第四章-微机械执行器-微机电系统技术基础课件

第四章 微机械执行器4.1 概述 微执行器是组成微系统的要素之一。微执行器多种多样，都是由许多精细微元件在无尘车间、于显微镜下细致组装而成，是一种活动可控的微机械装置。在种类繁多的执行器中，占有主导地位的是微电机、微泵和微阀以及微驱动器。微机械执行器4.2微电机1.概述：微电机是微执行器研究中的重要课题。根据微电机的运动方式，可分为旋转微电机和直线微电机。由于微结构和微尺寸效应，微电机的驱动方式不像传统电机那样采用电磁力驱动，而是采用静电力或压电力驱动，因而其更具有吸引力。7/15/20242微机电系统技术补充：步进电机的原理如图所示，步进电机是由一组缠绕在电机固定部件-定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。如果线圈中电流的流向如图1所示，并且我们从电机顶部向下看齿槽的顶部，那么电流在绕两个齿槽按逆时针流向流动。根据安培定律和右手准则，这样的电流会产生一个北极向上的磁场。7/15/20243微机电系统技术补充：步进电机的原理双相单级7/15/20244微机电系统技术双相六级驱动电路7/15/20245微机电系统技术微机械执行器2.微电机的原理（1）目前在微机械和器件中使用的微型电动机有两种：直线电动机和旋转电动机。（2）微型电动机的驱动力主要是静电力。线性电动机内相互错开的的电极产生滑动力，促使产生要求的相对运动。原理如下图静电驱动直线电机7/15/20246微机电系统技术微机械执行器2.微电机原理续w由上图可知，两块基板初始时错开了W/3的距离。固定下面的基板，而上面的基板可以在水平面上相对上基板滑动。w首先给电极A，A加电压会驱动上面的基板向左移动，直至A，A完全对齐为止，这时，基板B，B间也错开了相同的距离W/3，一直持续下去，直到最后一对电极对齐为止。w综上所述，上下两块基板上，按合适的间距安装几组电极，就可以产生需要的静电力，促使两组基板发生相对运动。7/15/20247微机电系统技术微机械执行器4.2.1 静电力驱动变电容式微电机4.2.1.1 步进微电机1.设计实例 如下页图所示为静电力驱动变电容式微电机的剖视图，主要由转子和定子组成。转子和定子常用厚度为1.0-1.5微米的多晶硅片制成。转子直径多为60-120微米，转子的静电极数一般为4个或8个；定子的静电极数为6、12或24个。转子和定子电极之间的空隙为1-2微米，或稍大些。静电场加在转子和定子之间。7/15/20248微机电系统技术静电驱动微电机7/15/20249微机电系统技术微机械执行器2.上图所示的微电机的设计，应考虑的因素：（1）能产生较大的驱动转矩，这关系到合理电压的选取。（2）尽可能减小摩擦。（3）精细的角分辨率。7/15/202410微机电系统技术3.变电容式微电机的作用原理（1）转子电极和定子电极间变化电容产生的蓄电能 W=1/2CV2V为加在转子和定子之间的偏置电压，一般在10-100V之间。（2）相对于转角 的转矩微机械执行器7/15/202411微机电系统技术微机械执行器4.转矩与转角位置的关系由图可知，欲使转子启动，应把转子电极和定子电极的相对位置调整到能产生最大转矩的位置上7/15/202412微机电系统技术7/15/202413微机电系统技术7/15/202414微机电系统技术微机械执行器5.电极数选取规则 为保证转子相对定子的步进转动时序，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上，才能使转子继续启动；因此转子的电极数和定子的电极数不是随意的。微电机的转动步幅是定子电极数ns和转子电极数nr的函数7/15/202415微机电系统技术微机械执行器6.为了 降低微机械电机工作中的摩擦力和表面吸附力，采取的措施如下：w相对运动的接触表面，采用2种不同材料相匹配。（实践证明，Si3N4和多晶硅接触间的摩擦系数，远小于2层多晶硅材料接触之间的摩擦系数。）w为了减小因间隙太小而产生的转子表面和衬底表面间的吸附力，在结构原理上采用了微小球面接触支撑和悬浮力的方法。7/15/202416微机电系统技术微机械执行器w克服摩擦和表面吸附力的局部结构7/15/202417微机电系统技术微机械执行器7.微电机制造的工艺步骤w在厚度约300微米的硅衬底上，生长一层300-500nm的SiO2膜；再在SiO2膜上淀积（如LPCVD)一层约为1微米的Si3N4膜。（该复合材料层起电隔离作用）w在Si3N4膜的适当部位，淀积一层1微米的磷硅玻璃，并用干法刻蚀形成图案。（这里磷硅玻璃起牺牲层的作用）w在磷硅玻璃上淀积一层约1.5微米的多晶硅膜，并用干法刻蚀成型转子结构。7/15/202418微机电系统技术7.微电机制造的工艺步骤（接上页）w在转子表面再淀积和填充第二层磷硅玻璃，同时刻蚀出中心轴位置的窗口。w在第一层磷硅玻璃的外环表面上及Si3N4膜外边环处淀积第二层多晶硅膜，并用干法刻蚀出定子结构，定子与转子间的间隙约2微米；再在中部位填充Si3N4，并刻蚀出带轮毂的固定轴。w用HF酸去除全部硅玻璃，余下的多晶硅结构层和氮化硅结构变组成微电机。7/15/202419微机电系统技术w步进微电机制造工艺步骤7/15/202420微机电系统技术微机械执行器4.2.1.2 同步微电机连续运转的变电容微电机如下图示7/15/202421微机电系统技术补充：同步电机的原理7/15/202422微机电系统技术连续运转的变电容微电机如下图示7/15/202423微机电系统技术微机械执行器1.上图的说明（1）第一层多晶硅淀积在复合材料(SiO2+Si3N4)层上，厚度约为300nm，起屏蔽转子与衬底的静电力的作用，以减小作用在转子上的吸引力，使转子能悬浮支撑在带轮毂的轴颈上。（2）用淀积在磷硅玻璃牺牲层上的第二层多晶硅制作定子和转子，且定子和转子共面，以使指向衬底的静电分力尽可能小（3）第三层多晶硅用来制作带轮毂的固定轴（4）在转子和轴颈之间、转子和定子之间均制有Si3N4衬垫，以减小摩擦。7/15/202424微机电系统技术2.同步微电机的制造步骤（1）在复合膜(SiO2+Si3N4)层上淀积一层厚度约300nm的多晶硅膜，作为电机的基础平面。（2）在多晶硅层上覆盖一层厚度约2.2微米的磷硅玻璃膜，作为牺牲层，并在上面淀积第二层多晶硅膜，厚度约1.5微米；再在第二层多晶硅上生长一层厚0.1微米的SiO2，起保护多晶硅的作用。（3）在SiO2层上再淀积一层厚约340nm的Si3N4膜，并用干法刻蚀出大、小窗口。微机械执行器7/15/202425微机电系统技术2.同步微电机的制造步骤（4）刻蚀出Si3N4衬垫、转子及定子。（5）淀积一层磷硅玻璃膜，并刻蚀出带轮毂的轴颈；最后用HF去除牺牲层，余下的就够成了同步微电机。7/15/202426微机电系统技术7/15/202427微机电系统技术微机械执行器3.存在的问题（1）摩擦力（2）吸附力（3）纳米单位精度加工的轴承7/15/202428微机电系统技术微机械执行器4.2.2 静电驱动谐波式微电机结构如右图所示：定子由彼此分开且绝缘的8节同心圆弧段形成的圆柱套构成；转子被套在圆柱孔内，转子半径小于定子孔半径，且转子与定子孔不同心，转子轴心为Or，定子孔心为Os，偏心距离为OrOs=H。由于偏心矩的存在，转子在电场力的作用下，自转的同时，还沿着定子内圆公转。7/15/202429微机电系统技术微机械执行器2.谐波微电机的工作原理 设初始位置，转子与定子在B1节上接触；当电压施加在转子和定子B2节之间时，电动势（静电力）将迫使转子以滚动运转方式沿定子内圆周运行到B2节上接触；依次电压施加在转子和后面的定子节点上，周而复始，便可维持转子连续运转，同时转子轴心还绕定子孔心转动。7/15/202430微机电系统技术微机械执行器3.转子自转角频率和公转角频率的关系为转子自转角频率为公转角频率RS，Rr分别为定子孔半径和转子半径7/15/202431微机电系统技术微机械执行器4.谐波微电机的特点w转子与定子间为滚动摩擦，有利于降低磨损。为了避免转子与定子间可能产生的滑动，常在转子和定子圆周表面均布微小凹槽，使转子和定子间的相对运动好像一对齿轮传动，不出现滑动。w功耗低，工作可靠w不存在彼此间因为空隙小而产生吸附效应7/15/202432微机电系统技术微机械执行器4.2.3 电悬浮微电机 前面的微电机，因有接触都存在摩擦力，工作中一部分电能消耗在克服摩擦上，下面介绍一种电悬浮电机，将明显降低乃至消除摩擦力的影响。电悬浮是一种电场力悬浮支撑。在电悬浮支撑下的转子，能绕某一轴在悬浮平衡的位置上运转；但这样的自由悬浮平衡，如果没有外加控制，通常是不稳定的，稍有扰动，转子就会偏离平衡而失去稳定。7/15/202433微机电系统技术微机械执行器1.使转子稳定的方法（1）连续地或间隔一定时间直接敏感转子位置的变化，通过闭环系统以足够的速度控制电场力的变化，制约转子位置的偏离，但直接敏感转子的位置的微小变化是比较困难的（2）采用由交流电源频率比驱动的谐振电路，通过调整谐振电路参数，实现转子位置的自动稳定。7/15/202434微机电系统技术微机械执行器2.电悬浮微电机的原理结构（1）无调节电悬浮电机原理结构7/15/202435微机电系统技术微机械执行器w无调节电悬浮电机原理结构说明作用在极板上的这个电场力可表示为：U是转子和定子极板间电场的电势能，这个电势能可用极板间有效电容C和电容极板间电压VC来表示：7/15/202436微机电系统技术w无调节电悬浮电机原理结构说明将转子沿Z方向拉向定子的分力：平板有效电容C可表示为7/15/202437微机电系统技术微机械执行器转子平衡时满足的方程当z方向力的代数和为0时，转子才处于自身的 平衡位置，此时的d即为平衡距离。稍有扰动转子就会失去平衡。下面就是改进的结构7/15/202438微机电系统技术微机械执行器（2）有调节电悬浮电机原理原理图如下图利用交流电源（s，Vs)驱动的LC谐振电路，通过电容调节便能使转子自动稳定在平衡位置上7/15/202439微机电系统技术微机械执行器w上图所示系统可用下列方程描述Vc为电容器的端电压7/15/202440微机电系统技术对于稳态而言，可视电容近似为常数，在此条件下，上面方程的解为：为电源电压和电容器极板电压之间的相位差7/15/202441微机电系统技术施加在电容器上的有效电压为：把上式改造一下，就得到了有效电压比随频率变化关系：由上式可知，当电源频率s等于LC电路的固有频率（即 ）时，电路产生谐振，谐振关系如下图所示。7/15/202442微机电系统技术w电悬浮微电机系统谐振特性7/15/202443微机电系统技术微机械执行器w转子保持稳定的原理由上图可知，在电源频率s 大于LC电路的固有频率or，电容有效电压便随着电容器极板间距的增加而增加，随着间距减小而减小。因为电容大小与间距成反比。所以转子保持稳定平衡的条件：LC电路的固有频率or 必须小于电源频率or 即：7/15/202444微机电系统技术微机械执行器w从悬浮力来说有如下公式：与以前没有调节环节的方程相比，上式有电容调节环节，所以即使有外界扰动，电路系统也能通过电容变化自动调节使其满足上式条件，使转子在平衡位置上保持自动稳定。7/15/202445微机电系统技术微机械执行器w悬浮电路的尺寸因为该电路使用了外电感，而电悬浮微电机是微机械装置，要求电感元件做的尽可能小，最好能并入到微电机的衬底上。对于悬浮电感值由下式确定转子平衡时的板间电容C0通常很小；因此对于很小的电感值而言，电源频率必须很高。7/15/202446微机电系统技术本节总结静电驱动微电机w静电力驱动变电容式微电机 步进微电机 同步微电机w静电驱动谐波式微电机w电悬浮式微电机7/15/202447微机电系统技术