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1、第六章第六章磁执行器磁执行器n基本概念和原理基本概念和原理n -磁化及术语磁化及术语n -微磁执行器的原理微磁执行器的原理 n微磁元件的制造微磁元件的制造n -磁性材料的沉积磁性材料的沉积n -磁性线圈的设计和制造磁性线圈的设计和制造n磁传感器实例磁传感器实例nMEMSMEMS磁执行器的实例磁执行器的实例电磁式微执行器电磁式微执行器-基本概念n磁化及术语n在磁场中的磁性材料会发生内部磁性的极化，这种现象称为磁化。n磁场强度磁场强度（符号H）代表外部磁场对磁性材料的影响，单位A/m。n磁场密度磁场密度（符号B）代表在磁性材料中感应的总磁场，单位特斯拉（T），1T=10000Gs。n一般常见的磁性
2、物体磁场密度是：n 普通电冰箱的磁场为：100-1000Gsn 地磁场（赤道附近）为：1Gsn 磁存储介质为：100mT或100Gsn 用于磁谐振成像的稀土磁体为：1-2T家庭常用电器电磁辐射检测数据参考表(mG：毫高斯)电器咖啡炉传真机电熨斗录像机VCD电磁辐射量1mG2mG3mG6mG10mG电器音响电冰箱空调电视机洗衣机电磁辐射量20mG20mG20mG20mG30mG电器电饭锅复印机吹风机手机电脑 电磁辐射量40mG40mG70mG100mG100mG电器电须刀电热毯吸尘器无绳电话微波炉电磁辐射量100mG100mG200mG200mG200mGn硬磁体与软磁体硬磁体：极化后剩磁较大软
3、磁体：极化后剩磁较小或无剩磁电磁式微执行器电磁式微执行器-基本概念磁执行器原理磁执行器原理电磁致动电磁致动：通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。通电线圈通电线圈 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。电流流过U形导线时会在两条导线之间产生排斥力。类似地，在一条置于磁场中的柔性金属线上通以电流，导线会发生偏转。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。n优点：避免引线磁场对环境影响较小用无源永磁体，耗能小微磁执行器的原理n例8-21T的均匀磁场中，10mA电流
4、的100m长金属线，与磁力线垂直，受力多少？BI洛伦兹力？磁体在磁场中的受力MMMMMMMMMMabc情况情况a情况情况b情况情况c磁片磁片1 2 3 41 2 3 41 2 3 4静力静力0 0 0 00 0 0 0F F F F静力矩静力矩0 0 0 0 0 T 0 T0 T 0 T1234微磁元件的制造-磁性材料的沉积n尽管可以把小片磁性材料附着在微机械结构上来实现传感器和执行器，但通常这样的方法效率很低。磁性材料的片上集成更加精确而且应用广泛。n微器件沉积铁磁材料最常用的方法是电镀。含有所需磁性材料的离子化学溶液用作晶片的电解液。在电镀槽中放有相反电极，金属沉积（晶片）的工作片加上负偏
5、置电压。图 磁性材料电镀的工艺流程图 电镀模具移去后，形成的蘑菇 状电镀金属微磁元件的制造-磁性线圈的设计和制造n在芯片上集成螺线管是一件很有意思的事情。它们可以用作电磁源、线圈执行器、电感器、遥测线圈和集成电路中的变压器。最普遍而且可以制造的电磁体形式是单层、空心的平面线圈。这样的线圈不能产生很强的磁通量密度，因为缺少磁芯而且横向分布的金属线远离线圈的中心。下面两幅图堆多层平面线圈的工艺流程以及三维微线圈的制造进行了说明。图6.1 多层平面线圈的工艺流程图6.2 三维微线圈的制造电磁体电磁体磁性梁执行器磁性梁执行器永磁体氮化绝缘层入口出口德国的电磁致动微型阀金线圈 多晶硅 德国研制的电磁致动
6、微阀，阀片为牺牲层技术制作的多晶硅膜。这是为小型气体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为10-50kPa，过流能力为2-20mL/min，响应时间为5ms。电磁致动微阀电磁致动微阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例外加磁场导致坡莫合金坡莫合金区域产生磁性极化磁性极化，这反过来又和外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场对准。该器件可用于斩波、扫描、光束导向等微光学场合。外加磁场的磁执行器外加磁场的磁执行器铁镍合金线圈导管硅外部驱动微机械电磁阀该阀由一个NiFe溅射阀座和一个可开启、关闭的可移动NiFe阀膜组成。依靠活动膜片上支撑弹簧的内力，可以制成常开或常闭阀。微机械阀元件放置于
7、携带有流体的管道中，管道的外面是由外加线圈形成的磁场，构成了一种电隔离操作。外加磁场的电磁阀外加磁场的电磁阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(7)(7)电磁光开关电磁光开关电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(8)(8)磁场光纤MEMS驱动器电磁驱动光纤开关原理示意图 加州理工学院设计的一种电磁驱动光纤开关的原理示意图。当开关处于开状态时，电磁驱动器带着双面微镜向上运动，将微镜置于光纤之间，每个输入光纤的光信号经反射后从相邻的输出光纤输出，如图a所示；在关状态，微镜在光纤之下，输入光纤的信号直接从正前方的输出光纤输出，如图b所示。电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(9)(9)n磁马达磁马
8、达 可变磁阻的微磁马达，它带有全集成的定子和线圈。定子由集成的电磁体制成，转子由软磁性材料制成。马达有两组显磁极，一组在定子上，一组在转子上。当激励相位线圈时，靠近激励定子电极的转子磁极会吸引到定子磁极（如图a、b所示）。由于定子旋转，定子磁极将与转子磁极对准。关断激励相位线圈的电流，下一个相位开始激励使之连续运动。n双稳态磁开关双稳态磁开关静电执行器需要恒定的电压偏置来保持开关在开或关的状态，比较容易受供电中断的影响。开关的双稳态锁定很重要，因为它只有在开关的转变过程中才消耗掉功率，但无论在开或关的状态都不需要电来保持。电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例n双稳态磁开关结构双稳态磁开关结构:
9、由扭转支柱将悬臂提升在衬底表面的上方。悬臂由顶部上的软铁磁材料和底部上的一层高电导率的金属构成。平面线圈埋置于悬臂的下方。偏置偏置磁场有两个来源：一个是平面线圈，一个是永久磁体。磁场有两个来源：一个是平面线圈，一个是永久磁体。永久磁体位于衬底的表面，用于提供恒定的背景磁场。n该开关的独特设计在于：该开关的独特设计在于：双向磁化可以通过使用第二个磁场很快反转。这使得可以施加小电流来实现力矩和开关位置的转换。为了实现这一目标，在悬臂梁和外部磁场之间使用了平面线圈以产生磁场来补偿外部磁体产生的磁场。永久磁体使悬臂保持在开或关的位置直到下次开关动作出现。磁致伸缩执行器磁致伸缩执行器n磁致伸缩效应：18
10、40年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向磁场时，它会收缩。n在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，从而引起材料尺寸的变化。微型磁强计微型磁强计n定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。n微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：电磁效应式和机械式。微传感器的实例微传感器的实例电磁电磁微型磁通门式磁强计微型磁通门式磁强计n磁通门式磁强计由绕向相反的一对激励线圈和检测线圈组成。磁芯工作在饱和状态。n当被测磁场为零时，两个磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在测量线圈中无电压产生。当被测磁场不为零时，在测量线圈产生感应电势。德国于1995年研制的微型磁通门磁强计，利用
11、CMOS工艺制作线圈。尺寸为1mm1mm1um，灵敏度为 9.2mV/uT 微型磁通门式磁强计例微型磁通门式磁强计例（1 1）日本于1994年研制的三维螺线管线圈，尺寸为4.9mm1mm4m，灵敏度达到2700V/T，分辨率达到10-7T微型磁通门式磁强计例（微型磁通门式磁强计例（2 2）机械式微型磁强计机械式微型磁强计n布有线圈或永磁体的微梁在磁场中受力变形或运动，通过测量该变形或运动，获取磁强信息。n测量方式有：压阻式、电容式、隧道效应式等。美国UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撑着一线圈，线圈通上交变电流，在Lorentz作用下梁发生振动，利用压敏电阻测量其振幅。分辨率为10-8T，Q为10。谐振式微型磁强计例（谐振式微型磁强计例（1 1）美国JPL于1996年研制，用于搭载在小卫星上，测量地球磁场。分辨率：2.8T/Hz1/2，驱动电压：120V，尺寸：cm1cm0.6cm隧道效应磁强计例隧道效应磁强计例微型磁强计的应用微型磁强计的应用n安全：安全检测、交通车辆检测n医疗：核磁共振仪器、导管定位测量n工业：机器人位置测量、转速编码器n国防：探雷、导航、战场侦察n其它：地质勘探结束