微机电系统智能材料器件双晶片驱动器航空航天微纳米技术课程论文.docx
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微机电系统智能材料器件双晶片驱动器航空航天微纳米技术课程论文
北京航空航天大学课程考核记录
2012-2013学年第一学期
课程名称:
微纳米制造技术基础
姓名:
学号:
39071317
班级:
390713
任课教师:
袁松梅
目录
北京航空航天大学课程考核记录1
一,论述微机电系统的特点,列举两个实例,并介绍其应用场合、结构及工作原理。
2
1,微机电系统的特点:
2
2,微机电系统的实例:
3
1,mems陀螺仪3
2,mems加速度计4
二,微机电系统常用的智能材料有哪些?
分析一种形状记忆合金器件的结构和工作原理。
6
1,智能材料。
6
2,形状记忆合金器件的结构及工作原理6
三,分析一种压电双晶片驱动器的结构和工作原理,分析实验结果,并论述其可能的应用场合。
7
1,新型压电扭转驱动器结构及工作原理7
2,实验方法及结果8
3,未来可能应用场合:
10
四,论述超声电机在航空航天领域的应用。
10
一,论述微机电系统的特点,列举两个实例,并介绍其应用场合、结构及工作原理。
1,微机电系统的特点:
①和半导体电路相同,使用刻蚀、光刻等制造工艺,不需要组装、调整;
②进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上;
③它很少占用地方,可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用;
④由于工作部件的质量小,高速动作可能;
⑤由于它的尺寸很小,热膨胀等的影响小;
⑥它产生的力和积蓄的能量很小,本质上比较安全。
2,微机电系统的实例:
1,mems陀螺仪
应用场合:
微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度(转弯或者打滚),它与低加速度计一起构成主动控制系统。
所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常,系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对个异常状态以阻止车祸的发生。
比如在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度就知道方向盘打得过多还是不够,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的刹车以防止汽车脱离车道。
现在这种系统主要安装于高端汽车上。
结构:
微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样,但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。
利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承,已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。
绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。
振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。
整体动力学系统是二维弹性阻尼系统,在这个系统中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。
微机械陀螺结构示意图
通过改进设计和静电调试使得驱动和传感的共振频率一致,以实现最大可能的能量转移,从而获得最大灵敏度。
大多数微机械陀螺仪驱动和传感模式完全匹配或接近匹配,它对系统的振动参数变化极其敏感,而这些系统参数会改变振动的固有频率,因此需要一个好的控制架构来做修正。
如果需要高的品质因子(Q),驱动和感应的频宽必须很窄。
增加1%的频宽可能降低20%的信号输出。
还有阻尼大小也会影响信号输出。
驱动和感应的频宽
工作原理:
MEMS陀螺仪(gyroscope)的工作原理传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理,因此它主要是一个不停转动的物体,它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。
但是MEMS陀螺仪(gyroscope)的工作原理不是这样的,因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事.MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力.下面是导出科里奥利力的方法。
在空间设立动态坐标系.用以下方程计算加速度可以得到三项,分别来自径向加速,科里奥利加速度和向心加速度。
如果物体在圆盘上没有径向运动,科里奥利力就不会产生。
因此,在MEMS陀螺仪的设计上,这个物体被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡,与此对应的科里奥利力就是不停地在横向来回变化,并有可能使物体在横向作微小震荡,相位正好与驱动力差90度。
MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板.径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动(有点象加速度计中的自测试模式),横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化(就象加速度计测量加速度)。
因为科里奥利力正比于角速度,所以由电容的变化可以计算出角速度。
2,mems加速度计
应用场合:
加速度传感器可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。
结构:
目前主要有三种结构形式的变间隙电容式微加速度计,分别是“三明治"式、“扭摆式"式和梳齿式结构。
所谓“三明治”结构,就是指检测质量夹在两块玻璃片之间的结构形式。
固定电极分布在活动电极两边,敏感质量块的上下两面均作为动极板。
当有加速度作用时,敏感质量块发生摆动,一对电容极板间的间距变大,而另一对电容极板闭的问距变小,从而形成差动检测电容。
这种结构需要双面光刻,加工工艺设备较多.器件加工制造难度较大:
井因为悬臂支撑梁所能承受的应力有限,这种传感器所能测量的最大加速度值较小。
扭摆式是基于三明治式,扭摆式微加速度计的两个固定电容极板设计在活动极板的同一侧形成的。
由图扭摆式微加速度计的结构可以看出,位于支承弹性粱两边的敏感质量和惯性矩不相等,当有垂直于基片的外界加速度作用时,敏感质量片将围绕支承弹性粱扭转,结构电容大小发生变化,一对结构电容增大,一对结构电容减小.从而形成结构差动电容,测量此差动电容值即可得到外界输入的加速度载荷大小。
这种传感器结构比较简单,不需要双面光刻.且能进行较大加速度值的测量。
梳齿式电容加速度计利用若干对梳齿形状的电极形成检测电容和加力电容,它的一个明显优点就是利用增加电极数的方式来增大检测电容。
梳齿有定齿和动齿两种,定齿固定在基片上,动齿则附着在检测质量上。
检测质量由弹簧支撑于基片上。
当有外部加速度输入时,动齿随同检测质量一起运动,并产生微位移,引起动齿与定齿之间电容的变化,电容的变化量可以通过检测电路检测出来,进而检测出微位移和输入加速度的值。
其键台强度高、面积大、难度低,键台接触电阻小、均匀且成品率高,提高了加速度计的分辨率和精度。
但是结构相对比较复杂,加工起来难度较大。
二,微机电系统常用的智能材料有哪些?
分析一种形状记忆合金器件的结构和工作原理。
1,智能材料。
智能材料一般具有传感、致动和控制等方面的基本功能,能模仿人类或生物的基本特定行为,能对外界信息具有反应,对信息激励有自适应的能力。
常用的智能材料有形状记忆合金、电致伸缩材料、导电聚合材料、电流变和磁流变材料、储氢材料等。
2,形状记忆合金器件的结构及工作原理。
电加热水壶手柄控制器
图所示为电加热水壶的手柄控制器,柄内装有一只形状记忆合金材料制作的弹簧。
水开后,蒸汽吹至形状记忆合金元件上发生马氏体向奥氏体相变,弹簧伸长带动按钮推开电触头,达到自动切断电源目的。
同双金属片比较,形状记忆合金元件机构简单,双金屑片挠曲量相对形状记忆合金要小得多。
一块长50mm、厚lmm的双金屑片在100℃温差产生的挠度仅2mm~4mm,而在相同条件下形状记忆合金却可得到20mm挠度,因而用后者更为灵敏可靠。
三,分析一种压电双晶片驱动器的结构和工作原理,分析实验结果,并论述其可能的应用场合。
1,新型压电扭转驱动器结构及工作原理:
压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应,在电场的作用下直接将电能转换为机械能,产生机械位移的换能元件。
设计研制的压电扭转驱动器结构如图所示。
该驱动器主要由压电陶瓷双晶片、运动转换机构和底部约束机构组成。
两组压电陶瓷双晶片并列排列,极化方向相反。
双晶片的一端被固定,另一端为自由端。
在压电双晶片上施加电压信号时,其中的一片双晶片朝某个方向弯曲,另一片双晶片朝相反方向弯曲。
从顶部俯视两个弯曲位移的合位移,为具有一定转角的扭转位移。
该合位移带动运动转换
块做扭转运动,即完成输出。
压电扭转驱动器结构原理
2,实验方法及结果:
由于压电驱动器的输出角度与压电陶瓷片的刚度有关,带负载输出与空载输出有明显的差异,因此,不宜使用接触法测量驱动器的角度输出。
由于试验需要直接测量两片陶瓷片的合成角度位移,因此使用光反射测量方法是一种简便易行的方法---激光反射测角法。
激光反射测角法是指通过测量反射光线之间夹角的变化计算驱动器转过角度的方法。
测量原理如图所示。
激光反射测角法
图中,激光光源可发出汇聚性好的激光束,M为试验时固定在运动转换机构顶部的镜片,Y为反射光线。
低压时,镜面在M1位置,反射光线为Y1。
加压后,镜面转过角度α,到达M2位置,此时反射光线为Y2,反射光线转过角度为β。
根据几何光学的原理,β=2α。
因此,测量出Y1、Y2及反射点移动的距离,根据余弦定理可计算出β值,再通过β值计算出α值。
由于当Y1与Y2较大时能够增加反射点
移动的距离,因此,此法能使微小转角的测量变得简单易行。
试验结果:
对前述压电陶瓷双晶片作为驱动元件的压电陶瓷驱动器进行理论与试验对比分析。
首先使用有限元方法进行仿真模拟。
经计算,在理想的条件下,外
加电压为300V时,理论上输出角度为2.99°,实际测量值为2.73°,误差为-8.78%。
有限元计算值与测量值取得良好的一致,有限元计算值略大于测量值,如图所示。
压电驱动器的电压-位移图
3,未来可能应用场合:
由于它具有分辨率高,响应快,功耗低,无电磁干扰等优点,在微米纳米驱动和控制技术中占有重要地位,因此其应用将来可能涉及航空航天、精密光学等高新技术领域。
四,论述超声电机在航空航天领域的应用。
电机在低温和真空条件下的运行特性对航空航天的发展是极为重要的。
超声波电机具有的结构简单、重量轻、不受磁场干扰、真空下无需润滑油的优点,是电磁电机在航空航天领域所不具有的。
1995年末,美国航空航天局喷气推进实验室首次将直线超声波电机用于多功能爬行系统,该系统用于航天飞船外舱壁的检查,其承载重量与自重比达10:
1。
利用其低速大力矩和高精度等特点,NASA将其用于火星探测器的轻量机械臂上,采用超声波电机取代有刷直流电机后,MarsArmⅡ结构虽与MarsArmⅠ相似,但重量减轻了40%,其主要原因是用超声波电机能直接驱动,另外还可大大缩小工作空间,如NASA的Calileo航天器上的滤波齿轮(Filterwheel)在使用超声波电机前后的尺寸缩小了4倍。
利用其驱动方式灵活的特点,日本宇宙研究所研制了两种直线超声波电机用于空间伸展结构的伸展和收缩。
利用超声波电机的响应快等特点,美国和法国用于导弹的测控系统;利用结构简单可微型化的特点,日本研制微型超声波电机用于微卫星等领域。
此外,日本和美国等国家正在进行超声波电机的各种研究,用于航天等军事领域。
由此可见,超声波电机以其高转矩重量比、快速响应、高精度和断电自锁等特点、将在航天航空等军工领域中受到愈来愈大的重视。
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