Transcript 致动器
微机械和微机电系统 1 1.概述 定义与内涵 微机械是20世纪80年代末出现的一项新技术。已在工业、医疗 等方面获得了很多应用。微机械必将对固有产业和技术产生深 远的影响，但是，由于微机械是才有十几年历史的边缘学科， 在目前还有着诸多的科学难题有待于解决。 微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的定义。在微 型机械的尺寸范围内，依其特征尺寸，可以划分成三个等级： 1~10mm的是小型机械，1μm~1mm的是微型机械，1nm~1μm 的是纳米机械或分子机械。但广义的微机械是包含上述三个等 级的微小机械。 2 定义与内涵 微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输入的 微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、 致动器(驱动器)、电源等都微型化并集成在一起，成为一个微 机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元，同时 又集成为一个统一的系统。 图1微机电系统的组成框图 3 定义与内涵 集成的微机电系统在日本仍习惯称其为微型机械， 美国则称其为微机电系统(MEMS)， 欧洲则称其为微系统。 这些微型系统虽然被称为微机电系统，可是它的含义决不只是 机械和电器件的集成，需要时可以包括声、光、化学和其他物 理量的微型传感器和器件，还可以包括光学系统或其他系统。 MEMS可以在许多领域和部门得到应用，如医疗和外科手 术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感 器工业、日用产品和国防等。 4 2.微机械和微机电系统的相关基础 作为微型机械，当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象 将与宏观世界有很大差别，许多宏观状态下的物理量和机 械量都发生了变化，在微观状态下呈现出特有的规律，由 此决定了微机械具有自身特有的理论基础。这时，一些常 规理论必须加以修正。 5 2.1物理参量的微尺寸效应 物体的大小一般用特征尺寸L来表征，特征尺寸L是指该物体正 好可包含在边长为L的正方体内。器件特征尺寸L的变小，在进 入微小尺寸领域后，对各种物理特征变化的影响程度是各不相 同的。例如表面力、弹性力和粘性力与L2成比例，体积和质量 与L3成比例。 由于表面积与体积之比变大，表面效应突出，因此，表面效应 （如静电力和表面凝聚力）将代替体积效应（质量）而占支配 作用。传统机械做功往往是体积力起主导作用，运动要克服的 主要是重力、惯性力等，而在微机械领域内，常常是表面力起 主导作用。一般来说，当L＞1mm时，体积力起主导作用，这 时需要的驱动力为F∝L3 。而当L≤1mm时，表面力将起主导 作用，这时需要的驱动力为F∝L2。 6 2.2微机械中的常用材料 按其性质可分为结构材料、功能材料和智能材料。 ①结构材料。是指具有一定机械强度，用于构造机械器件基本结 构的材料。结构材料可以是单一材料，也可以是材料组合体。 ②功能材料。是指压电材料、光敏材料、形状记忆材料、磁性材 料等具有特定功能的材料。可以是单一材料，也可以是复合材料。 ③智能材料。一般具有传感、致动和控制等方面的基本功能，能 模仿人类或生物的基本特定行为，能对外界信息具有反应，对信 息激励有自适应的能力。常用的智能材料有形状记忆合金、电致 伸缩材料、导电聚合材料、电流变和磁流变材料、储氢材料等。 ④多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微机械中用得很 多的硅晶体，因它有较好的强度和力学性能，是一种较好的结构 材料；它又同时具有良好的多种传感性能，如光电效应、光电子 效应、热阻效应、磁阻效应等，因此又是一种很好的功能材料。 7 2.3微机械和微机电系统的技术基础 微机电系统(MEMS)包含多项功能、多种器件和多项技术。如图 1所示。MEMS涉及的基本技术面极广，主要有下面几方面： ①MEMS的设计技术。包括微结构设计、设计数据库、有限元分 析、CAD/CAM、仿真、实验验证等。 ②MEMS的微细加工技术。包括IC加工技术、LIGA技术、微细 特种加工和装配技术。 ③微型机械和微机电系统的材料。 ④微型构件和部件、微型传感器和微型执行器等。 ⑤微机构和微机电系统的检测。如强度、弹性模量、应力、应变 等。 ⑥微机电系统的组装与集成。包括系统整体设计、微型机械、微 型传感器、执行器和控制器的组装与集成、能源供应、接口与通 讯等。 8 3 微传感器 微传感器是微机电系统中最重要的功能部件之一，也是当前 MEMS功能部件中发展最快、商业化最早的部件。 微传感器因其体积小、质量轻、功耗小、成本低、使用灵活、动 态性能好、品质和可靠性不降低，而受到使用者的欢迎，特别是 在狭窄空间和要求质量轻的场合。微传感器体积小，又由于微加 工和能集成的特点，因此微传感器已实现阵列化。 由于被测量种类繁多，传感器的分类方法也有许多种，主要有： (1)按传感器工作所依据的转换原理可分为：物理、化学、生物传 感器等。 (2)按传感器测量的量的性质可分为：压力、加速度、气体浓度、 离子浓度等。 (3)按传感器的制备技术和材料可分为：薄膜、半导体、陶瓷等。 (4)按传感器的应用可分为：汽车、医学、航天等。 9 3.1 机械量微传感器 机械微传感器是将机械信号转换成电信号的一类传感器，它的应 用领域非常广泛，它所检测的机械参量也非常多，如位置、位移、 速度、加速度、力、力矩、应力、压力(压强)、应变、刚度等。 10 3.1.1 位移微传感器 位移传感器就是测量位移量，检测位置的一类传感器。 根据传感原理，位移传感器可分为接触式和非接触式两类。 接触传感方式要求将传导杆与被测体固定在一起，然后将传 导杆的位置信号转换成电信号。传统的接触式传感器有电阻式、 电容式、电感式、电磁式和光学式等。 反之，非接触式传感器不需要传导杆而直接检测目标物的位 移。通常非接触式传感器利用电容、电感或磁性技术，也可采用 激光、远红外光束、微波束或超声波进行测距。 电阻、电容和电感式位移微传感器检测位移幅度在0.1~10mm范 围的物体，它们的运动导致输出电阻、电容或电感的变化。 光学位移微传感器的检测一般利用光路的截断、光路的反射、光 束的散射来测量位移或距离。 超声波位移微传感器是利用超声波的回声定位原理来测量位移或 位置的。有以下优点：属于非接触式的，可以检测导体、绝缘体、 铁电体和非铁电体；对较脏的测试环境不敏感。在商用中属于成 本较低的类型。 11 3.1.2 速度和流速微传感器 物体运动的速度可由其 位移对时间的微分求得。 流体的速度可由其流量 求得。因此，测流速的 问题可以通过测流量来 解决。 图 2 为 一 尺 寸 600×600×2.1μm 各 向 异性刻蚀的共振微桥式 流量微传感器。这种微 传感器利用微桥共振频 率的变化来检测流量， 这种检测方法的优点是 图2各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器 灵敏度高、响应快和重 复性好。 12 3.1.3 加速度微传感器 加速度传感器或加速度计用来测量加速度、振动或机械冲击。虽然物体的加 速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但是通常大多数加速度计的传 感方法却是采用质量快-弹簧-阻尼系统。图3所示为悬臂梁式硅微加速度计示 意图。用4个等值电阻连成电桥电路，电阻是在硅梁上制成，和硅梁一体化， 可根据所测加速度和振动频率的要求，来设计该加速度传感器的刚度和自振 频率。 当加速度作用在加速度计上时，基座产生加速度，质量块由于惯性力而使硅 梁产生弯曲，硅梁上电阻的阻值变化，使电桥有电信号输出。输出的电信号 经数据处理后，即可获得被测的加速度。 图3悬臂梁式硅微加速度计结构示意图 13 3.1.3 加速度微传感器 图4是悬臂梁式电容微加速度计的典型结构。基板采用Si晶片或 玻璃制成，上面电镀Ni、Cr或Au导电层，上面用微细加工技术 制成Si的悬臂梁、质量块和固定电极间形成差动电容器。悬臂粱 和质量块的高度约为300μm。在垂直于悬臂梁平面的方向有加速 度时，梁便弯曲摆动，引起电容的变化。 图4悬臂梁式电容加速度计结构示意图 14 3.1.4 力、压力和应变微传感器 图5是一种典型的电阻应变式微压力传感器的结构，它由外壳、单晶硅膜片、 四个阻值相同的电阻、引线等组成。这四个相同阻值的电阻(R1、R2、R3、R4)， 是在单晶硅膜片上用IC工艺制成并与硅膜片一体化的电阻敏感元件。四个电 阻导线连成电桥，膜片四周用硅圆环固定。膜片两侧有两个压力腔，一个是 与被测压力系统连接的高压腔，另一个是与大气相通的低压腔。当膜片两侧 存在压力差时，膜片产生变形，膜片产生的变形量与压力差值成正比，且使 电阻阻值变化，使电桥失去平衡而输出相应的电压。根据输出的电压，可以 测出膜片两侧的压力差值。 图5电阻应变式微压力传感器结构示意图 15 3.1.4 力、压力和应变微传感器 图6所示为典型的圆形薄膜式平行极板的电容式微压力传感器。 有时也将平行硅薄膜极板制成方形。在压力差P作用下，可变形 的硅膜片极板产生挠曲变形，改变两极板间的电容C，通过检测 电路检测电容变化值，获得电压或其他输出电信号，从而测出压 力差值。 至于应变的测量，常用大家所熟悉的电阻应变片测量。 图6圆形薄膜平行极板电容式压力传感器工作原理图 16 3.2热微传感器 温度是我们在科学研究、生产乃至日常生活中最经常测量的物理 量之一。理论上说，任何介质，只要它的某项物理量随温度变化， 就可以利用这一特性设计制造温度计。 从20世纪60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了 利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计(包括红外辐射 温度计)，从而扩大了它的应用领域。 一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。在简单的温度测 量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的 仪表中则分成两个独立的部分，中间用导线连接，如热电偶或热 电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。 17 3.2热微传感器 热-机械能量转换是家用电器及自动控温装置的基本工作原理之一。热机械传 感器是利用材料的热胀冷缩原理，即材料的尺寸随温度的变化而变化制成的 传感器。基本的应用是双金属温度开关。其基本的工作原理如图7所示。 其他的热微传感器还有 很多种类，如热敏电阻 类，有金属热敏电阻、 半导体热敏电阻；热二 极管类；热晶体管类； 热电偶类、光纤类热传 感器。 图7双金属温度开关的基本工作原理 18 3.3 光微传感器 这里主要介绍基于MEMS技术的光微传感器。光学传感器的应用 范围十分宽广，在光纤通信、激光雷达、红外探测等光电系统中， 光探测器是必不可少的器件。目前，激光二极管、光电二极管和 光电晶体管、电荷耦合(CCD，最近是CMOS)成像器件等都有大 量的市场需求。 根据信号在传感器内部的转换过程不同，可以将光学传感器分为 直接转换型和间接型两大类。直接转换型传感器由光子的作用直 接产生电信号(没有任何中间转换环节，例如由光转换为热然后 测量温度)。 19 3.3 光微传感器 光敏电阻传感器是基于光电导效应工作的。当光照射半导体材料时，由于材 料吸收外来光的能量而使其内部载流子浓度增大，从而增大半导体材料的电 导率，表现为材料电阻的变化，通过检测该变化量，即可测出入射光强度， 如图8所示。 图8光敏电阻微传感器的工作原理 20 3.3 光微传感器 光电二极管和光电三极管是典型的光伏效应传感器，它们都是结型器件，有 PN结，其中产生光生载流子，就像光敏电阻那样。光电二极管的灵敏度更高、 响应时间更短、尺寸更小、稳定性更好、线性度更优。如图9所示，当光电二 极管受到外来光照射时，P区的光生电子和N区的光生空穴以及结区的光生电 子-空穴对在电场的作用下发生移动，光生电子移向N区，光生空穴移向P区， 从而形成光生电流，其大小随入射光强度而变化。 间接型光学传 感器主要有测 辐射热计，其 种类很多，这 里不一一介绍。 图8光敏电阻微传感器的工作原理 21 3.3化学和电化学微传感器 能够将化学物质的化学信号转换为电信号的传感器称为化学传感 器，化学物质可以是气体、液体或固体。例如可探测空气中氢气 含量的气体传感器，可探测空气中水汽含量的湿度传感器，以及 探测水中离子浓度的传感器。化学传感器也可以探测更加复杂的 分子，如液体中的糖或蛋白质。可探测生物的化学传感器也称作 生物传感器或生物化学传感器。 化学/电化学微传感器，其原理是利用特殊传感器材料对被测材 料的某种化学成分分子或离子特别敏感，致使传感器材料某些性 能改变(如导电性、电压、电荷、谐振频率等的改变)来实现检测 的。传感器的敏感材料可以有多种不同形式结构，最常用的是涂 层或镀层薄膜，著名的化学传感器ISFET是一种场效应晶体管。 22 3.3化学和电化学微传感器 图10所示是一种谐振式多气体微传感器，是利用石英谐振器来分析气体，该 传感器有多个谐振器，每个石英谐振器上都覆盖了一层用于吸收专门气体的 选择层，其中一个作为参考频率，其余几个是吸收不同专门气体的选择性谐 振器。如吸收到某种专门气体，该选样性谐振器随所吸收气体中含有物质量 而使谐振频率变化，使谐振频率和标准参考频率产生差别，从而测出该专门 气体的存在。 图10谐振式多气体微传感器图 23 3.3化学和电化学微传感器 图11所示是用来分析气体的化学传感器阵列(称为电鼻子)，可解决未知气体的 识别问题。这种电鼻子是在10mm×10mm的氧化硅基板上集成40个不同的化 学微传感器-微化学传感器阵列。由于这些微化学传感器上敏感元件的金属氧 化物涂层的差异，使它对不同气体具有不同的灵敏度。将被分析气体接触时 产生的信号样本与事先储存的标准样本用特殊编制的神经网络程序比较，即 可识别采得的信号样本的气体成分。这种“电鼻子”巳用于确定葡萄的成热 程度，效果良好。 图11探测气体的化学微传感器阵列-电鼻子 24 3.3化学和电化学微传感器 电化学传感器一般是通过在液体中感应特种离子而工作的。电化 学传感器可以与检测流量，粘性和密度的传感器集成在一起而形 成测量网络。 化学和电化学微传感器因体积小，便于将多个传感器集成在一起 实现多目标的检测。 除了上面介绍的微传感器外，还有光线微传感器、生物微传感器 等。 25 4 微致动器 微致动器又称微执行器或微驱动器，是微机电系统中执行动作的 部件。 从装置的结构功能类型来看，微致动器可分为微旋转电机、微直 线电机、微机构(微齿轮、微轴、微梁、微轴承、微凸轮、微连 杆、微振子等)、微夹持器、微阀门、微泵等。从驱动力来看， 微致动器可分为静电力、电磁力、电致伸缩力、形状记忆合金的 形状恢复力、热变形、激光、液压力、气压力、生物力驱动等。 微致动器因其尺寸极小，在设计中，选用驱动力时必须考虑尺寸 效应的影响。 近年来，由于世界各国都对微机电系统极为重视，其中关键部件 的微执行器发展很快，现在已制成多种尺寸很小的微执行器。现 在微执行器的尺寸一般是毫米级和微米级，其内部组成元件的尺 寸已都是微米级。 26 4.1静电型微致动器 静电执行器的基本原理是两个带有相异电荷的圆盘互相吸引。静 电力驱动的特点，首先是静电力大小与L2(面积)成正比，即微机 械尺寸越小，单位面积产生的作用力越大；其次采用电压驱动不 仅功耗低，而且易于控制和达到高速；此外静电力驱动的微结构， 易于集成化制造。 27 4.1.1 静电旋转电机 1988年，加州大学伯克利分校研制成功了转子直径约为60~120μm的静电旋转 电机。结构如图12所示，转子有4个电极，定子有12个电极，均匀分布在转子 周围，每隔两个电极并联在一起，成为3相4极构造。由图(b)可以看到，转子 卡在中心轴的沟内，不会脱出。转子为多晶硅材料，在其外圈和内圈沉积了 Si3N4膜，以减少摩擦，转子和定子的间隙为2μm，工作电压为60~400V。当向 定子的各电极依次施加电压时，由静电力作用使电机转子转动。经实测，电 压为200V时，转速为150r/min。但按理论计算，电压为200V时，转速应为 120000r/min，由于摩擦力使电机转速大幅度降低，寿命也大幅度缩短。 图12静电旋转电机(直径120μm) 28 4.1.1 静电旋转电机 MIT的Mehregahy等改进了上述电机：①将转子和中心轴 间的间隙减小到0.3μm以下；②转子和定子电极间的间隙 减少为1.5μm；③转子下面由3个凸起点支承，减小了摩擦； ④在氮气中工作，防止硅的氧化。改进后制成直径100μm， 高2μm的多晶硅电机，转速达到10 000r/min，寿命达到1 星期以上。 我国清华大学研制成功的硅基集成微静电旋转马达，其转 子半径为40μm，转子和定子由厚度为4.2μm的多晶硅膜制 成 ， 转 子 与 定 子 间 的 空 气 间 隙 为 2μm ， 驱 动 电 压 为 50~176V，最高转速约为600r/min。 29 4.1.1 静电旋转电机 微静电旋转马达广泛应用于各种微机电系统中。图13是微静电旋转马达 在光线切换开关上的应用，这是一个1×8的开关。该马达的转子直径为 1mm，厚20μm，在转子上安装有一个高500μm宽900μm的镜子。 图13旋转式光线切换开关示意图 30 4.1.2 静电直线电机 静电直线电机是利用静电作用产生直线输出运动的执行器。有的采用平 行板产生驱动力，有的采用梳状执行器产生驱动力，有的采用几种形式 的组合。静电直线电机的工作原理如图14所示，该系统由一个沉积有电 极运动件和一个电极固定件组成。通过对静止电极施加一序列电压，可 使带电极的运动件产生直线运动。调节静止电极上的电压大小和正负， 便可以控制运动件的运动速度和运动方向。 图14静电直线电机的工作原理 31 4.2 电磁型和磁致伸缩型微致动器 电磁型微致动器在毫米尺度时产生的磁感应力较大，动作的幅度 也较大，可用于电磁感应发电。在MEMS领域，已研究开发了多 种电磁型微致动器，如电磁型微电机、微发电机、微泵、微继电 器、微镊子、微光学开关等。 电磁型微致动器中还有一类磁致伸缩型微致动器。某些材料具有 磁致伸缩效应，即在磁场中它的几何尺寸会发生变化，磁致伸缩 效应又可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应。 磁致伸缩型微致动器是通过在磁致伸缩材料外面加一线圈，线圈 通电产生磁场，使磁致伸缩材料尺寸变化而工作的。磁致伸缩型 微致动器的应用方式与压电式微致动器很类似。 32 4.3 压电型微致动器 利用压电材料的逆压电效应，可以将电能转换为机械能，即将电 压(数十伏到数百伏)加到压电材料上时，压电材料的长度(或厚度、 体积)将改变，从而产生位移、扭转、振动等。由于压电型微致 动器的动作可以有多种选择，并且响应速度快，位移精度高且可 控，输出力大，稳定可靠，因而在MEMS驱动系统中应用极为广 泛，目前它已用于微型机器人的行走机构、微型机械手、激振器、 压电原理的微阀和微泵等。现在纳米科技中广泛使用的扫描探针 显微镜的三维扫描管、二维扫描工作台、原子力显微镜微悬臂的 激振等，也都使用压电型致动器。下面是几个压电型微致动器的 应用实例。 33 细管微机器人蠕动爬行的压电型致动器 图15是一种压电型细管微机器入在管道内爬行的原理图、该微机器人的爬行 机构由质量块、压电元件和弹性腿组成、静止时弹性腿和管壁间的摩擦力使 微机器人保持不动，当施加缓慢增大的电压时，压电元件缓慢伸长带动质量 块前进；电压突降，压电元件突然缩短，这时质量块由于惯性而处于原位， 压电器件将带动弹性腿前进，这个动作不断重复，机器人即逐步蠕动向前爬 行。如所加电压是突然升高而缓慢降低的，则机器人将蠕动向后爬行。 图15 压电型细管微机器人的行走原理 34 自行式微机器人的压电V形驱动脚 图16所示是带压电V形脚的自行微机器人。其中图(a)是使用双晶 片压电元件制成的V型驱动脚，控制加在压电元件上的电压，可 使V形脚拾高或放下，向前或向后扭曲。装有这种压电V形脚的 微机器人(图(b))，由施加电压控制，可向前、转弯或向后行走。 图16 带压电V形脚的自行微机器人 35 压电型硅微泵、微阀 图17是一种压电型硅微泵的结构示意图。该泵的出口阀和进门阀均为单向阀。 当电压施加到压电器件上时，压电器件伸长，推动硅膜片向上变形，减小了 泵腔体积而使泵腔内的流体从出口阀处流出泵腔体；反之，当压电器件断电 时，压电器件缩短，硅膜片在弹性力作用下向下变形，增加了泵腔体积而使 泵腔外的流体从进口阀处流入泵腔体内。 图17压电型硅微泵 图18压电型微阀 图18所示为一种压电型微阀的结构示意图。当电压加到压电元件上时，它的 长度增加，推动硅膜片使出气口通道闭合。在不加电压时，压电元件缩短到 原长度，出气口被打开，压电元件即可控制微阀的开关。 36 4.4 热变形微致动器 现在MEMS中使用的热变形型微致动器主要有两类：第一类是双 金属构造的微致动器，第二类是记忆合金的微致动器。 双金属构造的微致动器的热驱动原理是，双金属梁或膜被加热升 温时，将产生弯曲变形，推动微致动器运动。现已制成多种双金 属微致动器，如微阀、微泵、微镊子、微机器人手臂等，在响应 速度要求不太高时，使用效果良好。 形状记忆合金的微致动器的工作原理是，电流通过记忆合金结构 时，记忆合金温度升高，产生变形，降温后又恢复原来的形状。 记忆合金微致动器的优点是作用力和动作幅度均较大。这类材料 一般电阻较大，故通电流时温升较快，但降温需靠热传导和辐射 来散热，虽然微机械的表面积相对较大，有利于散热，但降温的 响应速度还不是很快，且不易控制，这是这种致动器的不足之处。 37 4.4 热变形微致动器 图19是美国Lawrence Livermore国家实验室研制的微钳结构图。由TiNiCu制 成的形状记忆合金膜厚度为5μm，Si悬臂梁厚度12.5μm。整个微钳臂长为 900μm，宽度为380μm，厚度200μm。当将微钳加热到70°C时，TiNiCu薄膜 收缩，钳口可张开110μm；而冷却时，利用Si基片自身的弹性，使钳口回复加 热前的闭合状态，这种微钳在30mW（空气中）或150mW（水中）条件下， 工作频率可达100Hz。因采用的TiNiCu相变温度均在人体温度(37°C)以上， 且热迟滞很小(约-5°C)，非常适用于医疗上的应用。 图19 SMA微钳结构示意图 38 4.5 微机电系统的能源 对于需做运动的微机电系统，如微型机器人、微型车辆、微型飞 机等，能源的供应成为重要难题。目前采用的有下列几种能量供 应方法： ①非接触能量供应，如采用电磁感应、微波、电磁波等，这些方 法的能量传输和接收都比较复杂，有一定的局限性。 ②机电系统中装蓄电池或光电池，但因受体积和质量的限制，能 量供应有限，能源供应时间短，微系统工作的时间也短。 ③微系统中装发动机(如微型飞机)，但因受所装燃料数量的限制， 微系统能工作的时间亦有限制。 ④微机电系统中装燃料电池或新化学电源，这是最新发展的能源， 有希望能适当延长微系统的工作时间。 39 5 微机器人 微型机器人体积小、灵活机动、能通过狭窄通道进入狭小或恶劣 环境的空间；其次是很好的隐蔽性，进行侦察工作而不被敌方发 现。微飞行器从广义上讲也应属于微机器人，但因它有较多特殊 性，故平时不把它算在微机器人范畴内。微机器人近年来发展迅 速，有军民两用性质，目前己取得很多成果。 40 5.1 微机器人概述 微型机器人要自动行走，就必须有行走机构。现在微机器人的行 走机构主要有： ①轮式行走机构，只适宜在较平坦的地面上行驶。 ②履带式行走机构，可以在不平坦的地面上行驶。 ③用脚行走，用得最多的是四脚和六脚的行走机构，如要求在不 平坦的地面上行走，则机构较复杂。 ④靠惯性或自动伸缩的步进蠕动式行走机构。 ③在液体中用螺旋桨或其他方式推动前进的驱动机构。 微机器人的外形样式较多，用轮子或履带行走的微机器人外形多 数像小车，用脚行走的微机器人外形多数像昆虫，此外还有真空 吸附爬壁微机器人、微管道机器人等。 除有行走机构外还应有行走路径，遇障碍物时能随时调整行走方 向并走向目的地。可以按预先编制好的软件走设定的行走路径， 也可以遥控指挥行走。为适应侦察任务时的多变情况，微机器人 必须在隐蔽的地方独立行走，避开障碍物走向预定目标，这就要 求它具有人工智能，能自动寻找行走路线，走向目的地。 41 5.1 微机器人概述 微机器人要具有一定的人的行为功能，就需要配备相应的设备。 例如配备有微型照相机或摄像机、微型数字信息处理和输送系统， 并能自动隐蔽保护自己；微型传感器和相应的微型信息处理输送 系统；机器人应有自己的或受遥控的清扫执行机构和微摄像机等 监控系统；医用的微型手术机器人，要在人体内能独立行走到需 要手术的部位，配备有受控的手术机构和摄像机监控系统。 从上面的分析可知，微机器人是一套高水平、多功能、包含多个 复杂功能分系统的微型机电系统。 42 5.2.1 轮式微机器人 5.2 微机器人实例 1.图示是美国Robotalive公司的轮式微型机器人。它具有很强的程序功能，能 记录行走路线图，并能自动回到出发点。它还有红外探测器用来检测车行走 的前方位置，遇到障碍物和危险物时，能发出警报声，自动变速并转弯。它 还具有自动搜索和走迷宫到达指定目的地的能力，还具有自学习功能，迷宫 一次走过后，再走时能走捷径，快速到达目的地。 43 5.2.1 轮式微机器人 2.图示是法国EPFL自动化系统实验室1999年研制成功的轮式微型机器人，它的体积很 小，比一只大蚂蚁大不了多少。可以按设定的程序走规定的路程，自动变速和转弯。 这类轮式微型机器人微型化的一个关键问题是能源供应，因为现在的化学电池和蓄电 池的体积能量比都较大，限制了小车体积的缩小。 44 5.2.2 履带式微机器人 1.图示是MIT所开发的履带式微型机器人——机器蚂蚁。具有较多较强的功能， 每个机器蚂蚁内集成了17个传感器：4个光学传感器、4个红外传感器、4个泵 传感器、4个进食传感器、1个倾斜传感器。每个机器蚂蚁用2个红外发射接受 器与外界进行信息交流(一个在前端，另一个在后端)。机器蚂蚁的行走运动用 履带来实现，能在不平地面上行驶。履带用传动齿轮组来带动，传动齿轮采 用电子表中的微小齿轮，故体积较小。 45 5.2.2 履带式微机器人 图示是美国Sandia国家实验室2001年研制成的侦察用履带式微型机器人。体 积约为0.25in3 (4.1cm3)，质量小于1oz(28.4g)，是具有多项自动化功能微型机 器人中体积最小的。该微型车用3个手表电池来驱动2个马达，使履带轮转动， 行驶速度最高为20in/min (50.8cm/min)。车上还装备了微处理器、温度传感器、 微型数码照相机、微型麦克风、微型信息传输系统等，能将侦察到的信息及 时输送回指挥控制中心。装备了化学-生物气体传感器，使它能用于在平地和 坑道内检测化学和生物武器。由于体积小、隐蔽性好，因而能通过狭窄通道 并进入普通侦察机器人不能进入的狭小空间。 46 5.2.3 昆虫型微机器人 1.图 (a) 是美国Sandia国家实验室研制的昆虫型微机器人。它有六条腿，用电 池组作能源，带有侦察用的微型照像机或摄像机，有微型通信系统和程序控 制系统，能将侦察到的信息传送到控制中心。这种昆虫型微机器人体积小、 隐蔽性好，不易被敌方发现。 2.图 (b) 是美国Epinions公司为进行昆虫型微机器人竞赛而研制的微机器人。 该微机器人体积很小，用六条腿行走，眼睛是红外传感器，行动时能自动检 测前方是否有障碍物。 47 5.2.3 昆虫型微机器人 3.日本精工-Epson公司1999年3月宣布已开发出世界上最小的昆虫型机器人， 如左图所示。该机器人是瓢虫形，银制外壳，体积为1cm3，内装石英手表用 超小型电动机，两只眼睛是光学传感器，速度最高为15mm/s，充电3min，可 走4min。 4. 2007年，日本研究人员展示了一种超小医用机器人的原始模型，外形如同 甲壳虫，如右图所示。这种直径1cm、长为2cm、重仅为5g的机器人可以到达 人体内患病处。 48 5.2.4 蠕动式微机器人 使用蠕动爬行机构的多数是微管道机器人。微管道机器人的蠕动爬行机构有 两种，第一种是由质量块、压电伸缩元件和一组弹性腿组成，其蠕动爬行原 理如图所示。第二种是由两组弹性脚和压电或SMA伸缩元件组成。 1. 图8-26是上海交通大学研制的可在结肠内行走的蠕动式微机器人。该机器人 采用3个直线电磁驱动器，直径为9.5mm，长度为120mm，质量为47.5g，具有 多个关节，能灵活有效地通过弯曲肠道。 49 5.2.4 蠕动式微机器人 机器人的运动过程类似毛虫的蠕动。由于3节以上的运动单元中的一节与其他 节的摩擦力差异总是存在的，故这种方式不需施加过大的表面压力就可以获 取前进中必须的摩擦力，从而避免了对肠道粘膜的损伤。牵引过程如图8-27所 示。 对单元1~3分别施加控制 信号，机器人前进1个步 距，完成5步动作：第1步： t0 时刻，所有单元处于蜷 缩 状 态 ； 第 2步 ： t0~t1 时 刻，单元1被推向前；第3、 4步：t1~t2、t2~t3时刻，单 元2、3被先后推向前；第 5步：t3~t4 时刻，单元0被 来自单元1~3的反作用力 共同推向前，机器人前进 1步，又回到第1步的状态。 上述过程不断重复，则机 器人能实现连续行走。将 控制信号反向，则机器人 反向行走。 50 5.2.4 蠕动式微机器人 2. 1999年，贾宝贤、刘永红等人仿照蚯蚓的蠕 动过程研制了如图示的机构，该机构由前 SMA胀紧环1、后SMA胀紧环5、SMA拉伸螺 旋弹簧2、普通压缩螺旋弹簧(偏压弹簧)4和限 位元件3组成。动作前为自由状态，各SMA元 件均不通电，如图(a)所示。动作时，按如下 程序进行： (1)前SMA胀紧环1通电，发热后径向膨胀与管 壁压紧，如图(b)所示； (2)SMA拉伸螺旋弹簧2通电，发热后刚度增加 并收缩，偏压弹簧4被压缩，整个驱动装置向 前收缩，直到偏压弹簧4并紧为止，如图(c)所 示； (3)后SMA胀紧环5通电与管壁压紧，前SMA 胀紧环1断电，与管壁松开，如图(d)所示； (4)SMA拉伸螺旋弹簧2断电，随着冷却，其刚 度降低，偏压弹簧4受的压力减小，便产生弹 性恢复而伸长，伸长的幅度由限位件3限制， 如图(e)所示。 这样，蠕动机构就完成了一个工作循环，向前 走了一步。如果改变通电顺序，就可以改变机 器人的行走方向。 51 6 微飞行器(MAV) 微型飞行器(MAV)一般是指长、宽、高均小于15cm．重量不超过 120g，并能够执行某些有特定价值任务的飞行器。随着军事和尖 端技术的发展，微飞行器发展极为迅速。微飞行器可以军用，也 可以民用。它可在山区、城市或室内等复杂环境下进行侦察、作 战、跟踪尾随，还可在化学或辐射等有害环境下执行侦察、干扰、 救护、救生定位等特殊任务。由于它便于携带、成本低廉、维护 使用方便、隐蔽性高等特点，极受使用者欢迎。 其最大优点是具有很强的隐身能力，通常很难被雷达发现，即使 被发现，也很可能被认为是鸟或其他生物。 微飞行器实际上是一套复杂的，可在空中飞行的多功能微机电系 统。它可以完成飞行、升降、自动导航、侦察、信息传输、对敌 干扰等多种任务。 微飞行器的种类较多，除了常规的固定冀和旋冀微飞行器外，还 有模仿昆虫飞行形式的扑冀微飞行器及将不同飞行方式结合在一 52 起的微飞行器等等。 6.2 微型飞行器(MAV)实例 1. 图示为Florida大学2001年参赛获奖的微飞行器，其质量为50多克。由于微 飞行器尺寸的一再缩小，为获得必要的飞行升力，机翼加宽很多，使其外形 更像飞碟，而不像普通飞机。 图8-29(b)所示是经过风洞试验而确定的这种机冀形状。机翼质量仅为3g，用 碳纤维做骨架，上面蒙以一层类似玻璃纸的聚酰亚胺薄膜制成。这种圆盘形 机冀装在质量50g，翼展7英寸(17.8cm)的微飞行器上，获得了良好的飞行效果。 53 2.MicroSTAR微飞行器。 图是美国桑德斯公司研制的MicroSTAR微飞行器的外观图，该微飞行器总重 量约100g，总电功耗15瓦，飞行速度55km/h，可持续飞行60min。最佳使用飞 行高度45~60m，最高150m。该微飞行器配备有自动驾驶系统，具有自动导航 功能，可以贴近目标执行详尽侦察任务，尤其对地势险要或人员不易到达的 地域，以及对城市狭窄街巷上空，能够自主穿行。该微飞行器配备有能够昼 夜使用的电视摄像机，并有较强功能的信息传送机系统，能够及时将侦察到 的信息和图像传送回去。该微飞行器发射和回收由单人操作，不需要专用起 飞或着陆场地。 54 3.“黑寡妇”微飞行器。 美航空环境公司制造出了“黑寡妇”固定翼微型飞行器。该机为直径152mm 的圆盘形，采用轻木结构，螺旋桨驱动。最大起飞质量60g，最大载荷量7g， 翼展15cm，续航时间22分钟，航程2km。 图示是该公司新研制的“黑寡 妇”微飞行器。其机翼展为 15.24cm，飞行速度为48km。 机上装有一台照像机，一个5g 重的GPS环球定位装置。该机 具有横滚、俯仰稳定性，速度 和航向保持能力。飞机的整个 操纵过程能全部在地面监视器 上显示，控制工作范围 1.5km。 该机全套系统和操纵装置、电 视监视器、天线和一个气压发 射器可以装在一个大公文包中。 55 4.“黄蜂”微型飞行器 美国黄蜂微型飞行器外形如图8-32所示，飞行器的翼展为38cm，燃料充足时 重量为140g，到2003年9月已试飞过3次，每次飞行15mim。飞行时由地面通 过无线电控制其节流阀、方向舵、飞行高低和飞行速度。 该飞行器用燃料电池作动 力，燃料电池的刚性金属 网是机翼结构的一部分， 氢储存在干燥芯块内，与 储存在机上的水作用时释 放出气体，与流经机翼的 气流中的氧化合，在燃料 电池中产生电能。氢与水 作用释放气体的速度，可 用由地面的无线电遥控装 置进行调节。在初始飞行 试验时，平均输出能量 10W多，黄蜂增强型可携 带一台简单自动驾驶仪和 一台彩色摄像机。上面配 有两个摄像头，还能被 GPS导航。 56 6.2.2扑翼式微飞行器 对于重量较小的微飞行器，再制成固定翼结构，很难 获得必要的飞行升空能力。因此，最小的微飞行器多 数制成扑冀式，它们的外形更像飞鸟、蜻蜓或苍蝇。 国外已有多个单位研制扑翼式结构，并已制成若干种 能飞翔的样机。但到目前为止，我们对扑翼式微飞行 器的飞行力学原理，所知甚微，因此有多个单位开始 研究飞虫的扑翼飞行原理。 57 1. “飞行蝇” 微飞行器 美国加州大学伯克利(Berkeley)分校于2001年研制成功一只非常微小的扑冀式 微飞行器，取名为“飞行蝇”，如图所示。这种微飞行器的体积极小，高度 不到3cm，质量只有100g，但能在100m高的空中飞行20min。苍蝇是动物界中 的飞行能手，能在0.03秒的瞬间迅速起飞，在3×10-5s内改变方向，最高飞行 速度为40km/s，是所有飞虫中飞行最稳定、机动性能最佳的。“飞行蝇”微 飞行器就是利用仿生原理制造出的世界上第一只能飞的“机器蝇”。 58 1. “飞行蝇” 微飞行器 这种微飞行器的研制有极大的技术难度。首先是机冀问题，苍蝇的翅膀上分 布着20块功能不同的肌肉，如何模仿这些肌肉的运动实现飞行，成为研究重 点。研究人员用了4年，来弄清苍蝇翅膀的动作和飞行力学问题，前后做了30 多个模型，最后使用一种类似玻璃纸的聚酰亚胺薄膜材料，制成长8mm、宽 3mm、厚5μm的仿生翅膀，如右图所示。这种翅膀的扇动是用双层压电伸缩 驱动器，通过四连杆差动机构来实现的。翅膀扇动频率为150次/s，能使微飞 行器飞向空中，但它目前还不能快速飞行，不能自行控制飞行方向和速度， 也不能在空中停留。 59 1. “飞行蝇” 微飞行器 图示是这种飞行蝇的部件组成。微飞行器的眼睛是光学传感器，可以探测飞 行前方是否有障碍物，将来可以装微型摄相机作侦察用。用微型电池为微飞 行器提供能源，使扑翼扇动，同时为各种电子仪器供电。微飞行器的尾翼用 太阳能电池板制成，可以辅助供电。微飞行器的机架用不锈钢架制造，有较 高的强度和刚度。微飞行器机架上还装有多种传感器以及微型信息传输系统 和控制系统。 60 2. 亚利桑那州大学的的扑翼式微飞行器 如图所示，该扑翼机靠拍打翅膀举升和推进，翼展小于6英寸，可以在平静的 天气留空3分钟以上。扑翼机的骨架是用碳纤维制成的，机翼由聚脂薄膜制成。 由于体积太小，飞在空中很难看到。他们打算下一次制作翼展4英寸的扑翼机， 但是不知道如果看不见它该怎样控制。可能会用电子导航系统自动飞行，用 上GPS定位系统。 61 3. “微蝙蝠”扑翼式微飞行器 图示为美国加州理工学院、瓦伊伦门特公司和洛杉矶加州大学联合研制的 “微蝙蝠”扑翼式微飞行器，质量10g，可实现控制飞行，并可携带麦克风阵 列作为寻的声源。 62 6.2.3 旋翼式微飞行器 旋翼式微飞行器可以说是微小型化的直升飞机。 由EPSON开发制作出的μFR微飞行器，如图所示。采用自行开发的世界上最 新的两个超薄型的超声马达驱动上下反转的两层叶片来产生空气升力；此外， 在机构与电路部分，集合了微机械的高新技术，达到微型化、轻量化的境界。 机上不带电池，能源靠尾部携带的电缆从外提供。机上配有蓝牙无线通信单 元、控制单元、陀螺仪和摄像机。主要参数：电源：3.5V；功率消耗：3W； 尺寸：直径130mm、高70mm；升力：13gf；总重量：约8.9g。 63 6.2.3 旋翼式微飞行器 μFR型-II微飞行器如图所示。该飞行器更轻、用了更先进的传感器。该机是 用计算机规划路径通过蓝牙技术进行无线遥控而独立飞行。该机具有完全的 无线特征，不带电缆；使用了爱普生拥有的当时世界上最小最轻的微陀螺仪 等传感器和高集成度的电路板；使用商用电池(聚合物锂电池)；致动器具有世 界上最高功率/重量比；具有更高的精度和更快的响应；使用了爱普生专有的 飞行路径控制和独立飞行系统。基本参数：电源4.2V；动力消耗3.5W；尺寸： 直径约136mm、高度约85mm；最大举升力大约17gf；包括电池总重量12.3g， 其中电池重3.7g、旋转驱动单元2.9g、直线驱动单元0.6g、控制电路3.1g、机 架2.0g；飞行时间大约3min。 64 7 微型卫星 卫星越大，发射的费用和难度也越大。如果能不降低卫星功能， 而使体积减小和质量减轻，或是用几颗小卫星代替一颗大卫星， 可使发射费用和技术难度大大降低，产生巨大的经济效益。近年 来，由于MEMS技术的迅速发展，使卫星上的多种功能部件微型 化，质量和体积大大减小，从而使研制小型和微型卫星成为可能。 微小卫星一般是指质量在500kg以下的，更加严格一些是指100kg 以下的卫星。微小卫星的量级划分有不同的说法，按多数人意见 大致可做如下的划分： 10~100kg的卫星称为小型卫星； 1~10kg的卫星称为微型卫星； 小于1kg的卫星称为纳米卫星。 目前国内外微小卫星的研究，主要集中在小型和微型卫星上。纳 米卫星技术难度很大，需在多种卫星技术有重大突破后，才有可 能制成有实用意义的纳米卫星。但微型和纳米卫星代表卫星的发 65 展方向。 7 微型卫星 微/纳卫星的质量有限，能携带的仪器不多，多数情况只能完成 单一或少数的功能，因此微/纳卫星的发展应用设想是，布设成 “局部微/纳卫星星团”和“分布式微/纳卫星星系”。可以用数 颗微/纳米卫星组成基本单元，这些基本单元布设于太空中不同 的轨道上，彼此之间通过遥感通信方式互相连接，形成紧密联系 的星团或星系，分工合作，来完成一颗大型卫星的全部功能。 微型卫星特别是纳米卫星将来可以批量制造，有可能将成本降得 很低。由于微型和纳米卫星体积小、质量轻，中小型火箭即可发 射，并可以用一支火箭发射多颗微/纳卫星，使卫星的发射费用 大幅度降低。微/纳卫星体积小，生存力强，不易受外界磁场干 扰，同时隐蔽性好，不易被敌方发现和破坏。 66 7 微型卫星 要提高GRS全球定位系统的覆盖面和定位精度，就需要增加太空 中卫星的数量和分布面积。为使卫星能覆盖全球，可以在地球表 面上等间隔的18个太阳同步低地球轨道上放置微/纳卫星，每条 轨道上部署36颗，总共648颗微/纳卫星。这样就可覆盖地球上所 有的点，这样的GPS全球定位系统，可以在全球各处都有极高的 定位准确度。 由于卫星的功能是由整个微/纳卫星星团(或星系)来完成，而不 是靠其中某个卫星单独来完成，故可靠性可明显提高。星系中某 个子卫星损坏，星系整体仍能继续工怍，对全局影响较小。个别 子卫星损坏时，可以单独置换，修复成本低，能避免承受大的损 失和降低系统失败带来的风险。微/纳卫星一般都是只负责一类 工作，任务单一，具有的功能较少。有多颗不同功能卫星组成的 星系，内部互相紧密联系，成为整体功能强大的星系。一旦任务 有变化，可以增减部分卫星而进行重组，成为能完成新任务的功 能强大的新微/纳卫星系统。 67 1. Aprize Star微型实验卫星 图 (a)所示是Aprize卫星公司1995年研制的Aprize Star微型实验卫星，其外 形呈立方体，边长约为30cm，四周覆盖太阳能电池板，以供应微型卫星上各 种电子仪器所需的电能。这种卫星的发射使用法国Arian火箭，火箭一次同时 可发射三颗微型卫星(图 (b))，卫星发射到空中预定轨道后，可以在空中联 网组成卫星星系。卫星上装有GPS全球定位系统，具有多种探测、信息传输等 功能。曾为北极探险队提供通讯和确定位置等服务。 68 2.中国的微小卫星 中国清华大学、哈尔滨工业大 学等单位都在进行微小卫星的 研究工作。图是清华大学和英 国Surrey大学合作研制的清华 -Ⅰ号微型实验卫星，质量约 50kg，已于2000年成功发射。 2004年4月23日哈尔滨工业大 学研制的203kg实验一号小型 卫星成功发射，工作情况良好， 清华大学研制的第二颗微型卫 星也同时用同一火箭发射成功。 69 3. 美国的Dawgstar微型卫星 图示的Dawgstar微型卫星，是美国Washington大学研制的。其外形为6面 体，截面边长为18in(45.7cm)，高度为12in(30.5cm)，质量为40lb(18kg)， 据称是世界上最小的能自主推进的微型卫星。 值得一提的是，这颗微型卫星是Washington大学的75名本科生和研究生， 在M.campbell副教授的指导下，经3年的辛勤努力而研制成功的。这颗微 型卫星是美国NASA和空军支持的项目，于2003年春季发射升空。 70