非電磁：微電機發(fā)展的一個(gè)重要方向
江蘇中動(dòng)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(diǎn)。
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(shí)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(shí)，可以被加工成另一種形狀，但是，當溫度達到或超過(guò)轉變溫度時(shí)，SMA自動(dòng)
變化成原來(lái)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電機在醫學(xué)領(lǐng)域的應用極為廣泛。如外科醫生在對病人手術(shù)前要探測人體內的情況，比如內窺鏡檢查。
目前，科學(xué)家們已研制成功一種采用SMA電機制作的主動(dòng)式內窺鏡，內窺鏡主動(dòng)部分由5個(gè)主動(dòng)彎曲關(guān)節組成，每個(gè)關(guān)節中在不同方向安裝了SMA電機，關(guān)節的彎曲形狀確定彎曲
方向，這樣就可以實(shí)現無(wú)損傷、無(wú)疼痛的內窺鏡檢查。
由于SMA電機動(dòng)作不受溫度以外的環(huán)境因素的影響，無(wú)常規電機或液壓系統的可動(dòng)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(chǎng)合(如
在腐蝕環(huán)境或原子能反應堆)中使用?？梢?jiàn)，利用SMA這種能變形伸縮的特點(diǎn)而制作的微驅動(dòng)器代替電磁機構和微型電機等復雜裝置，可大大簡(jiǎn)化結構、同時(shí)還因不消耗傳動(dòng)電力而
節約能源，具有高功率體積比的優(yōu)點(diǎn)，因此十分適用于微機電系統中，尤其適用于與溫度傳感器集成和驅動(dòng)之間窄小的場(chǎng)合。
SMA電機的額定缺點(diǎn)之一，是響應時(shí)間較長(cháng)，電加熱可以使溫度迅速上升，但是冷卻過(guò)程卻難以控制，這限制了SMA電機在高頻場(chǎng)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(chǎng)合也有可能利用。SMA的另一個(gè)缺點(diǎn)是遲滯現象，這給SMA電機的連續控制帶來(lái)了一定的難度。
因此，SMA電機主要應用于開(kāi)關(guān)型執行器中。SMA電機的建模和精確控制是目前研究的重點(diǎn)。
超聲波電機：市場(chǎng)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(dòng)，將彈性材料的微觀(guān)改變通過(guò)共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀(guān)運動(dòng)的一種新型電機，因其超聲頻率超過(guò)
20kHz(人耳能感覺(jué)到的頻率范圍是20Hz-20kHz)，故稱(chēng)之為超聲波電機。超聲波電機突破了傳統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(shí)現能量傳遞的。所以這種電機具有結構簡(jiǎn)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(dòng)、斷電時(shí)具有高自鎖力矩，不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，另外還具有耐
低溫、真空等適合太空環(huán)境的特點(diǎn)。
超聲波電機是一種新的自動(dòng)控制執行器，利用其結構的簡(jiǎn)單和小型化的特點(diǎn)使之用于光學(xué)設備的自動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)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中等。
超聲波電機是上個(gè)世紀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)都對超聲電機進(jìn)行了研究，超聲波電機早已進(jìn)入了
實(shí)用階段，代表性的生產(chǎn)廠(chǎng)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已將超聲波電機成功應用到航空航天、信息和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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；日本用于空間伸展結構的伸展和收縮等。我國在上個(gè)世紀90年代開(kāi)始超聲波電機的研究，目前已有20多所大學(xué)和科研院所開(kāi)展了這方
面的研究并實(shí)現小批量生產(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(zhù)人們對超聲波
電機的進(jìn)一步研究和應用面的拓寬，專(zhuān)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(xiāo)售額，若在汽車(chē)工業(yè)以及辦公自動(dòng)化設備上得到充分推廣應用，其市場(chǎng)前景
不可估量。
靜電電機：驅動(dòng)力矩小和驅動(dòng)電壓高是主要問(wèn)題。
靜電電機原理和結構與傳統電機不同，它是利用異性電荷的庫侖力作用來(lái)實(shí)現機械運動(dòng)的非電磁性電機。由于靜電電機的驅動(dòng)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(wú)關(guān)，因此靜電電機的微型化極易實(shí)現。但靜電電機須有較高的驅動(dòng)電壓，當電極表面存在毛刺、灰塵時(shí)，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(lái)。隨著(zhù)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，從而解決了機械加工精度的問(wèn)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(shù)的支持下，靜電電機的研究得到了長(cháng)足的進(jìn)展。
靜電電機的誕生，使微機電系統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(dòng)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(dòng)機構，MEMS靜電電機十分適合應用
于這些領(lǐng)域。目前，靜電電機在應用中存在的主要問(wèn)題是驅動(dòng)力矩小和驅動(dòng)電壓高。
