微机电系统及纳米技术

大作业

题目：MEMS motor

摘要：本文以微电机驱动方式为线索介绍静电型微电机、电磁型微电机、压电式微电机、形状记忆合金微电机和磁致伸缩型微电机的工作原理，结构组成以及应用前景。

关键字：微电机 微机电系统 微机械

WORD中静电型微电机

0 引言

现代微电机的发展与新材料技术、微电子技术、微加工技术都息息相关，也正是由于这些包括MEMS等高科技的迅速发展，为微电机的开发和拓展注入了活力。本文介绍了包括静电微电机、电磁型微电机、压电式微电机、形状记忆合金微电机和磁致伸缩型微电机的工作原理，结构组成以及应用前景。

1 微电机种类

1.1 静电型微电机

微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工为纳米结构和系统为目的微米/纳米技术在此背景下应运而生。自1987年加州大学伯克利分校科学家研制首台静电微电机以来，微电机随着加工工艺、方法的突破取得长足发展。静电微电机因其与IC(integrate circuit)兼容、转速高、易于控制等诸多优点成为研究重点。静电微电机技术主体有五个方面，设计建模和仿真、加工制造、应用，如图1。

图1

静电微电机包括顶驱动电机、测驱动电机、摆动电机、中心电机、法兰盘电机、线性步进电机、超声电机、双定子轴向驱动可变电容电机、外转子电机、电感应电机、快门电机等。图2为纳米电机。

图2

1.1.1 设计

MEMS中静电微电机的设计不同于传统电机系统的设计，主要区别是MEMS的设计需要集成相关的制造和加工工艺新型静电感应微电机的设计，其转子上所加载的负荷主要来自于电机气隙与轴承间产生的粘滞曳力，这些驱动器的加工过程还不能与IC完全兼容。

1.1.2 建模和仿真

为了加快和提高MEMS设计，研究者开发出多种建模和仿真工具用于多能域、多学科交叉系统的建模和仿真，如VHDL-AMS可用于微电机的系统建模，Spice和Saber可用于静电学仿真，ANSYS可用于多能域（机械、热和静电等）系统仿真。

1.1.3 加工制造

当前工业中有三种独特的MEMS加工技术：体微加工技术、表面微加工技术和LIGA工艺。加工制造技术是静电微电机技术的重要组成部分，对微电机几何结构设计的模式定义有重要影响。目前，研究人员已经开发出多种新型加工工艺，LIGA方法和PMMA模型可用来加工技术摆动式微电机，快速原型方法也已成功用于加工制造外置转子微电机、摆动式微电机和凸缘微电机。多用户MEMS加工技术是一种三层多晶硅表面微机械制造技术，可用于一般的表面微机械加工。聚酰亚胺感光技术集成了感光聚酰亚胺技术、多层处理技术和电镀技术，它在首台静电微电机中得到了应用。A.A.Yasseen等人探讨一种采用多层多晶碳化硅表面加工技术研制出一台碳化硅微电机。另外，多晶硅中心销加工工艺、多晶硅法兰盘加工艺、选择性化学气相沉积钨加工工艺、带牺牲层的LIGA加工工艺、三层掩膜钨加工工艺等加工技术在静电微电机加工制造中得到了应用。

1.1.4 工业应用

随着对更小、更轻、更廉价微驱 动器需求的增加，静电微电机作为一种较好的微驱动器将会得到更广泛的关注。目前，静电微电机正处在快速发展阶段，在诸如光学等许多领域得到了应用。微电机的应用还涉及到人体血管的检查等领域，Dufour等人提出了基于导尿管的超声血管内系统，他们研究在血管反馈成象系统中使用静电微电 机的可能性，并在内窥镜前端装上微电机来驱动三棱镜，并有效地解决系统中存在的问题，微电机的内窥镜的视角范围可以达到36。

1.2 电磁型微电机

1.2.1 特点

与其他微电机相比，电磁型微电机具有驱动力矩大、驱动电压低、易于装配等优点，同时又有结构复杂与IC工艺兼容性差等缺点。

1.2.2 工作原理

1）电磁力驱动的机制是基于电、磁间互相作用产生的驱动力。

2）根据电磁间互相作用产生的电磁力作驱动力驱动转子旋转。

3）电磁型超微电动机基于传统电磁理论设计,多采用无刷电机结构。

4）根据磁执行原理，利用磁场产生力、力矩或者微结构的位移，驱动磁场作用在载流导线、电感线圈或者磁性材料。

图3

1.2.3 结构组成

1）电磁马达在结构上采两片定予中间夹一片转子的层状结构；

2）定子采用导磁材料基板

3）绕组上引进导磁材料解决了磁路的闭合问题，同时增强了导热能力，大大提高了微马达的转速和输出力矩。

1.2.4 仪器参数

1）直径2mm左右

2）空载转速最高25000r/min

3）输出力矩最高218μN·m

图4

1.3 压电式微电机

1.3.1 工作原理

压电微电机利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动使弹性材料发生微观改变，再经共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的运动

1.3.2 结构组成

1） 压电超声波微电机

压电超声波微电机结构示意图如图5所示。在压电陶瓷片（PZT）上施加电信号, 使之产生一定轨迹的机械振动, 激励与其粘接在一起的定子弹性体的振动, 通过弹性体与转子间的相互作用驱动转子运动。

图5

2）惯性冲击式压电微电机

惯性冲击式压电微电机结构如图7所示。主体部分与底座连接，移动体（质量块）悬空，可沿导轨移动，压电陶瓷将二者连接起来。随着压电陶瓷上激励电压的变化，压电陶瓷发生微小变形，使质量块相应有一定加速度，通过撞击主体部分实现机械运动。

图7

1.3.3 特点

压电式微电机具有响应速度快、输出转矩高、廉价质轻等优点，可用于精密仪器、照相机、机器人及航空领域等。压电式微电机由于具有材料制备复杂、电机难以实现匀速、寿命短等缺点限制了它的应用。

1.3.4 研究现状

2005年冈田大学Tankefumi Kanda等人共同研制出一种稳定性很好的微型超声电机，该电机直径2mm，高5.9mm，其转子直径为0.4mm。当输入电压为58KHz、40V时，其转速可达2.4×103r/min。

国内的董蜀湘等人曾研制出直径为1.5mm压电微电机，重量为1.4mN，可以产生大于45μN·m的力矩输出。最大转速为1800 r/min，工作频率约为70kHz，可以连续工作300小时以上。

1.4 形状记忆合金微电机

1.4.1基本介绍

形状记忆合金微电机的执行机构比较简单，有偏置式和推挽式两种。按电机的运动形式，其基本结构可分为直线位移型和旋转位移型。

直线位移型SMA电机结构示意图如图8所示

图8 直线位移型SMA电机

旋转位移型SMA电机结构示意图如图9所示

图9 旋转位移型SMA电机

1.4.2 工作原理

对偏置式而言，加热SMA弹簧，相变发生，形状回复力克服弹簧拉力，产生动作。冷却时，SMA发生逆相变，此时，SMA弹簧很软，在拉伸弹簧的作用下，驱动器恢复到原来的位置。如此反复，可使电机输出位移 。

对推挽式而言，加热一侧SMA的同时，冷却另一侧的SMA，电机具有双向做功的能力。一般来说，推挽式比偏置式的输出功率大，能量转换效率高。

1.4.3 发展应用

近年来，随着微型机电系统的发展．SMA被用来制作微驱动器。TiNi是一种形状记忆合金，它具有一些优良的特性：驱动力与其重量和体积的比值较大、输出位移与其本生长度的比值也较大、疲劳特性好。因此TiNi合金是用于制造微驱器的理想材料。用TiNi合金制成的薄膜有两类：Bush等人制造了传统的SMA薄膜，这种薄膜为4um或15um厚．Kuribayashi等人制造了100um厚的可逆的形状记忆合金(RSMA)薄膜。应用RSMA薄膜可以实现二方向的记忆，而不再需要偏压弹簧。由于形状记忆台金薄膜驱动功率比基于其它原理制造的驱动器要太近两个数量级。因此受到国内外研究人员的广泛关注。已有的研究多数是用SMA薄带或丝来制作驱动器。目前，新型TiNi薄膜微驱动器得到研究和开发。国内开发的NiTi/Si薄膜微驱动器最大位移可达50um，最高驱动频率可达100Hz。驱动功率已减小到0.2w，SMA驱动器具有以下特性：体积小、结构简单、重量轻、动作乘性好、控制方便、不易受周围环境(温度除外)的影响。由于SMA微驱动器是靠加热、冷却使其运动，而驱动器本身具有一定的热惯性，所以SMA驱动器的最大缺点就是响应速度较慢。

1.5 磁致伸缩型微电机

1.5.1 基本介绍

某些材料置于磁场中，其几何尺寸会发生变化，这一现象称为磁致伸缩效应，这些材料则称为磁致伸缩金属。根据材料几何尺寸变化形式的不同, 磁致伸缩效应又可分为纵向效应、横向效应、握转效应和体积效应。

磁致伸缩型电动机是利用磁致伸缩效应, 在磁场激励源下，通过磁致伸缩型驱动器实现能量转换。可分为直线型和旋转型两种。

1.5.2 分类组成

磁致伸缩直线电机结构如图10所示。主要由Terfenol-D驱动棒、起固定驱动棒作用的定子管和用来产生磁场的线圈三部分组成。

图10

磁致伸缩摩擦电机结构如图11所示。两个相互垂直的超磁致伸缩棒A和B由驱动元件连接在一起，A和B上分别绕有线圈，线圈由正弦波形的电流驱动。其中A、B两个棒的驱动线圈电流相位差为90°。

图11

超磁致伸缩谐波电动机结构如图12 所示。主要由8个(或8个以上)超磁致伸缩驱动器、柔轮和刚轮三部分组成。通过依次控制驱动器的伸缩位移，使柔轮产生流动的弹性变形。

图12

1.5.3 应用前景

超磁致伸缩马达本身具有低速、输出力大、响应快、控制性能好等特点, 特别是硅基片超磁致伸缩薄膜的出现, 使超磁致伸缩微马达同计算机接口, 实现智能化和机电一体化成为可能, 此外超磁致伸缩微马达体积小, 耗材少, 成本低, 用于微型机器人的驱动具有独到优点。超磁致伸缩马达的研究虽取得了一定进展,但仍存在如下问题: ①对模型的振动机理的分析大都注重在实验的基础上, 并没有形成一套系统的理论, 仍需进行深入研究, 并通过有限元分析加以验证, 最终建立一套相对较为完整的超磁致伸缩马达的驱动模型理论; ②超磁致伸缩马达中定子和转子间的接触摩擦材料限制了马达的使用寿命, 制约马达的发展应用; ③超磁致伸缩材料的涡流效应是马达效率低的一个主要因素, 有必要寻求合理的材料结构以减小涡流损耗, 提高马达效率; ④目前的马达振动频率较低, 且不易达到共振状态, 主要是由于马达结构和采用的设计理论的限制, 因此要在今后研究中探求一种新型的马达机构及设计理论; ⑤超磁致伸缩马达驱动控制多是简单地采用常规的稳压电源, 以至于难于很好地控制马达的静动态特性, 因此, 为了提高马达系统的控制精度, 对驱动电源电路进行模块化设计也是很必要的。总之, 要实现超磁致伸缩马达的产业化, 并能同电磁、压电马达相媲美, 必须解决以下问题: ①从根本上解决摩擦材料问题; ②设计理论和马达结构有所突破; ③驱动电路的模块化; ④采用超磁致伸缩薄膜各种形式(如悬臂梁、简支梁等) 研制不同驱动方式的微马达, 并在研究中建立超磁致伸缩薄膜振动的机理。以上问题都有待于进一步探索和研究。

2 加工方法

1）LIGA技术（光刻一电镀一模铸）

2）基于光敏聚酰亚胺的准LIGA技术，其定子的磁芯和线圈都是集成加工

3）绕组是应用微细加工技术在铁氧体陶瓷基体上制备，再在绕组上覆盖一保护层，微转子由永磁材料经精密加工，利用自制的充磁装置，在垂直于转子平面方向冲入所需的磁极数，为获得均匀磁场分布和使磁路闭合，在转子背面加一层软磁材料，即转子由二层合金薄片构成。

4）将LIGA技术与表面微机械加工技术结合起来，即SLIGA技术

3 应用实例

1）直肠内窥镜

2）微泵

3）微直升机

4）微小机器人

4 应用前景

4.1 信息领域

今后信息机器和家电的主流是趋于小型化、薄型化、微型化，包括音频、视频、办公产品、智能检测、便携式电脑及附件等。其中电机的微型化是至关重要的环节。

光纤产品、光学仪器，如光开关、各种视盘机及光刻机、激光设备及激光刀等都需要精密微型电机驱动和超微电动机与光器件融合为一体的光机电系统，制成三维旋转的小镜阵列，用于光显示器。

4.2 医疗领域

微电机用在一种集电子发射器、自动记录仪及电脑等于一体的超小型机器上。这种机器可进入人的肠胃、血管。

微电机还可用作缝合神经和眼球手术的超小型机械手等。微创伤内窥诊疗、精密显微外科、体内局部微量给药都需要高度灵巧、高度柔顺性的微电机。

4.3 航空航天领域

微电机可用在带摄像装置进入卫星、火箭或航天飞机内检查故障的机器人上。

在微电机基础上还可以发展惯性导航器件，如微陀螺、静电、电磁微马达的研制成功为悬浮转子微陀螺的实现提供了技术持。

5 参考资料

1）电磁型微马达及其控制方式应用研究，上海交通大学信息存储研究中(200030)曹长江，杨红红，张琛

2）电磁型超微马达设计中若干问题的研讨（上海交通大学信息存储中心），张琛

3）电磁微马达驱动微泵（上海交通大学微纳米科学技术研究院，“薄膜与微细技术”教育部重点实验室），章吉良，杨春生，赵小林，张卫平，蔡炳初

4）微型驱动器及其测试技术(1．浙江广播电视大学萧山学院31120 2．浙江火电建设公司310016，3．浙江工业大学机电5-程学院310032)许红平1，葛成立2，陈刚3

5）微电子机械系统及超微马达国内外研发动态与应用展望（上海交通大学微纳米科学技术研究院），张琛，陈佳品，李振波

6）基于超微马达的医用内窥监视系统研究（上海交通大学微纳束科学技术研究院信息存储研究中心），曹长江，张琛，张凯宾

7）一种微型直升机的设计与研制（上海交通大学微纳米科学技术研究院信息存储研究中），肖永利，曹长江，李振波，杨红红，张琛

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