微执行器导论

3 微执行器的优势和市
场前景
微执行器具有精度更高、 能耗更低和尺寸更小的优 势，市场前景广阔。
4 微执行器在实际应用中的案例分析， 5 微执行器的未来发展方向
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ挑战和解决方案
未来，微执行器将继续改进材料技术、加强
通过实际案例分析，探讨了微执行器在不同
智能化应用，提升性能和可靠性。
领域中的应用、所面临的挑战及解决方案。
微执行器在实际应用中的案例分析
1
工业自动化案例
微执行器在制造业中实现微观元件的精确安装和微尺度的加工控制，提高了生产 效率和产品质量。
2
智能家居案例
通过微执行器实现智能窗帘的自动控制和智能家电的远程操作，提升了居住体验 和家居安全性。
3
物联网案例
微执行器与物联网设备结合，实现微观尺度下的传感、控制和通信，推动智能物 联网的发展。
结合智能算法和通信技术， 使微执行器能够实现更智 能的功能。
通过技术创新，提升微执 行器的输出功率、响应速 度和可靠性。
总结
1 微执行器的概述
微执行器是尺寸小、精度 高的微型机械设备，用于 实现微观尺度下的动作和 控制。
2 微执行器的应用和技
术原理
微执行器在工业自动化、 智能家居和物联网等领域 具有广泛的应用，采用压 电、电磁和压电等技术原 理实现微观运动。
微执行器的应用场景
1 工业自动化
微执行器在工业自动化领域可以实现微动作控制和精细加工，提高生产效率和产品质量。
2 智能家居
微执行器可应用于智能家居设备，如智能窗帘和智能家电，实现自动控制和远程操作。
3 物联网
微执行器可与物联网设备结合，实现微观尺度下的传感、控制和通信，推动物联网技术 的进一步发展。

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。

------微驱动器的驱动原理 驱动功能的实现可以基于各种不同的物理原理。例如，利用 静电力的驱动，利用反压电效应的驱动、利用磁致伸缩、形状记 忆合金等。 ------微驱动器装置分类 从装置类型来看分为微转动马达、微直线运动马达、微夹持 器、微泵、微阀门等；从物理性质来看微驱动器可以分为静电、 压电、电磁、磁致伸缩、热、光电、气动、生物、超导和记忆合 金等。 ------研究微驱动器的必要性 传统的手表及其它许多精密制造业虽然能够将机械零部件微 型化到相当小的程度，但是多数传统加工方法已经达到极限，所 以人们才不得不求助于特殊微加工方法来制造微驱动器。微驱动 器大多是毫米级的，运动件属于微米级，利用微加工(IC工艺、体 硅加工和LIGA)，微驱动器制作相对容易实现。 ------现状 与传感器一起成为MEMS和TRANDUCERS中主要的研究对 动器∶
压电材料存在变位小、驱动电压高的缺点、因此除设计成双压电型 驱动元件外，还有积层型压电驱动器。与双层压电驱动器相比，积层型 在变位量、发生力、能量转换率和稳定性等方面有优点。
积层式压电驱动器的例子1: 惯性直线位移机构
压电管式驱动器，体积较大，谐振频率较低
双压电驱动举例: 微小STM器件
热驱动器
利用固体或液体尺寸随温度变化的特性的驱动元件叫做热驱动器。一个有 趣的例子是Keller等人设计的热膨胀驱动的镊子(1997)，8x1.5x40um尺寸的镊子 自由时是合起来的，当75mw能量输入是它可以张开35um。热驱动器分为电阻 加热方式和和介电损失加热方式等。双片驱动器是利用粘在一起的二种材料的 热胀系数不同来实现机械动作；而形状记忆合金（SMA）属于单片驱动器。 电阻加热式的加热器通常集成在二个功能材料片之间。这种结构的特点是 位移-输入能量的关系线性好。缺点包括高功率投入、低频带和较复杂的结构 (相对与静电驱动)。

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压阻式
硅薄膜
焊盘 P型扩散压阻
金属导体 N型外延层
P型衬底
腐蚀腔
压阻式微压力传感器结构
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玻璃衬底
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压敏电阻
环境应力
径向应力
参考压力 外加压力
氮化硅 多晶硅
压阻式绝对压ppt课力件 传感器
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电容式 这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感 元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成
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间隙变化型电容式微传感器 利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
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略除高阶无穷小项，得 这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
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采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
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(3)隧道电流敏感原理
在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电 压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会 穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。
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利用半导体光电导效应可制成光敏电阻
其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷 载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率 发生变化。
光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用 原理在量子物理学中已经比较完善。
微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有 强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。
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如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后，
两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电
桥电路中电阻的改变测量出来。
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一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。

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。

电容式微传感器的基本结构
平行板电容器的电容为
间隙变化型：改变两极板间隙δ 面积变化型：改变形成电容的有效面积A 介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
间隙变化型电容式微传感器 利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
略除高阶无穷小项，得 这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
利用半导体光电导效应可制成光敏电阻
其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷 载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率 发生变化。
光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用 原理在量子物理学中已经比较完善。
微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有 强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。
如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后， 两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电 桥电路中电阻的改变测量出来。
P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热
传感器 类型
压阻式
测量 范围
大
电容式 小
谐振式 小
压电式 大
隧道式 小
热对流 式
大
各种敏感原理特点比较
精度 中 高
高 低 高
频响 高 中
中 高 高
线性 度 较好 较好
较好 较好 较差
信号处理电路
简单电桥电路 高灵敏度的开关 电容或电桥电路
宽频带闭环 谐振回路 电荷放大器 高灵敏度电流 检测电路
化引起，因此
起主要作用；
2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率 的变化引起，因此 起主要作用；
3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般 在70-170之间。
压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥 输出电压

• 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
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课后作业
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 0.05N/m;电极间距d=2微米; 电极宽度W=5微米.
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
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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L途OG的O 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
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热力效应
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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
温度控制的电开关 蠕虫状步进微马达
双变体结构示意图
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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。

压电式微执行器实例(2)
德国Ilmenau技术大学研制的压电致动硅微 无阀泵，其最大流量为7.5mL/min，最大背 压为2.8kPa。
压电式微执行器实例(3)
压电扫描隧道显微镜探针
压电扫描隧道显微镜探针的运动模式为
压电式微执行器实例(4)
如图所示将一片晶体安装在微执行器的一根弹 性硅梁上。在压电晶体上加电压使其产生形变， 引起弹性硅梁的弯曲。压电晶体致动器在微定 位机构和微型夹具等方面都有应用。
右图是Sandia国 家实验室研制的一 种齿轮传动的机械 装置。
静电悬臂驱动
利用了驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。
从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距固定端 X处施加集中载荷时，梁末端的偏移量δT可由下式给出：
其中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为 ：
静电式微执行器实例(1)
静电旋转微型马达
静电式微执行器实例(3)
静电致动微泵
微泵的尺寸为，由静电 驱动膜片、被动阀、进 口和出口组成。泵用峰 值为150~200V、频率从 0.1Hz到10kHz的电压脉 冲驱动。该泵的最大流 速可达到250-850L/min （正向）和 200-350 L/min（反向）。在供 电电压为200V时，可达 到最最大大流背速压为为853010Lc/mmiHn。2O，
• 利用FET栅的位移敏感的加速度传感器
加速度计的振动质量块是 FET的栅，从而栅与沟道之 间的距离与施加的加速度 有关，距离的变化将使晶 体管的阈值电压UT的值发 生变化。
• 射频谐振敏感——谐振式压力传感器
平面螺旋电感覆盖在有低温共 烧陶瓷制成的压敏薄膜上。电 感的中央接触尺寸被有意放大， 使其能与对面的电极表面构成 一个可观的电容。如果压力发 生变化，薄膜将产生形变位移， 相应的电容值将发生变化。同 时电感值也会随着薄膜的弯曲 而改变。即谐振电路的谐振频 率与压力有关。

ε－极板间绝缘介质的介电常数； S－极板面积； U－电压； d－电极间距。

改变电压（40－200V），极板间的距离可变化几个 微米，能产生较大的驱动力。
静电微泵
结构 由四层体微加工的硅片以及电极组成。其
中上两层结构为固定电极和可动电极组成的驱动 部分，下两层构成入口和出口阀。 原理 在电极上加电压时，可动膜片向上变形， 在泵体内形成负压，入口阀打开，液体流入泵内。 电压撤消后，膜 片在弹性力作用下恢 复原位，泵体内压力 增加，出口阀打开， 液体排出泵体。
静电微阀
用氧化硅薄膜作可动电极。阀门腔体腐蚀成 型后得到的氧化硅薄膜自然向上拱曲，阀门 打开。加电压后薄膜被吸引向下拱曲，将阀 门关闭。
2.压电执行器 压电材料特性 外加电场会引起材料变形，反之， 加外力使材料变形时会产生电场。 工作原理 圆柱体中间部分由压电材料制成，图a为 未加电压时的原始位置。将圆柱左侧 夹紧固定，给压电材料加电压，圆柱 体处于图b的位置，右侧右移x。若再 将右侧夹紧固定，并取消电压，则圆 柱体变成图c的位置，整个圆柱体向右 移动x。设计和采用各种巧妙的机械结 构，可以制成各种压电执行器。



3）微型隧道式加速度传感器 隧道效应 一个纳米尺度的极细探针与另一个导电的检测表 面形成两个电极，两极非常接近时（通常为1nm），电子穿 过两极之间的空隙形成隧道电流。当空隙增大时，电流以指 数函数衰减。空隙增大0.1nm，电流减小一个数量级，灵敏 度极高。 采用质量块-悬臂量结构。质量块上有一个极细的探针和检 测电极构成导电隧道。隧道电流的大小与质量块偏移有关， 从而可检测出加速度。也可采用静电力平衡方式，使质量块 和探针不动，由电压变化来测量加速度。这类微加速度传感 器灵敏度很高。

静电尺蠖执行器工作原理
1.6 静电微夹具
Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电 微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米 位移量。它由一个7×5毫米的硅片，一个 位于硅衬底上的1.5 毫米长的硼掺杂支撑悬 臂梁（从硅片上伸出来）以及一个400微米 长的从支撑悬臂梁末端伸出的多晶硅悬伸 抓手组成。
微机械波形管执行器
表面微机械“波 形管”执行器， 这种执行器带有 一个环形的折叠 状薄膜结构，相 对于简单的薄膜， 这种结构可以得 到更大的偏移。
变相的热执行器包括加热时相态可 变的材料，这样体积发生膨胀从而 产生压力以及机械载荷。 例如，可以通过加热将水从液态转 变为气态，产生的气泡可以用作驱 动力。
1 1 r 0 AV 2 W CV 2 2 2 x
dW 1 r o AV 2 F dx 2 x2
Comb Drives
These are particularly popular with surface micromachined devices.
They consist of many interdigitated fingers. When a voltage is applied an attractive force is developed between the fingers, which move together. The increase in capacitance is proportional to the number of fingers; so to generate large forces, large numbers of fingers are required.
静电激励已经被用于实现旋转马达结构。 基本思路是制做一个能自由转动的中间转子， 四周布以电容极板，以合适的相位驱动，就 可使转子转动。 获得相对高的速度是可能的，最近在这种结 构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜 的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告 题材，几乎没有实际的应用。

静电微执行器王云 201521203018 机研156摘要：微执行器是微系统三大组成部分之一，是微系统中能实现微操作的关键驱动部件。

现代工业对精度的要求极高，传统的执行器件无法满足这种精度要求，微执行器应运而生。

不同的微执行器由于不同的工作特点，制作也有差别。

静电执行器是利用异性电荷的库仑力作用来实现机械运动的。

静电执行器可以制作静电电机、静电微阀和微泵等。

关键字：驱动；微执行器；静电执行器；电机；Abstract: the micro actuators is one of the three components of micro system is the key to the micro system can realize micro operations drive components. Modern industry for the requirement of high precision, the implementation of traditional device can meet the accuracy requirement, micro actuators arises at the historic moment. Due to the different characteristics of different microactuators, there are differences. Electrostatic actuator is the use of opposite charges of coulomb force is used to implement the mechanical movement. Electrostatic actuator can make electrostatic micro motor, electrostatic micro valve and pump, etc.Key words: drive; Micro actuators; Electrostatic actuator, The motor;0 引言微机电系统MEMS，一般泛指尺度在微米级的装置。

原理
分析方法：左手法则
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
性能
•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），原理
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）
磁致伸缩材料
▪ 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
工作原理
r
H
Rs Rr Rr
r 为转子自转的角频率
H
为偏心距H的角频率，
即转子轴心的角频率
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。
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
▪ 磁力——W约为106J/m3量级（自由空间、饱和磁通密度）
➢ 响应时间
•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
微执行器的性能比较
➢ 能耗 • 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

静电梳齿驱动
一般采用表面微加工工艺制做
包含有许多相互交错的指状梳齿 当施加电压时，梳齿之间产生吸引力，梳齿相互靠近
静电力的大小与梳齿对数成比例，因此为了得到较大的 力，一般要求梳齿较多。
静电梳齿驱动存在的问题：
如果同一根梳齿两边的间隙不相等，则梳齿将会偏向 一边，并与另一根梳齿粘连在一起，直到不再施加电压
2D微镜反射型光开关是在硅基底上布置的微镜矩阵。
光束通道平行于硅基底。
由于晶片大小的限制，32×32的微镜阵列是单层2D光开 关可达到的最大结构极限 。
3D微镜反射型光开关
由两组MEMS微镜阵列， 及一条入射光纤阵列和一 条出射光纤阵列组成。
可实现单层结构多端口， 但微镜角度控制复杂，难 以达到高精度对准
驱动腔 泵薄膜
检测电极
泵腔 绝缘层
驱动单元
阀体单元
入口 出口
Zengerle R的静电致动微泵
微执行器的分类
按驱动原理分类 静电式微执行器 压电式微执行器 热力微执行器 电磁式微执行器 形状记忆合金微执行器
压电式执行器
正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用 而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对 表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复 到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
静电式微执行器实例(2)
“尺蠖” 执行器
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 层表面摩擦力的不对称， 导致一定程度的运动 “调整”，因而产生了 金属板净位移。
静电式微执行器实例(3)

MRK-90Z型智能型角行程电动执行机构讲稿
手柄插入此处
2016/2/12
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显示说明 ⑴正常运行时，显示器显示“A XX”（其中A表示正常 运行显示状态，XX表示执行机构开度值该值范围0～ 100﹪）注意显示开度值的大小总是和输入信号的大小 成正比例关系，与顺时针、逆时针转角位移的设置无关； ⑵当显示“┄┄”时，表示电机超负荷工作或机械卡 死；（XX表示执行机构卡死时的开度值） ⑶当显示“H HH”表示满度超限，即开度大于100%； ⑷当显示“H LL”表示0度超限，即开度小于0%； ⑸在点动状态下一般显示“H XX”其中XX表示开度位 置，当按“+或-”键时，XX值可在0～100﹪范围变化， 若在此状态下，用手动机械操作，一旦超出0～100﹪范 围，会出现（3）、（4）二种报警状态。
MRK-90Z型智能型角行程电动执行机构讲稿 2016/2/12
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二、工作原理与外型结构
当输入控制电信号时（如4mA～20mA或 其它电信号），经前置放大A/D转换及光电隔离 后，送至CPU进行运算处理，CPU还与执行机构 开度位置及转角位移位置进行比较，驱动电动 机转动，经过齿轮箱减速之后推动输出轴0～90 度转角位移，实现输入信号对执行机构输出转 角位移的控制。 另外，执行机构输出当前的实际位置经CPU处理 光电隔离及D/A转换后，以4mA～20mA的形式输 出给用户。其系统框图如图1所示。
MRK-90Z型智能型角行程电动执行机构讲稿
CUT┄
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手动机械操作：当电源突然中断时， 备有用人力摇动被驱动机构的手动摇 柄，临时调节阀门开度。一旦电源， 拧开封盖后露出的内六角孔,将摇手柄 插入此孔内向下轻压并转动使手动离 合器合拢，此时顺时针摇动时，执行 机构输出轴便正向转动；逆时针摇动 时，输出轴便反向转动，手动操作完 毕后取下手柄同时离合器自动脱开。 谨请务必注意：其一，当有输入信号 时不能进行手动机械操作，否则可以 进行手动机械操作。其二，手动机械 操作不要超过额定行程。