第六章微執(zhí)行器

第六章微執(zhí)行器第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第6章微執(zhí)行器微執(zhí)行器的致動方式與材料典型微執(zhí)行器——微馬達(dá)典型微執(zhí)行器——微泵閥與微流量系統(tǒng)典型微執(zhí)行器——梳狀位移驅(qū)動器第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第一部分微執(zhí)行器的致動方式與材料微執(zhí)行器的主要驅(qū)動方式及其對應(yīng)材料(分類方法1)電（靜電/壓電/電致伸縮/凝膠/電流變體）磁（磁力/磁致伸縮）熱（SMA/雙金屬/熱氣動）光、化學(xué)等采用驅(qū)動材料與驅(qū)動結(jié)構(gòu)的關(guān)系(分類方法2)機(jī)械微結(jié)構(gòu)型——運(yùn)動在零件間生成，材料可應(yīng)力變形可變形微結(jié)構(gòu)型——運(yùn)動在零件材料內(nèi)生成再按照剛性、柔性材料分對比：摩擦、行程、響應(yīng)、“智能性”、尺度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，與電致伸縮原理區(qū)別典型材料——PZT陶瓷（鋯鈦酸鉛PbZrO3-PbTiO3），彈性模量為63000MPa，應(yīng)變?yōu)?.001量級典型產(chǎn)品——微執(zhí)行器，微閥泵、超聲微馬達(dá)、微聲器件等特點(diǎn)——精確、響應(yīng)快、推力大（最大應(yīng)力63MPz）壓電材料第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

工作原理：磁場作用下，長度、應(yīng)力、彈性模量與聲傳播速度均會發(fā)生變化參數(shù)：磁致伸縮系數(shù)λs

典型材料：合金鎳、鎳—鈷、鐵—鈷、鎳鐵氧體，

λs可達(dá)10-4~10-3

作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)可承受應(yīng)變比壓電陶瓷（因其磁疇呈直線）高的機(jī)電耦合系數(shù)寬的工作溫區(qū)高的精度較大的輸出力磁致伸縮材料第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

工作原理：液體+長聚合物分子組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)凝膠與溶解物化合時(shí)，體積膨脹變大，而當(dāng)溶解物再次被釋放出來時(shí)，凝膠的體積收縮變小。典型材料：聚丙烯酸鹽、聚乙烯醇作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)很高的機(jī)械轉(zhuǎn)換效率無摩擦柔性體凝膠第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

工作原理外加電場下，介電膠體粒子極化并沿電場方向呈鏈狀排列，從而使其流變特性劇烈變化，如粘性、塑性、彈性。典型用途宏觀力學(xué)元器件——離合器（具有無級可調(diào)、容易控制、響應(yīng)速度高的特點(diǎn)）、減震器（可在約1ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)由低粘度到高粘度的變化，從而可獨(dú)立而迅速地實(shí)現(xiàn)減震）、液壓閥等。微觀執(zhí)行器——微閥、微泵、微開關(guān)等。作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)集固體屬性與液體的流動性于一體高機(jī)械轉(zhuǎn)換效率無摩擦柔性體電流變體第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)致動力仍較小、功率小行程小

靜電力在微觀條件下：典型結(jié)構(gòu)：微靜電馬達(dá)、膜片驅(qū)動等上升為主要作用力幾乎無處不在的負(fù)面影響普通靜電驅(qū)動第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)磁力產(chǎn)生結(jié)構(gòu)（磁性材料和線圈）受微加工工藝限制磁力對周邊影響典型結(jié)構(gòu)——傳統(tǒng)電磁型微馬達(dá)國內(nèi)代表：上海交通大學(xué)，LIGA工藝，直徑2mm電磁型微馬達(dá)普通磁力驅(qū)動第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三元件間熱膨脹系數(shù)失配，金屬的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于硅熱氣動流體加熱膨脹實(shí)現(xiàn)動作雙金屬結(jié)構(gòu)普通熱效應(yīng)致動第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三工作原理：拉力和溫度誘發(fā)相變銅基合金（如CuAlNi）——成本低、熱導(dǎo)率極高、溫度反應(yīng)時(shí)間短鈦鎳合金（如TiNi、TiNiCu、TiNiFe）——性能佳（強(qiáng)度、重復(fù)性、壽命）；導(dǎo)熱率低；加工困難、成本高鐵基合金——成本最低、剛性好、易加工。

材料

相變溫度Mt——

Ms和Mf的平均值MtTiNi冷卻過程Ms以上奧氏體，Mf以下為馬氏體，Ms和Mf之間（約為15℃）具有馬氏體和兩種相。Ms和Mf的平均值Mt稱為相變溫度約為60-75℃形狀記憶合金（SMA）第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)突變雙態(tài)性TiNi合金內(nèi)部發(fā)生的熱彈性相變?yōu)閲?yán)格的周而復(fù)始，無殘余變形而呈現(xiàn)完全彈性，因此驅(qū)動的完全重復(fù)性很好，驅(qū)動精確重復(fù)較大的力、行程，從而能量應(yīng)用形狀恢復(fù)時(shí)應(yīng)力、位移——微執(zhí)行器（電流加熱驅(qū)動）熱敏感——熱動作型的開閉器能量貯存體第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三單位體積有效能量W

SMA——W為4×107J/m3（TiNi，屈服強(qiáng)度420MPa，應(yīng)變8%）雙金屬片——與SMA大致相當(dāng)，取決于溫度變化速率、幅度

靜電——W約為4×105J/m3（自由空間、擊穿極限3×108V/m）

PZT壓電材料——W約為105J/m3量級

磁力——W約為106J/m3量級（自由空間、飽和磁通密度1.5T）熱微執(zhí)行器10ms量級電、磁微執(zhí)行器的響應(yīng)時(shí)間微秒量級靜電微執(zhí)行器更快響應(yīng)時(shí)間微執(zhí)行器的性能比較第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三熱微執(zhí)行器能耗高磁力執(zhí)行器能耗很大，因需要大電流通過線圈，散熱問題需要認(rèn)真解決電和磁微執(zhí)行器能耗低，靜電微執(zhí)行器能耗最低能耗與IC工藝的兼容性——追求同片上微執(zhí)行器與能量、控制集成靜電微執(zhí)行器工藝性最好，采用IC導(dǎo)電或絕緣膜結(jié)構(gòu)磁執(zhí)行器工藝性差——IC中很少采用磁性材料，手工裝配PZT等薄膜工藝不斷發(fā)展微執(zhí)行器的性能比較第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第二部分典型微執(zhí)行器——微馬達(dá)一、電磁型微馬達(dá)定子——鐵氧體基板上制備驅(qū)動線圈轉(zhuǎn)子——釤鈷永磁合金薄片制成，膠結(jié)鐵鎳合金薄片。采用特殊的充磁方法，在垂直于薄片的方向上寫入磁極。與傳統(tǒng)內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)對比工藝兼容性分析：第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三分析方法：左手法則原理第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三二、靜電型微馬達(dá)靜電馬達(dá)與傳統(tǒng)馬達(dá)的區(qū)別、意義、MEMS發(fā)展代表性作用區(qū)分微執(zhí)行器與微馬達(dá)優(yōu)點(diǎn)：定子/轉(zhuǎn)子（導(dǎo)電材料/絕緣材料）加工與IC工藝兼容問題：定子/轉(zhuǎn)子間隙很小，才能產(chǎn)生足夠大的轉(zhuǎn)矩，易擊穿措施：用氮化硅作絕緣層第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

性能10-100V電壓——考慮微小尺寸的擊穿開環(huán)的步進(jìn)工作速度已高達(dá)15000r/min，只受電源限制動態(tài)摩擦轉(zhuǎn)矩低于微馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)矩的10%，運(yùn)轉(zhuǎn)中磨損不是主要的限制因素凸極式微馬達(dá)的典型輸出轉(zhuǎn)矩約為10pN·m壽命幾天，幾百萬次起停試驗(yàn)要求：轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性、增大輸出轉(zhuǎn)矩、制備工藝簡單

——往往以犧牲后一個為代價(jià)措施例子（圖6.5），原理第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1、靜電力驅(qū)動變電容式步進(jìn)微馬達(dá)原理轉(zhuǎn)子和定子厚度1.0-1.5μm多晶硅片轉(zhuǎn)子直徑60-120μm

轉(zhuǎn)子和定子空隙1-2μm

轉(zhuǎn)矩分析（理解）指標(biāo)要求較大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩合理的電壓盡可能減小摩擦精細(xì)的角度分辨率第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三步輻分析原理：在前一對電極產(chǎn)生步進(jìn)后，相鄰的下一對電極的相對位置必須在轉(zhuǎn)矩最大位置極數(shù)關(guān)系：轉(zhuǎn)子極數(shù)一般為2n；定子的靜電極數(shù)為3×2n計(jì)算公式第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三減摩技巧

選材：Si3N4和多晶硅接觸球面接觸懸浮第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三工藝步驟

第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2、靜電力驅(qū)動變電容式同步微馬達(dá)

另一種結(jié)構(gòu)思路：以多晶硅為結(jié)構(gòu)主體，用為Si3N4襯墊，這樣可以獲得硅的較好的結(jié)構(gòu)性能定子電極常選12個，轉(zhuǎn)子電極為4個第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三工藝步驟第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3、靜電力驅(qū)動諧波式微馬達(dá)

工作原理結(jié)論：轉(zhuǎn)子角頻率的值取決于定子半徑和轉(zhuǎn)子半徑Rr之差，差值越小，比越小。為轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)的角頻率

為偏心距H的角頻率，即轉(zhuǎn)子軸心的角頻率

第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)獲得大減速比，直接實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)速、大力矩避免了平板式結(jié)構(gòu)因空隙過小吸附效應(yīng)的負(fù)作用結(jié)構(gòu)可靠滾動摩擦，有利于降低磨損、功耗制造比較復(fù)雜

第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三4、電懸浮減摩措施

理解分析過程第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三三、微行星齒輪減速器了解紫外線掩模板的CAD分割矩形逼近原理只許重疊、不許遺漏原則矩形窗口在0.1-150m之間轉(zhuǎn)化成加工數(shù)據(jù)文件輸出在鍍鉻玻璃板上用以上的圖形進(jìn)行紫外曝光，形成制作微齒輪X光掩模板的過渡掩模板

第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三X射線掩模板的加工X射線深層光刻和微電鑄微復(fù)制微裝配

模壓溫度、模壓壓力、時(shí)間、脫模溫度、脫模速率、距離非結(jié)晶塑料的玻璃化溫度（Tg），結(jié)晶性塑料的融熔溫度（Tm）采用材料：PC、PMMA、PMMA（黑）、PVC、PS

應(yīng)用LIGA技術(shù)第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第三部分典型微執(zhí)行器——微泵/微閥主要應(yīng)用形式——微流量控制系統(tǒng)應(yīng)用：微量化學(xué)分析、微量藥劑控制、太空微型推進(jìn)系統(tǒng)基于電熱原理測量的質(zhì)量流量傳感器的原理區(qū)分“制動”與“致動”流量的執(zhí)行（微泵/閥）與檢測（流量微傳感器）是最基本元件。第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三1、微閥致動器、閥門、閥座+閥體；最常用壓電制動方式，壓力防泄漏、響應(yīng)速度閥門——柔性體懸掛、硬中心、凸臺面措施：結(jié)構(gòu)：關(guān)鍵問題：泄漏、磨損接觸平面凸形環(huán)軟材料閥座氮化硅（Si3N4）或金剛石膜第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三整流特性太空微型飛行器上推進(jìn)系統(tǒng)中微閥的一組性能參數(shù)（見書）性能第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三2、微泵膜片致動方式膜片式壓力泵的總體結(jié)構(gòu)特征。MEMS普遍采用原因：結(jié)構(gòu)符合二維半加工特點(diǎn)，工藝兼容膜片式壓力泵再分：有閥微泵/無閥微泵流量泵/壓力泵與各自特點(diǎn)第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三壓電致動膜片式第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三雙金屬膜片熱致動式原理：硅膜上擴(kuò)散電阻加熱?？刂茰囟?改變空隙-調(diào)節(jié)流量。選材：硅膜片和鋁金屬層最具優(yōu)越性。熱膨脹系數(shù)差大（硅2.6×10-6/K，鋁23×10-6/K）。設(shè)計(jì)計(jì)算方法觀念：微尺寸效應(yīng)-熱慣性明顯減小-響應(yīng)滿足微泵第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三記憶合金制動式第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三TiNi合金膜片制作工藝優(yōu)缺點(diǎn)

與壓電制動的膜片微泵相比，較大的力、行程、從而效率TiNi合金膜片變化完全重復(fù)性好，泵室變化量精確重復(fù)需要熱源第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三熱—?dú)庵苿邮诫p穩(wěn)態(tài)膜片結(jié)構(gòu)特征——微小傾度的球形或錐形圓頂本質(zhì)是變形量剩余第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3、無閥微泵優(yōu)點(diǎn)：a.避免因閥門磨損、疲勞及壓降而降低工作壽命和可靠性b.適合在高頻下工作，脈動性小。

改進(jìn)：推挽工作模式等第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三工作原理第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三推導(dǎo)排量、效率1、參數(shù)說明、

、

流體力學(xué)給出,能量轉(zhuǎn)換角度理解pi和p0與pc相比忽略不計(jì)?！⒁馄淝疤崤c影響2、推導(dǎo)d、n口流量公式結(jié)論：流量不同，原理成立第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三3、推導(dǎo)吸入、排出階段的出口流量吸入階段排出階段4、得到泵的排量5、得到泵的效率結(jié)論：是決定性因素推導(dǎo)排量、效率第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三

擴(kuò)散管/噴管的理論分析設(shè)計(jì)依據(jù)：傳統(tǒng)（宏觀）流體力學(xué)大量實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)偏差來源：宏觀與微觀定常流動與高速紊流幾何形狀（MEMS加工出一般為方形截面）宏觀應(yīng)用：應(yīng)用于渦輪機(jī)、壓縮機(jī)及噴射管，多在高速流動狀態(tài)下影響壓力損失的因素有：幾何形狀、尺寸、流動狀態(tài)、流速等第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三擴(kuò)散管/噴管的理論分析擴(kuò)散管大擴(kuò)散角損失大、小擴(kuò)散角損失小的流體力學(xué)原因4°效應(yīng)能量損失最小的擴(kuò)散角約為5°-12°粘性較大最佳擴(kuò)散角度應(yīng)大于粘性較小的流體噴管流動穩(wěn)定，損失很小第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三實(shí)際形狀的設(shè)計(jì)需要3個區(qū)的原因突變損失系數(shù)等于1的能量解釋壓力損失系數(shù)要求自己會算第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三第四部分典型微執(zhí)行器

——梳狀微諧振器

應(yīng)用：微位移執(zhí)行器微諧振器（微傳感器、微機(jī)電濾波器）優(yōu)點(diǎn)：整體為全硅結(jié)構(gòu)；非接觸式激勵和檢測，具有高靈敏度。兩種布局第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)構(gòu)與制作工藝第47頁，共51頁，2023年，2月20日，星期三驅(qū)動力