非電磁：微電機(jī)發(fā)展的一個重要方向
江蘇中動電力設(shè)備有限公司 / 2012-08-22
SMA
電機(jī)：建模和精確控制是研究重點。
形狀記憶合金(SMA)的金相結(jié)構(gòu)在常溫下為馬氏體狀態(tài)，當(dāng)加熱到相變溫度之后成為奧氏體狀態(tài)，當(dāng)溫度下降到相變溫度以下時又回到馬氏體狀態(tài)。如果在馬氏體狀態(tài)下將SMA
加工成一定的形狀，然后將其加熱到相變溫度以上，將使SMA記住該形狀。SMA在低于金屬相轉(zhuǎn)變溫度時，可以被加工成另一種形狀，但是，當(dāng)溫度達(dá)到或超過轉(zhuǎn)變溫度時，SMA自動
變化成原來記憶的形狀。利用SMA的形狀記憶特性可以制作對環(huán)境溫度敏感的SMA電機(jī)。
SMA電機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。如外科醫(yī)生在對病人手術(shù)前要探測人體內(nèi)的情況，比如內(nèi)窺鏡檢查。
目前，科學(xué)家們已研制成功一種采用SMA電機(jī)制作的主動式內(nèi)窺鏡，內(nèi)窺鏡主動部分由5個主動彎曲關(guān)節(jié)組成，每個關(guān)節(jié)中在不同方向安裝了SMA電機(jī)，關(guān)節(jié)的彎曲形狀確定彎曲
方向，這樣就可以實現(xiàn)無損傷、無疼痛的內(nèi)窺鏡檢查。
由于SMA電機(jī)動作不受溫度以外的環(huán)境因素的影響，無常規(guī)電機(jī)或液壓系統(tǒng)的可動密封部分，因而可在普通元件不能適應(yīng)的水或真空中使用，甚至可在條件更加嚴(yán)酷的場合(如
在腐蝕環(huán)境或原子能反應(yīng)堆)中使用。可見，利用SMA這種能變形伸縮的特點而制作的微驅(qū)動器代替電磁機(jī)構(gòu)和微型電機(jī)等復(fù)雜裝置，可大大簡化結(jié)構(gòu)、同時還因不消耗傳動電力而
節(jié)約能源，具有高功率體積比的優(yōu)點，因此十分適用于微機(jī)電系統(tǒng)中，尤其適用于與溫度傳感器集成和驅(qū)動之間窄小的場合。
SMA電機(jī)的額定缺點之一，是響應(yīng)時間較長，電加熱可以使溫度迅速上升，但是冷卻過程卻難以控制，這限制了SMA電機(jī)在高頻場合中的應(yīng)用。在SMA電機(jī)微型化后，散熱速度大
大提高，使SMA電機(jī)的響應(yīng)速度也相應(yīng)提高。因此，SMA電機(jī)在一些響應(yīng)頻率較高的場合也有可能利用。SMA的另一個缺點是遲滯現(xiàn)象，這給SMA電機(jī)的連續(xù)控制帶來了一定的難度。
因此，SMA電機(jī)主要應(yīng)用于開關(guān)型執(zhí)行器中。SMA電機(jī)的建模和精確控制是目前研究的重點。
超聲波電機(jī)：市場前景不可估量。
超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷(PZT)的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將彈性材料的微觀改變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運動的一種新型電機(jī)，因其超聲頻率超過
20kHz(人耳能感覺到的頻率范圍是20Hz-20kHz)，故稱之為超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)突破了傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)的概念，能量的耦合不是利用電磁感應(yīng)，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效
應(yīng)實現(xiàn)能量傳遞的。所以這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、小型輕量、響應(yīng)速度快、能獲得低速大轉(zhuǎn)矩和可用于直接驅(qū)動、斷電時具有高自鎖力矩，不受電磁場干擾等優(yōu)點，另外還具有耐
低溫、真空等適合太空環(huán)境的特點。
超聲波電機(jī)是一種新的自動控制執(zhí)行器，利用其結(jié)構(gòu)的簡單和小型化的特點使之用于光學(xué)設(shè)備的自動調(diào)焦機(jī)構(gòu)。如日本佳能公司在相機(jī)大鏡頭上使用了直徑11mm的柱形超聲波
電機(jī)，用于相機(jī)的鏡頭調(diào)整，從而提高了相機(jī)聚焦精度，使整機(jī)噪音下降，重量減輕。Nikon公司的相機(jī)大部分亦采用超聲波電機(jī)進(jìn)行自動聚焦控制。韓國三星公司成功地將超聲波
電機(jī)應(yīng)用于手機(jī)照相系統(tǒng)中等。
超聲波電機(jī)是上個世紀(jì)80年代初由日本的學(xué)者研制成功的，其技術(shù)水平目前處于世界領(lǐng)先地位。在日本，幾乎所有知名大學(xué)都對超聲電機(jī)進(jìn)行了研究，超聲波電機(jī)早已進(jìn)入了
實用階段，代表性的生產(chǎn)廠家有佳能、新生工業(yè)、奧林巴斯光學(xué)工業(yè)、精工儀器等。目前，USA已將超聲波電機(jī)成功應(yīng)用到航空航天、信息和汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域；法國用于空對空導(dǎo)彈
導(dǎo)引裝置；德國則用于飛機(jī)的電傳操縱系統(tǒng)；日本用于空間伸展結(jié)構(gòu)的伸展和收縮等。我國在上個世紀(jì)90年代開始超聲波電機(jī)的研究，目前已有20多所大學(xué)和科研院所開展了這方
面的研究并實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)等在超聲波電機(jī)研究方面都取得了豐碩的成果，得到了國內(nèi)外同行的認(rèn)可。隨著人們對超聲波
電機(jī)的進(jìn)一步研究和應(yīng)用面的拓寬，專家預(yù)計到2010年，該電機(jī)保守估計全世界將形成上百億美元的銷售額，若在汽車工業(yè)以及辦公自動化設(shè)備上得到充分推廣應(yīng)用，其市場前景
不可估量。
靜電電機(jī)：驅(qū)動力矩小和驅(qū)動電壓高是主要問題。
靜電電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)不同，它是利用異性電荷的庫侖力作用來實現(xiàn)機(jī)械運動的非電磁性電機(jī)。由于靜電電機(jī)的驅(qū)動力取決于施加的電壓、電極間距的面積，而與電
極厚度和體積無關(guān)，因此靜電電機(jī)的微型化極易實現(xiàn)。但靜電電機(jī)須有較高的驅(qū)動電壓，當(dāng)電極表面存在毛刺、灰塵時，靜電電機(jī)存在電擊穿的危險，因此，要求表面十分平整，
并應(yīng)將電機(jī)封裝起來。隨著硅集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，其尺寸可以做到深亞微米，從而解決了機(jī)械加工精度的問題，轉(zhuǎn)子與定子的距離大大縮小，使工作電壓得以大幅度降低。
于是在微細(xì)加工技術(shù)的支持下，靜電電機(jī)的研究得到了長足的進(jìn)展。
靜電電機(jī)的誕生，使微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。日本三菱電機(jī)公司研制出的一種采用靜電電機(jī)驅(qū)動的微型機(jī)器人，體積僅為5mm×6.5mm×9mm。該機(jī)器人主要用于檢
查原子能及火力發(fā)電站內(nèi)部各種復(fù)雜而細(xì)小的管道是否異常。
靜電微泵是靜電電機(jī)又一應(yīng)用事例。此外，在原子力顯微鏡、高密度磁存儲器、半導(dǎo)體器件、光電子元件等產(chǎn)品中都需要納米級精度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，MEMS靜電電機(jī)十分適合應(yīng)用
于這些領(lǐng)域。目前，靜電電機(jī)在應(yīng)用中存在的主要問題是驅(qū)動力矩小和驅(qū)動電壓高。
