ไมโครแอคชูเอเตอร์ : การออกแบบ การทำงาน ประเภทและการใช้งาน

โดยทั่วไป แอคทูเอเตอร์จะใช้แหล่งพลังงานในการเคลื่อนย้ายหรือควบคุมส่วนประกอบทางกล สิ่งเหล่านี้มักพบในเครื่องต่างๆและ มอเตอร์ไฟฟ้า . เป็นเวลาหลายปีที่อุปกรณ์ทางกลประเภทต่างๆ ได้รับการย่อให้เล็กลง แม้ว่าขั้นตอนนี้โดยปกติต้องการส่วนประกอบที่เล็กกว่ามากของแต่ละคน ในศตวรรษที่ 21 ไมโครแอคทูเอเตอร์ได้รับการพัฒนาโดยส่วนใหญ่ใช้กระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น ไมโครแมชชีนนิ่งและการพิมพ์หินเพื่อสร้างไมโครแอคทูเอเตอร์ บทความนี้กล่าวถึงภาพรวมของa ไมโครแอคชูเอโต r – การทำงานกับแอพพลิเคชั่น

คำจำกัดความของไมโครแอคชูเอเตอร์

กลไกเซอร์โวไมโครสโคปที่ใช้ในการจ่ายและส่งพลังงานที่วัดได้สำหรับระบบหรือการทำงานของกลไกอื่นเรียกว่าไมโครแอคชูเอเตอร์ เช่นเดียวกับแอคชูเอเตอร์ทั่วไป ไมโครแอคชูเอเตอร์ต้องเป็นไปตามมาตรฐานเหล่านี้ เช่น การสวิตชิ่งที่รวดเร็ว การเดินทางขนาดใหญ่ ความแม่นยำสูง ใช้พลังงานน้อยลง เป็นต้น แอคทูเอเตอร์เหล่านี้มีขนาดต่างๆ กัน ซึ่งแตกต่างกันไปตั้งแต่มิลลิเมตรจนถึงไมโครเมตร แต่เมื่อบรรจุแล้ว ก็สามารถบรรลุผลได้ ขนาดเต็มเป็นเซนติเมตร

เมื่อการเคลื่อนที่เชิงกลของของแข็งถูกสร้างขึ้น การกระจัดโดยทั่วไปของแอคทูเอเตอร์เหล่านี้มีตั้งแต่นาโนเมตรไปจนถึงมิลลิเมตร ในทำนองเดียวกัน อัตราการไหลทั่วไปที่สร้างขึ้นสำหรับแอคทูเอเตอร์เหล่านี้มีตั้งแต่พิโคลิตรหรือนาทีไปจนถึงไมโครลิตรหรือช่วงนาที แผนภาพ Microactuator แสดงอยู่ด้านล่าง

การก่อสร้างไมโครแอคชูเอเตอร์

รูปต่อไปนี้แสดงไมโครแอคชูเอเตอร์ความร้อนสามตัวที่ออกแบบแอคชูเอเตอร์วัสดุชีวภาพ แอคทูเอเตอร์บีมโค้งงอ และแอคทูเอเตอร์ดัด การออกแบบความร้อน ตัวกระตุ้น ด้วยวัสดุชิ้นเดียวที่สมมาตรเรียกว่าโค้งงอหรือรูปตัววี

แอคทูเอเตอร์แบบสองวัสดุประกอบด้วยวัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่างกันและทำงานอย่างเท่าเทียมกันกับเทอร์โมสตัทแบบไบเมทัลลิก เมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเนื่องจากฮีตเตอร์ฝังตัวในแอคทูเอเตอร์ ไมโครแอคชูเอเตอร์สามารถเคลื่อนที่ได้เนื่องจากความแปรผันภายในการขยายตัวที่เกี่ยวข้องกับความแปรผันภายในอุณหภูมิ

แอคทูเอเตอร์บีมโค้งงอประกอบด้วยขาที่ทำมุมซึ่งมีประโยชน์ในการขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน และให้กำลังและการกระจัดกระจาย ตัวกระตุ้นการดัดงอเป็นแบบอสมมาตรซึ่งรวมถึงแขนร้อนและแขนเย็น แอคทูเอเตอร์เหล่านี้รวมถึงขาที่ไม่สมมาตรที่โค้งงอกับพื้นผิวเนื่องจากการขยายตัวที่แตกต่างกันเมื่อถูกความร้อน

การทำงานของไมโครแอคชูเอเตอร์

หลักการทำงานของไมโครแอคชูเอเตอร์คือการสร้างการเคลื่อนที่เชิงกลของของไหลหรือของแข็ง โดยการเคลื่อนที่นี้เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนรูปแบบพลังงานหนึ่งไปเป็นพลังงานอื่น เช่น จากความร้อน แม่เหล็กไฟฟ้า หรือไฟฟ้าเป็นพลังงานจลน์ (K.E) ของส่วนประกอบที่เคลื่อนที่ได้ สำหรับแอคทูเอเตอร์ส่วนใหญ่ มีการใช้หลักการสร้างแรงที่แตกต่างกัน เช่น เอฟเฟกต์เพียโซ เอฟเฟกต์ bimetal แรงไฟฟ้าสถิต และเอฟเฟกต์หน่วยความจำรูปร่าง เช่นเดียวกับแอคชูเอเตอร์ทั่วไป ไมโครแอคชูเอเตอร์ต้องเป็นไปตามมาตรฐานเหล่านี้ เช่น การสวิตชิ่งที่รวดเร็ว การเดินทางขนาดใหญ่ ความแม่นยำสูง การใช้พลังงานน้อยลง เป็นต้น

แอคชูเอเตอร์เชิงกลประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟ หน่วยทรานส์ดักชั่น องค์ประกอบกระตุ้น และแอคชั่นเอาท์พุต

• แหล่งจ่ายไฟคือกระแสไฟฟ้า/แรงดันไฟฟ้า
• หน่วยแปลงสัญญาณแปลงรูปแบบที่ถูกต้องของแหล่งจ่ายไฟเป็นรูปแบบการกระทำที่ต้องการขององค์ประกอบกระตุ้น
• องค์ประกอบกระตุ้นเป็นส่วนประกอบหรือวัสดุที่เคลื่อนที่ผ่านแหล่งจ่ายไฟ
• การดำเนินการส่งออกโดยทั่วไปอยู่ในการเคลื่อนไหวที่กำหนด

ประเภทไมโครแอคชูเอเตอร์

ไมโครแอคทูเอเตอร์มีจำหน่ายหลายประเภทซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

• ไมโครแอคชูเอเตอร์ความร้อน
• MEMS ไมโครแอคชูเอเตอร์
• ตัวกระตุ้นไมโครไฟฟ้าสถิต
• เพียโซอิเล็กทริก

ไมโครแอคชูเอเตอร์ความร้อน

ไมโครแอคชูเอเตอร์ความร้อนเป็นส่วนประกอบมาตรฐานที่ใช้ในไมโครซิสเต็มส์ ส่วนประกอบเหล่านี้ได้รับพลังงานจากไฟฟ้าผ่านการให้ความร้อนแบบจูล หรือเปิดใช้งานด้วยแสงเลเซอร์ แอคทูเอเตอร์เหล่านี้ใช้ในการออกแบบ MEMS ซึ่งรวมถึงตัวกำหนดตำแหน่งนาโนและสวิตช์ออปติคัล ประโยชน์หลักของไมโครแอคชูเอเตอร์แบบใช้ความร้อน ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่น้อยกว่า การสร้างแรงในระดับสูง และความเสี่ยงต่อความล้มเหลวในการยึดเกาะน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าสถิต แอคทูเอเตอร์เหล่านี้ต้องการพลังงานมากขึ้นและความเร็วในการเปลี่ยนจะถูกจำกัดในช่วงเวลาการทำความเย็น

สำหรับการออกแบบและทดสอบไมโครแอคทูเอเตอร์เหล่านี้ ต้องมีการทำงานที่หลากหลาย ดังนั้นไมโครแอคทูเอเตอร์เหล่านี้จึงได้รับการออกแบบด้วยวิธีการผลิตไมโครแฟบริเคชั่นที่แตกต่างกัน เช่น การประมวลผลซิลิคอนบนฉนวนและไมโครแมชชีนนิ่งบนพื้นผิว การใช้งานของไมโครแอคทูเอเตอร์ส่วนใหญ่รวมถึงเครือข่าย RF อิมพีแดนซ์ที่ปรับได้ ไมโครรีเลย์ เครื่องมือทางการแพทย์ที่แม่นยำมาก และอื่นๆ อีกมากมาย

MEMS ไมโครแอคชูเอเตอร์

MEMS microactuator เป็นระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็กชนิดหนึ่งและหน้าที่หลักของมันคือการเปลี่ยนพลังงานเป็นการเคลื่อนไหว แอคทูเอเตอร์เหล่านี้รวมส่วนประกอบทางไฟฟ้าและเครื่องกลเข้ากับขนาดไมโครมิเตอร์ ดังนั้นการเคลื่อนที่ทั่วไปที่แอคทูเอเตอร์เหล่านี้ทำได้คือไมโครมิเตอร์ ไมโครแอคทูเอเตอร์ MEMS ส่วนใหญ่จะใช้ในการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น ตัวปล่อยคลื่นอัลตราโซนิก ไมโครมิเรอร์การโก่งตัวของลำแสงออปติคอล และระบบโฟกัสของกล้อง ดังนั้นไมโครแอคชูเอเตอร์ประเภทนี้ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อสร้างการโก่งตัวที่ควบคุมได้

ตัวกระตุ้นไมโครไฟฟ้าสถิต

หน่วยขับเคลื่อนไมโครแอคชูเอเตอร์ซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงไฟฟ้าสถิตเรียกว่าไมโครแอคชูเอเตอร์แบบไฟฟ้าสถิต ไมโครแอคชูเอเตอร์แบบไฟฟ้าสถิตกำลังกลายเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดในระบบคอมพิวเตอร์และการประมวลผลสัญญาณออปติคัล เนื่องจากมีความหนาแน่นสูง ขนาดเล็ก ใช้พลังงานต่ำ และความเร็วสูง โดยทั่วไป หลักการทำงานภายในระบบเหล่านี้สามารถอธิบายได้ว่าเป็นพลังงานดึงดูดจากไฟฟ้าสถิตซึ่งทำให้เกิดการปฏิวัติทางกล การแปลง หรือการเปลี่ยนรูปของแผ่นกระจก การควบคุมเฟส กำลัง หรือทิศทางของลำแสงเมื่อส่งผ่านทั่วพื้นที่ว่างหรือสื่อ

ในไมโครแอคชูเอเตอร์ประเภทนี้ หน่วยขับเคลื่อนแต่ละยูนิตจะมีอิเล็กโทรดคล้ายคลื่น ซึ่งอิเล็กโทรดเหล่านี้ถูกดึงและหุ้มฉนวนจากกันผ่านแรงไฟฟ้าสถิต การเสียรูปของแอคทูเอเตอร์ประเภทนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแรงไฟฟ้าสถิต แรงภายนอก และความยืดหยุ่นของโครงสร้าง

การเคลื่อนไหวของแอคชูเอเตอร์นี้ได้รับการวิเคราะห์ง่ายๆ ผ่าน FEM (วิธีไฟไนต์เอลิเมนต์) และโมเดลมาโครของแอคทูเอเตอร์นี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อตรวจสอบการเคลื่อนไหวของมัน ดังนั้นจึงได้รับการยืนยันแล้วว่าความสอดคล้องที่ชัดเจนของแอคทูเอเตอร์สามารถควบคุมได้โดยระบบควบคุมป้อนกลับโดยใช้การตรวจจับการเคลื่อนที่แบบคาปาซิทีฟและการขับไฟฟ้าสถิต

ตัวกระตุ้นไมโครเพียโซอิเล็กทริก

ไมโครแอคชูเอเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกมีชื่อเสียงมากและใช้บ่อยที่สุดในสาขาต่างๆ สิ่งเหล่านี้ได้รับการออกแบบโดยการติดตั้งองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกทับกัน เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกส่งไปยังทั้งสองด้านขององค์ประกอบเหล่านี้ พวกมันก็สามารถขยายตัวได้ แต่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนจึงซับซ้อนในการประกอบ Piezoelectric micro-actuator ใช้ในระบบควบคุมเซอร์โวที่แตกต่างกันเพื่อให้การวางตำแหน่งและการชดเชยที่แม่นยำเป็นพิเศษพร้อมศักยภาพ

โปรดดูที่ลิงค์นี้เพื่อทราบเกี่ยวกับa ตัวกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริก .

ข้อดีและข้อเสีย

ดิ ข้อดีของไมโครแอคชูเอเตอร์ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ประโยชน์ของไมโครแอคชูเอเตอร์แบบใช้ความร้อนคือแรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่น้อยกว่า การสร้างแรงสูง และความไวต่อความล้มเหลวในการยึดเกาะน้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแอคทูเอเตอร์ไฟฟ้าสถิต
• ไมโครแอคทูเอเตอร์มีจำหน่ายในขนาดที่เล็กกว่า โดยใช้พลังงานน้อยลงและระบบตอบสนองเร็วขึ้น

ดิ ข้อเสียของไมโครแอคชูเอเตอร์ รวมสิ่งต่อไปนี้

• ไมโครแอคชูเอเตอร์แบบใช้ความร้อนต้องการพลังงานมากกว่า
• ความเร็วในการเปลี่ยนของไมโครแอคชูเอเตอร์ความร้อนถูกจำกัดด้วยเวลาในการทำความเย็น

แอปพลิเคชั่นไมโครแอคชูเอเตอร์

การใช้งานของไมโครแอคชูเอเตอร์มีดังนี้

• ไมโครแอคชูเอเตอร์เป็นอุปกรณ์แอคทูเอเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้ในการผลิตการเคลื่อนที่เชิงกลของของเหลว/ของแข็ง การเคลื่อนไหวนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงรูปแบบหนึ่งของพลังงานเป็นรูปแบบอื่น
• ไมโครแอคทูเอเตอร์ใช้ได้กับไมโครฟลูอิดิกส์สำหรับระบบนำส่งยาในห้องปฏิบัติการและแบบฝัง
• เป็นกลไกเซอร์โวไมโครสโคปที่ส่งและจ่ายพลังงานที่วัดได้สำหรับการทำงานของระบบ/กลไกอื่น
• ไมโครแอคทูเอเตอร์ใช้สำหรับสร้างกระจกขนาดเล็กสำหรับโปรเจคเตอร์และจอแสดงผล
• MEMS ไมโครแอคทูเอเตอร์ส่วนใหญ่จะใช้ในการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น ตัวส่งสัญญาณอัลตราโซนิก ระบบโฟกัสของกล้อง และไมโครมิเรอร์การโก่งตัวของลำแสงออปติคัล
• แรงที่เกิดจากไมโครแอคชูเอเตอร์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จะใช้เพื่อสร้างการเสียรูปทางกลภายในวัสดุที่สนใจ

ดังนั้น ทั้งหมดนี้เกี่ยวกับ ภาพรวมของไมโครแอคชูเอเตอร์ ซึ่งสามารถทำงานของเครื่องมือทั่วไปภายในมาโครเวิร์ลได้ อย่างไรก็ตาม พวกมันมีขนาดเล็กกว่ามากและให้ความแม่นยำที่มากขึ้น ตัวอย่างไมโครแอคทูเอเตอร์ส่วนใหญ่รวมถึงออปติคัลเมทริกซ์สวิตช์ที่เก็บรวบรวมด้วยไมโครมิเรอร์แบบบิดซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงไฟฟ้าสถิต ไมโครแอคชูเอเตอร์ที่ใช้สำหรับการสแกนเสาอากาศไมโครเวฟ ไมโครแอคทูเอเตอร์ที่มีโลหะผสมหน่วยความจำแบบฟิล์มบาง และการประกอบโครงสร้างจุลภาค 3 มิติด้วยตนเองพร้อมไมโครแอคทูเอเตอร์ นี่คือคำถามสำหรับคุณ MEMS คืออะไร?