Магнитный привод MEMS

Магнитный привод MEMS — это устройство, которое использует микроэлектромеханические системы (MEMS) для преобразования электрического тока в механическую выходную силу, применяя известное уравнение силы Лоренца или теорию магнетизма .

Обзор МЭМС

Технология микроэлектромеханических систем (MEMS) [1] — это технологический процесс, в котором механические и электромеханические устройства или структуры конструируются с использованием специальных методов микропроизводства . К этим методам относятся: объемная микрообработка, поверхностная микрообработка, LIGA , соединение пластин и т. д.

МЭМС шкала размеров

Устройство считается устройством MEMS, если оно удовлетворяет следующим требованиям:

  • Если размер его элемента составляет от 0,1  мкм до сотен микрометров (ниже этого диапазона он становится наноустройством, а выше диапазона он считается мезосистемой)
  • Если в его работе есть какая-то электрическая функциональность. Это может включать генерацию напряжения посредством электромагнитной индукции, путем изменения зазора между двумя электродами или пьезоэлектрическим материалом.
  • Если устройство имеет некоторые механические функции, такие как деформация балки или диафрагмы из-за напряжения или нагрузки.
  • Если он имеет системоподобную функциональность. Устройство должно быть интегрируемым в другие схемы для формирования системы. Это будет интерфейсная схема и упаковка для того, чтобы устройство стало полезным.

Для анализа каждого устройства MEMS делается предположение Lumped: если размер устройства намного меньше характерного масштаба длины явления (волны или диффузии), то не будет никаких пространственных изменений по всему устройству. Моделирование становится простым при таком предположении. [2]

Сосредоточенное предположение

Операции в области МЭМС

Три основные операции в МЭМС:

  • Датчик: измерение механического входного сигнала путем преобразования его в электрический сигнал, например, акселерометр MEMS или датчик давления (также может измерять электрические сигналы, как в случае датчиков тока)
  • Приведение в действие: использование электрического сигнала для перемещения (или вращения) механической конструкции, например, синтетического струйного привода.
  • Генерация электроэнергии: генерирует электроэнергию из механического источника, например, MEMS-энергоустановки.

Эти три операции требуют некоторой формы схем преобразования, наиболее популярными из которых являются: пьезоэлектрическая , электростатическая , пьезорезистивная , электродинамическая, магнитная и магнитострикционная . Магнитные приводы MEMS используют для своей работы последние три схемы.

Магнитное приведение в действие

Принцип магнитного приведения в действие основан на уравнении силы Лоренца.

Ф → м а г = д в → × Б {\displaystyle {\vec {F}}_{mag}=q{\vec {v}}\times B}

Когда проводник с током помещается в статическое магнитное поле, поле, создаваемое вокруг проводника, взаимодействует со статическим полем, создавая силу. Эта сила может быть использована для смещения механической конструкции.

Магнитное приведение в действие

Управляющие уравнения и параметры

Типичный привод MEMS показан справа. Для одного витка круглой катушки уравнения, которые управляют его работой, следующие: [3]

  • H-поле от круглого проводника:
ЧАС ( з ) = я г 2 2 ( г 2 + з 2 ) 3 / 2 {\displaystyle H(z)={\frac {Ir^{2}}{2(r^{2}+z^{2})^{3/2}}}}
  • Сила, создаваемая взаимодействием плотностей потока:
Ф з = Б я А м а г ∫ з з + час м а г г ЧАС з г з г з {\displaystyle F_{z}=B_{I}A_{mag}\int _{z}^{z+h_{mag}}{\frac {dHz}{dz}}dz}

Отклонение механической конструкции для приведения в действие зависит от определенных параметров устройства. Для приведения в действие должны быть приложенная сила и восстанавливающая сила. Приложенная сила — это сила, представленная уравнением выше, в то время как восстанавливающая сила фиксируется жесткостью пружины движущейся конструкции.

Приложенная сила зависит как от поля катушек, так и от магнита. Значение остаточной намагниченности магнита, [4] его объем и положение относительно катушек — все это влияет на его влияние на приложенную силу. В то время как количество витков катушки, ее размер (радиус) и величина проходящего через нее тока определяют ее влияние на приложенную силу. Жесткость пружины зависит от модуля Юнга движущейся структуры, а также ее длины, ширины и толщины.

Магнитострикционные актуаторы

Магнитное приведение в действие не ограничивается использованием силы Лоренца для создания механического смещения. Магнитострикционные приводы также могут использовать теорию магнетизма для создания смещения. Материалы, которые изменяют свою форму под воздействием магнитных полей, теперь могут использоваться для управления высоконадежными линейными двигателями и приводами.
Примером может служить никелевый стержень, который имеет тенденцию деформироваться при помещении его во внешнее магнитное поле. Другим примером является обмотка ряда электромагнитных индукционных катушек вокруг металлической трубки, в которую помещен материал Terfenol-D. Катушки создают движущееся магнитное поле, которое волнообразно движется вниз по последовательным обмоткам вдоль трубки статора. Поскольку бегущее магнитное поле заставляет каждое последующее поперечное сечение Terfenol-D удлиняться, а затем сжиматься при удалении поля, стержень фактически «ползет» вниз по трубке статора, как дюймовый червяк. Повторяющиеся распространяющиеся волны магнитного потока будут перемещать стержень вниз по длине трубки, создавая полезный ход и выходную силу. Количество движения, генерируемого материалом, пропорционально магнитному полю, создаваемому системой катушек, которая является функцией электрического тока. Этот тип движущего устройства, который имеет одну движущуюся часть, называется упруго-волновым или перистальтическим линейным двигателем. (просмотр: Видео магнитострикционного микроходока)

Преимущества магнитных приводов

  • Высокая сила срабатывания и ход (смещение)
  • Прямое, полностью линейное преобразование (в случае электродинамического приведения в действие)
  • Двунаправленное приведение в действие
  • Бесконтактное дистанционное включение
  • Низковольтное приведение в действие
  • Показателем качества актуаторов является плотность энергии поля, которая может быть сохранена в зазоре между ротором и статором. Магнитное приведение в действие имеет потенциально высокую плотность энергии [5]

Материал магнита

Выбор материала магнита для статического B-поля

Работа магнитного привода зависит от взаимодействия между полем электромагнита и статическим полем. Для создания этого статического поля важно использовать правильный материал. В МЭМС постоянные магниты стали фаворитами, поскольку они имеют очень хороший коэффициент масштабирования и сохраняют свою намагниченность даже при отсутствии внешнего поля... то есть их не нужно постоянно намагничивать, когда они используются [6] [7] [8] [9] [10]

Интеграция магнита в устройство MEMS

Как обсуждалось ранее, устройства MEMS проектируются и изготавливаются с использованием специальных методов микропроизводства. Однако основной проблемой для магнитных MEMS является интеграция магнита в устройство MEMS. [11] [12] Недавние исследования предложили решения этой проблемы.

Изготовление (или формовка) магнита

Существует несколько способов изготовления магнита на основе МЭМС-структуры:

Распыление
  • Распыление: бомбардировка материала ионами аргона , высвобождает частицы материала. В основном для осаждения редкоземельных магнитов. Скорость осаждения и площадь поверхности пленки зависят от распылительного инструмента и размера мишени
Импульсное нанесение слоя

Проблемы с магнитным приводом

  • Высокая рассеиваемая мощность. Это серьезная проблема для магнитных МЭМС, но ведутся работы по ее преодолению. [16]
  • Изготовление катушки
  • Интеграция микромагнита в устройство МЭМС
  • Совместимость процесса и материала
  • Интегрируемость в общий процесс микропроизводства (сохранение стоимости и производительности)
  • Чтобы не нарушить существующие процессы в изготовлении устройства MEMS, температуры осаждения и обработка/условия после осаждения должны быть приемлемыми. Кроме того, микромагнит должен выдерживать любую химическую обработку, которая будет после его осаждения.
  • Проблемы с намагничиванием (может возникнуть необходимость иметь более одного направления намагничивания; это создает проблему) [17]

Каждая из этих проблем может быть смягчена или уменьшена правильным выбором материала, выбором метода формования или изготовления, а также типа устройства, которое должно быть сконструировано. Применения магнитного привода включают: синтетический струйный привод, микронасосы и микрореле.

Ссылки

  1. ^ Senturia, Stephen D. (2001). Проектирование микросистем . Springer. ISBN 978-0-7923-7246-2.
  2. ^ Арнольд, Д. (Осень 2010 г. – Весна 2011 г.). Конспект лекций по преобразователям МЭМС .
  3. ^ Вагнер, Б.; В. Бенеке. «Микроизготовленный актуатор с движущимся постоянным магнитом». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  4. ^ Додрилл, BC; Б. Дж. Келли. «Измерение с помощью VSM – Материалы с постоянными магнитами». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Арнольд, Д. «Постоянные магниты для МЭМС». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  6. ^ Гиббс, М.Р.Дж.; Э.У. Хилл; П.Дж. Райт. «Магнитные материалы для приложений МЭМС». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ National Imports LLC. «Справочник по выбору и проектированию постоянных магнитов». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ^ Арнольд, Д. «Постоянные магниты для МЭМС». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  9. ^ Ван, Н. (2010). «Изготовление и интеграция материалов с постоянными магнитами в преобразователи МЭМС». Bibcode :2010PhDT........49W. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  10. ^ Арнольд, Дэвид. «Постоянные магниты для МЭМС». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  11. ^ Скьявоне, Джузеппе; Десмульес, Марк PY; Уолтон, Энтони Дж. (2014-08-29). «Интегрированные магнитные реле MEMS: состояние технологии». Micromachines . 5 (3): 622– 653. doi : 10.3390/mi5030622 . hdl : 20.500.11820/0fe4a2e7-16d0-493d-bde2-9cfee7682ac3 .
  12. ^ Чин, Цунг-Шун (2000). «Постоянные магнитные пленки для применения в микроэлектромеханических системах». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 209 (1): 75– 79. Bibcode : 2000JMMM..209...75C. doi : 10.1016/S0304-8853(99)00649-6.
  13. ^ Арнольд, Д.; Б. Бауэрс; Н. Ванг (2008). "Микромагниты NdFeB на основе воска для применения в микроэлектромеханических системах". Журнал прикладной физики . 103 (7): 07E109. Bibcode : 2008JAP...103gE109W. doi : 10.1063/1.2830532.
  14. ^ Ван, Н. (2010). «Изготовление и интеграция материалов с постоянными магнитами в преобразователи МЭМС». Bibcode :2010PhDT........49W. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  15. ^ Ян, Цзы-Шун; Найган Ван; Дэвид П. Арнольд (2011). «Изготовление и характеристика микромагнитов из порошка Nd–Fe–B, связанных париленом». Журнал прикладной физики . 109 (7). Bibcode : 2011JAP...109gA753Y. doi : 10.1063/1.3566001.
  16. ^ Guckel, H. (1998). "Прогресс в области магнитных микроактюаторов". Microsystem Technologies . 5 (2): 59. Bibcode : 1998MiTec...5...59G. doi : 10.1007/s005420050141.
  17. ^ Гатцен, Ханс Х. «Достижения в европейской технологии магнитных МЭМС». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=MEMS_magnetic_actuator&oldid=1263756786"