MEMS執(zhí)行器-微電機課件

微電機

MEMS執(zhí)行器微電機的概述微電機的分類介紹微電機的應用微電機的研究和發(fā)展方向論文結構微電機概述各種執(zhí)行方式比較靜電執(zhí)行材料簡單需折中驅(qū)動力與位移大小執(zhí)行相應速度快易受吸合效應的限制熱執(zhí)行能得到較大位移量功耗相對較大執(zhí)行相應速度適中對環(huán)境溫度變化敏感壓電執(zhí)行響應快速材料制備過程復雜可得到較大的位移量低頻工作時性能下降磁執(zhí)行可產(chǎn)生較大角度位移量制造工藝較為復雜可使用很強磁力作為偏置片上螺線管制造較為復雜微電機概述微電機分類微電機靜電型微電機電磁型微電機壓電微電機形狀記憶合金微電機磁致伸縮型微電機

當兩個導體施加電壓的時候，會產(chǎn)生靜電力。靜電力的大小與尺寸的平方成反比。靜電力很少用于驅(qū)動宏觀機械，但是微型器件通常有較大的表面積體積比以及非常小的質(zhì)量，使得靜電力成為一種很有吸引力的微執(zhí)行驅(qū)動源。靜電型微電機可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。微電機分類靜電型微電機

旋轉(zhuǎn)靜電微電機的結構微電機分類靜電型微電機

微電機分類靜電型微電機

靜電驅(qū)動薄膜直線電機

基于平行板電容器的基本結構，平行板相對運動有兩種——法向移動和切向移動，當固定其中的一個平板，另一塊用機械彈簧懸吊，在偏置電壓下，平板將產(chǎn)生位移。

兩平行板間施加電壓,載荷會產(chǎn)生靜電力Fe

假設平板的平衡位置為x，x軸方向沿著間隙變大的方向，位移為x時，電極間的距離變?yōu)閐+x,在平衡位置的靜電力為

微電機分類靜電型微電機

微電機分類

優(yōu)點結構簡單功耗低響應快靜電型微電機

缺點驅(qū)動電壓大輸出力矩小電磁型微電機

電磁型超微電動機的研究始于20世紀90年代,根據(jù)電磁間互相作用產(chǎn)生的電磁力作驅(qū)動力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電磁型超微電動機基于傳統(tǒng)電磁理論設計,多采用無刷電機結構。電磁微電機的結構微電機分類

根據(jù)磁執(zhí)行原理，利用磁場產(chǎn)生力、力矩或者微結構的位移，驅(qū)動磁場作用在載流導線、電感線圈或者磁性材料。

微電機分類電磁型微電機微電機分類電磁型微電機

優(yōu)點驅(qū)動力矩大驅(qū)動電壓低易于裝配

缺點結構復雜與IC工藝兼容性差壓電微電機壓電電動機按結構可分為行波壓電電動機、駐波壓電電動機和復合壓電電動機;按照電機激勵部分的材料可分為薄膜壓電電動機和陶瓷壓電電動機。壓電電動機由于輸出轉(zhuǎn)矩大、無電磁干擾、響應速度快、微小位移輸出穩(wěn)定等優(yōu)點,可用于精密儀器、照相機、機器人及航空領域。如日本Canon公司將圓環(huán)式行波超聲波電動機用于鏡頭的驅(qū)動，微電機分類

在壓電陶瓷片上施加電信號,使之產(chǎn)生一定軌跡的機械振動,激勵與其粘接在一起的定子彈性體的振動,通過彈性體與轉(zhuǎn)子間的相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動。微電機分類壓電超聲波微電機的結構壓電微電機微電機分類壓電微電機

優(yōu)點響應速度快輸出轉(zhuǎn)矩高廉價質(zhì)輕

缺點材料制備復雜電機難以實現(xiàn)勻速壽命短微電機分類壓電微電機形狀記憶合金微電機

執(zhí)行機構比較簡單，有偏置式和推挽式兩種。按電機的運動形式，其基本結構可分為直線位移型和旋轉(zhuǎn)位移型。微電機分類直線位移型SMA電機

對偏置式而言，加熱SMA彈簧，相變發(fā)生，形狀回復力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動作。冷卻時，SMA發(fā)生逆相變，此時，SMA彈簧很軟，在拉伸彈簧的作用下，驅(qū)動器恢復到原來的位置。如此反復，可使電機輸出位移。對推挽式而言，加熱一側(cè)SMA的同時，冷卻另一側(cè)的SMA，電機具有雙向做功的能力。一般來說，推挽式比偏置式的輸出功率太，能量轉(zhuǎn)換效率高。微電機分類形狀記憶合金微電機微電機的分類

優(yōu)點驅(qū)動電壓低結構簡單電場干擾小無振動噪聲、無污染對人體無毒害作用

缺點記憶形狀具有一定不穩(wěn)定性材料特性的變化會改變驅(qū)動頻率連接元件易損耗形狀記憶合金微電機磁致伸縮型微電機

某些材料置于磁場中，其幾何尺寸會發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應，這些材料則稱為磁致伸縮金屬。根據(jù)材料幾何尺寸變化形式的不同,磁致伸縮效應又可分為縱向效應、橫向效應、握轉(zhuǎn)效應和體積效應。磁致伸縮型電動機是利用磁致伸縮效應,在磁場激勵源下，通過磁致伸縮型驅(qū)動器實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換?？煞譃橹本€型和旋轉(zhuǎn)型兩種。微電機分類

兩個相互垂直的超磁致伸縮棒A和B由驅(qū)動元件連接在一起，A和B上分別繞有線圈，線圈由正弦波形的電流驅(qū)動。其中A、B兩個棒的驅(qū)動線圈電流相位差為90°。微電機分類磁致伸縮摩擦電機原理圖磁致伸縮型微電機

主要由8個(或8個以上)超磁致伸縮驅(qū)動器、柔輪和剛輪三部分組成。通過依次控制驅(qū)動器的伸縮位移，使柔輪產(chǎn)生流動的彈性變形。超磁致伸縮諧波電動機結構原理圖微電機分類磁致伸縮型微電機微電機分類磁致伸縮型微電機

特點：轉(zhuǎn)速低、步進驅(qū)動、調(diào)速范圍寬、慣量小、響應快、運動平穩(wěn)、精度高、承載力大、效率高、控制性能好。但是由于超磁致伸縮材料易受到電磁場的干擾，必須對超磁致伸縮材料作一定的屏蔽磁場措施。微電機的應用信息領域微電動機與傳感器、數(shù)字電路集成在一個半導體芯片上用作開關組合部件。光纖產(chǎn)品、光學儀器，如光開關、各種視盤機及光刻機、激光設備及激光刀等都需要精密微型電機驅(qū)動和超微電動機與光器件融合為一體的光機電系統(tǒng)。微電機的應用軍事領域各種機器昆蟲、微機器人等將會在今后的反恐、救援、戰(zhàn)爭前線偵察、考古、司法取證、科學探索等方面大顯身手，而每一個微型探測器內(nèi)部都裝有大量的微電機以完成各種需要的動作。醫(yī)療領域醫(yī)療領域是微機械技術應用的最具代表性的領域。微創(chuàng)傷內(nèi)窺診療、精密顯微外科、體內(nèi)局部微量給藥都需要高度靈巧、高度柔順性的微電機。微電機的應用人工心臟微電機的應用微電機的應用航空航天領域微電機可用在帶攝像裝置進入衛(wèi)星、火箭或宇航飛機內(nèi)檢查故障的機器人上。在超微電機基礎上還可以發(fā)展慣性導航器件，如微陀螺。上海交通大學研制的抗磁懸浮微陀螺國內(nèi)外微電機研究對比微電機研究和發(fā)展方向

目前微電機研究遇到的困難和發(fā)展趨勢1.微機械性能評測技術微電機建模、仿真、優(yōu)化設計的正確性、有效性，需要微機械性能評測技術加以評價。2.微摩擦與微支撐電機發(fā)出的力很小，往往會被其自身的摩擦力消耗掉。極小的運動間隙需要嚴格的防塵技術。發(fā)熱和耐久性問題是值得關注的課題。微電機研究和發(fā)展方向3.降低功耗與低電壓驅(qū)動微機器人的無纜化、自立化需要用電池或無線能量傳輸解決供電問題。所以必須研究更簡