[科普中國(guó)]-磁執(zhí)行器

磁執(zhí)行器可以分成洛侖茲力類型和雙極子類型。磁執(zhí)行器利用電磁或者永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。磁執(zhí)行器的形式很多：磁體可以分為永磁體和電磁。1

概念磁執(zhí)行器利用電磁或者永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)磁力的來(lái)源，磁執(zhí)行器可以分為洛侖茲力類型和雙極子類型。洛侖茲力類型是執(zhí)行器內(nèi)部的電流在外磁場(chǎng)(一般是固定磁場(chǎng))的作用下產(chǎn)生洛侖茲力對(duì)外輸出功率，一般不需要在微執(zhí)行器中集成磁性薄膜材料，制造比較容易；雙極子執(zhí)行器是執(zhí)行器內(nèi)部的磁材料在外部變化的電場(chǎng)下產(chǎn)生的作用力，需要制造磁性材料。根據(jù)執(zhí)行器的位移方向，磁執(zhí)行器可以分為間隙型和面積型，如圖1所示。間隙型執(zhí)行器的位移方向垂直于間隙，動(dòng)作過(guò)程中重疊面積不變。間距改變。面積型磁執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)方向與間距方向垂直，動(dòng)作過(guò)程中間距不變，重疊面積改變。在宏觀磁執(zhí)行器中，由于磁路間隙的磁阻遠(yuǎn)大于磁芯本身的磁阻，磁場(chǎng)能幾乎都集中在間隙處。在微型執(zhí)行器中，磁芯磁阻與間隙磁阻相當(dāng)，甚至大于間隙磁阻，因此磁場(chǎng)能分布在整個(gè)磁芯和間隙上。當(dāng)磁芯的磁場(chǎng)能和間隙的磁場(chǎng)能相等時(shí)，磁執(zhí)行器能夠輸出最大的能量和驅(qū)動(dòng)力。

硅和衍生材料不具有磁化性質(zhì)，但是由于這些材料不影響磁場(chǎng)(對(duì)磁場(chǎng)是透明的)，因此磁執(zhí)行器可以在硅結(jié)構(gòu)上制造磁性材料實(shí)現(xiàn)。微型磁執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)是作用距離大，能夠把微系統(tǒng)與宏觀世界聯(lián)系起來(lái)。在尺寸較大的情況下，磁執(zhí)行器具有較大的輸出能力。磁執(zhí)行器還可以在不對(duì)硅器件施加任何能量的情況下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，避免了襯底熱損耗。由于常用的MEMS材料對(duì)磁場(chǎng)是透明的，磁場(chǎng)能夠穿透介質(zhì)施加到被驅(qū)動(dòng)物體，因此磁驅(qū)動(dòng)可以用外部磁場(chǎng)對(duì)真空封裝腔內(nèi)的器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，避免使用直接的物理連線，這對(duì)真空封裝非常有利。使用磁性材料可以容易地實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)自鎖機(jī)構(gòu)．使驅(qū)動(dòng)過(guò)程只需要一個(gè)脈沖能量，保持過(guò)程不需要能量，降低驅(qū)動(dòng)功率。磁執(zhí)行器為電流控制的器件，通常驅(qū)動(dòng)電流為幾毫安以上，驅(qū)動(dòng)電壓可以低于1V。在無(wú)法使用高電壓的情況下、外界環(huán)境為導(dǎo)電流體．以及環(huán)境灰塵較多時(shí)，磁驅(qū)動(dòng)可以替代靜電驅(qū)動(dòng)。

由于磁場(chǎng)力與磁體的體積有關(guān)，隨著磁體尺度的縮小，電流密度隨之縮小，驅(qū)動(dòng)力急劇下降，下降速度超過(guò)了靜電執(zhí)行器的下降速度。多數(shù)磁驅(qū)動(dòng)器需要使用銅以及磁性材料(軟磁性、硬磁性、或者磁彈性材料)，不僅大多數(shù)材料對(duì)IC是污染的，而且磁性材料需要沉積厚膜(10～100 μm)以增大磁體體積，這對(duì)普通工藝也是比較困難的。盡管I。1GA技術(shù)可以制造較大體積的磁體，但是成本較高。另外．電磁驅(qū)動(dòng)中用到多種導(dǎo)體材料。在較大的電流通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳損耗并引起散熱問(wèn)題；磁器件需要很大的驅(qū)動(dòng)功率．要求較小的電壓和很大的電流，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率較低，而且大電流和高功率是和IC不一致的。在有些應(yīng)用中，磁場(chǎng)可能引起生物體的變性，限制了應(yīng)用范圍。

磁執(zhí)行器的形式很多：磁體可以分為永磁體和電磁，磁體材料包括坡莫合金和普通磁性材料，坡莫合金是一類由鎳鐵(70%Ni+30%Fe)組成的軟磁性材料，非常容易被磁化，各向異性較小，制造過(guò)程不能施加應(yīng)力和彎曲變形等。執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)分為懸臂梁結(jié)構(gòu)(輸出彎曲)和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)(輸出扭轉(zhuǎn))，輸出位移的方向可以為面內(nèi)或面外。通常磁體采用電鍍制造，輸出力矩為0.1~1nNm。2

磁執(zhí)行器的原理根據(jù)一些重要的磁執(zhí)行原理，可以利用磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生力、力矩或者微結(jié)構(gòu)的位移：驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)能作用在一蝗元件上，如載流導(dǎo)線、電感線圈、磁性材料或者磁致伸縮材料。

在此討論用于計(jì)算載流導(dǎo)線和磁化磁性材料之間的磁相互作用公式。

洛倫茲力執(zhí)行器利用了載流導(dǎo)體和外部磁場(chǎng)的相互作用—帶有電最為q的運(yùn)動(dòng)電荷受到的洛倫茲力為：

其是電荷的運(yùn)動(dòng)速度，力的大小為：

其中θ為速度和磁場(chǎng)之間的夾角(θ