微执行器导论

微执行器导论—读书笔记摘要：微执行器可用来产生力和机械运动，是微机电系统中的重要组成部分。根据敏感源和执行方式的不同，微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类。本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细的介绍，并简单总结了不同执行器的独特性能和优缺点。1、简介MEMS技术的迅速发展带来了传感器和执行器的革命性变化。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，并按照一定规律将其转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用，主要用来产生机械运动、力和扭矩。传感器和执行器统称为换能器，利用换能器可以实现信号和能量的转换。目前受到广泛关注的能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。一个系统的能量可以有一个或多个不同的能量域组成，在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。由于MEMS的微小化和小尺寸效应，微执行器并非是简单的传统机械的微型化，其驱动方式与传统机械大有不同，甚至会采用多种执行机制来实现特定功能的微执行器驱动。微执行器作为可动部分，其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等指标决定了系统的成败，它是微机电系统中最重要的环节。在微执行器的设计和选择过程中，有以下几个标准必须考虑：(1)扭矩和力的输出能力；(2)位移范围；(3)动态响应速度和带宽；(4)材料来源及加工的难易程度；(5)功耗的能量的转换效率；(6)驱动偏置函数的线性位移；(7)交叉灵敏度和环境稳定性；(8)芯片占用面积等。这些因素在很大程度上影响微执行器的性能、生产成本的高低以及商业化生产的程度等。因此，对微执行器的研究是微机电系统的核心内容，是超精密加工技术发展的关键技术基础。2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能的形式转化为机械能，对于某种特定的执行器驱动，通常会有多种能量转换机制。由于对某一传感器和执行过程来讲，能量转换的形式有很多，如静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热敏感驱动、磁致伸缩驱动等，每一种转换途径都会要求不同的敏感材料、加工方法及结构设计等，本文将从这几个方面对不同驱动形式的微执行器作详细介绍和对比总结。2.1静电型微执行器2.1.1基本原理电容器可以看成是存储相反电荷的两个导体，当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时，电容值也随之变化，这就是静电敏感的机理。当电压(或电场)施加于两个导体上时，导体之间就会产生静电力，称为静电执行。微型器件所具备的小质量和较大比表面积等性能使得作为表面力的静电力具有很大优势应用于微执行器驱动源。电容器可以用做产生力或者位移的执行器。电容式执行器利用的主要是带有相反电荷的两个表面之间产生的静电引力，静电斥力的应用较少，根据电极的几何结构来分，电容器主要有平板电容器和叉指(梳状驱动)电容器。下面将对这两种结构的原理、应用等进行详细介绍。2.1.2平行板电容微执行器平行板电容器是静电型微执行器的基本结构，狭义上来讲，它是由两个宽度方向相互平行的导体平板构成的。当施加电压时，两平行极板间的静电引力为：dCVF22其中C为电容，V为静电势，d为两极板之间的距离。由上式可以看出，在其它条件不变的情况下，静电力的大小随着平板间距的减小和静电势的增大而迅速增加。静电力是一种短程力，当间隙在几个微米量级时最为有效，电容式静电执行器的电压上限取决于电介质的击穿电压。目前应用最多的是垂直于电极的线性运动和转动，可通过增大初始间距来产生更大的运动范围，但力的大小却因此受限，故应注意运动范围和可用力的性能折中，目前可通过一种抓爬式执行器设计来获得远距离的面内运动。大多数静电执行器至少包含一个由弹簧支撑的可变形平板，在该类器件的设计中要考虑可变形平板在某一偏置电压下引起的静态位移大小。当施加电压时，两平板之间会产生静电力，静电力使得平板间隙有减小的趋势，从而引起位移和机械回复力。平衡状态下两个力等大反向。对于恒定的偏置电压，机械恢复力随着极板位置线性变化，与静电引力在多个位移处相交，但只有一个是稳定的。可产生稳定位移的偏置电压上限成为吸合电压Vp，当偏置电压继续增大超过Vp，两种力的F-x曲线再无交点，即静电力无法平衡机械恢复力，静电力继续增大，两平板间距迅速减小直至完全接触到一起，该现象称为吸合，至此重新机械力与静电力重新达到平衡。引起吸合所需的电压与位移对于静电微执行器的设计至观重要，可以通过解析模型获得，动态系统的吸合效应对系统的性能有着至关重要的影响。2.1.3叉指电容微执行器与平行板电容器不同，叉指电容器通过电极侧壁产生电容。将两组电极放置于与衬底平行的平面上，一组电极固定，另一组电极可沿一个或多个轴向自由运动，叉指类似于梳子上的齿，故该结构也可被称作梳状驱动器件。叉指电容器的总电容是邻近梳指构成的电容总和。在设计该类型的执行器时，应充分考虑梳齿厚度以及固定梳齿和可动梳齿之间的距离，厚度越大、两者间距越小电容效应越明显。目前基于梳状驱动的设计有很多，常见的有两种类型：横向驱动梳指器件和纵向驱动梳指器件。两者的区别在于自由梳指的运动方向不同，前者沿垂直于梳指纵轴的方向运动，后者沿梳指纵轴的方向运动。共面横向和纵向梳状驱动在MEMS中较为流行，但也有许多不同的梳指电容器配置和结构偏离这两种主流。叉指电容微执行器常用来产生面内或离面位移，在直流电压和准静态偏置下受限的位移幅度可通过谐振驱动和机械齿轮结构实现大的转动或线性位移。此类型的执行器在光开关中经常被使用。2.1.4总结作为MEMS微执行器的主要驱动方式，静电驱动型微执行器具有以下几个特点：(1)静电力与尺寸的平方成反例，即静电驱动时微机械尺寸愈小单位体积产生的力愈大。(2)采用电压驱动控制容易、易于高速化，而且可以实现低功耗使集成化变得容易。(3)微小间隙产生的高电场可使静电驱动力增加。除此之外，静电微执行器的优点可归纳总结为：(1)结构简单：原理相对简单，容易实现，仅需两个导电表面，无需专门的功能材料。(2)功耗低：依赖于电压差而非电流，低频应用时即可有很高的能效。(3)响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对于良导体时间常数很小。但与此同时静电敏感与执行也存在着不可忽视的缺点。一方面静电执行需要较高电压，在线性静电执行器中，实现几十微米的位移就往往需要几百伏的电压，而高压则会带来电路复杂和材料兼容性方面的问题。另一方面与绝缘体机械连接的电极上会积累电荷，而电荷会改变器件的工作特性。2.2热敏感微执行器2.2.1基本原理微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热量来实现。温度分布的变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力的输出。微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导和热对流的热量，温度可以升高；而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷，微结构的温度可以降低。微尺度下原子的振动证明了温度的存在。当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。热量从一点传递到另一点有四种可能的机制：(1)传导；(2)自然对流；(3)强迫对流；(4)辐射。对热传递过程的理解和掌握在热执行器的设计中起着至关重要的基础作用。2.2.2基于热膨胀的执行器热膨胀是材料的普遍行为。温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大。在MEMS领域内，一般有以下三种主要方式的热微执行机构：（1）热双金属片结构、（2）弯曲梁结构、（3）热空气结构。对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。它是把两片热膨胀系数不同的金属结合成三明治结构。受热时，由于一片件数的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。它们有相同的长度，但热膨胀系数（TEC)不同。当温度均匀变化△T时，两层的长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。横向的梁弯曲由此产生。许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。利用此原理制备的执行器种类较多，例如模仿生物纤毛来携带并在平面上横向输送微小物体的人工纤毛执行器等。热双层片执行器具有较大的运动范围，且在同等位移下覆盖面积较小，但其响应速度较慢，同时热双层片的弯曲很容易产生离面线性位移或角位移。如果分层的热双层片材料堆在垂直的表面上，就可以产生面内位移，但这种堆叠结构制作比较困难。用弯梁电热执行器可产生面内位移，这是一种基于单一材料的热执行器。弯曲梁结构是用不同尺寸同一种材料组成的双梁结构，在电极上加以适当的电压，冷臂、热臂和弯曲段，由于热臂的面积比冷臂小得多，所以其电阻大，进而发热量比冷臂大得多，因此有较大的热膨胀量，整个结构将向冷臂方向弯曲。停止加热，由于热量散失，梁将回到初始位置。在单一材料材料组成的热执行器中，横向驱动热执行器应用广泛，它基于微结构(由同一种导电材料制成的两臂组成)的不对称热膨胀：电流通过时，两臂由于横截面积或长度不同而具有不同的热功率和热膨胀，从而导致不同的纵向膨胀。热空气结构的基本原理为当电阻发热时，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀产生位移；当停止加热，膜又回到原来的位置。2.3压阻传感器2.3.1压阻效应压阻效应指的是当电阻受到应力和形变时,其阻值会发生改变。该效应于1856年被发现，为机械能和电能之间提供了一种简单、直接的能量与信号转换机制，目前已广泛应用在MEMS领域的许多传感器中，如压力传感器、触觉传感器等。电阻的阻值由几何尺寸和体电阻率决定，通过施加应变改变阻值的方法有两种。第一种，电阻的几何尺寸，包括横截面积和长度等会随着应力发生改变。第二种，某些材料的电阻电阻率是应变的函数，因而会随应变的改变而发生变化。电阻率改变引起的电阻阻值的该变量远大于几何尺寸变化对电阻值的影响。施加在电阻上的应力包含三个基本分量，一个沿电阻的纵轴，另外两个与纵轴成直角且相互垂直，在纵应力分量下测得的阻值变化称为纵向压阻相应，同理在横向应力分量下测得的阻值变化称其为横向压阻效应。任何一种电阻材料中都存在横向压阻效应和纵向压阻效应，但不同材料中起主导作用的压阻效应有所不同，电阻在应力作用下的阻值变化为横向和纵向应力分量作用下电阻变化阻值之和。在传感器中，电阻阻值的变化可通过惠斯顿电桥的电路结构获得。2.3.2压阻传感器材料应变计指的是在电阻值的改变中起主导作用的是应力导致的电阻尺寸变化的电阻器，多为金属应变计；压阻器指的是电阻率随着施加应变而变化的电阻器，如硅。引起的常用的压阻传感器材料有以下几种：(1)金属应变计：结构多为金属包层的塑料片形式，将其粘附在机械薄膜表面进行应行研究。应变计的导电通路多为之字形以提高电阻长度和总电阻的大小。就性能而言，半导体压阻计要优于薄膜金属应变计，但金属在断裂前可承受很大的延伸量。(2)单晶硅：半导体压阻计可通过对硅进行选择性掺杂获得，掺杂单晶硅的压阻系数并非常量，而是受掺杂浓度、掺杂类型和衬底温度的影响。设计硅压阻时，必须考虑这几个因素的影响。在性能方面，优异的硅半导体压阻器须尽量满足电阻值可观、压阻系数最大化和温度效应最小化这三个重要衡量标准，并在这三者之间折中选取总体最优解。(3)多晶硅：相比于单晶硅压阻器，多晶硅压阻器可沉积在多种材料的衬底上，但其应变系数要小得多。应用于MEMS领域的多晶硅应具有低的应力和良好的保形能力,与应用到电子器件上的多晶硅在微观结构和工艺上上有着重要区别。2.3.3压阻传感器目前，压阻敏感效应已广泛应用在许多类型的传感器中。下面介绍一些具有代表性的实例，这些传感器都具有独特的器件设计、制造工艺以及可达到的性能指标：(1)惯性传感器：根据牛顿第二定律F=ma可知，当有加速度作用时，质量块受到惯性力，与它连接的机械支撑元件会发生形变，从而引入应力和形变。通过测量