第三次课MEMS执行器工作原理课件

1、MEMS执行器的工作原理内容回顾光声力温度化学其他传感器模拟信号处理数字信号模拟信号处理执 行 器运动能量状态信息其他与其它微系统的通讯/接口内容回顾压电效应电容效应压阻效应传感元件隧穿效应热效应光学效应谐振效应热力效应静电效应形状记忆合金效应执行元件电磁效应光、化学、生物等静电效应 MEMS执行器功能示意图输出动作微执行元件能量供给传输单元夹钳臂 电极电极夹钳臂 利用静电致动的MEMS微夹钳微镊子微型梳状结构微型电动机dab平行板电容器的电容C平行板电容器的能量W 虚功原理 对于一个静态平衡的系统，所有外力的作用，经过虚位移， 所作的虚功，总合等于零。 MEMS微执行器中常用的静电力驱动结构

2、 和静电力计算公式 二维平行板结构 矩形板结构 圆形板结构二维平行板结构静电力计算（MEMS中最常用的一种） 平行板电容器结构示意图 考虑四个边的边缘效应只考虑两个长边的边缘效应 平行板电容器俯视图边缘效应区极板的宽度a,长度b，且有a30时，所有公式的误差都低于3%，工程上用最简单的无限大平行板静电力公式即可。3.采用复变函数保角变换推导出的简化公式具有精度高、表达式简单的特点，适合于工程应用。当矩形极板不满足ab的条件时，需要考虑另外两个边的边缘效应。 选用精度高、形式简单的基于保角变化的计算公式进行修正。 首先，将公式展开为：其中第一项为无限大平板静电力计算公式，第二项是对长度为b的两个

3、边缘电场修正，按照矩形对称的形式，将边长为a的两边给出对称的修正表达式，可得到：矩形板结构静电力计算克希霍夫公式给出了半径为R的圆形平行板电容公式：根据虚功原理，可以得到圆形极板间的静电力为：圆形极板结构静电力计算静电力的大小仅仅取决于极板的相对表面积和间距,适合微观领域;静电驱动力与体积比极高，与尺寸平方成比例，尺寸越小，间隙越小，单位体积产生的静电力越大；采用电压驱动，易于控制和高速化，可实现低功耗。另外，制作工艺与IC工艺兼容，易于集成;当静电执行器电极板表面存在毛刺灰尘时候，存在电击穿的危险，所以要求静电执行器的表面非常平整，必须做一个合适的隔离层，并将其封装起来。静电力驱动的应用热力

4、效应原理：基于固体或者流体的热胀冷缩常见结构：双变体结构，弯曲梁结构，热空气结构双变体结构示意图温度控制的电开关蠕虫状步进微马达弯曲梁结构示意图用不同尺寸的同一种材料（多晶硅是一种常用的材料）组成的双梁结构，是一个比较成熟且可行的驱动结构。设计和制作都比较简单，在不大的尺寸上，即能产生较大的位移，又能实现较大的驱动力。它的尺寸设计比较灵活，可以控制驱动电压与标准集成电路电压兼容。弯曲梁单元阵列则可以保证足够的驱动力。热空气结构示意图利用气体/液体的热膨胀,半导体材料支撑气体腔和提供电阻并加热气体。由一个充满空气的腔、蛇型加热电阻和膜组成。加热电阻由一块薄的硅板支撑，而硅板由4个小的硅梁挂起，硅

5、板同时起到密闭空气腔的作用。电阻发热，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀；停止加热，膜回到原来位置。热驱动的特点和应用克服了对距离的依赖驱动作用力较大广泛应用于微阀门、微夹子、微泵、微马达等固体的热膨胀系数较小，需要做些放大热膨胀量的特别结构热驱动微泵示意图形状记忆合金效应工作原理：形状记忆合金在高温下定型后，冷却到较低温度，并施加变形，使其存在残余变形；然后在这种状态下稍微加热，可使其残余变形消失，并恢复到高温下所固有的形状，好像合金记住了高温状态下所赋予的形状一样。钛镍基合金和铜基合金根据各种形状记忆合金的不同记忆功能，分为：单程记忆效应，双程记忆效应和全程记忆效应。单程记忆效应

6、某些合金在较低温度下变形，加热后可以恢复变形前的形状，只在加热过程中存在的形状记忆效应。双程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复到低温相形状。全程记忆效应 某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状。应用当记忆合金恢复原来状态时，可输出力而做功，是很有发展前途的驱动组元的智能材料。用于旋转型的微执行器、微关节、微机器人、微弹簧、温度控制装置、集成电路引线、汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好、耐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、人造心脏零件、牙齿矫正以及医用导管等医用材料特点最大做功密度大、机构简单、柔软易变形、驱动电压低（可采用低于5V以

7、下电压）、尺寸可在微米级别；不足之处：难于与硅的制作工艺兼容形状记忆合金微执行器SMA薄膜微钳SMA医用微型导管电磁效应工作原理利用洛伦磁力为主要执行力开发出电磁微电机、微泵、微光开关、微镊子等电磁线圈的加工和磁性材料的生成微磁元件的制造-磁性材料的沉积磁致伸缩微执行器磁致伸缩效应： 1840年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向磁场时，它会收缩。在外加磁场的作用下，材料的磁畴按照外磁场进行排列，从而引起材料尺寸的变化压电致动微执行器利用逆压电效应在压电材料上加不同的驱动电压来实现驱动功能的。主要有微泵、微阀门、微弹簧、微机器人的手足等压电驱动脚和自行式机器人 如图所示的梳状驱动的微执行器,计算在弹簧为原长的状态下,要使电极移动10微米所需的电压.(梳式驱动在空气中工作)已知: 弹簧的弹性常数为0.05