微执行器专题5.
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微执行器工作原理
内容: 一 热驱动器: 固体的热膨胀、双片式驱动器； 二 压电驱动器: 压电悬臂粱驱动器、压电叠片式驱动 器、压电马达； 三 静电驱动器: 原理、悬臂粱式静电驱动器和静电旋 转式微马达等.
- - - - - 在 英 语 词 典 里 “ 驱 动 器 ” 定 义 为 Actuator: one that actuates, specif: any of various electric hydraulic, or neumatic mechanism by means of which something is moved or controlled indirectly instead of by hand (as a motor that turns of a large ship or moves the elevators of an airplane or an airbrake cylinder operated by a motor man) 动词“驱动”是 Actuate vt1: to put into mechanical action <most of hydraulically operated items of equipment are actuated by pistons and cylinders> 可见，所谓驱动指的是对任何物体产生机械动作。所谓驱 动器指的是能产生驱动动作的器件或装置，即不是人类的手， 而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构。 微驱动器(Micro Actuator)又称微致动器和微执行器，是能 够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称。而侠义的 说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置。
热驱动器
利用固体或液体尺寸随温度变化的特性的驱动元件叫做热驱动器。一个有 趣的例子是Keller等人设计的热膨胀驱动的镊子(1997)，8x1.5x40um尺寸的镊子 自由时是合起来的，当75mw能量输入是它可以张开35um。热驱动器分为电阻 加热方式和和介电损失加热方式等。双片驱动器是利用粘在一起的二种材料的 热胀系数不同来实现机械动作；而形状记忆合金（SMA）属于单片驱动器。 电阻加热式的加热器通常集成在二个功能材料片之间。这种结构的特点是 位移-输入能量的关系线性好。缺点包括高功率投入、低频带和较复杂的结构 (相对与静电驱动)。
压电悬臂粱驱动器
压电悬臂粱驱动器是利用一层(或双层)压电材料，在电场作用下沿 与电场正交方向伸长或缩短，引起的悬粱弯曲的一种驱动元件。如下图， 结构上与热驱动器相近，只是功能材料是压电材料而非热变形材料。
双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位δ0, 最大 发生力Fb，柔量sn和共振频率fm:
------微驱动器的驱动原理 驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理。例如，利用 静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记 忆合金等。 ------微驱动器装置分类 从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持 器、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、 压电、电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合 金等。 ------研究微驱动器的必要性 传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微 型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所 以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器。微驱动 器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工(IC工艺、体 硅加工和LIGA)，微驱动器制作相对容易实现。 ------现状 与传感器一起成为MEMS和TRANDUCERS中主要的研究对 象，可以参考的论文很多。
ts l 2 0 6d 31 ( ) (1 )U t t
Fb
0
sn
1 4l 3 sn D 3 C11 wt f rm 1.875 t 2 4 3 l
D C11
其中d百度文库1为横向压电常数；U为施加电压；C11D为压电材料的约束强 度；ts为中心电极厚度；ρ为压电材料的密度。
微小STM器件的驱动原理
SFM用压电双层驱动器
微光学扫描器∶ 中间的微反射镜由4根压电陶瓷臂 支承，可实现二维光学扫描，实验结果证明扫描角 度可达14度。
静电驱动器
静电驱动器的基本原理是利用二块带相反电荷的极板之间的相互 吸引。它在微系统中获得广泛应用，因为相对而言一个相向表面金属化 的间隙微小的平板结构较易制造。在许多情况下，获得的输出功率和效 率比理论预计的要低(由于fringing field和表面漏电)，静电驱动依然在 许多场合十分重要(特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合)。 计算静电驱动器的力大小可以从 Coulomb 定律开始，下式给出二 个点电荷间的库伦力
介电损失式加热
大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一 特性可以用来非直接地给双片驱动器加热。介电损失正比于所加RF电场的平 方(或正比于所加RF能量)，产生的热能用下式表达
PThermal f E0
" r 0
2
此处f为激励频率、εr”相对介电常数、E0为电场强度。
q1q2 Felectr 4 r 0 x 2
这里q1、q2二个点电荷所带的库伦数，x是二点之间距。如果不仅是二 个点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和。对于 实际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复 杂的。
1
在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计 算开始，但是对于大部分(比如悬背粱)驱动器，仅适用于夹角极小的 场合。对于面积A的电容极板，在电压V时存储的能量:
积层型压电驱动器∶
压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型 驱动元件外，还有积层型压电驱动器。与双层压电驱动器相比，积层型 在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点。
积层式压电驱动器的例子1: 惯性直线位移机构
压电管式驱动器，体积较大，谐振频率较低
双压电驱动举例: 微小STM器件
内容: 一 热驱动器: 固体的热膨胀、双片式驱动器； 二 压电驱动器: 压电悬臂粱驱动器、压电叠片式驱动 器、压电马达； 三 静电驱动器: 原理、悬臂粱式静电驱动器和静电旋 转式微马达等.
- - - - - 在 英 语 词 典 里 “ 驱 动 器 ” 定 义 为 Actuator: one that actuates, specif: any of various electric hydraulic, or neumatic mechanism by means of which something is moved or controlled indirectly instead of by hand (as a motor that turns of a large ship or moves the elevators of an airplane or an airbrake cylinder operated by a motor man) 动词“驱动”是 Actuate vt1: to put into mechanical action <most of hydraulically operated items of equipment are actuated by pistons and cylinders> 可见，所谓驱动指的是对任何物体产生机械动作。所谓驱 动器指的是能产生驱动动作的器件或装置，即不是人类的手， 而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构。 微驱动器(Micro Actuator)又称微致动器和微执行器，是能 够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称。而侠义的 说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置。
热驱动器
利用固体或液体尺寸随温度变化的特性的驱动元件叫做热驱动器。一个有 趣的例子是Keller等人设计的热膨胀驱动的镊子(1997)，8x1.5x40um尺寸的镊子 自由时是合起来的，当75mw能量输入是它可以张开35um。热驱动器分为电阻 加热方式和和介电损失加热方式等。双片驱动器是利用粘在一起的二种材料的 热胀系数不同来实现机械动作；而形状记忆合金（SMA）属于单片驱动器。 电阻加热式的加热器通常集成在二个功能材料片之间。这种结构的特点是 位移-输入能量的关系线性好。缺点包括高功率投入、低频带和较复杂的结构 (相对与静电驱动)。
压电悬臂粱驱动器
压电悬臂粱驱动器是利用一层(或双层)压电材料，在电场作用下沿 与电场正交方向伸长或缩短，引起的悬粱弯曲的一种驱动元件。如下图， 结构上与热驱动器相近，只是功能材料是压电材料而非热变形材料。
双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位δ0, 最大 发生力Fb，柔量sn和共振频率fm:
------微驱动器的驱动原理 驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理。例如，利用 静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记 忆合金等。 ------微驱动器装置分类 从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持 器、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、 压电、电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合 金等。 ------研究微驱动器的必要性 传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微 型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所 以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器。微驱动 器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工(IC工艺、体 硅加工和LIGA)，微驱动器制作相对容易实现。 ------现状 与传感器一起成为MEMS和TRANDUCERS中主要的研究对 象，可以参考的论文很多。
ts l 2 0 6d 31 ( ) (1 )U t t
Fb
0
sn
1 4l 3 sn D 3 C11 wt f rm 1.875 t 2 4 3 l
D C11
其中d百度文库1为横向压电常数；U为施加电压；C11D为压电材料的约束强 度；ts为中心电极厚度；ρ为压电材料的密度。
微小STM器件的驱动原理
SFM用压电双层驱动器
微光学扫描器∶ 中间的微反射镜由4根压电陶瓷臂 支承，可实现二维光学扫描，实验结果证明扫描角 度可达14度。
静电驱动器
静电驱动器的基本原理是利用二块带相反电荷的极板之间的相互 吸引。它在微系统中获得广泛应用，因为相对而言一个相向表面金属化 的间隙微小的平板结构较易制造。在许多情况下，获得的输出功率和效 率比理论预计的要低(由于fringing field和表面漏电)，静电驱动依然在 许多场合十分重要(特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合)。 计算静电驱动器的力大小可以从 Coulomb 定律开始，下式给出二 个点电荷间的库伦力
介电损失式加热
大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一 特性可以用来非直接地给双片驱动器加热。介电损失正比于所加RF电场的平 方(或正比于所加RF能量)，产生的热能用下式表达
PThermal f E0
" r 0
2
此处f为激励频率、εr”相对介电常数、E0为电场强度。
q1q2 Felectr 4 r 0 x 2
这里q1、q2二个点电荷所带的库伦数，x是二点之间距。如果不仅是二 个点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和。对于 实际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复 杂的。
1
在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计 算开始，但是对于大部分(比如悬背粱)驱动器，仅适用于夹角极小的 场合。对于面积A的电容极板，在电压V时存储的能量:
积层型压电驱动器∶
压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型 驱动元件外，还有积层型压电驱动器。与双层压电驱动器相比，积层型 在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点。
积层式压电驱动器的例子1: 惯性直线位移机构
压电管式驱动器，体积较大，谐振频率较低
双压电驱动举例: 微小STM器件