微执行器专题5

内容:热驱动器:固体的热膨胀、双片式驱动器；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.微执行器工作原理-----在英语词典里“驱动器”定义为Actuator:onethatactuates,specif:anyofvariouselectrichydraulic,orneumaticmechanismbymeansofwhichsomethingismovedorcontrolledindirectlyinsteadofbyhand(asamotorthatturnsofalargeshipormovestheelevatorsofanairplaneoranairbrakecylinderoperatedbyamotorman)

动词“驱动”是Actuatevt1:toputintomechanicalaction<mostofhydraulicallyoperateditemsofequipmentareactuatedbypistonsandcylinders>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(MicroActuator)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。------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。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)。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此处f为激励频率、εr”相对介电常数、E0为电场强度。

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:其中d31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。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fringingfield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。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:因此，很明显静电力与极板间距和板间电压的关系都不是线性的。这种非线性有时可以用闭环控制的方法消除。极板间的静电力为静电悬臂粱驱动器静电悬背粱式驱动器的基本结构如下图所示。极板间原始间距为d，假定固定极板为刚性，可动极板厚度为t。以下是Peterson论文里的推导，目标是导出极板间所加电压与悬背粱自由端位移间的关系。根据材料力学原理，在距离固定端x处的集中载荷，对于宽度w的粱，其自由端位移为此处在x处的静电力q(x)为这里E—粱的杨氏模量，I—粱的弯矩，L—粱的长度。悬背的总位移可以用对粱全长度积分来获得:下图描画的是载荷与位移之间的关系。可见自由端位移和所加电压之间的确十分非线性，并且当电压超过一定的阀值，自由端位置会变得不稳定。这个阀值有下式给出从原理上，优点是低功耗和结构简单易于制造,来说缺点是其电压-力曲线非线性。讨论:如果指厚相对于指长和宽很薄，则吸引力主要由边缘场(fringingfield)产生而不是平板电场(parallel-platefield)。与悬背粱时静电驱动器相比，叉指式静电驱动器可以在器件表面方向有更大的位移量。像其它静电式驱动器那样，叉指式也可以由其自身作位置传感。相对与其它静电驱动方式，叉指式的最大优点是其电压-位移关系相当线性。在叉指式驱动器中，电容随面积变化而不是随间隙量，由于电容量随面积作线性变化，位移随电压的按平方关系变化。具体推导可参考文献。Tangetal,SensorsandActuators,VolA21,1-3,Feb.1990,pp328-331静电梳齿式驱动器静电梳齿式驱动器是由大量叉指式的“手指”组成，加一定电压时会产生相对移动。如下图所示为第三代核弹安全系统设计的24位密码微机构24位密码微机构中的静电驱动器用叉齿式驱动器实现的Micro-STM(Y-Xu,Cornell)日立发表的Micro-STM(与SEM兼容),采用Comb式)同心圆状的叉齿使静电驱动器，直径1mm。Tang,etal,SensorsandActuators,Vol.20(1989),pp15-20驱动光纤例子静电马达利用两个充电电极之间基于静电能的能量变化趋势可产生机械位移，这种作用力使电极趋于相互接近并达到能量最小的稳定位置。通过固定一个电极，并限制另一个电极向其移动的自由度，可以获得一个单一方向的位移。所要施加的力可以通过对沿梯度方向静电能求导来计算。最早(?)的静电马达由UCB发表出来，如下图，转子外径120um，向四个方向伸出，静子成放射装分布在周围，划分成12个电极，每3个并联接续，组成3相4极静电马达。Tai,etal,SensorsandActuators,Vol.20,No1/2,(1989),pp49-55UCB最早静电马达的断面形状。转子式多晶Si，轴和转子接触不式Si3N4，以减小摩擦。转子和静子间隔2um，可以加60-400V电压。三相静子顺次加电压时，转子可以连续转动。200V时实测转速150rpm，而理论值是200V时120krpm，摩擦的影响使其转速降到近千分之一。MIT的Mehregany等人对UCB的静电马达进行了改进。将电极均匀地固定在圆周上形成转子，而把静子固定在外环上。他们在硅材料上制作出了多种类型的直径30-100um的转动马达(一块Si片上7000个)。转子厚2um，轴间隙0.3um、电极间隙1.5um，转子由3个凸起支撑，接触面积极小。“Wobble”的转速达到4000rpm。Mohreganyetal,Proc.TRANSDU