靜電微執(zhí)行器

靜電微執(zhí)行器王云201521203018機(jī)研156摘要：微執(zhí)行器是微系統(tǒng)三大組成部分之一，是微系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)微操作的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件?，F(xiàn)代工業(yè)對(duì)精度的要求極高，傳統(tǒng)的執(zhí)行器件無(wú)法滿足這種精度要求，微執(zhí)行器應(yīng)運(yùn)而生。不同的微執(zhí)行器由于不同的工作特點(diǎn)，制作也有差別。靜電執(zhí)行器是利用異性電荷的庫(kù)侖力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的。靜電執(zhí)行器可以制作靜電電機(jī)、靜電微閥和微泵等。關(guān)鍵字：驅(qū)動(dòng)；微執(zhí)行器；靜電執(zhí)行器；電機(jī)；Abstract:themicroactuatorsisoneofthethreecomponentsofmicrosystemisthekeytothemicrosystemcanrealizemicrooperationsdrivecomponents.Modernindustryfortherequirementofhighprecision,theimplementationoftraditionaldevicecanmeettheaccuracyrequirement,microactuatorsarisesatthehistoricmoment.Duetothedifferentcharacteristicsofdifferentmicroactuators,therearedifferences.Electrostaticactuatoristheuseofoppositechargesofcoulombforceisusedtoimplementthemechanicalmovement.Electrostaticactuatorcanmakeelectrostaticmicromotor,electrostaticmicrovalveandpump,etc.Keywords:drive;Microactuators;Electrostaticactuator,Themotor;0引言微機(jī)電系統(tǒng)MEMS,—般泛指尺度在微米級(jí)的裝置。微機(jī)電系統(tǒng)一般有三大部分構(gòu)成：微傳感器、微處理器和微執(zhí)行器。微執(zhí)行器在宏觀概念上就和電動(dòng)機(jī)一樣，是MEMS不可缺少的部件。長(zhǎng)期以來(lái)，人們研究壓電、靜電、電磁等各種各樣的驅(qū)動(dòng)器件，其中靜電力執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和激勵(lì)方式簡(jiǎn)單，加工工藝容易實(shí)現(xiàn)，能產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)的靜電諧振器頻帶寬度窄，驅(qū)動(dòng)阻尼小，品質(zhì)因數(shù)高［1。靜電執(zhí)行器在微系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是微系統(tǒng)執(zhí)行器的研究熱點(diǎn)。本文從靜電執(zhí)行器的基本概念出發(fā)，介紹了靜電執(zhí)行器的工作原理、分類以及前景。1靜電執(zhí)行器的概念靜電執(zhí)行器是利用異性電荷的庫(kù)侖引力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的［2。如圖所示1正電荷員電荷圖1靜電執(zhí)行器工作原理當(dāng)在兩極板施加電壓時(shí)，由于極板之間有介質(zhì)存在，正負(fù)電荷會(huì)分別聚集在兩個(gè)極板上，這時(shí)正負(fù)電荷之間就會(huì)產(chǎn)生靜電引力就是庫(kù)侖力為8SU2F_22d2式中8介電常數(shù)S電極板面積U施加電壓d電極間距當(dāng)改變施加的電壓時(shí)，由于靜電引力的變化使電極之間的距離發(fā)生幾個(gè)微米的變化。電極間距越小，電極間電場(chǎng)強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的靜電力也越大。因此微機(jī)電靜電執(zhí)行器能夠獲得相對(duì)較大的驅(qū)動(dòng)力。靜電執(zhí)行器是表面力的作用，即靜電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)力取決于施加電壓、電極間距和面積，而與電極厚度和體積無(wú)關(guān)，因此靜電執(zhí)行器的微型化比電磁執(zhí)行器、形狀記憶合金執(zhí)行器等于體積相關(guān)的微執(zhí)行器易實(shí)現(xiàn)。靜電執(zhí)行器常制作靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)、靜電直線電機(jī)、靜電微泵與微閥以及硅扭轉(zhuǎn)鏡等。靜電微執(zhí)行器常采用梳狀電極以增加作用面積和運(yùn)動(dòng)距離，如圖2。圖2靜電梳狀電極2靜電驅(qū)動(dòng)與其他驅(qū)動(dòng)方式的區(qū)別靜電驅(qū)動(dòng)與壓電、壓阻、電磁和記憶合金等驅(qū)動(dòng)方式相比，靜電驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力不大，但由于靜電驅(qū)動(dòng)改變極板電壓就可以來(lái)改變驅(qū)動(dòng)力，即用電壓控制。靜電驅(qū)動(dòng)的能耗小，響應(yīng)時(shí)間短，效率高，工藝兼容性好，可以用體硅和表面微機(jī)械加工，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，是微機(jī)電執(zhí)行器的發(fā)展趨勢(shì)［3。3靜電驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)以梳狀電極平行運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，通過(guò)時(shí)序控制在定子電機(jī)各齒面上的電壓，使轉(zhuǎn)子收到扭轉(zhuǎn)力產(chǎn)生力矩，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)型靜電電動(dòng)機(jī)一般是以多晶硅材料制成，形狀為扁平。旋轉(zhuǎn)型靜電電動(dòng)機(jī)可以分為三種:頂驅(qū)動(dòng)型、側(cè)驅(qū)動(dòng)型以及擺動(dòng)型。頂驅(qū)動(dòng)型旋轉(zhuǎn)靜電電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)是定子在轉(zhuǎn)子的上面，定子電極與轉(zhuǎn)子電極之間形成電容，電容中電場(chǎng)變化產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)軸承為切向的靜電力,直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。如圖3為靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)。圖3靜電旋轉(zhuǎn)電機(jī)靜電電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理有兩種:一種是利用介電馳豫原理，另一種是利用電容可變?cè)怼?介電馳豫原理.利用介電馳豫原理的靜電電動(dòng)機(jī)一般被稱為靜電感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或異步介電感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。其具體原理如下：如果將一個(gè)介電轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)中，那么就會(huì)在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出電荷,由于介電馳豫，這些電荷滯后于旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，這些感應(yīng)電荷與旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)之間的偏移就產(chǎn)生了一個(gè)作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。如果轉(zhuǎn)子由多種介質(zhì)構(gòu)成，那么不同的介電馳豫過(guò)程就會(huì)被疊加在不同的頻率下起作用。由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的角速度小于旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)的角速度，因此這種電動(dòng)機(jī)被稱之為“異步”電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與效率都取決于轉(zhuǎn)子角速度與旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)角速度的比。感應(yīng)型靜電電動(dòng)機(jī)有其自身的優(yōu)勢(shì)：第一，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)靠介電馳豫來(lái)建立轉(zhuǎn)子上的電荷分布，而不是靠轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，于是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子可以是光滑均勻的，甚至可以是液體。所以從制造工藝上講，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)比電容可變電動(dòng)機(jī)有優(yōu)勢(shì)。第二，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是異步運(yùn)行的，所以它可以不需要轉(zhuǎn)子位置的反饋就可以獲得較好的運(yùn)行性能。第三，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)某一特定的運(yùn)行狀態(tài)下可以提高軸承摩擦和磨損的特性。但是由于介電感應(yīng)電動(dòng)機(jī)材料的電性能對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行有很大的影響，因此對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)而言，對(duì)材料導(dǎo)電性能的控制就成為設(shè)計(jì)和制作上的難點(diǎn)2電容可變?cè)砝秒娙菘勺冊(cè)淼撵o電電動(dòng)機(jī)就是指利用帶電極板之間基于靜電能的能量變化趨勢(shì)產(chǎn)生機(jī)械位移，這種作用力使兩個(gè)電極趨于互相接近并達(dá)到一能量最小的穩(wěn)定位置。電動(dòng)機(jī)的定子為靜止電極，轉(zhuǎn)子為移動(dòng)電極，通過(guò)限制轉(zhuǎn)子向定子方向移動(dòng)的自由度，就可以使轉(zhuǎn)子獲得一個(gè)單一方向的位移。電容可變型靜電電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由性能良好的絕緣體和導(dǎo)電體構(gòu)成,它的激勵(lì)只需要簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)電壓脈沖就足夠了。電容可變型靜電電動(dòng)機(jī)也有著一些缺點(diǎn)：第一，為了使之能夠運(yùn)行，必須保證定轉(zhuǎn)子間的電容可變，因此對(duì)于頂驅(qū)式和側(cè)驅(qū)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就必須是凸極的結(jié)構(gòu)J,這樣的結(jié)構(gòu)做成平面化就需要復(fù)雜的工藝步驟。第二，為了獲得較大的電容變化以提高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，就需要減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，這就又增加了加工的難度。第三，電容可變型靜電電動(dòng)機(jī)是同步式電動(dòng)機(jī)，因此即使是最小的運(yùn)行也需要轉(zhuǎn)子位置的反饋，這可以說(shuō)是一個(gè)很重要的缺點(diǎn)。最后，轉(zhuǎn)子易受到橫向電場(chǎng)力的作用，從而導(dǎo)致了軸承摩擦和磨損。4靜電驅(qū)動(dòng)研究趨勢(shì)隨著靜電電動(dòng)機(jī)的外形尺寸越做越小,摩擦問(wèn)題成為制約靜電電動(dòng)機(jī)壽命與性能的最大因素（目前靜電電動(dòng)機(jī)的壽命一般是以小時(shí)為單位來(lái)計(jì)算），同時(shí)摩擦力還直接影響著靜電電動(dòng)機(jī)的效率。對(duì)于超微型的靜電電動(dòng)機(jī)來(lái)，摩擦力主要是由于表面的相互作用力而不再是載荷壓力，傳統(tǒng)的宏觀摩擦理論和研究方法已不再適用。研究微觀摩擦理論來(lái)獲得在質(zhì)量很小、壓力很輕的條件下無(wú)摩擦、無(wú)磨損的邊界條件對(duì)于解決以上問(wèn)題是十分必要的［4。目前靜電電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩還是相對(duì)過(guò)小，這使它的應(yīng)用范圍受到限制。要實(shí)現(xiàn)靜電電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)距離重負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，需要采用新的制造材料和新型結(jié)構(gòu)，同時(shí)也要研究靜電電動(dòng)機(jī)與被驅(qū)動(dòng)對(duì)象之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于靜電電動(dòng)機(jī)外形尺寸比較小，特別是由于其結(jié)構(gòu)多為扁平（徑向直徑大于軸向長(zhǎng)度），所以對(duì)靜電電動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行三維場(chǎng)的分析，一般情況下是采用有限元法（FEM）或邊界元法（BEM）。通過(guò)三維靜電場(chǎng)的計(jì)算，建立解析模型（也稱集總參數(shù)模型），結(jié)合電壓激勵(lì)方式的優(yōu)化和外形尺寸的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)靜電電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。5結(jié)束語(yǔ)本文主要介紹了靜電執(zhí)行器的基本概念和原理、靜電驅(qū)動(dòng)的分類、應(yīng)用以及研究方向。靜電驅(qū)動(dòng)常采用的梳狀電極方式有助于提高執(zhí)行器的綜合性能。參考文獻(xiàn)