Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici-Proiect-

Microtehnologii

i TCM 4:

Dedean Alexandru

Majoran Szabolcs

Muresan Abel

Neacsu Valentin

Universitatea Petru Maior

Prof. Coord.

Strnad Gabriela

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Studiul tehnologiei microactuatorilor electromagnetici

Etapa I

MICROACTUATORI:

In literatura, termenul de microactuatori este folosit pentru dispositive cu marimea mergand de la cativa micron pana la cativa decimetri, dovedind dificultatile de clasificare ale acestui nou domeniu stintific. Microactuatorii includ, de asemenea, acei actuatori care sunt fabricati folosind micromecanica. In plus fata de miniaturizare microdispozitivele mecanice avand elemente cum ar fi:

Pompe; Valve; Clesti robot; Elemente de pozitionare liniare si rotationale; Actuatori simpli de tip consola; Sisteme complexe de muschi artificiali.

Functia de executie într-un sistem ( microsistem) mecatronic consta din initierea, controlul si realizarea interactiunii masinii cu mediul, pe baza intructiunilor primite de la  functia de cunoastere. Functia de executie se realizeaza prin intermediul actuatorilor ( microactuatorilor).Actionarea  are la baza, în general, trei tipuri de interactiuni:

interactiunea câmpurilor; interactiunea mecanica; deformatii limitate ale  unor materiale.

1. Microactuatori functionând pe baza interactiunii câmpurilor se bazeaza pe interactiuni ale câmpurilor magnetice, ale câmpurilor electrice cu câmpuri magnetice, ale sarcinilor electrice:

micromotoare rotative de curent continuu; micromoatoare rotative de curent alternative; micromotoare rotative asincrone;

1

Prof. Coord.

Strnad Gabriela

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

micromotoare rotative sincrone; micromotoare electrostatice; micromotoare liniare de curent continuu; microelectromagneti; microîntrerupatoare.

2. Microactuatorii 21421t1921v, care se bazeaza pe deformatii limitate ale unor materiale care au în componenta lor, ca element activ un material "inteligent"- material care are capacitatea de a se deforma controlat ( lamele, discuri, membrane, arcuri elicoidale si spirale etc.). Deformatiile limitate ale acestor materiale inteligente pot fi transformate în miscari continue cu ajutorul unor mecanisme ( mecanisme cu clichet, cu roti dintate, surub - piulita etc.).

MICROACTUATORI ELECTROMAGNETICI

Microactuatorii actionati electromagnetic castiga in important ape masura ce producatorii imbunatatesc metodele de productie tridimensionale pentru o varietate de material. Cu ajutorul acestora, energia electrica este transformata in energie mecanica cum ar fi forte sau momente. Exemplele clasice de astfel de actuatori include motoarele si releele electrice.Actionarile simple pot fi realizate folosind tehnicile pe siliciu sau LIGA.

Principii de functionare Actionarile electromecanice transforma energia electrica in miscare sau forta mecanica si pot fi folosite in diverse aplicatii datorita costurilor scazute si aplicabilitatii usoare. Pana in prezent ele si-au gasit aplicatii in lumea macro dar se fac incercari pentru miniaturizarea lor, astfel putand fi incluse la aplicatiile MST.Pot produce miscari liniare sau de rotatie. Prin miniaturizare se doreste imbunatatirea proprietatilor magnetice ale materialelor si dezvoltarea fabricatiei pentru micro-bobinari. Procesul LIGA poate fi folosit pt fabricarea structurilor tridimensionale. Procesul permite fabricare materialelor magnetice necesare pentru transformarea energiei magnetice in forte sau momente (de ex: nichel). Problema in fabricarea microactuatorilor magnetici o constituie dificultatea de a produce simultan, prin acelasi process litografic, bobine transportoare de current si component conducatoare de flux. Din caua acestei limitary, magnetii si bobinele trebuie sa fie integrate intr-un

2

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

microactuator electromagnetic printr-o tehnologie de interconenctare. Aici este adesea folosita tehnica de legare prin fire conductoare. In figura 1 putem observa principiul de miscare al unui motor pas cu pas de tip de tip reluctanta care are un stator canelat si un rotor magnetic constant din 3 subsisteme magnetice pentru a produce o miscare de alunecare, conform cu principiul radioconiometriei magnetice.Rotorul magnetic allege o pozitie stabile pentru care dispozitiviul are cea mai scazuta rezistenta magnetica (reluctanta). Aceste motoare pot fi folosite pozitionarea sau manipularea diferitelor dispositive tehnice.

Figure 1: Motor pas cu pas liniar .

In figura 2 este prezentata schema unui mototr rotativ trifazic cu reluctanta, avand un rotor dintr-un magnet permanent cu poli extinsi spre exterior si un stator cu poli extinsi spre interior.In jurul polilor statorului sunt realizate infasurari electrice ( bobine). Cu ajutorul acestor bobine este creat un camp magnetic. Pentru realizarea motorului rotativ cu reluctanta este importanta ca numarul de dinti ( poli ) de pe stator sa fie diferit de cel de pe rotor, in caz contrar toate ciclurile magnetice au aceeasi faza.

Figure 2: Motor rotativ cu reluctanta

3

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Calcule de proiectare

Legea inducției electromagnetice formulată în 1831 de Faraday este una din cele mai importante legi ale electromagnetismului. Fenomenul numit inductie electromagnetica consta in apariția (unei) tensiunii electromotoare induse de un flux magnetic variabil în timp. Acest fenomen permite conversia diferitelor forme de energie în energie electrică.Enunțul ei este: Tensiunea electro-motoare indusă pe o curbă închisă (Γ) este egală cu minus viteza de variație în timp a fluxului magnetic prin orice suprafață deschisă mărginită de curba închisă (Γ). Exprimarea formulară e:

, unde   e tensiunea electromotoare iar   e variația fluxului magnetic pe durata dt.

Concepte si prototipuri de microactuatori electromagnetici

a) Micromotorul electromagnetic rotativ cu roti dintate

Este format din mai multe roti dintate si un motor cu reluctanta. Spatiu dintre axul motorului si rotor este de doar 500 nano-metri, are proprietati dinamice excelente datorita frecarilor foarte mici.

Figure 3: Micromotor electromagnetic

b) Motorul electromagnetic cu micropas

4

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Are un stator cu 6 poli si un rotor cu 4 poli, fiind un motor rotativ, trifazic, pas cu pas, cu un pas unghiular de rotatie de 30°.

Figure 4: Motor electromagnetic cu micropas

c) Micromotorul rotativ hybrid

Este un motor cu reluctanta de 3mm, ale carui component au fost fabricate prin tehnica LIGA. Micromotorul genereaza un camp magnetic rotativ cu ajutorul curentului electric din bobinele statorului, acesta pune in miscare roturul care prezinta remanenta mica. Componentele motorului vor fi prezentate in figura 5:

Figure 5: Componentele Micromotorului

5

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

d) Micromotorul cu rotor din pamanturi rare

In figura 6 este prezentat prototipul unui motor electromagnetic in current continuu, iar in figura 7 este prezentata o sectiune transversal a acestuia. Prototipul are o raza exterioara de 3mm si o lungime de 5mm. Carcasa functioneaza ca stator si contine bobina de actionare. Rotorul are diamentru interior de 0.5 , diametru exterior de 1.5mm si o lungime de 3mm.Tensiunea de operare a roturului este de 2V.

Figure 6: Prototipul unui motor electromagnetic in cc.

Figure 7:Sectiune transversala printr-un motor electromagnetic in cc.

e) Micromotorul liniar

Principiu de operare al acestui motor este descries in figura 8 . Cu un current maxim de 650 mA, poate fi atinsa o viteza a motorului de 24cm pe secunda, campul magnetic are o intensitate de 5,1 Gauss.

6

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

f) Micromotorul cu rulment lichid

Domeniul de aplicare

Un camp magnetic nu poate sa dispara atat de repede ca un ca un electric si actionarile au nevoie de tensiuni foarte joase furnizate de o baterie, avand acest avantaj, microactuatorul electromagnetic este o component ideal apt multe aplicatii in special pentru utilizari biomedicale, unde tensiunile ridicate sunt inacceptabile. De asemenea, timpii de raspuns ai acestor actuatori sunt excelenti. In general microactuatorii electromagnetici sunt folositori atunci cand eficienta este mai putin importanta decat fiabilitatea si siguranta.

Etapa II

7

Figure 9: Prototipul unui micromotor linear

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Micromotorul cu rulment lichid fabricat in tehnologia MEMS

In Figura 8, este reprezentat un desen schematic al motorului cu rulment lichid si al sistemului experimental folosit pentru a actiona magnetic micromotorul :

Geometria rulmentului este definita prin inscriptionarea pe suprafetele rotorului si statorului a unui strat hidrofob amorf de fluorocarbon cu grosimea de 2 micrometri.

Energia oarecum ridicata a sticlei si a siliconului permite umezirea suprafetelor expuse de catre rulmentul lichid, in timp ce stratul hidrofob de Cytop fixeaza starturile rulmentului intr-o locatie fixa,asa cum reiese din -- Figura 6a-- :

8

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Efectele tensiunii de suprafata asigura centrarea si capacitatea de transport a sarcinii. Grosimea rulmentului, h, studiata in acest caz variaza intre 20 si 200 micrometri ,mult mai mica decat lungimea capilarului de lichide si aceasta pentru a se asigura o tensiune de suprafata mai mare decat forta gravitationala in interiorul fluidului.

Ca urmare a unei forte transversale aplicata marginii drepte a roturului (in figura b), unghiul de contact al rulmentului lichid se modifica si forta rezultanta datorata tensiunii superficiale este:

Efectele tensiunii de suprafata asigura centrarea si capacitatea de transport a sarcinii. Grosimea rulmentului, h, studiata in acest caz variaza intre 20 si 200 micrometri ,mult mai mica decat lungimea capilarului de lichide si aceasta pentru a se asigura o tensiune de suprafata mai mare decat forta gravitationala in interiorul fluidului.

Ca urmare a unei forte transversale aplicata marginii drepte a roturului (in figura b), unghiul de contact al rulmentului lichid se modifica si forta rezultanta datorata tensiunii superficiale este:

Fres = 2R LV ( R - L)

9

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

unde LV este tensiunea superficiala a fluidului, este unghiul de contact iar R si L reprezinta unghiurile de contact la marginile dreapta si stanga ale rotorului iar R reprezinta raza rulmentului..

Procesul de fabricatie

10

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Statorul este fabricat dintr-un substrat de sticla cu groasimea de 700 µ m, in timp ce rotorul este un disc cu diametrul de 10 mm realizat dintr-o caseta de siliciu cu grosimea de 300 de µ m. -- Figura 7 j-m -- prezinta procesul de fabricatie a statorului in care un proces de decolare a fotorezistorului este folosit pentru a modela stratul de Cytop care defineste forma si dimensiunea rulmentului lichi d. Fotorezistorul pozitiv cu grosimea de 3 µm este depus prin rotatie modelat prin fotolitografie pentru a defini regiunea circulara de izolare pentru rulmentul lichid. Stratul subtire de Cytop este apoi depus in caseta cu cu 1500 rotatii pe minut. Dupa coacere intensa la 110 C timp de 10 minute, Cytopul inutil si modele fotorezistivive sunt eliminate in acetona, apoi clatite in metanol si apa distilata.

Fabricatia rotorului incepe cu o caseta de siliciu cu doua laturi. Pe partea inferioara a casetei este conturat mai intai un strat de Cytop. Pe partea de sus a casetei este gravat un transeu cu ajutorul unei gravuri ionice profund reactive, astfel definindu-se carcasa magnetului.

Pentru a se asigura concentricitatea rulmentului lichid asupra rotorului, forma cilindrica a rotorului este litografic aliniata la modelul rulmentului pe partea din spate a casetei, folosindu-se un fotorezistor cu grosimea de 10 µm si gravura ionica profund reactiva este folosita pentru a grava prin caseta cu grosimea de 300 de µm.

In urmatoare este reprezentata partea laterala si inferioara a dispozitivului in intregime, fiind folosita tehnica de alegere si plasare in vid. Un cub magnetic este centrat si montat in partea superioara a rotorului :

11

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Vederea laterala a rotorului asamblat prezinta rulmentul lichid colorat in rosu. Vederea de jos este obtinuta prin statorul de sticla concentrandu-se pe rulment lichid si partea de jos a rotorului. Aceasta imagine evidentiaza structura rulmentului lichid.

Performantele mecanice ale micromotorului cu rulment lichid au fost caracterizate folosind actionarea magnetica pentru a roti rotorul. Doua perechi ortogonale de bobine Helmholtz sunt conduse cu curenti defazati cu 90 , la amplitudini egale, pentru a crea un camp magnetic rotativ cu magnitudinea uniforma in campul B = 1 mT

Frecventa semnalului bobinei, , determina rata rotatiei motorului, in timp ce amplitudinea campului ofera control asupra cuplului aplicat.

Concluzii:

Deja, MEMS a stabilit recorduri in succesele comerciale care furnizeaza cazuri impresionante pentru dezvoltarea viitoare. Aplicatii comerciale de succes includ accelerometrele airbagurilor, capete de imprimare termice si senzori de presiune. In plus, sunt un numar destul de mare de alte produse care au atins etapa finala de dezvoltare si sunt gata sa stabileasca o baza de clienti. Aditional,un numar de zone noi de cercetare au iesit in evidenta recent care profita de avantajele diverselor functii noi permise de MEMS, exemplu intrerupatoare microoptice, sisteme biomedicale si altele.

Micromotoarele pot fi utilizate pentru dezvoltarea de instrumente folosite in

microchirurgie, cum ar fi endoscoape, taietori ºi apucatori, precum ºi dezvoltarea micropompelor ºi microvalvelor cu numeroase aplicaþii de la livrare de combustibil ºi probe biologice, pana la racire ºi instrumente analitice. Micromotoarele pot fi, de asemenea, utilizate in micro asamblare, propulsie ºi acþionare

12

Studiul tehnologiei microactuatori electomagnetici

Bibliografie:

1) Curs Microtehnologii- Strnad G.

2) Lucrari microtehnologi

3) http://www.google.com/patents/US5631514 4) http://www.google.ro/imghp?hl=ro&tab=wi

5) http://thekneeslider.com/micro-sized-internal-combustion-

engine/

6) http://www.nsti.org/Nanotech2005/nanotech.html

7) http://www.mems.sandia.gov

13