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三种常见的MEMS微执行器的特点及原理

2014-02-25 sensor 715

1、背景

微型机电系统,即MEMS(MicroElectric-MechanicalSystem)是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。MEMS是在微电子学科基础上发展起来,同时,它又有是多学科交叉的学科。MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号,并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。同时,每个系统不是独立的,它可以通过接口与其他的系统进行互联。

其中,微执行器是MEMS的核心部分,它既可以为微系统提供动力,也可以成为微系统的操作和执行单元。因此微执行器有许多种不同的驱动方式。常见的驱动方式主要有:静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金(SMA)驱动和磁致伸缩驱动等形式。本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。

2、微执行器的分类及特点

从驱动形式角度来看,有许多种微执行器,但常用的只有三种:电场力、磁场力和热效应驱动。由于静电微执行器的体积小,结构简单,是目前应用最多的一种微执行器。它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多,比如微马达。热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变,改变驱动部件的结构,对目标物体施加所要求的作用力。但热驱动力的功耗较大,而且精度不易控制。磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。它有两种力的驱动方式:洛伦兹力和磁场力。目前,主要利用磁驱动的微执行器是微马达。由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速,现已被广泛应用。

3、三种微执行器的工作原理

3.1一种平板式静电微执行器

静电执行器的基本工作原理是平板式静电执行器由两个极板组成。当对两个极板充电,两个极板将带上异种电荷,极板间将产生吸引力。由于这类微执行器结构简单,并且力的大小可由电压来控制决定,所以被广泛的应用。

3.1.1极板间的作用力与电压、版间距的关系

在计算两个极板间作用力时,可将静电执行器按照平板电容器的物理模型来计算。对于极板面积为A的平板电容器,忽略边界效应,在极板间电压V时所储存的能量为:(1)极板间作用力为(2)式(1)(2)中,是空气的介电常数,x是极板间的距离。由公式可以看出,在平板电容器式微静电执行器中,力与电压和板间距是非线性关系的。利用此公式可以通过调节电压大小和板间距来控制此类微执行器的输出力的大小。

3.2一种热驱动微执行器

在热驱动微执行器中,双变体结构的微执行器是比较常见的。由于热膨胀系数不同,两种材料会产生不同的热膨胀量,并且向热膨胀量较小的一方弯曲。常见的双变体结构为Au-Si悬臂梁结构。在Au-Si悬臂梁通电时,由于多晶硅和金有电阻,臂上将产生一定的热量,从而悬梁臂将产生弯曲。如果两种材料间涂有高热阻材料的涂层,则两种材料将产生不同的热量和温度,从而产生更大的弯曲度。

3.3一种磁微执行器

在磁微执行器中,电磁型微马达相比于其他形式的磁微执行器,具有驱动力矩大,转速高,转换效率高和易操控等特点。因为直流无刷微马达具有结构简单,体积较小,运行效率高等特点,所以它是电磁型微马达的主要结构。直流无刷微马达采用了的是两片定子对称分布在转子两侧的“三明治”结构。它的定子和转子面积相当,并且这种结构使转子对定子的磁引力相互抵消,从而使输出力矩更大,做功效率更高。

4结语

微执行器是MEMS的核心,它将直接影响MEMS的应用和发展。微执行器的驱动方式多种多样,但要根据所需的驱动方式特点来选择合适的微执行器,这样微执行器才能更好的发挥它的性能。随着科学技术的不断完善,MEMS将会出现更多新的驱动方式和功能特点微执行器,从而推动现代工业的发展。

参考文献

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