《微执行器》PPT课件

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1、微机电系统Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微机电系统第6章微执行器微执行器的致动方式与材料典型微执行器——微马达典型微执行器——微泵阀与微流量系统典型微执行器——梳状位移驱动器第一部分微执行器的致动方式与材料微执行器的主要驱动方式及其对应材料(分类方法1)电（静电/压电/电致伸缩/凝胶/电流变体）磁（磁力/磁致伸缩）热（SMA/双金属/热气动）光、化学等采用驱动材料与驱动结构的关系(分类方法2)机械微结构型——运动在零件间生成，材料可应力变形可变形微结构型——运动在零件材料内生成再按照刚性、柔性材料分对比：摩擦、

2、行程、响应、“智能性”、尺度、结构复杂性压电效应与逆压电效应，与电致伸缩原理区别典型材料——PZT陶瓷（锆钛酸铅PbZrO3-PbTiO3），弹性模量为63000MPa，应变为0.001量级典型产品——微执行器，微阀泵、超声微马达、微声器件等特点——精确、响应快、推力大（最大应力63MPz）压电材料工作原理：磁场作用下，长度、应力、弹性模量与声传播速度均会发生变化参数：磁致伸缩系数λs典型材料：合金镍、镍—钴、铁—钴、镍铁氧体，λs可达10-4~10-3作为微执行器的特点可承受应变比压电陶瓷（因其磁畴呈直线）高的机电耦合系数宽的工作温区高的精度较大的输出

3、力磁致伸缩材料工作原理：液体+长聚合物分子组成的网状结构。当凝胶与溶解物化合时，体积膨胀变大，而当溶解物再次被释放出来时，凝胶的体积收缩变小。典型材料：聚丙烯酸盐、聚乙烯醇作为微执行器的特点很高的机械转换效率无摩擦柔性体凝胶工作原理外加电场下，介电胶体粒子极化并沿电场方向呈链状排列，从而使其流变特性剧烈变化，如粘性、塑性、弹性。典型用途宏观力学元器件——离合器（具有无级可调、容易控制、响应速度高的特点）、减震器（可在约1ms内实现由低粘度到高粘度的变化，从而可独立而迅速地实现减震）、液压阀等。微观执行器——微阀、微泵、微开关等。作为微执行器的特点集固体属

4、性与液体的流动性于一体高机械转换效率无摩擦柔性体电流变体作为微执行器的特点致动力仍较小、功率小行程小静电力在微观条件下：典型结构：微静电马达、膜片驱动等上升为主要作用力几乎无处不在的负面影响普通静电驱动作为微执行器的特点磁力产生结构（磁性材料和线圈）受微加工工艺限制磁力对周边影响典型结构——传统电磁型微马达国内代表：上海交通大学，LIGA工艺，直径2mm电磁型微马达普通磁力驱动元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大于硅热气动流体加热膨胀实现动作双金属结构普通热效应致动工作原理：拉力和温度诱发相变铜基合金（如CuAlNi）——成本低、热导率极高、温度反

5、应时间短钛镍合金（如TiNi、TiNiCu、TiNiFe）——性能佳（强度、重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高铁基合金——成本最低、刚性好、易加工。材料相变温度Mt——Ms和Mf的平均值MtTiNi冷却过程Ms以上奥氏体，Mf以下为马氏体，Ms和Mf之间（约为15℃）具有马氏体和两种相。Ms和Mf的平均值Mt称为相变温度约为60-75℃形状记忆合金（SMA）特点突变双态性TiNi合金内部发生的热弹性相变为严格的周而复始，无残余变形而呈现完全弹性，因此驱动的完全重复性很好，驱动精确重复较大的力、行程，从而能量应用形状恢复时应力、位移——微执行器（电

6、流加热驱动）热敏感——热动作型的开闭器能量贮存体单位体积有效能量WSMA——W为4×107J/m3（TiNi，屈服强度420MPa，应变8%）双金属片——与SMA大致相当，取决于温度变化速率、幅度静电——W约为4×105J/m3（自由空间、击穿极限3×108V/m）PZT压电材料——W约为105J/m3量级磁力——W约为106J/m3量级（自由空间、饱和磁通密度1.5T）热微执行器10ms量级电、磁微执行器的响应时间微秒量级静电微执行器更快响应时间微执行器的性能比较热微执行器能耗高磁力执行器能耗很大，因需要大电流通过线圈，散热问题需要认真解决电和磁微执行

7、器能耗低，静电微执行器能耗最低能耗与IC工艺的兼容性——追求同片上微执行器与能量、控制集成静电微执行器工艺性最好，采用IC导电或绝缘膜结构磁执行器工艺性差——IC中很少采用磁性材料，手工装配PZT等薄膜工艺不断发展微执行器的性能比较第二部分典型微执行器——微马达一、电磁型微马达定子——铁氧体基板上制备驱动线圈转子——钐钴永磁合金薄片制成，胶结铁镍合金薄片。采用特殊的充磁方法，在垂直于薄片的方向上写入磁极。与传统内外圈结构对比工艺兼容性分析：分析方法：左手法则原理二、静电型微马达静电马达与传统马达的区别、意义、MEMS发展代表性作用区分微执行器与微马达优点

8、：定子/转子（导电材料/绝缘材料）加工与IC工艺兼容问题：定子/转子间隙很小，才