MEMS磁気アクチュエータ

MEMS磁気アクチュエータは、よく知られているローレンツ力方程式または磁気理論を利用して、微小電気機械システム(MEMS) を使用して電流を機械的出力に変換するデバイスです。

微小電気機械システム（MEMS）技術^{[1]は、特殊な}微細加工技術を使用して機械的および電気機械的デバイスまたは構造を構築するプロセス技術です。これらの技術には、バルクマイクロマシニング、表面マイクロマシニング、LIGA、ウェーハボンディングなど が含まれます。

デバイスが以下の条件を満たす場合、そのデバイスは MEMS デバイスとみなされます。

• 特徴サイズが 0.1  μmから数百マイクロメートルの間である場合。(この範囲より小さい場合はナノデバイスとなり、この範囲より大きい場合はメソシステムと見なされます)
• 動作に何らかの電気的機能がある場合。これには、電磁誘導、2 つの電極間のギャップの変更、または圧電材料による電圧の生成が含まれます。
• 装置に、応力や歪みによる梁やダイヤフラムの変形などの機械的機能がある場合。
• システムのような機能がある場合、デバイスはシステムを形成するために他の回路と統合可能でなければなりません。これは、デバイスが有用になるためのインターフェース回路とパッケージングになります。

すべてのMEMSデバイスの解析では、デバイスのサイズが現象（波または拡散）の特徴的な長さスケールよりもはるかに小さい場合、デバイス全体にわたって空間的な変化は発生しないという集中仮定が立てられています。この仮定の下では、モデリングは容易になります。^[2]

MEMS における 3 つの主要な操作は次のとおりです。

• センシング: 機械的入力を電気信号に変換して測定します。例: MEMS 加速度計や圧力センサー (電流センサーの場合のように電気信号も測定できます)
• アクチュエーション: 電気信号を使用して機械構造の変位 (または回転) を引き起こします (例: 合成ジェットアクチュエータ)。
• 発電: 機械的な入力から電​​力を生成する（例：MEMSエネルギーハーベスター）

これら 3 つの操作には何らかの変換方式が必要です。最も一般的な方式は、圧電、静電、圧電抵抗、電気力学、磁気、および磁歪です。MEMS 磁気アクチュエータは、最後の 3 つの方式を使用して操作します。

磁気作動の原理はローレンツ力方程式に基づいています。

${\displaystyle {\vec {F}}_{mag}=q{\vec {v}}\times B}$

電流を流す導体を静磁場内に置くと、導体の周囲に発生する磁場が静磁場と相互作用して力が発生します。この力を利用して、機械構造の変位を引き起こすことができます。

典型的なMEMSアクチュエータを右に示します。円形コイルの1回転の場合、その動作を支配する方程式は次のとおりです。^[3]

• 円形導体からのHフィールド:

${\displaystyle H(z)={\frac {Ir^{2}}{2(r^{2}+z^{2})^{3/2}}}}$

• 磁束密度の相互作用によって生じる力:

${\displaystyle F_{z}=B_{I}A_{mag}\int _{z}^{z+h_{mag}}{\frac {dHz}{dz}}dz}$

作動のための機械構造のたわみは、デバイスの特定のパラメータに依存します。作動には、加えられる力と復元力が必要です。加えられる力は上記の式で表される力であり、復元力は可動構造のバネ定数によって固定されます。

加えられる力は、コイルからの磁場と磁石の両方に依存します。磁石の残留磁気値、^[4]、コイルからの位置と体積はすべて、加えられる力への影響に寄与します。一方、コイルの巻き数、サイズ（半径）、およびコイルを通過する電流量は、加えられる力への影響を決定します。バネ定数は、可動構造のヤング率、およびその長さ、幅、厚さに依存します。

磁気作動は、ローレンツ力を使用して機械的変位を引き起こすことだけに限定されません。磁歪アクチュエータは、磁気の理論を使用して変位を引き起こすこともできます。磁場にさらされると形状が変化する材料は、信頼性の高いリニア モーターとアクチュエータの駆動に使用できるようになりました。
例としては、外部磁場に置かれると変形する傾向があるニッケル ロッドがあります。別の例としては、一連の電磁誘導コイルを金属チューブに巻き付け、その中に Terfenol-D 材料を配置します。コイルは、ステータ チューブに沿って連続する巻線に沿って波のように進む移動磁場を生成します。移動する磁場によって Terfenol-D の各断面が引き伸ばされ、磁場が除去されると収縮するため、ロッドは実際にインチワームのようにステータ チューブを「這い」ます。磁束の波が繰り返し伝播すると、ロッドはチューブの長さに沿って移動し、有効なストロークと力の出力が生成されます。材料によって生成される運動量は、コイル システムによって提供される磁場に比例し、これは電流の関数です。単一の可動部品を備えたこのタイプの動力装置は、弾性波または蠕動リニア モーターと呼ばれます。(表示: 磁歪マイクロ ウォーカーのビデオ)

• 高い作動力とストローク（変位）
• 直接的かつ完全に線形な変換（電気力学的作動の場合）
• 双方向作動
• 非接触リモートアクチュエーション
• 低電圧作動
• アクチュエータの性能指数は、ローターとステーターの間の隙間に蓄えられる磁場エネルギーの密度である。磁気駆動は潜在的に高いエネルギー密度を持つ^[5]

磁気アクチュエータの動作は、電磁石からの磁場と静磁場の相互作用に依存します。この静磁場を生成するには、適切な材料を使用することが重要です。MEMSでは、永久磁石が好まれています。これは、スケーリング係数が非常に優れており、外部磁場がない場合でも磁化が維持されるためです。つまり、使用中に継続的に磁化する必要がないということです^{[6] [7] [8] [9] [10]}

前述のように、MEMSデバイスは特殊な微細加工技術を使用して設計および製造されます。しかし、磁気MEMSの大きな課題は、磁石をMEMSデバイスに統合することです。^{[11] [12]}最近の研究では、この課題に対する解決策が示唆されています。

MEMS 構造上に磁石を製造する方法はいくつかあります。

• スパッタリング：材料にアルゴンイオンを照射して材料の粒子を放出します。主に希土類磁石の堆積に使用されます。堆積速度と膜表面積は、スパッタリングツールとターゲットサイズによって異なります。

• パルス層堆積法：高出力パルスレーザービームを真空チャンバー内に集束させ、堆積させる材料のターゲットに当てる。
• 電気メッキ
• スクリーン印刷
• ワックス/パリレン結合^{[13] [14] [15]}

• 高い電力消費。これは磁気MEMSにとって大きな問題ですが、これを回避するための研究が進行中です。^[16]
• コイルの製造
• マイクロマグネットのMEMSデバイスへの統合
• プロセスと材料の適合性
• 全体的な微細加工プロセスへの統合性（コストとスループットを維持）
• MEMSデバイスの製造における既存のプロセスが改ざんされないように、堆積温度と堆積後の処理/条件は許容できるものでなければなりません。また、マイクロマグネットは堆積後に行われるあらゆる化学処理に耐えられるものでなければなりません。
• 磁化に関する問題（磁化方向を複数にしたい場合、問題が生じる）^[17]

これらの課題は、適切な材料の選択、成形または製造方法の選択、および構築するデバイスの種類によって軽減または軽減できます。磁気アクチュエータの用途には、合成ジェットアクチュエータ、マイクロポンプ、マイクロリレーなどがあります。