微执行器的应用研究

　　0　前言[1-5]

　　微机电系统(MEMS)是指采用微机械加工技术可以批量制作的集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。目前MEMS产品如微传感器、微执行器和微电子机械部件正在工业过程控制、通讯、计算机和机器人、环境保护和监测、战斗机、汽车运输和农业等领域得到广泛的应用。其中微执行器既可以构成MEMS的动力部分,亦可成为MEMS的操作或执行机构。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。

　　微执行器的工作原理是将光、电、热及磁等多种形式的能量转换成机械能量输出。因此,它有多种不同的驱动和结构形式。从能量转换形式分类,有静电驱动、电磁驱动、压电驱动、形状记忆合金(SMA)驱动、磁致伸缩驱动、光驱动、凝胶驱动、热驱动及超导驱动等形式。文中对几种不同驱动形式的微执行器作较详细介绍。

　　1　静电驱动的微型电动机

　　静电驱动[5]的原理是利用电荷间的吸引力和排斥力的互相作用顺序驱动电极产生平移或旋转的运动。静电力属于表面力,它和器件尺寸的二次方成正比,在尺寸微小化时,能产生很大的能量。静电驱动采用电压控制,效率高,响应速度快。世界上第一台静电力驱动微电动机,如图1所示,由美国加利福尼亚大学Berkeley分校L. S Fan等人在1989年采用IC工艺在单晶硅片上制作而成。其直径为120μm,转速为500 r/min。目前所研制的静电驱动微型

　　2　磁致伸缩驱动微型阀门

　　超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁———机械能转化材料,具有应变大,响应速度快,机电耦合系数大,输出力大等优点,广泛地应用于阀门控制、微定位、机械传动机构及声纳系统等方面[6]。

　　图2为德国E.Quandt[7]等人设计的一种悬臂梁式磁致伸缩驱动微型阀门。当阀门关闭时,通道口与镀有磁致伸缩薄膜的基片紧紧相连,液体在连通的上下两个腔体内同时存在,但不能外流。当外加磁场时,磁致伸缩薄膜发生形变从而使基片产生弯曲,此时通道口与基片分离,液体从上腔经过出口流出。

　　3　形状记忆合金(SMA)驱动微型气阀

　　形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能,即将已在高温下定型的形状记忆合金放置在低温和常温下使其产生塑性变形,当环境温度升高到相变温度时,合金恢复到定型时的原始状态,在这一过程中,产生位移或应力。美国TiNi合金公司John-son[8]等研制了如图3所示的形状记忆合金薄膜驱动微型气阀。该微阀由上下座组成,上座为形状记忆合金薄膜驱动组件,下座为实际流体控制部件。如对上座的TiNi薄膜通电加热,由TiNi薄膜的M逆相变而收缩,则将Si岛拉起至与上Si框平齐,从而使上座的控制气体阀门打开,上座内气压立即下降,此下座的聚合膜突起,即下座实际流体的阀门打开。相反,如对上座的TiNi薄膜断电冷却,由于上座Si岛自身重力作用,正好下落封住控制气体的阀座入气口,使上座内气压升高,此时下座内聚合膜恢复平直,下座实际流体阀门关闭。