MEMS執(zhí)行器-微電機(jī)課件

微電機(jī)

MEMS執(zhí)行器微電機(jī)的概述微電機(jī)的分類(lèi)介紹微電機(jī)的應(yīng)用微電機(jī)的研究和發(fā)展方向論文結(jié)構(gòu)微電機(jī)概述各種執(zhí)行方式比較靜電執(zhí)行材料簡(jiǎn)單需折中驅(qū)動(dòng)力與位移大小執(zhí)行相應(yīng)速度快易受吸合效應(yīng)的限制熱執(zhí)行能得到較大位移量功耗相對(duì)較大執(zhí)行相應(yīng)速度適中對(duì)環(huán)境溫度變化敏感壓電執(zhí)行響應(yīng)快速材料制備過(guò)程復(fù)雜可得到較大的位移量低頻工作時(shí)性能下降磁執(zhí)行可產(chǎn)生較大角度位移量制造工藝較為復(fù)雜可使用很強(qiáng)磁力作為偏置片上螺線管制造較為復(fù)雜微電機(jī)概述微電機(jī)分類(lèi)微電機(jī)靜電型微電機(jī)電磁型微電機(jī)壓電微電機(jī)形狀記憶合金微電機(jī)磁致伸縮型微電機(jī)

當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體施加電壓的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生靜電力。靜電力的大小與尺寸的平方成反比。靜電力很少用于驅(qū)動(dòng)宏觀機(jī)械，但是微型器件通常有較大的表面積體積比以及非常小的質(zhì)量，使得靜電力成為一種很有吸引力的微執(zhí)行驅(qū)動(dòng)源。靜電型微電機(jī)可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。微電機(jī)分類(lèi)靜電型微電機(jī)

旋轉(zhuǎn)靜電微電機(jī)的結(jié)構(gòu)微電機(jī)分類(lèi)靜電型微電機(jī)

微電機(jī)分類(lèi)靜電型微電機(jī)

靜電驅(qū)動(dòng)薄膜直線電機(jī)

基于平行板電容器的基本結(jié)構(gòu)，平行板相對(duì)運(yùn)動(dòng)有兩種——法向移動(dòng)和切向移動(dòng)，當(dāng)固定其中的一個(gè)平板，另一塊用機(jī)械彈簧懸吊，在偏置電壓下，平板將產(chǎn)生位移。

兩平行板間施加電壓,載荷會(huì)產(chǎn)生靜電力Fe

假設(shè)平板的平衡位置為x，x軸方向沿著間隙變大的方向，位移為x時(shí)，電極間的距離變?yōu)閐+x,在平衡位置的靜電力為

微電機(jī)分類(lèi)靜電型微電機(jī)

微電機(jī)分類(lèi)

優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功耗低響應(yīng)快靜電型微電機(jī)

缺點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電壓大輸出力矩小電磁型微電機(jī)

電磁型超微電動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代,根據(jù)電磁間互相作用產(chǎn)生的電磁力作驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電磁型超微電動(dòng)機(jī)基于傳統(tǒng)電磁理論設(shè)計(jì),多采用無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)。電磁微電機(jī)的結(jié)構(gòu)微電機(jī)分類(lèi)

根據(jù)磁執(zhí)行原理，利用磁場(chǎng)產(chǎn)生力、力矩或者微結(jié)構(gòu)的位移，驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)作用在載流導(dǎo)線、電感線圈或者磁性材料。

微電機(jī)分類(lèi)電磁型微電機(jī)微電機(jī)分類(lèi)電磁型微電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)力矩大驅(qū)動(dòng)電壓低易于裝配

缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜與IC工藝兼容性差壓電微電機(jī)壓電電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)可分為行波壓電電動(dòng)機(jī)、駐波壓電電動(dòng)機(jī)和復(fù)合壓電電動(dòng)機(jī);按照電機(jī)激勵(lì)部分的材料可分為薄膜壓電電動(dòng)機(jī)和陶瓷壓電電動(dòng)機(jī)。壓電電動(dòng)機(jī)由于輸出轉(zhuǎn)矩大、無(wú)電磁干擾、響應(yīng)速度快、微小位移輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),可用于精密儀器、照相機(jī)、機(jī)器人及航空領(lǐng)域。如日本Canon公司將圓環(huán)式行波超聲波電動(dòng)機(jī)用于鏡頭的驅(qū)動(dòng)，微電機(jī)分類(lèi)

在壓電陶瓷片上施加電信號(hào),使之產(chǎn)生一定軌跡的機(jī)械振動(dòng),激勵(lì)與其粘接在一起的定子彈性體的振動(dòng),通過(guò)彈性體與轉(zhuǎn)子間的相互作用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。微電機(jī)分類(lèi)壓電超聲波微電機(jī)的結(jié)構(gòu)壓電微電機(jī)微電機(jī)分類(lèi)壓電微電機(jī)

優(yōu)點(diǎn)響應(yīng)速度快輸出轉(zhuǎn)矩高廉價(jià)質(zhì)輕

缺點(diǎn)材料制備復(fù)雜電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)勻速壽命短微電機(jī)分類(lèi)壓電微電機(jī)形狀記憶合金微電機(jī)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，有偏置式和推挽式兩種。按電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式，其基本結(jié)構(gòu)可分為直線位移型和旋轉(zhuǎn)位移型。微電機(jī)分類(lèi)直線位移型SMA電機(jī)

對(duì)偏置式而言，加熱SMA彈簧，相變發(fā)生，形狀回復(fù)力克服彈簧拉力，產(chǎn)生動(dòng)作。冷卻時(shí)，SMA發(fā)生逆相變，此時(shí)，SMA彈簧很軟，在拉伸彈簧的作用下，驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)到原來(lái)的位置。如此反復(fù)，可使電機(jī)輸出位移。對(duì)推挽式而言，加熱一側(cè)SMA的同時(shí)，冷卻另一側(cè)的SMA，電機(jī)具有雙向做功的能力。一般來(lái)說(shuō)，推挽式比偏置式的輸出功率太，能量轉(zhuǎn)換效率高。微電機(jī)分類(lèi)形狀記憶合金微電機(jī)微電機(jī)的分類(lèi)

優(yōu)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電壓低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單電場(chǎng)干擾小無(wú)振動(dòng)噪聲、無(wú)污染對(duì)人體無(wú)毒害作用

缺點(diǎn)記憶形狀具有一定不穩(wěn)定性材料特性的變化會(huì)改變驅(qū)動(dòng)頻率連接元件易損耗形狀記憶合金微電機(jī)磁致伸縮型微電機(jī)

某些材料置于磁場(chǎng)中，其幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮效應(yīng)，這些材料則稱(chēng)為磁致伸縮金屬。根據(jù)材料幾何尺寸變化形式的不同,磁致伸縮效應(yīng)又可分為縱向效應(yīng)、橫向效應(yīng)、握轉(zhuǎn)效應(yīng)和體積效應(yīng)。磁致伸縮型電動(dòng)機(jī)是利用磁致伸縮效應(yīng),在磁場(chǎng)激勵(lì)源下，通過(guò)磁致伸縮型驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換?？煞譃橹本€型和旋轉(zhuǎn)型兩種。微電機(jī)分類(lèi)

兩個(gè)相互垂直的超磁致伸縮棒A和B由驅(qū)動(dòng)元件連接在一起，A和B上分別繞有線圈，線圈由正弦波形的電流驅(qū)動(dòng)。其中A、B兩個(gè)棒的驅(qū)動(dòng)線圈電流相位差為90°。微電機(jī)分類(lèi)磁致伸縮摩擦電機(jī)原理圖磁致伸縮型微電機(jī)

主要由8個(gè)(或8個(gè)以上)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器、柔輪和剛輪三部分組成。通過(guò)依次控制驅(qū)動(dòng)器的伸縮位移，使柔輪產(chǎn)生流動(dòng)的彈性變形。超磁致伸縮諧波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖微電機(jī)分類(lèi)磁致伸縮型微電機(jī)微電機(jī)分類(lèi)磁致伸縮型微電機(jī)

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)速低、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、調(diào)速范圍寬、慣量小、響應(yīng)快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、精度高、承載力大、效率高、控制性能好。但是由于超磁致伸縮材料易受到電磁場(chǎng)的干擾，必須對(duì)超磁致伸縮材料作一定的屏蔽磁場(chǎng)措施。微電機(jī)的應(yīng)用信息領(lǐng)域微電動(dòng)機(jī)與傳感器、數(shù)字電路集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上用作開(kāi)關(guān)組合部件。光纖產(chǎn)品、光學(xué)儀器，如光開(kāi)關(guān)、各種視盤(pán)機(jī)及光刻機(jī)、激光設(shè)備及激光刀等都需要精密微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)和超微電動(dòng)機(jī)與光器件融合為一體的光機(jī)電系統(tǒng)。微電機(jī)的應(yīng)用軍事領(lǐng)域各種機(jī)器昆蟲(chóng)、微機(jī)器人等將會(huì)在今后的反恐、救援、戰(zhàn)爭(zhēng)前線偵察、考古、司法取證、科學(xué)探索等方面大顯身手，而每一個(gè)微型探測(cè)器內(nèi)部都裝有大量的微電機(jī)以完成各種需要的動(dòng)作。醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域是微機(jī)械技術(shù)應(yīng)用的最具代表性的領(lǐng)域。微創(chuàng)傷內(nèi)窺診療、精密顯微外科、體內(nèi)局部微量給藥都需要高度靈巧、高度柔順性的微電機(jī)。微電機(jī)的應(yīng)用人工心臟微電機(jī)的應(yīng)用微電機(jī)的應(yīng)用航空航天領(lǐng)域微電機(jī)可用在帶攝像裝置進(jìn)入衛(wèi)星、火箭或宇航飛機(jī)內(nèi)檢查故障的機(jī)器人上。在超微電機(jī)基礎(chǔ)上還可以發(fā)展慣性導(dǎo)航器件，如微陀螺。上海交通大學(xué)研制的抗磁懸浮微陀螺國(guó)內(nèi)外微電機(jī)研究對(duì)比微電機(jī)研究和發(fā)展方向

目前微電機(jī)研究遇到的困難和發(fā)展趨勢(shì)1.微機(jī)械性能評(píng)測(cè)技術(shù)微電機(jī)建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性、有效性，需要微機(jī)械性能評(píng)測(cè)技術(shù)加以評(píng)價(jià)。2.微摩擦與微支撐電機(jī)發(fā)出的力很小，往往會(huì)被其自身的摩擦力消耗掉。極小的運(yùn)動(dòng)間隙需要嚴(yán)格的防塵技術(shù)。發(fā)熱和耐久性問(wèn)題是值得關(guān)注的課題。微電機(jī)研究和發(fā)展方向3.降低功耗與低電壓驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人的無(wú)纜化、自立化需要用電池或無(wú)線能量傳輸解決供電問(wèn)題。所以必須研究更簡(jiǎn)