微机电系统

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Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

第第 66 章 章 微执行器微执行器第第 66 章 章 微执行器微执行器

微执行器的致动方式与材料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——微马达 典型微执行器——微泵阀与微流量系统典型微执行器——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、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 Mt

TiNi 冷却过程 Ms 以上奥氏体， Mf 以下为马氏体， M s

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 W

SMA——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 ）

• W对于微器件的意义• 变形类可用力一应变工作曲线下的面积计算

•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

典型产品典型产品

研究单位 转子直径 马达尺寸(mm)

转速(r/min)

力矩( 计算值 )

工作电流

(mA)

美国 (Wisconsin大学 )

100m ~2 150000 100nN·m 600

423m 4.5 120000   600

美国 (Georgia理工大学 )

500m ~1.5 500 1.2nN·m 500

德国 1.4mm ~6 2000 116nN·m 500

中国 ( 上海交通大学 )

2mm ~2 500 1.5N·m 120

二、静电型微马达二、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：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，才能产生足够大的转矩，易击穿•措施：用氮化硅作绝缘层

性能

•10-100V电压——考虑微小尺寸的击穿•开环的步进工作速度已高达 15000r/min，只受电源限制•动态摩擦转矩低于微马达运转矩的 10%，运转中磨损不是

主要的限制因素 •凸极式微马达的典型输出转矩约为 10pN·m•寿命几天，几百万次起停试验

•要求：转子的稳定性、增大输出转矩、制备工艺简单 ——往往以牺牲后一个为代价 措施例子（图 6.5），原理

11 、静电力驱动变电容式步进微马达、静电力驱动变电容式步进微马达

原理

转子和定子厚度 1.0-1.5μm多晶硅片转子直径 60-120μm 转子和定子空隙 1-2μm

转矩分析（理解）

指标要求•较大的驱动转矩•合理的电压•尽可能减小摩擦•精细的角度分辨率

步辐分析

•原理：在前一对电极产生步进后，相邻的下一对电极的相对位置必须在转矩最大位置•极数关系：转子极数一般为 2n ；定子的静电极数为 3×2n

1 12 (rad)

s rn n

•计算公式

减摩技巧减摩技巧 •选材： Si3N4 和多晶硅接触•球面接触•悬浮

工艺步骤工艺步骤

22 、静电力驱动变电容式同步微马、静电力驱动变电容式同步微马达达

另一种结构思路：以多晶硅为结构主体，用为 Si3N4 衬垫，这样可以获得硅的较好的结构性能

定子电极常选 12个，转子电极为 4个

工艺步骤 工艺步骤

33 、静电力驱动谐波式微马达、静电力驱动谐波式微马达 工作原理

结论：转子角频率的值取决于定子半径和转子半径 Rr 之差，差值越小，比越小。

s rr H

r

R R

R

为转子自转的角频率

为偏心距 H的角频率，即转子轴心的角频率

r

H

特点 特点

•获得大减速比，直接实现小转速、大力矩 •避免了平板式结构因空隙过小吸附效应的负作用•结构可靠 •滚动摩擦，有利于降低磨损、功耗•制造比较复杂

44 、、电悬浮减摩措施电悬浮减摩措施

理解分析过程

三、微行星齿轮减速器 三、微行星齿轮减速器 了解紫外线掩模板的 CAD

•分割矩形逼近原理•只许重叠、不许遗漏原则•矩形窗口在 0.1-150m之间•转化成加工数据文件输出• 在镀铬玻璃板上用以上的图形进行紫外曝光，形成制作微齿轮 X光掩模板的过渡掩模板

X 射线掩模板的加工X 射线深层光刻和微电铸微复制

微装配

模压温度、模压压力、时间、脱模温度、脱模速率、距离 非结晶塑料的玻璃化温度（ Tg），结晶性塑料的融熔温度（ Tm ） 采用材料： PC、 PMMA、 PMMA（黑）、 PVC、 PS

应用 LIGA 技术

第三部分 典型微执行器——微泵第三部分 典型微执行器——微泵 // 微微阀阀

主要应用形式——微流量控制系统应用：微量化学分析、微量药剂控制、太空微型推进系统

基于电热原理测量的质量流量传感器的原理

区分“制动”与“致动”

流量的执行（微泵 /阀）与检测（流量微传感器）是最基本元件。

1、微阀•致动器、阀门、阀座 + 阀体；•最常用压电制动方式，压力防泄漏、响应速度•阀门——柔性体悬挂、硬中心、凸台面

措施：

结构：

关键问题：泄漏、磨损

•接触平面•凸形环•软材料阀座

•氮化硅（ Si3N4 ）或金刚石膜

• 整流特性

• 太空微型飞行器上推进系统中微阀的一组性能参数（见书）

性能性能

22 、微泵膜片致动方式、微泵膜片致动方式

膜片式压力泵的总体结构特征。 MEMS普遍采用原因：结构符合二维半加工特点，工艺兼容

膜片式压力泵再分：有阀微泵 /无阀微泵

流量泵 /压力泵与各自特点

压电致动膜片式 压电致动膜片式

双金属膜片热致动式双金属膜片热致动式•原理：硅膜上扩散电阻加热。控制温度 -改变空隙 -调节流量。•选材：硅膜片和铝金属层最具优越性。 热膨胀系数差大（硅 2.6×10-6/K ，铝 23×10-6/K ）。•设计计算方法•观念：微尺寸效应 -热惯性明显减小 -响应满足微泵

记忆合金制动式记忆合金制动式

TiNiTiNi 合金膜片制作工艺合金膜片制作工艺

优缺点 •与压电制动的膜片微泵相比，较大的力、行程、从而效率 •TiNi 合金膜片变化完全重复性好，泵室变化量精确重复 •需要热源

热—气制动式热—气制动式

双稳态膜片结构特征——微小倾度的球形或锥形圆顶本质是变形量剩余

33 、无阀微泵 、无阀微泵

优点：a. 避免因阀门磨损、疲劳及压降而降低工作寿命和可靠性b.适合在高频下工作，脉动性小。

改进：推挽工作模式等

工作原理工作原理

推导排量、效率推导排量、效率

1 、参数说明

、

2

2d

d d

vp

2

2n

n n

vp

、 流体力学给出 ,能量转换角度理解

pi 和 p0 与 pc 相比忽略不计。——注意其前提与影响

2、推导 d、 n口流量公式

, 1

2( )V d

d

Cq

, 1

2( )V n

n

Cq

1

2(2 / ) , ( )c d nC A p A A A

结论：流量不同，原理成立

3 、推导吸入、排出阶段的出口流量

, 1

2

cos

1

xV s

n

d

V tq

, 1

2

cos

1 ( )

xv p

d

n

V tq

吸入阶段 排出阶段

4、得到泵的排量 1

2

1

2

( ) 12

( ) 1

ndtot x

nd

V V

/nd n d

1

2

1

2

( ) 1

2( ) 1

tot ndp

xnd

V

V

5、得到泵的效率

结论： 是决定性因素/n d

推导排量、效率推导排量、效率

扩散管扩散管 // 喷管的理论分析 喷管的理论分析

设计依据：传统（宏观）流体力学大量实验得到的经验参数

偏差来源：•宏观与微观•定常流动与高速紊流•几何形状（ MEMS 加工出一般为方形截面）

宏观应用：•应用于涡轮机、压缩机及喷射管，多在高速流动状态下•影响压力损失的因素有：几何形状、尺寸、流动状态、流速等

扩散管扩散管 // 喷管的理论分析 喷管的理论分析

扩散管•大扩散角损失大、小扩散角损失小的流体力学原因• 4° 效应• 能量损失最小的扩散角约为 5°-12°• 粘性较大最佳扩散角度应大于粘性较小的流体喷管•流动稳定，损失很小

实际形状的设计实际形状的设计

•需要 3个区的原因•突变损失系数等于 1的能量解释•压力损失系数要求自己会算

第四部分 典型微执行器第四部分 典型微执行器 —— ——梳状微谐振器梳状微谐振器

应用：•微位移执行器•微谐振器（微传感器、微机电滤波器）

优点：•整体为全硅结构；•非接触式激励和检测，具有高灵敏度。

•两种布局

结构与制作工艺结构与制作工艺

驱动力的计算驱动力的计算

2 2 0

0

1 1( ) ( )

2 2d i

nbCF V t V t

x d

谐振频率计算谐振频率计算在驱动电压的作用下，将沿 x方向产生像织布梭一样的往复振动。当驱动电压的频率与活动梳结构系统的固有频率一致时，活动梳系统便发生谐振动。

13 2

bi0 3

4

(1 )eq

eq eq

Ebk L

m m

不考虑阻尼情况最低固有频率

•实际差异取决于系统的阻尼，亦即机械品质因数 Q值。微谐振梳须在真空环境下工作，保证很高的 Q值，可高达数万。

本章重点难点本章重点难点重点：重点：几种典型智能材料的现象与性能；几种典型智能材料的现象与性能；各种微观驱动效应；典型执行器结构的制作各种微观驱动效应；典型执行器结构的制作工艺；各种马达、驱动器、泵、阀的工作原工艺；各种马达、驱动器、泵、阀的工作原理和结构理和结构 难点：难点：结合制作工艺理解微执行器的结构结合制作工艺理解微执行器的结构限制；智能材料的物理机理；梳状结构固有限制；智能材料的物理机理；梳状结构固有谐振频率的分析谐振频率的分析 作业：作业：教材第教材第 321321 页第页第 1-151-15 题题

本章学习要求本章学习要求 掌握电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆合金、凝胶、电流变体等几种典型智能材料的概念、现象与初步工作原理。掌握执行器的几种基本驱动效应（电、磁、光、热等）。 掌握基于静电效应的变电容（步进、同步）、谐波、悬浮马达的工作原理、结构和性能水平；掌握电磁式微马达的原理、结构和性能水平；了解减速器中所采用的工艺方法。掌握微泵、微阀、微流量控制系统的工作原理和结构、应用背景，特别是微泵的不同结构种类与不同致动方法。掌握梳状结构的工艺方法、其谐振频率的分析方法。了解其它适当的微执行器应用例证。