非電磁：微電機發(fā)展的一個重要方向

發(fā)布時間：06-10 20:42 瀏覽量：419

SMA電機：建模和精確控制是研究重點。
　　形狀記憶合金(SMA)的金相結(jié)構(gòu)在常溫下為馬氏體狀態(tài)，當加熱到相變溫度之后成為奧氏體狀態(tài)，當溫度下降到相變溫度以下時又回到馬氏體狀態(tài)。如果在馬氏體狀態(tài)下將SMA加工成一定的形狀，然后將其加熱到相變溫度以上，將使SMA記住該形狀。SMA在低于金屬相轉(zhuǎn)變溫度時，可以被加工成另一種形狀，但是，當溫度達到或超過轉(zhuǎn)變溫度時，SMA自動變化成原來記憶的形狀。利用SMA的形狀記憶特性可以制作對環(huán)境溫度敏感的SMA電機。
　　SMA電機在醫(yī)學領(lǐng)域的應用極為廣泛。如外科醫(yī)生在對病人手術(shù)前要探測人體內(nèi)的情況，比如內(nèi)窺鏡檢查。
　　目前，科學家們已研制成功一種采用SMA電機制作的主動式內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡主動部分由5個主動彎曲關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)中在不同方向安裝了SMA電機，關(guān)節(jié)的彎曲形狀確定彎曲方向，這樣就可以實現(xiàn)無損傷、無疼痛的內(nèi)窺鏡檢查。
　　由于SMA電機動作不受溫度以外的環(huán)境因素的影響，無常規(guī)電機或液壓系統(tǒng)的可動密封部分，因而可在普通元件不能適應的水或真空中使用，甚至可在條件更加嚴酷的場合(如在腐蝕環(huán)境或原子能反應堆)中使用。可見，利用SMA這種能變形伸縮的特點而制作的微驅(qū)動器代替電磁機構(gòu)和微型電機等復雜裝置，可大大簡化結(jié)構(gòu)、同時還因不消耗傳動電力而節(jié)約能源，具有高功率體積比的優(yōu)點，因此十分適用于微機電系統(tǒng)中，尤其適用于與溫度傳感器集成和驅(qū)動之間窄小的場合。
　　SMA電機的很大缺點之一，是響應時間較長，電加熱可以使溫度迅速上升，但是冷卻過程卻難以控制，這限制了SMA電機在高頻場合中的應用。在SMA電機微型化后，散熱速度大大提高，使SMA電機的響應速度也相應提高。因此，SMA電機在一些響應頻率較高的場合也有可能利用。SMA的另一個缺點是遲滯現(xiàn)象，這給SMA電機的連續(xù)控制帶來了一定的難度。因此，SMA電機主要應用于開關(guān)型執(zhí)行器中。SMA電機的建模和精確控制是目前研究的重點。
超聲波電機：市場前景不可估量。
　　超聲波電機是利用壓電陶瓷(PZT)的逆壓電效應和超聲振動，將彈性材料的微觀改變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動的一種新型電機，因其超聲頻率超過20kHz(人耳能感覺到的頻率范圍是20Hz-20kHz)，故稱之為超聲波電機。超聲波電機突破了傳統(tǒng)的電磁式電機的概念，能量的耦合不是利用電磁感應，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應實現(xiàn)能量傳遞的。所以這種電機具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、響應速度快、能獲得低速大轉(zhuǎn)矩和可用于直接驅(qū)動、斷電時具有高自鎖力矩，不受電磁場干擾等優(yōu)點，另外還具有耐低溫、真空等適合太空環(huán)境的特點。
　　超聲波電機是一種新的自動控制執(zhí)行器，利用其結(jié)構(gòu)的簡單和小型化的特點使之用于光學設備的自動調(diào)焦機構(gòu)。如日本佳能公司在相機大鏡頭上使用了直徑11mm的柱形超聲波電機，用于相機的鏡頭調(diào)整，從而提高了相機聚焦精度，使整機噪音下降，重量減輕。Nikon公司的相機大部分亦采用超聲波電機進行自動聚焦控制。韓國三星公司成功地將超聲波電機應用于手機照相系統(tǒng)中等。
　　超聲波電機是上個世紀80年代初由日本的學者研制成功的，其技術(shù)水平目前處于世界領(lǐng)先地位。在日本，幾乎所有知名大學都對超聲電機進行了研究，超聲波電機早已進入了實用階段，代表性的銷售代理商有佳能、新生工業(yè)、奧林巴斯光學工業(yè)、精工儀器等。目前，美國已將超聲波電機成功應用到航空航天、信息和汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；法國用于空對空導彈導引裝置；德國則用于飛機的電傳操縱系統(tǒng)；日本用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮等。我國在上個世紀90年代開始超聲波電機的研究，目前已有20多所大學和科研院所開展了這方面的研究并實現(xiàn)小批量銷售。如清華大學、浙江大學、南京航空航天大學、東南大學等在超聲波電機研究方面都取得了豐碩的成果，得到了國內(nèi)外同行的認可。隨著人們對超聲波電機的進一步研究和應用面的拓寬，專家預計到2010年，該電機保守估計全世界將形成上百億美元的銷售額，若在汽車工業(yè)以及辦公自動化設備上得到充分推廣應用，其市場前景不可估量。
靜電電機：驅(qū)動力矩小和驅(qū)動電壓高是主要問題。
　　靜電電機原理和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機不同，它是利用異性電荷的庫侖力作用來實現(xiàn)機械運動的非電磁性電機。由于靜電電機的驅(qū)動力取決于施加的電壓、電極間距的面積，而與電極厚度和體積無關(guān)，因此靜電電機的微型化極易實現(xiàn)。但靜電電機須有較高的驅(qū)動電壓，當電極表面存在毛刺、灰塵時，靜電電機存在電擊穿的危險，因此，要求表面十分平整，并應將電機封裝起來。隨著硅集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，其尺寸可以做到深亞微米，從而解決了機械加工精度的問題，轉(zhuǎn)子與定子的距離大大縮小，使工作電壓得以大幅度降低。于是在微細加工技術(shù)的支持下，靜電電機的研究得到了長足的進展。
　　靜電電機的誕生，使微機電系統(tǒng)的應用得到了迅速的發(fā)展。日本三菱電機公司研制出的一種采用靜電電機驅(qū)動的微型機器人，體積僅為5mm×6.5mm×9mm。該機器人主要用于檢查原子能及火力發(fā)電站內(nèi)部各種復雜而細小的管道是否異常。
　　靜電微泵是靜電電機又一應用事例。此外，在原子力顯微鏡、高密度磁存儲器、半導體器件、光電子元件等產(chǎn)品中都需要納米級精度的驅(qū)動機構(gòu)，MEMS靜電電機十分適合應用于這些領(lǐng)域。目前，靜電電機在應用中存在的主要問題是驅(qū)動力矩小和驅(qū)動電壓高