MEMS执行器-微电机

微电机

机电工程与自动化学院MEMS执行器微电机的概述微电机的分类介绍微电机的应用微电机的研究和发展方向论文结构微电机概述

执行器根据信号处理，控制电路发出的指令自动完成人们所需要的各种功能。可以通过静电力、电磁力、压电力、磁致伸缩、超声波和形状记忆合金膜片等驱动。.

微执行器的核心部件是微电动机,在微执行器中占主导地位。根据其执行原理不同分为不同类型，其各自的性能和应用场合也各异。微电机概述各种执行方式比较静电执行材料简单需折中驱动力与位移大小执行相应速度快易受吸合效应的限制热执行能得到较大位移量功耗相对较大执行相应速度适中对环境温度变化敏感压电执行响应快速材料制备过程复杂可得到较大的位移量低频工作时性能下降磁执行可产生较大角度位移量制造工艺较为复杂可使用很强磁力作为偏置片上螺线管制造较为复杂微电机概述微电机分类微电机静电型微电机电磁型微电机压电微电机形状记忆合金微电机磁致伸缩型微电机

当两个导体施加电压的时候，会产生静电力。静电力的大小与尺寸的平方成反比。静电力很少用于驱动宏观机械，但是微型器件通常有较大的表面积体积比以及非常小的质量，使得静电力成为一种很有吸引力的微执行驱动源。静电型微电机可分为旋转式和直线式两种。微电机分类静电型微电机

微电机分类旋转静电微电机

对一组定子电极施加偏置电压，则该组中任一给定电极与其紧邻的转子轮齿之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电引力，从而使轮齿与定子对准，通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。静电型微电机

旋转静电微电机的结构微电机分类静电型微电机

微电机分类静电型微电机

静电驱动薄膜直线电机

基于平行板电容器的基本结构，平行板相对运动有两种——法向移动和切向移动，当固定其中的一个平板，另一块用机械弹簧悬吊，在偏置电压下，平板将产生位移。两平行板间间施加电压压,载荷会产生生静电力Fe假设设平平板板的的平平衡衡位位置置为为x，x轴方方向向沿沿着着间间隙隙变变大大的的方方向向，，位位移移为为x时，，电电极极间间的的距距离离变变为为d+x,在平平衡衡位位置置的的静静电电力力为为微电电机机分分类类静电电型型微微电电机机在位位移移x处，，机机械械回回复复力力与与静静电电力力大大小小相相等等，，对对上上述述等等式式整整理理可可得得两个个电电容容器器极极板板之之间间的的平平衡衡距距离离可可以以通通过过求求解解上上述述关关于于x的二二次次方方程程得得到到。。微电电机机分分类类静电电型型微微电电机机微电电机机分分类类优点点结构构简简单单功耗低响应快静电型微电机机缺点驱动电压大输出力矩小电磁型微电机机电磁型超微电电动机的研究究始于20世纪90年代,根据电磁间互互相作用产生生的电磁力作作驱动力驱动动转子旋转。。电磁型超微微电动机基于于传统电磁理理论设计,多采用无刷电电机结构。电磁微电机的的结构微电机分类根据磁执行原原理，利用磁磁场产生力、、力矩或者微微结构的位移移，驱动磁场场作用在载流流导线、电感感线圈或者磁磁性材料。微电机分类电磁型微电机机微电机分类电磁型微电机机微电机分类电磁型微电机机优点驱动力矩大驱动电压低易于装配缺点结构复杂与IC工艺兼容性差差压电微电机压电电动机按按结构可分为为行波压电电电动机、驻波波压电电动机机和复合压电电电动机;按照电机激励励部分的材料料可分为薄膜膜压电电动机机和陶瓷压电电电动机。压电电动机由由于输出转矩矩大、无电磁磁干扰、响应应速度快、微微小位移输出出稳定等优点点,可用于精密仪仪器、照相机机、机器人及及航空领域。。如日本Canon公司将圆环式式行波超声波波电动机用于于镜头的驱动动，微电机分类在压电陶瓷片片上施加电信信号,使之产生一定定轨迹的机械械振动,激励与其粘接接在一起的定定子弹性体的的振动,通过弹性体与与转子间的相相互作用驱动动转子运动。。微电机分类压电超声波微微电机的结构构压电微电机微电机分类微电机分类压电微电机优点响应速度快输出转矩高廉价质轻缺点材料制备复杂杂电机难难以实实现匀匀速寿命短短微电机机分类类压电微微电机机形状记记忆合合金微微电机机执行机机构比比较简简单，，有偏偏置式式和推推挽式式两种种。按按电机机的运运动形形式，，其基基本结结构可可分为为直线线位移移型和和旋转转位移移型。。微电机机分类类直线位位移型型SMA电机形状记记忆合合金微微电机机微电机机分类类旋转位位移型型SMA电机对偏置置式而而言，，加热热SMA弹簧，，相变变发生生，形形状回回复力力克服服弹簧簧拉力力，产产生动动作。。冷却却时，，SMA发生逆逆相变变，此此时，，SMA弹簧很很软，，在拉拉伸弹弹簧的的作用用下，，驱动动器恢恢复到到原来来的位位置。。如此此反复复，可可使电电机输输出位位移。。对推挽挽式而而言，，加热热一侧侧SMA的同时时，冷冷却另另一侧侧的SMA，电机具具有双向向做功的的能力。。一般来来说，推推挽式比比偏置式式的输出出功率太太，能量量转换效效率高。。微电机分分类形状记忆忆合金微微电机微电机的的分类优点驱动电压压低结构简单单电场干扰扰小无振动噪噪声、无无污染对人体无无毒害作作用缺点记忆形状状具有一一定不稳稳定性材料特性性的变化化会改变变驱动频频率连接元件件易损耗耗形状记忆忆合金微微电机磁致伸缩缩型微电电机某些材料料置于磁磁场中，，其几何何尺寸会会发生变变化，这这一现象象称为磁磁致伸缩缩效应，，这些材材料则称称为磁致致伸缩金金属。根根据材料料几何尺尺寸变化化形式的的不同,磁致伸伸缩效效应又又可分分为纵纵向效效应、、横向向效应应、握握转效效应和和体积积效应应。磁致伸伸缩型型电动动机是是利用用磁致致伸缩缩效应应,在磁场场激励励源下下，通通过磁磁致伸伸缩型型驱动动器实实现能能量转转换。。可分分为直直线型型和旋旋转型型两种种。微电机机分类类磁致伸伸缩型型微电电机微电机机分类类主要由由Terfenol-D驱动棒棒、起起固定定驱动动棒作作用的的定子子管和和用来来产生生磁场场的线线圈三三部分分组成成。磁致伸伸缩直直线电电机结结构图图两个相相互垂垂直的的超磁磁致伸伸缩棒棒A和B由驱动动元件件连接接在一一起，，A和B上分别别绕有有线圈圈，线线圈由由正弦弦波形形的电电流驱驱动。。其中中A、B两个棒棒的驱驱动线线圈电电流相相位差差为90°。微电机机分类类磁致伸伸缩摩摩擦电电机原原理图图磁致伸伸缩型型微电电机主要由由8个(或8个以上上)超磁致致伸缩缩驱动动器、、柔轮轮和刚刚轮三三部分分组成成。通通过依依次控控制驱驱动器器的伸伸缩位位移，，使柔柔轮产产生流流动的的弹性性变形形。超磁致致伸缩缩谐波波电动动机结结构原原理图图微电机机分类类磁致伸伸缩型型微电电机微电机机分类类磁致伸伸缩型型微电电机特点：：转速低低、步步进驱驱动、、调速速范围围宽、、惯量量小、、响应应快、、运动动平稳稳、精精度高高、承承载力力大、、效率率高、、控制制性能能好。。但是由由于超超磁致致伸缩缩材料料易受受到电电磁场场的干干扰，，必须须对超超磁致致伸缩缩材料料作一一定的的屏蔽蔽磁场场措施施。微电机机的应应用信息领领域微电动动机与与传感感器、、数字字电路路集成成在一一个半半导体体芯片片上用用作开开关组组合部部件。。光纤纤产品品、光光学仪仪器，，如光光开关关、各各种视视盘机机及光光刻机机、激激光设设备及及激光光刀等等都需需要精精密微微型电电机驱驱动和和超微微电动动机与与光器器件融融合为为一体体的光光机电电系统统。微电机机的应应用军事领领域各种机机器昆昆虫、、微机机器人人等将将会在在今后后的反反恐、、救援援、战战争前前线侦侦察、、考古古、司司法取取证、、科学学探索索等方方面大大显身身手，，而每每一个个微型型探测测器内内部都都装有有大量量的微微电机机以完完成各各种需需要的的动作作。医疗领领域医疗领领域是是微机机械技技术应应用的的最具具代表表性的的领域域。微微创伤伤内窥窥诊疗疗、精精密显显微外外科、、体内内局部部微量量给药药都需需要高高度灵灵巧、、高度度柔顺顺性的的微电电机。。微电机机的应应用人工心心脏微电机机的应应用微电电机机的的应应用用航空空航航天天领领域域微电电机机可可用用在在带带摄摄像像装装置置进进入入卫卫星星、、火火箭箭或或宇宇航航飞飞机机内内检检查查故故障障的的机机器器人人上上。。在在超超微微电电机机基基础础上上还还可可以以发发展展惯惯性性导导航航器器件件，，如如微微陀陀螺螺。。上海交通通大学研研制的抗抗磁悬浮浮微陀螺螺国内外微微电机研研究对比比微电机研研究和发发展方向向目前微电电机研究究遇到的的困难和和发展趋趋势1.微机械性性能评测测技术微电机建建模、仿仿真、优优化设计计的正确确性、有有效性，，需要微微机械性性能评测测技术加加以评价价。2.微摩擦与与微支撑撑电机发出出的力很很小，往往往会被被其自身身的摩擦擦力消耗耗掉。极极小的运运动间隙隙需要严严格的防防尘技术术。发热热和耐久久性问题题是值得得关注的的课题。。微电机研研究和发发展方向向3.降低功耗耗与低电电压驱动动微机器人人的无缆缆化、自自立化需需要用电电池或无无线能量量传输解解决供电电问题。。所以必必须研究究更简单单高效的的驱动电电路和控控制电路路，开发发低功耗耗、低电电压驱动动的电机机。4.薄型化、、多功能能化、多多自由度度微电机往往往应用用于空间间十分狭狭小的场场合，集集传感、、驱动、、制动等等为一体体的多功功能微电电机，或或多自由由度的微微电机会会大受欢欢迎。特特别是在在非结构构环境中中，微电电机应能能控制其其柔顺性性。微电机研研究和发发展方向向谢谢！9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。1月-231月-23Wednesday,January4,202310、雨中中黄叶叶树，，灯下下白头头人。。。21:24:5721:24:5721:241/4/20239:24:57PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。1月-2321:24:5721:24Jan-2304-Jan-2312、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。21:24:5721:24:5721:24Wednesday,January4,202313、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。1月-231月-2321:24:5721:24:57January4,202314、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。04一一月月20239:24:57下下午21:24:571月-2315、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。。一月239:24下午午1月-2321:24January4,202316、行动出出成果，，工作出出财富。。。2023/1/421:24:5721:24:5704January202317、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:24:57下午9:24下下午21:24:571月-239、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。1月-231月-23Wednesday,January4,202310、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:24:5721:24:5721:241/4/20239:24:57PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。1月-2321:24:5721:24Jan-2304-Jan-2312、世间成事事，不求其其绝对圆满满，留一份份不足，可可得无限完完美。。21:24:5721:24:5721:24Wednesday,January4,202313、不知香积寺寺，数里入云云峰。。1月-231月-2321:24:5721:24:57January4,202314、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。04一一月月20239:24:57下下午午21:24:571月月-2315、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。一月239:24下午午1月-2321:24January4,202316、少年年十五五二十十时，，步行行夺得得胡马马骑。。。2023/1/421:24:5721:24:5704January202317、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。9:24:57下下午9:24下下午21:24:571月-239、杨杨柳柳散散和和风风，，青青山山澹澹吾吾虑虑。。。。1月月-231月月-23Wednesday,January4,202310、阅读一切好好书如同和过过去最杰