微机电系统

1. 机械电子工程学院专业选修课程 微机电系统 微机电系统 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

2. 第6章 微执行器 • 微执行器的致动方式与材料 • 典型微执行器——微马达 • 典型微执行器——微泵阀与微流量系统 • 典型微执行器——梳状位移驱动器

3. 第一部分 微执行器的致动方式与材料 微执行器的主要驱动方式及其对应材料(分类方法1) 电（静电/压电/电致伸缩/凝胶/电流变体） 磁（磁力/磁致伸缩） 热（SMA/双金属/热气动） 光、化学等 采用驱动材料与驱动结构的关系(分类方法2) 机械微结构型——运动在零件间生成，材料可应力变形 可变形微结构型——运动在零件材料内生成 再按照刚性、柔性材料分 对比：摩擦、行程、响应、“智能性”、尺度、结构复杂性

4. 压电效应与逆压电效应，与电致伸缩原理区别 典型材料——PZT陶瓷（锆钛酸铅PbZrO3-PbTiO3），弹性模量为63000MPa，应变为0.001量级 压电材料 典型产品——微执行器，微阀泵、超声微马达、微声器件等 特点——精确、响应快、推力大（最大应力63MPz）

5. 工作原理：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工作原理：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 磁致伸缩材料 • 参数：磁致伸缩系数λs • 典型材料：合金镍、镍—钴、铁—钴、镍铁氧体， λs可达10-4~10-3 • 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） • 高的机电耦合系数 • 宽的工作温区 • 高的精度 • 较大的输出力

6. 工作原理：液体+长聚合物分子组成的网状结构。当凝胶与溶解物化合时，体积膨胀变大，而当溶解物再次被释放出来时，凝胶的体积收缩变小。 凝胶 • 典型材料：聚丙烯酸盐、聚乙烯醇 • 作为微执行器的特点 • 很高的机械转换效率 • 无摩擦 • 柔性体

7. 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，从而使其流变特性剧烈变化，如粘性、塑性、弹性。 电流变体 典型用途 • 宏观力学元器件——离合器（具有无级可调、容易控制、响应速度高的特点）、减震器（可在约1ms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。 • 微观执行器——微阀、微泵、微开关等。 • 作为微执行器的特点 • 集固体属性与液体的流动性于一体 • 高机械转换效率 • 无摩擦 • 柔性体

8. 静电力在微观条件下： 上升为主要作用力 几乎无处不在的负面影响 普通静电驱动 • 作为微执行器的特点 • 致动力仍较小、功率小 • 行程小 • 典型结构：微静电马达、膜片驱动等

9. 典型结构——传统电磁型微马达 普通磁力驱动 国内代表：上海交通大学，LIGA工艺，直径2mm电磁型微马达 • 作为微执行器的特点 • 磁力产生结构（磁性材料和线圈）受微加工工艺限制 • 磁力对周边影响

10. 双金属结构 普通热效应致动 元件间热膨胀系数失配，金属的热膨胀系数远大于硅 • 热气动 • 流体加热膨胀实现动作

11. 工作原理：拉力和温度诱发相变 相变温度Mt ——Ms和Mf的平均值Mt TiNi冷却过程Ms以上奥氏体， Mf以下为马氏体，M s和Mf之间（约为15℃ ）具有马氏体和两种相。Ms和Mf的平均值Mt称为相变温度约为60-75℃ 形状记忆合金（SMA） • 材料 • 铜基合金（如CuAlNi）——成本低、热导率极高、温度反应时间短 • 钛镍合金（如TiNi、TiNiCu、TiNiFe）——性能佳（强度、重复性、寿命）；导热率低；加工困难、成本高 • 铁基合金——成本最低、刚性好、易加工。

12. 特点 • 突变双态性 • TiNi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好，驱动精确重复 • 较大的力、行程，从而能量 • 形状恢复时应力、位移——微执行器（电流加热驱动） • 热敏感——热动作型的开闭器 • 能量贮存体 • 应用

13. 单位体积有效能量W • W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 微执行器的性能比较 • SMA——W为4×107J/m3（ TiNi，屈服强度420MPa，应变8%） • 双金属片——与SMA大致相当，取决于温度变化速率、幅度 • 静电——W约为4×105J/m3（自由空间、击穿极限3×108V/m） • PZT压电材料——W约为105J/m3量级 • 磁力——W约为106J/m3量级（自由空间、饱和磁通密度1.5T） • 响应时间 • 热微执行器10ms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

14. 能耗 • 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 微执行器的性能比较 • 与IC工艺的兼容性——追求同片上微执行器与能量、控制集成 • 静电微执行器工艺性最好，采用IC导电或绝缘膜结构 • 磁执行器工艺性差——IC中很少采用磁性材料，手工装配 • PZT等薄膜工艺不断发展

15. 第二部分 典型微执行器——微马达 一、电磁型微马达 与传统内外圈结构对比 工艺兼容性分析： 定子——铁氧体基板上制备驱动线圈 转子——钐钴永磁合金薄片制成，胶结铁镍合金薄片 。采用特殊的充磁方法， 在垂直于薄片的方向上写入磁极。

16. 分析方法：左手法则 原理

17. 研究单位 转子直径 马达尺寸 (mm) 转速 (r/min) 力矩 (计算值) 工作电流 (mA) 美国(Wisconsin大学) 100m ~2 150000 100nN·m 600 423m 4.5 120000 600 美国(Georgia理工大学) 500m ~1.5 500 1.2nN·m 500 德国 1.4mm ~6 2000 116nN·m 500 中国(上海交通大学) 2mm ~2 500 1.5N·m 120 典型产品

18. 二、静电型微马达 • 静电马达与传统马达的区别、意义、MEMS发展代表性作用 • 区分微执行器与微马达 • 优点：定子/转子（导电材料/绝缘材料）加工与IC工艺兼容 • 问题：定子/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

19. 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 • 措施例子（图6.5），原理 性能 • 10-100V电压——考虑微小尺寸的击穿 • 开环的步进工作速度已高达15000r/min，只受电源限制 • 动态摩擦转矩低于微马达运转矩的10%，运转中磨损不是主要的限制因素 • 凸极式微马达的典型输出转矩约为10pN·m • 寿命几天，几百万次起停试验

20. 1、静电力驱动变电容式步进微马达 原理 • 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 转矩分析（理解） 转子和定子厚度1.0-1.5μm多晶硅片 转子直径60-120μm 转子和定子空隙1-2μm

21. 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 • 极数关系：转子极数一般为2n；定子的静电极数为3×2n 步辐分析 • 计算公式

22. 选材：Si3N4和多晶硅接触 • 球面接触 • 悬浮 减摩技巧

23. 工艺步骤

24. 2、静电力驱动变电容式同步微马达 定子电极常选12个，转子电极为4个 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

25. 工艺步骤

26. 3、静电力驱动谐波式微马达 工作原理 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 结论：转子角频率的值取决于定子半径和转子半径Rr之差，差值越小，比越小。

27. 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 • 结构可靠 • 滚动摩擦，有利于降低磨损、功耗 • 制造比较复杂 特点

28. 4、电悬浮减摩措施 理解分析过程

29. 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 • 只许重叠、不许遗漏原则 • 矩形窗口在0.1-150m之间 • 转化成加工数据文件输出 • 在镀铬玻璃板上用以上的图形进行紫外曝光，形成制作微齿轮X光掩模板的过渡掩模板

30. X射线掩模板的加工 X射线深层光刻和微电铸 微复制 应用LIGA技术 模压温度、模压压力、时间、脱模温度、脱模速率、距离 非结晶塑料的玻璃化温度（Tg），结晶性塑料的融熔温度（Tm） 采用材料：PC、PMMA、PMMA（黑）、PVC、PS 微装配

31. 第三部分 典型微执行器——微泵/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 流量的执行（微泵/阀）与检测（流量微传感器）是最基本元件。 基于电热原理测量的质量流量传感器的原理 区分“制动”与“致动”

32. 1、微阀 • 致动器、阀门、阀座+阀体； • 最常用压电制动方式，压力防泄漏、响应速度 • 阀门——柔性体悬挂、硬中心、凸台面 结构： 关键问题：泄漏、磨损 措施： • 接触平面 • 凸形环 • 软材料阀座 • 氮化硅（Si3N4）或金刚石膜

33. 整流特性 性能 • 太空微型飞行器上推进系统中微阀的一组性能参数（见书）

34. 2、微泵膜片致动方式 流量泵/压力泵与各自特点 膜片式压力泵再分： 有阀微泵/无阀微泵 膜片式压力泵的总体结构特征。MEMS普遍采用原因：结构符合二维半加工特点，工艺兼容

35. 压电致动膜片式

36. 原理：硅膜上扩散电阻加热。控制温度-改变空隙-调节流量。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2.6×10-6/K，铝23×10-6/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 双金属膜片热致动式

37. 记忆合金制动式

38. TiNi合金膜片制作工艺 • 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

39. 热—气制动式 双稳态膜片结构特征——微小倾度的球形或锥形圆顶 本质是变形量剩余

40. 3、无阀微泵 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

41. 工作原理

42. 1、参数说明 推导排量、效率 2、推导d、n口流量公式 流体力学给出,能量转换角度理解 、 、 pi和p0与pc相比忽略不计。——注意其前提与影响 结论：流量不同，原理成立

43. 3、推导吸入、排出阶段的出口流量 吸入阶段 排出阶段 推导排量、效率 4、得到泵的排量 5、得到泵的效率 结论： 是决定性因素

44. 设计依据：传统（宏观）流体力学大量实验得到的经验参数设计依据：传统（宏观）流体力学大量实验得到的经验参数 扩散管/喷管的理论分析 • 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 • 偏差来源： • 宏观与微观 • 定常流动与高速紊流 • 几何形状（MEMS加工出一般为方形截面）

45. 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 扩散管/喷管的理论分析 • 喷管 • 流动稳定，损失很小

46. 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 实际形状的设计

47. 第四部分 典型微执行器——梳状微谐振器 • 应用： • 微位移执行器 • 微谐振器（微传感器、微机电滤波器） • 两种布局 • 优点： • 整体为全硅结构； • 非接触式激励和检测，具有高灵敏度。

48. 结构与制作工艺

49. 驱动力的计算

50. 在驱动电压的作用下，将沿x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时，活动梳系统便发生谐振动。 谐振频率计算 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Q值。微谐振梳须在真空环境下工作，保证很高的Q值，可高达数万。