微机电系统第五章微执行器.ppt

第5章 微执行器 5.1 微执行器的致动方式与材料 压电材料 磁致伸缩材料 凝胶 电流变体 普通静电驱动 普通磁力驱动 普通热效应致动 形状记忆合金（SMA） 微执行器的性能比较 微执行器的性能比较 5.2 典型微执行器——微马达 一、电磁型微马达 原理 典型产品 二、静电型微马达 性能 1、静电力驱动变电容式步进微马达 步辐分析 减摩技巧 工艺步骤 2、静电力驱动变电容式同步微马达 工艺步骤 3、静电力驱动谐波式微马达 特点 4、电悬浮减摩措施 三、微行星齿轮减速器 应用LIGA技术 5.3 典型微执行器——微泵/微阀 1、微阀 性能 2、微泵膜片致动方式 压电致动膜片式 双金属膜片热致动式 记忆合金制动式 TiNi合金膜片制作工艺 热—气制动式 3、无阀微泵 工作原理 推导排量、效率 推导排量、效率 扩散管/喷管的理论分析 扩散管/喷管的理论分析 实际形状的设计 5.4 典型微执行器 ——梳状微谐振器 结构与制作工艺 驱动力的计算 谐振频率计算 本章重点难点 本章学习要求 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） 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 * 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 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 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） 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：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