MEMS技术(3-微系统的工作原理2-微执行器)

微系统的工作原理（二）王文廉——微执行器简介微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能。理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强，需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线形比例关系。微执动器的特点与传统执动器相比，微执动器的特点是：1、微系统加速快、速度高；2、仅需极小的驱动力；3、随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因素小。驱动方式一、静电式微执动器二、电磁式微执动器三、压电式微执动器四、磁致伸缩式微执动器五、形状记忆合金微执动器一、静电式微执动器静电执行器的基本工作原理是：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力。从库仑定律：平板电容器：极板间作用力：22141xqqForelecxAVCVWr20221212221xAVdxdWForCombDrivesTheseareparticularlypopularwithsurfacemicromachineddevices.Theyconsistofmanyinterdigitatedfingers.Whenavoltageisappliedanattractiveforceisdevelopedbetweenthefingers,whichmovetogether.Theincreaseincapacitanceisproportionaltothenumberoffingers;sotogeneratelargeforces,largenumbersoffingersarerequired.Onepotentialproblemwiththisdeviceisthatifthelateralgapsbetweenthefingersarenotthesameonbothsides,thenitispossibleforthefingerstomoveatrightanglestotheintendeddirectionofmotionandsticktogetheruntilthevoltageisswitchedoff.CombDriveElectrostaticCombDriveCombDriveDesignCombDriveFailureModes1.1静电悬臂执行器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：dxxwqxLEIxdT)()3(6)(22)(2)(xddVxqo1.2扭转静电执行器扭转静电执行器在某些情况下具有优于悬臂梁结构的地方，特别是当施加双向偏转电极时，它们能够在两个方向上而不是仅在一个方向上偏转。如同悬臂梁结构一样，可以使用许多加工方法来制造，包括牺牲氧化物上生成多晶硅、在牺牲有机层上电镀金属、在牺牲有机层上溅射铝等。1.3静电梳状驱动梳状静电执行器使用大量的叉“指”，通过在它们之间施加电压来驱动。如果这些“指”相对于其长度和宽度而言很薄，则其引力主要由边缘效应而非平板效应决定。与悬臂梁及上面讨论过的扭转型执行器不同的是，梳状执行器能在衬底面上能产生相对较大的位移。另外，由于上面的空气或真空及下面的导电基座引起的边缘效应的不对称性会导致相当大的脱离衬底力或漂浮力。梳状静电执行器所有的静电执行器，都有利用执行器（或其它与其耦合的结构）来进行电容位置测量。对于梳状执行器，它的位移-电压的线性关系更好。在梳状驱动中，电容是通过改变面积而不是极板间距来改变的。由于电容与面积是线性关系，位移将与所施加的电压平方成比例。1.4静电旋转微型马达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。典型的表面微机械静电马达1.5静电平动马达除了旋转马达外，静电平动马达也已经被微机械化；横向梳状驱动器也能被用于制造平动马达，即直线振动马达。通过反复对一个滑块施加斜向冲击，使其周期性地克服静态摩擦力，就产生了步进运动。“尺蠖（huò）”执行器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。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。重复这个周期，就能得到连续的、步进的直线运动。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。静电微夹具制造工艺注意：在最后工序（5）中，多晶硅的某些区域被根切，因而能自由移动，其余部分固定于衬底上。静电继电器及开关微机械加工在制造继电器和射频开关方面的应用。由于它们需要的能量非常小，静电执行器成为驱动这些器件较为成功的方式之一，虽然多数现有的器件仍需相对高的电压。微电机根据微电机的运动方式，可分为旋转微电机和直线微电机。由于微结构和微尺寸效应，微电机的驱动方式不像传统电机那样采用电磁力驱动，而是采用静电力或压电力驱动，因而其更具有吸引力。静电力驱动变电容式微电机1、步进微电机静电力驱动变电容式微电机主要有转子和定子组成，转子和定子常用厚度为1.0～1.5um的多晶硅制成。转子直径多为60～120um，转子的静电极数为4个或8个；定子的静电极数为6，12或24个。转子和定子电极之间的空隙为1～2um，或稍大些。静电场加在转子和定子之间。变电容式微电机设计需考虑之因素目前，微电机的设计是在若干假设的基础上进行的，因此，设计时，须考虑以下因素：能产生较大的驱动转矩，这关系到合理电压的选取；尽可能减小摩擦；精细的角度分辨率。二、热执行器有一些基于固体或液体膨胀的热执行方式。它们中的许多已在微机械器件中得到应用;利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。“Heatuator”热膨胀式是利用执行器加热时本身材料的体积膨胀制造的。热气动式一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。2.1固体热膨胀材料的热膨胀特性可以很容易地应用于微结构的驱动。一个有趣的例子是由Keller和Howe(1997)演示的热膨胀驱动夹具。这是一个8×1.5mm×40μm的常闭夹具，在75mW输入功率时，能张开35μm。该器件可以操纵小至1×4×40μm的二氧化硅销，将其置于4×4μm的孔中。2.2双晶片热执行器热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更复杂的结构。热双晶片执行器的截面图2.4体积膨胀和相变执行器不利用固体的线形膨胀，而是利用体积膨胀也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。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。活塞执行器一个膨胀气体驱动的活塞执行器，它的运动是沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡就破裂，于是活塞就返回原来的位置。在衬底表面差不多的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供的力的两个数量级以上。气泡表面张力致动器简图缺点可惜的是，它们的工作环境必须是液体环境，这就限制了它们的最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。热驱动方法功耗较大，而且由于热时间常数的缘故，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。2.6形状记忆合金执行器有一些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（SMA）,其中最有名的是钛镍合金。受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受到热作用就会恢复到它们原始的未变形前的状态。因为它们是电导性的，所以可以通过简单地通以电流来加热。变形使得材料从一种晶向变为另一种晶向，这一过程可以通过加热来得到反转。通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀（TOKI公司）三、磁执行器通电导体产生磁场。平行的两条导线中通以相同方向的电流则彼此之间相互吸引，如果通以相反的电流，则彼此之间相互排斥。类似的，通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。电磁力的优点在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。四、压电激励压电现象指的是，作用在材料上的机械压力产生电场，反过来，施加电场又会产生机械应变。压电效应是可逆的，施加电压V可以产生相应的力F，并引起尺寸变化L。通常用于压电执行器。V的典型值在10-10~10-7cm/N之间变化。因此，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，除非使用叠加的执行器或放大机械运动的器件。小应变压电执行机理的一个重要应用是微机械压电偏转扫描隧道显微镜(STM)探针。目前的支撑隧道探针是制造在一个压电悬臂梁上，它能让探针向上或向下移动，移动距离小于10-10m。压电执行器是由夹于铝电极之间的ZnO膜构成。悬臂梁本身包含两套这样的夹层器件：一套用于使探针出入于平面（感受隧道电流），另一套让探针在一个平面上扫描以形成图像。在选择区域内使用多重电极来驱动ZnO。微机械构造的多层压电扫描隧道显微镜探针探针运动模式微机械不同致动方式的特点致动方式驱动力行程响应时间可靠性电磁活塞式小大中等好压电片式小中等快好叠层压电片式很大很小快好气动式大大慢好形状记忆合金式大大慢差静电式小很小很快很好热气动式大一般一般好电磁式小大快好双金属热致动式大大一般好