MEMS—電熱式驅(qū)動(dòng)器.ppt

MEMS電熱驅(qū)動(dòng)器 吳清遠(yuǎn) 綜述基本原理驅(qū)動(dòng)分類優(yōu)缺點(diǎn) 目錄 綜述 在眾多的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)中 電熱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種驅(qū)動(dòng)方式新穎的后起之秀 自從1988年第一個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)的硅微驅(qū)動(dòng)器被研制出來 二十多年來通過眾多研究人員的努力 得到了很長(zhǎng)足的發(fā)展 研制出了各種各樣的應(yīng)用產(chǎn)品 基本原理 電 熱 驅(qū)動(dòng) 電熱驅(qū)動(dòng)器的執(zhí)行 是通過注入或抽走其中的熱量來實(shí)現(xiàn) 溫度分布的變化通過熱膨脹 熱收縮引起機(jī)械位移或者力的輸出 升溫 電磁波 歐姆熱 熱傳導(dǎo) 熱對(duì)流降溫 熱傳導(dǎo) 熱對(duì)流 熱輻射 有源熱電制冷 熱膨脹 指物體因溫度改變而發(fā)生的膨脹現(xiàn)象 通常是指外壓強(qiáng)不變的情況下 大多數(shù)物質(zhì)在溫度升高時(shí) 其體積增大 溫度降低時(shí)體積縮小 熱膨脹系數(shù) 物體由于溫度變化引起的體 面 線產(chǎn)生的相對(duì)變化 體積熱膨脹系數(shù) 是體積的相對(duì)變化與溫度變化的比值 通常記為 電熱驅(qū)動(dòng) 雙金屬熱致動(dòng)熱膨脹致動(dòng)熱氣動(dòng) 驅(qū)動(dòng)分類 雙金屬熱致動(dòng) 雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器 雙層膜電熱型微驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖 原理 它的基本結(jié)構(gòu)是由上半部分圖形化的金屬電阻絲結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)層和下半部分的偏置層構(gòu)成的懸臂梁結(jié)構(gòu) 在導(dǎo)線中通入電流 使導(dǎo)線發(fā)熱升溫 驅(qū)動(dòng)層和偏置層的體積都隨溫度升高而膨脹 但由于二者的熱膨脹系數(shù)不同 驅(qū)動(dòng)層和偏置層組成的執(zhí)行結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向面外翹曲的動(dòng)作 從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功能 雙金屬熱致動(dòng)懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖 雙金屬熱致動(dòng) 雙金屬熱致動(dòng)微型泵結(jié)構(gòu)框圖 微型薄膜泵理論模型示意圖 清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系楊岳等人利用雙金屬片驅(qū)動(dòng)方式研制了熱致動(dòng)微型泵 薄膜型微型泵其工作原理基本都是依靠驅(qū)動(dòng)薄膜的彈性變形 使泵腔的體積發(fā)生變化 從而導(dǎo)致泵腔內(nèi)的壓力變化 實(shí)現(xiàn)流體由入口閥進(jìn)入泵腔并由出口閥流出的周期性變化 其一般的理論近似模型如圖所示 但是采用雙金屬熱致動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)方式的微型泵 其一般工作頻率較低 具有導(dǎo)向性的分段式雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器 具有導(dǎo)向性的分段式雙層膜電熱驅(qū)動(dòng)器 原理 該結(jié)構(gòu)采用兩段相反形狀的雙層膜結(jié)構(gòu) 在通電加熱過程中 利用兩段相反結(jié)構(gòu)的雙層膜中產(chǎn)生的不平衡焦耳熱量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)工作 兩段雙層膜的不同分布位置及幾何尺寸決定了驅(qū)動(dòng)器整體的運(yùn)動(dòng)方向和幅度 該器件主要利用Post CMOS工藝制備 對(duì)于兩段相反形狀的雙層膜結(jié)構(gòu) 采用了摻雜的方式實(shí)現(xiàn) 其主要優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)一種導(dǎo)向性的驅(qū)動(dòng)模式 熱膨脹致動(dòng) U型電熱式驅(qū)動(dòng)器V型電熱式驅(qū)動(dòng)器 熱膨脹致動(dòng) 基于冷熱臂結(jié)構(gòu)的U型電熱式驅(qū)動(dòng)器 改進(jìn)的雙熱臂U型電熱式驅(qū)動(dòng)器 該驅(qū)動(dòng)器主要由兩個(gè)寬度不同 長(zhǎng)度相等的膨脹臂構(gòu)成 兩個(gè)膨脹臂均用同一種導(dǎo)電材料制成 在自由端相連 構(gòu)成一個(gè)電路回路 兩個(gè)臂腳由兩個(gè)固定錨柱固定在基板上 熱臂要比冷臂窄 因而熱臂的電阻要比冷臂的電阻高 當(dāng)在熱臂和冷臂上通入電流時(shí) 在熱臂上產(chǎn)生的熱要比冷臂多 在熱膨脹的作用下 熱臂在長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)量也要大于冷臂 由于兩臂在自由端相連 互相牽制 所以導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由端將向冷臂方向彎曲 從而產(chǎn)生橫向驅(qū)動(dòng)作用 U型電熱式驅(qū)動(dòng)器 電熱式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微平面 熱膨脹致動(dòng) V型電熱微驅(qū)動(dòng)器的基本單元是兩端固定在基底上呈V字型的懸臂梁結(jié)構(gòu) 當(dāng)通過電極施加交變或脈沖電壓時(shí) V型懸臂梁的末端可在一定頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)微幅振動(dòng) 最常用的是其陣列結(jié)構(gòu) 這種V型電熱微驅(qū)動(dòng)器的主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力大 同時(shí)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單 較容易實(shí)現(xiàn)控制 且可以與集成電路制造工藝相兼容 在MEMS研究和器件設(shè)計(jì)中被廣泛采用 V型電熱微驅(qū)動(dòng)器 新型復(fù)合結(jié)構(gòu)V型電熱微驅(qū)動(dòng)器 在彎曲梁電熱微驅(qū)動(dòng)器原理的基礎(chǔ)上 通過引入熱膨脹系數(shù)更大的聚合物基復(fù)合結(jié)構(gòu)材料 提出了一種新型復(fù)合材料電熱微驅(qū)動(dòng)器 由聚合物包裹著金屬?gòu)椈呻娮杞z結(jié)構(gòu)組成一根懸臂梁 然后兩根懸臂梁組成V型電熱驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 相對(duì)于原始的彎曲梁結(jié)構(gòu) 新型微驅(qū)動(dòng)器加熱電阻大為提高 能量就更多地集中在微驅(qū)動(dòng)器上 減少了傳輸損耗 熱氣動(dòng) 噴墨打印機(jī) 噴墨打印機(jī)中墨滴噴