第六章——磁執(zhí)行器+修改ppt課件

1、第六章 磁執(zhí)行器根本概念和原理 -磁化及術(shù)語(yǔ) -微磁執(zhí)行器的原理 微磁元件的制造 -磁性資料的堆積 -磁性線圈的設(shè)計(jì)和制造磁傳感器實(shí)例MEMS磁執(zhí)行器的實(shí)例電磁式微執(zhí)行器-根本概念磁化及術(shù)語(yǔ) 在磁場(chǎng)中的磁性資料會(huì)發(fā)生內(nèi)部磁性的極化，這種景象稱為磁化。磁場(chǎng)強(qiáng)度符號(hào)H代表外部磁場(chǎng)對(duì)磁性資料的影響，單位A/m。磁場(chǎng)密度符號(hào)B代表在磁性資料中感應(yīng)的總磁場(chǎng)，單位特斯拉T，1T=10000Gs。普通常見的磁性物體磁場(chǎng)密度是： 普通電冰箱的磁場(chǎng)為：100-1000Gs 地磁場(chǎng)赤道附近為：1Gs 磁存儲(chǔ)介質(zhì)為：100mT或100Gs 用于磁諧振成像的稀土磁體為：1-2T家庭常用電器電磁輻射檢測(cè)數(shù)據(jù)參考表(mG

2、：毫高斯) 電器咖啡爐傳真機(jī)電熨斗錄像機(jī)VCD電磁輻射量1mG2mG3mG6mG10mG電器音響電冰箱空調(diào)電視機(jī)洗衣機(jī)電磁輻射量20mG20mG20mG20mG30mG電器電飯鍋復(fù)印機(jī)吹風(fēng)機(jī)手機(jī)電腦 電磁輻射量40mG40mG70mG100mG100mG電器電須刀電熱毯吸塵器無繩電話微波爐電磁輻射量100mG100mG200mG200mG200mG硬磁體與軟磁體硬磁體：極化后剩磁較大軟磁體：極化后剩磁較小或無剩磁電磁式微執(zhí)行器-根本概念磁執(zhí)行器原理電磁致動(dòng)：經(jīng)過線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)磁體由于磁場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。通電線圈 通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)。平行的兩條導(dǎo)線中通以一樣方向的電流那么彼此之間相互吸引

3、，假設(shè)通以相反的電流，那么彼此之間相互排斥。 電流流過U形導(dǎo)線時(shí)會(huì)在兩條導(dǎo)線之間產(chǎn)生排斥力。類似地，在一條置于磁場(chǎng)中的柔性金屬線上通以電流，導(dǎo)線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 通電線圈也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，它可與磁鐵或相隔一定間隔的線圈產(chǎn)生的外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)活力械力。優(yōu)點(diǎn)：防止引線磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境影響較小用無源永磁體，耗能小微磁執(zhí)行器的原理例8-21T的均勻磁場(chǎng)中，10mA電流的100m長(zhǎng)金屬線，與磁力線垂直，受力多少？BI洛倫茲力？磁體在磁場(chǎng)中的受力MMMMMMMMMMabc情況a情況b情況c磁片1 2 3 41 2 3 41 2 3 4靜力0 0 0 00 0 0 0F F F F靜力矩0 0 0 0 0 T 0 T0

4、 T 0 T1234微磁元件的制造-磁性資料的堆積雖然可以把小片磁性資料附著在微機(jī)械構(gòu)造上來實(shí)現(xiàn)傳感器和執(zhí)行器，但通常這樣的方法效率很低。磁性資料的片上集成更加準(zhǔn)確而且運(yùn)用廣泛。微器件堆積鐵磁資料最常用的方法是電鍍。含有所需磁性資料的離子化學(xué)溶液用作晶片的電解液。在電鍍槽中放有相反電極，金屬堆積晶片的任務(wù)片加上負(fù)偏置電壓。圖 磁性資料電鍍的工藝流程圖 電鍍模具移去后，構(gòu)成的蘑菇 狀電鍍金屬微磁元件的制造-磁性線圈的設(shè)計(jì)和制造在芯片上集成螺線管是一件很有意思的事情。它們可以用作電磁源、線圈執(zhí)行器、電感器、遙測(cè)線圈和集成電路中的變壓器。最普遍而且可以制造的電磁體方式是單層、空心的平面線圈。這樣的線

5、圈不能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通量密度，由于短少磁芯而且橫向分布的金屬線遠(yuǎn)離線圈的中心。下面兩幅圖堆多層平面線圈的工藝流程以及三維微線圈的制造進(jìn)展了闡明。圖6.1 多層平面線圈的工藝流程圖6.2 三維微線圈的制造電磁體電磁體磁性梁執(zhí)行器永磁體氮化絕緣層入口出口德國(guó)的電磁致動(dòng)微型閥金線圈 多晶硅 德國(guó)研制的電磁致動(dòng)微閥，閥片為犧牲層技術(shù)制造的多晶硅膜。這是為小型氣體分析儀設(shè)計(jì)的微閥構(gòu)造，設(shè)計(jì)的壓力目的為10-50kPa，過流才干為2-20mL/min，呼應(yīng)時(shí)間為5ms。 電磁致動(dòng)微閥電磁式微執(zhí)行器實(shí)例 外加磁場(chǎng)導(dǎo)致坡莫合金區(qū)域產(chǎn)生磁性極化，這反過來又和外加磁場(chǎng)作用，結(jié)果導(dǎo)致執(zhí)行器重新定位，直到它與磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。

6、該器件可用于斬波、掃描、光束導(dǎo)向等微光學(xué)場(chǎng)所。外加磁場(chǎng)的磁執(zhí)行器鐵鎳合金線圈導(dǎo)管硅外部驅(qū)動(dòng)微機(jī)械電磁閥該閥由一個(gè)NiFe濺射閥座和一個(gè)可開啟、封鎖的可挪動(dòng)NiFe閥膜組成。依托活動(dòng)膜片上支撐彈簧的內(nèi)力，可以制成常開或常閉閥。微機(jī)械閥元件放置于攜帶有流體的管道中，管道的外面是由外加線圈構(gòu)成的磁場(chǎng)，構(gòu)成了一種電隔離操作。外加磁場(chǎng)的電磁閥電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(7)電磁光開關(guān)電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(8)磁場(chǎng)光纖MEMS驅(qū)動(dòng)器電磁驅(qū)動(dòng)光纖開關(guān)原理表示圖 加州理工學(xué)院設(shè)計(jì)的一種電磁驅(qū)動(dòng)光纖開關(guān)的原理表示圖。當(dāng)開關(guān)處于開形狀時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器帶著雙面微鏡向上運(yùn)動(dòng)，將微鏡置于光纖之間，每個(gè)輸入光纖的光信號(hào)經(jīng)反射后從相鄰

7、的輸出光纖輸出，如圖a所示；在關(guān)形狀，微鏡在光纖之下，輸入光纖的信號(hào)直接從正前方的輸出光纖輸出，如圖b所示。 電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(9)磁馬達(dá) 可變磁阻的微磁馬達(dá)，它帶有選集成的定子和線圈。定子由集成的電磁體制成，轉(zhuǎn)子由軟磁性資料制成。馬達(dá)有兩組顯磁極，一組在定子上，一組在轉(zhuǎn)子上。 當(dāng)鼓勵(lì)相位線圈時(shí)，接近鼓勵(lì)定子電極的轉(zhuǎn)子磁極會(huì)吸引到定子磁極如圖a、b所示。由于定子旋轉(zhuǎn)，定子磁極將與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)準(zhǔn)。關(guān)斷鼓勵(lì)相位線圈的電流，下一個(gè)相位開場(chǎng)鼓勵(lì)使之延續(xù)運(yùn)動(dòng)。雙穩(wěn)態(tài)磁開關(guān)靜電執(zhí)行器需求恒定的電壓偏置來堅(jiān)持開關(guān)在開或關(guān)的形狀，比較容易受供電中斷的影響。開關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)鎖定很重要，由于它只需在開關(guān)的轉(zhuǎn)變過程中才

8、耗費(fèi)掉功率，但無論在開或關(guān)的形狀都不需求電來堅(jiān)持。電磁式微執(zhí)行器實(shí)例雙穩(wěn)態(tài)磁開關(guān)構(gòu)造:由改動(dòng)支柱將懸臂提升在襯底外表的上方。懸臂由頂部上的軟鐵磁資料和底部上的一層高電導(dǎo)率的金屬構(gòu)成。平面線圈埋置于懸臂的下方。偏置磁場(chǎng)有兩個(gè)來源：一個(gè)是平面線圈，一個(gè)是永久磁體。永久磁體位于襯底的外表，用于提供恒定的背景磁場(chǎng)。該開關(guān)的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于：雙向磁化可以經(jīng)過運(yùn)用第二個(gè)磁場(chǎng)很快反轉(zhuǎn)。這使得可以施加小電流來實(shí)現(xiàn)力矩和開關(guān)位置的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，在懸臂梁和外部磁場(chǎng)之間運(yùn)用了平面線圈以產(chǎn)生磁場(chǎng)來補(bǔ)償外部磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。永久磁體使懸臂堅(jiān)持在開或關(guān)的位置直到下次開關(guān)動(dòng)作出現(xiàn)。磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮效應(yīng)： 1840

9、年焦耳發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給鎳棒加一個(gè)軸向磁場(chǎng)時(shí)，它會(huì)收縮。在外加磁場(chǎng)的作用下，資料的磁疇按外磁場(chǎng)進(jìn)展陳列，從而引起資料尺寸的變化。微型磁強(qiáng)計(jì)定義：利用MEMS技術(shù)制造的，把磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件。微型磁強(qiáng)計(jì)按任務(wù)原理主要可分為兩大類：電磁效應(yīng)式和機(jī)械式。 微傳感器的實(shí)例電磁微型磁通門式磁強(qiáng)計(jì)磁通門式磁強(qiáng)計(jì)由繞向相反的一對(duì)鼓勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈組成。磁芯任務(wù)在飽和形狀。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)為零時(shí)，兩個(gè)磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在丈量線圈中無電壓產(chǎn)生。當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)不為零時(shí)，在丈量線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。德國(guó)于1995年研制的微型磁通門磁強(qiáng)計(jì)，利用CMOS工藝制造線圈。尺寸為1mm1mm1um，靈敏度為 9.2mV/uT 微型磁通門式磁強(qiáng)計(jì)例1日本于1994年研制的三維螺線管線圈，尺寸為4.9mm1mm4m，靈敏度到達(dá)2700V/T，分辨率到達(dá)10-7T微型磁通門式磁強(qiáng)計(jì)例2機(jī)械式微型磁強(qiáng)計(jì)布有線圈或永磁體的微梁在磁場(chǎng)中受力變形或運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過丈量該變形或運(yùn)動(dòng)，獲取磁強(qiáng)信息。丈量方式有：壓阻式、電容式、隧道效應(yīng)式等。 美國(guó)UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撐著一線圈，線圈通上交變電流，在Lorentz作用下梁發(fā)生振動(dòng)，利用壓敏電阻丈量其振幅。分辨率為10-8T，Q為10。諧振式微型磁強(qiáng)計(jì)例