第三次课MEMS执行器工作原理课件.ppt

1、MEMSMEMS执行器的工作原理执行器的工作原理LOGO内容回顾内容回顾光光声声力力温度温度化学化学其他其他传传感感器器模拟模拟信号信号处理处理数字数字信号信号模拟模拟信号信号处理处理执执 行行 器器运动运动能量能量状态状态信息信息其他其他与其它微系统的通讯与其它微系统的通讯/接口接口LOGO内容回顾内容回顾压电效应压电效应电容效应电容效应压阻效应压阻效应传感元件传感元件隧穿效应隧穿效应热效应热效应光学效应光学效应谐振效应谐振效应热力效应热力效应静电效应静电效应形状记忆形状记忆合金效应合金效应执行元件执行元件电磁效应电磁效应光、化学、生物等光、化学、生物等LOGO静电效应静电效应u MEMSM

2、EMS执行器功能示意图执行器功能示意图输出动作输出动作微执行元件微执行元件能量供给能量供给传输单元传输单元夹钳臂夹钳臂 电极电极电极电极夹钳臂夹钳臂 u 利用静电致动的利用静电致动的MEMSMEMSLOGO微夹钳微夹钳微镊子微镊子微型梳状结构微型梳状结构微型电动机微型电动机LOGOdab平行板电容器的电容平行板电容器的电容C C平行板电容器的能量平行板电容器的能量W W 虚功原理虚功原理 对于一个静态平衡的系统，所有外力的作用，经过虚位移，对于一个静态平衡的系统，所有外力的作用，经过虚位移，所作的虚功，总合等于零。所作的虚功，总合等于零。2CU21W dabC0rLOGO MEMS MEMS微

3、执行器中常用的静电力驱动结构微执行器中常用的静电力驱动结构 和静电力计算公式和静电力计算公式 二维平行板结构二维平行板结构 矩形板结构矩形板结构 圆形板结构圆形板结构LOGO二维平行板结构静电力计算（二维平行板结构静电力计算（MEMSMEMS中最常用的一种）中最常用的一种）平行板电容器结构示意图平行板电容器结构示意图 考虑四个边的边缘效应考虑四个边的边缘效应只考虑两个长边的边缘效应只考虑两个长边的边缘效应 平行板电容器俯视图平行板电容器俯视图边缘效应区边缘效应区极板的宽度极板的宽度a,a,长度长度b b，且有，且有aba30a/d30时，时，所有公式的误差都低于所有公式的误差都低于3%3%，工

4、程上用最简单的无限大，工程上用最简单的无限大平行板静电力公式即可。平行板静电力公式即可。3.3.采用复变函数保角变换推导出的简化公式具有精度高、采用复变函数保角变换推导出的简化公式具有精度高、表达式简单的特点，适合于工程应用。表达式简单的特点，适合于工程应用。LOGOdaabUddabUrr20220212F 当矩形极板不满足当矩形极板不满足abab的条件时，需要考虑另外两个边的边的条件时，需要考虑另外两个边的边缘效应。缘效应。选用精度高、形式简单的基于保角变化的计算公式进行修正。选用精度高、形式简单的基于保角变化的计算公式进行修正。首先，将公式展开为：首先，将公式展开为：其中第一项为无限大平

5、板静电力计算公式，第二项是对长度其中第一项为无限大平板静电力计算公式，第二项是对长度为为b b的两个边缘电场修正，按照矩形对称的形式，将边长为的两个边缘电场修正，按照矩形对称的形式，将边长为a a的两边给出对称的修正表达式，可得到：的两边给出对称的修正表达式，可得到：矩形板结构静电力计算矩形板结构静电力计算LOGO）（ddadabUdabUddaabUddabUrrrrbdd12b21212F2202020220LOGO 克希霍夫公式克希霍夫公式给出了半径为给出了半径为R R的圆形平行板电容公式的圆形平行板电容公式：)116(lnRC020dRRdrr)1(2URF2220Rddr 根据根据虚

6、功原理虚功原理，可以得到圆形极板间的静电力为：，可以得到圆形极板间的静电力为：圆形极板结构静电力计算圆形极板结构静电力计算LOGO静电力的大小仅仅取决于极板的相对表面积和间距静电力的大小仅仅取决于极板的相对表面积和间距,适合适合微微观领域观领域;静电驱动力与体积比极高，与尺寸平方成比例，尺寸越小，静电驱动力与体积比极高，与尺寸平方成比例，尺寸越小，间隙越小，单位体积产生的静电力越大；间隙越小，单位体积产生的静电力越大；采用电压驱动，易于控制和高速化，可实现低功耗。另外，采用电压驱动，易于控制和高速化，可实现低功耗。另外，制作工艺与制作工艺与ICIC工艺兼容，易于集成工艺兼容，易于集成;当静电执

7、行器电极板表面存在毛刺灰尘时候，存在电击穿当静电执行器电极板表面存在毛刺灰尘时候，存在电击穿的危险，所以要求静电执行器的表面非常平整，必须做一的危险，所以要求静电执行器的表面非常平整，必须做一个合适的隔离层，并将其封装起来。个合适的隔离层，并将其封装起来。静电力驱动的应用静电力驱动的应用LOGOLOGO热力效应热力效应原理：基于固体或者流体的热胀冷缩原理：基于固体或者流体的热胀冷缩常见结构：常见结构：双变体结构，弯曲梁结构，热空气结构双变体结构，弯曲梁结构，热空气结构双变体结构示意图双变体结构示意图温度控制的电开关温度控制的电开关蠕虫状步进微马达蠕虫状步进微马达LOGO弯曲梁结构示意图弯曲梁结

8、构示意图用不同尺寸的同一种材料（多晶硅是一种常用的材料）组成的双梁结用不同尺寸的同一种材料（多晶硅是一种常用的材料）组成的双梁结构，是一个比较成熟且可行的驱动结构。构，是一个比较成熟且可行的驱动结构。设计和制作都比较简单，在不大的尺寸上，即能产生较大的位移，又设计和制作都比较简单，在不大的尺寸上，即能产生较大的位移，又能实现较大的驱动力。能实现较大的驱动力。它的尺寸设计比较灵活，可以控制驱动电压与标准集成电路电压兼容。它的尺寸设计比较灵活，可以控制驱动电压与标准集成电路电压兼容。弯曲梁单元阵列则可以保证足够的驱动力。弯曲梁单元阵列则可以保证足够的驱动力。LOGO热空气结构示意图热空气结构示意图

9、利用气体利用气体/液体的热膨胀液体的热膨胀,半导体材料支撑气体腔和提供电阻并加热气体。半导体材料支撑气体腔和提供电阻并加热气体。由一个充满空气的腔、蛇型加热电阻和膜组成。加热电阻由一块薄的硅由一个充满空气的腔、蛇型加热电阻和膜组成。加热电阻由一块薄的硅板支撑，而硅板由板支撑，而硅板由4 4个小的硅梁挂起，硅板同时起到密闭空气腔的作用。个小的硅梁挂起，硅板同时起到密闭空气腔的作用。电阻发热，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀；停止加热，电阻发热，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀；停止加热，膜回到原来位置。膜回到原来位置。LOGO热驱动的特点和应用热驱动的特点和应用 克服了对距离

10、的依赖克服了对距离的依赖 驱动作用力较大驱动作用力较大 广泛应用于微阀门、广泛应用于微阀门、微夹子、微泵、微马微夹子、微泵、微马达等达等 固体的热膨胀系数较固体的热膨胀系数较小，需要做些放大热小，需要做些放大热膨胀量的特别结构膨胀量的特别结构热驱动微泵示意图热驱动微泵示意图LOGO形状记忆合金效应形状记忆合金效应工作原理：工作原理：形状记忆合金在高温下定型后，冷却到较低温度，并施加变形，形状记忆合金在高温下定型后，冷却到较低温度，并施加变形，使其存在残余变形；然后在这种状态下稍微加热，可使其残余变使其存在残余变形；然后在这种状态下稍微加热，可使其残余变形消失，并恢复到高温下所固有的形状，好像合

11、金形消失，并恢复到高温下所固有的形状，好像合金记住了记住了高温状高温状态下所赋予的形状一样。态下所赋予的形状一样。钛镍基合金和铜基合金钛镍基合金和铜基合金根据各种形状记忆合金的不同记忆功能，分为：单程记忆效应，根据各种形状记忆合金的不同记忆功能，分为：单程记忆效应，双程记忆效应和全程记忆效应。双程记忆效应和全程记忆效应。LOGO单程记忆效应单程记忆效应 某些合金在较低温度下变形，加热后可以恢复变形前的形某些合金在较低温度下变形，加热后可以恢复变形前的形状，只在加热过程中存在的形状记忆效应。状，只在加热过程中存在的形状记忆效应。双程记忆效应双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢

12、复到低温某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复到低温相形状。相形状。全程记忆效应全程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状。取向相反的低温相形状。LOGO应用应用当记忆合金恢复原来状态时，可输出力而做功，是很有发展前途的驱动当记忆合金恢复原来状态时，可输出力而做功，是很有发展前途的驱动组元的智能材料。组元的智能材料。用于旋转型的微执行器、微关节、微机器人、微弹簧、温度控制装置、用于旋转型的微执行器、微关节、微机器人、微弹簧、温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好

13、、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正以及医耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正以及医用导管等医用材料用导管等医用材料特点特点最大做功密度大、机构简单、柔软易变形、驱动电压低（可采用低于最大做功密度大、机构简单、柔软易变形、驱动电压低（可采用低于5V5V以下电压）、尺寸可在微米级别；以下电压）、尺寸可在微米级别；不足之处：难于与硅的制作工艺兼容不足之处：难于与硅的制作工艺兼容LOGO形状记忆合金微执行器形状记忆合金微执行器SMA薄膜微钳薄膜微钳SMA医用微型导管医用微型导管LOGO电磁效应电磁

14、效应 工作原理工作原理利用洛伦磁力为主要执行力利用洛伦磁力为主要执行力开发出电磁微电机、微泵、微光开关、微镊子等开发出电磁微电机、微泵、微光开关、微镊子等电磁线圈的加工和磁性材料的生成电磁线圈的加工和磁性材料的生成 微磁元件的制造微磁元件的制造-磁性材料的沉积磁性材料的沉积LOGOLOGOLOGOLOGOLOGOLOGO磁致伸缩微执行器磁致伸缩微执行器 磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：1840 1840年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向磁场时，它会收缩。磁场时，它会收缩。在外加磁场的作用下，材料的磁畴按照外磁场进行排列，在外加磁场的作用下，材料的磁畴按照外磁场进行排列，从

15、而引起材料尺寸的变化从而引起材料尺寸的变化LOGOLOGOLOGOLOGO压电致动微执行器压电致动微执行器 利用逆压电效应在压电材料上加不同的驱动电压来实现驱利用逆压电效应在压电材料上加不同的驱动电压来实现驱动功能的。动功能的。主要有微泵、微阀门、微弹簧、微机器人的手足等主要有微泵、微阀门、微弹簧、微机器人的手足等压电驱动脚和自行式机器人压电驱动脚和自行式机器人LOGOLOGO 如图所示的梳状驱动的微执行如图所示的梳状驱动的微执行器器,计算在弹簧为原长的状态计算在弹簧为原长的状态下下,要使电极移动要使电极移动1010微米所需微米所需的电压的电压.(.(梳式驱动在空气中工梳式驱动在空气中工作作)已知已知:弹簧的弹性常数为弹簧的弹性常数为0.05N/m;0.05N/m;电极间距电极间距d=2d=2微米微米;电电极宽度极宽度W=5W=5微米微米.弹簧常数弹簧常数k k移动电极移动电极固定电极固定电极间隙间隙d d间隙间隙d d电极宽度电极宽度W W梳状驱动微执行器示意图梳状驱动微执行器示意图注意注意:单位要统一单位要统一;长度为米长度为米,介电常数法介电常数法拉拉/米米,电压为伏特电压为伏特,力为牛顿力为牛顿课课 后后 作作 业业LOGO