國立台灣師範大學機電科技學系

(1)

台灣師範大學機電科技學系 -1-

微致動器原理與應用技術微致動器原理與應用技術

Principle of Microactoator and its Applications

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:ycr@ntnu.edu.tw

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-2-

綱綱要要

z

微致動器的定義與發展演進

z

微致動器原理與應用

靜電式致動器

壓電式致動器

熱電式致動器

介質加熱式致動器

形狀記憶合金式致動器

電磁式致動器

其他致動器

(2)

感測與致動原理感測與致動原理

感測器感測器

致動器致動器

將一物理量(力、位移、角度、振動、音波、流量、溫度)或化學量(

化學成份、pH值、濃度、鹽度、黏度、密度、比重)的變化轉換成

電性輸出，如將力、位移或角度的變化轉變成電壓、電容或電阻的變化量。

與感測器相反，將某一種能源作為輸入，產生物理量的變化，如引擎、馬達。

C. R. Yang, NTNU MT

致動器的角色致動器的角色

例：電風扇例：電風扇

例：冷氣例：冷氣

(3)

致動器 actuators

感測器陣列 sensors array

微處理器 microprocessor

輸入/輸出 input/output

內部匯流排 internal bus

外部匯流排 external bus

微系統應用晶片模組

感測訊號

物理 Physical 化學 Chemical 生化 Biochemical

能源 Energy

熱能 Thermal 機械 Mechanical 流體 Fluidic 光學 Optical 電能 Electrical

情報資料

電氣 Electrical 光學 Optical 聲學 Acoustic

致動訊號

消費性電子生化醫療自動化半導體化工通訊與資訊環保與安全紡織

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

運動能量

訊息其他

-6-

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

感測器 sensors

致動器 actuators

電子電路 circuits

微結構 microstructure 致動器

actuators

驅動迴路 driver

力感測器 force sensor

電子電路 circuits

雷射偵測器 laser detector

訊息控制迴路 communication

(4)

Micro actuators in nature Micro actuators in nature

Eagle

Honey bee

Waterspider Ciliate

纖毛蟲

(5)

微致動器的定義與發展演進微致動器的定義與發展演進

-10-

1. 1947 年電晶體的發明，使固態元件取代了所謂的機械開關，也就是由半導

體元件將原來會造成可靠度或反應速度緩慢的機械動件(moving part)(傳統 機械元件的缺點)，取而代之。

2. 隨著微機電領域逐漸成熟，製造與量測技術不斷改良下，許多機械元件的性能大幅度地提升。

z 微米尺寸的機械元件可具有高達MHz 的動態特性，而在奈米技術的協助下

，機械元件甚至可進一步達到GHz 的動態特性。

z 利用半導體製程技術製造的薄膜，具有抗疲勞的優越特性，提高可靠度。

3. 當初發展電晶體和半導體加工技術的科學家可能萬萬沒想到，原來被用來取代機械動件的技術，卻在數十年後，被大量用來製造機械動件，也為科技發展史譜下一段有趣的插曲。

固態開關固態開關 vs. 機械開關 vs. 機械開關

(6)

機械微小化或薄膜化所提升的性能機械微小化或薄膜化所提升的性能

(1) 微小化後結構撓性提升

由於桿件的彎曲剛性與厚度的三次方成正比，因此當桿件薄至微米等級時，其可以達到的撓度是非常可觀的。舉例而言，玻璃製成的餐具相當容易破裂，但是玻璃光纖卻可以彎曲，又例如要將鋁箔折斷是相當困難的。換句話說，微米尺寸的機械結構其撓性極大，所以當結構以小幅度的往復運動時，其承受的應力是非常小的。

(2) 薄膜材料的特性

構成微結構的薄膜材料，不是由塊材(bulk material) 所採用的傳統冶金方式所 提煉，而是利用在潔淨室中進行的半導體製程，以物理或化學的方式，將原子一層層堆疊而成，因此和塊材相比，薄膜材料在製備的過程中具有較少的缺陷

。另外，由於薄膜材料原子堆疊的層數遠小於塊材，又再次減少薄膜材料內部缺陷的數目。由於薄膜材料可顯著地降低內部存在的缺陷數目，使得微結構承受交變應力後，不至於因為這些少量的缺陷遷移至表面而導致破裂，使得微機械結構不易觀察到疲勞破壞的現象。

微機械結構具有相當優越的使用壽命，一則是因為微小化後的力學行為，一則是因為薄膜的材料性質，在經過適當的設計法則驗證過後，應能如同固態元件般具有卓越的可靠度。此外，微機械動件比固態元件有更佳的性能，例如：光 的方向變換、電磁波傳遞有較小的插入損耗(insertion loss)、可傳遞力和位移等 機械動作。因此，由微機電技術所提供的機械動件，在某些特定的應用上將扮演一個重要的、不可取代的角色。

微機械元件性能優於固態元件之處微機械元件性能優於固態元件之處

德州儀器DMD 產品測試報告：

1. 一組包含30 多萬個微面鏡的DMD，以50 kHz 的操作頻率對微面鏡進行驅動(正 常操作頻率5 kHz )。

2. 在經過19000小時的測試後，每面微面鏡的操作週期皆達到10¹²以上。

3. 30 多萬個微面鏡中，僅有一微面鏡因黏著現象而無法繼續操作，並沒有任何微 面鏡因扭轉軸產生破壞。

4. DMD 在正常操作下具有二十年以上的壽命，並且經過妥善的包裝後，該元件 也能通過包含摔落的嚴格環境測試。

(7)

Digital Mirror Display

Digital Mirror Display (DMD) (DMD) / Digital Light Processing / Digital Light Processing (DLP) (DLP)

Texas Instruments 15 μm

-14-

何謂微致動器何謂微致動器? ?

z

驅動元件能達到微米(μm) 之運動精度精度

z

驅動元件之尺寸在微米級 (1-1000 μm)

微致動器為MEMS中驅動力的來源，亦是MEMS由靜態電子系統

或感測系統，轉化為動態機電系統的樞紐。因此在整個MEMS發

展的過程中，佔有主導及關鍵的地位。

(8)

(a) Feynman viewing the the first micro motor built by William McLellan (left).

(b) The motor, 3.81 mm wide, photographed under an optical microscope.

(Picture credit: Caltech Archives)

Feynman

Feynman’ ’s Challenge s Challenge

大頭針

微致動器

z

Transistor by Bell Lab 1947

z

Integrated circuit by Kilby 1958

z

Mini motor by McLellan 1960

z

Silicon pressure sensor 1962

z

Resonant gate transistor 1965

z

Silicon membrane 1966

z

1st commercial RAM (Intel, 256 bit) 1969

z1st Micro processor (Intel, 2300 transistors ;

1971

7.5M transistors for Pentium II at 1997)

z

Silicon pressure transducer 1973

z

Micro mirror 1975

MEMS發展歷史的演進 MEMS 發展歷史的演進

(9)

z

Gas chromatography 1975

z

Ink jet nozzle 1977

z

Micro-relay 1978

z

Micromachining named by Petersen 1982

z

LIGA by Becker et al 1982

z

Sacrificial layer 1983

z

Silicon mass flow sensor 1984

z

MEMS named after three work shops 1987

z

Electrostatic micro-motor 1988

z

Comb drive (1st linear microactuator) 1989

z

Micromachined accelerometer by Analog Device 1991

z

Electromagnetic micro-motor 1992

z

Digitial Mirror Device commercialized by TI 1996

-18-

微致動器運動的方式微致動器運動的方式

(a) 同平面式(in-plane)微致動器：運動的方向平行於矽晶片的表面，微致

動器和矽晶片表面的間隙不會改變。

(b) 出平面式(out-of-plane)微致動器：運動的方向接近或遠離矽晶片的表

面，微致動器和矽晶片表面的間隙會隨運動而改變。

(a) (b)

(10)

間距近接式直線運動靜電致動器間距近接式直線運動靜電致動器

面積A、氣隙間距d 、電位差V 、空氣的介電常數ε 、彈簧剛性k_y、等效質量m

間距近接式扭轉運動靜電致動器間距近接式扭轉運動靜電致動器

如果驅動的簡諧波Vcosω t 的頻率ω 和致動器彈簧與質量塊系統的自然頻率f_n 或者f_t一致時，該致動器將產生一個相當大的輸出，此即所謂的共振現象，此

(11)

致動基本原理致動基本原理

微致動器技術

電磁式靜電式

壓電式

電歪式(結構類似壓電材料)

橡膠製致動器

熱能式磁歪式

微梳狀致動器(micro comb actuator)

可變電容微馬達(variable capacitance micromotor, VCM) 類靜電感應微馬達(electrostatic induction micromotor, EIM) 諧振馬達(wobble motor, harmonic motor)

微隔膜泵浦(micro membrane pump) 靜電開關(electrostatic switch)

熱膨膠利用型—雙金屬式、流體熱膨脹式 熱氣力致動器(thermopneumatic) 金屬氧化物(metal hydrides) 熱動力引擎(stirling engine) 形狀記憶合金

伸縮型— 加壓收縮、伸長 彎曲型— 一維及多維自由度 積層式電動器(stacking) 雙形致動器(bimorph)

超音波馬達—直線式、旋轉式馬達 衝擊驅動機構(impact drive mechanism)

micro gripper micro manipulator skeleton muscle type (骨骼) mollusk(軟組織)

-22-

致動基本原理致動基本原理 (續 ( 續 ) )

微致動器技術

磁性流體

電氣黏性流體

光能型

機械化學式(mechanochemical)

電化學效應

流體壓力致動器(fluid pressure actuation) 人工筋肉

人工纖毛 光-熱-力型

光-熱-流體壓力變換型 光-起電壓-力變換型 光-微引擎-氣體動力變換型

流量控制閥磁性流體人工肌肉

(12)

流體能

z

壓電式(piezoelectric)

z

電磁式(electromagnetic)

z

靜電式(electrostatic)

z

熱伸長式(thermal expansion)

z

記憶合金(shape memory alloy)

z

化學式(chemical reaction)

z

氣液壓式(pneumatic and hydraulic) 電能

熱能

化學能

致動基本原理致動基本原理 (續 ( 續) )

R. S. Muller, Berkeley

Functional passive:

Mirror Engine:

Comb actuator

Transmission

Micro optical scanner

(13)

Functional passive:

Mirror

Engine:

Comb actuator

Transmitting mechanism:

Linkage, gear Sandia National Lab.

Micro optical scanner Micro optical scanner

-26-

(14)

微致動器原理與應用微致動器原理與應用

利用電荷間的吸力和斥力作用順序驅動電極，產生平移或旋轉。

致動原理致動原理 -靜電式 - 靜電式

缺點：

z

間隙尺寸及精度要求高

z

常需高深寬比垂直壁面

z

位移量小

z

需高電壓

優點：

z

間隙越小，出力越大

z

製造容易、材料選擇多

z

採電壓輸入、控制性佳

z

可靠度佳(不似以電流源操作的電

磁及電熱式致動器有熱破壞問題)

z

與IC製程相合

(15)

Parallel

Parallel- -Plate Capacitor Plate Capacitor

A

d E

1. Charge +Q , -Q 2. Apply Gauss’s law

Assumption :

A E Q EA Q

S Q d

sE

0 0

0

ε ε

ε

=

⇒

=

⇒

=

∫

^v⋅ ^v

3.

4. A d Ed Q l d E V

^d

0

^⋅ ⁼ ⁼ ε

0

=

Δ ∫ ^v ^v

d A V

C Q = ε

₀

≡ Δ

A d <<

2 2 12 0

0

10 854 . 8

vacuum in the

ty permittivi :

m N

C

× ⋅

= ⁻

ε ε

-30-

Atom View of the Dielectric Atom View of the Dielectric

E v E′ v

↑

∴

↓

∝ Δ =

≡

↓

′ ∴

−

=

C E E

Ed Q V C Q

E E

total total total

1 Q v v v

v Q v

From

: r

ty permittivi

Relative ε

0 = ≥ 1

=

= ε ε

_r

ε ε

_r _initial

; where ε

_r

final

C

d A d

C A

(16)

致動原理致動原理 -靜電式 - 靜電式

C

d C = ε LW

C：電容值 L：板長

W：板寬 d：兩板間距

垂直作動

) ( d

d d d

C LW Δ

Δ

− +

=

Δ ε

水平作動

) ( L C L C = Δ Δ

兩帶電平行板

(電容串聯)

(17)

Source: Shinsuke Takimoto, ”International Symposium on Micromechatronic and Human Science ”, 1999,pp.221-226

Electrostatic force formula Electrostatic force formula

-34-

Electrostatic force Electrostatic force

V(battery)

Populate charges

-Q +Q ^Q=CV

Conductor

U_B

V C

2

2 1 CV U

_c

=

Capacitance:

2

2 1CV U

d C A

c =

=

ε

_o

電位能 A電極板面積 d電極板間距

(18)

Electrostatic force Electrostatic force

2 2

2 . 1 .

2 1 2 ] [ 1

)]

2 ( [1

2 ) (1

2 1 2 1

CV const

U const

V Q V Q U

V Q Q

V Q Q Q

V Q Q

V Q V Q

V Q CV

U U U

C C O

C O

C O C

B C

B B C

−

=

−

=

−

=

−

=

− +

=

+

=

+

=

+

= +

=

C O B

B C

t B t

C O

Q Q Q

Q Q

Q

−

= +

=

+

=

₍₌₀₎ ₍₌₀₎

*

B: battery (Q=CV)

Electrostatic force Electrostatic force

2

2 . 1 .

2 1

CV const

U const

V Q V

Q U

C C O

−

=

−

=

−

=

1. Comb-drive actuation:

2. Gap Closing:

V

x

z h

z U z

F U

x U x

F U

C z

C x

∂

= ∂

∂

− ∂

=

∂

= ∂

∂

− ∂

=

(19)

Comb- Comb -drive actuation drive actuation

Comb-drive actuation: move at x-direction x

z : cancel out

: add up

• positive

• independent of x

• F ∝ V²

• force generates from fringe field at finger tip

) 2 )(

(1 2 ) (1

2 ) (1

2 2

2

z V h

z V hx x x CV

x U x F U

o o

C x

⋅

=

∂

= ∂

∂

= ∂

∂

= ∂

∂

− ∂

=

ε ε

aspect ratio

basic force unit

× (finger No.)

A d

-38-

Driving force and displacement Driving force and displacement

Laterally driven Laterally driven

) 2 )(

(1 ²

z V h F_x =

ε

_o ⋅

aspect ratio basic force unit

× (finger No.) 在面型微加工製程下，並不太符合

(20)

Comb drive actuator Comb drive actuator

Laterally Driven Resonant Microstructures, W. C. Tang et al., Sensors & Actuators, 20 (1989) 25 Comb-driver z

Parallel force

Linear comb drive actuator Linear comb drive actuator

z

Parallel force

(21)

W. Tang et.al., 1989

Angular comb

Angular comb- -drive actuator drive actuator

MCNC, USA Gyroscope

-42-

利用彎曲梳狀電極致動旋轉致動器運動

(22)

• positive

• dependent of x

• F ∝ V²

2 2

2

1 1

( ) ( )

2 2

1 1

( )( ) ( )( )( )

2 2

C z

o

o o

U U

F z z

C V V h x

z z z

h x h x

V V

z z z

ε

ε ε

∂

= − ∂ =

∂ ∂

= =

∂ ∂

= ⋅ = ⋅

aspect ratio

basic force unit

× (finger No.)

Driving force and displacement Driving force and displacement

gap- gap -closing drive closing drive

(23)

Source: Kevin A. Shaw, “Transducers” ,1993, pp.210-216 z

Vertical force

致動原理- 致動原理 -靜電式靜電式

-46-

(a) 體型微加工技術、(b) 面型微加 工技術製造之微扭轉式致動器

1. 驅動電壓和活動空間二者相互牽制的問題。

2. 靜電力和間距是非線性 的關係，衍生靜電吸附 (pull in)問題。

(24)

由於靜電力與兩電極間距離之平方成反比，而結構的彈性回復力則隨兩電極間距離之減少而線性增加，亦即當兩電極受靜電力相互吸引而拉近時，其靜電力是隨距離減少的平方增加，而彈性回復力則隨距離減少的一次方增加，因此靜電力的增加率較彈性回復力的增加率大許多。當施加在兩電極上的電壓差增加，便會使兩電極之間距減少，當電壓增加至一極限值時，結構本身的彈性回復力便無法與靜電力抗衡，造成兩電極彼此吸引至接觸。而此一極限電壓就稱為吸附電壓V

_PI

。以靜電力驅動的元件，受靜電吸附的影響很大，例如在作為致動器時，若操作電壓大於吸附電壓，結構會瞬間被吸附至固定電極，因此限制了致動器的操作範圍。

Pull- Pull -in effect in effect

Pull-in occur at ₀

3 2 g g

_PI

=

g₀: the gap at zero volts and zero spring extension

A V

_PI

kg

ε 27 8

₀³

=

Pull-in voltage

(25)

High- High -Power and High Power and High- -Efficiency Electrostatic Ac Efficiency Electrostatic Actuators tuators

(Niino, Egawa, and Higuchi, 1993)

-50-

(26)

致動原理- 致動原理 -靜電式靜電式

z

Electrostatic Micromotor

(27)

靜電式馬達驅動原理靜電式馬達驅動原理

-54-

旋轉式微馬達旋轉式微馬達

Side- Side -drive drive micromotor micromotor

12 stators, 8 sliders

1

1 2 1

2

2 2

3

順時針轉：1→2→3；逆時針轉：3→2→1

(28)

z

梳狀致動器應用( I )

Juan and Pang, J. MEMS, 1998

致動原理致動原理 –靜電式 – 靜電式

Cornel Marxer and Nicolaas F. de Rooij J. of Lightwave Technology, 17(1), 2-6, 1999

z

梳狀致動器應用(II) Micro scanner

致動原理– 致動原理 –靜電式靜電式

Electrostatic Combdrive-Actuated Micromirrors for Laser-Beam Scanning and Positioning Vertical Scan Horizontal Scan

(29)

Sandia National Lab.

致動原理致動原理 – – 靜電式靜電式

z

梳狀致動器應用– Gear train

-58-

致動原理致動原理 – – 靜電式靜電式

z

梳狀致動器應用– Vibromotor

Lee, Ljung, and Pisano, 1992

(30)

Droplet Generator by Electrostatic Actuation Droplet Generator by Electrostatic Actuation

靜電式垂直致動型靜電式垂直致動型

出平面致動器出平面致動器

謝哲偉, 清華動機博士論文, 2002

(31)

光衰減器

M.-L. Tsai, J. Hsieh, C.-C. Chu, and W. Fang, IEEE Optical MEMS’02, 2002

-62-

靜電平板槓桿放大致動器靜電平板槓桿放大致動器

H.

H.--Y. Lin, H. Y. Lin, H. HuHu, and W. Fang, , and W. Fang, TransducersTransducers’’0101, Munich Germany, 2001, Munich Germany, 2001

(32)

H.

H.--Y. Lin and W. Fang, the Y. Lin and W. Fang, the ASME IMECE, ASME IMECE, Orlando, FL, 2000Orlando, FL, 2000

(33)

Scratch Drive Actuator (SDA) Scratch Drive Actuator (SDA)

(a)

(b)

(c) (突塊)

SDA 結構之主體為摻雜磷的多晶矽平板以及位於平板前端的突塊(bushing)，而 支撐樑的作用則為使結構得以懸浮於矽晶片表面，驅動系統部分的上電極為結構本身，下電極則為低阻值的矽晶片，兩者中間有絕緣層。

-66-

以輸入之電壓訊號為方波脈衝時為例，假設脈衝之峰值為± Vp，當電壓上升(由0 至Vp) 時，平板受靜電力的作用而往下被吸附，因突塊的存在使得平板不會全部與基材上的絕緣層接觸，此時平板以突塊為支點呈現翹曲

(warping) 的狀態，能量暫時以形變能的形式儲存，如圖(a) 所示。當電壓

下降(由Vp 至0)，所儲存的形變能逐漸被釋放，平板試圖回復其初始形狀

。此時平板與基材接觸的區域減小，圖(b) 中之L

₁

即為平板與基材接觸部分之長度。由於突塊仍與基材表面接觸而有摩擦力存在，因此平板末端部分將以突塊為支點而往前收縮。當電壓再度上升(由0 至–Vp)，平板再次往下被吸附，因平板末端部分與基材間的距離較小，故較先被吸附至基材表面。因平板的變形將導致突塊的頂端往前推擠，突塊將沿著基材表面滑移，如圖(c) 所示。持續此一步進式運動(step motion)，則SDA 可在矽晶片表面移動一長距離之行程。

SDA 的動作原理 SDA 的動作原理

(34)

T. Akiyama, Sophia Univ.,1992

吳嘉昱, 清華動機碩士論文, 2002

Capacitive Sensing Capacitive Sensing

ε₂

(35)

A : area of the electrode d : gap of the electrode

d C = ε A

ε

: permittivity of the dielectric

1. MEMS Gap-tuning Capacitors (1) Electrostatic tuning

(2) Electro-thermal tuning (3) Piezoelectric-actuator tuning 2. MEMS Area-tuning Capacitor

3. MEMS Dielectric Tunable Capacitor

Capacitive sensing using MEMS device Capacitive sensing using MEMS device

-70-

Quality factor Quality factor

Definition :

loss/sec.

energy

stored energe average

ω

= Q

Q is a measure of the loss of a microwave circuit.

1

s s

Z R j L

ω

C

ω

⎛ ⎞

= + ⎜⎝ − ⎟⎠ C Ls Rs

A discrete capacitor series model:

Assumption :

Impedance:

( )( ) s s

R L C Z

Q Z ω ω1

Re

Im −

=

CR

s

Q ω

≅ 1

∴

L_s C

ω <<ω¹

Gabriel M. Rebeiz, "RF MEMS", 2003

(36)

Top view 2 × 2 capacitor array

1. MEMS Gap

1. MEMS Gap- -tuning Capacitors: tuning Capacitors: Electrostatic Tuning Electrostatic Tuning- -(1) (1)

d C V

Spring k

Fixed plate Suspended

plate

Darrin J. Young, et al, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1996

Electrostatic Tuning

Electrostatic Tuning- -(2) (2)

(37)

Electrostatic Tuning Electrostatic Tuning- -(3) (3)

Maher Bakri-Kassem , et al.

-74-

Electro

Electro- -Thermal Tuning Thermal Tuning- -(4) (4)

Kevin F. Harsh, et al.

(38)

Piezoelectric

Piezoelectric- -Actuator Tuning Actuator Tuning- -(5) (5)

Jae Y. Park, et al.

2. MEMS Area

2. MEMS Area- -Tuning Capacitors Tuning Capacitors- - (1) (1)

(39)

tuning ratio 31:1

MEMS Area

MEMS Area- -Tuning Capacitors Tuning Capacitors- - (2) (2)

H. D. Nguyen, et al.

-78-

3. MEMS Dielectric Tunable Capacitor 3. MEMS Dielectric Tunable Capacitor

Jun-Bo Yoon, et al. [8]

Minimum capacitance

Maximum capacitance

• Q factor = 290

• Dielectric layer: Si

3

N

4

• permittivity: 6-9

(40)

good high

large μmachined

tunable capacitor

bad low

small Solid state varactor

Linearity Q factor

Tuning range Tunable capacitor

lowest -

lowest Gap-tuning

(electrostatic)

- highest

highest Movable dielectric

highest -

- Area-tuning

Cost Q factor

Complexity Tuning types

新型微機械式可變電容之設計與製作新型微機械式可變電容之設計與製作

A novel design and fabrication of

A novel design and fabrication of micromachined micromachined tunable capacitor

tunable capacitor

Spring k

Fixed plate Suspended

plate

d Fe

Fm

y

0

ε εr

ε ^V

Cdi +

0

i r

C ε ε lw

= ε

+

Initial capacitance

l

d₁

d₂

w

Upper electrode Movable structure Lower electrode

(41)

lower electrode

upper electrode sacrificial layer SU-8 structure

3- 3 -D schematic entire view D schematic entire view

Before release After release

-82-

Fabrication process Fabrication process

(a) Thermal SiO₂&

Lower electrode (Ti/Au)

(b) Sacrificial layer (PR)

(c) SiO₂deposition

(d) SU-8 patterns

(e) Upper electrode (Cu/Ni)

(f) Structure released

(42)

Confirmed device fabrication Confirmed device fabrication

Top view Enlarge a part of the device

致動原理致動原理 -壓電式 - 壓電式

利用壓電材料的逆電壓效應，外加電壓而產生形變，將電能轉換成機械能。V →ε

優點

◎反應速度極佳

◎出力大

◎穩定的微小位移輸出缺點

◎與IC製程不合

◎不易製作成微米尺寸

(43)

-86-

致動原理– 致動原理 –壓電式壓電式

壓電薄膜微懸臂樑致動器之結構示意圖

(44)

致動原理– 致動原理 –壓電式壓電式

(a) Operation principle of a piezoelectric- actuated continuous droplet generator.

(after Buchner et al., 1997.)

(b) Operation principle of a piezoelectric- actuated droplet-on-demand droplet generator. (after Lee et al., 1984.)

致動原理– 致動原理 –壓電式壓電式

(45)

致動原理– 致動原理 –壓電式壓電式

(DENSO CORPORATION, 1997)

Tube Inspection Robot

-90-

(46)

致動原理- 致動原理 -熱伸長式熱伸長式

利用溫度變化而產生形變 △L= α L △T

優點

◎出力大

◎可採電流輸入，使用容易

◎製作容易，與IC製程相合

◎配合機構（如雙層結構)，易放大位移量

◎尺寸及精度要求不高

缺點

◎易有殘留應力及sticking的問題

◎易受環境溫度影響

◎溫度太高，會融化或產生永久變形

◎反應速度低

Features :兩層材料不同熱膨脹係數，△L= α L △T 垂直運動

Bimorph Beam

熱伸長式熱伸長式 – – 垂直運動垂直運動

(47)

應用- Ciliary motion

Fujita, J. MEMS, 1993

熱伸長式熱伸長式 – – 垂直運動垂直運動

-94-

熱伸長式熱伸長式 – – 垂直運動垂直運動

z

應用- Micro cage

C. J. Kim, UCLA

(48)

Active component

Active component - - Electrothermal Electrothermal actuator actuator

zMono layer –long life time

zBi-direction (DC mode)

zHigh frequency (AC mode)

致動原理– 致動原理 –熱伸長式熱伸長式

z

水平運動-粗細(冷熱)臂式

Guckel e.t al., 1992

Features :兩臂等長不等寬，△L= α L △T

Direction of motion

Hot arm Cold arm Dimple Gap

Flexure

(49)

熱伸長式– 熱伸長式 –水平運動水平運動

z

長短臂式

(Pan and Hsu J. Micromech. Microeng., 7, (1997 ), 7-13)

Features : 兩臂等寬不等長， △L= α L △T

Initial open state

Initial close state

-98-

z

曲臂式

Y. B. Gianchandani, J. MEMS, 10(2), 2001

熱伸長式– 熱伸長式 –水平運動水平運動

Features :利用斜角，放大位移

Basic Bent Beam Actuator

A rotary actuator based on orthogonal cascaded bent-beam elements.

(50)

利用彎曲或是挫曲來放大熱形變量利用彎曲或是挫曲來放大熱形變量

Thermal

Thermal- -Buckling Actuation Buckling Actuation

(51)

-102-

側向作動型陣列微致動器之應用

(52)

優點

◎出力大

◎可採電流輸入，使用容易

◎加熱電阻製作容易，與IC製程相合

缺點

◎密封問題

◎易受環境溫度影響

◎溫度太高，會融化或產生永久變形

◎需與結合技術配合

◎反應速度低

利用加熱介質(如空氣或液體)，使介質體積變化而產生驅動力。

致動原理– 致動原理 –加熱式加熱式

微蒸汽機Micro Steam Engine

(Sandia National Lab.)

(53)

致動原理– 致動原理 –加熱式加熱式

氣泡式噴墨印表頭

Thermal Bubble Inkjet Head (Tseng et al, UCLA, 1998) Droplet ejection

Tail cutting

Commercial Inkjet Microinjector

HP 51626A Printhead

Nozzle: 60 μm Droplet: 50 μm Frequency: 8 kHz

Nozzle: 40 μm Droplet: 45μm Frequency: 18 kHz Fastest one Nozzle: 10 μm Droplet: 12 mm (0.9pl) Frequency: 33 kHz Speed: 10 m/s Fastest one in market

Nozzle: 20 μm Droplet: (5 pl) Frequency: 12 kHz Speed: 10 m/s

-106-

(54)

Pneumatic

Pneumatic microgrippers microgrippers

Pneumatically microgripper

Ref: Sebastian Butefisch et al., Sensor and Actuator A, 2002

Pneumatically microfinger

Ref: C. J. Kim et al., Transducers ’03, 2003

(55)

記憶合金(SMA)受熱或冷卻，可從變形狀態恢復到初始幾何形狀，而產 生位移及驅動力。

優點

◎出力大

◎可用小電流驅動，使用容易

◎對人體無毒性傷害

◎機構安靜、簡單，容易設計

缺點

◎與IC製程不相合

◎精度較差

◎製作微米尺寸不易

◎反應速度低

◎應變回復特性會因疲勞而降低

致動原理致動原理 –記憶合金 – 記憶合金

-110-

致動原理致動原理 – – 記憶合金記憶合金

SMA microarm (Yamaguchi University, 1993)

SMA made of TiNi Austenite tem.

T

_Af

= 57℃

Martensite temp.

T

_Mf

= -9.1 ℃

(56)

Thermal

Thermal microgrippers microgrippers

Shape memory alloy(SMA) of microgripper

Ref: Abraham P. Lee et al., Sensors and Actuators A, 1996

TiNi SMA microgripper

Ref: I Roch et al., J. Micromech. Microeng., 2003

(57)

Thermal driven, SMA actuation: (TiNi actuation membrane, polyimide check valve, 5 wafer stack, flow rate 50 μl/min at 0.9 Hz with 0.6V, 0.9 A pulse (0.54 W).

SMA

SMA micropump micropump

-114-

Small Diameter Active Catheter Using Shape Memory Alloy Small Diameter Active Catheter Using Shape Memory Alloy

(Y. Haga, Y. Tanahashi, and M. Esashi, 1998)

(58)

(59)

利用電磁交互作用產生力量優點

◎適合在毫米(millimeter)尺寸下用

◎能量密度高

◎可在惡劣環境工作

◎包裝較容易缺點

◎與IC製程不合

◎電能損耗較高

◎電流控制較難

電磁式微致動器具有出力大、行程廣、消耗功率低、批次生產等優點，非常適合於厘米級到微米級的致動元件。目前所發展的電磁式微致動器，係結合高深寬比平面線圈、高磁能積厚膜磁鐵與 功能性隔膜 (diaphragm)等關鍵元 件，且整合 LIGA-like 、蝕刻、

對準、接合等製程技術。

應用(Application)

z微繼電器(microrelay)

z微致動器(microactuator)

z微光開關(optic switch)

z微幫浦(micropump)

致動原理致動原理 – – 電磁式電磁式

-118-

德國IMM公司以LIGA技術製造直徑2mm的馬達，用於內視鏡。

1995年某公司訂購2000個。

(60)

致動原理致動原理 – – 電磁式電磁式

A three-phase step motor with 6 stator poles and 4 rotor poles by LIGA process

(Univ. of Wisconsin-Madison, 1993)

(61)

致動原理致動原理 –電磁式 – 電磁式

Magnetic valve. (Flik, G. et al.,1994)

-122-

致致動動原原理理

｜｜

電電

磁磁

式式

(62)

Magnetic

Magnetic microgrippers microgrippers

Nickel structure of microgripper

Ref: F. Yi et al., Microsystem Technologies, 2000

Electromagnetic microgripper and a sea urchin egg gripping test

Ref: Suzuki et al., IEEE, 1996

Rotary

Rotary micropumps micropumps

Magnetically driven. Through mode plating 81% Ni and 19% Fe. 200- 500 mA and 3 V driving (0.6-1.5 W). Flow rate 24 μl/min at 5k RPM and pressure 10 kPa.

國立台灣師範大學 機電科技學系

微致動器原理與應用技術 微致動器原理與應用技術

Principle of Microactoator and its Applications

楊 啟 榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電科技學系

綱 綱 要 要

微致動器的定義與發展演進

微致動器原理與應用

靜電式致動器

壓電式致動器

熱電式致動器

介質加熱式致動器

形狀記憶合金式致動器

電磁式致動器

其他致動器

感測與致動原理 感測與致動原理

感測器 感測器

致動器 致動器

將一物理量(力、位移、角度、振動、音波、流量、溫度)或化學量(

電性輸出，如將力、位移或角度的變化轉變成電壓、電容或電阻的 變化量。

與感測器相反，將某一種能源作為輸入，產生物理量的變化，如引 擎、馬達。

致動器的角色 致動器的角色

例：電風扇 例：電風扇

例：冷氣 例：冷氣

致動器 actuators

致動器 actuators

感測器陣列 sensors array

感測器陣列 sensors array

微處理器 microprocessor

微處理器 microprocessor

輸入/輸出 input/output

輸入/輸出 input/output

微系統應用晶片模組

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖 微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件 整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

Micro actuators in nature Micro actuators in nature

微致動器的定義與發展演進 微致動器的定義與發展演進

固態開關 固態開關 vs. 機械開關 vs. 機械開關

機械微小化或薄膜化所提升的性能 機械微小化或薄膜化所提升的性能

微機械元件性能優於固態元件之處 微機械元件性能優於固態元件之處

Digital Mirror Display

Digital Mirror Display (DMD) (DMD) / Digital Light Processing / Digital Light Processing (DLP) (DLP)

何謂微致動器 何謂微致動器? ?

驅動元件能達到微米(μm) 之運動精度精度

驅動元件之尺寸在微米級 (1-1000 μm)

微致動器為MEMS中驅動力的來源，亦是MEMS由靜態電子系統

或感測系統，轉化為動態機電系統的樞紐。因此在整個MEMS發

展的過程中，佔有主導及關鍵的地位。

Feynman

Feynman’ ’s Challenge s Challenge

Transistor by Bell Lab 1947

Integrated circuit by Kilby 1958

Mini motor by McLellan 1960

Silicon pressure sensor 1962

Resonant gate transistor 1965

Silicon membrane 1966

1st commercial RAM (Intel, 256 bit) 1969

1971

Silicon pressure transducer 1973

Micro mirror 1975

MEMS發展歷史的演進 MEMS 發展歷史的演進

Gas chromatography 1975

Ink jet nozzle 1977

Micro-relay 1978

Micromachining named by Petersen 1982

LIGA by Becker et al 1982

Sacrificial layer 1983

Silicon mass flow sensor 1984

MEMS named after three work shops 1987

Electrostatic micro-motor 1988

Comb drive (1st linear microactuator) 1989

Micromachined accelerometer by Analog Device 1991

Electromagnetic micro-motor 1992

Digitial Mirror Device commercialized by TI 1996

微致動器運動的方式 微致動器運動的方式

動器和矽晶片表面的間隙不會改變。

面，微致動器和矽晶片表面的間隙會隨運動而改變。

(a) (b)

間距近接式直線運動靜電致動器 間距近接式直線運動靜電致動器

國立台灣師範大學機電科技學系

微致動器原理與應用技術微致動器原理與應用技術

楊啟榮博士

教授

國立台灣師範大學機電科技學系

綱綱要要

感測與致動原理感測與致動原理

感測器感測器

致動器致動器

電性輸出，如將力、位移或角度的變化轉變成電壓、電容或電阻的變化量。

與感測器相反，將某一種能源作為輸入，產生物理量的變化，如引擎、馬達。

致動器的角色致動器的角色

例：電風扇例：電風扇

例：冷氣例：冷氣

微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖微機電系統之訊號傳輸與致動控制架構圖

整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件整合感測器、致動器及電子電路的微機電元件

微致動器的定義與發展演進微致動器的定義與發展演進

固態開關固態開關 vs. 機械開關 vs. 機械開關

機械微小化或薄膜化所提升的性能機械微小化或薄膜化所提升的性能

微機械元件性能優於固態元件之處微機械元件性能優於固態元件之處

何謂微致動器何謂微致動器? ?

微致動器運動的方式微致動器運動的方式

間距近接式直線運動靜電致動器間距近接式直線運動靜電致動器

間距近接式扭轉運動靜電致動器間距近接式扭轉運動靜電致動器

致動基本原理致動基本原理

致動基本原理致動基本原理 (續 ( 續 ) )

致動基本原理致動基本原理 (續 ( 續) )

微致動器原理與應用微致動器原理與應用

致動原理致動原理 -靜電式 - 靜電式

^⋅ ⁼ ⁼ ε

Δ ∫ ^v ^v