下载文档原格式
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理摘要：微执行器是构成MEMS动力部分，是MEMS的操作和执行机构。
本文介绍了常用的电场力、磁场力和热效应驱动的三种驱动的MEMS微执行器特点及工作原理。
关键词：MEMS 微执行器工作原理1、背景微型机电系统，即MEMS（Micro Electric-Mechanical System）是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。
MEMS是在微电子学科基础上发展起来，同时，它又有是多学科交叉的学科。
MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号，并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。
同时，每个系统不是独立的，它可以通过接口与其他的系统进行互联。
其中，微执行器是MEMS的核心部分，它既可以为微系统提供动力，也可以成为微系统的操作和执行单元。
因此微执行器有许多种不同的驱动方式。
常见的驱动方式主要有：静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金（SMA）驱动和磁致伸缩驱动等形式。
本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。
2、微执行器的分类及特点从驱动形式角度来看，有许多种微执行器，但常用的只有三种：电场力、磁场力和热效应驱动。
由于静电微执行器的体积小，结构简单，是目前应用最多的一种微执行器。
它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。
但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多，比如微马达。
热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变，改变驱动部件的结构，对目标物体施加所要求的作用力。
但热驱动力的功耗较大，而且精度不易控制。
磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。
它有两种力的驱动方式：洛伦兹力和磁场力。
目前，主要利用磁驱动的微执行器是微马达。
由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速，现已被广泛应用。
3、三种微执行器的工作原理3.1一种平板式静电微执行器静电执行器的基本工作原理：平板式静电执行器由两个极板组成。
微执行器导论**********导论微执行器是MEMS 中重要组成部分，其作用是将能量由非机械的形式转换为机械能的形式。
鉴于MEMS 的微小化和尺寸效应，微执行器已不是简单的传统机械的缩小化，驱动方法 不同于传统机械。
可能有多种机制实现某一特定的执行器驱动。
例如，可以利用静电、磁力、压电、或热膨胀产生机械运动。
此外，还有很多执行器驱动方式：如气体力学、形变记忆合金、热膨胀、相变、电化学反应、能源燃烧、以及运动液体的摩擦阻力。
静电执行器静电驱动是MEMS 微执行器的主要驱动方式，根据物理中的库仑定律和平行板静电力的计算公式，有：两个带点分别为1q 、2q ，间距为r 的两个电荷之间产生带点静电力为2214r q q F πε=。
两块正对的长、宽分别为L 、W ，间距为d 的平行极板间的电容d WL C ε=，垂直于平行板的静电力为d WLU F d 22ε-=。
一种有趣的、具有很好精度的步进直线微机械执行器是被称为“尺蠖”的执行器。
其基本构思是：使用一个能弯曲的末端带有微小垂直挡板的金属板，当在金属板和衬底中掩埋的导体两端加电压时，金属板就向下弯曲，并将挡板向前推进一小段距离。
电压消失时，由于挡板和绝缘层表面摩擦力不对称，导致一定程度的运动调整，因而产生了金属板净位移。
重复这个周期，就能得到连续的、步进的直线运动。
图1 “尺蠖”执行器图2为TI公司研制成功的数字微镜（Digital Micromirror Devices）的单个微镜片结构。
DMD采用静电力驱动微镜片完成状态转换。
图 2 数字微镜静电驱动喷墨打印头首先是由Epson公司为开发商业打印机而提出的。
如图3，驱动过程是通过在电极板和压力板上施加一个直流电压，使压力板偏转并充墨。
当电压去掉时，压力板转回原位并将液滴从喷嘴推出。
由于其功耗较低，小于0.525mW/喷嘴，该器件以被开发用于电子计算机中。
图 3 静电驱动喷墨打印头梳状静电驱动器在光开关中经常被运用。
微传感器与微执行器（F340508) , 2014年秋季学期杨斌binyang@2014年9月24日一、课程简介与要求二、MEMS发展历史三、MEMS创新世界四、中国MEMS的发展五、选课的理由微传感与微执行(F340508)上课地点：陈瑞球楼209上课时间：每周一次（周三上课时间：每周次（周三6‐8节13:00‐15:40）学分：3学分（48学时）binyang@sjtu edu cn任课教师：杨斌binyang@参考书：参考主要MEMS领域杂志：参考主要MEMS会议：课程简介：通过深入细致地讲述微传感器与微执行器的基本原理和典型应用，让学生全面了解MEMS器件的研究现状和发展方向，初步掌握微型器件的原理、加工和应用，从而体会并了解到高科技为生产和生活提供快捷和便利的途径，学会独立思考，培养创新意识。
考核方式z平时表现（35%）：无故旷课超过2次的视为自动放弃；积极参与课堂回答问题和讨论。
个人报告（35%）：每人给定篇最新文献，ppt汇报510分钟z每人给定一篇最新文献，5~10z期末考试（30%）：期末测试课次时间题目授课教师12013‐09‐24微传感器与微执行器的历史和现状杨斌22013‐10‐08微机械加工技术杨斌32013‐10‐15力学传感器——微型加速度计杨斌42013‐10‐22力学传感器——压力传感器杨斌52013‐10‐29力学传感器——MEMS麦克风杨斌62013‐11‐05力学执行器杨斌72013‐11‐12化学和生物传感器与执行器杨斌82013‐11‐19微流体器件杨斌92013‐11‐26——射频微器件谐振器与继电器Bio4Apps 国际会议102013‐12‐03微型能量采集器——振动能11月17日至19日112013‐12‐10微型能量采集器——声、热电杨斌122013‐12‐17微型能量采集器——热释电杨斌132013‐12‐24微光学传感器、数字微镜阵列杨斌142013‐12‐31磁传感器杨斌152014‐01‐02磁执行器杨斌磁执杨162013‐01‐08期末大报告学生1出勤率：基本要求1.无故旷课超过2次的视为自动放弃！2.课堂秩序：手机静音，电脑关机，提问举手！3.课堂互动：独立思考，积极提问和回答问题！4思路条理清晰表达明确声音响亮！4.学生口头报告：思路条理清晰，表达明确，声音响亮！教师联系：杨斌，binyang@微纳院2‐218室1、集成电路的发明2、五十年与五个人3、超越摩尔定律4、MEMS的定义1947年12月23日第一个晶体管在贝尔实验室诞生。
微执行器导论—读书笔记摘要：微执行器可用来产生力和机械运动，是微机电系统中的重要组成部分。
根据敏感源和执行方式的不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类。
本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细的介绍，并简单总结了不同执行器的独特性能和优缺点。
1、简介MEMS技术的迅速发展带来了传感器和执行器的革命性变化。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息，并按照一定规律将其转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求.执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用，主要用来产生机械运动、力和扭矩.传感器和执行器统称为换能器，利用换能器可以实现信号和能量的转换。
目前受到广泛关注的能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能.一个系统的能量可以有一个或多个不同的能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换.由于MEMS的微小化和小尺寸效应，微执行器并非是简单的传统机械的微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能的微执行器驱动.微执行器作为可动部分，其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等指标决定了系统的成败，它是微机电系统中最重要的环节。
在微执行器的设计和选择过程中，有以下几个标准必须考虑:(1）扭矩和力的输出能力;（2)位移范围;(3）动态响应速度和带宽;(4）材料来源及加工的难易程度；(5）功耗的能量的转换效率；(6）驱动偏置函数的线性位移;（7)交叉灵敏度和环境稳定性;（8)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器的性能、生产成本的高低以及商业化生产的程度等.因此，对微执行器的研究是微机电系统的核心内容，是超精密加工技术发展的关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能的形式转化为机械能，对于某种特定的执行器驱动，通常会有多种能量转换机制。
微执行器导论-读书笔记摘要:微执行器可用来产生力与机械运动,就是微机电系统中得重要组成部分、根据敏感源与执行方式得不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类、本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细得介绍,并简单总结了不同执行器得独特性能与优缺点。
1、简介MEMS技术得迅速发展带来了传感器与执行器得革命性变化。
传感器就是一种检测装置,能感受到被测量得信息,并能将感受到得信息,并按照一定规律将其转换为电信号或其她所需形式得信息输出,以满足信息得传输、处理、存储、显示、记录与控制等要求。
执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用,主要用来产生机械运动、力与扭矩。
传感器与执行器统称为换能器,利用换能器可以实现信号与能量得转换。
目前受到广泛关注得能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能与热能。
一个系统得能量可以有一个或多个不同得能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。
由于MEMS得微小化与小尺寸效应,微执行器并非就是简单得传统机械得微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能得微执行器驱动。
微执行器作为可动部分,其动作范围得大小、动作效率得高低、动作得可靠性等指标决定了系统得成败,它就是微机电系统中最重要得环节、在微执行器得设计与选择过程中,有以下几个标准必须考虑:(１)扭矩与力得输出能力;(２)位移范围;(3)动态响应速度与带宽;(4)材料来源及加工得难易程度;(5)功耗得能量得转换效率;(6)驱动偏置函数得线性位移;(7)交叉灵敏度与环境稳定性;(８)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器得性能、生产成本得高低以及商业化生产得程度等。
因此,对微执行器得研究就是微机电系统得核心内容,就是超精密加工技术发展得关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能得形式转化为机械能,对于某种特定得执行器驱动,通常会有多种能量转换机制。
由于对某一传感器与执行过程来讲,能量转换得形式有很多,如静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热敏感驱动、磁致伸缩驱动等,每一种转换途径都会要求不同得敏感材料、加工方法及结构设计等,本文将从这几个方面对不同驱动形式得微执行器作详细介绍与对比总结。
2。
1 静电型微执行器2．1．1 基本原理电容器可以瞧成就是存储相反电荷得两个导体,当电容器得间距与相对位置因外加激励而改变时,电容值也随之变化,这就就是静电敏感得机理。
当电压(或电场)施加于两个导体上时,导体之间就会产生静电力,称为静电执行。
微型器件所具备得小质量与较大比表面积等性能使得作为表面力得静电力具有很大优势应用于微执行器驱动源。
电容器可以用做产生力或者位移得执行器、电容式执行器利用得主要就是带有相反电荷得两个表面之间产生得静电引力,静电斥力得应用较少,根据电极得几何结构来分,电容器主要有平板电容器与叉指(梳状驱动)电容器、下面将对这两种结构得原理、应用等进行详细介绍。
２.1．2 平行板电容微执行器平行板电容器就是静电型微执行器得基本结构,狭义上来讲,它就是由两个宽度方向相互平行得导体平板构成得。
当施加电压时,两平行极板间得静电引力为:其中Ｃ为电容,Ｖ为静电势,ｄ为两极板之间得距离、由上式可以瞧出,在其它条件不变得情况下,静电力得大小随着平板间距得减小与静电势得增大而迅速增加。
静电力就是一种短程力,当间隙在几个微米量级时最为有效,电容式静电执行器得电压上限取决于电介质得击穿电压、目前应用最多得就是垂直于电极得线性运动与转动,可通过增大初始间距来产生更大得运动范围,但力得大小却因此受限,故应注意运动范围与可用力得性能折中,目前可通过一种抓爬式执行器设计来获得远距离得面内运动。
大多数静电执行器至少包含一个由弹簧支撑得可变形平板,在该类器件得设计中要考虑可变形平板在某一偏置电压下引起得静态位移大小。
当施加电压时,两平板之间会产生静电力,静电力使得平板间隙有减小得趋势,从而引起位移与机械回复力。
平衡状态下两个力等大反向。
对于恒定得偏置电压,机械恢复力随着极板位置线性变化,与静电引力在多个位移处相交,但只有一个就是稳定得。
可产生稳定位移得偏置电压上限成为吸合电压Vp,当偏置电压继续增大超过Vp,两种力得Ｆ-ｘ曲线再无交点,即静电力无法平衡机械恢复力,静电力继续增大,两平板间距迅速减小直至完全接触到一起,该现象称为吸合,至此重新机械力与静电力重新达到平衡。
引起吸合所需得电压与位移对于静电微执行器得设计至观重要,可以通过解析模型获得,动态系统得吸合效应对系统得性能有着至关重要得影响。
2.1。
３叉指电容微执行器与平行板电容器不同,叉指电容器通过电极侧壁产生电容。
将两组电极放置于与衬底平行得平面上,一组电极固定,另一组电极可沿一个或多个轴向自由运动,叉指类似于梳子上得齿,故该结构也可被称作梳状驱动器件。
叉指电容器得总电容就是邻近梳指构成得电容总与。
在设计该类型得执行器时,应充分考虑梳齿厚度以及固定梳齿与可动梳齿之间得距离,厚度越大、两者间距越小电容效应越明显。
目前基于梳状驱动得设计有很多,常见得有两种类型:横向驱动梳指器件与纵向驱动梳指器件。
两者得区别在于自由梳指得运动方向不同,前者沿垂直于梳指纵轴得方向运动,后者沿梳指纵轴得方向运动、共面横向与纵向梳状驱动在MＥMS中较为流行,但也有许多不同得梳指电容器配置与结构偏离这两种主流。
叉指电容微执行器常用来产生面内或离面位移,在直流电压与准静态偏置下受限得位移幅度可通过谐振驱动与机械齿轮结构实现大得转动或线性位移。
此类型得执行器在光开关中经常被使用、2．1.4 总结作为ＭEMS微执行器得主要驱动方式,静电驱动型微执行器具有以下几个特点:(1)静电力与尺寸得平方成反例,即静电驱动时微机械尺寸愈小单位体积产生得力愈大。
(2)采用电压驱动控制容易、易于高速化,而且可以实现低功耗使集成化变得容易、(3)微小间隙产生得高电场可使静电驱动力增加。
除此之外,静电微执行器得优点可归纳总结为:(1)结构简单:原理相对简单,容易实现,仅需两个导电表面,无需专门得功能材料。
(２)功耗低:依赖于电压差而非电流,低频应用时即可有很高得能效。
(3)响应快:转换速度由充放电时间常数决定,对于良导体时间常数很小、但与此同时静电敏感与执行也存在着不可忽视得缺点、一方面静电执行需要较高电压,在线性静电执行器中,实现几十微米得位移就往往需要几百伏得电压,而高压则会带来电路复杂与材料兼容性方面得问题。
另一方面与绝缘体机械连接得电极上会积累电荷,而电荷会改变器件得工作特性。
２。
2 热敏感微执行器２.2。
1 基本原理微器件与结构得执行可以通过注入或抽走其中得热量来实现。
温度分布得变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力得输出、微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导与热对流得热量,温度可以升高;而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷,微结构得温度可以降低。
微尺度下原子得振动证明了温度得存在。
当材料中存在温度梯度时就会产生热传递、热量从一点传递到另一点有四种可能得机制:(1)传导;(2)自然对流;(３)强迫对流;(4)辐射。
对热传递过程得理解与掌握在热执行器得设计中起着至关重要得基础作用。
2。
２．2 基于热膨胀得执行器热膨胀就是材料得普遍行为、温度上升后,由半导体、金属、绝缘体材料构成结构得尺寸与体积都会变大、在MＥMS领域内,一般有以下三种主要方式得热微执行机构:(１)热双金属片结构、(２)弯曲梁结构、(3)热空气结构。
对于传感与执行而言,热双金属片效应就是很常用得方法。
它就是把两片热膨胀系数不同得金属结合成三明治结构。
受热时,由于一片件数得热膨胀量大于另一片,双金属片将向热膨胀量小得一方弯曲。
这种效应可将微结构得温度变化转变为机械梁得横向位移。
热双层片由在纵向上连在一起得两种材料构成,两种材料构成一个机械单元。
它们有相同得长度,但热膨胀系数(TEC)不同。
当温度均匀变化△T时,两层得长度变化不一样。
梁向热膨胀系数较小得材料层一侧弯曲、横向得梁弯曲由此产生。
许多常用得机电恒温器都运用了这一原理。
恒温器就是一个螺旋得双层金属线圈。
卷丝梁得末端与继电器连接在一起,继电器就是含水银得密封玻璃管、当环境温度变化时,线圈得末端倾斜并触发水银滴继电器得移动,从而控制加热/冷却电路中得电流、利用此原理制备得执行器种类较多,例如模仿生物纤毛来携带并在平面上横向输送微小物体得人工纤毛执行器等。
热双层片执行器具有较大得运动范围,且在同等位移下覆盖面积较小,但其响应速度较慢,同时热双层片得弯曲很容易产生离面线性位移或角位移、如果分层得热双层片材料堆在垂直得表面上,就可以产生面内位移,但这种堆叠结构制作比较困难。
用弯梁电热执行器可产生面内位移,这就是一种基于单一材料得热执行器。
弯曲梁结构就是用不同尺寸同一种材料组成得双梁结构,在电极上加以适当得电压,冷臂、热臂与弯曲段,由于热臂得面积比冷臂小得多,所以其电阻大,进而发热量比冷臂大得多,因此有较大得热膨胀量,整个结构将向冷臂方向弯曲。
停止加热,由于热量散失,梁将回到初始位置、在单一材料材料组成得热执行器中,横向驱动热执行器应用广泛,它基于微结构(由同一种导电材料制成得两臂组成)得不对称热膨胀:电流通过时,两臂由于横截面积或长度不同而具有不同得热功率与热膨胀,从而导致不同得纵向膨胀、热空气结构得基本原理为当电阻发热时,腔内空气温度升高,压力增大,推动膜向外膨胀产生位移;当停止加热,膜又回到原来得位置、2、3 压阻传感器2。
3。
１压阻效应压阻效应指得就是当电阻受到应力与形变时,其阻值会发生改变。
该效应于1８56年被发现,为机械能与电能之间提供了一种简单、直接得能量与信号转换机制,目前已广泛应用在MEMS领域得许多传感器中,如压力传感器、触觉传感器等。
电阻得阻值由几何尺寸与体电阻率决定,通过施加应变改变阻值得方法有两种、第一种,电阻得几何尺寸,包括横截面积与长度等会随着应力发生改变。
第二种,某些材料得电阻电阻率就是应变得函数,因而会随应变得改变而发生变化。
电阻率改变引起得电阻阻值得该变量远大于几何尺寸变化对电阻值得影响。
施加在电阻上得应力包含三个基本分量,一个沿电阻得纵轴,另外两个与纵轴成直角且相互垂直,在纵应力分量下测得得阻值变化称为纵向压阻相应,同理在横向应力分量下测得得阻值变化称其为横向压阻效应。
任何一种电阻材料中都存在横向压阻效应与纵向压阻效应,但不同材料中起主导作用得压阻效应有所不同,电阻在应力作用下得阻值变化为横向与纵向应力分量作用下电阻变化阻值之与、在传感器中,电阻阻值得变化可通过惠斯顿电桥得电路结构获得。
2。
