Проектирование и технология радиоэлектронных средств (стр. 3 из 6)
Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергии системы W является причиной появления силы F:
[Формула 5 (Рис.1)]
Если запас энергии изменяется между двумя состояниями W1 и W2, мы получаем:
[Формула 6 (Рис.1)]
Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленной энергии: F ~ W.
По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеет ключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Так как любое преобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность также пропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна форма энергии может быть преобразована в другую. Мощность и работоспособность системы характеризуется также временем, которое необходимо для получения и израсходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен по временной константе, которая является характерной для конкретного принципа активации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься, учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временная константа τ) и эффективность использования энергии η. В зависимости от этих величин мощность системы можно выразить следующим образом:
[Формула 7 (Рис.1)]
Следует заметить, что запас энергии увеличивается с увеличением объёма, таким образом, мы имеем третью степень величины, которая характеризует размер λ, (например, м3) а когда мы имеем дело с силой, то у нас вторая степень (м2). Однако, так как в некоторых важных случаях достижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость - третья степень величины характеризующей размер - не всегда правильна. Для микросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными для использования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуют макродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размер может быть описана соотношением F~λn. Типичные значения показателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены в таблице.
[мс]Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии, временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимую силу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принципов преобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=105-106Вт*с/м3. Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу, отличается сильно, то плотность энергии w/
изменяется в более широком диапазоне, от 10-6-100Вт/см3. Гидравлические и пневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно даже сказать, что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностью энергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведения плотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД) зависит от принципа действия и размера, следовательно, в микродиапазоне некоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность.6. Электростатические актюаторы
Для плоского конденсатора накопленная энергия U может быть рассчитана по формуле [Формула 8 (Рис.1)], где C-ёмкость и V-напряжение между обкладками конденсатора.
Когда пластины конденсатора перемещаются навстречу друг другу, работа, совершаемая силой взаимодействия между ними, может быть рассчитана, как изменение Uв зависимости от изменения расстояния (x). Сила рассчитывается по формуле [Формула 9 (Рис.1)]
Существует несколько вариантов реализации электростатических актюаторов на основе плоскопараллельных конденсаторов:
Однако для генерации больших сил, которые будут совершать полезную работу такого устройства, необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. Это и есть руководство к действию для получения электростатических гребневых микродвигателей (рис.2).
Рис. 2
Гребневые микродвигатели состоят из большого количества встречностержневых штырей (рис. 2). При приложении напряжения, появляется сила взаимодействия между штырями, и они начинают двигаться. Увеличение ёмкости пропорционально количеству штырей, таким образом, для генерации больших сил, требуется большое количество штырей. Одной из потенциальных проблем такого устройства будет то, что если поперечное расстояние между штырями не одинаково с обеих сторон, (или если устройство поломано), то возможно движение штырей под прямым углом к правильному направлению и соединение их друг с другом. Гребневые двигатели особенно распространены среди устройств, полученных поверхностной микрообработкой.
Двигатели качения названы так по действию раскачивания, положенному в основу их принципа работы. На рис. 3 (a, b) показана конструкция двигателя качения, полученного при помощи технологии поверхностной микрообработки. Ротор - это круглый диск. Во время работы снизу расположенные электроды последовательно, друг за другом, включают и выключают. Диск последовательно притягивается к каждому электроду; край диска контактирует с диэлектриком, расположенным над электродами. В такой манере он медленно вращается по кругу; делая один оборот вокруг своей оси совокупностью нескольких изменений напряжения на статоре.
Рис. 3
Другая конструкция двигателя качения представлена на рис 4. Ротор, находящийся внутри статора, формирует ось двигателя. Электрическое поле раскачивает ротор внутри статора, и трение вращает ротор.Проблемы могут возникнуть, если быстро износится изоляция на электродах статора, если произойдёт сцепление или слипание с ротором, если ротор и подшипник не круглые.
Рис. 4
Проблема моторов полученных поверхностной микрообработкой - это их очень маленькие вертикальные размеры, поэтому так трудно достичь большого изменения ёмкости при движении ротора. Для преодоления этих проблем можно использовать LIGA технологию. Мотор, изготовленный по этой технологии, показан на рисунке 3(c,d) - здесь цилиндрический ротор вращается вокруг статора.
1) Преимущества:
· выгодность пропорционального уменьшения размеров
· лёгкость миниатюризации
2) Недостатки
· для большинства электростатических актюаторов частицы пыли и поверхностные дефекты могут быть причиной поломки вследствие малых воздушных зазоров
· высокое напряжение
· для двигателей вращения малый вращающий момент и короткий срок жизнедеятельности из-за трения.
7. Магнитные актюаторы
Прежде всего, следует сказать, что довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особенно характерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал, то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов.
Основным компонентом большинства актюаторов этого типа является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Как структурные пластины, так и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован на рис 8. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки. Когда внешнее магнитное поле Hвнеш, приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с Hвнеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (Ммаг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом заставляя её изгибаться.
При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения Мнас. При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F1(которая действует на верхнюю грань), так и F2 (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:
F1 = Мнас×W×T×H1