Mikroaktuator: Design, funktion, typer och dess tillämpningar

I allmänhet använder ett ställdon en energikälla för att flytta eller styra mekaniska komponenter. Dessa finns ofta i olika maskiner och elektriska motorer . Under många år har olika typer av mekaniska enheter miniatyriserats, även om denna procedur normalt kräver individens mycket mindre komponenter. Under 2000-talet utvecklades mikroaktuatorer där industriella processer som mikrobearbetning och litografi främst används för att tillverka en mikroaktuator. Den här artikeln diskuterar en översikt av en mikroaktuato r – arbeta med applikationer.

Definition av mikroaktuator

En mikroskopisk servomekanism som används för att tillföra och överföra en uppmätt mängd energi för systemet eller en annan mekanismoperation kallas en mikroaktuator. Liksom ett allmänt ställdon måste ett mikroställdon uppfylla dessa standarder som snabb omkoppling, stor rörelse, hög precision, mindre strömförbrukning, etc. Dessa ställdon finns i olika storlekar som varierar från millimeter till mikrometer, men när de väl är förpackade kan de uppnås hela storleken i centimeter,

När väl den mekaniska rörelsen av fasta ämnen har genererats sträcker sig dessa manöverdons typiska förskjutningar från nanometer till millimeter. På liknande sätt sträcker sig de typiska flödeshastigheterna som genereras för dessa ställdon från picoLiter eller minut till mikroLiter eller minutintervall. Mikroaktuatordiagrammet visas nedan.

Mikroaktuatorkonstruktion

Följande figurer visar tre termiska mikroaktuatorkonstruktioner biomaterial ställdon, böjd balk ställdon och flexur ställdon. Utformningen av termisk ställdon med ett enda material är symmetrisk vilket är känt som böjd balk eller V-formad.

Bi-material ställdonet innehåller material med olika värmeutvidgningskoefficienter och fungerar på samma sätt som en bimetall termostat. Närhelst temperaturen ändras på grund av en inbäddad värmare i manöverdonet, kan mikromanöverdonet röra sig på grund av variationen inom expansionen som är förknippad med variationen inom temperaturen.

Manöverdonet med böjd balk inkluderar vinklade ben som är till hjälp för att expandera när de är uppvärmda och ger kraft och förskjutning. Böjningsställdonet är asymmetriskt som inkluderar en varm arm och en kall arm. Dessa ställdon inkluderar asymmetriska ben som böjer sig mot ytan på grund av differentiell expansion när de är uppvärmda.

Fungerar av Microactuator

Arbetsprincipen för en mikroaktuator är att generera mekanisk rörelse av vätskor eller fasta ämnen där denna rörelse genereras genom att ändra en form av energi till en annan energi som från termisk, elektromagnetisk eller elektrisk till kinetisk energi (K.E) av rörliga komponenter. För de flesta ställdonen används olika kraftgenereringsprinciper som piezoeffekten, bimetalleffekten, elektrostatiska krafter och formminneseffekten. Liksom ett allmänt ställdon måste ett mikroaktuator uppfylla dessa standarder som snabb omkoppling, stor rörelse, hög precision, mindre strömförbrukning, etc.

Det mekaniska manöverdonet inkluderar en strömkälla, omvandlingsenhet, manöverelement och utgångsfunktion.

• Strömförsörjningen är Elektrisk ström/spänning.
• Transduktionsenheten omvandlar den rätta formen av strömförsörjningen till den föredragna formen av aktioner för manöverelementet.
• Manöverelement är en komponent eller ett material som rör sig genom strömförsörjningen.
• Utgångsåtgärden är i allmänhet i en föreskriven rörelse.

Mikroaktuatortyper

Mikroaktuatorer finns i olika typer som diskuteras nedan.

• Termisk mikroaktuator
• MEMS mikroställdon
• Elektrostatiskt mikroställdon
• Piezoelektrisk

Termisk mikroaktuator

En termisk mikroaktuator är en standardkomponent som används i Microsystems. Dessa komponenter drivs elektriskt genom Joule-uppvärmning, annars optiskt aktiverad med hjälp av en laser. Dessa ställdon används i MEMS-konstruktioner som inkluderar nanopositionerare och optiska omkopplare. De främsta fördelarna med termiska mikroaktuatorer inkluderar främst lägre driftsspänningar, hög kraftgenerering och mindre sårbarhet för vidhäftningsfel jämfört med elektrostatiska ställdon. Dessa ställdon behöver mer kraft och deras omkopplingshastigheter är begränsade genom kylningstider.

För att designa och testa dessa mikroaktuatorer måste ett brett spektrum av arbete utföras. Så dessa mikroaktuatorer är designade med olika mikrotillverkningsmetoder som kisel-på-isolatorbearbetning och ytmikrobearbetning. Tillämpningarna av mikroaktuatorer inkluderar huvudsakligen avstämbara impedans-RF-nätverk, mikroreläer, mycket exakt medicinsk instrumentering och många fler.

MEMS mikroställdon

MEMS mikroaktuator är en typ av mikroelektromekaniskt system och dess huvudsakliga funktion är att ändra energin till rörelse. Dessa ställdon kombinerar elektriska och mekaniska komponenter med mikrometerdimensioner. Så de typiska rörelserna som uppnås av dessa ställdon är mikrometer. MEMS mikroaktuatorer används huvudsakligen i olika applikationer som ultraljudssändare, optiska strålavböjningsmikrospeglar och kamerafokussystem. Så dessa typer av mikroaktuatorer används huvudsakligen för att producera en kontrollerad avböjning.

Elektrostatiskt mikroställdon

En mikroaktuator som driver enheter som drivs av elektrostatisk kraft är känd som en elektrostatisk mikroaktuator. Den elektrostatiska mikroaktuatorn håller på att bli den viktigaste byggstenen inom datorsystem och optisk signalbehandling på grund av dess höga densitet, ringa storlek, låga strömförbrukning och höga hastighet. I allmänhet kan funktionsprincipen inom dessa system förklaras som elektrostatisk attraktionsenergi som orsakar ett mekaniskt varv, omvandling eller deformation av spegelplattan, som styr fasen, effekten eller ljusstrålens riktning när den sänder genom något fritt utrymme eller medium.

I denna typ av mikromanöverdon inkluderar varje drivenhet vågliknande elektroder där dessa elektroder dras och isoleras från varandra genom den elektrostatiska kraften. Denna typ av ställdonsdeformation beror huvudsakligen på den elektrostatiska kraften, den yttre kraften och strukturens elasticitet.

Detta manöverdons rörelse analyserades helt enkelt genom FEM (finite-element method) & detta manöverdons makromodell tillverkades för att verifiera dess rörelse. Så det bekräftades att ställdonets uppenbara överensstämmelse kan styras av ett återkopplingskontrollsystem som använder kapacitiv förskjutningsavkänning och elektrostatisk drivning.

Piezoelektriskt mikroställdon

Piezoelektriska mikroaktuatorer är mycket kända och används oftast inom olika områden. Dessa är designade genom att piezoelektriska element monteras ovanpå varandra. När en spänning väl ges till båda sidor av dessa element, då kan de expandera. Men den har en komplicerad struktur så den är komplex att montera. Piezoelektrisk mikroaktuator används i olika servokontrollsystem för att ge ultraprecis positionering och kompensation med potentialen.

Se den här länken för att veta mer om a Piezoelektriskt ställdon .

Fördelar och nackdelar

De fördelarna med mikroaktuatorer inkluderar följande.

• De termiska mikroaktuatorernas fördelar är lägre driftsspänningar, generering av kraft är hög och mindre känslighet för vidhäftningsfel jämfört med elektrostatiska ställdon.
• Mikroaktuatorerna finns i en mindre storlek, med mindre strömförbrukning och snabbare responssystem.

De nackdelar med mikroaktuatorer inkluderar följande.

• Termiska mikroaktuatorer behöver mer kraft.
• Omkopplingshastigheten för termiska mikroaktuatorer begränsas av kylningstider.

Mikroaktuatorapplikationer

Tillämpningarna av mikroaktuatorer inkluderar följande.

• Mikroaktuator är en liten aktiv enhet som används för att producera mekanisk rörelse av vätskor/fasta ämnen. Här produceras rörelse genom att en form av energi ändras till en annan form.
• Mikroaktuatorer kan användas i mikrofluidik för Lab-on-a-Chip och implanterbara läkemedelsleveranssystem.
• Det är en mikroskopisk servomekanism som sänder och levererar en uppmätt mängd energi för ett annat system/mekanismdrift.
• Mikroaktuatorer används för att bygga små speglar för projektorer och skärmar.
• MEMS mikroaktuatorer används huvudsakligen i olika applikationer som ultraljudssändare, kamerafokussystem och optiska strålavböjningsmikrospeglar.
• Kraften som alstras av en elektrisk mikroaktuator används huvudsakligen för att generera mekaniska deformationer i materialet av intresse.

Alltså handlar det här om en översikt över mikroaktuatorn som kan utföra det konventionella verktygets uppgifter inom makrovärlden, men de är mycket mindre i storlek och tillåter större precision. Exempel på mikroaktuatorer inkluderar huvudsakligen en optisk matrisomkopplare samlad med torsionsmikrospeglar som drivs av elektrostatisk kraft, ett mikroaktuator som används för mikrovågsantennskanning, ett mikroaktuator med tunnfilmsminneslegering och 3-dimensionell mikrostruktursjälvmontering med mikroaktuatorer med skrapdrivning. Här är en fråga till dig, vad är MEMS?