| 信息技術領域高效與節能微電機技術動向
O引言
隨著信息技術的發達，多功能大容量的便攜式數碼及信息產品迅速普及，一個信息無所不包、無所不在的嶄新社會正在向我們快步走來。過去的信息產品，如手提電腦、音樂播放器等，多是電子產品，里面沒有多少可動部件，節電問題尚不明顯。但今后數碼相機、攝像機會進一步普及而且會大幅度微型化，能提供隨身服務的機器人也會逐步走進人們的生活，另外，車載以及助殘的機電產品也會目趨豐富。這些產品中主要是機械動作部件，節電問題隨即凸現。在消減c02排放，阻Jr地球氣候變暖的大背景下，人們總是希望用少量的能源儲備，長時間的使用微型化機電產品(特別是便攜式數碼信息產品)。
因此，低功耗、高性能微電機(特別是能做直接直線驅動的微電機，英文Act【1ator)如同低功耗傳感器一樣有著非常重要的應用意義。但在該研究領域人們較多關注低功耗傳感器的研究，
節能型微電機的研究則相對滯后。在微電機研究方面，以往國內外的注意力主要集中于提高電機功率及改善控制性能上，很少關注微電機的效率以及可靠性、穩定性方面的問題。
迄今為止微特電機的研究開發呈現出四個主要發展方向：1)低成本方向、2)大輸出力／力矩方向、3)高精度方向、4)微型化和節電型方向。前三個方向對功耗問題并不十分看重。例如，于半導體制造的超高精密定位系統，微創傷手術機器人等一般較少考慮效率問題。高效與節能的需求集聚在了微型化方向上。研究微電機技術必須要面對功耗與效率問題。
近年來在微電桃領域，壓電超聲電機、靜電電機等新原理電機的開發非常活躍。這是因為在特殊環境和微型化要求下，單純改進傳統電磁電機已不能滿足要求。本文重點介紹針對信息領域應用而開發的微小型電機(mm～cm級)在提高能量轉換效率以及節能方面的技術動向。
1國內外現狀
圖1表示了電磁電機和壓電電機在不同功率下的效率變化情況。由圖1可見，對于微小型電機(功率在30w以下乃至mw級)，電磁電機的效率顯著下降，而壓電電機的效率幾乎維持不變。因此從效率考慮，對于微電機而言，作為非電磁式的壓電電機比電磁式有明顯優勢。
1988年日本東京工業大學黑澤實和上羽貞行發表論文“行波型超聲電機的效率。利用摩擦傳力模型估算出行波型超聲電機的綜合電一機變換效率，旋轉型在50～70之間，直線型一般不超過20。盡管這是20年前的研究結論，但直到現在仍然有指導意義。從公布的產品樣本和樣機研究實驗數據看，壓電旋轉型超聲電機的效率一一般在40～50，直線型(包括駐波型和表面波型)則更低一些，一般在15以。
壓電直線微電機較為成功的機型是慣性沖擊式驅動器，目前已進入商業化。該類型驅動器主要用于微型數碼相機的光學調焦模塊，電有用于相機防手晃系統的商業應用。但它們需要在鋸齒或脈沖方波的信號下工作，不能發揮共振所特有的高效率特性。另外，由于保持力過小，其使用范圍非常局限。
為改善壓電直線微電機的效率，許多學者開展了研究。
日本慶應大學的前野隆司等提出了一種能減低傳動面摩擦損失的直線超聲電機高效率驅動
設計方法，設計方柱形振子的振動模態，使第1階和第3階縱向振動固有頻率比為1：3，并且使第1階縱向振動與第2階彎曲振動固有頻率一致。激發出振子的這三個模態后可以在振子驅動端產生較理想的振動軌跡。如圖2所示，在與滑塊接觸的傳動區有一段切向速度保持不變的平臺區域，從而比較好的克服了原來正弦信號縱向振動激勵時接觸區域切向速度波動大，前滑和后滑
嚴重的缺點。有效降低了摩擦損耗，使電機效率得以提高。
國2前野開發的目線超聲電機的切向速度和法向位移隨時間變化曲線
日本室蘭工業大學的青柳學等，使超聲電機振子的結構和振動模式單純化，利用LiNbO，單晶矩形板狀振子的各向異性，單相驅動。既非常有利于微小型化，又避開了利用雙模態復合的駐波型超聲電機在能量轉換上的種種缺點，提高電機的機電轉換效率。
此外，我國清華大學的周鐵英等把壓電陶瓷切變換能模式用于超聲電機的驅動，通過利用壓電陶瓷機電耦合較好的d]5模式，提高電機性能，改善換能效率”。德國Paderbom大學的wallaschek等把直線型超聲電機的振子兩端都做成驅動端，唰時驅動導軌，使振子兩端的振動能量都得到利用，為提高電機效率提供了利，新方法。上海大學的李朝東等開發了無需振子夾持機構的活塞式和推桿式壓電直線微電機，從而避免了振子的機械振動波在固定結構處的反射，對于改善效率是有益的探索。
但無論如何努力，壓電超聲電機在效率上的提高是十分有限的。鑒于壓電電機在能量轉換效率上的缺憾，新型換能原理的微電機不斷涌現。
利用流體動力作驅動源的功能流體驅動器近年來發展很快。所謂功能流體就是在施加電場或磁場時產生射流或發生明顯粘度變化的液體。可以很方便的構成微小化的簡單電機結構，功率密度大。應用電共役流體(Electro—conjugateF1uid：EcFl的DP—RE型微電機是其中較新的一種(圖3)，它具有高可靠性和節能的優點，在實驗室里已實現了20的高效率，經過努力還有望達到40的效
室|9] 高分子驅動器是能夠很好滿足微型化和低功耗要求的全新概念的驅動器。由于它很好的迎合了當今微小型電子機械系統，特別是航天器、機器人中的驅動裝置的迫切需求““而備受期待。最近該驅動器發展勢頭迅猛，性能進步很快，正接近于產品化。人們期待高分子驅動器能夠代替電磁電機和超聲電機在人造衛星中執行天線開合、太陽電池開合機械手操作等信息控制工作。
電活性紙(Electro—active Paper：EAPap)是美國諾福克州立大學最近研制出的仿生型撓性驅動器。它具有成本低、低電壓驅動、輸出變形量大、輕、功耗小的特點，發展前景看好。2影響效率的主要因素及今后的努力方向
壓電微電機是率先進入實用化的微電機，其他類型如高分子(人工肌肉)、功能流體等尚處于開發階段。因此這里討論的影響效率的主要因素皆以壓電型微電機為對象。作者認為以下四方面因素是制約微電機效率提升的主要因素：1)粘接劑和摩擦材料影響，2)壓電換能元件的漏電流和遲滯特性，3)振子的約束狀態和傳力界面上的振動驅動模式，4)振子機械結構形狀和尺寸
與壓電元件的匹配及封裝。
今后，微電機研究的核心內容主要是四個方面：能量轉換機理與電機設計、能量變換所使用的功能材料、加工制作與工藝技術、驅動和控制技術。其中隨著今后工藝技術的進步，壓電薄膜
將在微電機中發揮重要作用。另外，照顧到環境保護問題，無鉛化壓電元件將會取代目前普遍使用的PZT等材料，其特性需要深入把握并不斷改進。
參考文獻
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