Магнитные актюаторы систем контроля

Прежде всего следует сказать, что довольно часто микроустройства изготавливают при помощи гальванотехники, используя никель (это особенно характерно для LIGA технологии). А так как никель это ферромагнитный материал, то это стало первопричиной появления магнитных актюаторов. Вообще слово магнитный употреблять не совсем корректно, так как в этот класс микроактюаторов входят и электромагнитные, магнитострикционные актюаторы. Основным компонентом большинства магнитных актюаторов является тонкоплёночная структура пластины, которая поддерживает электролитический пермаллоевый участок, генерирующий механическую силу и вращающий момент при условии помещения его в магнитное поле. Эти актюаторы различаются по виду механической поддержки, которая расположена либо на консольных балках, либо балках кручения (см. рис. 2.25).

Структурные пластины и поддерживающие балки сделаны из поликристаллических тонких плёнок. Механизм активации проиллюстрирован, используя актюатор первого типа. Три величины L, W, T - это длина, ширина и толщина магнитного участка, соответственно. Консольная балка имеет длину l, ширину w, толщину t. Когда внешнее магнитное поле равно нулю структурная пластина параллельна плоскости подложки (рис 2.25).

Рис. 2.25. Устройство магнитного актюатора

Когда внешнее магнитное поле H_внеш, приложено нормально к плоскости структурной пластины, внутри пермаллоевого участка возникает вектор намагниченности М и он впоследствии взаимодействует с H_внеш. Взаимодействие создаёт вращающий момент (М_маг) и небольшую силу, воздействующую на свободный конец консольной балки при этом, заставляя её изгибаться.

Анализ квазистатических характеристик таких актюаторов предоставлен в следующих двух абзацах. Прежде всего, будет проанализирован магнитный момент и сила, которые появляются благодаря магнитному взаимодействию. После этого будет получено полное смещение.

При приложении внешнего подмагничивания, пермаллоевый материал рассматривается как материал, имеющий постоянный плоскопараллельный вектор намагниченности с величиной равной намагниченности насыщения М_нас.

Рис. 2.26. Расчетная схема магнитного актюатора

При помещении во внешнее магнитное поле генерируется две компоненты силы. Величина обоих, как F₁ (которая действует на верхнюю грань), так и F₂ (которая действует на нижнюю грань) рассчитывается следующим образом:

, (2.24)

, (2.25)

где H₁ и H₂ напряжённость магнитного поля на верхней и нижней грани пластины (в текущей конфигурации H₁ < H₂).

Величина H₁ и H₂ линейно зависит от соответствующего расстояния до поверхности электромагнитного источника. Структура пластины вместе с пермаллоевым участком имеет толщину T+t. Её момент инерции, I, пропорционален (T+t)³ и он намного больше по сравнению с моментом инерции консольной балки, которая имеет толщину t. Пластина структуры, вместе с пермаллоевым участком, таким образом, рассматривается как твёрдое тело. Основываясь на этом предположении систему сил, упрощают, перемещая F₁ до совмещения с F₂. Результатом является вращающий момент, действующий против часовой стрелки и сосредоточенная сила, воздействующая на нижнюю грань структурной пластины. Этот результат можно представить как:

, где F = F₂ - F₁ (2.26)

Вращающий момент всегда стремится уменьшить полную энергию в системе актюатора, выравниванием вектора намагниченности с силовыми линиями внешнего магнитного поля. Фотография магнитного микроактюатора, полученная на сканирующем электронном микроскопе, представлена на рис 11 (a-вид сверху, b-в перспективе).

а)

б)

Рис. 2.27. Общий вид и применение магнитных актюаторов

Примером магнитного микроактюатора другой конструкции может служить линейный мотор, показанный на рис 2.27. Магнит, расположенный в канале, движется возвратно-поступательно при переключении тока в обмотках, то с одной, то с другой стороны канала. Ещё одним типом магнитного микроактюатора может быть микроактюатр запоминания формы.

Из анализа рисунка 2.28 видна общая проблема, связанная с магнитными актюаторами: обмотки двумерны (трёхмерные обмотки очень тяжело изготовить на микроуровне). Вдобавок ограничен выбор магнитного материала. Выбираются только те материалы, которые легко обработать на микроуровне, т.е получается, что не всегда материал магнита выбирается оптимально. Во многом из-за этого магнитные актюаторы потребляют большое количество энергии и рассеивают много тепла.

Рис. 2.28. Конструктивное расположение рабочих элементов магнитного актюатора

Следует также отметить, что для изготовления микроскопических компонентов (размером до нескольких миллиметров) электростатические устройства обычно выгоднее магнитных, однако при более больших размерах магнитные устройства превосходят электростатические.