MEMS技术(3 微系统的工作原理2-微执行器)ppt课件.ppt

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1、微系统的工作原理（二）王文廉——微执行器简介微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能。理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强，需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关系。微执动器的特点与传统执动器相比，微执动器的特点是：1、微系统加速快、速度高；2、仅需极小的驱动力；3、随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因素小。驱动方式一、静电式微执动器二、电磁式微执动器三、压电式微

2、执动器四、磁致伸缩式微执动器五、形状记忆合金微执动器一、静电式微执动器静电执行器的基本工作原理是：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力。从库仑定律：平板电容器：极板间作用力：CombDrivesTheseareparticularlypopularwithsurfacemicromachineddevices.Theyconsistofmanyinterdigitatedfingers.Whenavoltageisappliedanattractiveforceisdevelopedbetweenthef

3、ingers,whichmovetogether.Theincreaseincapacitanceisproportionaltothenumberoffingers;sotogeneratelargeforces,largenumbersoffingersarerequired.Onepotentialproblemwiththisdeviceisthatifthelateralgapsbetweenthefingersarenotthesameonbothsides,thenitispossiblef

4、orthefingerstomoveatrightanglestotheintendeddirectionofmotionandsticktogetheruntilthevoltageisswitchedoff.CombDriveElectrostaticCombDriveCombDriveDesignCombDriveFailureModes1.1静电悬臂执行器驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距固定端X处施加集中载荷时，梁末端的偏移量δT可由下式给出：其中，

5、距离梁固定端x处的静电力q(x)为：1.2扭转静电执行器扭转静电执行器在某些情况下具有优于悬臂梁结构的地方，特别是当施加双向偏转电极时，它们能够在两个方向上而不是仅在一个方向上偏转。如同悬臂梁结构一样，可以使用许多加工方法来制造，包括牺牲氧化物上生成多晶硅、在牺牲有机层上电镀金属、在牺牲有机层上溅射铝等。1.3静电梳状驱动梳状静电执行器使用大量的叉“指”，通过在它们之间施加电压来驱动。如果这些“指”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。与悬臂梁及上面讨论过的扭转型执行器不同的

6、是，梳状执行器能在衬底面上能产生相对较大的位移。另外，由于上面的空气或真空及下面的导电基座引起的边缘效应的不对称性会导致相当大的脱离衬底力或漂浮力。梳状静电执行器所有的静电执行器，都有利用执行器（或其它与其耦合的结构）来进行电容位置测量。对于梳状执行器，它的位移-电压的线性关系更好。在梳状驱动中，电容是通过改变面积而不是极板间距来改变的。由于电容与面积是线性关系，位移将与所施加的电压平方成比例。1.4静电旋转微型马达静电激励已经被用于实现旋转马达结构。基本思路是制做一个能自由转动的中间转子，四周布以电容极

7、板，以合适的相位驱动，就可使转子转动。获得相对高的速度是可能的，最近在这种结构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告题材，几乎没有实际的应用。典型的表面微机械静电马达1.5静电平动马达除了旋转马达外，静电平动马达也已经被微机械化；横向梳状驱动器也能被用于制造平动马达，即直线振动马达。通过反复对一个滑块施加斜向冲击，使其周期性地克服静态摩擦力，就产生了步进运动。“尺蠖（huò）”执行器一种有趣的、具有很好精度的步进直线微机械执行器是被称为“尺蠖”的执行器。基本构思是：使用

8、一个能弯曲的末端带有微小垂直挡板的金属板，当在金属板和衬底中掩埋的导体两端加电压时，金属板就向下弯曲，并将挡板向前推进一小段距离。电压消失时，由于挡板和绝缘层表面摩擦力的不对称，导致一定程度的运动“调整”，因而产生了金属板净位移。重复这个周期，就能得到连续的、步进的直线运动。静电尺蠖执行器工作原理1.6静电微夹具Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米位移量。它由一个7×5毫