1、MEMS致动器 MEMS Actuators 清华大学 微米纳米技术研究中心 叶雄英 2012.10.22 微致动器定义 致动器定义： 通过电、光等信号直接或间接控制 机械结构，使之发生变形、移动或 防止变形的机构，称为致动器。 微致动器的功能： 驱动微型结构，产生变形、位移或 力输出； 平衡微型结构，防止变形或偏移 微致动器 Micro Actuator 致动方式： 静电致动 电磁致动 压电致动 电热致动 微型致动器件： 微型马达 微型谐振器 微型继电器 微型光/RF开关 灵巧蒙皮 微型泵/阀 静电致动器 Electrostatic Actuator 利用电极间电荷的库仑力致动。 微型静电致
2、动器： 平板电极驱动器 梳状驱动器 旋转马达 SDA（ Scratch Drive Actuator ） 平板电极致动器 平板电极致动器相当于平板电容，作用 于电极板上的静电力： V F eStrong function of gap! Spring-Suspended Capacitor Stability Analysis 稳定性分析 F s Net (attractive) force on plate If we increase the gap by dg, the increment dF net 0 or the plate collapses 稳定 电刚度 Pull-In Vo
3、ltage V PI当电压升高到一定 时，系统将失去平 衡，把电极吸合。 Plot normalized electrostatic and spring forces vs. normalized displacement 1-(g/g o ) Comb Drive 梳状驱动器 梳齿结构(Comb Structure) 平移结构（linear） 旋转结构（rotational） Mirror Mechanical Stop 0.4 mm Principle and Features William Tang, Ph.D. EECS Dept., 1990 Formulae 电场能量： 静电力
4、： C Energy must include capacitance between the stator and the rotor and the underlying ground plane, which is typically connected at the rotor voltage. w = t = g = z 0= 2 m V r =0V C= dC/dx Comb Drive Failure Modes Example 释放应力 Scratch Drive Actuator (SDA) SDA operation 1) Applied voltage bends SDA
5、 downward 2) When released, SDA returns to original shape 3) Reapplying voltage causes SDA to move a distance dx Caveat: sometimes they go backward! SDA application Electrostatic Motors Torque Motor 的原理 A A B B C C D W 2W/3 W 3W/2 固定 典型的电极数为： 定子12个，转子8个 三相驱动 Ground V G G V Electrostatically levitati
6、ng micromotor for rotational gyroscope T.Murakoshi (Tokimec Inc.) et.al., Transducers99, Jpn. J. Appli. Phys., Part1 (2003) 14x14x3mm Rotor D 1.5mm 74,000rpm 微型静电悬浮陀螺 Micro Motor 的应用 静电致动特性 静电致动的特点 结构易于实现，只需间隙与电极； 可通过控制间隙或电压来得到所需的致动力； 只有吸引力，结构恢复靠弹性力； 推挽式结构实现双向致动； 位移较小（SDA除外）； 驱动电压较高（特别是平板电极） 静电致动器应用
7、 静电马达 继电器、开关 谐振器 力平衡传感器、陀螺、隧道效应器件等 电磁致动 Magnetic actuators 线圈通电产生磁场，导磁体由于 磁场力的作用而产生运动。 旋转电机 （MEMS多层线圈） 直线电机（MEMS线圈） 阵列搬运器 （MEMS磁体和结构） 通电线圈在外磁场的作用下产生 运动。 驱动膜变形 （MEMS线圈和结构） 振动式磁强计（MEMS线圈和结构） 永磁体 金线圈 氮化绝缘层 多晶硅 出口 入口载流导线周围某点磁场强度： 磁荷m在磁场中所受的磁力： 直线电流在磁场中所受作用力： = = L L r r dl I dB B 2 4 Permanent Magnet Si
8、 Si Si Top Layer Middle Layer Bottom Layer X Y X Z sin F JBl = F = m H, H = B/ Magnetic Actuator Array： Structure Chang Liu, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Proceedings, v 1, 1995, p 328-331 Magnetic Actuator Array： Operation Principle Magnetic Actuator Array： Sketch o
9、f an actuator Using UV LIGA process 电磁致动的特点 Microstructures are often fabricated by electroplating（电镀） techniques. Nickel is a (weakly) ferromagnetic material, used in magnetic microactuators. Au or Cu is used as a coil material. Advantage Large force Large displacement Low driving voltage Problem T
10、he coils are two dimensional (three dimensional coils are very difficult to microfabricate). The choice of magnetic materials is limited to those that can be easily micromachined, so the material of the magnet is not always optimum. This tends to lead to rather high power consumption and heat dissip
11、ation for magnetic actuators. 压电致动 Piezoelectric actuators 压电效应： 某 些 电 介质，当沿着某一方向发生变形时，内部 产 生 极 化现象，在表面产生电荷，电荷极性与外 力 方 向 有关，外力去掉后电荷消失。 逆压电效应：在这种电介质的极化方向施加电压， 会 产 生 变形。压电致动器利用的就是这种效应。 压 电 材 料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材 料 等 。 压电陶瓷属于铁电体类物质。 The applied force F causes the line OD to rotate counter clockwise by a
12、small angle d This strain shifts the center of gravity of the three positive and negative charges to the left and right, respectively A dipole moment, p = qr, is created which has an arm (r) of: p = qr qa 3/2d Assuming the crystal contains N such molecules per unit volume, the polarization is: P = N
13、qa 3/2d polarization strain 压电原理 -石英晶体 Modes in Quartz 压电致动的主要形式 块状压电晶体：结构紧凑，变形小，频率高； 压电堆：位移较大，致动力很大，轴向尺寸大，对 装配的要求高，驱动频率较高； 压电薄膜：利于系统集成，致动力和位移小； 双层压电梁：驱动力和变形大，频率低。 压电基本方程： 3 31 1 11 1 E d T s S E + = 3 33 1 31 3 E T d D T + = 压电致动方式 柔度 压电应 变系数 应变 应力 电场 强度 电位移 矢量 介电 常数 电场 强度 压电应 变系数 应力 压电膜和压电堆 致动器 压电
14、堆 A layer of piezoelectric material is deposited on a beam or a thin silicon membranes. 压电堆致动微泵 压 电 膜 的制备： 溅射(sputtering) 溶胶凝胶(sol-gel) 法 SAW Devices A surface acoustic wave (SAW) rises on the surface of a crystal with stress- free boundary SAW energy is confined to within one wavelength of the surf
15、ace The components of surface particle motion, Ux and Uz, and Uz Ux SAWs can be excited by interdigitated transducers (IDTs) patterned on the surface of piezoelectric crystals Used as sensors as well as delay lines, filters, correlators, pulse compressors, etc. in communications and electronic syste
16、ms; invented by Prof. R. M. White, EECS Dept., UC Berkeley, 1965. 优点： 能实现较大的力输出（薄膜型除外） 响应快 缺点： 需特殊工艺，与硅工艺的兼容性不太好（薄 膜型除外） 驱动电压较高（薄膜型除外） 压电致动特点 电热致动 Thermal actuators 热双金属（Bimorph）： 将两种不同热膨胀率的材料层叠固定，当 温度发生变化后由于膨胀率不同而产生弯 曲变形。 形状记忆合金(Shape Memory Alloy )： 某些合金材料具有在特定温度下回复变形 前形状的效应，因此可以通过改变其温度 而产生致动效果。 热
17、双金属致动 致动模型：悬臂梁 致动变形公式： a热膨胀系数，t厚度，b宽度，r变形量（曲率半径） 两层厚度和宽度相同，则： （k=E 2 /E 1 )硅 t t = l b b 2 1 1 2 1 l 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 1 1 1 1 3 2 2 2 2 2 2 3 1 1 1 2 1 2 2 1 2 4 7 3 2 t t T t b E t b E t b E t b E t t t t r + + + + = ) 1 5 ( 3 2 k k T t r + + = 铝 多晶硅电 单晶硅 多晶硅电 薄膜型双金属热致动器 硅 硅 金属层 加热膜 IC Sensor 的双
18、金属热致动微型阀 Current flows through expansion members (legs). Legs expand and push shuttle towards right. “Chevron” Actuator “Heatuator” 热梁致动 形状记忆合金 Shape Memory Alloy 形状记忆合金工作原理： 低温下，受外力作用合金的内部组织变为菱形晶格 （相变，马氏体状态），而在加热时，其内部组织变为受力 前的正方晶格的状态（母相状态），从而恢复原形状。 马氏体相变 滑移形变 马氏体态的形变与加热后形状记 忆 马氏体状态 母相 （奥氏体状态） 母相 双金
19、属和SMA元件的动作持 性 一种偏置弹簧组合件结构 NiTi/ Si 薄膜结构的双向微驱动器： NiTi合金在3050C发生逆相变，NiTi薄膜逆相变时 可产生足够大的应变力使膜向下位移。当切断电流停 止加热,薄膜从母相状态回复到马氏体状态,向下形变 的力逐渐被释放。这时Si膜的回复力,使薄膜由下凹 状态回到加热前平直的状态。 NiTi/ Si 驱动器最大位移可达50m , 最大振动频 率可达100Hz , 驱动功率0.2W 形状记忆合金的特点： 形状记忆合金由于其特殊的相变机理,不仅可以有单向 或双向形状记忆效应,同时还可产生大的应变和大的驱动 力。 形状记忆合金驱动功密度达510 7 J
20、/ m 3,比其他用静电、 压电、电磁、热气动、热双金属效应等驱动器要大近两 个数量级。 变形率：7%，响应：毫秒级，恢复力：数十kg/mm 2， 相变温度： -50100C 优点： 能实现较大的力输出 与硅工艺的兼容性好 驱动电压低 缺点： 响应慢 功耗较大 升温，应用受限制 电热致动特点 几种大位移致动器 Residual Stress Cantilever (RSC) Scratch-Drive Actuator (SDA) Vertical Thermal Actuator (VTA) Horizontal Thermal Actuator (HTA) Summary Electros
21、tatic Actuators Parallel-plate electrostatic actuators Comb drive SDA Motor Magnetic actuators Piezoelectric actuators Thermal actuators 微型传感器 Micro Sensors 传感器：把被测量转换为电信号输 出的器件。 以测量对 象分类， 微型传感 器有：压 力、加速 度、 角速度、力、触觉、流量、磁场、温 度、红 外、 气体、湿度、pH 值、离子浓度和生物等 等。 以工作方式分类，力学/ 物理量： 压阻式、电容 式、压电式、场发射式、隧道效应式 、谐振 式、 热式、光 学型；生化量： 热 式、质量 型、电量 型、 光学型、电化学式等。 What is a Sensor 微型传感器的历史 早在60年代初，就已开发出了实用半导 体应变片；MEMS First Bucket of Gold 1962年第一个硅微型压力传感器问世 ； 79年研制出第一个微硅加速度计； 94年出现了大批量生产的用于汽车防撞 气囊的集成微加速度计。 主要的MEMS 传感器 微型压力传感器 微型惯性传感器 微型加速度计 微型陀螺 微型磁强计 微型生化传感器 其它微型传感器 微型触觉传感器 微型麦克风 微型红外传感器 微型流量传感器
