非电磁：微电机发展的一个重要方向

发布时间：06-10 20:42 浏览量：397

SMA电机：建模和精确控制是研究重点。
　　形状记忆合金(SMA)的金相结构在常温下为马氏体状态，当加热到相变温度之后成为奥氏体状态，当温度下降到相变温度以下时又回到马氏体状态。如果在马氏体状态下将SMA加工成一定的形状，然后将其加热到相变温度以上，将使SMA记住该形状。SMA在低于金属相转变温度时，可以被加工成另一种形状，但是，当温度达到或超过转变温度时，SMA自动变化成原来记忆的形状。利用SMA的形状记忆特性可以制作对环境温度敏感的SMA电机。
　　SMA电机在医学领域的应用极为广泛。如外科医生在对病人手术前要探测人体内的情况，比如内窥镜检查。
　　目前，科学家们已研制成功一种采用SMA电机制作的主动式内窥镜，内窥镜主动部分由5个主动弯曲关节组成，每个关节中在不同方向安装了SMA电机，关节的弯曲形状确定弯曲方向，这样就可以实现无损伤、无疼痛的内窥镜检查。
　　由于SMA电机动作不受温度以外的环境因素的影响，无常规电机或液压系统的可动密封部分，因而可在普通元件不能适应的水或真空中使用，甚至可在条件更加严酷的场合(如在腐蚀环境或原子能反应堆)中使用。可见，利用SMA这种能变形伸缩的特点而制作的微驱动器代替电磁机构和微型电机等复杂装置，可大大简化结构、同时还因不消耗传动电力而节约能源，具有高功率体积比的优点，因此十分适用于微机电系统中，尤其适用于与温度传感器集成和驱动之间窄小的场合。
　　SMA电机的很大缺点之一，是响应时间较长，电加热可以使温度迅速上升，但是冷却过程却难以控制，这限制了SMA电机在高频场合中的应用。在SMA电机微型化后，散热速度大大提高，使SMA电机的响应速度也相应提高。因此，SMA电机在一些响应频率较高的场合也有可能利用。SMA的另一个缺点是迟滞现象，这给SMA电机的连续控制带来了一定的难度。因此，SMA电机主要应用于开关型执行器中。SMA电机的建模和精确控制是目前研究的重点。
超声波电机：市场前景不可估量。
　　超声波电机是利用压电陶瓷(PZT)的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观改变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动的一种新型电机，因其超声频率超过20kHz(人耳能感觉到的频率范围是20Hz-20kHz)，故称之为超声波电机。超声波电机突破了传统的电磁式电机的概念，能量的耦合不是利用电磁感应，而是利用压电陶瓷的逆压电效应实现能量传递的。所以这种电机具有结构简单、小型轻量、响应速度快、能获得低速大转矩和可用于直接驱动、断电时具有高自锁力矩，不受电磁场干扰等优点，另外还具有耐低温、真空等适合太空环境的特点。
　　超声波电机是一种新的自动控制执行器，利用其结构的简单和小型化的特点使之用于光学设备的自动调焦机构。如日本佳能公司在相机大镜头上使用了直径11mm的柱形超声波电机，用于相机的镜头调整，从而提高了相机聚焦精度，使整机噪音下降，重量减轻。Nikon公司的相机大部分亦采用超声波电机进行自动聚焦控制。韩国三星公司成功地将超声波电机应用于手机照相系统中等。
　　超声波电机是上个世纪80年代初由日本的学者研制成功的，其技术水平目前处于世界领先地位。在日本，几乎所有知名大学都对超声电机进行了研究，超声波电机早已进入了实用阶段，代表性的销售代理商有佳能、新生工业、奥林巴斯光学工业、精工仪器等。目前，美国已将超声波电机成功应用到航空航天、信息和汽车产业领域；法国用于空对空导弹导引装置；德国则用于飞机的电传操纵系统；日本用于空间伸展结构的伸展和收缩等。我国在上个世纪90年代开始超声波电机的研究，目前已有20多所大学和科研院所开展了这方面的研究并实现小批量销售。如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、东南大学等在超声波电机研究方面都取得了丰硕的成果，得到了国内外同行的认可。随着人们对超声波电机的进一步研究和应用面的拓宽，专家预计到2010年，该电机保守估计全世界将形成上百亿美元的销售额，若在汽车工业以及办公自动化设备上得到充分推广应用，其市场前景不可估量。
静电电机：驱动力矩小和驱动电压高是主要问题。
　　静电电机原理和结构与传统电机不同，它是利用异性电荷的库仑力作用来实现机械运动的非电磁性电机。由于静电电机的驱动力取决于施加的电压、电极间距的面积，而与电极厚度和体积无关，因此静电电机的微型化极易实现。但静电电机须有较高的驱动电压，当电极表面存在毛刺、灰尘时，静电电机存在电击穿的危险，因此，要求表面十分平整，并应将电机封装起来。随着硅集成电路技术的高速发展，其尺寸可以做到深亚微米，从而解决了机械加工精度的问题，转子与定子的距离大大缩小，使工作电压得以大幅度降低。于是在微细加工技术的支持下，静电电机的研究得到了长足的进展。
　　静电电机的诞生，使微机电系统的应用得到了迅速的发展。日本三菱电机公司研制出的一种采用静电电机驱动的微型机器人，体积仅为5mm×6.5mm×9mm。该机器人主要用于检查原子能及火力发电站内部各种复杂而细小的管道是否异常。
　　静电微泵是静电电机又一应用事例。此外，在原子力显微镜、高密度磁存储器、半导体器件、光电子元件等产品中都需要纳米级精度的驱动机构，MEMS静电电机十分适合应用于这些领域。目前，静电电机在应用中存在的主要问题是驱动力矩小和驱动电压高