微系统工作原理PPT课件.ppt
37页
内容:一热驱动器: 固体的热膨胀、双片式驱动器；二压电驱动器: 压电悬臂粱驱动器、压电叠片式驱动器、压电马达；三 静电驱动器: 原理、悬臂粱式静电驱动器和静电旋转式微马达等.Micro-System微系统工作原理微系统工作原理 微微传感传感器器与微驱动器原理与应用与微驱动器原理与应用（（二）） ----------在在在在英英英英语语语语词词词词典典典典里里里里“ “驱驱驱驱动动动动器器器器” ”定定定定义义义义为为为为 Actuator: Actuator: one one that that actuates, actuates, specifspecif: : any any of of various various electric electric hydraulic, hydraulic, or or neumaticneumatic mechanism mechanism by by means means of of which which something something is is moved moved or or controlled controlled indirectly indirectly instead instead of of by by hand hand (as (as a a motor motor that that turns turns of of a a large large ship ship or or moves moves the the elevators elevators of of an an airplane airplane or or an an airbrake cylinder operated by a motor man)airbrake cylinder operated by a motor man) 动动动动词词词词“ “驱驱驱驱动动动动” ”是是是是Actuate Actuate vt1: vt1: to to put put into into mechanical mechanical action action
所所所所谓谓谓谓驱驱驱驱动动动动器器器器指指指指的的的的是是是是能能能能产产产产生生生生驱驱驱驱动动动动动动动动作作作作的的的的器器器器件件件件或或或或装装装装置置置置，，，，即即即即不不不不是是是是人人人人类类类类的的的的手手手手，，，，而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构而是间接动作或控制机器的电气、气体、液体的机构 微驱动器微驱动器微驱动器微驱动器( (Micro Actuator)Micro Actuator)又称微致动器和微执行器，是能又称微致动器和微执行器，是能又称微致动器和微执行器，是能又称微致动器和微执行器，是能够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称而侠义的够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称而侠义的够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称而侠义的够产生和执行动作的一类微机械部件或机器的总称而侠义的说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置。
说，指的是能将电能装换成特定形式的机械能的微装置返回 ------------微驱动器的驱动原理微驱动器的驱动原理微驱动器的驱动原理微驱动器的驱动原理 驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理例如，利用驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理例如，利用驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理例如，利用驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理例如，利用静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记忆合金忆合金忆合金忆合金等等等等微驱动器装置分类微驱动器装置分类微驱动器装置分类微驱动器装置分类 从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持器、从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持器、从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持器、从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持器、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、压电、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、压电、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、压电、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、压电、电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合金等。
电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合金等电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合金等电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合金等研究微驱动器的必要性研究微驱动器的必要性研究微驱动器的必要性研究微驱动器的必要性 传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器微驱动以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器微驱动以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器微驱动以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器微驱动器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工( (ICIC工艺、体工艺、体工艺、体工艺、体硅加工和硅加工和硅加工和硅加工和LIGA)LIGA)，，，，微驱动器制作相对容易实现。
微驱动器制作相对容易实现微驱动器制作相对容易实现微驱动器制作相对容易实现现状现状现状现状 与传感器一起成为与传感器一起成为与传感器一起成为与传感器一起成为MEMSMEMS和和和和TRANDUCERSTRANDUCERS中主要的研究对象，中主要的研究对象，中主要的研究对象，中主要的研究对象，可以参考的论文很多可以参考的论文很多可以参考的论文很多可以参考的论文很多返回 热驱动器 利用固体或液体尺寸随温度变化的特性的驱动元件叫做热驱动器一个有趣的例子是Keller等人设计的热膨胀驱动的镊子(1997)，8x1.5x40um尺寸的镊子自由时是合起来的，当75mw能量输入是它可以张开35um热驱动器分为电阻加热方式和和介电损失加热方式等双片驱动器是利用粘在一起的二种材料的热胀系数不同来实现机械动作；而形状记忆合金（SMA）属于单片驱动器 电阻加热式的加热器通常集成在二个功能材料片之间这种结构的特点是位移-输入能量的关系线性好缺点包括高功率投入、低频带和较复杂的结构(相对与静电驱动) 介电损失式加热介电损失式加热介电损失式加热介电损失式加热 大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一大部分电介质在射频能量作用下都会有部分能量损失并转化为热能，这一特性可以用来非直接地给双片驱动器加热。
介电损失正比于所加特性可以用来非直接地给双片驱动器加热介电损失正比于所加特性可以用来非直接地给双片驱动器加热介电损失正比于所加特性可以用来非直接地给双片驱动器加热介电损失正比于所加RFRF电场的平方电场的平方电场的平方电场的平方( (或正比于所加或正比于所加或正比于所加或正比于所加RFRF能量能量能量能量) )，产生的热能用下式表达，产生的热能用下式表达，产生的热能用下式表达，产生的热能用下式表达此处此处此处此处f f为激励频率、为激励频率、为激励频率、为激励频率、ε εr r” ”相对介电常数、相对介电常数、相对介电常数、相对介电常数、E E0 0为电场强度为电场强度为电场强度为电场强度 返回 形状记忆合金（形状记忆合金（SMA））驱动器驱动器 形状记忆合金是一种特殊的合金，一旦使它记忆了任意形状，即使使它变形，当加热到某一适当温度时，则恢复变形前的形状目前有Ni-Ti合金等十几种微小驱动器的场合通常使用Ni-Ti合金位移量大是SMA的第一个特点：相同形状的SMA的弯曲变化量相当于双金属片的10倍；第二个特点是变位的自由度大：形状记忆合金是单一材料，没有方向依存性，可以向任何方向变位，如做成线圈形状能扩大动作行程。
SMA驱动器已经在微小管道机器人（内窥镜）中获得应用 返回 压电悬臂粱驱动器压电悬臂粱驱动器是利用一层(或双层)压电材料，在电场作用下沿与电场正交方向伸长或缩短，引起的悬粱弯曲的一种驱动元件如下图，结构上与热驱动器相近，只是功能材料是压电材料而非热变形材料 双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位双压电驱动器的设计，要考虑到单端固支使用时的空载变位δ δ0 0, , 最大最大最大最大发生力发生力发生力发生力F Fb b，，，，柔量柔量柔量柔量s sn n和共振频率和共振频率和共振频率和共振频率f fmm: :其中其中其中其中d d3131为横向压电常数；为横向压电常数；为横向压电常数；为横向压电常数；U U为施加电压；为施加电压；为施加电压；为施加电压；C C1111D D为压电材料的约束强度；为压电材料的约束强度；为压电材料的约束强度；为压电材料的约束强度；t ts s为中心电极厚度；为中心电极厚度；为中心电极厚度；为中心电极厚度；ρ ρ为压电材料的密度。
为压电材料的密度为压电材料的密度为压电材料的密度 积层型压电驱动器积层型压电驱动器积层型压电驱动器积层型压电驱动器∶ ∶ ∶ ∶ 压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型驱动元件外，还有积层型压电驱动器与双层压电驱动器相比，积层型驱动元件外，还有积层型压电驱动器与双层压电驱动器相比，积层型驱动元件外，还有积层型压电驱动器与双层压电驱动器相比，积层型驱动元件外，还有积层型压电驱动器与双层压电驱动器相比，积层型在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点 积层式压电驱动器的例子1: 惯性直线位移机构 压电管式驱动器，体积较大，谐振频率较低 双压电驱动举例: 微小STM器件 微小STM器件的驱动原理 SFM用压电双层驱动器 微微光光学学扫扫描描器器∶ ∶ 中中间间的的微微反反射射镜镜由由4根根压压电电陶陶瓷瓷臂臂支支承承，，可可实实现现二二维维光光学学扫扫描描，，实实验验结结果果证证明明扫扫描描角角度度可达可达14度。
度 静电驱动器静电驱动器静电驱动器静电驱动器 静静静静电电电电驱驱驱驱动动动动器器器器的的的的基基基基本本本本原原原原理理理理是是是是利利利利用用用用二二二二块块块块带带带带相相相相反反反反电电电电荷荷荷荷的的的的极极极极板板板板之之之之间间间间的的的的相相相相互互互互吸吸吸吸引引引引它它它它在在在在微微微微系系系系统统统统中中中中获获获获得得得得广广广广泛泛泛泛应应应应用用用用，，，，因因因因为为为为相相相相对对对对而而而而言言言言一一一一个个个个相相相相向向向向表表表表面面面面金金金金属属属属化化化化的的的的间间间间隙隙隙隙微微微微小小小小的的的的平平平平板板板板结结结结构构构构较较较较易易易易制制制制造造造造在在在在许许许许多多多多情情情情况况况况下下下下，，，，获获获获得得得得的的的的输输输输出出出出功功功功率率率率和和和和效效效效率率率率比比比比理理理理论论论论预预预预计计计计的的的的要要要要低低低低( (由由由由于于于于fringing fringing fieldfield和和和和表表表表面面面面漏漏漏漏电电电电) )，，，，静静静静电电电电驱驱驱驱动动动动依依依依然然然然在在在在许许许许多场合十分重要多场合十分重要多场合十分重要多场合十分重要( (特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合特别是只要相对与一个参照物移动其自身的场合) )。
计计计计算算算算静静静静电电电电驱驱驱驱动动动动器器器器的的的的力力力力大大大大小小小小可可可可以以以以从从从从CoulombCoulomb定定定定律律律律开开开开始始始始，，，，下下下下式式式式给给给给出出出出二二二二个个个个点电荷间的库伦力点电荷间的库伦力点电荷间的库伦力点电荷间的库伦力这里这里这里这里q1q1、、、、q2q2二个点电荷所带的库伦数，二个点电荷所带的库伦数，二个点电荷所带的库伦数，二个点电荷所带的库伦数，x x是二点之间距如果不仅是二个是二点之间距如果不仅是二个是二点之间距如果不仅是二个是二点之间距如果不仅是二个点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和对于实点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和对于实点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和对于实点电荷，就需要确定每一对点电荷间的作用力，在求其向量和对于实际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复杂际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复杂际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复杂际的静电驱动器，尽管有有限元等计算方法，大部分时候还是相当复杂的。
的 在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计在对许多简单结构进行一阶近似计算时，可以从平行板电容器的计算开始，但是对于大部分算开始，但是对于大部分算开始，但是对于大部分算开始，但是对于大部分( (比如悬背粱比如悬背粱比如悬背粱比如悬背粱) )驱动器，仅适用于夹角极小驱动器，仅适用于夹角极小驱动器，仅适用于夹角极小驱动器，仅适用于夹角极小的场合对于面积的场合对于面积的场合对于面积的场合对于面积A A的电容极板，在电压的电容极板，在电压的电容极板，在电压的电容极板，在电压V V时存储的能量时存储的能量时存储的能量时存储的能量: :因此，很明显静电力与极板间距和板间电压的关系都不是线性的因此，很明显静电力与极板间距和板间电压的关系都不是线性的因此，很明显静电力与极板间距和板间电压的关系都不是线性的因此，很明显静电力与极板间距和板间电压的关系都不是线性的这种非线性有时可以用闭环控制的方法消除这种非线性有时可以用闭环控制的方法消除这种非线性有时可以用闭环控制的方法消除。
这种非线性有时可以用闭环控制的方法消除极板间的静电力为极板间的静电力为极板间的静电力为极板间的静电力为 见教材见教材见教材见教材p50-51p50-51页页页页, , 例例例例2-3.2-3. 静电悬臂粱驱动器静电悬臂粱驱动器静电悬臂粱驱动器静电悬臂粱驱动器 静电悬背粱式驱动器的基本结构如下图所示极板间原始间距为静电悬背粱式驱动器的基本结构如下图所示极板间原始间距为静电悬背粱式驱动器的基本结构如下图所示极板间原始间距为静电悬背粱式驱动器的基本结构如下图所示极板间原始间距为d d，，，，假假假假定固定极板为刚性，可动极板厚度为定固定极板为刚性，可动极板厚度为定固定极板为刚性，可动极板厚度为定固定极板为刚性，可动极板厚度为t t 以下是以下是以下是以下是PetersonPeterson论文里的推导，目标是导出极板间所加电压与悬背粱自由端位移间的论文里的推导，目标是导出极板间所加电压与悬背粱自由端位移间的论文里的推导，目标是导出极板间所加电压与悬背粱自由端位移间的论文里的推导，目标是导出极板间所加电压与悬背粱自由端位移间的关系根据材料力学原理，在距离固定端关系根据材料力学原理，在距离固定端关系。
根据材料力学原理，在距离固定端关系根据材料力学原理，在距离固定端x x处的集中载荷，对于宽度处的集中载荷，对于宽度处的集中载荷，对于宽度处的集中载荷，对于宽度w w的粱，其自由的粱，其自由的粱，其自由的粱，其自由端位移为端位移为端位移为端位移为此处在此处在此处在此处在x x处的静电力处的静电力处的静电力处的静电力q(x)q(x)为为为为这里这里这里这里E—E—粱的杨氏模量，粱的杨氏模量，粱的杨氏模量，粱的杨氏模量，I—I—粱的弯矩，粱的弯矩，粱的弯矩，粱的弯矩，L—L—粱的长度悬背的总位移可以用对粱粱的长度悬背的总位移可以用对粱粱的长度悬背的总位移可以用对粱粱的长度悬背的总位移可以用对粱全长度积分来获得全长度积分来获得全长度积分来获得全长度积分来获得: : 下图描画的是载荷与位移之间的关系可见自由端位移和所加电压下图描画的是载荷与位移之间的关系可见自由端位移和所加电压下图描画的是载荷与位移之间的关系可见自由端位移和所加电压下图描画的是载荷与位移之间的关系可见自由端位移和所加电压之间的确十分非线性，并且当电压超过一定的阀值，自由端位置会之间的确十分非线性，并且当电压超过一定的阀值，自由端位置会之间的确十分非线性，并且当电压超过一定的阀值，自由端位置会之间的确十分非线性，并且当电压超过一定的阀值，自由端位置会变得不稳定。
这个阀值有下式给出变得不稳定这个阀值有下式给出变得不稳定这个阀值有下式给出变得不稳定这个阀值有下式给出从原理上，优点是低功耗和结构简从原理上，优点是低功耗和结构简从原理上，优点是低功耗和结构简从原理上，优点是低功耗和结构简单易于制造单易于制造单易于制造单易于制造, , 来说缺点是其电压来说缺点是其电压来说缺点是其电压来说缺点是其电压- -力力力力曲线曲线曲线曲线非线性非线性非线性非线性 讨论讨论讨论讨论: :如果指厚相对于指长和宽很薄，则吸引力主要由边缘场如果指厚相对于指长和宽很薄，则吸引力主要由边缘场如果指厚相对于指长和宽很薄，则吸引力主要由边缘场如果指厚相对于指长和宽很薄，则吸引力主要由边缘场( (fringing fringing field)field)产生而不是平板电场产生而不是平板电场产生而不是平板电场产生而不是平板电场( (parallel-plate field)parallel-plate field)与悬背粱时静电驱与悬背粱时静电驱与悬背粱时静电驱与悬背粱时静电驱动器相比，叉指式静电驱动器可以在器件表面方向有更大的位移量动器相比，叉指式静电驱动器可以在器件表面方向有更大的位移量。
动器相比，叉指式静电驱动器可以在器件表面方向有更大的位移量动器相比，叉指式静电驱动器可以在器件表面方向有更大的位移量像其它静电式驱动器那样，叉指式也可以由其自身作位置传感像其它静电式驱动器那样，叉指式也可以由其自身作位置传感像其它静电式驱动器那样，叉指式也可以由其自身作位置传感像其它静电式驱动器那样，叉指式也可以由其自身作位置传感相对与其它静电驱动方式，叉指式的最大优点是其电压相对与其它静电驱动方式，叉指式的最大优点是其电压相对与其它静电驱动方式，叉指式的最大优点是其电压相对与其它静电驱动方式，叉指式的最大优点是其电压- -位移关系相位移关系相位移关系相位移关系相当线性在叉指式驱动器中，电容随面积变化而不是随间隙量，由当线性在叉指式驱动器中，电容随面积变化而不是随间隙量，由当线性在叉指式驱动器中，电容随面积变化而不是随间隙量，由当线性在叉指式驱动器中，电容随面积变化而不是随间隙量，由于电容量随面积作线性变化，位移随电压的按平方关系变化具体于电容量随面积作线性变化，位移随电压的按平方关系变化具体于电容量随面积作线性变化，位移随电压的按平方关系变化具体于电容量随面积作线性变化，位移随电压的按平方关系变化。
具体推导可参考文献推导可参考文献推导可参考文献推导可参考文献Tang et al, Sensors and Actuators, VolA21, 1-3, Feb. 1990, pp328-331 静电梳齿式驱动器静电梳齿式驱动器静电梳齿式驱动器静电梳齿式驱动器静电梳齿式驱动器是由大量叉指式的静电梳齿式驱动器是由大量叉指式的静电梳齿式驱动器是由大量叉指式的静电梳齿式驱动器是由大量叉指式的“ “手指手指手指手指” ”组成，加一定电压时会产生组成，加一定电压时会产生组成，加一定电压时会产生组成，加一定电压时会产生相对移动如下图所示相对移动如下图所示相对移动如下图所示相对移动如下图所示返回 为第三代核弹安全系统设计的24位密码微机构 24位密码微机构中的静电驱动器 用叉齿式驱动器实现的Micro-STM(Y-Xu, Cornell) 日立发表的Micro-STM(与SEM兼容),采用Comb式) 同心圆状的叉齿使静电驱动器，直径1mmTang, et al, Sensors and Actuators, Vol. 20(1989), pp15-20驱动光纤例子 静电马达静电马达静电马达静电马达利用两个充电电极之间基于静电能的能量变化趋势可产生机械位移，利用两个充电电极之间基于静电能的能量变化趋势可产生机械位移，利用两个充电电极之间基于静电能的能量变化趋势可产生机械位移，利用两个充电电极之间基于静电能的能量变化趋势可产生机械位移，这种作用力使电极趋于相互接近并达到能量最小的稳定位置。
通过这种作用力使电极趋于相互接近并达到能量最小的稳定位置通过这种作用力使电极趋于相互接近并达到能量最小的稳定位置通过这种作用力使电极趋于相互接近并达到能量最小的稳定位置通过固定一个电极，并限制另一个电极向其移动的自由度，可以获得一固定一个电极，并限制另一个电极向其移动的自由度，可以获得一固定一个电极，并限制另一个电极向其移动的自由度，可以获得一固定一个电极，并限制另一个电极向其移动的自由度，可以获得一个单一方向的位移所要施加的力可以通过对沿梯度方向静电能求个单一方向的位移所要施加的力可以通过对沿梯度方向静电能求个单一方向的位移所要施加的力可以通过对沿梯度方向静电能求个单一方向的位移所要施加的力可以通过对沿梯度方向静电能求导来计算导来计算导来计算导来计算 原理见教材原理见教材原理见教材原理见教材p55p55 最早(?)的静电马达由UCB发表出来，如下图，转子外径120um，向四个方向伸出，静子成放射装分布在周围，划分成12个电极，每3个并联接续，组成3相4极静电马达Tai, et al, Sensors and Actuators, Vol. 20,No1/2, (1989), pp49-55 UCB最早静电马达的断面形状。
转子式多晶Si，轴和转子接触不式Si3N4，以减小摩擦转子和静子间隔2um，可以加60-400V电压三相静子顺次加电压时，转子可以连续转动200V时实测转速150rpm，而理论值是200V时120krpm，摩擦的影响使其转速降到近千分之一 MIT的Mehregany等人对UCB的静电马达进行了改进将电极均匀地固定在圆周上形成转子，而把静子固定在外环上他们在硅材料上制作出了多种类型的直径30-100um的转动马达(一块Si片上7000个)转子厚2um，轴间隙0.3um、电极间隙1.5um，转子由3个凸起支撑，接触面积极小 “Wobble”的转速达到4000rpmMohregany et al, Proc. TRANSDUCERS 91, p59-62; Proc. MEMS90, p1-8. 静电直线马达: 下图时FUKUTA等人1997年发表的一种静电马达驱动器70um长、50um宽、1um厚，弯头高1.5um实验中使用±180V电压250Hz静电直线马达是1987年由Gabriel等人最早提出的，后来不断改进，并获得应用比如东京大学通口等人利用静电直线驱动原理来非接触搬动Si片。
