Jedno z možných rozdělení

Transkript

1 Mikroaktuátory

2 Zdroje a literatura Pokud není uvedeno jinak, tak obrázky jsou převzaté z knihy a přednášek Prof. Ing. Miroslava Hušáka, CSc. z ČVUT, kterému tímto velice děkuji. Miroslav Hušák, Mikrosenzory a mikroaktuátory, ISBN

3 Jedno z možných rozdělení

4 Uvedené rozdělení není absolutní, velmi často se lze setkat například s tímto rozdělením do šesti základních kategorií elektrické, magnetické, termické, optické, mechanickoakustické a chemicko-biologické. Lze se však setkat i s jinými způsoby rozdělení mikroaktuátorů.

5 Elektrické mikroaktuátory Elektrická metoda pohybu je založena na coulombovské přitažlivosti mezi dvěma nabitými tělesy. Elektrické mikroaktuátory zahrnují různé pohybové mechanismy. Elektrostatické pohyby využívají přitažlivé síly mezi různými náboji, aby způsobily deformaci nebo pohyb tělesa. Piezoelektrické pohyby na rozdíl od elektrostatických využívají změnu rozměrů piezoelektrických materiálů při přiloženém napětí důležité protože se netvoří el. a mag. pole v okolí vhodné pro přístroje

6 Magnetické mikroaktuátory Tyto mikroaktuátory jsou využívány elektromagnetickými mechanismy, jako např. elektromotory, magnetoelastickými a magnetrostričními mechanismy. Vlivem mag. pole se tedy mění rozměry.

7 Tepelné mikroaktuátory Využívají rozdílných koeficientů tepelné roztažnosti Také využívají paměťový efekt

8 Optické mikroaktuátory se rozdělují na přímé a nepřímé. Přímá optická metoda využívá světla, které reaguje s aktivní částí mikroaktuátoru a způsobuje pohyb. Nepřímé optické metody využívají tepelné účinky světla, schopnost generovat elektrický proud nebo změnu elektrického odporu ve fotocitlivých materiálech.

9 Mechanicko-akustické mikroaktuátory Do této skupiny se obvykle zařazují klasické mechanické a dále akustické mikroaktuátory. Jedná se o typické mikroaktuátory reprezentované v provedeních: Mechanické aktuátory mechanické metody používají jeden ze způsobů mechanického pohybu, například lineární pohyb využívají k vytvoření jiného typu mechanického pohybu (rotace). Mechanická pohybová ústrojí se velice často využívají v každodenním životě a zahrnují široké množství pohybových ústrojí, například vodovodní kohoutek, kde je rotační pohyb převeden na lineární pohyb, který způsobuje otevíraní a zavírání kohoutku. Mechanické metody pohybu také mohou využívat ke své činnosti pákové mechanismy a převodovky, pomocí kterých lze zesilovat slabé pohyby. V mikroaktuátorech se jedná o integrované provedení realizované na křemíkovém čipu (různé převodové mechanismy, páky apod.)

10 Mechanicko-akustické mikroaktuátory Akustické mikroaktuátory akustické metody využívají momentů pohybů, které mohou být generovány akustickými vlnami a mechanickými vibracemi v plynech nebo v pevných látkách. V těchto mikroaktuátorech je používán buď mechanický usměrňovač, který usměrňuje přesuny a způsobuje generování lineárního pohybu, nebo je akustická energie koncentrována a využita k vypařování kapalin, které při kondenzaci stanovují výstup kapalinové pumpy,

11 Chemicko-biologické mikroaktuátory Aktuátory, které využívají chemické reakce ke generování síly a pohybu, tvoří velkou část pohybových ústrojí většina mechanické energie, kterou biologické (živé) organismy vytvářejí, využívá chemických reakcí Motor automobilu je klasickým příkladem pracovního stroje využívajícího chemických reakci. Exploze je příkladem chemických aktuátorů používaných k vytvoření tlakových vln a velkých sil pomocí spontánní chem. Reakce. Zatím nepříliš využívané v mikroaktuátorech.

12 Chemicko-biologické mikroaktuátory Biologické např. svaly, obvykle zahrnují chemické komponenty, které jsou využívány k vytváření potřebné síly a potřebného pohybu. V těchto aktuátorech hraje roli únavový faktor, který je vztažen k rozsahu, ve kterém mohou být chemikálie znovu naplněny a pomocí produkce mohou být odstraněny nebo odloženy. Další výhodou biologických aktuátorů je možnost využití různého druhu činnosti nebo provedení, který je většinou vztažen k rozsahu a době trvání pohybu..

13 Lineární mikroaktuátory

14 Elektrostatické

15 Elektrostatické

16 S podélným pohybem

17 S podélným pohybem

18 S podélným pohybem

19 S podélným pohybem

20 S příčným pohybem

21 Aktuátor s dielektrikem

22 Aktuátor s vodivou pohyblivou částí

23 Kombinavaný podélný a příčný pohyb

24 Mikromanipulátory - pinzety

25 Monolitický mikromanipulátor Přiložené napětí

26 Monolitický mikromanipulátor

27 Mikroposuv 1D

28 Mikroposuv 2D

29 Mikroventil - membránový

30 Fóliový mikroventil

31 Elektrostatické přepínače

32 MEMS přepínače

33 MEMS přepínače

34 MEMS MW přepínače

35 MEMS pohyblivý klínový spínač

36 MEMS pohyblivý klínový spínač

37 MEMS optické přepínače

38 MEMS optický přerušovač (posuvná clona)

39 MEMS přepínač pro optický vlnovos

40 MEMS přepínač pro optická vlákna

41 MEMS přepínač pro optická vlákna

42 MEMS Přepínač 2 x 2 s horizontálním pohybem

43 Realizace

44 MEMS Přepínací optická matice s mikrozrcátky

45 Membránová mikropumpa

46

47 Mikroaktuátorové membránové systémy

48

49 Elektrostatické mikromotory

50 Lineární s hřebenovými elektrodami Comb-drive

51

52

53 Volně posuvní lineární elst. motor

54 Krokový lineární motor s velkou silou a přesností Síla až 40 un při 40 V mezi U1 a U2 Napřed připojíme napětí mezi U1 a Up, tím se nosník prohne a U2 přisune, pak napětí necháme jen na U2 a tím se U1 posune vpřed Rotor takto klouže po Si3N4 statorové části

55 Drhnoucí lineární motor Opět využívá tření mezi rotorem a statorem (pokrytým izolační vrstvou). Lze používat jako krokový motor s krokem min cca 25 nm Rotor pružný nosník tvaru L se po přivedení napětí přitiskne k substrátu a spodní část L nosníku se posune o dx vpřed. Po odpojení napětí se rotor odlepí a posune díky části L opřené (tření) o povrch statoru

56 Tepelné lineární aktuátory

57 Princip

58 Princip

59

60

61

62

63

64

65

66

67 Aktuátor

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87 S tvarovou pamětí

88

89

90

91

92

93

94 Ventil idea

95 Konstrukce

96 Tepelné aktuátory s roztažností tekutin

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106 Stirlingův motor Existuje mnoho teoretických článků v oblasti nano scale, ale žádné zařízení. Zatím. Stirlingův motor je tepelný stroj pracující s cyklickým stlačováním a expanzí vzduchu nebo jiného pracovního plynu. Stlačováním při nízké teplotě pracovního plynu a expanzí při vysoké teplotě pracovního plynu probíhá transformace tepelné energie na mechanickou práci Jde o motor s uzavřeným oběhem, s regenerativním ohřevem a se stálou náplní pracovního plynu. Uzavřený pracovní cyklus je definován jako termodynamický systém, ve kterém se s okolím nevyměňuje pracovní plyn, ale jen tepelná energie. Výměna tepla s okolím probíhá přes tepelné výměníky ohřívače a chladiče. Regenerátor je tepelný výměník, který uschovává tepelnou energii v době mezi expanzí a kompresí pracovního plynu. Regenerátor odlišuje Stirlingův motor od ostatních horkovzdušných motorů.

107

108 Doplněk - rotační viz dále

109