第六章微执行器

第六章微执行器第一页，共五十一页，2022年，8月28日第6章微执行器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——微泵阀与微流量系统典型微执行器——梳状位移驱动器第二页，共五十一页，2022年，8月28日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、结构复杂性第三页，共五十一页，2022年，8月28日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）压电材料第四页，共五十一页，2022年，8月28日

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第五页，共五十一页，2022年，8月28日

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第六页，共五十一页，2022年，8月28日

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第七页，共五十一页，2022年，8月28日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第八页，共五十一页，2022年，8月28日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第九页，共五十一页，2022年，8月28日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第十页，共五十一页，2022年，8月28日工作原理：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MtTiNi冷却过程Ms以上奥氏体，Mf以下为马氏体，Ms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）第十一页，共五十一页，2022年，8月28日特点突变双态性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第十二页，共五十一页，2022年，8月28日单位体积有效能量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）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第十三页，共五十一页，2022年，8月28日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十四页，共五十一页，2022年，8月28日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：第十五页，共五十一页，2022年，8月28日分析方法：左手法则原理第十六页，共五十一页，2022年，8月28日二、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：用氮化硅作绝缘层第十七页，共五十一页，2022年，8月28日

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），原理第十八页，共五十一页，2022年，8月28日1、静电力驱动变电容式步进微马达原理μm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第十九页，共五十一页，2022年，8月28日步辐分析原理：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计算公式第二十页，共五十一页，2022年，8月28日减摩技巧

选材：Si3N4和多晶硅接触球面接触悬浮第二十一页，共五十一页，2022年，8月28日工艺步骤

第二十二页，共五十一页，2022年，8月28日2、静电力驱动变电容式同步微马达

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个第二十三页，共五十一页，2022年，8月28日工艺步骤第二十四页，共五十一页，2022年，8月28日3、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。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

第二十五页，共五十一页，2022年，8月28日特点获得大减速比，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

第二十六页，共五十一页，2022年，8月28日4、电悬浮减摩措施

理解分析过程第二十七页，共五十一页，2022年，8月28日三、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

第二十八页，共五十一页，2022年，8月28日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技术第二十九页，共五十一页，2022年，8月28日第三部分典型微执行器——微泵/微阀主要应用形式——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。第三十页，共五十一页，2022年，8月28日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）或金刚石膜第三十一页，共五十一页，2022年，8月28日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）性能第三十二页，共五十一页，2022年，8月28日2、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/压力泵与各自特点第三十三页，共五十一页，2022年，8月28日压电致动膜片式第三十四页，共五十一页，2022年，8月28日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-响应满足微泵第三十五页，共五十一页，2022年，8月28日记忆合金制动式第三十六页，共五十一页，2022年，8月28日TiNi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第三十七页，共五十一页，2022年，8月28日热—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第三十八页，共五十一页，2022年，8月28日3、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：推挽工作模式等第三十九页，共五十一页，2022年，8月28日工作原理第四十页，共五十一页，2022年，8月28日推导排量、效率1、参数说明、

、

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口流量公式结论：流量不同，原理成立第四十一页，共五十一页，2022年，8月28日3、推导吸入、排出阶段的出口流量吸入阶段排出阶段4、得到泵的排量5、得到泵的效率结论：是决定性因素推导排量、效率第四十二页，共五十一页，2022年，8月28日

扩散管/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、流速等第四十三页，共五十一页，2022年，8月28日扩散管/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，损失很小第四十四页，共五十一页，2022年，8月28日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四十五页，共五十一页，2022年，8月28日第四部分典型微执行器

——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。两种布局第四十六页，共五十一页，2022年，8月28日结构与制作工艺第四十七页，共五十一页，2022年，8月28日驱动力的计算第