Магнитный привод MEMS - MEMS magnetic actuator

А Магнитный привод MEMS это устройство, которое использует микроэлектромеханические системы (MEMS) для преобразования электрического тока в механический выходной сигнал с помощью хорошо известных Уравнение силы Лоренца или теория Магнетизм.

Обзор MEMS

Технология Micro-Electro-Mechanical System (MEMS)^[1] это технологический процесс, в котором механические и электромеханические устройства или конструкции создаются с использованием специальных методы микротехнологии. Эти методы включают: объемную микрообработку, поверхностную микрообработку, ЛИГА, соединение пластин, так далее.

Масштаб размеров MEMS

Устройство считается устройством MEMS, если оно удовлетворяет следующим требованиям:

• Если размер его элемента составляет от 0,1мкм и сотни микрометров. (ниже этого диапазона он становится наноустройством, а выше диапазона считается мезосистемой)
• Если в его работе есть какие-то электрические функции. Это может включать в себя генерацию напряжения за счет электромагнитной индукции, путем изменения зазора между двумя электродами или с помощью пьезоэлектрического материала.
• Если устройство имеет некоторые механические функции, такие как деформация балки или диафрагмы из-за напряжения или деформации.
• Если у него есть системный функционал. Устройство должно быть интегрировано с другими схемами, чтобы сформировать систему. Это будет схема сопряжения и упаковка, чтобы устройство стало полезным.

Для анализа каждого устройства MEMS делается сосредоточенное предположение: если размер устройства намного меньше, чем характерный масштаб длины явления (волна или диффузия), то пространственных изменений по всему устройству не будет. При таком предположении моделирование становится проще.^[2]

Сосредоточенное предположение

Операции в МЭМС

Три основных операции в МЭМС:

• Обнаружение: измерение механического входа путем преобразования его в электрический сигнал, например акселерометр MEMS или датчик давления (может также измерять электрические сигналы, как в случае датчиков тока)
• Приведение в действие: использование электрического сигнала для смещения (или вращения) механической конструкции, например синтетический реактивный привод.
• Производство электроэнергии: генерирует энергию от механического входа, например Энергетические комбайны MEMS

Для этих трех операций требуются схемы трансдукции в той или иной форме, самые популярные из которых: пьезоэлектрический, электростатический, пьезорезистивный, электродинамический, магнитный и магнитострикционный. Магнитные актуаторы MEMS используют последние три схемы для своей работы.

Магнитное срабатывание

Принцип магнитного срабатывания основан на уравнении силы Лоренца.

${\displaystyle {\vec {F}}_{mag}=q{\vec {v}}\times B}$

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 срабатывание

Основные уравнения и параметры

Справа показан типовой привод MEMS. Для одного витка круглой катушки уравнения, которые определяют ее работу:^[3]

• H-поле от круглого проводника:

${\displaystyle H(z)={\frac {Ir^{2}}{2(r^{2}+z^{2})^{3/2}}}}$

• Сила, создаваемая взаимодействием плотностей магнитного потока:

${\displaystyle F_{z}=B_{I}A_{mag}\int _{z}^{z+h_{mag}}{\frac {dHz}{dz}}dz}$

Прогиб механической конструкции для срабатывания зависит от определенных параметров устройства. Для срабатывания должны быть приложенная сила и возвращающая сила. Приложенная сила - это сила, представленная приведенным выше уравнением, в то время как возвращающая сила фиксируется жесткостью пружины подвижной конструкции.

Приложенная сила зависит как от поля катушек, так и от магнита. Величина остаточной силы магнита,^[4] его объем и положение от катушек влияют на прилагаемую Силу. В то время как количество витков катушки, ее размер (радиус) и количество тока, проходящего через нее, определяют ее влияние на приложенную силу. Жесткость пружины зависит от модуля Юнга подвижной конструкции, а также ее длины, ширины и толщины.

Магнитострикционные приводы

Магнитное срабатывание не ограничивается использованием силы Лоренца для механического смещения. Магнитострикционный приводы также могут использовать теорию магнетизма, чтобы вызвать смещение. Материалы, которые меняют свою форму под воздействием магнитных полей, теперь могут использоваться для привода высоконадежных линейных двигателей и приводов.
Примером может служить никелевый стержень, который имеет тенденцию деформироваться, когда его помещают во внешнее магнитное поле. Другой пример - это наматывание серии катушек электромагнитной индукции на металлическую трубку, в которую помещен материал Терфенол-D. Катушки генерируют движущееся магнитное поле, которое волнообразно движется по последовательным виткам трубы статора. Поскольку бегущее магнитное поле заставляет каждое последующее поперечное сечение терфенола-D удлиняться, а затем сжиматься, когда поле снимается, стержень фактически «ползет» вниз по трубе статора, как дюймовый червь. Повторяющиеся распространяющиеся волны магнитного потока перемещают стержень по длине трубки, создавая полезный ход и выходную силу. Величина движения, создаваемого материалом, пропорциональна магнитному полю, создаваемому системой катушек, которое является функцией электрического тока. Этот тип двигательного устройства с одной подвижной частью называется упруговолновым или перистальтическим линейным двигателем. (Посмотреть:Видео магнитострикционного микрометра )

Преимущества магнитных приводов

• Высокая сила срабатывания и ход (смещение)
• Прямое, полностью линейное преобразование (в случае электродинамического срабатывания)
• Двунаправленное срабатывание
• Бесконтактное дистанционное управление
• Низковольтное срабатывание
• Показателем качества приводов является плотность энергии поля, которая может храниться в зазоре между ротором и статором. Магнитное срабатывание 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, потому что у них очень хороший коэффициент масштабирования, и они сохраняют свою намагниченность даже при отсутствии внешнего поля ... это означает, что они не нуждаются в постоянном намагничивании во время использования.^{[6][7][8][9][10]}

Интеграция магнита в устройство MEMS

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

Изготовление (или формовка) магнита

Существует несколько способов изготовления магнита на структуре МЭМС:

Распыление

• Распыление: Аргон ионная бомбардировка материала высвобождает частицы материала. В основном для нанесения редкоземельных магнитов. Скорость напыления и площадь поверхности пленки зависят от распылительного инструмента и размера мишени.

Импульсное послойное осаждение

• Импульсное послойное напыление: мощный импульсный лазер луч фокусируется внутри вакуумная камера поразить цель из материала, который должен быть отложен
• Гальваника
• Снимок экрана
• Воск /Парилен связь^[13][14][15]

Проблемы с магнитным срабатыванием

• Рассеивание большой мощности. Это серьезная проблема для магнитных МЭМС, но в настоящее время ведется работа по ее устранению.^[16]
• Изготовление катушки
• Интеграция микромагнита в устройство MEMS
• Совместимость процесса и материала
• Возможность интеграции в общий процесс микротехнологии (сохранение стоимости и производительности)
• Чтобы не повлиять на уже существующие процессы изготовления устройства MEMS, температуры осаждения и обработка / условия после осаждения должны быть приемлемыми. Кроме того, микромагнит должен выдерживать любую химическую обработку, которая произойдет после его осаждения.
• Проблемы с намагничиванием (может потребоваться более одного направления намагничивания; это создает проблему)^[17]

Каждую из этих проблем можно смягчить или уменьшить за счет правильного выбора материала, выбора метода формования или изготовления, а также типа устройства, которое будет сконструировано. Применение магнитного привода включает: синтетический реактивный привод, микронасосы и микрореле.

Рекомендации

1. Сентурия, Стивен Д. (2001). Дизайн микросистем. ISBN  978-0-7923-7246-2.
2. Арнольд Д. (осень 2010 - весна 2011). Конспект лекций по датчикам МЭМС.
3. Вагнер, Б .; ш. Бенеке. «Микросхема привода с движущимся постоянным магнитом».
4. Dodrill, B.C .; Б. Дж. Келли. «Измерение с помощью VSM - материалы с постоянными магнитами».
5. Арнольд Д. "Постоянные магниты для МЭМС".
6. Гиббс, М. Р. Дж .; EW Hill; П. Дж. Райт. «Магнитные материалы для приложений MEMS».
7. ООО Нэшнл Импортс. «Справочник по выбору и проектированию постоянных магнитов».
8. Арнольд Д. "Постоянные магниты для МЭМС".
9. Ван, Н. (2010). «Изготовление и интеграция материалов с постоянными магнитами в преобразователи MEMS». Bibcode:2010PhDT ........ 49 Вт.
10. Арнольд, Дэвид. «Постоянные магниты для МЭМС».
11. Скьявоне, Джузеппе; Desmulliez, Marc P. Y .; Уолтон, Энтони Дж. (2014-08-29). «Интегрированные магнитные МЭМС-реле: состояние технологии». Микромашины. 5 (3): 622–653. Дои:10.3390 / mi5030622.
12. Чин, Цунг-Шун (2000). «Пленки с постоянными магнитами для применения в микроэлектромеханических системах». Журнал магнетизма и магнитных материалов. 209 (1): 75–79. Bibcode:2000JMMM..209 ... 75C. Дои:10.1016 / S0304-8853 (99) 00649-6.
13. Арнольд, Д .; Б. Бауэрс; Н. Ван (2008). «Восковые микромагниты из NdFeB для приложений микроэлектромеханических систем». Журнал прикладной физики. 103 (7): 07E109. Bibcode:2008JAP ... 103gE109W. Дои:10.1063/1.2830532.
14. Ван, Н. (2010). «Изготовление и интеграция материалов с постоянными магнитами в преобразователи MEMS». Bibcode:2010PhDT ........ 49 Вт.
15. Ян, Цзы-Шунь; Найганг Ван; Дэвид П. Арнольд. «Изготовление и определение характеристик микромагнетиков из порошка Nd – Fe – B, связанных париленом».
16. Гукель, Х. "Прогресс в магнитных микроактюаторах".
17. Гатцен, Ханс Х. "Достижения в европейской технологии магнитных МЭМС".