磁執行器

磁執行器可以分成洛侖茲力類型和雙極子類型。磁執行器利用電磁或者永磁體產生的磁場力進行驅動。磁執行器的形式很多：磁體可以分為永磁體和電磁。

基本介紹

• 中文名：磁執行器
• 外文名：magnetic actuator
• 運用領域：電子工程
• 分類：洛倫茲力類型或雙極子類型

概念

磁執行器利用電磁或者永磁體產生的磁場力進行驅動。根據磁力的來源，磁執行器可以分為洛侖茲力類型和雙極子類型。洛侖茲力類型是執行器內部的電流在外磁場(一般是固定磁場)的作用下產生洛侖茲力對外輸出功率，一般不需要在微執行器中集成磁性薄膜材料，製造比較容易；雙極子執行器是執行器內部的磁材料在外部變化的電場下產生的作用力，需要製造磁性材料。根據執行器的位移方向，磁執行器可以分為間隙型和面積型，如圖1所示。間隙型執行器的位移方向垂直於間隙，動作過程中重疊面積不變。間距改變。面積型磁執行器的運動方向與間距方向垂直，動作過程中間距不變，重疊面積改變。在巨觀磁執行器中，由於磁路間隙的磁阻遠大於磁芯本身的磁阻，磁場能幾乎都集中在間隙處。在微型執行器中，磁芯磁阻與間隙磁阻相當，甚至大於間隙磁阻，因此磁場能分布在整個磁芯和間隙上。當磁芯的磁場能和間隙的磁場能相等時，磁執行器能夠輸出最大的能量和驅動力。

圖1

矽和衍生材料不具有磁化性質，但是由於這些材料不影響磁場(對磁場是透明的)，因此磁執行器可以在矽結構上製造磁性材料實現。微型磁執行器的優點是作用距離大，能夠把微系統與巨觀世界聯繫起來。在尺寸較大的情況下，磁執行器具有較大的輸出能力。磁執行器還可以在不對矽器件施加任何能量的情況下驅動系統，避免了襯底熱損耗。由於常用的MEMS材料對磁場是透明的，磁場能夠穿透介質施加到被驅動物體，因此磁驅動可以用外部磁場對真空封裝腔內的器件進行驅動，避免使用直接的物理連線，這對真空封裝非常有利。使用磁性材料可以容易地實現雙穩態設計，從而實現自鎖機構．使驅動過程只需要一個脈衝能量，保持過程不需要能量，降低驅動功率。磁執行器為電流控制的器件，通常驅動電流為幾毫安以上，驅動電壓可以低於1V。在無法使用高電壓的情況下、外界環境為導電流體．以及環境灰塵較多時，磁驅動可以替代靜電驅動。

由於磁場力與磁體的體積有關，隨著磁體尺度的縮小，電流密度隨之縮小，驅動力急劇下降，下降速度超過了靜電執行器的下降速度。多數磁驅動器需要使用銅以及磁性材料(軟磁性、硬磁性、或者磁彈性材料)，不僅大多數材料對IC是污染的，而且磁性材料需要沉積厚膜(10～100 μm)以增大磁體體積，這對普通工藝也是比較困難的。儘管I。1GA技術可以製造較大體積的磁體，但是成本較高。另外．電磁驅動中用到多種導體材料。在較大的電流通過時會產生焦耳損耗並引起散熱問題；磁器件需要很大的驅動功率．要求較小的電壓和很大的電流，導致能量轉換效率較低，而且大電流和高功率是和IC不一致的。在有些套用中，磁場可能引起生物體的變性，限制了套用範圍。

磁執行器的形式很多：磁體可以分為永磁體和電磁，磁體材料包括坡莫合金和普通磁性材料，坡莫合金是一類由鎳鐵(70%Ni+30%Fe)組成的軟磁性材料，非常容易被磁化，各向異性較小，製造過程不能施加應力和彎曲變形等。執行器的結構分為懸臂樑結構(輸出彎曲)和扭轉梁結構(輸出扭轉)，輸出位移的方向可以為面內或面外。通常磁體採用電鍍製造，輸出力矩為0.1~1nNm。

磁執行器的原理

根據一些重要的磁執行原理，可以利用磁場來產生力、力矩或者微結構的位移：驅動磁場能作用在一蝗元件上，如載流導線、電感線圈、磁性材料或者磁致伸縮材料。

在此討論用於計算載流導線和磁化磁性材料之間的磁相互作用公式。

洛倫茲力執行器利用了載流導體和外部磁場的相互作用—帶有電最為q的運動電荷受到的洛倫茲力為：

其是電荷的運動速度，力的大小為：

其中θ為速度和磁場之間的夾角(θ<180°)、力的方向由簡單的助記方法可以判定。伸出你的右手，拇指的方向指向正電荷移動的方向，其他四指指向磁場的方向，手掌就面對受力的方向，力的方向垂直於電荷運動方向以及磁場方向。

磁執行器可以通過永磁體和外部直流磁場的相互作用來工作。典型的例子是我們熟悉的指南針(圖2)。在指南針中使用的永磁體是一種硬鐵磁材料如果內部和外部磁力線平行，將沒有力或力矩施加在指南針上 當內部磁化方向與本地磁力線不平行時，指南針會受到一個力矩(稱之為磁力矩)作用．該力矩使指針旋轉，直到內部磁力線與外部磁力線平行時停止：該互作用的原理可以擴展到微感測器與執行器。事實上，人們已經開發了人工粘接或集成化永磁體微磁執行器。

圖2

MEMS磁執行器的實例研究

微磁執行器可以根據磁體種類及包含的微結構進行分類。

磁場的來源可以是永磁體、集成的電磁線圈（有或無磁芯）或外部的螺線管 以混合的方式可以使用多種磁場的來源。

晶片上產生力的微結構可以為下列幾種之一：永久磁體（硬磁體）、軟磁體或集成電磁線圈（有或無磁芯）。

磁馬達

第一個例子是平面型可變磁阻的微型馬達，它帶有全集成的定子和線圈（圖3）。定子是由集成的電磁體製成，而轉子是由軟磁性材料製成。馬達有兩組顯磁極，一組在定子上（它通常有激勵線圈纏繞著），另一組是在轉子上。

圖3

當相位線圈受到激勵時，靠近激勵定子電極的轉子磁極會吸引到定子磁極（圖8-12a和圖8-12b）。由於定子旋轉，定子磁極將與轉子磁極對準。關斷激勵相位線圈的電流，下一個相位開始激勵使之連續運動。在這種設計中，所有相位的電極都是相反極性成對排列，這樣使得鄰近極板間的路徑很短：按順序激勵以一組或更多組排列的定子線圈來產生連續的轉子轉動。

轉子厚為40 μm，直徑為500μm。將其組裝在包含定子的晶片上或以集成的方式通過電鍍來製造。當對每個定子施加500mA的電流時，會產生12°的旋轉（每個增量行程）。在定子上施加三相200mA的電流脈衝，通過電源提供的電流頻率和相位開關順序來調整轉子的速度和方向。可以觀察到轉子的連續轉動速度高達500rpm。在500mA驅動電流下可算出馬達的扭力為3. 3nN·m—弓折形磁芯線。

使用環形彎曲集成感應元件在馬達中產生磁通。多層磁芯“纏繞”著平面彎曲的導線（圖4(c)）。這種結構可以認為是在傳統電感器中交換導線和磁芯角色所產生的結果(圖4(d))。製造工藝從氧化的矽晶片開始（圖4）。澱積200nm厚的鈦薄膜作為電鍍籽晶(步驟b)。在晶片上旋塗聚醯亞胺來為磁芯底層構建電鍍鑄模：用四次塗層獲得固化厚度為12μm的厚聚醯亞胺層（步驟c）。用鋁金屬薄膜覆蓋聚醯亞胺，然後再塗上光刻膠並光刻圖案。光刻膠用做刻蝕鋁的掩膜（在濕法刻蝕中），然後作為刻蝕聚醯亞胺的掩膜（在氧電漿中）（步驟d）。鎳鐵玻莫合金通過電鍍在聚醯亞胺層的視窗處生長並填滿視窗（步驟f）。

旋塗另一個聚醯亞胺層隔離底部的磁芯（步驟g）。在聚醯亞胺絕緣層的頂部沉積7μm厚的金屬層（鋁或者銅）並形成圖案（步驟i）。在圖形化的金屬上旋塗更多的聚醯亞胺來使晶片平整並且隔離彎曲的導體（步驟j）。使用與前面相同的方法使聚醯亞胺層形成圖案（步驟k）。將通孔一直開到底部的磁芯並進行電鍍來產生頂部磁芯（步驟1）。