Rotační mikromotory a převodovky

Transkript

1 Rotační mikromotory a převodovky

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 Převodovky se používají k rotačnímu spojení mezi jednotlivými částmi mikromechanizmů přičemž dochází ke snížení úhlových rychlostí otáčení při zvýšení torzní síly nebo naopak. K dispozici jsou křemíkové technologie schopné vyrábět převodovky s dostatečnou přesností při malých rozměrech. Převodovky mohou být kombinovány s mikrořetězovými převody Použití řetězu umožňuje současný pohon několika ozubených kol, přičemž jejich průměry/počty zubů určují velkou variabilitu převodů.

4 Převodovky Mechanizmus na obrázku: vzdálenost os kol obepnutých řetězem je 50 µm, křemíkový řetěz má 50 článků. Mikromechanika dává přednost řetězovým převodům před řemenovými, které vnášejí do mechanizmu rázy způsobené protahováním řemenů a zatěžují ložiska kol podstatně vyššími silami.

5 ttřecí převod pohybu Jiný mechanizmus : jedná se o hladký (bez ozubení) třecí převod pohybu rotujícího disku na posuvný pohyb nosníku vlevo. Převod je řízen přítlakem nosníku v pravé horní části obrázku.

6 Rohatka-západka Další důležitou součástí rotačních převodů jsou systémy rohatka-západka umožňující rotační pohyb jen v jednom smyslu otáčení. Na obrázku je systém dvou západek zabírajících do ozubeného kola (rohatky), střídavým tahem za západky se pohání rotace ozubeného kola v krokovém režimu.

7 Pružiny Dalším mechanickým prvkem MEMs a NEMS jsou pružiny. Využívají se příznivé mechanické parametry křemíku a pružiny se vyrábějí běžnými technologiemi. Na obrázku jsou tři varianty křemíkových pružin.

8 Elektrostatické síly Existuje mnoho variant geometrického uspořádání rotačních mikroaktuátorů využívajících elektrostatické síly. Některé verze dosahují až 3800 ot./min.

9 Principy Využívají všechny dříve uvedené principy využití síly v kondezátorech

10 Elektrostatické Curieovo kolo Princip je v proměnné dielektrické konstantě rotoru Rotor je pokryt tenkou vrstvou BaTiO3 dielektrická konstanta funkcí teploty Ohřev může být světlem na cca 50 až 180 oc podle vlastností BaTiO3 Lokální snížení dielektrické konstanty vede na přitahovaní místa z vyšší die. konst. a tím pootočení rotoru. S 10 V lze získat 0,18 un, vzdálenost deska-kolo cca 1um, šířka desky 100 um, průměr kola 1mm, tloušťka dielektrika 10 um.

11 S proměnnou kapacitou Rotor s póly uzemněn Na stator pulzy mezi póly pak působí sílo příčné působení Zajímavé řešení hřídele

12 S proměnnou kapacitou Mezi rotorem a statorem cca 1 až 3 um Poměr pólů cca 3/1 až 2/1 Napětí cca 30 V až 120 V, 2 nebo 3 fáze Může pracovat na vzduchu, v silikonovém oleji, vodě, ve vakuu Max ot/min na vzduchu

13 Excentrický valivý Wobble motor Valivý pohyb kolem pevné hřídele, řízeno sekvenčními pulzy na statoru Cca 1000 ot/min při 100 V, průměr kolem 0,5 až 2 mm a 60 statorových elektrod

14 Elstat. indukční motor Rotor el. vodič (kapalina, plyn) Statory vytváření rotující el. pole, poly vytvořené v rotoru se zpožďuje a tak je neustále přitahování k aktivní elektrodě statoru Jednotky nn/m při ot/min průměr vně cca 100 um, uvnitř cca 70 um, 50 khz, rotor tloušťka 1 um, stator min. 4 elektrody

15 Rohatkový motor Napětí přitahuje elektrody a rohatka brání návratu při odpojení napětí, tj. pulzně napájený rotor je mezikruží na obrázku Krokový motor

16 Elektrohydrodynamické principy Vzájemné působení nehomogenního elektrického pole a polarizované (ionizované) tekutiny. Síla v dielektriku se vypočítá pomocí P je polarizační vektor tekutiny, členy coulumbovská síly, Kelvinova polarizační síla, dielektrická síla, poslední elektrostrikční síla Označené jsou zásadní

17 Elektrohydrodynamický aktuátor Potřebují pracovní látku s indukovaným gradientem permitivity, nebo obsahující volné (indukované) náboje. Teplotní gradient se dá použít k indukování gradientu permitivity. Náboje můžeme injektovat pomocí elektrod nebo kapacitně vázat pomocí elektrod povrchovou nabíjecí bariérou Lze pracovat s organickými rozpouštědly (metanol, etanol, atd.)

18 Základní idea

19 Elektricky nevodivá tekutina

20 Elektricky vodivá tekutina

21 Příklad vlastností Nutné napětí cca 700 V Otvor pravoúhlý šířky 140 um aktivní plocha 3 x 3 mm, max. tlak 2480 Pa

22 Elektroreologické aktuátory Základem je opět kondenzátor, ale dielektrikum je tekutina s dielektrickými (polovodičovými) částicemi velikosti 40 nm až 50 um. Přiložením napětí se částice polarizují a uspořádají do můstků mezi elektrodami. Tak se zvyšuje dynamická viskozita kapaliny, tj. tření s elektrodami. Odpojením napětí se uspořádání zruší. Třecí síly mohou být porovnatelné s hydraulickými, velmi efektivní metoda. Intenzita pole 4000 V/mm chování jako pevná látka Napětí omezeno průrazným napětím Zejména spojky a převodovky, případně ventil přiložení napětí omezí průtok

23

24

25

26 Elektrostatické generátory kapek Ink-jet Přiložené napětí přitáhne membránu, tím se nasaje inkoust, odpojení napětí vedena návrat membrány a vypuzení kapky, cca 18V, 18 khz, životnost 4 miliardy kapek, lze udělat čip s více než 180 tryskami

27 Elektrostatické měniče napětí Jak zvýšit DC napětí? Snadno bez převodu na AC(RF)? Co kondenzátor s proměnnou kapacitou? U = Q/C, stačí desky oddálit a C klesne, tím stoupne U P = Cmax/Cmin

28 doi: / /23/11/ Realizace funkční části P = 10, Uvstup = 24 V, 1 KHz, plocha 2 mm2

29 doi: / /23/11/ Removal process: (a) 1 µm layer of SiO 2 is deposited using PECVD, (b) SiO 2 is patterned and etched to create a hard mask, (c) backside trenches are patterned and defined using DRIE, (d) frontside features are defined using DRIE, (e) buried oxide and hard mask layer etched in HF VPE, (f) device separation.

30 doi: / /23/11/114017

31 doi: / /23/11/ TEOS dielektrikum na elektrody With 400 nm of TEOS, the maximum and minimum capacitance levels were found to be 15 pf and 5.1 pf resulting in a multiplication factor of M = 2.94.

32 Measured steady state output voltage of bistable converter circuit. Maximum voltage level is 35.4 V for input 24 V doi: / /23/11/114017

33 Piezoelektrické aktuátory Podobné senzorů, viz dříve Deformovatelný nosník, membrána Problémem je vytvořit tenkou piezoelektrickou vrstvu tak, aby nedošlo při přiložení napětí k průrazu Bimorfní zapojení jedna se smršťuje, druhá rozpíná

34 Lineární piezomotory Mikročerv pohyb jako píďalka Piezo pásek + 4 nohy Nohy se elektrostaticky přivedeným napětím mohou jednotlivě přitisknou k podložce Přitisknou předek, ohnout piezo-tělo, přitisknout zadek, uvolnit předek

35 Rotační piezo Rotační piezoelektrické motory lze vyrábět ve velmi malých rozměrech, mají větší hustotu energie než motory elektrostatické nebo elektromagnetické. Schéma takového motoru je na obrázku

36 Princip Jedná se o motor s piezoelektrickou membránou, pracovní cyklus : na piezoelektrickou membránu se přivede napětí, membrána se prohne nahoru a stlačí elastické nohy rotoru. Třecí síla mezi nohami a membránou pootočí rotorem. Po odpojení napětí se membrána vrátí do původní polohy, nohy se uvolní, ale rotor se nevrátí zpět (např. je použit systém rohatka-západka) a cyklus se opakuje. Takový motor může vyvíjet točivý moment řádově desítky nn.m s rychlostí rotace až 200 ot/min.

37 Realizace

38 Jiný typ rotačního piezoelektrického motoru Piezoelektrická trubka je buzena čtyřmi elektrodami umístěnými na plášti válce. Na elektrody se přivádí napěťové pulzy s polaritou, frekvencí a fází tak, aby se trubka torzně deformovala. Lze dosáhnou až 300 ot/min při budícím napětí s amplitudou cca 30 V.

39 Piezomotory Obecně dobrá účinnost 28% elektromagnetické tak 2%. Časté v medicíně v kosmických technologiích, v fotografické technice objektivy.

40 Cykloidní piezoelektrické motory Nepracují pomocí tření, tj. delší životnost Pizo elementy postupně odtlačují stator a ten pootáčí rotorem

41 Piezoelektrické mikropumpy Bezventilová, přetlak na vstupu nebo sinusové buzení Nutný správný návrh vstupních a výstupních otvorů

42 Piezoelektrická membránová mikropumpa Prohýbá se horní skleněná tenká deska při přivedení napětí Průměr 75 um, tloušťka 2um, 0,6ml/min, 300V

43 Piezoelektrické aktivní ventily Pro mikropumpy, někdy nutné závisí na tlaku, atd. Membrána ventilu tloušťky 100um průměr 10 mm, ventil-sedlo 4um Lékařské a automotive aplikace

44 Piezoelektrické mikromanipulátory Zejména nastavování polohy v mikroskopech, mikrochirurgii a optice

45 Nastavení polohy optického vlákna Spojení vláken, napojení na laser, atd. Klasicky se vlákna umisťují do V drážek, které musí být vyrobeny s um přesností Problém nastane, pokud vlákno má excentricky umístěné jádro, pak je nutné aktivní pozicování Rozsah 20 um x 20 um, při 200 V

46 Systém pro velká posunutí Mechanicky sériové zapojení mezi pevné konce, elektricky paralelní, lze zhotovit na čipu Celkové prodloužení N/2 * změna délky jednoho elementu Max cca pro N=16 kolem 1,5 um

47 Piezoelektrický skalpel Lze držet v ruce nebo robotem Řezný pohyb nože řízen piezoeffektem Podle druhu řezaného materiálu se mění i frekvence pohybů

48 Microsurgical Assistant System CiiS Lab Johns Hopkins University

49 Yaman Z, Suer BT. Piezoelectric surgery in oral and maxillofacial surgery. Annals of Oral & Maxillofacial Surgery 2013 Feb 01;1(1):5. piezosurgery Different size and types of piezosurgery inserts can be utilized for intra-oral procedures (A). Ultrasonic vibration formed in line with the piezoelectric principles by means of vibration on the insert mounted on to the tip of the instrument. Amplitude of longitudinal vibration depends on the device and longitudinal vibration ranges from 40 to 200 µm, while vertical vibration is between 20 and 60 µm (B).

50 Akustické a optické aplikace piezo aktuátorů

51 Piezoelektrické akustické aktuátory Sirény až 120 db Piezo budící element spojený s vhodnou membránou Senzor bude v principu vypadat stejně

52 Laserový piezoelektrický skener Pohyblivé zrcadlo až 60 um s 800 Hz

53 Laserový piezoelektrický skener Vychylování zrcátka 6 mm 2 pro čtení bar kódů, skenovací úhel 10 až 25 deg. Nosník dlouhý 6,8 mm, 3,4 mm široký a 10 um silný. Napájení 2 V 4 V, 100 Hz 2 khz

54 Inkjet tisk piezo efekt Elektricky vodivý inkoust je vytlačován kontinuálně z trysky, Kapky se tvoří náhodně a jsou vychylovány el. polem

55 Inkjet tisk piezo efekt Lze modifikovat také tak, že z trysky vyletují již kapičky stejné velikosti Jiná konstrukce

56 Inkjet tisk piezo efekt Generátor s řízenou generací kapek inkoustu Velké cca 1 mm 2 nelze vytvořit matici Akustická vlna vede k formování kapky parametry vlny lze ovlivnit velikost kapky cca 20 až 100 um

57 Piezoele. mikrogenerátory Výroba el. energie pro napájení přímo na čipu Dobrá energetická hustota (asi nejlepší) z jednoduchých systémů Bimorfní nosník s nízkou rezonanční frekvencí PZT je křehká, PVDF je vhodná, PVDF povlakovaný Al vrstvou jako elektrody Až 375 uw při 8 V a vibracích 2,5 ms -2 s 120 Hz

58 Piezoele. mikrogenerátory PVDF povlakovaný Al vrstvou jako elektrody

59 Další Piezonastavitelná čočka pomocí piezoelementu lze měnit prohnutí čočky tj. optickou mohutnost

60 Aktuátory s magnetickým principem Viz pdf