MEMS—电热式驱动器.ppt

MEMS电热驱动器 吴清远 综述基本原理驱动分类优缺点 目录 综述 在众多的驱动机构技术中 电热驱动机构是一种驱动方式新颖的后起之秀 自从1988年第一个电热驱动的硅微驱动器被研制出来 二十多年来通过众多研究人员的努力 得到了很长足的发展 研制出了各种各样的应用产品 基本原理 电 热 驱动 电热驱动器的执行 是通过注入或抽走其中的热量来实现 温度分布的变化通过热膨胀 热收缩引起机械位移或者力的输出 升温 电磁波 欧姆热 热传导 热对流降温 热传导 热对流 热辐射 有源热电制冷 热膨胀 指物体因温度改变而发生的膨胀现象 通常是指外压强不变的情况下 大多数物质在温度升高时 其体积增大 温度降低时体积缩小 热膨胀系数 物体由于温度变化引起的体 面 线产生的相对变化 体积热膨胀系数 是体积的相对变化与温度变化的比值 通常记为 电热驱动 双金属热致动热膨胀致动热气动 驱动分类 双金属热致动 双层膜电热驱动器 双层膜电热型微驱动器结构示意图 原理 它的基本结构是由上半部分图形化的金属电阻丝结构作为驱动层和下半部分的偏置层构成的悬臂梁结构 在导线中通入电流 使导线发热升温 驱动层和偏置层的体积都随温度升高而膨胀 但由于二者的热膨胀系数不同 驱动层和偏置层组成的执行结构会产生向面外翘曲的动作 从而实现驱动功能 双金属热致动悬臂梁结构示意图 双金属热致动 双金属热致动微型泵结构框图 微型薄膜泵理论模型示意图 清华大学精密仪器与机械学系杨岳等人利用双金属片驱动方式研制了热致动微型泵 薄膜型微型泵其工作原理基本都是依靠驱动薄膜的弹性变形 使泵腔的体积发生变化 从而导致泵腔内的压力变化 实现流体由入口阀进入泵腔并由出口阀流出的周期性变化 其一般的理论近似模型如图所示 但是采用双金属热致动作为驱动方式的微型泵 其一般工作频率较低 具有导向性的分段式双层膜电热驱动器 具有导向性的分段式双层膜电热驱动器 原理 该结构采用两段相反形状的双层膜结构 在通电加热过程中 利用两段相反结构的双层膜中产生的不平衡焦耳热量进行驱动工作 两段双层膜的不同分布位置及几何尺寸决定了驱动器整体的运动方向和幅度 该器件主要利用Post CMOS工艺制备 对于两段相反形状的双层膜结构 采用了掺杂的方式实现 其主要优势在于能够实现一种导向性的驱动模式 热膨胀致动 U型电热式驱动器V型电热式驱动器 热膨胀致动 基于冷热臂结构的U型电热式驱动器 改进的双热臂U型电热式驱动器 该驱动器主要由两个宽度不同 长度相等的膨胀臂构成 两个膨胀臂均用同一种导电材料制成 在自由端相连 构成一个电路回路 两个臂脚由两个固定锚柱固定在基板上 热臂要比冷臂窄 因而热臂的电阻要比冷臂的电阻高 当在热臂和冷臂上通入电流时 在热臂上产生的热要比冷臂多 在热膨胀的作用下 热臂在长度方向的伸长量也要大于冷臂 由于两臂在自由端相连 互相牵制 所以导致驱动机构的自由端将向冷臂方向弯曲 从而产生横向驱动作用 U型电热式驱动器 电热式驱动器驱动微平面 热膨胀致动 V型电热微驱动器的基本单元是两端固定在基底上呈V字型的悬臂梁结构 当通过电极施加交变或脉冲电压时 V型悬臂梁的末端可在一定频率范围内实现微幅振动 最常用的是其阵列结构 这种V型电热微驱动器的主要特点是驱动力大 同时结构也比较简单 较容易实现控制 且可以与集成电路制造工艺相兼容 在MEMS研究和器件设计中被广泛采用 V型电热微驱动器 新型复合结构V型电热微驱动器 在弯曲梁电热微驱动器原理的基础上 通过引入热膨胀系数更大的聚合物基复合结构材料 提出了一种新型复合材料电热微驱动器 由聚合物包裹着金属弹簧电阻丝结构组成一根悬臂梁 然后两根悬臂梁组成V型电热驱动结构 相对于原始的弯曲梁结构 新型微驱动器加热电阻大为提高 能量就更多地集中在微驱动器上 减少了传输损耗 热气动 喷墨打印机 喷墨打印机中墨滴喷