MEMS致动器原理.pdf

MEMS致动器致动器 MEMS Actuators 清华大学清华大学 微米纳米技术研究中心微米纳米技术研究中心 叶雄英叶雄英 2012.10.222012.10.22 微致动器定义微致动器定义 致动器定义：致动器定义： 通过电、光等信号直接或间接控制通过电、光等信号直接或间接控制 机械结构，使之发生变形、移动或机械结构，使之发生变形、移动或 防止变形的机构，称为致动器。防止变形的机构，称为致动器。 微致动器的功能：微致动器的功能： 驱动微型结构，产生变形、位移或驱动微型结构，产生变形、位移或 力输出；力输出； 平衡微型结构，防止变形或偏移平衡微型结构，防止变形或偏移 微致动器微致动器 Micro Actuator 致动方式：致动方式： 静电致动静电致动 电磁致动电磁致动 压电致动压电致动 电热致动电热致动 微型致动器件：微型致动器件： 微型马达微型马达 微型谐振器微型谐振器 微型继电器微型继电器 微型光微型光/RF开关开关 灵巧蒙皮灵巧蒙皮 微型泵微型泵/阀阀 静电静电致动器致动器 Electrostatic Actuator 利用电极间电荷的库仑力致动。利用电极间电荷的库仑力致动。 微型静电致动器：微型静电致动器： 平板电极驱动器平板电极驱动器 梳状驱动器梳状驱动器 旋转马达旋转马达 SDA（ Scratch Drive Actuator ） 平板电极致动器平板电极致动器 平板电极致动器相当于平板电容，作用 于电极板上的静电力： V Fe Strong function of gap! Spring-Suspended Capacitor Stability Analysis 稳定性分析稳定性分析 Fs Net (attractive) force on plate If we increase the gap by dg, the increment dFnet 0 or the plate collapses 稳定 电刚度 Pull-In Voltage VPI 当电压升高到一定当电压升高到一定 时，系统将失去平时，系统将失去平 衡，把电极吸合。衡，把电极吸合。 Plot normalized electrostatic and spring forces vs. normalized displacement 1-(g/go) Comb Drive 梳状驱动器梳状驱动器 梳齿结构(Comb Structure) 平移结构（linear） 旋转结构（rotational） Mirror Mechanical Stop 0.4 mm Principle and Features William Tang, Ph.D. EECS Dept., 1990 Formulae 电场能量： 静电力： C Energy must include capacitance between the stator and the rotor and the underlying ground plane, which is typically connected at the rotor voltage. w = t = g = z0 = 2 m Vr =0V C= dC/dx Comb Drive Failure Modes Example 释放应力释放应力 Scratch Drive Actuator (SDA) SDA operation 1) Applied voltage bends SDA downward 2) When released, SDA returns to original shape 3) Reapplying voltage causes SDA to move a distance dx Caveat: sometimes they go backward! SDA application Electrostatic Motors Torque Motor 的原理的原理 A A B B C C D W 2W/3 W 3W/2 固定固定 典型的电极数为：典型的电极数为： 定子定子1212个，转子个，转子8 8个个 三相驱动三相驱动 Ground V G G V Electrostatically levitating micromotor for rotational gyroscope T.Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers99, Jpn. J. Appli. Phys., Part1 (2003) 14x14x3mm Rotor D 1.5mm 74,000rpm 微型静电悬浮陀螺 Micro Motor 的应用的应用 静电致动特性静电致动特性 静电致动的特点 结构易于实现，只需间隙与电极； 可通过控制间隙或电压来得到所需的致动力； 只有吸引力，结构恢复靠弹性力； 推挽式结构实现双向致动； 位移较小（SDA除外）； 驱动电压较高（特别是平板电极） 静电致动器应用 静电马达 继电器、开关 谐振器 力平衡传感器、陀螺、隧道效应器件等 电磁致动 Magnetic actuators 线圈通电产生磁场，导磁体由于 磁场力的作用而产生运动。 旋转电机 （MEMS多层线圈） 直线电机（MEMS线圈） 阵列搬运器 （MEMS磁体和结构） 通电线圈在外磁场的作用下产生 运动。 驱动膜变形 （MEMS线圈和结构） 振动式磁强计（MEMS线圈和结构） 永磁体 金线圈 氮化绝缘层 多晶硅 出口入口 载流导线周围某点磁场强度： 磁荷m在磁场中所受的磁力： 直线电流在磁场中所受作用力： = LL r rdlI dBB 2 4 Permanent Magnet Si Si Si Top Layer Middle Layer Bottom Layer X Y X Z sinFJBl= F = m H, H = B/ Magnetic Actuator Array： Structure Chang Liu, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Proceedings, v 1, 1995, p 328-331 Magnetic Actuator Array： Operation Principle Magnetic Actuator Array： Sketch of an actuator Using UVLIGA process 电磁致动的特点电磁致动的特点 Microstructures are often fabricated by electroplating（电镀）（电镀） techniques. Nickel is a (weakly) ferromagnetic material, used in magnetic microactuators. Au or Cu is used as a coil material. Advantage Large force Large displacement Low driving voltage Problem The coils are two dimensional (three dimensional coils are very difficult to microfabricate). The choice of magnetic materials is limited to those that can be easily micromachined, so the material of the magnet is not always optimum. This tends to lead to rather high power consumption and heat dissipation for magnetic actuators. 压电致动 Piezoelectric actuators 压电效应： 某些电介质，当沿着某一方向发生变形时，内部某些电介质，当沿着某一方向发生变形时，内部 产生极化现象，在表面产生电荷，电荷极性与外产生极化现象，在表面产生电荷，电荷极性与外 力方向有关，外力去掉后电荷消失。力方向有关，外力去掉后电荷消失。 逆压电效应：在这种电介质的极化方向施加电压，逆压电效应：在这种电介质的极化方向施加电压， 会产生变形。压电致动器利用的就是这种效应。会产生变形。压电致动器利用的就是这种效应。 压电材料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材压电材料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材 料等。压电陶瓷属于铁电体类物质料等。压电陶瓷属于铁电体类物质。 The applied force F causes the line OD to rotate counter clockwise by a small angle d This strain shifts the center of gravity of the three positive and negative charges to the left and right, respectively A dipole moment, p = qr, is created which has an arm (r) of: p = qr qa3/2 d Assuming the crystal contains N such molecules per unit volume, the polarization is: P = Nqa3/2 d polarization strain 压电原理 -石英晶体 Modes in Quartz 压电致动的主要形式 块状压电晶体：结构紧凑，变形小，频率高； 压电堆：位移较大，致动力很大，轴向尺寸大，对 装配的要求高，驱动频率较高； 压电薄膜：利于系统集成，致动力和位移小； 双层压电梁：驱动力和变形大，频率低。 压电基本方程： 3311111 EdTsS E += 3331313 ETdD T += 压电致动方式 柔度柔度 压电应压电应 变系数变系数 应变应变 应力应力 电场电场 强度强度 电位移电位移 矢量矢量 介电介电 常数常数 电场电场 强度强度 压电应压电应 变系数变系数 应力应力 压电膜和压电堆 致动器 压电堆 A layer of piezoelectric material is deposited on a beam or a thin silicon membranes. 压电堆致动微泵压电堆致动微泵 压电膜的制备：压电膜的制备： 溅射溅射(sputtering) 溶胶凝胶溶胶凝胶(sol-gel)法法 SAW Devices A surface acoustic wave (SAW) rises on the surface of a crystal with stress- free boundary SAW energy is confined to within one wavelength of the surface The components of surface particle motion, Ux and Uz, and Uz Ux SAWs can be excited by interdigitated transducers (IDTs) patterned on the surface of piezoelectric crystals Used as sensors as well as delay lines, filters, correlators, pulse compressors, etc. in communications and electronic systems; invented by Prof. R. M. White, EECS Dept., UC Berkeley, 1965. 优点：优点： 能实现较大的力输出（薄膜型除外）能实现较大的力输出（薄膜型除外） 响应快响应快 缺点：缺点： 需特殊工艺，与硅工艺的兼容性不太好（薄需特殊工艺，与硅工艺的兼容性不太好（薄 膜型除外）膜型除外） 驱动电压较高（薄膜型除外）驱动电压较高（薄膜型除外） 压电致动特点 电热致动 Thermal actuators 热双金属（Bimorph）： 将两种不同热膨胀率的材料层叠固定，当 温度发生变化后由于膨胀率不同而产生弯 曲变形。 形状记忆合金(Shape Memory Alloy )： 某些合金材料具有在特定温度下回复变形 前形状的效应，因此可以通过改变其温度 而产生致动效果。 热双金属致动 致动模型：悬臂梁 致动变形公式： a热膨胀系数，t厚度，b宽度，r变形量（曲率半径） 两层厚度和宽度相同，则： （k=E2/E1) 硅 t t = l b b 2 1 1 2 1 l2 () ()() 2121 111 3 222 222 3 111 21 2 21 2 4 7 3 2 ttT tbE tbE tbE tbE t ttt r + + = ) 1 5( 3 2 k k T t r + + = 铝 多晶硅电 单晶硅 多晶硅电 薄膜型双金属热致动器 硅 硅 金属层 加热膜 IC Sensor的双金属热致动微型阀的双金属热致动微型阀 Current flows through expansion members (legs). Legs expand and push shuttle towards right. “Chevron” Actuator “Heatuator” 热梁致动 形状记忆合金 Shape Memory Alloy 形状记忆合金工作原理： 低温下，受外力作用合金的内部组织变为菱形晶格 （相变，马氏体状态），而在加热时，其内部组织变为受力 前的正方晶格的状态（母相状态），从而恢复原形状。 马氏体相变马氏体相变 滑移形变滑移形变 马氏体态的形变与加热后形状记忆马氏体态的形变与加热后形状记忆 马氏体状态马氏体状态 母相母相 （奥氏体状态）（奥氏体状态） 母相母相 双金属和双金属和SMA元件的动作持性元件的动作持性 一种偏置弹簧组合件结构一种偏置弹簧组合件结构 NiTi/ Si 薄膜结构的双向微驱动器： NiTi合金在3050C发生逆相变，NiTi薄膜逆相变时 可产生足够大的应变力使膜向下位移。当切断电流停 止加热,薄膜从母相状态回复到马氏体状态,向下形变 的力逐渐被释放。这时Si膜的回复力,使薄膜由下凹 状态回到加热前平直的状态。 NiTi/ Si 驱动器最大位移可达驱动器最大位移可达50m ,最大振动频最大振动频 率可达率可达100Hz ,驱动功率驱动功率0.2W 形状记忆合金的特点： 形状记忆合金由于其特殊的相变机理,不仅可以有单向 或双向形状记忆效应,同时还可产生大的应变和大的驱动 力。 形状记忆合金驱动功密度达5107J / m3 ,比其他用静电、 压电、电磁、热气动、热双金属效应等驱动器要大近两 个数量级。 变形率：7%，响应：毫秒级，恢复力：数十kg/mm2 ， 相变温度： -50100C 优点：优点： 能实现较大的力输出能实现较大的力输出 与硅工艺的兼容性好与硅工艺的兼容性好 驱动电压低驱动电压低 缺点：缺点： 响应慢响应慢 功耗较大功耗较大 升温，应用受限制升温，应用受限制 电热致动特点 几种大位移致动器 Residual Stress Cantilever (RSC) Scratch-Drive Actuator (SDA) Vertical Thermal Actuator