靜電微執(zhí)行器

靜電微執(zhí)行器王云201521203018機研156摘要：微執(zhí)行器是微系統(tǒng)三大組成部分之一，是微系統(tǒng)中能實現(xiàn)微操作的關(guān)鍵驅(qū)動部件?，F(xiàn)代工業(yè)對精度的要求極高，傳統(tǒng)的執(zhí)行器件無法滿足這種精度要求，微執(zhí)行器應(yīng)運而生。不同的微執(zhí)行器由于不同的工作特點，制作也有差別。靜電執(zhí)行器是利用異性電荷的庫侖力作用來實現(xiàn)機械運動的。靜電執(zhí)行器可以制作靜電電機、靜電微閥和微泵等。關(guān)鍵字：驅(qū)動；微執(zhí)行器；靜電執(zhí)行器；電機；Abstract:themicroactuatorsisoneofthethreecomponentsofmicrosystemisthekeytothemicrosystemcanrealizemicrooperationsdrivecomponents.Modernindustryfortherequirementofhighprecision,theimplementationoftraditionaldevicecanmeettheaccuracyrequirement,microactuatorsarisesatthehistoricmoment.Duetothedifferentcharacteristicsofdifferentmicroactuators,therearedifferences.Electrostaticactuatoristheuseofoppositechargesofcoulombforceisusedtoimplementthemechanicalmovement.Electrostaticactuatorcanmakeelectrostaticmicromotor,electrostaticmicrovalveandpump,etc.Keywords:drive;Microactuators;Electrostaticactuator,Themotor;0引言微機電系統(tǒng)MEMS,—般泛指尺度在微米級的裝置。微機電系統(tǒng)一般有三大部分構(gòu)成：微傳感器、微處理器和微執(zhí)行器。微執(zhí)行器在宏觀概念上就和電動機一樣，是MEMS不可缺少的部件。長期以來，人們研究壓電、靜電、電磁等各種各樣的驅(qū)動器件，其中靜電力執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和激勵方式簡單，加工工藝容易實現(xiàn)，能產(chǎn)生往復(fù)振動的靜電諧振器頻帶寬度窄，驅(qū)動阻尼小，品質(zhì)因數(shù)高［1。靜電執(zhí)行器在微系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，是微系統(tǒng)執(zhí)行器的研究熱點。本文從靜電執(zhí)行器的基本概念出發(fā)，介紹了靜電執(zhí)行器的工作原理、分類以及前景。1靜電執(zhí)行器的概念靜電執(zhí)行器是利用異性電荷的庫侖引力作用來實現(xiàn)機械運動的［2。如圖所示1正電荷員電荷圖1靜電執(zhí)行器工作原理當在兩極板施加電壓時，由于極板之間有介質(zhì)存在，正負電荷會分別聚集在兩個極板上，這時正負電荷之間就會產(chǎn)生靜電引力就是庫侖力為8SU2F_22d2式中8介電常數(shù)S電極板面積U施加電壓d電極間距當改變施加的電壓時，由于靜電引力的變化使電極之間的距離發(fā)生幾個微米的變化。電極間距越小，電極間電場強度越大，產(chǎn)生的靜電力也越大。因此微機電靜電執(zhí)行器能夠獲得相對較大的驅(qū)動力。靜電執(zhí)行器是表面力的作用，即靜電執(zhí)行器的驅(qū)動力取決于施加電壓、電極間距和面積，而與電極厚度和體積無關(guān)，因此靜電執(zhí)行器的微型化比電磁執(zhí)行器、形狀記憶合金執(zhí)行器等于體積相關(guān)的微執(zhí)行器易實現(xiàn)。靜電執(zhí)行器常制作靜電旋轉(zhuǎn)電機、靜電直線電機、靜電微泵與微閥以及硅扭轉(zhuǎn)鏡等。靜電微執(zhí)行器常采用梳狀電極以增加作用面積和運動距離，如圖2。圖2靜電梳狀電極2靜電驅(qū)動與其他驅(qū)動方式的區(qū)別靜電驅(qū)動與壓電、壓阻、電磁和記憶合金等驅(qū)動方式相比，靜電驅(qū)動的驅(qū)動力不大，但由于靜電驅(qū)動改變極板電壓就可以來改變驅(qū)動力，即用電壓控制。靜電驅(qū)動的能耗小，響應(yīng)時間短，效率高，工藝兼容性好，可以用體硅和表面微機械加工，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成，是微機電執(zhí)行器的發(fā)展趨勢［3。3靜電驅(qū)動的應(yīng)用靜電旋轉(zhuǎn)電機以梳狀電極平行運動為基礎(chǔ)，通過時序控制在定子電機各齒面上的電壓，使轉(zhuǎn)子收到扭轉(zhuǎn)力產(chǎn)生力矩，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。旋轉(zhuǎn)型靜電電動機一般是以多晶硅材料制成，形狀為扁平。旋轉(zhuǎn)型靜電電動機可以分為三種:頂驅(qū)動型、側(cè)驅(qū)動型以及擺動型。頂驅(qū)動型旋轉(zhuǎn)靜電電動機的結(jié)構(gòu)是定子在轉(zhuǎn)子的上面，定子電極與轉(zhuǎn)子電極之間形成電容，電容中電場變化產(chǎn)生一個相對軸承為切向的靜電力,直接驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)。如圖3為靜電旋轉(zhuǎn)電機。圖3靜電旋轉(zhuǎn)電機靜電電動機的運行原理有兩種:一種是利用介電馳豫原理，另一種是利用電容可變原理。1介電馳豫原理.利用介電馳豫原理的靜電電動機一般被稱為靜電感應(yīng)電動機或異步介電感應(yīng)電動機。其具體原理如下：如果將一個介電轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)電場中，那么就會在轉(zhuǎn)子表面感應(yīng)出電荷,由于介電馳豫，這些電荷滯后于旋轉(zhuǎn)電場，這些感應(yīng)電荷與旋轉(zhuǎn)電場之間的偏移就產(chǎn)生了一個作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩。如果轉(zhuǎn)子由多種介質(zhì)構(gòu)成，那么不同的介電馳豫過程就會被疊加在不同的頻率下起作用。由于電動機運行時，轉(zhuǎn)子的角速度小于旋轉(zhuǎn)電場的角速度，因此這種電動機被稱之為“異步”電動機的轉(zhuǎn)矩與效率都取決于轉(zhuǎn)子角速度與旋轉(zhuǎn)電場角速度的比。感應(yīng)型靜電電動機有其自身的優(yōu)勢：第一，感應(yīng)電動機靠介電馳豫來建立轉(zhuǎn)子上的電荷分布，而不是靠轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)，于是感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)子可以是光滑均勻的，甚至可以是液體。所以從制造工藝上講，感應(yīng)電動機比電容可變電動機有優(yōu)勢。第二，感應(yīng)電動機是異步運行的，所以它可以不需要轉(zhuǎn)子位置的反饋就可以獲得較好的運行性能。第三，在感應(yīng)電動機某一特定的運行狀態(tài)下可以提高軸承摩擦和磨損的特性。但是由于介電感應(yīng)電動機材料的電性能對電動機的運行有很大的影響，因此對于感應(yīng)電動機而言，對材料導電性能的控制就成為設(shè)計和制作上的難點2電容可變原理利用電容可變原理的靜電電動機就是指利用帶電極板之間基于靜電能的能量變化趨勢產(chǎn)生機械位移，這種作用力使兩個電極趨于互相接近并達到一能量最小的穩(wěn)定位置。電動機的定子為靜止電極，轉(zhuǎn)子為移動電極，通過限制轉(zhuǎn)子向定子方向移動的自由度，就可以使轉(zhuǎn)子獲得一個單一方向的位移。電容可變型靜電電動機的結(jié)構(gòu)簡單，由性能良好的絕緣體和導電體構(gòu)成,它的激勵只需要簡單的開環(huán)電壓脈沖就足夠了。電容可變型靜電電動機也有著一些缺點：第一，為了使之能夠運行，必須保證定轉(zhuǎn)子間的電容可變，因此對于頂驅(qū)式和側(cè)驅(qū)式電動機的轉(zhuǎn)子就必須是凸極的結(jié)構(gòu)J,這樣的結(jié)構(gòu)做成平面化就需要復(fù)雜的工藝步驟。第二，為了獲得較大的電容變化以提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，就需要減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，這就又增加了加工的難度。第三，電容可變型靜電電動機是同步式電動機，因此即使是最小的運行也需要轉(zhuǎn)子位置的反饋，這可以說是一個很重要的缺點。最后，轉(zhuǎn)子易受到橫向電場力的作用，從而導致了軸承摩擦和磨損。4靜電驅(qū)動研究趨勢隨著靜電電動機的外形尺寸越做越小,摩擦問題成為制約靜電電動機壽命與性能的最大因素（目前靜電電動機的壽命一般是以小時為單位來計算），同時摩擦力還直接影響著靜電電動機的效率。對于超微型的靜電電動機來，摩擦力主要是由于表面的相互作用力而不再是載荷壓力，傳統(tǒng)的宏觀摩擦理論和研究方法已不再適用。研究微觀摩擦理論來獲得在質(zhì)量很小、壓力很輕的條件下無摩擦、無磨損的邊界條件對于解決以上問題是十分必要的［4。目前靜電電動機的驅(qū)動力矩還是相對過小，這使它的應(yīng)用范圍受到限制。要實現(xiàn)靜電電動機長距離重負載的運動，需要采用新的制造材料和新型結(jié)構(gòu)，同時也要研究靜電電動機與被驅(qū)動對象之間的傳動機構(gòu)。由于靜電電動機外形尺寸比較小，特別是由于其結(jié)構(gòu)多為扁平（徑向直徑大于軸向長度），所以對靜電電動機需要進行三維場的分析，一般情況下是采用有限元法（FEM）或邊界元法（BEM）。通過三維靜電場的計算，建立解析模型（也稱集總參數(shù)模型），結(jié)合電壓激勵方式的優(yōu)化和外形尺寸的優(yōu)化，以實現(xiàn)靜電電動機設(shè)計的自動化。5結(jié)束語本文主要介紹了靜電執(zhí)行器的基本概念和原理、靜電驅(qū)動的分類、應(yīng)用以及研究方向。靜電驅(qū)動常采用的梳狀電極方式有助于提高執(zhí)行器的綜合性能。參考文獻