课件第四章执行器

回顾MOEMS器件微传感器微执行器微加速度计微陀螺压力传感器敏感原理：压阻式电容式隧道电流式谐振式压电式光学式？执行方式：？第四章

MOEMS微执行器3执行器力学执行器————致动器光学执行器光发射（光源）光调制器（液晶、微镜）热执行器致冷器磁执行器4光开关例子5主要内容MOEMS微致动器的执行方式典型微致动器6

微致动器定义致动器定义：（MicroActuator）通过电信号直接或间接控制机械结构，使之发生变形、移动或防止变形的机构，称为致动器。（片面）将电能或其他能量转换为机械能的一种执行器。致动器的功能：驱动微型结构，产生变形、位移或力输出；平衡微型结构，防止变形或偏移。微型致动器件：微型马达——最常用的微执行器。微夹钳——用于微器件的装配，是操作机构与微型零件之间的接口。微型光开关——光系统和网络中实现光路切换的重要元件，它是使传输通路中的光信号实现通或断，或进行路由转换的一种光器件。微泵——应用于微流体供给和控制、微量元素分析、芯片冷却等方面。微阀——微流量控制系统的关键部件。微镜、微喷、RF开关……78致动方式：静电致动电磁致动压电致动热致动光致动生物致动……9

第一节静电致动器

ElectrostaticActuator利用电极间电荷的库仑力致动。微型静电致动器：1.平板电极致动器2.梳状致动器3.静电旋转微马达4.静电平动微马达101.平板电极致动器平板电极致动器相当于平板电容，作用于电极板上的静电力：11实例Pull-InVoltage当电压升高到一定时，系统将失去平衡，把电极吸合。122.梳状致动器原理和特点使用大量的梳齿（叉指），通过在他们之间施加电压来驱动。梳齿厚度相对于其长度和宽度而言很薄，则其引力主要由边缘效应而非平板效应决定。能在衬底面上产生相对较大的位移。位移与所施加的电压平方成正比。13梳齿结构(CombDrive)平移结构（linear）旋转结构（rotational）14CombDriveFailureModes需要在x方向有低硬度，但在y、z方向及旋转具有高硬度。15推挽式结构实现双向致动163.静电旋转微马达利用静电力驱动马达，实现马达的旋转。有一个能自由转动的中间转子，四周布以电容极板，以合适的相位驱动，就可使转子转动，获得相对高的速度。171987年，美国U.C.Berkeley采用表面牺牲层技术研制成功第一台静电旋转微马达，标志MEMS技术的发展进入新纪元。•典型的电极数为：定子12个，转子8个•三相驱动•转子直径：120微米•最大转速：500r/min18静电旋转马达194.静电平动微马达尺蠖（huò）属于无脊椎动物，昆虫纲，鳞翅目，尺蛾科昆虫幼虫的统称。尺蠖幼虫身体细长，行动时一屈一伸像个拱桥，休息时，身体能斜向伸直如枝状。204.静电平动微马达ScratchDriveActuator（SDA）具有很好精度的步进直线微机械执行器结构紧凑，驱动力较大，位移较大微小垂直挡板金属板21SDAoperation1)AppliedvoltagebendsSDAdownward——将挡板向前推进一小段距离2)Whenreleased,SDAreturnstooriginalshape——由于挡板和金属板与绝缘层表面摩擦力的不对称，产生金属板净位移3)ReapplyingvoltagecausesSDAtomoveadistance‘dx’——重复得到连续的、步进的直线运动22

静电致动特性静电致动的特点结构易于实现，只需间隙与电极；可通过控制间隙或电压来得到所需的致动力；只有吸引力，结构恢复靠弹性力；推挽式结构实现双向致动；功耗低、响应时间短，宜于完成较高频率的驱动。静电致动器应用静电马达开关谐振器力平衡传感器、陀螺、隧道效应器件等23其他静电致动器件微开关结构上采用两块分开一定距离的极板，当施加电压时，极板在电场力的作用下发生变形，实现开关的闭合。静电式微开关电镜图静电式微开关的结构图24优缺点：无需工作电流，功耗低（无线通信系统中广泛应用）响应速度快（10kHz）制造工艺简单驱动电压较高，通常大于10V负载电流很小（小电流应用场合）25微夹钳用于微器件的装配，是操作机构与微型零件之间的接口。有一个静电力驱动的微型直线驱动器，该驱动器的直线运动通过铰链机构转化为微夹钳两指的旋转运动。静电驱动微夹钳26光栅光阀(GLV:GratingLightValve)应用：开关显示静电驱动可编程光栅应用27光谱仪28

静电梁29静电微镜

用于投影显示装置的数字微镜阵列芯片（

DMD,DigitialMicroMirrorDevices）,是美国TexasInstruments

公司用硅表面工艺开发的，在1cm×1cm硅片上做出五十万只微镜，每个镜片尺寸为16×16μm2，可单独设定地址。30DMD基本原理31利用DMD的投影系统32数字微镜应用

——DMD空间光调制器光学掩模DMD空间光调制器掩模制作系统33静电驱动的光开关——用于切换光路的器件。34静电驱动的2×2光开关静电驱动的8×8光开关35中科院长春光机所的静电驱动的光开关36光交叉连接器——全光网络中位于网络节点处进行全光信号交换的核心器件。朗讯公司的已研制出1296×1296的光交叉连接器双轴倾斜微镜结构37第二节电磁致动

Magneticactuators通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。旋转电机（MEMS多层线圈）直线电机（MEMS线圈）阵列搬运器（MEMS磁体和结构）通电线圈在外磁场的作用下产生运动。驱动膜变形（MEMS线圈和结构）振动式磁强计（MEMS线圈和结构）德国的电磁致动微型泵38MagneticActuatorArray：结构形式39MagneticActuatorArray：致动原理40

电磁致动的特点

微结构通常采用电镀技术加工镍作为磁性微致动器金和铜作为线圈材料优点大驱动力大行程低驱动电压问题

产生的磁场会影响附近的物体加工工艺复杂、难度大与现有的微电子工艺兼容性很差41器件微马达微开关电磁力的大小与距离存在非线性，当接近接触时，电磁力呈指数增加，最终实现稳定的接触，非常适合驱动开关。由于电磁力的产生和磁场的建立之间不存在延迟，因此能提供较短的开关时间。执行器电压低，需要较大的工作电流，功耗较大；工艺复杂，制作成本高。微夹钳——线圈通电产生的电磁场驱动电磁铁动作，推动夹钳的卡爪完成夹持动作。42电磁驱动2×2光开关43悬臂梁结构，由四条悬臂梁支撑硅平面(4mm×4mm×25um)，平面上有微镜，下面有一个70匝的平面铜线圈。原理示意图加州理工学院的电磁驱动光开关细菌大小的微型机器人面世4445第三节压电致动

Piezoelectricactuators压电效应：某些电介质，当沿着某一方向发生变形时，内部产生极化现象，在表面产生电荷，电荷极性与外力方向有关，外力去掉后电荷消失。逆压电效应：在这种电介质的极化方向施加电压，会产生变形。压电致动器利用的就是这种效应，将电能转换成机械能。压电材料：具有压电效应的电介物质，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。46压电致动方式压电应变常数d：产生应变S与电场E的比值。压电致动的主要形式压电薄膜：利于系统集成，致动力和位移小；压电堆（叠层压电陶瓷片）：位移较大，致动力很大，轴向尺寸大，对装配的要求高，驱动频率较高。47

压电膜和压电堆致动器Alayerofpiezoelectricmaterialisdepositedonabeamorathinsiliconmembranes.压电膜的形成：•溅射•溶胶凝胶法日本东北大学的压电堆致动微泵48压电致动特点优点：能实现较大的力输出（薄膜型除外）响应快通过适当的结构设计，可以在一个单元上兼有传感器和执行器的双重功能。缺点：需特殊工艺，与硅工艺的兼容性不太好（薄膜型除外）驱动电压较高（薄膜型除外）49器件压电微马达压电微开关——借助开关构件上外加电压生成的电场令其尺寸发生变化来产生相关的运动。压电陶瓷驱动微夹钳——压电陶瓷伸缩带动夹钳运动。高压致动器50器件微镜位移控制微镜角度控制1微镜角度控制251第四节热致动

Thermalactuators热膨胀式致动热气动式致动形状记忆合金52热膨胀式——热双晶片致动将两种不同热膨胀率的材料层叠固定，当温度发生变化后由于膨胀率不同而产生弯曲变形。致动模型：悬臂梁加热流53热气动式形成封闭流体（如空气、水蒸气、液态水等）的空腔空腔中的流体加热后会膨胀压力增大，从而推动薄膜运动。54形状记忆合金

ShapeMemoryAlloy形状记忆合金是指受热时长度能发生很显著的变化（收缩）的合金。受到机械力作用产生变形的合金，一旦受热就会恢复到它们变形前的状态。因为它们是电导性的，所以可以通过电流来加热。55形状记忆合金的优点：形状记忆合金由于其特殊的相变机理,不仅可以有单向或双向形状记忆效应,同时还可产生大的应变和大的驱动力。对人体无毒害作用，非常适合医疗方面的应用。形状记忆合金的缺点：频率响应慢56形状记忆合金（SMA）微夹钳美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的微夹钳

微夹钳外形尺寸为

0.9mm×0.25mm×0.25mm

夹钳可以张开110微米57MOEMS典型致动方式的特点比较致动方式驱动力行程响应时间可靠性静电式小很小很快很好电磁式小大快好压电片式小中等快好叠层压电片式很大很大快好气动式大大慢好双金属热致动式大大一般好形状记忆合金式大大慢差第五节光执行器光的压力（辐射压）——当光反射、折射或吸收时，引起光的动量变化，在物体上的作用力。17世纪——牛顿——预言19世纪末——麦克斯韦——理论证明20世纪初——列别捷夫——测量例：功率10W的激光，作用力10-8N。当微小物体（微米量级）作为作用对象时光可表现出较为显著的力学效应。5859光压是光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。光捕获：利用光的力学作用，对尺度在微米以下的微小物体，用激光束夹住并使其移动的技术。光压使微粒向着光能密度高的方向运动。应用：单一有机微粒的制作细胞操纵和细胞融合（非接触非破坏）601986年美国贝尔实验室首次发明激光“镊子”。光镊特点：用光来实现对微粒非机械接触的捕获，不会对被捕获的生物微粒产生机械损伤。几乎不干扰生物粒子周围环境和它的正常生命活动，而且激光具有穿透性，可以无损伤地穿过细胞膜操控内部细胞器和生物分子。光镊对微粒的操控不是刚性的，可以在操作过程中实时测量微粒间的微小相互作用力，这时光镊既是微机械手又是作用力的微探针，是生物微粒动力学特性的理想研究手段。光镊特别适于对细胞及单分子的操控和研究。