。。。2023/1/421:24:5721:24:5704January202317、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。9:24:57下午9:24下下午21:24:571月-239、沒有有失敗敗，只只有暫暫時停停止成成功??！。1月-231月-23Wednesday,January4,202310、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結結果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。21:24:5721:24:5721:241/4/20239:24:57PM11、成功功就是是日復復一日日那一一點點點小小小努力力的積積累。。。1月-2321:24:5721:24Jan-2304-Jan-2312、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。21:24:5721:24:5721:24Wednesday,January4,202313、不知香積寺寺，數(shù)里入云云峰。。1月-231月-2321:24:5721:24:57January4,202314、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。04一一月月20239:24:57下下午午21:24:571月月-2315、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。一月239:24下午午1月-2321:24January4,202316、少年年十五五二十十時，，步行行奪得得胡馬馬騎。。。2023/1/421:24:5721:24:5704January202317、空山新雨雨后，天氣氣晚來秋。。。9:24:57下下午9:24下下午21:24:571月-239、楊楊柳柳散散和和風風，，青青山山澹澹吾吾慮慮。。。。1月月-231月月-23Wednesday,January4,202310、閱讀一切好好書如同和過過去最杰