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1、微机电系统微机电系统机械电子工程学院专业选修课程机械电子工程学院专业选修课程机械电子工程学院专业选修课程机械电子工程学院专业选修课程Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)第第第第6 6章章章章 微执行器微执行器微执行器微执行器 微执行器的致动方式与材料微执行器的致动方式与材料 典型微执行器典型微执行器微马达微马达 典型微执行器典型微执行器微泵阀与微流量系统微泵阀与微流量系统 典型微执行器典型微执行器梳状位移驱动器梳状位移驱动器第一部分第一部分 微执行器的致动方式与材料微执行器的致动方式
2、与材料微执行器的主要驱动方式及其对应材料微执行器的主要驱动方式及其对应材料(分类方法分类方法1)1)电（静电电（静电/压电压电/电致伸缩电致伸缩/凝胶凝胶/电流变体）电流变体）磁（磁力磁（磁力/磁致伸缩）磁致伸缩）热（热（SMA/双金属双金属/热气动）热气动）光、化学等光、化学等采用驱动材料与驱动结构的关系采用驱动材料与驱动结构的关系(分类方法分类方法2)2)机械微结构型机械微结构型运动在零件间生成，材料可应力变形运动在零件间生成，材料可应力变形可变形微结构型可变形微结构型运动在零件材料内生成运动在零件材料内生成 再按照刚性、柔性材料分再按照刚性、柔性材料分对比：摩擦、行程、响应、对比：摩擦、
3、行程、响应、“智能性智能性”、尺度、结构复杂、尺度、结构复杂性性压电效应与逆压电效应，与电致伸缩原理区别压电效应与逆压电效应，与电致伸缩原理区别典型材料典型材料PZTPZT陶瓷（锆钛酸铅陶瓷（锆钛酸铅PbZrOPbZrO3 3-PbTiO-PbTiO3 3 ），），弹性模弹性模量为量为63000MPa63000MPa，应变为应变为0.0010.001量级量级典型产品典型产品微执行器，微阀泵、超声微马达、微声器件等微执行器，微阀泵、超声微马达、微声器件等特点特点精确、响应快、推力大精确、响应快、推力大（最大应力（最大应力63MPz63MPz）压电材料压电材料工作原理：工作原理：磁场作用下，长度、
4、应力、弹性模量与声传播磁场作用下，长度、应力、弹性模量与声传播速度均会发生变化速度均会发生变化参数：参数：磁致伸缩系数磁致伸缩系数s典型材料：典型材料：合金镍、镍合金镍、镍钴、铁钴、铁钴、镍铁氧体，钴、镍铁氧体，s可达可达10-410-3 作为微执行器的特点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）可承受应变比压电陶瓷（因其磁畴呈直线）高的机电耦合系数高的机电耦合系数宽的工作温区宽的工作温区高的精度高的精度较大的输出力较大的输出力磁致伸缩材料磁致伸缩材料 工作原理工作原理：液体：液体+长聚合物分子组成的网状结构。当凝胶与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
5、大，而当溶解物再次被释放出来溶解物化合时，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。时，凝胶的体积收缩变小。典型材料典型材料：聚丙烯酸盐、聚乙烯醇：聚丙烯酸盐、聚乙烯醇 作为微执行器的特点作为微执行器的特点很高的机械转换效率很高的机械转换效率无摩擦无摩擦柔性体柔性体凝胶凝胶 工作原理工作原理 外加电场下，介电胶体粒子极化并沿电场方向呈链状排列，外加电场下，介电胶体粒子极化并沿电场方向呈链状排列，从而使其流变特性剧烈变化，如粘性、塑性、弹性。从而使其流变特性剧烈变化，如粘性、塑性、弹性。典型用途典型用途 宏观力学元器件宏观力学元器件离合器（具有无级可调、容易控制、响离合器（具
6、有无级可调、容易控制、响应速度高的特点）、减震器（可在约应速度高的特点）、减震器（可在约1ms1ms内实现由低粘度到高内实现由低粘度到高粘度的变化，从而可独立而迅速地实现减震）、液压阀等。粘度的变化，从而可独立而迅速地实现减震）、液压阀等。微观执行器微观执行器微阀、微泵、微开关等。微阀、微泵、微开关等。作为微执行器的特点作为微执行器的特点集固体属性与液体的流动性于一体集固体属性与液体的流动性于一体高机械转换效率高机械转换效率无摩擦无摩擦柔性体柔性体电流变体电流变体 作为微执行器的特点作为微执行器的特点致动力仍较小、功率小致动力仍较小、功率小行程小行程小静电力在微观条件下：静电力在微观条件下：典
7、型结构：微静电马达、膜片驱动等典型结构：微静电马达、膜片驱动等上升为主要作用力上升为主要作用力几乎无处不在的负面影响几乎无处不在的负面影响普通静电驱动普通静电驱动 作为微执行器的特点作为微执行器的特点磁力产生结构（磁力产生结构（磁性材料和线圈）受微加工工艺限制磁性材料和线圈）受微加工工艺限制磁力对周边影响磁力对周边影响典型结构典型结构传统传统电磁型微马达电磁型微马达国内代表：上海交通大学，国内代表：上海交通大学，LIGALIGA工艺，直径工艺，直径2mm2mm电磁型微马达电磁型微马达普通磁力驱动普通磁力驱动元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大于硅元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大
8、于硅 热气动热气动 流体加热膨胀实现动流体加热膨胀实现动作作 双金属结构双金属结构 普通热效应致动普通热效应致动 工作原理：拉力和温度诱发相变工作原理：拉力和温度诱发相变铜基合金（如铜基合金（如CuAlNiCuAlNi）成本低、热导率极高、温度反成本低、热导率极高、温度反应时间短应时间短钛镍合金（如钛镍合金（如TiNiTiNi、TiNiCuTiNiCu、TiNiFeTiNiFe）性能佳（强度、性能佳（强度、重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高铁基合金铁基合金成本最低、刚性好、易加工。成本最低、刚性好、易加工。材料材料 相变温度相变温度MMt t
9、MMs s和和MMf f的平均值的平均值MMt tTiNiTiNi冷却过程冷却过程MMs s以上奥氏体，以上奥氏体，MMf f以下为马氏体，以下为马氏体，MM s s和和MMf f之间（约为之间（约为1515 ）具有马氏体和两种相。）具有马氏体和两种相。M Ms s和和M Mf f的平均值的平均值M Mt t称为相变温度约为称为相变温度约为60-7560-75 形状记忆合金形状记忆合金（SMASMA）特点特点 突变双态性突变双态性 TiNiTiNi合金内部发生的热弹性相变为严格的周而复始，合金内部发生的热弹性相变为严格的周而复始，无残余变形而呈现完全弹性，因此驱动的完全重复性很无残余变形而呈现
10、完全弹性，因此驱动的完全重复性很好，驱动精确重复好，驱动精确重复 较大的力、行程，从而能量较大的力、行程，从而能量 应用应用 形状恢复时应力、位移形状恢复时应力、位移微执行器（电流加微执行器（电流加热驱动）热驱动）热敏感热敏感热动作型的开闭器热动作型的开闭器 能量贮存体能量贮存体 单位体积有效能量单位体积有效能量WW SMASMAW W为为4104107 7J/mJ/m3 3（TiNiTiNi，屈服强度屈服强度420MPa420MPa，应变应变8%8%）双金属片双金属片与与SMASMA大致相当，取决于温度变化速率、幅度大致相当，取决于温度变化速率、幅度 静电静电WW约为约为4104105 5J
11、/mJ/m3 3 （自由空间、击穿极限自由空间、击穿极限3103108 8V/mV/m）PZTPZT压电材料压电材料WW约为约为10105 5J/mJ/m3 3量级量级 磁力磁力W W约为约为10106 6J/mJ/m3 3量级（自由空间、饱和磁通密度量级（自由空间、饱和磁通密度1.5T1.5T）W W对于微器件的意义对于微器件的意义 变形类可用力一应变工作曲线下的面积计算变形类可用力一应变工作曲线下的面积计算热微执行器热微执行器10ms10ms量级量级电、磁微执行器的响应时间微秒量级电、磁微执行器的响应时间微秒量级静电微执行器更快静电微执行器更快 响应时间响应时间微执行器的性能比较微执行器的
12、性能比较 热微执行器能耗高热微执行器能耗高 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电和磁微执行器能耗低，静电微执行器能耗最低 能耗能耗 与与ICIC工艺的兼容性工艺的兼容性追求同片上微执行器与能量、控追求同片上微执行器与能量、控制集成制集成 静电微执行器工艺性最好，采用静电微执行器工艺性最好，采用ICIC导电或绝缘膜结构导电或绝缘膜结构 磁执行器工艺性差磁执行器工艺性差ICIC中很少采用磁性材料，手工装配中很少采用磁性材料，手工装配 PZTPZT等薄膜工艺不断发展等
13、薄膜工艺不断发展微执行器的性能比较微执行器的性能比较第二部分第二部分典型微执行器典型微执行器微马达微马达一、电磁型微马达一、电磁型微马达 定子定子铁氧体基板上制备驱动线圈铁氧体基板上制备驱动线圈转子转子钐钴永磁合金薄片制成，胶结铁镍合金薄片钐钴永磁合金薄片制成，胶结铁镍合金薄片 。采。采用特殊的充磁方法，用特殊的充磁方法，在垂直于薄片的方向上写入磁极。在垂直于薄片的方向上写入磁极。与传统内外圈结构对比与传统内外圈结构对比工艺兼容性分析：工艺兼容性分析：分析方法：左手法则分析方法：左手法则原理原理典型产品典型产品研究单位研究单位转子直径转子直径马达尺寸马达尺寸(mm)转速转速(r/min)力矩力
14、矩(计算值计算值)工作电工作电流流(mA)美国美国(Wisconsin大学大学)100m2150000100nNm600423m4.5120000600美国美国(Georgia理理工大学工大学)500m1.55001.2nNm500德国德国1.4mm62000116nNm500中国中国(上海交通上海交通大学大学)2mm25001.5Nm120二、静电型微马达二、静电型微马达静电马达与传统马达的区别、意义、静电马达与传统马达的区别、意义、MEMSMEMS发展代表性作用发展代表性作用区分微执行器与微马达区分微执行器与微马达优点：定子优点：定子/转子（导电材料转子（导电材料/绝缘材料）加工与绝缘材料
15、）加工与ICIC工艺兼容工艺兼容问题：定子问题：定子/转子间隙很小，才能产生足够大的转矩，易击穿转子间隙很小，才能产生足够大的转矩，易击穿措施：用氮化硅作绝缘层措施：用氮化硅作绝缘层 性能性能10-100V10-100V电压电压考虑微小尺寸的击穿考虑微小尺寸的击穿开环的步进工作速度已高达开环的步进工作速度已高达15000r/min15000r/min，只受电源限制只受电源限制动态摩擦转矩低于微马达运转矩的动态摩擦转矩低于微马达运转矩的10%10%，运转中磨损不是主，运转中磨损不是主要的限制因素要的限制因素 凸极式微马达的典型输出转矩约为凸极式微马达的典型输出转矩约为10pNm10pNm寿命几天
16、，几百万次起停试验寿命几天，几百万次起停试验要求：转子的稳定性、增大输出转矩、制备工艺简单要求：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往往以牺牲后一个为代价 措施例子（图措施例子（图6.56.5），原理），原理1 1、静电力驱动变电容式步进微马达、静电力驱动变电容式步进微马达原理转子和定子厚度转子和定子厚度1.0-1.51.0-1.5mm多晶硅片多晶硅片转子直径转子直径60-12060-120mm 转子和定子空隙转子和定子空隙1-21-2mm 转矩分析（理解）指标要求指标要求较大的驱动转矩合理的电压尽可能减小摩擦精细的角度分辨率 步辐分析原理：在前一对电极产生步进后，
17、相邻的下一对电极的原理：在前一对电极产生步进后，相邻的下一对电极的相对位置必须在转矩最大位置相对位置必须在转矩最大位置极数关系：极数关系：转子极数一般为转子极数一般为2 2n n；定子的静电极数为定子的静电极数为3232n n计算公式计算公式减摩技巧 选材：选材：SiSi3 3N N4 4和多晶硅接触和多晶硅接触球面接触球面接触悬浮悬浮工艺步骤工艺步骤2 2、静电力驱动变电容式同步微马达、静电力驱动变电容式同步微马达 另一种结构思路：以多晶硅为结构主体，用为Si3N4衬垫，这样可以获得硅的较好的结构性能定子电极常选12个，转子电极为4个工艺步骤工艺步骤工艺步骤工艺步骤 3 3、静电力驱动谐波式
18、微马达、静电力驱动谐波式微马达 工作原理工作原理 结论：转子角频率的值取决于定子半径和结论：转子角频率的值取决于定子半径和转子半径转子半径R Rr r之差，差值越小，比越小。之差，差值越小，比越小。为转子自转的角频率 为偏心距H的角频率，即转子轴心的角频率 特点特点 获得大减速比，直接实现小转速、大力矩获得大减速比，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结构可靠 滚动摩擦，有利于降低磨损、功耗滚动摩擦，有利于降低磨损、功耗制造比较复杂制造比较复杂 4 4、电悬浮减摩措施电悬浮减摩措施 理解分析过程理解分析过程三、微行
19、星齿轮减速器三、微行星齿轮减速器 了解紫外线掩模板的CAD 分割矩形逼近原理分割矩形逼近原理只许重叠、不许遗漏原则只许重叠、不许遗漏原则矩形窗口在矩形窗口在0.1-150m0.1-150m之间之间转化成加工数据文件输出转化成加工数据文件输出 在镀铬玻璃板上用以上在镀铬玻璃板上用以上的图形进行紫外曝光，形的图形进行紫外曝光，形成制作微齿轮成制作微齿轮X X光掩模板的光掩模板的过渡掩模板过渡掩模板 X X射线掩模板的加工射线掩模板的加工X X射线深层光刻和微电铸射线深层光刻和微电铸微复制微复制微装配 模压温度、模压压力、时间、脱模温度、脱模速率、距离模压温度、模压压力、时间、脱模温度、脱模速率、距
20、离 非结晶塑料的玻璃化温度（非结晶塑料的玻璃化温度（T Tg g），），结晶性塑料的融熔温度（结晶性塑料的融熔温度（T Tm m）采用材料：采用材料：PCPC、PMMAPMMA、PMMAPMMA（黑）、黑）、PVCPVC、PSPS 应用LIGA技术第三部分第三部分典型微执行器典型微执行器微泵微泵/微阀微阀主要应用形式微流量控制系统应用：微量化学分析、微量药剂控制、太空微型推进系统应用：微量化学分析、微量药剂控制、太空微型推进系统基于电热原理测量的质量流量传感器的原理基于电热原理测量的质量流量传感器的原理区分区分“制动制动”与与“致动致动”流量的执行（微泵流量的执行（微泵/阀）与检测（流量微传感
21、器）是最基本元件。阀）与检测（流量微传感器）是最基本元件。1、微阀、微阀致动器、阀门、阀座致动器、阀门、阀座+阀体；阀体；最常用压电制动方式，压力防泄漏、响应速度最常用压电制动方式，压力防泄漏、响应速度阀门阀门柔性体悬挂、硬中心、凸台面柔性体悬挂、硬中心、凸台面措施：措施：结构：结构：关键问题：关键问题：泄漏、磨损泄漏、磨损接触平面接触平面凸形环凸形环软材料阀座软材料阀座氮化硅（氮化硅（SiSi3 3N N4 4）或金刚石膜或金刚石膜整流特性整流特性 太空微型飞行器上推进系统中微阀的一组性能参数（见书）性能2 2、微泵膜片致动方式、微泵膜片致动方式 膜片式压力泵的总体结构特征。膜片式压力泵的总
22、体结构特征。MEMSMEMS普遍采用原因：结构普遍采用原因：结构符合二维半加工特点，工艺兼容符合二维半加工特点，工艺兼容膜片式压力泵再分：膜片式压力泵再分：有阀微泵有阀微泵/无阀微泵无阀微泵流量泵流量泵/压力泵与各自特点压力泵与各自特点压电致动膜片式压电致动膜片式 双金属膜片热致动式双金属膜片热致动式原理：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2.610-6/K，铝2310-6/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 记忆合金制动式记忆合金制动式TiNiTiNi合金膜片制作工艺合金膜片制作工艺合金膜片制作
23、工艺合金膜片制作工艺优缺点优缺点 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 热热气制动式气制动式双稳态膜片结构特征双稳态膜片结构特征微小倾度的球形或锥形圆顶微小倾度的球形或锥形圆顶本质是变形量剩余本质是变形量剩余 3 3、无阀微泵、无阀微泵 优点：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：推挽工作模式等改进：推挽工作模式等工作原理工作原理推导排量、效率推导排量、效率推导排量、效率推导排量、效率1 1、参数说明、参数说明 、流体力学给出,能量转换角度理解pi和p0与pc
24、相比忽略不计。注意其前提与影响 2 2、推导、推导d d、n n口流量公式口流量公式 结论：流量不同，原理成立结论：流量不同，原理成立3 3、推导吸入、排出阶段的出口流量、推导吸入、排出阶段的出口流量 吸入阶段吸入阶段排出阶段排出阶段4 4、得到泵的排量、得到泵的排量 5 5、得到泵的效率、得到泵的效率 结论：结论：是决定性因素是决定性因素推导排量、效率推导排量、效率推导排量、效率推导排量、效率 扩散管扩散管扩散管扩散管/喷管的理论分析喷管的理论分析喷管的理论分析喷管的理论分析 设计依据：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：偏差来源：宏观与微观定常流动与高速紊流几何形
25、状（MEMS加工出一般为方形截面）宏观应用宏观应用：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、流速等扩散管扩散管扩散管扩散管/喷管的理论分析喷管的理论分析喷管的理论分析喷管的理论分析 扩散管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喷管流动稳定，损失很小实际形状的设计实际形状的设计实际形状的设计实际形状的设计需要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第四部分第四部分典型微执行器典型微执行器梳状微谐振器梳状微谐振器 应用应
26、用：微位移执行器微谐振器（微传感器、微机电滤波器）优点优点：整体为全硅结构；非接触式激励和检测，具有高灵敏度。两种布局两种布局结构与制作工艺结构与制作工艺驱动力的计算驱动力的计算谐振频率计算谐振频率计算在驱动电压的作用下，将沿在驱动电压的作用下，将沿x x方向产生像织布梭一样的往复方向产生像织布梭一样的往复振动。当驱动电压的频率与活动梳结构系统的固有频率一致振动。当驱动电压的频率与活动梳结构系统的固有频率一致时，活动梳系统便发生谐振动。时，活动梳系统便发生谐振动。不考虑阻尼情况最低固有频率不考虑阻尼情况最低固有频率 实际差异取决于系统的阻尼，亦即机械品质因数实际差异取决于系统的阻尼，亦即机械品
27、质因数Q Q值。微值。微谐振梳须在真空环境下工作，保证很高的谐振梳须在真空环境下工作，保证很高的Q Q值，可高达数万。值，可高达数万。本章重点难点本章重点难点q重点：重点：几种典型智能材料的现象与性能；各几种典型智能材料的现象与性能；各种微观驱动效应；典型执行器结构的制作工种微观驱动效应；典型执行器结构的制作工艺；各种马达、驱动器、泵、阀的工作原理艺；各种马达、驱动器、泵、阀的工作原理和结构和结构q难点：难点：结合制作工艺理解微执行器的结构限结合制作工艺理解微执行器的结构限制；智能材料的物理机理；梳状结构固有谐制；智能材料的物理机理；梳状结构固有谐振频率的分析振频率的分析q作业：作业：教材第教
28、材第321页第页第1-15题题本章学习要求本章学习要求掌握电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆合金、凝胶、掌握电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆合金、凝胶、电流变体等几种典型智能材料的概念、现象与初步工电流变体等几种典型智能材料的概念、现象与初步工作原理。掌握执行器的几种基本驱动效应（电、磁、作原理。掌握执行器的几种基本驱动效应（电、磁、光、热等）。光、热等）。掌握基于静电效应的变电容（步进、同步）、谐波、掌握基于静电效应的变电容（步进、同步）、谐波、悬浮马达的工作原理、结构和性能水平；掌握电磁式悬浮马达的工作原理、结构和性能水平；掌握电磁式微马达的原理、结构和性能水平；了解减速器中所采微马达的原理、结构和性能水平；了解减速器中所采用的工艺方法。掌握微泵、微阀、微流量控制系统的用的工艺方法。掌握微泵、微阀、微流量控制系统的工作原理和结构、应用背景，特别是微泵的不同结构工作原理和结构、应用背景，特别是微泵的不同结构种类与不同致动方法。掌握梳状结构的工艺方法、其种类与不同致动方法。掌握梳状结构的工艺方法、其谐振频率的分析方法。了解其它适当的微执行器应用谐振频率的分析方法。了解其它适当的微执行器应用例证。例证。