第六章——磁執(zhí)行器+修改ppt課件

1、第六章 磁執(zhí)行器根本概念和原理 -磁化及術語 -微磁執(zhí)行器的原理 微磁元件的制造 -磁性資料的堆積 -磁性線圈的設計和制造磁傳感器實例MEMS磁執(zhí)行器的實例電磁式微執(zhí)行器-根本概念磁化及術語 在磁場中的磁性資料會發(fā)生內部磁性的極化，這種景象稱為磁化。磁場強度符號H代表外部磁場對磁性資料的影響，單位A/m。磁場密度符號B代表在磁性資料中感應的總磁場，單位特斯拉T，1T=10000Gs。普通常見的磁性物體磁場密度是： 普通電冰箱的磁場為：100-1000Gs 地磁場赤道附近為：1Gs 磁存儲介質為：100mT或100Gs 用于磁諧振成像的稀土磁體為：1-2T家庭常用電器電磁輻射檢測數據參考表(mG

2、：毫高斯) 電器咖啡爐傳真機電熨斗錄像機VCD電磁輻射量1mG2mG3mG6mG10mG電器音響電冰箱空調電視機洗衣機電磁輻射量20mG20mG20mG20mG30mG電器電飯鍋復印機吹風機手機電腦 電磁輻射量40mG40mG70mG100mG100mG電器電須刀電熱毯吸塵器無繩電話微波爐電磁輻射量100mG100mG200mG200mG200mG硬磁體與軟磁體硬磁體：極化后剩磁較大軟磁體：極化后剩磁較小或無剩磁電磁式微執(zhí)行器-根本概念磁執(zhí)行器原理電磁致動：經過線圈通電產生磁場，導磁體由于磁場力的作用而產生運動。通電線圈 通電導體產生磁場。平行的兩條導線中通以一樣方向的電流那么彼此之間相互吸引

3、，假設通以相反的電流，那么彼此之間相互排斥。 電流流過U形導線時會在兩條導線之間產生排斥力。類似地，在一條置于磁場中的柔性金屬線上通以電流，導線會發(fā)生偏轉。 通電線圈也能產生磁場，它可與磁鐵或相隔一定間隔的線圈產生的外磁場相互作用而產活力械力。優(yōu)點：防止引線磁場對環(huán)境影響較小用無源永磁體，耗能小微磁執(zhí)行器的原理例8-21T的均勻磁場中，10mA電流的100m長金屬線，與磁力線垂直，受力多少？BI洛倫茲力？磁體在磁場中的受力MMMMMMMMMMabc情況a情況b情況c磁片1 2 3 41 2 3 41 2 3 4靜力0 0 0 00 0 0 0F F F F靜力矩0 0 0 0 0 T 0 T0

4、 T 0 T1234微磁元件的制造-磁性資料的堆積雖然可以把小片磁性資料附著在微機械構造上來實現傳感器和執(zhí)行器，但通常這樣的方法效率很低。磁性資料的片上集成更加準確而且運用廣泛。微器件堆積鐵磁資料最常用的方法是電鍍。含有所需磁性資料的離子化學溶液用作晶片的電解液。在電鍍槽中放有相反電極，金屬堆積晶片的任務片加上負偏置電壓。圖 磁性資料電鍍的工藝流程圖 電鍍模具移去后，構成的蘑菇 狀電鍍金屬微磁元件的制造-磁性線圈的設計和制造在芯片上集成螺線管是一件很有意思的事情。它們可以用作電磁源、線圈執(zhí)行器、電感器、遙測線圈和集成電路中的變壓器。最普遍而且可以制造的電磁體方式是單層、空心的平面線圈。這樣的線

5、圈不能產生很強的磁通量密度，由于短少磁芯而且橫向分布的金屬線遠離線圈的中心。下面兩幅圖堆多層平面線圈的工藝流程以及三維微線圈的制造進展了闡明。圖6.1 多層平面線圈的工藝流程圖6.2 三維微線圈的制造電磁體電磁體磁性梁執(zhí)行器永磁體氮化絕緣層入口出口德國的電磁致動微型閥金線圈 多晶硅 德國研制的電磁致動微閥，閥片為犧牲層技術制造的多晶硅膜。這是為小型氣體分析儀設計的微閥構造，設計的壓力目的為10-50kPa，過流才干為2-20mL/min，呼應時間為5ms。 電磁致動微閥電磁式微執(zhí)行器實例 外加磁場導致坡莫合金區(qū)域產生磁性極化，這反過來又和外加磁場作用，結果導致執(zhí)行器重新定位，直到它與磁場對準。

6、該器件可用于斬波、掃描、光束導向等微光學場所。外加磁場的磁執(zhí)行器鐵鎳合金線圈導管硅外部驅動微機械電磁閥該閥由一個NiFe濺射閥座和一個可開啟、封鎖的可挪動NiFe閥膜組成。依托活動膜片上支撐彈簧的內力，可以制成常開或常閉閥。微機械閥元件放置于攜帶有流體的管道中，管道的外面是由外加線圈構成的磁場，構成了一種電隔離操作。外加磁場的電磁閥電磁式微執(zhí)行器實例(7)電磁光開關電磁式微執(zhí)行器實例(8)磁場光纖MEMS驅動器電磁驅動光纖開關原理表示圖 加州理工學院設計的一種電磁驅動光纖開關的原理表示圖。當開關處于開形狀時，電磁驅動器帶著雙面微鏡向上運動，將微鏡置于光纖之間，每個輸入光纖的光信號經反射后從相鄰

7、的輸出光纖輸出，如圖a所示；在關形狀，微鏡在光纖之下，輸入光纖的信號直接從正前方的輸出光纖輸出，如圖b所示。 電磁式微執(zhí)行器實例(9)磁馬達 可變磁阻的微磁馬達，它帶有選集成的定子和線圈。定子由集成的電磁體制成，轉子由軟磁性資料制成。馬達有兩組顯磁極，一組在定子上，一組在轉子上。 當鼓勵相位線圈時，接近鼓勵定子電極的轉子磁極會吸引到定子磁極如圖a、b所示。由于定子旋轉，定子磁極將與轉子磁極對準。關斷鼓勵相位線圈的電流，下一個相位開場鼓勵使之延續(xù)運動。雙穩(wěn)態(tài)磁開關靜電執(zhí)行器需求恒定的電壓偏置來堅持開關在開或關的形狀，比較容易受供電中斷的影響。開關的雙穩(wěn)態(tài)鎖定很重要，由于它只需在開關的轉變過程中才

8、耗費掉功率，但無論在開或關的形狀都不需求電來堅持。電磁式微執(zhí)行器實例雙穩(wěn)態(tài)磁開關構造:由改動支柱將懸臂提升在襯底外表的上方。懸臂由頂部上的軟鐵磁資料和底部上的一層高電導率的金屬構成。平面線圈埋置于懸臂的下方。偏置磁場有兩個來源：一個是平面線圈，一個是永久磁體。永久磁體位于襯底的外表，用于提供恒定的背景磁場。該開關的獨特設計在于：雙向磁化可以經過運用第二個磁場很快反轉。這使得可以施加小電流來實現力矩和開關位置的轉換。為了實現這一目的，在懸臂梁和外部磁場之間運用了平面線圈以產生磁場來補償外部磁體產生的磁場。永久磁體使懸臂堅持在開或關的位置直到下次開關動作出現。磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮效應： 1840

9、年焦耳發(fā)現，當給鎳棒加一個軸向磁場時，它會收縮。在外加磁場的作用下，資料的磁疇按外磁場進展陳列，從而引起資料尺寸的變化。微型磁強計定義：利用MEMS技術制造的，把磁場強度和方向信號轉換為電信號輸出的器件。微型磁強計按任務原理主要可分為兩大類：電磁效應式和機械式。 微傳感器的實例電磁微型磁通門式磁強計磁通門式磁強計由繞向相反的一對鼓勵線圈和檢測線圈組成。磁芯任務在飽和形狀。當被測磁場為零時，兩個磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在丈量線圈中無電壓產生。當被測磁場不為零時，在丈量線圈產生感應電勢。德國于1995年研制的微型磁通門磁強計，利用CMOS工藝制造線圈。尺寸為1mm1mm1um，靈敏度為 9.2mV/uT 微型磁通門式磁強計例1日本于1994年研制的三維螺線管線圈，尺寸為4.9mm1mm4m，靈敏度到達2700V/T，分辨率到達10-7T微型磁通門式磁強計例2機械式微型磁強計布有線圈或永磁體的微梁在磁場中受力變形或運動，經過丈量該變形或運動，獲取磁強信息。丈量方式有：壓阻式、電容式、隧道效應式等。 美國UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撐著一線圈，線圈通上交變電流，在Lorentz作用下梁發(fā)生振動，利用壓敏電阻丈量其振幅。分辨率為10-8T，Q為10。諧振式微型磁強計例