UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI FACULTATEA DE ELECTRONICA TELECOMUNICATII SI TEHNOLOGIA INFORMATIEI REFERAT Micromotoare in tehnologia MEMS Student: EVA TEODORA-CORNELIA Grupa: 56 RC
1. INTRODUCERE Conceptul și fabricarea micromotoarelor este relativ nouă în domeniul ingineriei și câștigă treptat o atenție mai mare din partea oamenilor de știință, a inginerilor, a cercetătorilor și a producătorilor. Designul și prototipurile lor găsesc diverse aplicații în robotică, instrumente medicale și in diverse alte domenii. Pe măsură ce tehnologia și înțelegerea au avansat în domeniul micromascării, apar mai multe dispozitive complexe concepute și fabricate în întreaga lume. O zonă a tehnologiei micro care a înregistrat o creștere considerabilă în ultimul timp a fost în domeniul sistemelor microelectro-mecanice (MEMS) care cuprinde o mare varietate de dispozitive care combină sistemele microelectronice cu structuri mecanice pentru a face munca într-un mod care nu a fost niciodată posibil. Micromotoarele MEMS sunt actuatori de rotatie, caracterizate prin dimensiunile lor de milimetru, compatibilitatea fabricării cu tehnicile de prelucrare standard micro. Micromotoarele sunt utilizate recente in dezvoltarea mașinilor electrice deoarece oferă un cuplu mai mare la viteze mici. În comparație cu motoarele electromagnetice convenționale, ele sunt foarte compacte în mărime și componentele acestora sunt în intervale de micrometru (μm). Miniaturizarea sistemelor este necesară în aerospațiale, sateliți, aeronave, automobile, marine și aplicații biomedicale, unde greutatea și dimensiunea sunt importante. Putem integra rețele de subsisteme care manipulează sau controlează la scară mică. Acestea sunt microsisteme, și au fost posibile din cauza unor invenții precum microelectronica; VLSI și MEMS (Micro Electro Mechanical System). MEMS sunt structuri 3D, care implică componente mecanice mobile și materiale electronice. Ele sunt economice, consumă mai puțină putere și sunt mai rapide, mai fiabile și mai exacte. Ele permit complexe și versatile funcții. În ultimul deceniu, s-au cheltuit multe eforturi în domeniul MEMS. Unul dintre domeniile majore de aplicații sunt micro-motoarele în care se dorește reducerea acestora dimensiuni. Ei găsesc aplicații în micro robot, sisteme de focalizare a obiectivelor în camere, în camere de supraveghere video, in ingineria biomedicala si aerospatiala. În aceste aplicațiile, cerințele importante ale motorului sunt cuplul ridicat la turații reduse, auto-blocare, reducerea inerției rotorului, funcționarea silențioasă și greutatea redusă. Micromotoarele sunt de diferite tipuri pe baza vitezei și caracteristicile cuplului. Motoarele electromagnetice și electrostatice sunt voluminoase și greutate datorită prezența cutiei de viteze pentru mișcarea rotativă. De asemenea, oferă un cuplu redus și viteză redusă. Pe de altă parte, motoarele piezoelectrice au o serie de avantaje. Ele sunt mici și compacte oferă o forță mai mare si cuplu mai bun. Aceste trei dispozitive includ micromotoare cu inducție electrică, micromotoare electrostatice și micromotoare piezoelectrice. 2
2. CLASIFICARE 2.1. MICROMOTOR CU INDUCTIE ELECTRICĂ Î n cadrul fiecăruia dintre aceste trei subseturi de micromotoare există încă mai multe subcategorii. Micromotorul de inducție electrică este unul dintre primele tipuri de micromotoare fabricate folosind tehnici de microprelucrare. Această clasă de micromotoare se caracterizează prin utilizarea inducției electromagnetică între două substanțe; statorul, la care este aplicat semnalul de conducere, și rotorul, asupra căruia se acționează de către câmpul statorului pentru a induce un cuplu rotativ. În acest sens, micromotoarele de inducție împărtășesc foarte mult cu verișorii lor mai mari care se găsesc în fiecare casă și în orice cadru industrial și de afaceri. În cel mai general sens, statorul are o colecție de conductori care atunci când excitat cu semnale DC de impulsuri, produce un câmp electromagnetic care se rotește prin structura rotorului. În unele cazuri (există multe moduri de a realiza acest lucru), acest câmp electromagnetic rotativ interacționează cu rotorul pentru a crea un cuplu pentru a întoarce ieșirea motorului. Figura 1 - Structura și funcționarea micromotorului de inducție electrică microfabricat. Una dintre caracteristicile cele mai unice ale micromotorului de inducție este capacitatea sa de a funcționa nu numai ca motor, ci și ca un generator, deschizând posibilități de generare a energiei mobile la scară redusă. Lipsa oricăror componente electrice active pe rotor elimină nevoia de perii electrice care, la rândul lor, scad uzura motorului, oferind micromotoarelor de inducție unul dintre cele mai lungi durate de viață ale tehnologiilor MEMS. Unele limitări privind funcționarea micromotoarelor de inducție le limitează utilizarea. În primul rând, aceste dispozitive sunt cele mai mari dintre cele trei familii de micromotoare. Utilizarea materialelor magnetice și a înfășurărilor scade puterea pe unitatea de volum a motoarelor de inducție. De asemenea, acestea necesită în mod obișnuit o tensiune ridicată la stator, în unele cazuri de 300V și frecvențe de până la 2 MHz. Acest lucru poate face controlerul motorului mai complicat de implementat. Frecvența statorul trebuie să fie ridicată pentru ca motorul să 3
funcționeze corespunzător, determinând motorul să funcționeze la un RPM destul de mare. Aceasta duce la necesitatea, în cazul multor modele, de adăugare a unui alt grad de complexitate in procesului de fabricare. Aceste micromotoare sunt compatibile cu tehnici de microprocesaare cu câteva excepții pentru tipurile de rotoare cu magnet permanent, care de obicei necesită un ansamblu mecanic. 2.2. MICROMOTORUL ELECTROSTATIC Motoarele electrostatice sunt dispozitive cu cuplaj de încărcare care se bazează pe forța atractivă a încărcăturilor electrice opuse pentru a induce un cuplu rotorului, motiv pentru care această clasă de dispozitive este denumită și micromotoare cu capacitate variabilă. Ele au o constructie oarecare mai simplă în comparație cu micromotoarele de inducție, constând dintr-o serie de electrozi care alcătuiesc statorul și un rotor care rămâne conectat la sol prin rulment. Un val pătrat cu mai multe faze excită stâlpii statorului, mărind sau micșorând localul încărca. Această diferență de sarcină acționează fie pentru a atrage, fie pentru a respinge rotorul împământat, transformând energia electrică în mecanică de mișcare. Aceste motoare vin într-o varietate de configurații dintre care cele mai frecvente sunt unitatea laterală și unitatea paralelă. Cu configurația laterală, stâlpii statorului sunt localizați pe partea rotorului, necesitând ca rotorul să aiba o formă polară. Altă configurație de antrenare constă din două plăci circulare paralele. Unul servește drept rotor și se poate roti liber și celălalt este alcătuită dintr-o rețea circulară de electrozi care rotesc rotorul ca un ventilator care conduce un pinion. Figura 2 - Micromotor cu câmp axial electrostatic. Deoarece forța dintre stator și rotor depinde numai de distanța dintre ele, micromotorul electrostatic este capabil să atingă densități de putere mai mari decât micromotor de inducție. Acest lucru permite micromotoarelor electrostatice să fie fabricate mult mai mici decât alte tipuri. Fabricarea acestor micromotoare este de 4
asemenea simplificată prin eliminarea nevoii de filme speciale și de materiale magnetice. Numai tehnicile obișnuite sunt necesare pentru fabricarea unuia dintre aceste motoare, inclusiv a microplacitelor de suprafață stratificate cu materiale comune, cum ar fi siliciul de și polisiliciul. La fel ca motoarele de inducție, micromotoarele electrostatici necesită de obicei o tensiune de conducere ridicată pentru a obține viteze practice și cuplu. 2.3. MICROMOTORUL PIEZOELECTRIC Micromotorul piezoelectric funcționează utilizând un fenomen accesibil exclusiv la nivelul micro; unde pe rotor se plimba undele flexibile de pe stator, creand efectul piezoelectric. Aceste motoare constau în mod obișnuit dintr-o placă rotoră pe un rulment care intră în contact fizic cu placa stator paralelă cu rotorul. Statorul este fie fabricat din, fie atașat la un material care prezintă reacții puternice la efectul piezoelectric, unde prin structura cristalină a substanței se deformează într-o câmp electric. Multe dispozitive de ultimă oră utilizează un compus numit leadzirconatetitanat (PZT) ca stratul de membrană elastic al piezoelectricului. Deformările de suprafață sunt controlate în așa fel încât undele se propagă în jurul suprafeței statorului în timp ce este în contact cu rotorul. Frecarea între rotor și undele de îndoire este tradusă în cuplu care rotește rotorul în direcția opusă a propagării valurilor. Elementul mecanic unic al micromotorului piezoelectric este modul în care este rotorul acționat prin frecare între valurile de suprafață ale statorului și rotorul însuși. Acest lucru implică faptul că rotorul nu trebuie să aibă caracteristici electrice deloc, spre deosebire de celelalte două tehnologii, care la rândul lui simplifică procesul de fabricare. O alta caracteristica unica a rotorului acționat prin frecare este faptul că pierderile de rotație datorate frecării sunt foarte scăzute. La micromotoarele cu inducție și electrostatică, orice frecare pe lagăr are un efect direct și dăunător asupra puterii de ieșire a motorului; ceva care nu apar cu motorul piezoelectric. Raportul de cuplu mareviteză al rotorului acționat prin frecare elimină nevoia de angrenaj, simplificând de fapt fabricarea motorului. Chiar mai multă libertate în alegerea materialelor este disponibilă deoarece nu există cerințe electrice pentru rotor sau stator, dar întreaga structură este, de obicei, fabricată din siliciu și polisiliciu (pentru rulmenți) și orice material piezoelectric folosit pentru dispozitivul de acționare. Cea mai semnificativa limitare la micromotoare piezoelectrice este uzura mecanică a rulmentului de fricțiune dintre stator și rotor. Pentru a combate acest lucru, materiale mai durabile, cum ar fi cuprul și nichel sunt utilizate în fabricarea statorilor și rotoarelor pentru a încetini uzura și oboseala. 5
Figura 3 - Micromotorul piezoelectric. Pe măsură ce știința și tehnologia ce implicată micromotoarele se maturizează și este rafinată, oamenii de știință și inginerii se concentrează din ce în ce mai mult nu numai cum să facem aceste dispozitive, ci și ce să facem cu ele. Găsirea aplicațiilor viabile pentru micromotoare nu necesită a un salt uriaș în imaginație, deoarece lucrurile ca robotica miniaturizată și alte mașini ne vin imediat în minte. O aplicarea în telecomunicații utilizează un micromotor electrostatic cu o oglindă lustruită montat perpendicular pe câmpul rotorului într-un comutator optic. Motorul electrostatic permite ca poziția rotorului să fie controlată precis lăsând oglinda să fie poziționată pentru a reflecta un fascicul optic dintr-un port în altul. O altă aplicație care implică optica este într-un tip nou de microscanner de difracție de grilaj. Apelul major pentru aplicațiile optice este cantitatea de dispozitive care pot fi produse în același timp. Dispozitivele optice cu micromotor pot deveni omniprezente în domeniul comunicațiilor și al calculatoarelor transmisia de date optice de fibre se deplasează mai departe în masa. Indiferent de locul în care aceste dispozitive își fac apariția în primul rând piața de consum, căutarea de noi aplicații va fi întotdeauna vitală pentru continuarea cercetării în micromotoare și dispozitive MEMS în general. 6
3. CONCLUZII Construcția miniaturizată a mașinilor electrice rotative prin tehnici de microfabricare devine o realitate. Tehnologia de fabricație aduce tehnicile necesare pentru fabricarea acestor dispozitive în masa pentru a umple lumea bunurilor de consum, de la motoarele pentru ceasuri de mână, la dispozitivele robotice de microscară pentru medicina si dincolo de acestea. Micromotoarele piezoelectrice în trepte se folosesc în aplicaţii chirurgicale (de exemplu la cuţitele inteligente cu reacţie sau la instrumentele de tăiat cu ultrasunete). Aparitia tehnologiilor de micro- fabricatie in ultimele decenii a dus la nasterea unui domeniu incitant si revolutionar numit tehnologia microsistemelor in Europa, sau Sisteme-Micro-Electro-Mecanice (MEMS) in Statele Unite si in alte parti ale lumii. Pentru MEMS, micro stabileste o scara dimensionala, electro sugereaza fie electricitate fie electronica(sau ambele), si mecanic sugereaza parti mobile de un anumit tip. Termenul MEMS a crescut in zilele noastre incat cuprinde domenii variate: termic, fluid, optic, biologic, chimic, magnetic si multe altele. Dispozitivele MEMS sunt in mod uzual produse utilizand tehnologii de procesare bazate pe litografie, in general descrise ca microthenologii in masa sau microtehnologii de suprafata, imprumutate din bine stabilitul proces tehnologic al circuitului integrat (IC). In microtehnologiile in masa, dispozitivele mecanice sunt realizate direct din materialul de substrat (ex: siliciu monocristalin), pe cand in microtehnologiile de suprafata, sunt realizate din straturi de materiale depuse pe suprafata superioara a substratului. Multi oameni in domeniul MEMS impartasesc aceasi credinta ca dinamicile structurale sunt foarte importante in proiectarea dispozitivelor MEMS si care furnizeaza atat oportunitati cat si provocari pentru cercetatorii din domeniu. 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. Micromotor se referă la motoarele cu tensiune nominală mai mică de 750 W și cu diametrul mai mic de 160mm. Ele sunt în general utilizate în sistemul de control sau sistem de transmisie mecanică pentru a testa, rezolva, amplifica, executa sau converti semnale electrice sau de putere. Acesta poate fi, de asemenea, utilizat ca sursă de alimentare AC/DC pentru echipamente. Acesta este aplicat în principal la telefoane mobile. 7
4. BIBLIOGRAFIE 1. http://oaji.net/articles/2015/7861435898780.pdf?fbclid=iwar1g9k5izzbxirbruwyried_pbhasxvv 3htRw6Ugiq6gQ_kHIWysuSmXKuQ 2. https://www.tsijournals.com/articles/design-and-simulation-of-mems-based-micromotors.pdf?fbclid=iwar3fgalooi1vazhwyx7asdthgm3wgj2zflm4wgd3w7fhqkxboxn6dj8fu 40 3. https://www.researchgate.net/publication/286330640_electromagnetic_micromotors- Design_Fabrication_and_Applications?fbclid=IwAR0IeplVFXTUz3TlI8LNiFfdJ5xD51a0u_ggEg68N vtwbky3vagfra1u_mc 8