Im Allgemeinen verwendet ein Aktuator eine Energiequelle zum Bewegen oder Steuern mechanischer Komponenten. Diese finden sich häufig in verschiedenen Maschinen und Elektromotoren . Seit vielen Jahren werden verschiedene Arten von mechanischen Geräten miniaturisiert, obwohl dieses Verfahren normalerweise die sehr kleineren Komponenten des Einzelnen benötigt. Im 21. Jahrhundert wurden Mikroaktuatoren entwickelt, bei denen hauptsächlich industrielle Prozesse wie Mikrobearbeitung und Lithographie zur Herstellung eines Mikroaktuators verwendet werden. Dieser Artikel beschreibt einen Überblick über a Mikroaktuator r – Arbeiten mit Anwendungen.
Mikroaktuator-Definition
Ein mikroskopisch kleiner Servomechanismus, der zum Zuführen und Übertragen einer abgemessenen Energiemenge für das System oder einen anderen Mechanismusbetrieb verwendet wird, ist als Mikroaktuator bekannt. Wie ein allgemeiner Aktuator muss ein Mikroaktuator diese Standards wie schnelles Schalten, großer Hub, hohe Präzision, geringer Stromverbrauch usw. erfüllen. Diese Aktuatoren sind in verschiedenen Größen erhältlich, die von Millimetern bis Mikrometern reichen, aber sobald sie verpackt sind, können sie es erreichen die Gesamtgröße in Zentimetern,
Sobald die mechanische Bewegung von Festkörpern erzeugt ist, reichen die typischen Verschiebungen dieser Aktuatoren von Nanometern bis zu Millimetern. In ähnlicher Weise reichen die typischen Durchflussraten, die für diese Aktuatoren erzeugt werden, von Picoliter- oder Minuten- bis Mikroliter- oder Minutenbereichen. Das Diagramm des Mikroaktuators ist unten dargestellt.
Konstruktion von Mikroaktuatoren
Die folgenden Abbildungen zeigen drei thermische Mikroaktuatordesigns Biomaterialaktuator, Biegebalkenaktuator und Biegeaktuator. Das Design von thermischen Aktoren mit einem einzigen Material ist symmetrisch, was als gebogener Balken oder V-förmig bekannt ist.
Der Bi-Material-Stellantrieb umfasst Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und funktioniert genauso wie ein Bimetall-Thermostat. Immer wenn sich die Temperatur aufgrund eines eingebetteten Heizelements im Aktuator ändert, kann sich der Mikroaktuator aufgrund der Variation innerhalb der Ausdehnung bewegen, die mit der Variation innerhalb der Temperatur verbunden ist.
Der Aktuator mit gebogenem Balken umfasst abgewinkelte Beine, die beim Aufweiten nach dem Erhitzen hilfreich sind und eine Kraft- und Verschiebungsausgabe liefern. Der Biegeaktuator ist asymmetrisch und umfasst einen heißen Arm und einen kalten Arm. Diese Aktuatoren umfassen asymmetrische Schenkel, die sich nach dem Erhitzen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung zur Oberfläche biegen.
Funktionsweise des Mikroaktuators
Das Arbeitsprinzip eines Mikroaktuators besteht darin, eine mechanische Bewegung von Flüssigkeiten oder Feststoffen zu erzeugen, wobei diese Bewegung durch Umwandlung einer Energieform in eine andere Energie erzeugt wird, z. B. von thermischer, elektromagnetischer oder elektrischer in kinetische Energie (KE) beweglicher Komponenten. Für die meisten Aktoren werden verschiedene Krafterzeugungsprinzipien wie Piezoeffekt, Bimetalleffekt, elektrostatische Kräfte und Formgedächtniseffekt verwendet. Wie ein allgemeiner Aktuator muss ein Mikroaktuator diese Standards wie schnelles Schalten, großer Stellweg, hohe Präzision, geringer Stromverbrauch usw. erfüllen.
Der mechanische Aktuator umfasst eine Stromversorgung, eine Wandlereinheit, ein Betätigungselement und eine Ausgangsaktion.
- Die Stromversorgung ist elektrischer Strom/Spannung.
- Die Umwandlungseinheit wandelt die richtige Form der Stromversorgung in die bevorzugte Form von Aktionen des Betätigungselements um.
- Das Betätigungselement ist eine Komponente oder ein Material, das sich durch die Stromversorgung bewegt.
- Die Ausgabeaktion erfolgt im Allgemeinen in einer vorgeschriebenen Bewegung.
Arten von Mikroaktuatoren
Mikroaktuatoren sind in verschiedenen Typen erhältlich, die unten diskutiert werden.
- Thermischer Mikroaktuator
- MEMS-Mikroaktuator
- Elektrostatischer Mikroaktuator
- Piezoelektrisch
Thermischer Mikroaktuator
Ein thermischer Mikroaktuator ist eine Standardkomponente, die in Mikrosystemen verwendet wird. Diese Komponenten werden durch Joule-Heizung elektrisch betrieben, andernfalls durch Verwendung eines Lasers optisch aktiviert. Diese Aktuatoren werden in MEMS-Designs verwendet, die Nanopositionierer und optische Schalter umfassen. Zu den Hauptvorteilen von thermischen Mikroaktoren zählen vor allem geringere Betriebsspannungen, eine hohe Krafterzeugung und eine geringere Anfälligkeit für Adhäsionsfehler im Vergleich zu elektrostatischen Aktoren. Diese Aktoren benötigen mehr Strom und ihre Schaltgeschwindigkeiten sind durch Abkühlzeiten begrenzt.
Um diese Mikroaktuatoren zu entwerfen und zu testen, muss ein breites Spektrum an Arbeit geleistet werden. Daher werden diese Mikroaktoren mit verschiedenen Mikrofabrikationsmethoden wie Silizium-auf-Isolator-Verarbeitung und Oberflächenmikrobearbeitung entwickelt. Die Anwendungen von Mikroaktuatoren umfassen hauptsächlich HF-Netzwerke mit abstimmbarer Impedanz, Mikrorelais, sehr genaue medizinische Instrumente und vieles mehr.
MEMS-Mikroaktuator
Der MEMS-Mikroaktuator ist eine Art mikroelektromechanisches System und seine Hauptfunktion besteht darin, die Energie in Bewegung umzuwandeln. Diese Aktuatoren kombinieren elektrische und mechanische Komponenten mit Mikrometerabmessungen. Die typischen Bewegungen, die von diesen Aktuatoren erreicht werden, sind also Mikrometer. MEMS-Mikroaktoren werden hauptsächlich in verschiedenen Anwendungen wie Ultraschallsendern, Mikrospiegeln zur optischen Strahlablenkung und Kamerafokussystemen eingesetzt. Daher werden diese Arten von Mikroaktuatoren hauptsächlich verwendet, um eine kontrollierte Auslenkung zu erzeugen.
Elektrostatischer Mikroaktuator
Eine Mikroaktuator-Antriebseinheit, die durch elektrostatische Kraft angetrieben wird, ist als elektrostatischer Mikroaktuator bekannt. Der elektrostatische Mikroaktuator entwickelt sich aufgrund seiner hohen Dichte, geringen Größe, seines geringen Stromverbrauchs und seiner hohen Geschwindigkeit zum wichtigsten Baustein in Computersystemen und optischer Signalverarbeitung. Im Allgemeinen kann das Funktionsprinzip in diesen Systemen als elektrostatische Anziehungsenergie erklärt werden, die eine mechanische Revolution, Umwandlung oder Verformung der Spiegelplatte verursacht und die Phase, Leistung oder Lichtstrahlrichtung steuert, wenn sie durch einen freien Raum oder ein Medium übertragen wird.
Bei dieser Art von Mikroaktuator enthält jede Antriebseinheit wellenförmige Elektroden, wobei diese Elektroden durch die elektrostatische Kraft gezogen und voneinander isoliert werden. Diese Art der Aktorverformung hängt hauptsächlich von der elektrostatischen Kraft, der äußeren Kraft und der Elastizität der Struktur ab.
Die Bewegung dieses Aktuators wurde einfach durch die FEM (Finite-Elemente-Methode) analysiert und das Makromodell dieses Aktuators wurde hergestellt, um seine Bewegung zu überprüfen. Es wurde also bestätigt, dass die scheinbare Nachgiebigkeit des Aktuators durch ein Feedback-Steuerungssystem gesteuert werden kann, das kapazitive Verschiebungserfassung und elektrostatischen Antrieb verwendet.
Piezoelektrischer Mikroaktuator
Piezoelektrische Mikroaktoren sind sehr bekannt und werden am häufigsten in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Diese werden konstruiert, indem piezoelektrische Elemente übereinander montiert werden. Sobald an beiden Seiten dieser Elemente eine Spannung angelegt wird, können sie sich ausdehnen. Aber es hat eine komplizierte Struktur, so dass es komplex zu montieren ist. Piezoelektrischer Mikroaktuator wird in verschiedenen Servosteuerungssystemen verwendet, um eine ultrapräzise Positionierung und Kompensation mit dem Potenzial bereitzustellen.
Bitte beziehen Sie sich auf diesen Link, um mehr über a zu erfahren Piezoelektrischer Aktuator .
Vorteile und Nachteile
Das Vorteile von Mikroaktoren füge folgendes hinzu.
- Die Vorteile der thermischen Mikroaktoren sind geringere Betriebsspannungen, eine hohe Krafterzeugung und eine geringere Anfälligkeit für Adhäsionsfehler im Vergleich zu elektrostatischen Aktoren.
- Die Mikroaktuatoren sind in einer kleineren Größe mit geringerem Stromverbrauch und einem schnelleren Reaktionssystem erhältlich.
Das Nachteile von Mikroaktoren füge folgendes hinzu.
- Thermische Mikroaktoren brauchen mehr Leistung.
- Die Schaltgeschwindigkeit thermischer Mikroaktoren ist durch Abkühlzeiten begrenzt.
Anwendungen für Mikroaktuatoren
Die Anwendungen von Mikroaktuatoren umfassen die folgenden.
- Ein Mikroaktuator ist ein kleines aktives Gerät, das verwendet wird, um eine mechanische Bewegung von Flüssigkeiten/Feststoffen zu erzeugen. Hier wird Bewegung erzeugt, indem eine Energieform in eine andere umgewandelt wird.
- Mikroaktuatoren sind in der Mikrofluidik für Lab-on-a-Chip- und implantierbare Arzneimittelabgabesysteme anwendbar.
- Es ist ein mikroskopisch kleiner Servomechanismus, der eine gemessene Energiemenge für einen anderen System-/Mechanismusbetrieb überträgt und liefert.
- Mikroaktuatoren werden zum Bau kleiner Spiegel für Projektoren und Displays verwendet.
- MEMS Mikroaktuatoren werden hauptsächlich in verschiedenen Anwendungen wie Ultraschallsendern, Kamerafokussystemen und Mikrospiegeln zur optischen Strahlablenkung verwendet.
- Die von einem elektrischen Mikroaktuator erzeugte Kraft wird hauptsächlich verwendet, um mechanische Verformungen innerhalb des interessierenden Materials zu erzeugen.
Es geht also um alles eine Übersicht über den Mikroaktuator die in der Lage sind, die Aufgaben des herkömmlichen Werkzeugs innerhalb der Makrowelt auszuführen, sind jedoch sehr viel kleiner und ermöglichen eine höhere Präzision. Beispiele für Mikroaktuatoren sind hauptsächlich ein optischer Matrixschalter mit Torsionsmikrospiegeln, die durch elektrostatische Kraft angetrieben werden, ein Mikroaktuator, der zum Scannen mit Mikrowellenantennen verwendet wird, ein Mikroaktuator mit Dünnfilm-Speicherlegierung und dreidimensionaler Mikrostruktur-Selbstmontage mit Scratch-Drive-Mikroaktuatoren. Hier ist eine Frage an Sie: Was ist MEMS?
