微執(zhí)行器專題5

內容:熱驅動器:固體的熱膨脹、雙片式驅動器；壓電驅動器:壓電懸臂粱驅動器、壓電疊片式驅動器、壓電馬達；三靜電驅動器:原理、懸臂粱式靜電驅動器和靜電旋轉式微馬達等.微執(zhí)行器工作原理-----在英語詞典里“驅動器”定義為Actuator:onethatactuates,specif:anyofvariouselectrichydraulic,orneumaticmechanismbymeansofwhichsomethingismovedorcontrolledindirectlyinsteadofbyhand(asamotorthatturnsofalargeshipormovestheelevatorsofanairplaneoranairbrakecylinderoperatedbyamotorman)

動詞“驅動”是Actuatevt1:toputintomechanicalaction<mostofhydraulicallyoperateditemsofequipmentareactuatedbypistonsandcylinders>可見，所謂驅動指的是對任何物體產生機械動作。所謂驅動器指的是能產生驅動動作的器件或裝置，即不是人類的手，而是間接動作或控制機器的電氣、氣體、液體的機構。微驅動器(MicroActuator)又稱微致動器和微執(zhí)行器，是能夠產生和執(zhí)行動作的一類微機械部件或機器的總稱。而俠義的說，指的是能將電能裝換成特定形式的機械能的微裝置。------微驅動器的驅動原理驅動功能的實現可以基于各種不同的物理原理。例如，利用靜電力的驅動，利用反壓電效應的驅動、利用磁致伸縮、形狀記憶合金等。------微驅動器裝置分類從裝置類型來看分為微轉動馬達、微直線運動馬達、微夾持器、微泵、微閥門等；從物理性質來看微驅動器可以分為靜電、壓電、電磁、磁致伸縮、熱、光電、氣動、生物、超導和記憶合金等。------研究微驅動器的必要性傳統(tǒng)的手表及其它許多精密制造業(yè)雖然能夠將機械零部件微型化到相當小的程度，但是多數傳統(tǒng)加工方法已經達到極限，所以人們才不得不求助于特殊微加工方法來制造微驅動器。微驅動器大多是毫米級的，運動件屬于微米級，利用微加工(IC工藝、體硅加工和LIGA)，微驅動器制作相對容易實現。------現狀與傳感器一起成為MEMS和TRANDUCERS中主要的研究對象，可以參考的論文很多。熱驅動器利用固體或液體尺寸隨溫度變化的特性的驅動元件叫做熱驅動器。一個有趣的例子是Keller等人設計的熱膨脹驅動的鑷子(1997)，8x1.5x40um尺寸的鑷子自由時是合起來的，當75mw能量輸入是它可以張開35um。熱驅動器分為電阻加熱方式和和介電損失加熱方式等。雙片驅動器是利用粘在一起的二種材料的熱脹系數不同來實現機械動作；而形狀記憶合金（SMA）屬于單片驅動器。電阻加熱式的加熱器通常集成在二個功能材料片之間。這種結構的特點是位移-輸入能量的關系線性好。缺點包括高功率投入、低頻帶和較復雜的結構(相對與靜電驅動)。介電損失式加熱大部分電介質在射頻能量作用下都會有部分能量損失并轉化為熱能，這一特性可以用來非直接地給雙片驅動器加熱。介電損失正比于所加RF電場的平方(或正比于所加RF能量)，產生的熱能用下式表達此處f為激勵頻率、εr”相對介電常數、E0為電場強度。

壓電懸臂粱驅動器 壓電懸臂粱驅動器是利用一層(或雙層)壓電材料，在電場作用下沿與電場正交方向伸長或縮短，引起的懸粱彎曲的一種驅動元件。如下圖，結構上與熱驅動器相近，只是功能材料是壓電材料而非熱變形材料。

雙壓電驅動器的設計，要考慮到單端固支使用時的空載變位δ0,最大發(fā)生力Fb，柔量sn和共振頻率fm:其中d31為橫向壓電常數；U為施加電壓；C11D為壓電材料的約束強度；ts為中心電極厚度；ρ為壓電材料的密度。積層型壓電驅動器∶壓電材料存在變位小、驅動電壓高的缺點、因此除設計成雙壓電型驅動元件外，還有積層型壓電驅動器。與雙層壓電驅動器相比，積層型在變位量、發(fā)生力、能量轉換率和穩(wěn)定性等方面有優(yōu)點。積層式壓電驅動器的例子1:慣性直線位移機構壓電管式驅動器，體積較大，諧振頻率較低雙壓電驅動舉例:微小STM器件微小STM器件的驅動原理SFM用壓電雙層驅動器微光學掃描器∶中間的微反射鏡由4根壓電陶瓷臂支承，可實現二維光學掃描，實驗結果證明掃描角度可達14度。靜電驅動器靜電驅動器的基本原理是利用二塊帶相反電荷的極板之間的相互吸引。它在微系統(tǒng)中獲得廣泛應用，因為相對而言一個相向表面金屬化的間隙微小的平板結構較易制造。在許多情況下，獲得的輸出功率和效率比理論預計的要低(由于fringingfield和表面漏電)，靜電驅動依然在許多場合十分重要(特別是只要相對與一個參照物移動其自身的場合)。計算靜電驅動器的力大小可以從Coulomb定律開始，下式給出二個點電荷間的庫倫力這里q1、q2二個點電荷所帶的庫倫數，x是二點之間距。如果不僅是二個點電荷，就需要確定每一對點電荷間的作用力，在求其向量和。對于實際的靜電驅動器，盡管有有限元等計算方法，大部分時候還是相當復雜的。在對許多簡單結構進行一階近似計算時，可以從平行板電容器的計算開始，但是對于大部分(比如懸背粱)驅動器，僅適用于夾角極小的場合。對于面積A的電容極板，在電壓V時存儲的能量:因此，很明顯靜電力與極板間距和板間電壓的關系都不是線性的。這種非線性有時可以用閉環(huán)控制的方法消除。極板間的靜電力為靜電懸臂粱驅動器靜電懸背粱式驅動器的基本結構如下圖所示。極板間原始間距為d，假定固定極板為剛性，可動極板厚度為t。以下是Peterson論文里的推導，目標是導出極板間所加電壓與懸背粱自由端位移間的關系。根據材料力學原理，在距離固定端x處的集中載荷，對于寬度w的粱，其自由端位移為此處在x處的靜電力q(x)為這里E—粱的楊氏模量，I—粱的彎矩，L—粱的長度。懸背的總位移可以用對粱全長度積分來獲得:下圖描畫的是載荷與位移之間的關系?？梢娮杂啥宋灰坪退与妷褐g的確十分非線性，并且當電壓超過一定的閥值，自由端位置會變得不穩(wěn)定。這個閥值有下式給出從原理上，優(yōu)點是低功耗和結構簡單易于制造,來說缺點是其電壓-力曲線非線性。討論:如果指厚相對于指長和寬很薄，則吸引力主要由邊緣場(fringingfield)產生而不是平板電場(parallel-platefield)。與懸背粱時靜電驅動器相比，叉指式靜電驅動器可以在器件表面方向有更大的位移量。像其它靜電式驅動器那樣，叉指式也可以由其自身作位置傳感。相對與其它靜電驅動方式，叉指式的最大優(yōu)點是其電壓-位移關系相當線性。在叉指式驅動器中，電容隨面積變化而不是隨間隙量，由于電容量隨面積作線性變化，位移隨電壓的按平方關系變化。具體推導可參考文獻。Tangetal,SensorsandActuators,VolA21,1-3,Feb.1990,pp328-331靜電梳齒式驅動器靜電梳齒式驅動器是由大量叉指式的“手指”組成，加一定電壓時會產生相對移動。如下圖所示為第三代核彈安全系統(tǒng)設計的24位密碼微機構24位密碼微機構中的靜電驅動器用叉齒式驅動器實現的Micro-STM(Y-Xu,Cornell)日立發(fā)表的Micro-STM(與SEM兼容),采用Comb式)同心圓狀的叉齒使靜電驅動器，直徑1mm。Tang,etal,SensorsandActuators,Vol.20(1989),pp15-20驅動光纖例子靜電馬達利用兩個充電電極之間基于靜電能的能量變化趨勢可產生機械位移，這種作用力使電極趨于相互接近并達到能量最小的穩(wěn)定位置。通過固定一個電極，并限制另一個電極向其移動的自由度，可以獲得一個單一方向的位移。所要施加的力可以通過對沿梯度方向靜電能求導來計算。最早(?)的靜電馬達由UCB發(fā)表出來，如下圖，轉子外徑120um，向四個方向伸出，靜子成放射裝分布在周圍，劃分成12個電極，每3個并聯接續(xù)，組成3相4極靜電馬達。Tai,etal,SensorsandActuators,Vol.20,No1/2,(1989),pp49-55UCB最早靜電馬達的斷面形狀。轉子式多晶Si，軸和轉子接觸不式Si3N4，以減小摩擦。轉子和靜子間隔2um，可以加60-400V電壓。三相靜子順次加電壓時，轉子可以連續(xù)轉動。200V時實測轉速150rpm，而理論值是200V時120krpm，摩擦的影響使其轉速降到近千分之一。MIT的Mehregany等人對UCB的靜電馬達進行了改進。將電極均勻地固定在圓周上形成轉子，而把靜子固定在外環(huán)上。他們在硅材料上制作出了多種類型的直徑30-100um的轉動馬達(一塊Si片上7000個)。轉子厚2um，軸間隙0.3um、電極間隙1.5um，轉子由3個凸起支撐，接觸面積極小。“Wobble”的轉速達到4000rpm。Mohreganyetal,Proc.TRANSDU