非電磁：微電機發(fā)展的一個重要方向
江蘇中動電力設備有限公司 / 2012-08-22
SMA
電機：建模和精確控制是研究重點。
形狀記憶合金(SMA)的金相結構在常溫下為馬氏體狀態(tài)，當加熱到相變溫度之后成為奧氏體狀態(tài)，當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在低于金屬相轉變溫度時，可以被加工成另一種形狀，但是，當溫度達到或超過轉變溫度時，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。
SMA電機在醫(yī)學領域的應用極為廣泛。如外科醫(yī)生在對病人手術前要探測人體內的情況，比如內窺鏡檢查。
目前，科學家們已研制成功一種采用SMA電機制作的主動式內窺鏡，內窺鏡主動部分由5個主動彎曲關節(jié)組成，每個關節(jié)中在不同方向安裝了SMA電機，關節(jié)的彎曲形狀確定彎曲
方向，這樣就可以實現(xiàn)無損傷、無疼痛的內窺鏡檢查。
由于SMA電機動作不受溫度以外的環(huán)境因素的影響，無常規(guī)電機或液壓系統(tǒng)的可動密封部分，因而可在普通元件不能適應的水或真空中使用，甚至可在條件更加嚴酷的場合(如
在腐蝕環(huán)境或原子能反應堆)中使用?？梢?，利用SMA這種能變形伸縮的特點而制作的微驅動器代替電磁機構和微型電機等復雜裝置，可大大簡化結構、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電系統(tǒng)中，尤其適用于與溫度傳感器集成和驅動之間窄小的場合。
SMA電機的額定缺點之一，是響應時間較長，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電機在高頻場合中的應用。在SMA電機微型化后，散熱速度大
大提高，使SMA電機的響應速度也相應提高。因此，SMA電機在一些響應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電機的連續(xù)控制帶來了一定的難度。
因此，SMA電機主要應用于開關型執(zhí)行器中。SMA電機的建模和精確控制是目前研究的重點。
超聲波電機：市場前景不可估量。
超聲波電機是利用壓電陶瓷(PZT)的逆壓電效應和超聲振動，將彈性材料的微觀改變通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動的一種新型電機，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。超聲波電機突破了傳統(tǒng)的電磁式電機的概念，能量的耦合不是利用電磁感應，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效
應實現(xiàn)能量傳遞的。所以這種電機具有結構簡單、小型輕量、響應速度快、能獲得低速大轉矩和可用于直接驅動、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。
超聲波電機是一種新的自動控制執(zhí)行器，利用其結構的簡單和小型化的特點使之用于光學設備的自動調焦機構。如日本佳能公司在相機大鏡頭上使用了直徑11mm的柱形超聲波
電機，用于相機的鏡頭調整，從而提高了相機聚焦精度，使整機噪音下降，重量減輕。Nikon公司的相機大部分亦采用超聲波電機進行自動聚焦控制。韓國三星公司成功地將超聲波
電機應用于手機照相系統(tǒng)中等。
超聲波電機是上個世紀80年代初由日本的學者研制成功的，其技術水平目前處于世界領先地位。在日本，幾乎所有知名大學都對超聲電機進行了研究，超聲波電機早已進入了
實用階段，代表性的生產(chǎn)廠家有佳能、新生工業(yè)、奧林巴斯光學工業(yè)、精工儀器等。目前，USA已將超聲波電機成功應用到航空航天、信息和汽車產(chǎn)業(yè)領域；法國用于空對空導彈
導引裝置；德國則用于飛機的電傳操縱系統(tǒng)；日本用于空間伸展結構的伸展和收縮等。我國在上個世紀90年代開始超聲波電機的研究，目前已有20多所大學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、浙江大學、南京航空航天大學、東南大學等在超聲波電機研究方面都取得了豐碩的成果，得到了國內外同行的認可。隨著人們對超聲波
電機的進一步研究和應用面的拓寬，專家預計到2010年，該電機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)以及辦公自動化設備上得到充分推廣應用，其市場前景
不可估量。
靜電電機：驅動力矩小和驅動電壓高是主要問題。
靜電電機原理和結構與傳統(tǒng)電機不同，它是利用異性電荷的庫侖力作用來實現(xiàn)機械運動的非電磁性電機。由于靜電電機的驅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，因此靜電電機的微型化極易實現(xiàn)。但靜電電機須有較高的驅動電壓，當電極表面存在毛刺、灰塵時，靜電電機存在電擊穿的危險，因此，要求表面十分平整，
并應將電機封裝起來。隨著硅集成電路技術的高速發(fā)展，其尺寸可以做到深亞微米，從而解決了機械加工精度的問題，轉子與定子的距離大大縮小，使工作電壓得以大幅度降低。
于是在微細加工技術的支持下，靜電電機的研究得到了長足的進展。
靜電電機的誕生，使微機電系統(tǒng)的應用得到了迅速的發(fā)展。日本三菱電機公司研制出的一種采用靜電電機驅動的微型機器人，體積僅為5mm×6.5mm×9mm。該機器人主要用于檢
查原子能及火力發(fā)電站內部各種復雜而細小的管道是否異常。
靜電微泵是靜電電機又一應用事例。此外，在原子力顯微鏡、高密度磁存儲器、半導體器件、光電子元件等產(chǎn)品中都需要納米級精度的驅動機構，MEMS靜電電機十分適合應用
于這些領域。目前，靜電電機在應用中存在的主要問題是驅動力矩小和驅動電壓高。
