大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理1、背景微型机电系统，即MEMS（MicroElectric-MechanicalSystem）是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。
MEMS是在微电子学科基础上发展起来，同时，它又有是多学科交叉的学科。
MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号，并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。
同时，每个系统不是独立的，它可以通过接口与其他的系统进行互联。
其中，微执行器是MEMS的核心部分，它既可以为微系统提供动力，也可以成为微系统的操作和执行单元。
因此微执行器有许多种不同的驱动方式。
常见的驱动方式主要有：静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金（SMA）驱动和磁致伸缩驱动等形式。
本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。
2、微执行器的分类及特点从驱动形式角度来看，有许多种微执行器，但常用的只有三种：电场力、磁场力和热效应驱动。
由于静电微执行器的体积小，结构简单，是目前应用最多的一种微执行器。
它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。
但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多，比如微马达。
热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变，改变驱动部件的结构，对目标物体施加所要求的作用力。
但热驱动力的功耗较大，而且精度不易控制。
磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。
它有两种力的驱动方式：洛伦兹力和磁场力。
目前，主要利用磁驱动的微执行器是微马达。
由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速，现已被广泛应用。
3、三种微执行器的工作原理3.1一种平板式静电微执行器静电执行器的基本工作原理是平板式静电执行器由两个极板组成。
当对两个极板充电，两个极板将带上异种电荷，极板间将产生吸引力。
由于这类微执行器结构简单，并且力的大小可由电压来控制决定，所以被广泛的应用。
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理摘要：微执行器是构成MEMS动力部分，是MEMS的操作和执行机构。
本文介绍了常用的电场力、磁场力和热效应驱动的三种驱动的MEMS微执行器特点及工作原理。
关键词：MEMS 微执行器工作原理1、背景微型机电系统，即MEMS（Micro Electric-Mechanical System）是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。
MEMS是在微电子学科基础上发展起来，同时，它又有是多学科交叉的学科。
MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号，并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。
同时，每个系统不是独立的，它可以通过接口与其他的系统进行互联。
其中，微执行器是MEMS的核心部分，它既可以为微系统提供动力，也可以成为微系统的操作和执行单元。
因此微执行器有许多种不同的驱动方式。
常见的驱动方式主要有：静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金（SMA）驱动和磁致伸缩驱动等形式。
本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。
2、微执行器的分类及特点从驱动形式角度来看，有许多种微执行器，但常用的只有三种：电场力、磁场力和热效应驱动。
由于静电微执行器的体积小，结构简单，是目前应用最多的一种微执行器。
它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。
但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多，比如微马达。
热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变，改变驱动部件的结构，对目标物体施加所要求的作用力。
但热驱动力的功耗较大，而且精度不易控制。
磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。
它有两种力的驱动方式：洛伦兹力和磁场力。
目前，主要利用磁驱动的微执行器是微马达。
由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速，现已被广泛应用。
3、三种微执行器的工作原理3.1一种平板式静电微执行器静电执行器的基本工作原理：平板式静电执行器由两个极板组成。
MEMS致动器原理
Advantage
Large force Large displacement Low driving voltage
w = t = g = z0 = 2µm Vr =0V C’= dC/dx
Comb Drive Failure Modes
Example
释放应力
Scratch Drive Actuator (SDA)
SDA operation
1) Applied voltage bends SDA downward 2) When released, SDA returns to original shape 3) Reapplying voltage causes SDA to move a distance ‘dx’
Modes in Quartz
压电致动方式
压电致动的主要形式
块状压电晶体：结构紧凑，变形小，频率高； 压电堆：位移较大，致动力很大，轴向尺寸大，对 装配的要求高，驱动频率较高； 压电薄膜：利于系统集成，致动力和位移小； 双层压电梁：驱动力和变形大，频率低。
压电基本方程：
柔度
E 11 1
0.4 mm Mechanical Stop
Mirror
Principle and Features
William Tang, Ph.D. EECS Dept., 1990
Formulae
电场能量： 静电力： C
Energy must include capacitance between the stator and the rotor and the underlying ground plane, which is typically connected at the rotor voltage.
MEMS技术及相关产品介绍
MEMS技术及相关产品介绍目录1、MEMS的定义 (2)2、MEMS的历史 (2)3、MEMS的发展趋势 (3)（1）传感MEMS技术： (3)（2）生物MEMS技术： (4)（3）信息MEMS技术： (4)（4）微型生物芯片： (5)（5）微型机器人： (5)4、MEMS技术相关产品 (6)MEMS加速度计 (6)MEMS陀螺仪 (7)MEMS麦克风 (8)MEMS传感器 (9)5、展望 (10)MEMS技术及相关产品介绍摘要：本文简述了MEMS技术的定义，回顾了MEMS技术的发展历史，列举了MEMS 技术的发展趋势，并且重点介绍了MEMS相关产品，及对MEMS技术的展望。
关键词：MEMS、微机电、机械系统、微细加工、传感器。
1、MEMS的定义微电子机械系统即MEMS，是Micro Electro Mechanical Systems的缩写，也可简称为微机电系统。
MEMS是一类器件的统称，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。
MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，1微米可是要比人们头发的直径小很多。
微电子机械系统MEMS 通常是一个包含有动能、弹性形变能、静电能或静磁能等多个能量域的复杂系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是微电子系统与其它微型信息系统（各种能进行信息与能量传输和转换的系统）相结合的产物，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
2、MEMS的历史MEMS技术发展至今已经历40余年，开辟了一个全新的技术领域和产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。
由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。
尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究
第 43 卷第 3 期2023 年 6 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 3Jun.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis尺蠖式压电线性作动器设计及实验研究∗柏德恩1，邓少龙1，李云涛2，沈刚1，朱真才1（1.中国矿业大学机电工程学院 徐州， 221116） （2.上海航天控制技术研究所 上海， 201109）摘要针对空间环境下小型抓取操作机构对新型作动器的使用需求，考虑压电作动器具有耐温范围宽、无电磁干扰及断电自锁等特点，仿照昆虫尺蠖的行走方式设计一种新型压电线性作动器。
首先，利用柔性铰链式位移放大机构放大压电陶瓷（Pb⁃Zr⁃Ti，简称PZT）叠堆的输出位移，以增大线性作动器的移动步长及对导轨的夹紧变形量，将多个压电陶瓷叠堆器件分为3组，分别作为尺蠖式压电线性作动器的2个夹持单元和1个推进单元的激励源，以获得较大的驱动力并进一步增大作动器的移动步长；其次，借助有限元仿真分析软件，研究压电陶瓷叠堆力电耦合行为的预测方法，并实验验证该方法的可行性；然后，简化柔性铰链式位移放大机构，提出放大倍数的数值分析方法，对位移放大机构在压电陶瓷叠堆作动方向上的刚度进行仿真分析，并验证放大倍数的数值分析方法的准确性；最后，基于设计的线性作动器开展实验研究。
结果表明：位移放大机构对压电陶瓷叠堆输出位移的放大倍数为7.3，处于理论值与仿真值之间；在激励电压频率为5 Hz时，作动器的最大空载移动速度为413 μm/s；作动器的最大推动力为16 N，对应的驱动速度为19 μm/s。
以上研究结果能为小型抓取操作机构的智能驱动提供技术支持。
关键词尺蠖式；压电作动器；压电陶瓷叠堆；位移放大；断电自锁中图分类号TH122引言压电作动器利用压电材料的逆压电效应将电能转化为机械能，实现运动的输出，广泛应用于机器人［1⁃2］、精密仪器［3⁃5］、纳米级定位台［6⁃7］、多自由度指向平台［8⁃9］及生物工程［10⁃11］等领域。
压电式MEMS面内横向驱动器的研究
压电式MEMS面内横向驱动器的研究
近年来，随着微电子机械系统（MEMS）技术的飞速发展，压电式MEMS面内横向驱动器作为一种新型驱动器，受到了广泛关注。
该驱动器利用压电效应，将电能转化为机械能，实现微纳米级的横向位移，具有尺寸小、响应速度快以及功耗低等优点，适用于微纳米级精密定位和驱动应用。
压电材料是压电式MEMS面内横向驱动器的核心组成部分。
常用的压电材料包括铌酸锂（LiNbO3）、锆钛酸铅（PZT）等。
这些材料在外加电场的作用下会发生形变，从而产生机械位移。
研究者们通过优化压电材料的制备工艺和调控电场参数，提高了驱动器的位移精度和响应速度。
压电式MEMS面内横向驱动器的结构设计也是研究的关键。
常用的结构包括双悬臂梁结构和双驱动结构。
双悬臂梁结构通过对称设计，能够实现较大的位移范围和较小的失稳现象。
双驱动结构则通过在两侧施加电场，实现驱动器的双向位移，提高了定位的自由度。
在实际应用中，压电式MEMS面内横向驱动器面临着一些挑战。
首先，压电材料的机械性能和耐久性需要进一步提高，以满足长时间的工作要求。
其次，驱动器的位移精度和稳定性需要进
一步改进，以应对微纳米级的精密定位需求。
此外，驱动器的制备工艺和封装技术也需要不断完善，以提高生产效率和降低成本。
总之，压电式MEMS面内横向驱动器作为一种新型驱动器，具有广泛的应用前景。
通过对压电材料、结构设计和制备工艺的研究，可以进一步提高驱动器的性能和稳定性，满足微纳米级精密定位和驱动的需求。
未来，随着MEMS技术的不断发展和应用领域的拓展，压电式MEMS面内横向驱动器将在各个领域发挥更加重要的作用。
基于MEMS技术的微型力传感器设计与制造
基于MEMS技术的微型力传感器设计与制造随着科技的不断进步，MEMS技术（微电子机械系统）在各行各业都有着广泛的应用。
其中，基于MEMS技术的微型力传感器设计与制造成为了研究的热点之一。
本文将对这一主题展开论述，探讨微型力传感器的原理、设计与制造过程以及应用领域等方面。
一、微型力传感器的原理微型力传感器是通过利用MEMS技术将力学传感器微缩化而得到的一种传感器。
其工作原理主要基于应变测量。
当外界施加在力传感器上的力作用时，传感器中的应变杆件会发生微小的变形，从而改变电学特性。
通过检测这一电学特性的变化，可以获得施加在传感器上的力的信息。
二、微型力传感器设计与制造过程1. 材料选择：为了实现微型力传感器的微缩化和高灵敏度，材料的选择至关重要。
常用的材料有硅、玻璃、陶瓷等。
硅是最常用的材料，由于其机械性能优异和易于在硅片上进行加工，被广泛应用于微型力传感器的设计与制造。
2. 结构设计：传感器的结构设计是保证传感器性能的关键。
传感器通常由应变增强结构和传感电路组成。
应变增强结构可以通过提高传感器的灵敏度和可靠性，实现对微小力的高精度检测。
传感电路则负责将力转化为电信号并进行信号处理。
3. 制造工艺：传感器的微制造采用半导体工艺，包括光刻、湿法腐蚀、薄膜沉积等步骤。
其中，光刻技术是制造微型力传感器中的一种重要工艺，通过光刻胶的处理，可以实现对传感器的微观结构加工。
三、微型力传感器的应用领域1. 工业领域：微型力传感器在工业领域的应用非常广泛，如机器人力控、精密加工、破裂监测等。
通过使用微型力传感器可以实现对力的高精度测量，提高生产效率和产品质量。
2. 医疗领域：微型力传感器在医疗领域的应用不断扩大。
例如，微型力传感器可以用于手术器械的力反馈控制，实现对手术中施加的力的实时监测和控制，提高手术的安全性和精确性。
3. 生物医学领域：微型力传感器在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，通过将微型力传感器用于细胞力学研究中，可以揭示细胞力学性质与生物功能之间的关系。
MEMS致动器原理
压电致动 Piezoelectric actuators
压电效应：
某些电介质，当沿着某一方向发生变形时，内部 产生极化现象，在表面产生电荷，电荷极性与外 力方向有关，外力去掉后电荷消失。 逆压电效应：在这种电介质的极化方向施加电压， 会产生变形。压电致动器利用的就是这种效应。 压电材料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材 料等。压电陶瓷属于铁电体类物质。
3 1 11 3 2 2 2
硅
b2
t2 l2 = l1 b1 t1
a热膨胀系数，t厚度，b宽度，r变形量（曲率半径）
两层厚度和宽度相同，则：
1+ k 2 (5 + ) r= 3∆α∆T k t
0.4 mm Mechanical Stop
Mirror
Principle and Features
William Tang, Ph.D. EECS Dept., 1990
Formulae
电场能量： 静电力： C
Energy must include capacitance between the stator and the rotor and the underlying ground plane, which is typically connected at the rotor voltage.
Used as sensors as well as delay lines, filters, correlators, pulse compressors, etc. in communications and electronic systems; invented by Prof. R. M. White, EECS Dept., UC Berkeley, 1965.
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大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究
李海军;杨拥军
【期刊名称】《微纳电子技术》
【年(卷),期】2002(39)7
【摘要】分析了MEMS静电梳齿驱动工作原理,以梳齿结构和弹性梁结构为基础,
综合考虑了动态特性、可靠性以及加工工艺可行性要求。
提出了非等高结构、变形曲臂梁结构、位移放大驱动器、垂直Z向位移静电梳齿驱动器等四种大尺度、低
电压驱动线性MEMS静电梳齿驱动器结构设计。
利用CAD采用FEA法分别建模、仿真,进行了大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的动态与静态的研究,并
获得20V直流偏置、位移80～130μm、驱动器面积小于2mm×2mm的结果。
【总页数】4页(P27-30)
【关键词】位移;低电压;MEMS;静电梳齿驱动器;放大器;有限元;微电子机械系统【作者】李海军;杨拥军
【作者单位】河北半导体研究所微米/纳米中心
【正文语种】中文
【中图分类】TH111
【相关文献】
1.用于硅基氮化镓可调微镜的静电梳齿型微驱动器设计 [J], 刘昕;王永进;胡芳仁
2.一种MEMS压电大位移驱动器设计分析 [J], 唐玉娟;杨忠;司海飞
3.大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析 [J], 赵江铭;陈晓阳;王小静
4.大位移低电压的静电MEMS驱动器(英文) [J], 明安杰;李铁;周萍;王跃林
5.大位移MEMS静电梳齿驱动器的设计及制作 [J], 明安杰;李铁;王跃林
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