MEMS技术(3 微系统的工作原理2-微执行器)

One potential problem with this device is that if the lateral gaps between the fingers are not the same on both sides, then it is possible for the fingers to move at right angles to the intended direction of motion and stick together until the voltage is switched off.
1.3 静电梳状驱动
梳状静电执行器Baidu Nhomakorabea用大量的叉“指”， 通过在它们之间施加电压来驱动。 如果这些“指”相对于其长度和宽度 而言很薄，则其引力主要由边缘效应 而非平板效应决定。
与悬臂梁及上面讨论过的扭转型执行 器不同的是，梳状执行器能在衬底面 上能产生相对较大的位移。另外，由 于上面的空气或真空及下面的导电基 座引起的边缘效应的不对称性会导致 相当大的脱离衬底力或漂浮力。
微执动器的特点
与传统执动器相比，微执动器的特点 是： 1、微系统加速快、速度高； 2、仅需极小的驱动力； 3、随元器件尺寸的微型化、热膨胀、 振动等环境干扰因素小。
驱动方式
一、静电式微执动器
二、电磁式微执动器
三、压电式微执动器
四、磁致伸缩式微执动器
五、形状记忆合金微执动器
一、静电式微执动器
静电执行器的基本工作原理是：两个带异 性电荷的电极板之间具有吸引力 。 q1q 2 1 Felec 从库仑定律 ： 2 4
静电尺蠖执行器工作原理
1.6 静电微夹具
Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电 微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米 位移量。它由一个7×5毫米的硅片，一个 位于硅衬底上的1.5 毫米长的硼掺杂支撑悬 臂梁（从硅片上伸出来）以及一个400微米 长的从支撑悬臂梁末端伸出的多晶硅悬伸 抓手组成。
Comb Drive
Electrostatic Comb Drive
Comb Drive Design
Comb Drive Failure Modes
1.1 静电悬臂执行器
驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。
从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂 梁，在距固定端X处施加集中载荷时，梁末 端的偏移量δT可由下式给出：
静电微夹具制造工艺
注意： 在最后工序（5） 中，多晶硅的 某些区域被根 切，因而能自 由移动，其余 部分固定于衬 底上。
静电激励已经被用于实现旋转马达结构。 基本思路是制做一个能自由转动的中间转子， 四周布以电容极板，以合适的相位驱动，就 可使转子转动。 获得相对高的速度是可能的，最近在这种结 构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜 的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告 题材，几乎没有实际的应用。
典型的表面微机械静电马达
1.5 静电平动马达
除了旋转马达外，静电平动马达也已经 被微机械化 ； 横向梳状驱动器也能被用于制造平动马 达，即直线振动马达。通过反复对一个 滑块施加斜向冲击，使其周期性地克服 静态摩擦力，就产生了步进运动。
“尺蠖（huò）”执行器
一种有趣的、具有很好精度的步进直线微机 械执行器是被称为“尺蠖 ”的执行器。 基本构思是：使用一个能弯曲的末端带有微 小垂直挡板的金属板，当在金属板和衬底中 掩埋的导体两端加电压时，金属板就向下弯 曲，并将挡板向前推进一小段距离。电压消 失时，由于挡板和绝缘层表面摩擦力的不对 称，导致一定程度的运动“调整”，因而产 生了金属板净位移。重复这个周期，就能得 到连续的、步进的直线运动。
x2 (d ) T (3L x) wq ( x)dx 6 EI
其中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为 ：
q( x)
o
V 2 d d ( x)
2
1.2 扭转静电执行器
扭转静电执行器在某些情况下具有优于悬 臂梁结构的地方，特别是当施加双向偏转 电极时，它们能够在两个方向上而不是仅 在一个方向上偏转。 如同悬臂梁结构一样，可以使用许多加工 方法来制造，包括牺牲氧化物上生成多晶 硅、在牺牲有机层上电镀金属、在牺牲有 机层上溅射铝等。
r o
x
平板电容器 ： 极板间作用力 ：
1 1 r 0 AV 2 W CV 2 2 2 x
dW 1 r o AV 2 F dx 2 x2
Comb Drives
These are particularly popular with surface micromachined devices.
微系统的工作原理（二）
——微执行器
王文廉
简 介
微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。 力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能 。
理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高 的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强， 需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比， 在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关 系。
梳状静电执行器
所有的静电执行器，都有利用执行器（或 其它与其耦合的结构）来进行电容位臵测 量。 对于梳状执行器，它的位移-电压的线性 关系更好。 在梳状驱动中，电容是通过改变面积而不 是极板间距来改变的。由于电容与面积是 线性关系，位移将与所施加的电压平方成 比例。
1.4 静电旋转微型马达
They consist of many interdigitated fingers. When a voltage is applied an attractive force is developed between the fingers, which move together. The increase in capacitance is proportional to the number of fingers; so to generate large forces, large numbers of fingers are required.