基于石蜡热膨胀的无缆双向微驱动器研制

　　0　引言

　　微机电系统(MEMS)是集精密机械、微电子、自动控制、材料、生物等技术于一体的新兴研究领域,可以解决微小领域中收集处理信息、决策、行动 及周围环境的控制等方面的复杂技术问题,在工业管道检测、信息和通讯、医疗卫生、军事以及生物科技领域有着潜在和巨大的应用前景,它包括微结构器件、微传 感器、微驱动器和微系统等。在微机电系统中,微驱动器作为可动部分,其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等指标决定了系统的成败,是微机电系 统中最重要的环节,国内外著名的大学和实验室都将有关微驱动器的设计、加工制造、测试技术等的研究作为微机电系统研究的一个重点方向和突破口。

　　微驱动器最基本的工作原理是将其它能量(一般是电能)转换为机械能,实现这一转换的途径有很多种[1]。但它们不是很难兼顾作用力强和形变量大 两者的统一,就是结构比较复杂,而热驱动的优势之一是克服了静电驱动和磁驱动对距离有很大依赖的弱点,热应力是结构内力,只要保证驱动结构能够获得一定热 能(这可以通过电致加热或者接受传导、对流、辐射的热能实现)就能产生相应的形变,从而完成驱动。它的另一个优势是作用力大,所以热驱动微执行器的应用范 围应该更加广泛。同时,热驱动容易实现在标准的集成电路电压范围工作。在常规机械中由于热膨胀的速度很慢,热驱动方式基本不予以考虑。但是在微型机械中, 随着尺寸的缩小,热膨胀速度已经能够满足运行速度的要求。热驱动的问题在于最常用的是基于热膨胀效应,而一般固体材料的热膨胀系数较小,要让结构的热膨胀 量有实用性,必须对结构作一些特别的设计[2],相应增加了系统的复杂性。国内外的研究人员发现,石蜡在其熔点温度附近具有很大的体膨胀系数,甚至可达到 15%[3-5]。以石蜡作为热膨胀材料,热驱动有望成为微型机械的一种重要的驱动方式。本文将讨论石蜡热膨胀性能,分析国内外基于石蜡热膨胀微驱动器的 工作原理和特点,并介绍笔者研制的一种电磁驱动热膨胀型无缆双向微驱动器。

　　1　石蜡热膨胀性能

　　通过试验发现:当压力在0·3MPa以下,石蜡温度从27℃升高到60℃时,其体膨胀系数可以达到15%以上,如图1所示。由此可知,试验所用 石蜡具有很大的体膨胀系数,可以用作微驱动器的热膨胀材料。从图1中还可以看出,在27~35℃的温度范围内,石蜡的体积随温度的升高而增大,但其变化速 度较慢,此时石蜡处于固态阶段;当温度升高到35℃之后,石蜡的体积随温度的升高迅速增大,此时石蜡处于熔化阶段;当温度达到40℃以后,体积的膨胀速度 又开始变慢,此时石蜡已经处于液态阶段。在石蜡的熔点温度附近,石蜡的体积变化非常大,试验中所用石蜡当温度从35℃升高到40℃时,体膨胀系数接近 10%。利用石蜡这一特点,微驱动器可以在石蜡熔点附近很小的温度变化范围内获得较大的输出位移。这使驱动器在不允许有较大温度变化的环境中(如人体内) 使用成为可能。而且不同成分比例的石蜡,其相变区温度不同,可以根据系统对温度的要求来选择不同熔点的石蜡作为微驱动器的热膨胀材料[6]。