Динамо-машины  Мехатроника и робототехнология 

1 2 [ 3 ] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Exhaust

GaSe P;.;?E

Рис. 1.7. Схема работы нормально открытого микроклапана с электростатическим приводом

Рис. 1.8. Схема работы и поперечный разрез сбалансированного по давлению микроклапана с электростатическим приводом

Для увеличения силы привода миниатюрного клапана, давление жидкости Электроосмос - физический эффект, заключающийся в нагнетании жидко-может использоваться так, чтобы скомпенсировать силу, возникающую нзсги через капиллярную трубочку под воздействием внешнего электрического движущихся частях клапана вследствие перепада давления [58]. Этот принцип доля. Для управления потоками жидкости на плоской стеклянной подложке иллюстрирован на рис. 1.8, где клапан выполнен из собранных в столбик (рас-может быть изготовлена система капиллярных каналов таким образом, чтобы положенных друг над другом) спаянных (спечённых) кремниевых структур получить возможность переключения потока жидкоста между каналами [53]. Давление жидкости действует одновременно сверху и снизу на подвижную О первой попытке построения электрогидродинамического микронасоса часть клапана. Поэтому сила, требуемая для приведения в действие клапана, для перемещения заряженных жидкостей сообщено в [62]. Под действием пропорциональна разности штощадей верхней и нижней частей клапана. микронасоса жидкость циркулирует по за.мкнутой гидравлической системе.

Необходимо подчеркнуть, что пьезоэлектрические и магнитострикционные приводя в действие либо микротурбинку, либо плунжер. Движение жидкости преобразователи являются твердотельными элементами приводов, Поэтому их вызывается силой Кулона, наводимой благодаря разности потенциалов между жесткость на порядок выше, чем жесткость электромагнитных и электростати- двтмя электродами микронасоса. При высокой напряженности электростатических преобразователей, в которых удержание подвижного элемента относи- ческого поля происходит переход ионов из электродов в жидкость. Этот про-тельно неподвижного статора осуществ.тяется за счет электромагнитного или цесс может управляться соответствующими электрохимическими реакциями в электростатического поля. паре электрод - жидкость и зависит от состава материала и геометрии элек-

В приводах, основанных на электроосмотическом эффекте, и в электрогид- тродов. Так как введённые ионы перемещаются под действием электростати-родинамических приводах энергия электрического поля сначала преобразуется ческих сил притяжения, зазор между электродами должен быть как можно в механическую энергию движущейся жидкости, а затем при помощи упругих меньше. Получен максимальный расход 12 мл/мин и максимальное выходное микромембран или микросильфонов в движение выходного звена СМП, Эти давление 2,4 кПа при напряжении 700 В, приводы можно отнести к гидроприводам с замкнутой циркуляцией жидкости,

Вторая rpyima приводов, имеющих многоступенчатое преобразование эле raquo; трической энергии в механическую, может быть классифицирована следую щим образом. К ним, во-первых, относятся микроприводы с преобразование! энергии электрического тока в тепловую энергию и далее с преобразований тепловой энергии в механическую. Во-вторых, это микроприводы, в которы; электрическая энергия сначала преобразуется в энергию электромагнитны) волн (в частности, видимого диапазона), далее из энергии излучения - в теп ловую энергию и затем - в механическую энергию.

1. Микроприводы на основе биметаллов.

2. Микроприводы на основе металлов с памятью формы.

3. Микроприводы на основе фазового перехода.

4. Термолазерные приводы.

Микроприводы на основе биметаллов в основном используются для привода створки микроклапана. Большую силу и приемлемое перемещение можнс ожидать от биметаллического привода, использующего соответствующую комбинацию двух металлических сплавов. Полученное давление пропорционально разности коэффициентов теплового распгарения этих сплавов и перепада температур. Несмотря на то, что для биметаллического привода може! использоваться ряд комбинаций материалов, использование кремниевой диафрагмы и слоя алюминия наиболее перспективно (рис. 1.9). Диоксид кремния в laquo;шарнире raquo; между внешней кромкой мембраны и кремниевым корпусом обеспечивает надежную работу клапана и уменьшает тепловые потери в подложке. При диафрагме диаметром 3 мм и толщиной 10 мкм, выполненной из алюминия, клапан работает при давлении - 34 кПа и температуре 100 С. Нагревание биметаллического соединения происходит за счет пропускания тока через алюминиевый слой. Охлаждение осуществляется за счет теплоотводяще-го потока жидкости, непрерывно протекающей вокруг привода. Время обратного хода также является фактором определяющим быстродействие (время срабатывания г = 100 - 500 мс ).

Рис. 1.9 Принцип действия биметаллического микроклапана

Диафрагма с биметаллическим приводом значительно увеличивает силу по сравнению с биметаллической консольной пластиной при том же вертикальном перемещении. Такие диафрагменные клапаны были разработаны для управления давлением и потоками жидкости и газа [61, 56].

Миниатюрные приводы могут быть сделаны с использованием сплавов, обладающих эффектом памяти формы. Спираль из такого сплава возвращается в свое исходное положение, когда нагревается выше критической температуры. При использовании проволоки диаметром 0,5 мм, смотанной в спираль диаметром 3 мм, поршень микроклапана перемещается на 1 мм при давлении около 0,2 МПа [63]. Критическая температура в 50 deg; С, необходимая для срабатывания устройства, достигается при использовании спирали непосредственно в качестве электронагревателя. Для обеспечения приемлемого быстродействия (г = 100 - 500 мс), требуется ток около 1 А. В этих устройствах трудно управ--чять точным перемещением, поэтому они могут использоваться только для перемещения рабочего органа из одного крайнего положения в другое.

Микроприводы на основе теплового фазового перехода laquo;жидкость-газ raquo; также можно использовать только для перемещения из одного фиксированного положения в другое. Термопневматический привод на основе этого эффекта Имеет подвижную диафрагму с герметичной камерой. Жидкость в камере на-

гревается и переходит в газообразное состояние за счет тока, идущего через сопротивление, помещённое внутрь камеры. Время включения зависит от мощности нагревателя и теплоёмкости, а время выключения (открытия) определяется теплопередачей в окружающую среду. Принцип действия термопневматического микроклапана показан на рис. 1,10. Нагреватель выполнен вакуумным напылением резистивного слоя на стеклянную подложку [60]. При использовании фазового перехода жидкого хлорида метила, давление внутри камеры достигает 0,07 МПа за 5 мс при мощности нагревателя 200 мВт.

OiKsKiliiai Т

Рис. 1.10. Действие термопневматического микроклапана

Динамический диапазон работы этого клапана может быть увеличен подбором формы полости, температуры кипения жидкости и соотношения количества газа и жидкости в камере в начальный момент времени.

Термолазерный привод отличается от биметаллического привода и гфивода на основе эффекта памяти формы только тем, что преобразование электрической энергии происходит сначала в энергию когерентного излучения, Далее луч нагревает поверхность металла и происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Такой метод преобразования энергии выгодно отличается от предыдущих тем, что в термолазерном приводе отсутствует электрическая цепь нагревателя [6],

Таким образом, современный уровень техники дает большой спектр физических эффектов, применяемых в приводах СМП. Можно сделать следующие выводы.

- Наиболее часто встречаемые приводы - это электромеханические и электромагнитные, как наиболее универсальные. Далее по распространенности следуют пьезоэлектрические и электростатические. Остальные типы laquo;экзотических raquo; приводов в настоящее время являются объектами исследований,

- По быстродействию лучшими является электростатические приводьт

- По силовым характеристикам - пьезоэлектрические и магнитострикционные приводы (работающие на растяжение-сжатие).

- По компактности с учетом использования технологий электронных компонентов наиболее перспективными для приборных микросистем являются электростатические приводы и приводы на основе преобра-

зования тепловой энергии в механическую.

- Электромеханические (микроэлектродвигатели), электромагнитные и пьезоэлектрические приводы имеют наибольшую перспективу для

осуществления точного позиционирования рабочих органов ММС и

! AMP.