静电型微执行器

静电型微执行器的基本工作原理是：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力。在图6－38所示的平行板电容器中，作用在平板上的法向静电力Fd的大小，可由以下公式计算：

式中 εr——相对介电常数，空气为绝缘介质时，其值为1.0；

ε0——真空介电常数，其值为8.85p F／m＝8.85×10－12C2／（N·m2）；

x——电极板之间的距离，m；

U——电源电压，V；

A——电极板的面积，m2。

图6－38 平行板电容器中的法向静电力

若设电容器极板为1000μm×1000μm的方板，极板间距为2μm，则法向静电力：

1.静电悬臂执行器

静电悬臂执行器的原理如图6－39所示，这种执行器利用静电在悬臂梁末端产生位移量。从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距固定端x处施加集中载荷时，梁末端的偏移量ΔT可由下式给出：

式中 E——弹性模量，Pa；

I——截面惯性矩，m4；

q（x）——距离梁固定端x处的静电力。

其中，q（x）为：

式中 ε0——真空介电常数，F／m；

U——两板之间的电压，V；

d（x）——距离梁固定端x处，梁与下极板之间的离，m。

图6－39 静电悬臂执行器原理

2.微型夹钳

带电平行金属板产生的静电力可以用作夹持物体的驱动力，如图6－40所示。夹钳所需的夹持力可由法向力提供，或者由相互错开的平板内作用力提供。

图6－40 微型夹钳的夹持力

（a）垂直力；（b）面内力

由法向静电力提供夹紧力的布局，由于电极占去了过多的空间，因此很少使用。而另一种使用多组相互错开的极板的布局在微型器件中得到了广泛的应用，这种布局通常被称为梳齿驱动，如图6－41所示。梳状静电执行器使用大量的叉 “指”，通过在它们之间施加电压来驱动。如果这些叉 “指”相对于其长度和宽度而言很薄，则其引力主要由边缘效应而非平板效应决定。

图6－41 梳齿驱动微型夹钳示意图

3.微继电器

图6－42给出了一个纵向运动的静电力控制微继电器结构原理图。在控制回路中，悬臂梁和控制电极构成了平板电容能电驱动器。当在悬臂梁和控制电极上施加电压时，悬臂梁向下运动并最终导致动触点和静触点闭合，连接输出回路。控制回路和输出回路之间有电隔离层，保证它们之间的电绝缘。

图6－42 纵向驱动微继电器

图6－43给出了一个采用SOI衬底制备的水平驱动微继电器的俯视图。由于该继电器只存在面内运动，所以不需要复杂的多层结构，加工工艺可以得到简化。

图6－43 水平驱动微继电器

4.电微阀

图6－44所示的静电微阀，用氧化硅薄膜作可动电极。阀门腔体腐蚀成形后得到的氧化硅薄膜自然向上拱曲，阀门打开。加电压后薄膜被吸引向下拱曲，将阀门关闭。

图6－44 静电微阀

5.静电型微电动机

静电型微电动机可分为旋转式和直线式两种。图6－45为旋转式静电型微电动机的结构原理。对一组定子电极施加偏置电压，则该组中任一给定电极与其紧邻的转子轮齿之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电引力，从而使轮齿与定子对准。通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。

图6－45 旋转式静电型微电动机

静电驱动薄膜直线电动机由定子薄膜和动子薄膜组成，如图6－46所示。基于平行板电容器的基本结构，平行板相对运动有两种——法向移动和切向移动。当固定其中的一个平板，另一块用机械弹簧悬吊，在偏置电压下，平板将产生位移。

在两平行板间施加电压，载荷会产生静电力Fe，其值可由下式计算：

式中 Fe——静电力，N；

C——极板间的电容，F；

d——极板间的距离，m；

U——极板间的电压，V。

改变电压U（40～200V），极板间的距离d可变化几个微米，能产生较大的驱动力。

静电型微电动机的优点是：结构简单、功耗低、响应快。缺点是：驱动电压大、输出力矩小。

6.压电微电动机

压电材料是一种晶体材料，其特性是当其受外力而产生变形时，会由于内部极化而在表面上产生电荷。反过来，如果在压电材料的极化方向上施加一定强度的电场，则会引起材料的机械变形，去掉电场后又能恢复到原状态。利用此特性设计和采用各种巧妙的机械结构，可以制成各种压电执行器。压电电动机按结构可分为行波压电电动机、驻波压电电动机和复合压电电动机。按照电动机激励部分的材料可分为薄膜压电电动机和陶瓷压电电动机。图6－47为压电超声波微电动机的结构图。

压电电动机由于具有输出转矩大、无电磁干扰、响应速度快、微小位移输出稳定等优点，可用于精密仪器、照相机、机器人及航空领域。

图6－46 静电驱动薄膜直线电动机

图6－47 压电超声波微电动机的结构