静电微执行器

静电微执行器王云201521203018机研156摘要：微执行器是微系统三大组成部分之一，是微系统中能实现微操作的关键驱动部件。现代工业对精度的要求极高，传统的执行器件无法满足这种精度要求，微执行器应运而生。不同的微执行器由于不同的工作特点，制作也有差别。静电执行器是利用异性电荷的库仑力作用来实现机械运动的。静电执行器可以制作静电电机、静电微阀和微泵等。关键字：驱动；微执行器；静电执行器；电机；Abstract:themicroactuatorsisoneofthethreecomponentsofmicrosystemisthekeytothemicrosystemcanrealizemicrooperationsdrivecomponents.Modernindustryfortherequirementofhighprecision,theimplementationoftraditionaldevicecanmeettheaccuracyrequirement,microactuatorsarisesatthehistoricmoment.Duetothedifferentcharacteristicsofdifferentmicroactuators,therearedifferences.Electrostaticactuatoristheuseofoppositechargesofcoulombforceisusedtoimplementthemechanicalmovement.Electrostaticactuatorcanmakeelectrostaticmicromotor,electrostaticmicrovalveandpump,etc.Keywords:drive;Microactuators;Electrostaticactuator,Themotor;0引言微机电系统MEMS,—般泛指尺度在微米级的装置。微机电系统一般有三大部分构成：微传感器、微处理器和微执行器。微执行器在宏观概念上就和电动机一样，是MEMS不可缺少的部件。长期以来，人们研究压电、静电、电磁等各种各样的驱动器件，其中静电力执行器的结构和激励方式简单，加工工艺容易实现，能产生往复振动的静电谐振器频带宽度窄，驱动阻尼小，品质因数高［1。静电执行器在微系统中应用广泛，是微系统执行器的研究热点。本文从静电执行器的基本概念出发，介绍了静电执行器的工作原理、分类以及前景。1静电执行器的概念静电执行器是利用异性电荷的库仑引力作用来实现机械运动的［2。如图所示1正电荷员电荷图1静电执行器工作原理当在两极板施加电压时，由于极板之间有介质存在，正负电荷会分别聚集在两个极板上，这时正负电荷之间就会产生静电引力就是库仑力为8SU2F_22d2式中8介电常数S电极板面积U施加电压d电极间距当改变施加的电压时，由于静电引力的变化使电极之间的距离发生几个微米的变化。电极间距越小，电极间电场强度越大，产生的静电力也越大。因此微机电静电执行器能够获得相对较大的驱动力。静电执行器是表面力的作用，即静电执行器的驱动力取决于施加电压、电极间距和面积，而与电极厚度和体积无关，因此静电执行器的微型化比电磁执行器、形状记忆合金执行器等于体积相关的微执行器易实现。静电执行器常制作静电旋转电机、静电直线电机、静电微泵与微阀以及硅扭转镜等。静电微执行器常采用梳状电极以增加作用面积和运动距离，如图2。图2静电梳状电极2静电驱动与其他驱动方式的区别静电驱动与压电、压阻、电磁和记忆合金等驱动方式相比，静电驱动的驱动力不大，但由于静电驱动改变极板电压就可以来改变驱动力，即用电压控制。静电驱动的能耗小，响应时间短，效率高，工艺兼容性好，可以用体硅和表面微机械加工，便于实现系统集成，是微机电执行器的发展趋势［3。3静电驱动的应用静电旋转电机以梳状电极平行运动为基础，通过时序控制在定子电机各齿面上的电压，使转子收到扭转力产生力矩，从而产生旋转运动。旋转型静电电动机一般是以多晶硅材料制成，形状为扁平。旋转型静电电动机可以分为三种:顶驱动型、侧驱动型以及摆动型。顶驱动型旋转静电电动机的结构是定子在转子的上面，定子电极与转子电极之间形成电容，电容中电场变化产生一个相对轴承为切向的静电力,直接驱动电动机旋转。如图3为静电旋转电机。图3静电旋转电机静电电动机的运行原理有两种:一种是利用介电驰豫原理，另一种是利用电容可变原理。1介电驰豫原理.利用介电驰豫原理的静电电动机一般被称为静电感应电动机或异步介电感应电动机。其具体原理如下：如果将一个介电转子置于旋转电场中，那么就会在转子表面感应出电荷,由于介电驰豫，这些电荷滞后于旋转电场，这些感应电荷与旋转电场之间的偏移就产生了一个作用在转子上的转矩。如果转子由多种介质构成，那么不同的介电驰豫过程就会被叠加在不同的频率下起作用。由于电动机运行时，转子的角速度小于旋转电场的角速度，因此这种电动机被称之为“异步”电动机的转矩与效率都取决于转子角速度与旋转电场角速度的比。感应型静电电动机有其自身的优势：第一，感应电动机靠介电驰豫来建立转子上的电荷分布，而不是靠转子的凸极结构，于是感应电动机的转子可以是光滑均匀的，甚至可以是液体。所以从制造工艺上讲，感应电动机比电容可变电动机有优势。第二，感应电动机是异步运行的，所以它可以不需要转子位置的反馈就可以获得较好的运行性能。第三，在感应电动机某一特定的运行状态下可以提高轴承摩擦和磨损的特性。但是由于介电感应电动机材料的电性能对电动机的运行有很大的影响，因此对于感应电动机而言，对材料导电性能的控制就成为设计和制作上的难点2电容可变原理利用电容可变原理的静电电动机就是指利用带电极板之间基于静电能的能量变化趋势产生机械位移，这种作用力使两个电极趋于互相接近并达到一能量最小的稳定位置。电动机的定子为静止电极，转子为移动电极，通过限制转子向定子方向移动的自由度，就可以使转子获得一个单一方向的位移。电容可变型静电电动机的结构简单，由性能良好的绝缘体和导电体构成,它的激励只需要简单的开环电压脉冲就足够了。电容可变型静电电动机也有着一些缺点：第一，为了使之能够运行，必须保证定转子间的电容可变，因此对于顶驱式和侧驱式电动机的转子就必须是凸极的结构J,这样的结构做成平面化就需要复杂的工艺步骤。第二，为了获得较大的电容变化以提高驱动转矩，就需要减小定转子之间的气隙，这就又增加了加工的难度。第三，电容可变型静电电动机是同步式电动机，因此即使是最小的运行也需要转子位置的反馈，这可以说是一个很重要的缺点。最后，转子易受到横向电场力的作用，从而导致了轴承摩擦和磨损。4静电驱动研究趋势随着静电电动机的外形尺寸越做越小,摩擦问题成为制约静电电动机寿命与性能的最大因素（目前静电电动机的寿命一般是以小时为单位来计算），同时摩擦力还直接影响着静电电动机的效率。对于超微型的静电电动机来，摩擦力主要是由于表面的相互作用力而不再是载荷压力，传统的宏观摩擦理论和研究方法已不再适用。研究微观摩擦理论来获得在质量很小、压力很轻的条件下无摩擦、无磨损的边界条件对于解决以上问题是十分必要的［4。目前静电电动机的驱动力矩还是相对过小，这使它的应用范围受到限制。要实现静电电动机长距离重负载的运动，需要采用新的制造材料和新型结构，同时也要研究静电电动机与被驱动对象之间的传动机构。由于静电电动机外形尺寸比较小，特别是由于其结构多为扁平（径向直径大于轴向长度），所以对静电电动机需要进行三维场的分析，一般情况下是采用有限元法（FEM）或边界元法（BEM）。通过三维静电场的计算，建立解析模型（也称集总参数模型），结合电压激励方式的优化和外形尺寸的优化，以实现静电电动机设计的自动化。5结束语本文主要介绍了静电执行器的基本概念和原理、静电驱动的分类、应用以及研究方向。静电驱动常采用的梳状电极方式有助于提高执行器的综合性能。参考文献