MEMS致动器原理

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1、MEMS致动器MEMSActuators清华大学微米纳米技术研究中心叶雄英2012.10.22微致动器定义致动器定义：通过电、光等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。微致动器的功能：驱动微型结构，产生变形、位移或力输出；平衡微型结构，防止变形或偏移微致动器MicroActuator致动方式：微型致动器件：静电致动微型马达电磁致动微型谐振器压电致动微型继电器电热致动微型光/RF开关灵巧蒙皮微型泵/阀静电致动器ElectrostaticActuat

2、or利用电极间电荷的库仑力致动。微型静电致动器：平板电极驱动器梳状驱动器旋转马达SDA（ScratchDriveActuator）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：FeVStrongfunctionofgap!Spring-SuspendedCapacitorStabilityAnalysis稳定性分析Net(attractive)forceonplateFsIfweincreasethegapbydg,theincrementdF>0ortheplatecolla

3、psesnet电刚度稳定Pull-InVoltageVPI当电压升高到一定时，系统将失去平衡，把电极吸合。Plotnormalizedelectrostaticandspringforcesvs.normalizeddisplacement1-(g/g)oCombDrive梳状驱动器梳齿结构(CombStructure)平移结构（linear）旋转结构（rotational）0.4mmMechanicalStopMirrorPrincipleandFeaturesWilliamTang,Ph.D.EECSDe

4、pt.,1990Formulae电场能量：静电力：CEnergymustincludecapacitancebetweenthestatorandtherotorandtheunderlyinggroundplane,whichistypicallyconnectedattherotorvoltage.w=t=g=z=2µm0V=0VrC’=dC/dxCombDriveFailureModesExample释放应力ScratchDriveActuator(SDA)SDAoperation1)Appliedv

5、oltagebendsSDAdownward2)Whenreleased,SDAreturnstooriginalshape3)ReapplyingvoltagecausesSDAtomoveadistance‘dx’Caveat:sometimestheygobackward!SDAapplicationElectrostaticMotorsTorqueMotor的原理•典型的电极数为：定子12个，转子8个•三相驱动A’B’C’GroundW3W/2ABCDV固定W2W/3GGVMicroMotor的应用微型

6、静电悬浮陀螺14x14x3mmRotorD1.5mm74,000rpmElectrostaticallylevitatingmicromotorforrotationalgyroscopeT.Murakoshi(TokimecInc.)et.al.,Transducers’99,Jpn.J.Appli.Phys.,Part1(2003)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；位移较小（SDA除外）

7、；驱动电压较高（特别是平板电极）静电致动器应用静电马达继电器、开关谐振器力平衡传感器、陀螺、隧道效应器件等电磁致动Magneticactuators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出口入口运动。氮化绝缘层驱动膜变形（MEMS线圈和结构）金线圈多晶硅振动式磁强计（MEMS线圈和结构）永磁体载流导线周围某点磁场强度：→→→→µIdl×rB=dB=Y∫L∫L24πr

8、X磁荷m在磁场中所受的磁力：PermanentMagnetF=mH,H=B/µZSiTopLayerSiMiddleLayerXSiBottomLayer直线电流在磁场中所受作用力：F=JBlsinθMagneticActuatorArray：StructureChangLiu,InternationalConferenceonSolid-S