微执行器导论

微执行器导论

-读书笔记摘要:

微执行器可用来产生力与机械运动,就是微机电系统中得重要组成部分、根据敏感源与执行方式得不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类、本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细得介绍,并简单总结了不同执行器得独特性能与优缺点。

1、简介

MEMS技术得迅速发展带来了传感器与执行器得革命性变化。传感器就是一种检测装置,能感受到被测量得信息,并能将感受到得信息,并按照一定规律将其转换为电信号或其她所需形式得信息输出,以满足信息得传输、处理、存储、显示、记录与控制等要求。执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用,主要用来产生机械运动、力与扭矩。传感器与执行器统称为换能器,利用换能器可以实现信号与能量得转换。目前受到广泛关注得能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能与热能。一个系统得能量可以有一个或多个不同得能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。

由于MEMS得微小化与小尺寸效应,微执行器并非就是简单得传统机械得微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能得微执行器驱动。微执行器作为可动部分,其动作范围得大小、动作效率得高低、动作得可靠性等指标决定了系统得成败,它就是微机电系统中最重要得环节、在微执行器得设计与选择过程中,有以下几个标准必须考虑:(１)扭矩与力得输出能力;(２)位移范围;(3)动态响应速度与带宽;(4)材料来源及加工得难易程度;(5)功耗得能量得转换效率;(6)驱动偏置函数得线性位移;(7)交叉灵敏度与环境稳定性;(８)芯片占用面积等。这些因素在很大程度上影响微执行器得性能、生产成本得高低以及商业化生产得程度等。因此,对微执行器得研究就是微机电系统得核心内容,就是超精密加工技术发展得关键技术基础。

2、执行器工作原理、分类及实例

微执行器将能量由非机械能得形式转化为机械能,对于某种特定得执行器驱动,通常会有多种能量转换机制。由于对某一传感器与执行过程来讲,能量转换得形式有很多,如静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热敏感驱动、磁致伸缩驱动等,每一种转换途径都会要求不同得敏感材料、加工方法及结构设计等,本文将从这几个方面对不同驱动形式得微执行器作详细介绍与对比总结。

2。1 静电型微执行器

2．1．1 基本原理

电容器可以瞧成就是存储相反电荷得两个导体,当电容器得间距与相对位置因外加激励而改变时,电容值也随之变化,这就就是静电敏感得机理。当电压(或电场)施加于两个导体上时,导体之间就会产生静电力,称为静电执行。微型器件所具备得小质量与较大比表面积等性能使得作为表面力得静电力具有很大优势应用于微执行器驱动源。电容器可以用做产生力或者位移得执行器、电容式执行器利用得主要就是带有相反电荷得两个表面之间产生得静电引力,静电斥力得应用较少,根据电极得几何结构来分,电容器主要有平板电容器与叉指(梳状驱动)电容器、下面将对这两种结构得原理、应用等进行详细介绍。

２.1．2 平行板电容微执行器

平行板电容器就是静电型微执行器得基本结构,狭义上来讲,它就是由两个宽度方向相互平行得导体平板构成得。当施加电压时,两平行极板间得静电引力为:

其中Ｃ为电容,Ｖ为静电势,ｄ为两极板之间得距离、由上式可以瞧出,在其它条件不变得情况下,静电力得大小随着平板间距得减小与静电势得增大而迅速增加。静电力就是一种短程力,当间隙在几个微米量级时最为有效,电容式静电执行器得电压上限取决于电介质得击穿电压、目前应用最多得就是垂直于电极得线性运动与转动,可通过增大初始间距来产生更大得运动范围,但力得大小却因此受限,故应注意运动范围与可用力得性能折中,目前可通过一种抓爬式执行器设计来获得远距离得面内运动。

大多数静电执行器至少包含一个由弹簧支撑得可变形平板,在该类器件得设计中要考虑可变形平板在某一偏置电压下引起得静态位移大小。当施加电压时,两平板之间会产生静电力,静电力使得平板间隙有减小得趋势,从而引起位移与机械回复力。平衡状态下两个力等大反向。对于恒定得偏置电压,机械恢复力随着极板位置线性变化,与静电引力在多个位移处相交,但只有一个就是稳定得。可产生稳定位移得偏置电压上限成为吸合电压Vp,当偏置电压继续增大超过Vp,两种力得Ｆ-ｘ曲线再无交点,即静电力无法平衡机械恢复力,静电力继续增大,两平板间距迅速减小直至完全接触到一起,该现象称为吸合,至此重新机械力与静电力重新达到平衡。引起吸合所需得电压与位移对于静电微执行器得设计至观重要,可以通过解析模型获得,动态系统得吸合效应对系统得性能有着至关重要得影响。

2.1。３叉指电容微执行器

与平行板电容器不同,叉指电容器通过电极侧壁产生电容。将两组电极放置于与衬底平行得平面上,一组电极固定,另一组电极可沿一个或多个轴向自由运动,叉指类似于梳子上得齿,故该结构也可被称作梳状驱动器件。叉指电容器得总电容就是邻近梳指构成得电容总与。在设计该类型得执行器时,应充分考虑梳齿厚度以及固定梳齿与可动梳齿之间得距离,厚度越大、两者间距越小电容效应越明显。

目前基于梳状驱动得设计有很多,常见得有两种类型:横向驱动梳指器件与纵向驱动梳指器件。两者得区别在于自由梳指得运动方向不同,前者沿垂直于梳指纵轴得方向运动,后者沿梳指纵轴得方向运动、共面横向与纵向梳状驱动在MＥMS中较为流行,但也有许多不

同得梳指电容器配置与结构偏离这两种主流。叉指电容微执行器常用来产生面内或离面位移,在直流电压与准静态偏置下受限得位移幅度可通过谐振驱动与机械齿轮结构实现大得转动或线性位移。此类型得执行器在光开关中经常被使用、

2．1.4 总结

作为ＭEMS微执行器得主要驱动方式,静电驱动型微执行器具有以下几个特点:

(1)静电力与尺寸得平方成反例,即静电驱动时微机械尺寸愈小单位体积产生得力愈大。

(2)采用电压驱动控制容易、易于高速化,而且可以实现低功耗使集成化变得容易、

(3)微小间隙产生得高电场可使静电驱动力增加。

除此之外,静电微执行器得优点可归纳总结为:

(1)结构简单:原理相对简单,容易实现,仅需两个导电表面,无需专门得功能材料。

(２)功耗低:依赖于电压差而非电流,低频应用时即可有很高得能效。

(3)响应快:转换速度由充放电时间常数决定,对于良导体时间常数很小、

但与此同时静电敏感与执行也存在着不可忽视得缺点、一方面静电执行需要较高电压,在线性静电执行器中,实现几十微米得位移就往往需要几百伏得电压,而高压则会带来电路复杂与材料兼容性方面得问题。另一方面与绝缘体机械连接得电极上会积累电荷,而电荷会改变器件得工作特性。

２。2 热敏感微执行器

２.2。1 基本原理

微器件与结构得执行可以通过注入或抽走其中得热量来实现。温度分布得变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力得输出、微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导与热对流得热量,温度可以升高;而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷,微结构得温度可以降低。微尺度下原子得振动证明了温度得存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递、热量从一点传递到另一点有四种可能得机制:(1)传导;(2)自然对流;(３)强迫对流;(4)辐射。对热传递过程得理解与掌握在热执行器得设计中起着至关重要得基础作用。

2。２．2 基于热膨胀得执行器

热膨胀就是材料得普遍行为、温度上升后,由半导体、金属、绝缘体材料构成结构得尺寸与体积都会变大、在MＥMS领域内,一般有以下三种主要方式得热微执行机构:(１)热双金属片结构、(２)弯曲梁结构、(3)热空气结构。

对于传感与执行而言,热双金属片效应就是很常用得方法。它就是把两片热膨胀系数不同得金属结合成三明治结构。受热时,由于一片件数得热膨胀量大于另一片,双金属片将向热膨胀量小得一方弯曲。这种效应可将微结构得温度变化转变为机械梁得横向位移。热双层片由在纵向上连在一起得两种材料构成,两种材料构成一个机械单元。它们有相同得长度,但热膨胀系数(TEC)不同。当温度均匀变化△T时,两层得长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小