Лысенко И.Е. Учебный курс по компонентам микросистемной техники - файл lecture_10.doc

приобрести
Лысенко И.Е. Учебный курс по компонентам микросистемной техники
скачать (14990.7 kb.)
Доступные файлы (21):
n1.exe
n2.exe
n3.exe
n4.exe
lecture_1.pdf439kb.18.06.2009 17:35скачать
lecture_10.doc355kb.19.06.2009 11:18скачать
lecture_11.doc884kb.19.06.2009 11:20скачать
lecture_12.doc1113kb.19.06.2009 11:47скачать
lecture_13.doc1562kb.19.06.2009 11:49скачать
lecture_14.doc1820kb.19.06.2009 11:50скачать
lecture_2.pdf469kb.19.06.2009 11:10скачать
lecture_3.pdf451kb.19.06.2009 11:11скачать
lecture_4.pdf395kb.19.06.2009 11:11скачать
lecture_5.pdf399kb.19.06.2009 11:12скачать
lecture_6.pdf800kb.19.06.2009 11:15скачать
lecture_7.pdf754kb.19.06.2009 11:16скачать
lecture_8.pdf439kb.19.06.2009 11:17скачать
lecture_9.doc1649kb.19.06.2009 11:19скачать
n19.pdf724kb.24.12.2008 00:15скачать
n20.pdf221kb.24.12.2008 00:15скачать
n21.pdf206kb.24.12.2008 00:15скачать

lecture_10.doc


Интегральные микродвигатели



В настоящее время известны следующие типы интегральных микродвигателей [65-68]:

1. Электростатические воздушные планарные микродвигатели (ЭВПД).

2. Электростатические диэлектрические планарные микродвигатели (ЭДПД).

3. Пьезоэлектрические микродвигатели (ПД).

В электромеханике известны два способа передачи энергии от статора к ротору – контактный и бесконтактный [65-68].

В случае контактного способа передачи энергии от статора к ротору либо используются специальные элементы (фрикционная вставка в элемент пьезоэлектрического двигателя, ферромагнитная лента между статором и ротором в индуктивных волновых двигателях и т.д.), либо статор и ротор контактируют между собой за счет волновой деформации пьезоэлектрической керамики. В таких двигателях при использовании точных датчиков положения ротора достигается исключительно высокая точность его позиционирования. Вместе с тем в этих двигателях серьезной проблемой становится механическое изнашивание контактирующих элементов статора и ротора [66].

В ЭВПД используется бесконтактный, а в ЭДПД и ПД – контактный способы передачи энергии. В первом случае ротор не касается поверхности статора, силовое сцепление ротора со статором осуществляется благодаря концентрации полей (электрического или магнитного) над зубцами ротора и статора. Преимущество обусловлено тем, что отсутствует изнашивание поверхностей ротора и статора [66,68].

Основной недостаток – невысокая точность позиционирования (в шаговых двигателях), определяемая размерами зубцов ротора и статора. Высокой точности позиционирования можно достичь только при чрезвычайно малых размерах этих зубцов и при очень высокой точности их изготовления. Такое решение значительно усложняет технологию изготовления двигателя, существенно увеличивает его стоимость [66].

3.4.1. Электростатические воздушные планарные микродвигатели



Основное отличие электростатических воздушных планарных микродвигателей от классических электростатических двигателей – малый зазор между статором и ротором, равный 1-2 мкм (в классических электростатических макромашинах он равен 1-2 мм). Малый зазор в межэлектродном пространстве определяет относительно высокую плотность "накачиваемой" в образец электрической энергии и, следовательно, эффективность двигателя. Разрабатываются ЭВПД вращательного движения и возвратно-поступательного движения. Ротор в первом случае расположен в подшипниках, во втором – скользит по направляющим. Можно обеспечить достаточно высокую надежность этих двигателей при указанных в литературе основных параметрах (для микродвигателя вращения с диаметром ротора 100 мкм): напряжение электропитания – 100 В; скорость вращения ротора – 50000 об/мин; мощность – 10-6 Вт. В ЭВПД трудно осуществить суммирование мощностей. Поэтому маловероятно, что они найдут применение в точной механике широкого назначения. В технологии этих микродвигателей используются дорогостоящие операции: изготовление размеров деталей с точностью не ниже 0,1 мкм; глубокое прецизионное химическое травление и т.д. [65,66].

Принцип работы планарных электростатических микродвигателей заключается в преобразовании электрической энергии в механическую, выраженную во вращательном движении ротора [65].

На рис. 3.28 представлен планарный электростатический микродвигатель с двенадцатью полюсами статора () и восьмью – ротора () [65].



а

б


Рис. 3.28. Планарный электростатический двигатель:

а – начальное положение ротора микродвигателя;

б – перемещение ротора микродвигателя
Достоинствами данного вида электростатических микродвигателей являются простота конструкции и ни столь строгие требования к структурному материалу микродвигателя.

В основном, в качестве структурного материала планарных микродвигателей, используются электропроводящие материалы.

Угловой шаг размещения полюсов статора и ротора определяется следующим выражением (см. рис. 3.28) [65]:

(3.14)

где – угловой шаг полюсов статора и ротора соответственно; – количество полюсов на статоре и роторе соответственно.

Рассмотрим работу планарного электростатического микродвигателя. Предположим, что напряжение приложено к полюсу статора 1 (см. рис. 3.28,а), т.е. микродвигатель находится в относительном равновесии. Если напряжение будет приложено к полюсу 2 статора, то положение ротора изменится так, что он займет новое положение относительно данного полюса, т.е. вращающий момент, действующий на ротор, повернет его на некоторый угол (см. рис. 3.28,б). Далее цикл повторяется.

На рис. 3.29 приведена последовательность переключения фаз [65].



Рис. 3.29. Последовательное переключение фаз
Шаг приращения угла поворота ротора планарного микродвигателя может быть определен с помощью следующего выражения [65]:

(3.36)

Если количество полюсов статора будет меняться в диапазоне , где – количество фаз, то выражение (56) примет следующий вид:

(3.37)

Угловая частота планарного электростатического микродвигателя может быть определена с помощью следующего выражения [65]:

, (3.38)

где – частота переключения фаз.

В табл.3.1 приведены значения углового шага размещения полюсов ротора и шаг приращения угла поворота ротора в зависимости от количества полюсов ротора при () и [65].

Таблица 3.1

Значения и в зависимости от



4

6

8

11

13

16

18

20



900

600

450

32.70

27.70

22.50

200

180



300

300

–150

–2.70

2.30

7.50

100

–60


Вращающий момент, действующий на ротор, может быть описан следующим выражением:

, (3.39)

где – изменение емкости между статором и ротором; – напряжение между статором и ротором.

На рис.3.30 представлен планарный электростатический микродвигатель, изготовленный с использованием MUMPs-технологии [65].

Рис.3.30. Планарный электростатический микродвигатель

3.4.2. Электростатические диэлектрические планарные
микродвигат
ели



В электростатических диэлектрических планарных двигателях микродвижение создается при электростатическом накате металлизированной органической пленки на поверхность металла или диэлектрика (слои SiO2, Al2O3) в зависимости от того, куда обращен слой металлизации. Основным элементом ЭДПД является пленочная петля (диаметр – несколько миллиметров) из металлизированной пленки полиэтилентерефталата. Характерная особенность ЭДПД – накопление объемного заряда в диэлектрике при каждом акте электростатического наката. Этот заряд формируется на глубоких энергетических центрах (ловушках), характерных для широкозонных некристаллических диэлектриков и препятствует повторному накату металлической пленки. Уменьшение влияния объемного заряда возможно за счет использования импульсов напряжения с более сложной формой – наполнения их более короткими импульсами с разной полярностью. Однако в этом случае значительно снижается энергетическая эффективность микродвигателя [66].

Схематически принцип работы такого микродвигателя иллюстрирует рис. 3.31 [66].



Рис. 3.31. Принцип работы планарного микродвигателя
на основе тонких сегнетоэлектрических пленок:

1 – статор; 2 – ротор; 3 – лепесток; 4 – направляющие;
5 – диэлектрическая пленка; 6 – электрод; 7 – подложка
Неподвижная пластина (статор) 1 представляет собой кремниевую подложку 7, на поверхность которой последовательно нанесен электрод 6, а затем сегнетоэлектрическая пленка 5. Подвижная пластина (ротор) 2, разделенная от статора зазором d, с синтезированными на ее поверхность металлическими лепестками 3 длиной l перемещается относительно статора по направляющим (по опорам) 4. При подаче импульса напряжения между лепестком 3, находящимся в исходном состоянии (А), и электродом 6 происходит электростатический накат части поверхности лепестка на поверхность сегнетоэлектрика (состояние В). Перемещающаяся в пространстве металлическая пленка изгибается, происходит ее натяжение и она передает движение пластине 2, осуществляя таким образом электромеханическое преобразование энергии. Длина наката возрастает во время действия импульса напряжения , соответственно изменяется во времени и шаг перемещения ротора [66].

После прекращения действия импульса напряжения лепесток под действием упругих сил, возникающих при его изгибе, возвращается в исходное положение А (при одиночном импульсе напряжения) или переходит в новое положение С, характерное для непрерывного движения ротора (при подаче на образец серии импульсов); при этом ротор продвигается по инерции на расстояние . От длительности этого процесса (процесса отлипания лепестка от поверхности сегнетоэлектрика) зависит минимальный интервал времени между соседними импульсами напряжения, т.е. максимальная частота следования этих импульсов и соответственно мощность, развиваемая микродвигателем. При подаче на образец второго импульса напряжения движущаяся пластина с лепестками делает еще один шаг и переходит в состояние Е. После окончания импульса происходит пролет ротора по инерции в состояние D (и изменение конфигурации лепестков, аналогичное позиции С). При поступлении третьего импульса и далее движение происходит аналогично: от позиции В к позиции С с соответствующим перемещением пластины 2 [66].

Распластывание лепестка под действием электростатических сил начинается с момента касания поверхности лепестка и сегнетоэлектрика – процесса "захвата" лепестка, который определяет дальнейший характер "электронного приклеивания" лепестка к поверхности сегнетоэлектрика.

Процесс отлипания лепестка определяют силы, удерживающие концы лепестков у поверхности сегнетоэлектрика – адгезионные, гидродинамические, электростатические силы, связанные с остаточными электрическими зарядами в диэлектрике, точнее, с поверхностной неоднородностью распределения зарядов под площадью лепестка [66].

После прекращения действия импульса напряжения в распластанной части лепестков вблизи микронеровностей возникает противодействие упругих сил локально деформированных участков лепестков и трех указанных сил.

Как показывают исследования, роль адгезионных сил значительно меньше роли сил, связанных с остаточными электрическими зарядами. Площадь физического касания лепестков с диэлектриком много меньше видимой площади их касания, а адгезионные силы проявляют себя только при прямом контакте двух тел. Кроме того, не происходит абсолютно плотного касания двух поверхностей, воздушный зазор между ними составляет от 30 до 200 А° в зависимости от шероховатости поверхности диэлектрика [66].

3.4.3. Пьезоэлектрический микродвигатель



Принцип работы пьезоэлектрических микродвигателей основан на преобразовании колебаний пьезоэлектрического статора во вращательное движение полупроводникового ротора [68].

На рис.3.32 представлена структура пьезоэлектрического микродвигателя, состоящего из статора и ротора [68].

Рис.3.32. Пьезоэлектрический микродвигатель
Статор представляет собой мембрану, закрепленную на подложке с помощью упругого подвеса (рис.3.33). В центре мембраны расположен пьезоэлектрический слой ZnO. Диаметр статора – 2 мм.

На рис.3.34 представлен ротор пьезоэлектрического микродвигателя [68].

Рис.3.33. Статор пьезоэлектрического микродвигателя
Как видно на рис.3.34, размеры ротора составляют: длина – 5 мм, диаметр– 2 мм. Высота зубцов ротора – 100 мкм.

При отсутствии внешнего напряжения статор и ротор находятся в покое (рис.3.35,а). При подаче импульса напряжения на пьезоэлектрический актюатор статора происходит изменение его геометрических размеров, что в свою очередь приводит к деформации зубцов ротора (рис.3.35,б). Таким образом, ротор под действием сил упругости смещается на некоторое расстояние вокруг своей оси. Когда напряжение убирается, статор возвращается в первоначальное положение, а ротор оказывается смещенным на некоторое расстояние относительно своего первоначального положения. Далее цикл повторяется.







а


б


Рис.3.34. Ротор пьезоэлектрического микродвигателя:

а – внешний вид ротора;

б – зубец ротора


Рис.3.35. Принцип работы пьезоэлектрического микродвигателя:

а – до активации пьезоактюатора;

б – после активации пьезоактюатора
Данный вид микродвигателей изготавливается с использованием LIGA-технологии, позволяющей создавать роторы устройства с большим аспектным отношением. Основным недостатком данной конструкции микродвигателя является наличие операции микросборки в технологическом процессе изготовления, что не позволяет использовать групповые методы изготовления и снижает степень интеграции данных устройств.

Интегральные микродвигатели
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации