MEMS执行器——微电机.ppt

微 电 机,机电工程与自动化学院,MEMS执行器,微电机的概述 微电机的分类介绍 微电机的应用 微电机的研究和发展方向,论文结构,微电机概述,执行器根据信号处理，控制电路发出的指令自动完成人们所需要的各种功能。可以通过静电力、电磁力、压电力、磁致伸缩、超声波和形状记忆合金膜片等驱动。. 微执行器的核心部件是微电动机, 在微执行器中占主导地位。根据其执行原理不同分为不同类型，其各自的性能和应用场合也各异。,微电机概述,各种执行方式比较,微电机概述,微电机分类,微电机,静电型微电机,电磁型微电机,压电微电机,形状记忆合金微电机,磁致伸缩型微电机,当两个导体施加电压的时候，会产生静电力。 静电力的大小与尺寸的平方成反比。静电力很少用于驱动宏观机械，但是微型器件通常有较大的表面积体积比以及非常小的质量，使得静电力成为一种很有吸引力的微执行驱动源。 静电型微电机可分为旋转式和直线式两种。,微电机分类,静电型微电机,微电机分类,旋转静电微电机,对一组定子电极施加偏置电压，则该组中任一给定电极与其紧邻的转子轮齿之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电引力，从而使轮齿与定子对准，通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。,静电型微电机,旋转静电微电机的结构,微电机分类,静电型微电机,微电机分类,静电型微电机,静电驱动薄膜直线电机,基于平行板电容器的基本结构，平行板相对运动有两种法向移动和切向移动，当固定其中的一个平板，另一块用机械弹簧悬吊，在偏置电压下，平板将产生位移。,两平行板间施加电压,载荷会产生静电力Fe 假设平板的平衡位置为x，x轴方向沿着间隙变大的方向，位移为x时，电极间的距离变为d+x,在平衡位置的静电力为,微电机分类,静电型微电机,在位移x处，机械回复力与静电力大小相等，对上述等式整理可得 两个电容器极板之间的平衡距离可以通过求解上述关于x的二次方程得到。,微电机分类,静电型微电机,微电机分类,优点 结构简单 功耗低 响应快,静电型微电机,缺点 驱动电压大 输出力矩小,电磁型微电机,电磁型超微电动机的研究始于20 世纪90 年代,根据电磁间互相作用产生的电磁力作驱动力驱动转子旋转。电磁型超微电动机基于传统电磁理论设计,多采用无刷电机结构。,电磁微电机的结构,微电机分类,根据磁执行原理，利用磁场产生力、力矩或者微结构的位移，驱动磁场作用在载流导线、电感线圈或者磁性材料。,微电机分类,电磁型微电机,微电机分类,电磁型微电机,微电机分类,电磁型微电机,优点 驱动力矩大 驱动电压低 易于装配,缺点 结构复杂 与IC工艺兼容性差,压电微电机 压电电动机按结构可分为行波压电电动机、驻波压电电动机和复合压电电动机; 按照电机激励部分的材料可分为薄膜压电电动机和陶瓷压电电动机。 压电电动机由于输出转矩大、无电磁干扰、响应速度快、微小位移输出稳定等优点, 可用于精密仪器、照相机、机器人及航空领域。如日本Canon公司将圆环式行波超声波电动机用于镜头的驱动，,微电机分类,在压电陶瓷片上施加电信号, 使之产生一定轨迹的机械振动, 激励与其粘接在一起的定子弹性体的振动, 通过弹性体与转子间的相互作用驱动转子运动。,微电机分类,压电超声波微电机的结构,压电微电机,微电机分类,微电机分类,压电微电机,优点 响应速度快 输出转矩高 廉价质轻,缺点 材料制备复杂 电机难以实现匀速 寿命短,微电机分类,压电微电机,形状记忆合金微电机 执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两种。按电机的运动形式，其基本结构可分为直线位移型和旋转位移型。,微电机分类,直线位移型SMA电机,形状记忆合金微电机,微电机分类,旋转位移型SMA电机,对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使电机输出位移 。 对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，电机具有双向做功的能力。一般来说，推挽式比偏置式的输出功率太，能量转换效率高。,微电机分类,形状记忆合金微电机,微电机的分类,优点 驱动电压低 结构简单 电场干扰小 无振动噪声、无污染 对人体无毒害作用,缺点 记忆形状具有一定不稳定性 材料特性的变化会改变驱动频率 连接元件易损耗,形状记忆合金微电机,磁致伸缩型微电机,某些材料置于磁场中，其几何尺寸会发生变化，这一现象称为磁致伸缩效应，这些材料则称为磁致伸缩金属。根据材料几何尺寸变化形式的不同, 磁致伸缩效应又可分为纵向效应、横向效应、握转效应和体积效应。 磁致伸缩型电动机是利用磁致伸缩效应, 在磁场激励源下，通过磁致伸缩型驱动器实现能量转换。可分为直线型和旋转型两种。,微电机分类,磁致伸缩型微电机,微电机分类,主要由Terfenol-D驱动棒、起固定驱动棒作用的定子管和用来产生磁场的线圈三部分组成。,磁致伸缩直线电机结构图,两个相互垂直的超磁致伸缩棒A和B由驱动元件连接在一起，A和B上分别绕有线圈，线圈由正弦波形的电流驱动。其中A、B两个棒的驱动线圈电流相位差为90。,微电机分类,磁致伸缩摩擦电机原理图,磁致伸缩型微电机,主要由8个(或8个以上)超磁致伸缩驱动器、柔轮和刚轮三部分组成。通过依次控制驱动器的伸缩位移，使柔轮产生流动的弹性变形。,超磁致伸缩谐波电动机结构原理图,微电机分类,磁致伸缩型微电机,微电机分类,磁致伸缩型微电机,特点： 转速低、步进驱动、调速范围宽、惯量小、响应快、运动平稳、精度高、承载力大、效率高、控制性能好。 但是由于超磁致伸缩材料易受到电磁场的干扰，必须对超磁致伸缩材料作一定的屏蔽磁场措施。,微电机的应用,信息领域 微电动机与传感器、数字电路集成在一个半导体芯片上用作开关组合部件。光纤产品、光学仪器，如光开关、各种视盘机及光刻机、激光设备及激光刀等都需要精密微型电机驱动和超微电动机与光器件融合为一体的光机电系统。,微电机的应用,军事领域 各种机器昆虫、微机器人等将会在今后的反恐、救援、战争前线侦察、考古、司法取证、科学探索等方面大显身手，而每一个微型探测器内部都装有大量的微电机以完成各种需要的动作。 医疗领域 医疗领域是微机械技术应用的最具代表性的领域。微创伤内窥诊疗、精密显微外科、体内局部微量给药都需要高度灵巧、高度柔顺性的微电机。,微电机的应用,人工心脏,微电机的应用,微电机的应用,航空航天领域 微电机可用在带摄像装置进入卫星、火箭或宇航飞机内检查故障的机器人上。在超微电机基础上还可以发展惯性导航器件，如微陀螺。,上海交通大学研制的抗磁悬浮微陀螺,国内外微电机研究对比,微电机研究和发展方向,目前微电机研究遇到的困难和发展趋势 1.微机械性能评测技术 微电机建模、仿真、优化设计的正确性、有效性，需要微机械性能评测技术加以评价。 2.微摩擦与微支撑 电机发出的力很小，往往会被其自身的摩擦力消耗掉。极小的运动间隙需要严格的防尘技术。发热和耐久性问题是值得关注的课题。,微电机研究和发展方向,3.降低功耗与低电压驱动 微机器人的无缆化、自立化需要用电池或无线能量传输