微型电磁驱动器中微小电磁力的研究

　　1　引言

　　近年来随着微细加工技术的不断发展,微机电系统(MEMS)在工业、农业、航空、航天、国防和生物医学等许多领域有着广阔的应用前景,并得到了迅速地发展。微型驱动器作为构成微机电系统的主要元件,一直是各国MEMS研究中的一项重要内容,微驱动器技术的进步必将带动MEMS技术的全面发展。目前已经开发了多种应用于MEMS中的微驱动器,这些微驱动器主要包括:静电型、电磁型、压电型、热微驱动器和形状记忆合金微驱动器等^[1-2] 。其中微型电磁驱动器在近年得到了快速的发展,引起了各国MEMS研究人员的广泛关注。这类驱动器具有驱动力和驱动行程大等优点,它是MEMS中较常使用的一类微驱动器^[3] 。目前在微型电磁驱动器研究方面已取得了许多研究成果,现已研制出了多种电磁型转动微马达、螺线管型和平面线圈型线性微电磁驱动器。由于平面线圈型微驱动器的制作工艺与集成电路的平面工艺相兼容,因而它在MEMS中有很大的应用潜力。

　　设计了一种双层平面正方形铜线圈为驱动线圈的微驱动器。对该驱动器所产生的微小电磁力进行了理论分析,求出了电磁力的数值解公式。并用有限元软件ANSYS对该微驱动器进行了模拟计算。

　　2　结构原理

　　我们设计的这种微型电磁驱动器主要包括三个部分:平面正方形铜线圈、弹性支撑和坡莫合金薄片,其原理简图如图1所示。平面线圈为两层结构,每层上制作有30圈,位于同一平面上呈正方形的铜线圈。坡莫合金薄片长、宽、厚尺寸分别为4.8mm,4.8mm,6μm,安放在弹性支撑的平面上。平面线圈的中心与坡莫合金薄片的中心是在同一轴心上。当在平面线圈中通入电流时,该线圈会产生磁场,坡莫合金薄片在该磁场的作用下磁化,从而受到电磁力的作用。该电磁力在垂直方向上的分量会驱动坡莫合金薄片向平面线圈方向运动。

　　3　理论分析

　　坡莫合金薄片在平面线圈的磁场H中所受到的磁场力可归结为分子电流所受到的力。由于分子电流在宏观上表现为磁化电流,因而可以从磁场对坡莫合金薄片所产生磁化电流的作用,来求出其所受磁场的作用力。

　　坡莫合金在磁场H中发生磁化,在其内部产生的磁化电流的体密度δm为^[4] :

　　在其表面所产生的表面磁化电流的面密度为:

　　其中,M为坡莫合金的磁化强度,n为表面法向矢量

　　根据单位体积载流导体受到的作用力公式^[5] :

　　其中δ为电流密度,B0为磁感应强度。

　　由式(1)至(3)可求出作用在坡莫合金薄片上电磁力的体密度为: