微电机研究的动态与应用展望课件

1、微电机研究的最新动态与应用展望詹琼华 教授、博士生导师2003,10微电机的基本特征和主要类型微电机的国内外研究现状 微电机的应用前景微电机研究面临的问题和发展趋势 微电机的基本特征1.微型化微型化途径:一条是驱动原理和结构沿袭已有的中小电机，并加以微型化 如磁盘驱动、摄像机、电动玩具以及办公自动化机器中的步进电机和直流电机 一条是采用新的功能材料开发新的驱动原理，制作成各种结构型式的微电机。如压电超声电机、静电电机以及利用形状记忆合金、超磁致伸缩器件、层叠式压电振子、人工肌筋等开发的各种微驱动器。 微电机的基本特征2.微电机兼有驱动和精密控制双重功能， 驱动可以是直线、旋转或多自由度的； 控

2、制目标可以是位置、速度或力(力矩)。3.基本的性能要求： 在体积小重量轻的前提下，能产生较大的 运动位移量，并输出较大的功率； 功耗小； 控制精度高、响应快。微电机的主要类型 静电式 电磁式 超磁致伸缩式 压电形状记忆合金式 仿生电机、光热电机等. 静电式和电磁式的转子定子间为非接触驱动； 形状记忆合金式为直接驱动； 压电式和超磁致伸缩式为接触式驱动，并具有保持力。微电机的国内外研究现状1.静电电机:利用电场和电荷之间的动力的一种电机. 应用实例是使用显微镜进行手术2.电磁微电机:在cmmm级电机中电磁电机享有优势地位。 主要特点-是可以低电压驱动，与电子电路匹配良好，可以利用成熟的技术和工艺

3、等.A.微型步进电机图1为CAM39型(直径39mm)的截面示图。 其结构设计十分巧妙，两个线圈夹持作为转子的永久磁铁的两端，左右定子做成叉形，并形成步进电机所需的磁极，用非磁性材料壳体固定。两端定子的磁化相位相差半步，交替切换供给两端定子线圈的电流方向，形成旋转步进磁场，使转子旋转. 直径6mm的CAM60型用于Cannon数码相机的镜头驱动.B.轴向间隙型电磁微电机日本富士电机综合研究所提出的电磁微电机 采用轴向间隙方式，用平面式层叠薄膜绕组线圈，很好地解决了微细线圈的加工工艺要求很高，难以大批量加工的困难。转子厚2.5 用薄型4极磁化的稀土类磁铁用溅射膜工艺制作，与此配对的是6极的薄膜定

4、子。 此外，日本还开发了可以利用外部磁场实现无线驱动的微电磁电机。其定子与动子可完全分离，动子上不带电源，因此,动子部分可以做得很小(2mm以下)且无需携带电源，特别适用于在人体内移动。C.端面摇摆式电磁微电机定子和转子的工作面分别由锥角不同的锥面构成，转子在定子产生的旋转磁场作用下，沿定子内锥面做纯滚动。同时转子轴输出一个与滚动方向相反的转动。弹性联轴器将此旋转运动耦合输出，而将转子的微小摆动吸收掉。采用锥面的好处是，扩大磁场作用空间和电磁力，同时通过所形成的行星减速传动模式来实现低速大扭矩的输出特性。D.压电微电机以微变形方式作点动驱动的压电微驱动器超声波式压电微电机:它既可以做成旋转的也

5、可以做成直线的,它是利用共振生成行波或驻波的原理蠕动式电机:结构非常简单，非常适合于微电机。其原理是利用组合成箝位结构，如图4所示. 主要问题是响应慢，功耗较大，需要多个器件组合驱动。目前主要用于高精度定位台驱动惯性式压电微电机:是利用惯性停滑原理的惯性式电机。蠕动式电机图5为日本美能达(Minolta)公司于1999年推出了一种微型的叫做平滑惯性驱动机构(SIDM)的惯性式直线电机。其结构为导轨与叠层压电振子相连，对振子施加锯齿波形电压，使导轨产生往复不等速振动。当导轨慢速向前运动时，滑块因摩擦锁住而随之运动，当导 轨高速返回时，滑块惯性力克服摩擦力而产生相对运动，向前走了一步。采用叠层压电

6、振子的好处是：功率体积比大，低电压驱 动(6V)无需升压电路。美能达公司将其应用到中7mm镜头的数码相机驱动与以往不同的是，它把激励元件放到了导轨上，移动件仅仅是一个很小的无源滑块，占用空间极小，运动精度高，又有自锁性。上海大学微机械技术研究中心正在研究开发一种基于波动学原理的可置于医用和工业用内窥镜中的 超细型直线微电机。压电超声波微电机是利用压电元件激励出定子的超声频域共振，并利用摩擦变换成转子的机械能加以输出的。现在超声波电机正朝着两个方向发展，一是提高功率、提高输出力(力矩)；另一是微型化。日本精工仪器公司在石英式手表上应用了直径45mm厚25mm的钮扣型超声波电机。最近该公司为它配上

7、了专用的微编码器，将 应用扩展到高精度位置控制领域，以解决微型电磁步进电机分辨率较低的问题佳能相机在大镜头上使用了11mm的棒形超声波电机.目前该电机正改型成多自由度，用于腹腔镜下手术支援用机器人的发。日本发那科(FANUC)公司将超声波电机用于机器人手指关节驱动。为增大力矩，定子采用双面驱动，并把多个转子叠加在一起使20mm的电机质量仅15g，组成一根手指的质量为40g。但手指夹持力有待进一步提高。美国宾州大学设计了一种结构独特的超声波微电机。其定子的齿设计在定子内侧，仅用一片电陶瓷沿厚度方向单相激振，使零件减少，结构和电路大大简化，样机直径仅3mm。日本东京大学和我国清华大学相继开发出超细

8、直径的棒形超声波电机。目前日本正在旨用于超声波内窥镜的超声振子驱动源用。压电材料是制作微电机的理想材料。因为压电材料仅加电场就能自己产生变形。压电性薄膜可以通过许多途径获得，方便地制成微小主动结构体。利用压电材料制作驱动器有三种方法：(1)利用压电材料本身的变形，在极小行程下(m以下)工作；(2)应用杠杆原理或与弹性体结合成复合结构(如：双压电晶片、兰杰文振子)，扩大压电材料本身的变形(几百lam以下)；(3)将压电陶瓷产生的变形设法无限延长。仿生电机:有各种设想,如利用细菌转动鞭毛的原理光热电机:利用一种磁性材料放在磁场中磁化方向会随温度变化,利用这种性质制作微电机的应用前景进入21世纪，信

9、息技术的高速发展，为微电机的开发应用展现出一幅激奋人心的美好前景。有以下8个方面:信息机器(含家电、仪表) 今后信息机器和家电的主流是趋于小型化、薄型化、微型化，包括音频、视频、办公产品、智能检测、便携式电脑及附件等。其中电机的微型化是至关重要的环节。光学机器 光纤产品、光学仪器、各种视盘机及光刻机、激光设备及激光刀等都需要精密微型，枧驱动和控制。微机器人 医疗机器微创伤内窥诊疗、精密显微外科、体内局部给药等. 国外内窥镜已做得很细小,最小的内窥手术钳外径为08mm，头部可作二自由度偏摆的主动内窥镜外径为1mm，脑动脉瘤治疗用内窥镜外径025mm。据预测，甲3-5mm的万能型智能内窥镜将205

10、0年前投人实际使用。这对微细型电机提出了挑战。军事(公安)探测 各种机器昆虫、内窥器械等，将会在今后的反恐、救援、战争前线侦察、考古、司法取证、科学探索等方面大显身手，而每一个微型探测器内部都装有大量的微电机以完成各种需要的动作。生物机器 遗传工程和转基因技术是未来农业的支点人们对于细胞的自动化操作离不开精细的高分辨率的微电机。微型飞机 在今年召开的可持续发展世界首脑会议期间，约翰内斯堡动用了先进的无人微型飞机担任警戒任务。这表明微型飞机的时代离我们不远了。而微型飞机上必须配置轻量的、多自由度的微电机。精密加工 为配合微电子机械系统的制造，国外已有“桌上加工中心”出现，其中的电机大多是mm级的

11、。微电机研究面临的问题和发展趋势 微电机研究面临的主要技术难点和今后的发展趋势，可以有以下七个方面: (1)微机械性能评测技术 微电机建模、仿真、优化设计的正确性、有效性，需要微机械性能评测技术加以评价。 微机械性能评价和控制用传感器的缺乏是微电机开发和推向实用化的巨大障碍。 (2)模态试验技术 微电机是一个机电一体化的动态系统，模态试验和系统识别对于把握该系统的动态特性，提高机电转换效率具有重要意义。 (3)微摩擦与微支承 微电机中微摩擦和微支承是个突出的问题。电机发出的力很小，往往会被其自身的摩擦力消耗掉。极小的运动间隙需要严格的防尘技术。发热和耐久性问题也是值得关注的课题。 (4)降低功耗与低电压驱动 微电机在大多