Преобразование энергии

Цель микроактивации - это получение силы, которая могла бы производить механическое перемещение. Следовательно, разные принципы получения активации должны быть оценены согласно их работоспособности, т.е возможности использования механической энергии. По сравнению с электромагнитным преобразованием энергии, которое преобладает в традиционной инженерии двигательных механизмов, в микроактивации можно использовать множество разнообразных принципов, которые не имело смысла использовать по функциональным или по ценовым характеристикам в макротехнологии. Очевидно, что в микросистемной технологии возможность применения тех или иных материалов и реализации микроустройств в планарной технологии имеют фундаментальное значение. Начнём с фундаментального отношения: изменение накопленной энергии системы W является причиной появления силы F:

Если в дальнейшем предположить, что одно из двух состояний энергии равно нулю, тогда получаемая сила становится прямо пропорциональной накопленной энергии:

По этой причине, накопленная энергия и/или плотность энергии имеет ключевое значение для оценки работоспособности любого актюатора. Достижимые плотности энергии для разных форм сведены в таблице.

Форма энергии	Формула	Плотность энергии [Ws/m3]	Материал
Гравитационная	Сила гравитации ω=ρgh	103	Золото,h=5мм
Механическая	Кинетическая энергия ω=ρ/2υ2	104	Золото,υ=1 м/с
Электрическая	Энергия электрического поля ω=0,5DE	4 ·105	E=3 ·105В/мм
Магнитная	Энергия магнитного поля ω=0,5BH	106	B=1,6T
Механическая	Сила упругости ω=0,5σε	107	Кремний, предел прочности
Тепловая	Фазовый переход ω=ρ∆h	2 ·107	Вода,парообразование
Биологическая	Энергия клеток	6 ·107	ATPADP
Тепловая	Теплоёмкость ω=ρсp∆T	108	Кремний, ∆T=60 К
Химическая	Гальваническая батарея	109	Литиевая батарея
Химическая	Сжигание	1010	Бензин
Ядерная	Ядерное топливо	1015	Уран
Вес	ω=ρс2	1021

Так как любое преобразование энергии связано с потерями, то и работоспособность также пропорциональна коэффициенту полезного действия η, с которым одна форма энергии может быть преобразована в другую. Преобразование мощности, т.е работы сделанной за единицу времени, определяется по работоспособности и по времени, которое необходимо для получения и израсходывания запаса энергии. Этот временной интервал может быть оценен по временной константе, которая является характерной для конкретного принципа активации. Решение, какой принцип активации использовать, должно приниматься, учитывая достижимую плотность энергии, скорость изменения состояния (временная константа τ) и эффективность использования энергии η. В зависимости от этих величин мощность системы можно выразить следующим образом:

Если мы рассматриваем вращение вокруг фиксированной оси, как у мотора, тогда изменение угла необходимо рассматривать как:

Приведём пример для самых важных форм энергии: электрическая и магнитнная плотность энергии, w_c w_m соответственно, и полная энергия рассчитывается из соответствующих характеристик поля при помощи следующих интегралов:

Если параметры материала ε и μ постоянны, то плотность энергии вычисляется как:

Вышеупомянутые выражения предполагают, что запас энергии увеличивается с увеличением объёма, таким образом, мы имеем третью степень величины, которая характеризует размер λ, (например, м³) а когда мы имеем дело с силой, то у нас вторая степень (м²). Однако, так как в некоторых важных случаях достижимая плотность энергии также зависит от размера, то эта зависимость: третья степень величины характеризующей размер не всегда правильна. Для микросистем это приводит к такому важному факту: станут привлекательными для использования те принципы преобразования энергии, которые не соответствуют макродиапазону. Вообще связь между силой и величиной характеризующей размер может быть описана соотношением F~λⁿ. Типичные значения показателя степени n для разных принципов преобразования энергии сведены в таблице.

Эффект	Плотность энергии [Ws/m3]	Пересчёт силы F~λn с n	Константа времени [мс]	КПД η
Пьезоэлектрический	2 ·105	2	<< мех	0,3
Электромагнитный	105	от 2 до 4	<< мех	<0,01
Электростатический	104	2	<< мех	0,5
Биметаллический	106	2	<50	10-4
Термопневматический	<5 ·105	2	10	0,1
Сплавов, запоминающих форму	3,5 ·105	2	<50	0,01

Перечисленные принципы отличаются по достижимой плотности энергии, временной константе, и по выходу энергии. Эти соотношения определяют достижимую силу и плотность энергии. Типичная плотность энергии для основных принципов преобразования, используемых сегодня, лежит внутри диапазона w=10⁵-10⁶Вт с/м³. Однако, так как быстродействие, выраженное через временную константу, отличается сильно, то плотность энергии w/изменяется в более широком диапазоне. Плотность энергии распределена в диапазоне от 10^-6-10⁰Вт/см³, следовательно, гидравлические и пневматические актюаторы достигают самой высокой плотности энергии, можно даже сказать что не существует в микродиапазоне актюаторов с более высокой плотностью энергии. Годную к использованию механическую энергию получаем из произведения плотности энергии и коэффициента полезного действия. Эффективность (КПД) зависит от принципа действия и размера, следовательно в микродиапазоне некоторые принципы активации имеют одинаковую работоспособность.

Раздел Преобразование энергии составлен с использованием учебных материалов М. Каспера. [2].