MEMS—電熱式驅(qū)動器.ppt

MEMS電熱驅(qū)動器 吳清遠 綜述基本原理驅(qū)動分類優(yōu)缺點 目錄 綜述 在眾多的驅(qū)動機構技術中 電熱驅(qū)動機構是一種驅(qū)動方式新穎的后起之秀 自從1988年第一個電熱驅(qū)動的硅微驅(qū)動器被研制出來 二十多年來通過眾多研究人員的努力 得到了很長足的發(fā)展 研制出了各種各樣的應用產(chǎn)品 基本原理 電 熱 驅(qū)動 電熱驅(qū)動器的執(zhí)行 是通過注入或抽走其中的熱量來實現(xiàn) 溫度分布的變化通過熱膨脹 熱收縮引起機械位移或者力的輸出 升溫 電磁波 歐姆熱 熱傳導 熱對流降溫 熱傳導 熱對流 熱輻射 有源熱電制冷 熱膨脹 指物體因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象 通常是指外壓強不變的情況下 大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時 其體積增大 溫度降低時體積縮小 熱膨脹系數(shù) 物體由于溫度變化引起的體 面 線產(chǎn)生的相對變化 體積熱膨脹系數(shù) 是體積的相對變化與溫度變化的比值 通常記為 電熱驅(qū)動 雙金屬熱致動熱膨脹致動熱氣動 驅(qū)動分類 雙金屬熱致動 雙層膜電熱驅(qū)動器 雙層膜電熱型微驅(qū)動器結構示意圖 原理 它的基本結構是由上半部分圖形化的金屬電阻絲結構作為驅(qū)動層和下半部分的偏置層構成的懸臂梁結構 在導線中通入電流 使導線發(fā)熱升溫 驅(qū)動層和偏置層的體積都隨溫度升高而膨脹 但由于二者的熱膨脹系數(shù)不同 驅(qū)動層和偏置層組成的執(zhí)行結構會產(chǎn)生向面外翹曲的動作 從而實現(xiàn)驅(qū)動功能 雙金屬熱致動懸臂梁結構示意圖 雙金屬熱致動 雙金屬熱致動微型泵結構框圖 微型薄膜泵理論模型示意圖 清華大學精密儀器與機械學系楊岳等人利用雙金屬片驅(qū)動方式研制了熱致動微型泵 薄膜型微型泵其工作原理基本都是依靠驅(qū)動薄膜的彈性變形 使泵腔的體積發(fā)生變化 從而導致泵腔內(nèi)的壓力變化 實現(xiàn)流體由入口閥進入泵腔并由出口閥流出的周期性變化 其一般的理論近似模型如圖所示 但是采用雙金屬熱致動作為驅(qū)動方式的微型泵 其一般工作頻率較低 具有導向性的分段式雙層膜電熱驅(qū)動器 具有導向性的分段式雙層膜電熱驅(qū)動器 原理 該結構采用兩段相反形狀的雙層膜結構 在通電加熱過程中 利用兩段相反結構的雙層膜中產(chǎn)生的不平衡焦耳熱量進行驅(qū)動工作 兩段雙層膜的不同分布位置及幾何尺寸決定了驅(qū)動器整體的運動方向和幅度 該器件主要利用Post CMOS工藝制備 對于兩段相反形狀的雙層膜結構 采用了摻雜的方式實現(xiàn) 其主要優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)一種導向性的驅(qū)動模式 熱膨脹致動 U型電熱式驅(qū)動器V型電熱式驅(qū)動器 熱膨脹致動 基于冷熱臂結構的U型電熱式驅(qū)動器 改進的雙熱臂U型電熱式驅(qū)動器 該驅(qū)動器主要由兩個寬度不同 長度相等的膨脹臂構成 兩個膨脹臂均用同一種導電材料制成 在自由端相連 構成一個電路回路 兩個臂腳由兩個固定錨柱固定在基板上 熱臂要比冷臂窄 因而熱臂的電阻要比冷臂的電阻高 當在熱臂和冷臂上通入電流時 在熱臂上產(chǎn)生的熱要比冷臂多 在熱膨脹的作用下 熱臂在長度方向的伸長量也要大于冷臂 由于兩臂在自由端相連 互相牽制 所以導致驅(qū)動機構的自由端將向冷臂方向彎曲 從而產(chǎn)生橫向驅(qū)動作用 U型電熱式驅(qū)動器 電熱式驅(qū)動器驅(qū)動微平面 熱膨脹致動 V型電熱微驅(qū)動器的基本單元是兩端固定在基底上呈V字型的懸臂梁結構 當通過電極施加交變或脈沖電壓時 V型懸臂梁的末端可在一定頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)微幅振動 最常用的是其陣列結構 這種V型電熱微驅(qū)動器的主要特點是驅(qū)動力大 同時結構也比較簡單 較容易實現(xiàn)控制 且可以與集成電路制造工藝相兼容 在MEMS研究和器件設計中被廣泛采用 V型電熱微驅(qū)動器 新型復合結構V型電熱微驅(qū)動器 在彎曲梁電熱微驅(qū)動器原理的基礎上 通過引入熱膨脹系數(shù)更大的聚合物基復合結構材料 提出了一種新型復合材料電熱微驅(qū)動器 由聚合物包裹著金屬彈簧電阻絲結構組成一根懸臂梁 然后兩根懸臂梁組成V型電熱驅(qū)動結構 相對于原始的彎曲梁結構 新型微驅(qū)動器加熱電阻大為提高 能量就更多地集中在微驅(qū)動器上 減少了傳輸損耗 熱氣動 噴墨打印機 噴墨打印機中墨滴噴