微执行器导论.docx

《微执行器导论.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微执行器导论.docx（10页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、微执行器导论一读书笔记摘要：微执行器可用来产生力和机械运动，是微机电系统中的曳要组成部分.侬据侬威源和执行方式的不同，微执行器主要分为的电执行器、热执行器、压电执行器、毡执行器等四大类，本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行潺进行了具体的介绍,并简洁总结了不同执行器的独特性能和优缺点.1、简介MEMS技术的快速发展带来/传感涔和执行零的革命性变更.传雪零足-种检测装比.能感受到被测玳的信息,并健将感受到的信息.并依据肯定规律将其转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满意信息的传输、处理、存储、显示、记录和限制等要求。执行器可接收限制信息并对受控对象施加限制作用,主要用来产朝气械运动

2、、力和扭矩.传感器和执行器统称为换能器，利用换健器可以实现信号和能信的转换.目前受到广泛关注的能晶彼域有电能、机械能、化学能、辎射能、磴能和热能,一个系统的能域可以有个或多个不同的能出域组成,在不同环境下能fit可以在各个他域之间进行转换.由于MEMS的微小化和小尺寸效应，激执行器并非是简洁的传统机械的微型化，其疆动方式与传统机械大有不同，共至会采纳多种执行机制来实现特定功能的微执行器驱动，激执行零作为可动部分,其动作范阚的大小、动作效率的凹凸、动作的牢战性等指标确定了系统的成败，它是微机电系统中最Ift要的环节.在微执行器的设计和选择过程中，有以下几个标准必需考虑；扭矩和力的输出实力；（2）

3、位移范附；（3）动态响应速度和带宽；（4）材料来源及加工的难易程度：（5）功耗的能状的转换效率：（6）骄动偏置函数的线性位移：（7）交叉灵敏度和环境稳定性：（8）芯片占用面积等.这些因素在很大程度上彩项微执行器的性能、生产成本的凹凸以及商业化生产的程度等。因此,时微执行器的探讨是跟机电系统的核心内容.是超精密加工技术发展的关键技术基础。2、执行器工作原理、分类及实例激执行器将能朵由非机械能的形式转化为机械能，对于某种特定的执行器羯动，通常会有多种能Ift转换机制.由于对某一传感器和执行过程来讲,能Ift转换的形式有很多,如静电第动、电磁界动、压电驱动、热敏感欢动、破致伸缩删动等，每种转换途径都

4、会要求不同的敏第材料、加工方法及结构设计等，木文将从这几个方面刻不同驱动形式的微执行器作具体介绍和对比总结.2.1静电型微执行器基本原理电容器可以看成是存储相反电曲的两个导体.当电容器的间距和相对位置因外加激励而变更时，电容值也随之变更，这就是静电敏感的机理.当电压（或电场）脩加于两个导体上时,导体之间就会产生龄电力,称为舲电执行,微型潺件所具得的小质埴和较大比表面枳等性能使科作为表面力的静电力具行很大优势应用于微执行渊驱动源.电容器可以用做产生力或者位移的执行器.电容式执行器利用的主要毡带有相反电荷的两个表面之间产生的静电引力，静电斥力的应用较少，依据电极的几何结构来分，电容器主要有平板电容

5、器和叉指（检状驱动）电容推.下面将对这两种结构的原理、陶川等进行具体介绍.平行板电容微执行等平行板电容器是静电型做执行港的基本结构，狭义上来讲,它是由两个宽度方向相互平行的导体平板构成的.当施加电压时.两平行极板间的静电引力为：cCViFF其中C为电容,V为静电势,d为两极板之IWI的距离,由上式可以看出,在其它条件不变的状况下静电力的大小随着平板间距的减小和静电势的增大而快速增加.静电力是一种短程力，当间隙在几个微米砍级时最为有效，电容式静电执行器的电压上限取决于电介旗的击穿电压。目前应用最多的是垂巴于电极的城性运动和转动，可通过堵大初始间距来产牛.更大的运动葩围,但力的大小却因此受限,故应

6、留意运动范围和可用力的性能折中,目前可通过一种抓爬式执行器设计来拱汨远距璃的面内运动*大多数静电执行器至少包含一个由弹簧支撑的可变形平板，在该类器件的设计中要考虑可变形平板在某一倒置电质下引起的静态位移大小.当施加电压时,两平板之间会产生静电力，静电力使得平板间隙有减小的趋势,从而引起位移和机械I可翅力.平衡状态下两个力等大反向。对于恒定的偏汽电压，机械复原力加着极板位置嫉性变更，与静电引力在多个位移处相交,但只有一个是稳定的，可产生他定位移的偏置电压上限成为吸合电压Vp,当偏置电压接着增大超过Vp两种力的Fx曲线再无交点，即静电力无法平衡机械复原力，静电力接存增大，两平板间距快速减小1至完全

7、接触到一起，该现象称为吸仆，至此由新机械力与静电力重新达到平衡.引起吸合所需的电压与位移对于静电微执行器的设计至现重要，可以通过蟀析模型获得,动态系统的吸合效应对系统的性能有若至关次要的影响，叉指电容微执行器与平行板电容器不同，支指电容器通过电极侧壁产生电容。将两姐电极放置于与衬底平行的平面上，一组电极固定，另一组电极可沿一个或多个轴向自由运动，叉指类似于植干上的齿，故该结构也可被称作瓶状驱动器件。叉指电容器的总电容是邻近虢指构成的电容总和,在设计该类型的执行器时，应充分考虑梳齿厚度以及固定梳齿和可动梳尚之间的距离，厚度越大、两者间距越小电容效应越明显。11前葩于梳状驱动的设计有很妥，附见的有

8、两种类型：横向驱动横指器件和纵向驱动检指器件。两者的区分在于自出梳指的运动方向不同，前者沿垂直于梳指纵轴的方向运动，后拧沿桢指纵轮的方向运动.共向横向和纵向桢状驶动在MEMS中较为流行.但也有很多不同的梳指电容器无置和结构偏高这两种主流.叉指电容微执行器常用来产生面内或窗面位格,在直流电压和准静态但火卜受限的位移幅度可通过谐振羯动和机械面轮结构实现大的转动或线性位移.此类型的执行在光开关中常常被运用.2.1.4总结作为MEMS微执行器的主要胆动方式，峥电飘动型做执行器具有以卜几个特点：U）於电力与尺寸的平方成反例,即附电驱动时微机械尺寸愈小单位体积产生的力愈大。（2）采纲电压驱动限制简洁、易于

9、高速化,而且可以实现低功耗使集成化变如简洁.微小间隙产生的ift电场可使静电驱动力馆加.除此之外,附电微执行器的优点可此纳总结为：（I）结构简洁：原理相对简洁，简洁实现，仅需两个导电表面，无福特地的功能材料.（2）功耗低：依序于电压差而非电流，低频应用时即可有很高的能效。（3）响应快：转换速度由充放电时间常数确定，时于良导体时间常数很小.但与此同时静电被感与执行也存在着不行忽视的跳点.一方面淮电执行须要较高电压,在线性静电执行器中，实现几十跟米的位移就往往须要几百伏的电压，而高压则会带来电路困难和材料兼容性方面的问胞。另一方面与葩缘体机械连接的电极上会积累电荷，而电荷会变更潺件的工作特性.2.

10、 2热敏感微执行翡基本隙理微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热队来实现.温度分布的变更通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或着力的输出，微结构通过汲取电租波、欧姆热、热传导和热对流的热St温友可以上升：而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及右源热电制冷,微结构的温度可以降低.微尺度下原子的振动证明白温度的存在.当材料中存在温度梯度时就会产生热传递,热情从一点传递到另一点有四种可能的机制：（1）传呼；（2）自然对流：（3）强迫时流：（4）相射.对热传递过程的理解和与驭在热执行器的设计中起着至关重要的基础作用.基于淤膨胀的执行落热膨胀是材料的普遍行为.温度上升后,由半导体金阿、绝

11、缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大.在MEMS领域内，一般有以下三种主要方式的热微执行机构：（I）热双金属片结构、（2）弯曲梁结构、3）热空气结构。对于传序和执行而言,热双金属片效应是很常用的方法。它是把两片热膨胀系数不同的金叔结合成：明治结构,受热时，由于一片件数的热膨张JS大于另一片，双金属片将向热膨胀收小的一方弯曲，这种效应可将微结构的温度变更转变为机械梁的横向位移，热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成,两种材料构成一个机械单元,它们有相同的长度，但热膨胀系数（TEo不同.当温度匀称变更AT时，两层的长度变更不一样.梁向热膨胀系数较小的材料层一书（弯曲.横向的梁弯曲由此产生.很多常

12、用的机电恒温器都运用了这一原理.In温器是一个鳏旋的双层金属城圈。卷丝梁的末端与维电器连接在一起，维电器是含水银的密封玻璃管.当环境温度变更时,线圈的末端M1.斜并触发水侬滴维电零的移动,从而限制加热/冷却电路中的电流.利用此原理制备的执行器种类较多,例如仿照生物纤毛来携带并在平面上横向输送微小物体的人工纤毛执行器等.热双层片执行具有较大的运动范围,且在同等位移下慢盅面枳较小,但其响应速度较慢.同时热双层片的弯曲很简洁产生离面线性位移或角位移-假如分层的热双层片材料堆在乖口.的表面上，就可以产生面内位移，但这种堆炭结构制作比较困成,用弯梁电热执行器可产生面内位格.这是一种基于单一材料的热执行渊

13、.弯曲梁结构是用不同尺寸同一种材料组成的双梁结构.在电极上加以适当的电压,冷灯、热转和弯曲段，由于热胃的面积比冷臂小得妥，所以其电阻大，进而发热成比冷臂大得多，因此有较大的热膨胀量，整个结构将向冷曾方向弯曲。停止加热,由于热相散失，梁将回到初始位置。在单一材料材料组成的热执行器中，横向第动热执行落应用广泛，它基于微结构（由同一种导电材料制成的两臂组成）的不对称热膨胀；电流通过时，两行出于横祓面枳或长度不同而具有不同的热功率和热膨胀，从而导致不同的纵向膨胀.热空气结构的基本原理为当电阻发热时,腔内空气温度上升,压力增大,推动原向外膨胀产生位移；当停止加热，腹又回到原来的位置。3. 3压阻传感器压

14、阻效应压阳效应指的是当电阻受到应力和形变时,其阳值会发生变更。该效应于1856年被发觉，为机械能和电能之间供应了一种的洁、干脆的能盘与信号转横机制,目前已广泛应用在MEMS领域的很多传感器中，如压力传感器触觉传感器等.电阻的阻俏由几何尺寸和体电阻率确定，通过施加应变变更阻伯的方法有两种，第一种，电I：H的几何尺寸，包括横截面枳和长度等会的而应力发生变更。其次种，某些材料的电阻电阻率是应变的函数.因而会1.应变的变更而发生变更.电阻率变更引起的电阻阻值的该变Ji1.远大于几何尺寸变更时电阻伤的影响施加在电阻上的应力包含三个葩本田业，一个沿电阻的纵轴，另外两个与纵轴成H角且相互垂出,在纵应力重量卜

15、测得的阳值变更称为纵向压阻相应，同理在旗向应力重址下测得的阻值变更称其为横向乐阻效应.任何一种电阻材料中都存在横向压阻效应和飒向压阻效应，但不同材料中起主导作用的压阻效应有所不同，电阻在应力作用下的限值变更为横向和纵向应力型It作用下电阻变更阻值之和。在传感器中，电阻阻值的变更可通过惠斯侦电桥的电路结构获得.压阻传感器材料应变计指的是花电阻值的变更中起主9作用的是应力导致的电阻尺寸变更的电阳器，多为金M应变计：乐阻器指的是电阻率的者施加应变而变更的电阻,如硅.引起的常用的汽阻传感器材料有以下几种：(1)金属应变计：结构多为金属包层的电料片形式，将其粘附在机械薄膜表面进行应行探讨,应变计的导电通

16、路多为之字形以提高电阻长度和总电阻的大小.就性能而吉，半导体压阻计要优于薄胶金属应变计,但金展在断裂的可承受很大的延Kr1.ft,(2)单晶硅；半仔体压阻计可通过对硅进行选择性掺杂获汨，掺杂单晶硅的压阻系数并特别量,而是受搀杂浓衣、掺杂类型和衬底温度的影响.设计硅压阻时.必需考虑这几个因素的影响.在性能方面，优异的硅半导体压阻器须尽毋满意电阻值可观、压阻系数最大化和温度效应公小化这三个田要他心标准，并在这三者之间折中选取总体最优解.(3)多品硅：相比于单晶硅质阻器,多晶硅压阻器可沉枳在多种材料的衬底上.但其应变系数要小行多.应用于MEMS触域的多晶硅应具书低的应力和良好的保形实力,与应用到电子器件上的多晶硅在微观结构和工艺上上有徜正要区分，压阻传感器目前，压阻敏感效应已广泛应用在很多类型的传感器中.下面介绍一些具彳r代衣性的实例，这些传整器都具力.独特的案