MEMS微傳感器的工作原理(2)

1、微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的概念MEMS微執(zhí)行器原理框圖微執(zhí)行器：基于微執(zhí)行器：基于MEMS工藝的工藝的，能把電信號(hào)（電能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能等其它形式能量輸出的器件，通常由致動(dòng)元件和傳輸元件組成。 自1982年靜電微馬達(dá)的研制成功至今，對(duì)微執(zhí)行器的研究工作正在深入。設(shè)計(jì)執(zhí)行器的要求是在動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下能夠完成需要的動(dòng)作。因而，在涉及到運(yùn)動(dòng)的微型系統(tǒng)中執(zhí)行器十分重要。微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的概念微機(jī)械執(zhí)行器是組成微機(jī)電系統(tǒng)的要素之一。如，微機(jī)械執(zhí)行器是組成微機(jī)電系統(tǒng)的要素之一。如，力學(xué)執(zhí)行器是將電能或其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。力學(xué)執(zhí)行器是將電能或其它能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。理想的執(zhí)行器應(yīng)該是使用很少的能源，具有很高

2、理想的執(zhí)行器應(yīng)該是使用很少的能源，具有很高的機(jī)械效率，對(duì)機(jī)械狀態(tài)和環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)，的機(jī)械效率，對(duì)機(jī)械狀態(tài)和環(huán)境條件適應(yīng)性強(qiáng)，需要時(shí)能產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，具有高的能量需要時(shí)能產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，具有高的能量- -質(zhì)量比，質(zhì)量比，在控制信號(hào)與力、扭矩和速度之間呈線性比例關(guān)在控制信號(hào)與力、扭矩和速度之間呈線性比例關(guān)系。系。 微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的概念 與傳統(tǒng)執(zhí)動(dòng)器相比，微執(zhí)動(dòng)器的特點(diǎn)有與傳統(tǒng)執(zhí)動(dòng)器相比，微執(zhí)動(dòng)器的特點(diǎn)有微系統(tǒng)加速快、速度高；微系統(tǒng)加速快、速度高；僅需極小的驅(qū)動(dòng)力；僅需極小的驅(qū)動(dòng)力；隨元器件尺寸的微型化、熱膨脹、振動(dòng)等環(huán)境干擾因隨元器件尺寸的微型化、熱膨脹、振動(dòng)等環(huán)境干擾因素小。素小。微執(zhí)行器

3、的概念微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的特點(diǎn)微執(zhí)行器的特點(diǎn)微致動(dòng)器的分類(lèi)微致動(dòng)器的分類(lèi)l按致動(dòng)原理分按致動(dòng)原理分 靜電式微執(zhí)行器 壓電式微執(zhí)行器 熱力微執(zhí)行器 電磁式微執(zhí)行器 形狀記憶合金微執(zhí)行器微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式靜電執(zhí)行器的基本工作原理：兩個(gè)帶異性電荷的電極靜電執(zhí)行器的基本工作原理：兩個(gè)帶異性電荷的電極板之間具有吸引力。板之間具有吸引力。 從庫(kù)侖定律從庫(kù)侖定律 平板電容器平板電容器 極板間作用力極板間作用力22141xqqForelecxAVCVWr20221212221xAVdxdWFor(1)(1)靜電式微執(zhí)行器靜電式微執(zhí)行器主要優(yōu)點(diǎn)1 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：敏感與執(zhí)行的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，容

4、易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：敏感與執(zhí)行的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，僅需兩個(gè)導(dǎo)電表面即可，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的功能材實(shí)現(xiàn)，僅需兩個(gè)導(dǎo)電表面即可，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的功能材料；料；2 2、功耗低：靜電執(zhí)行依賴(lài)于電壓差而非電流，低、功耗低：靜電執(zhí)行依賴(lài)于電壓差而非電流，低頻時(shí)有很高的能效，靜態(tài)時(shí)由于不存在電流這一優(yōu)頻時(shí)有很高的能效，靜態(tài)時(shí)由于不存在電流這一優(yōu)點(diǎn)尤其明顯；點(diǎn)尤其明顯；3 3、響應(yīng)快：轉(zhuǎn)換速度由充放電時(shí)間常數(shù)決定，對(duì)、響應(yīng)快：轉(zhuǎn)換速度由充放電時(shí)間常數(shù)決定，對(duì)于良導(dǎo)體這一時(shí)間常數(shù)很小，所以可以獲得很高的于良導(dǎo)體這一時(shí)間常數(shù)很小，所以可以獲得很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。偏壓作用下靜電執(zhí)行器的平衡位置施加電壓載荷會(huì)產(chǎn)生靜電

5、力施加電壓載荷會(huì)產(chǎn)生靜電力Felectric,可動(dòng)極板在起始位置時(shí)的靜可動(dòng)極板在起始位置時(shí)的靜電力電力Felectric大小為：大小為： 靜電力使得間隙有減小的趨勢(shì)。從而引起位移和機(jī)械回復(fù)力。在靜電力使得間隙有減小的趨勢(shì)。從而引起位移和機(jī)械回復(fù)力。在靜態(tài)平衡下，機(jī)械回復(fù)力與靜電力的大小相等，方向相反。靜態(tài)平衡下，機(jī)械回復(fù)力與靜電力的大小相等，方向相反。22221122electricACUFUdd下圖中的兩條曲線，分別代表機(jī)械回復(fù)力與靜電力隨電極下圖中的兩條曲線，分別代表機(jī)械回復(fù)力與靜電力隨電極位置的變化。對(duì)于恒定的偏置電壓位置的變化。對(duì)于恒定的偏置電壓U,機(jī)械回復(fù)力機(jī)械回復(fù)力(Fmechan

6、ical ) )隨著極板位置線性變化，靜電力隨著極板位置線性變化，靜電力( (Felectric) )隨著極板位置非隨著極板位置非線性變化。線性變化。電壓增加時(shí)，靜電力曲線族上移，平衡位置離靜止位電壓增加時(shí)，靜電力曲線族上移，平衡位置離靜止位置越遠(yuǎn)。置越遠(yuǎn)。平行板執(zhí)行器的吸合(pull-in)效應(yīng)當(dāng)靜電力不斷增大時(shí)，當(dāng)靜電力不斷增大時(shí)，兩平板將迅速吸合直到兩平板將迅速吸合直到接觸到一起，這一現(xiàn)象接觸到一起，這一現(xiàn)象稱(chēng)為吸合。引起吸合所稱(chēng)為吸合。引起吸合所須的電壓與位移對(duì)于靜須的電壓與位移對(duì)于靜電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)至關(guān)重電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。要。 如圖所示，一平行板電容器是由尺寸如圖所示，一平行板電

7、容器是由尺寸 （或（或1 1 mmmm）的方板組成的。當(dāng)兩板間距為）的方板組成的。當(dāng)兩板間距為 ，求法向靜電，求法向靜電力。平板由靜止空氣隔開(kāi)。力。平板由靜止空氣隔開(kāi)。 mWL1000md2例題：例題：解：解： 作用在平板上的法向靜電力作用在平板上的法向靜電力 的大小，可以由公式計(jì)算的大小，可以由公式計(jì)算出來(lái)，其中空氣為出來(lái)，其中空氣為 絕緣介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為絕緣介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為 ，真空介電常數(shù)為，真空介電常數(shù)為 or ordF2221xAVdxdWFor0 . 1rmpF /85. 802212/1085. 8mNC262661210221010001010001085. 80 . 1

8、VFd2610106. 1V 代入?yún)?shù)，得到靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)靜電梳齒驅(qū)動(dòng)n一般采用表面微加工工藝制做n包含有許多相互交錯(cuò)的指狀梳齒n當(dāng)施加電壓時(shí)，梳齒之間產(chǎn)生吸引力，梳齒相互靠近n靜電力的大小與梳齒對(duì)數(shù)成比例，因此為了得到較大的力，一般要求梳齒較多。圖 三種不同的梳狀驅(qū)動(dòng)圖 三種放大倍數(shù)下兩組叉指之間的電力線分布靜電梳齒驅(qū)動(dòng)存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題： 如果同一根梳齒兩邊的間隙不相等，則梳齒將會(huì)偏向一邊，并與另一根梳齒粘連在一起，直到不再施加電壓靜電梳齒驅(qū)動(dòng)實(shí)例靜電梳齒驅(qū)動(dòng)實(shí)例梳狀驅(qū)動(dòng)器件的應(yīng)用1.1.慣性傳感器慣性傳感器 基于梳狀

9、驅(qū)動(dòng)的慣性傳感器可以用各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于梳狀驅(qū)動(dòng)的慣性傳感器可以用各種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。ADXLADXL加速度計(jì)是最經(jīng)典的一種加速度計(jì)是最經(jīng)典的一種MEMSMEMS傳感器，它是基于傳感器，它是基于共面橫向梳狀驅(qū)動(dòng)的。共面橫向梳狀驅(qū)動(dòng)的。梳狀驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)梳狀驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)2.2.執(zhí)行器執(zhí)行器 梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器常常用來(lái)產(chǎn)生面內(nèi)或離面位移。梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器常常用來(lái)產(chǎn)生面內(nèi)或離面位移。用于光開(kāi)關(guān)的梳狀驅(qū)動(dòng)器用于光開(kāi)關(guān)的梳狀驅(qū)動(dòng)器大位移梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器大位移梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器右圖是Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的一種齒輪傳動(dòng)的機(jī)械裝置。靜電懸臂驅(qū)動(dòng)靜電懸臂驅(qū)動(dòng)利用了驅(qū)動(dòng)電壓與梁末端偏移量之間的關(guān)系。 從工程力學(xué)理論可以知道

10、，寬度為從工程力學(xué)理論可以知道，寬度為w的懸臂梁，在距固定的懸臂梁，在距固定端端X處施加集中載荷時(shí)，梁末端的偏移量處施加集中載荷時(shí)，梁末端的偏移量T可由下式給出：可由下式給出： 其中，距離梁固定端其中，距離梁固定端x處的靜電力處的靜電力q(x)為為 ：dxxwqxLEIxdT)()3(6)(22)(2)(xddVxqo靜電旋轉(zhuǎn)微型馬達(dá)靜電旋轉(zhuǎn)微型馬達(dá)靜電式微執(zhí)行器實(shí)例靜電式微執(zhí)行器實(shí)例(1)(1)“尺蠖尺蠖” 執(zhí)行器執(zhí)行器靜電式微執(zhí)行器實(shí)例靜電式微執(zhí)行器實(shí)例(2)(2)靜電光開(kāi)關(guān)靜電光開(kāi)關(guān)靜電式微執(zhí)行器實(shí)例靜電式微執(zhí)行器實(shí)例(3)(3)凹槽絕緣硅靜電梳齒驅(qū)動(dòng)器光纖氧化硅輸入1輸入2輸出2輸出1

11、驅(qū)動(dòng)器作用時(shí)的直通狀態(tài)輸入1輸 入2輸出1輸出2驅(qū)動(dòng)器不作用時(shí)的反射狀態(tài)光纖槽光纖槽 采用了一雙面反射的垂直微鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)。將微鏡與一根長(zhǎng)梁相連，長(zhǎng)梁由梳狀電極靜電驅(qū)動(dòng)。只要施加一個(gè)電壓短脈沖，微鏡在長(zhǎng)梁的帶動(dòng)下就會(huì)作進(jìn)入或彈出光路的水平運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光路切換。靜電致動(dòng)微泵靜電致動(dòng)微泵靜電式微執(zhí)行器實(shí)例靜電式微執(zhí)行器實(shí)例(3)(3)入口出口驅(qū)動(dòng)腔泵薄膜檢測(cè)電極泵腔絕緣層驅(qū)動(dòng)單元閥體單元Zengerle R的靜電致動(dòng)微泵 微泵的尺寸為，由靜電微泵的尺寸為，由靜電驅(qū)動(dòng)膜片、被動(dòng)閥、進(jìn)驅(qū)動(dòng)膜片、被動(dòng)閥、進(jìn)口和出口組成。泵用峰口和出口組成。泵用峰值為值為150200V、頻率從、頻率從0.1Hz到到10kH

12、z的電壓脈的電壓脈沖驅(qū)動(dòng)。該泵的最大流沖驅(qū)動(dòng)。該泵的最大流速可達(dá)到速可達(dá)到250-850 L/min（正向）和（正向）和 200-350 L/min（反向）。在供（反向）。在供電電壓為電電壓為200V時(shí)，可達(dá)時(shí)，可達(dá)到最大背壓為到最大背壓為310cm H2O，最大流速為最大流速為850 L/min。 微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式(2)熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器利用熱來(lái)驅(qū)動(dòng)的熱致動(dòng)器利用熱來(lái)驅(qū)動(dòng)的熱致動(dòng)器或簡(jiǎn)單的加熱器（一個(gè)電或簡(jiǎn)單的加熱器（一個(gè)電阻器）廣泛應(yīng)用于微機(jī)械阻器）廣泛應(yīng)用于微機(jī)械器件中，是一種十分常見(jiàn)器件中，是一種十分常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式。從原理上分，的驅(qū)動(dòng)方式。從原理上分，熱致動(dòng)器可以分為

13、熱氣動(dòng)熱致動(dòng)器可以分為熱氣動(dòng)式和熱膨脹式兩種。式和熱膨脹式兩種。 熱膨脹式熱膨脹式：利用執(zhí)行器加熱時(shí)本身材料的體積膨脹驅(qū)：利用執(zhí)行器加熱時(shí)本身材料的體積膨脹驅(qū)動(dòng)。動(dòng)。 熱氣動(dòng)式：熱氣動(dòng)式：一種典型的方法是形成帶有密封流體（如一種典型的方法是形成帶有密封流體（如空氣、水蒸汽和液態(tài)水等）的空腔，氣腔中的流體被空氣、水蒸汽和液態(tài)水等）的空腔，氣腔中的流體被加熱后就會(huì)膨脹，壓力增大，從而推動(dòng)薄膜運(yùn)動(dòng)。加熱后就會(huì)膨脹，壓力增大，從而推動(dòng)薄膜運(yùn)動(dòng)。 現(xiàn)在很多噴墨打印機(jī)都是利用墨水的熱膨脹來(lái)噴出墨現(xiàn)在很多噴墨打印機(jī)都是利用墨水的熱膨脹來(lái)噴出墨滴。熱噴墨打印機(jī)墨嘴的示意圖如下圖所示。滴。熱噴墨打印機(jī)墨嘴的示意

14、圖如下圖所示。固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器固體熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器的一個(gè)基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱熱執(zhí)行器的一個(gè)基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱膨脹系數(shù)，被稱(chēng)為雙晶片熱激勵(lì)。膨脹系數(shù)，被稱(chēng)為雙晶片熱激勵(lì)。一個(gè)加熱器常被夾在兩層一個(gè)加熱器常被夾在兩層“活動(dòng)活動(dòng)”的材料中間，加電后，的材料中間，加電后，就會(huì)使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點(diǎn)包括線性的就會(huì)使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點(diǎn)包括線性的偏移量偏移量- -能量關(guān)系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運(yùn)行能量關(guān)系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運(yùn)行于熱傳導(dǎo)相當(dāng)?shù)偷囊后w中。于熱傳導(dǎo)相當(dāng)?shù)偷囊后w中。缺點(diǎn)包括高功耗、低帶寬（由熱時(shí)間常數(shù)

15、決定）以及比缺點(diǎn)包括高功耗、低帶寬（由熱時(shí)間常數(shù)決定）以及比靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 雙晶片熱執(zhí)行器雙晶片熱執(zhí)行器雙金屬致動(dòng)器也是一種熱致動(dòng)器，但它不利用固體的雙金屬致動(dòng)器也是一種熱致動(dòng)器，但它不利用固體的體積膨脹，而是利用固體的線性膨脹來(lái)制造微致動(dòng)器。體積膨脹，而是利用固體的線性膨脹來(lái)制造微致動(dòng)器。雙金屬熱致動(dòng)是通過(guò)加熱，使得驅(qū)動(dòng)元件本身的溫度雙金屬熱致動(dòng)是通過(guò)加熱，使得驅(qū)動(dòng)元件本身的溫度升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變，升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的。從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的。 n雙金屬熱致動(dòng)方式具有驅(qū)動(dòng)電壓低、驅(qū)動(dòng)力大、行程

16、大、線性的位移能量關(guān)系、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡(jiǎn)單（相對(duì)熱氣動(dòng)等方式而言）、驅(qū)動(dòng)能源易于實(shí)現(xiàn)、易于集成等特點(diǎn)，因而應(yīng)用前景廣泛。 2121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEt tttra a熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)，t t厚度，厚度，b b寬度寬度 美國(guó)美國(guó)IC SensorsIC Sensors利用這種雙金屬片致動(dòng)原理研制的閥。利用這種雙金屬片致動(dòng)原理研制的閥。其中，硅膜厚、直徑為，鋁層厚，常開(kāi)間隙為的閥可控其中，硅膜厚、直徑為，鋁層厚，常開(kāi)間隙為的閥可控0.2MPa0.2MPa的氣流，泄漏僅為的氣流，泄漏僅為45L/min 45L/min 金屬層加熱膜硅進(jìn)

17、口出口雙金屬片致動(dòng)閥雙金屬片致動(dòng)閥熱氣動(dòng)式：體積膨脹和相變執(zhí)行器熱氣動(dòng)式：體積膨脹和相變執(zhí)行器不利用固體的線性膨脹，而是不利用固體的線性膨脹，而是利用體積膨脹利用體積膨脹也可以制造出微也可以制造出微機(jī)械執(zhí)行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔機(jī)械執(zhí)行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔（如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等），這些物質(zhì)可以被加熱，（如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等），這些物質(zhì)可以被加熱，然后就會(huì)膨脹。但是，就象別的許多熱驅(qū)動(dòng)方法一樣，這種然后就會(huì)膨脹。但是，就象別的許多熱驅(qū)動(dòng)方法一樣，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時(shí)間常數(shù)所致。方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時(shí)間常數(shù)所致

18、。變相的熱執(zhí)行器包括變相的熱執(zhí)行器包括加熱時(shí)相態(tài)可變加熱時(shí)相態(tài)可變的材料，這樣體積發(fā)生的材料，這樣體積發(fā)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機(jī)械載荷。例如，可以通過(guò)加熱將水膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機(jī)械載荷。例如，可以通過(guò)加熱將水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動(dòng)力。從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動(dòng)力。 電磁式微執(zhí)行器基本概念基本概念 原理：利用磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生力、力矩、或者微結(jié)構(gòu)的位原理：利用磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生力、力矩、或者微結(jié)構(gòu)的位移。移。一般常見(jiàn)的磁性物體磁場(chǎng)密度是：一般常見(jiàn)的磁性物體磁場(chǎng)密度是： 普通電冰箱的磁場(chǎng)為：普通電冰箱的磁場(chǎng)為：100-1000Gs100-1000Gs 地磁場(chǎng)（赤道附近）為：地磁場(chǎng)

19、（赤道附近）為：1Gs1Gs 磁存儲(chǔ)介質(zhì)為：磁存儲(chǔ)介質(zhì)為：100mT100mT或或100Gs100Gs 用于磁諧振成像的稀土磁體為：用于磁諧振成像的稀土磁體為：1-2T1-2T加熱電阻蠕動(dòng)膜流道入口出口 熱氣動(dòng)蠕動(dòng)泵 熱氣動(dòng)蠕動(dòng)泵，膜片熱氣動(dòng)蠕動(dòng)泵，膜片與管道間的間隙處于與管道間的間隙處于常開(kāi)狀態(tài)，加熱驅(qū)動(dòng)常開(kāi)狀態(tài)，加熱驅(qū)動(dòng)將使間隙關(guān)閉，膜片將使間隙關(guān)閉，膜片的順序動(dòng)作促使流體的順序動(dòng)作促使流體定向流動(dòng)。該泵流量定向流動(dòng)。該泵流量和背壓都比較低。和背壓都比較低。 熱氣動(dòng)蠕動(dòng)泵熱氣動(dòng)蠕動(dòng)泵電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(1)(1)進(jìn)口出口玻璃玻璃鋁膜硅加熱電阻熱氣動(dòng)微閥熱氣動(dòng)微閥 熱氣動(dòng)微

20、閥，壓力腔熱氣動(dòng)微閥，壓力腔內(nèi)注有氯甲烷，利用內(nèi)注有氯甲烷，利用其液態(tài)其液態(tài)- -氣態(tài)相變控氣態(tài)相變控制流體，控制氮?dú)饬髦屏黧w，控制氮?dú)饬髁窟_(dá)量達(dá)15L/min15L/min。 電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(2)(2)熱氣動(dòng)微波形管執(zhí)行器熱氣動(dòng)微波形管執(zhí)行器 表面微機(jī)械表面微機(jī)械“波形波形管管”執(zhí)行器帶有一個(gè)執(zhí)行器帶有一個(gè)環(huán)形的折疊狀薄膜結(jié)環(huán)形的折疊狀薄膜結(jié)構(gòu)，相對(duì)于簡(jiǎn)單的薄構(gòu)，相對(duì)于簡(jiǎn)單的薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以得膜，這種結(jié)構(gòu)可以得到更大的偏移。到更大的偏移。 電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(3)(3)熱氣動(dòng)活塞執(zhí)行器熱氣動(dòng)活塞執(zhí)行器體積膨脹氣體驅(qū)動(dòng)的活塞執(zhí)行器，沿著襯底所在的平面平

21、體積膨脹氣體驅(qū)動(dòng)的活塞執(zhí)行器，沿著襯底所在的平面平行移動(dòng)。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，行移動(dòng)。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，并在活塞腔內(nèi)膨脹，將活塞向外推。當(dāng)加熱停止時(shí)，活塞并在活塞腔內(nèi)膨脹，將活塞向外推。當(dāng)加熱停止時(shí)，活塞腔內(nèi)的氣泡破裂，活塞返回原來(lái)位置。在襯底表面平整的腔內(nèi)的氣泡破裂，活塞返回原來(lái)位置。在襯底表面平整的情況下，基于表面張力的執(zhí)行器所能提供的力能達(dá)到其它情況下，基于表面張力的執(zhí)行器所能提供的力能達(dá)到其它方式所能提供力的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。方式所能提供力的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。熱氣動(dòng)活塞執(zhí)行器簡(jiǎn)圖熱氣動(dòng)活塞執(zhí)行器簡(jiǎn)圖電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(4)(4

22、)工作環(huán)境必須是液體環(huán)境，限制了其最大工作速度工作環(huán)境必須是液體環(huán)境，限制了其最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液體的熱導(dǎo)）。（由于阻尼）和效率（由于液體的熱導(dǎo)）。熱驅(qū)動(dòng)方法功耗較大，且因?yàn)闊釙r(shí)間常數(shù)，其帶寬比熱驅(qū)動(dòng)方法功耗較大，且因?yàn)闊釙r(shí)間常數(shù)，其帶寬比較低。熱氣動(dòng)式由于要有密封腔，所以生產(chǎn)裝配工藝較低。熱氣動(dòng)式由于要有密封腔，所以生產(chǎn)裝配工藝較為復(fù)雜。較為復(fù)雜。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式(3)磁執(zhí)行器磁執(zhí)行器電磁致動(dòng)電磁致動(dòng)：通過(guò)線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)磁體由于磁場(chǎng)力的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。通電線圈通電線圈 通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)。平行通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)。平行的兩條導(dǎo)線中通以相同方

23、向的兩條導(dǎo)線中通以相同方向的電流則彼此之間相互吸引，的電流則彼此之間相互吸引，如果通以相反的電流，則彼如果通以相反的電流，則彼此之間相互排斥。此之間相互排斥。 通電線圈也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，它可與磁鐵或相隔一通電線圈也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，它可與磁鐵或相隔一定距離的線圈產(chǎn)生的外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生機(jī)械力。定距離的線圈產(chǎn)生的外磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生機(jī)械力。 電磁力的電磁力的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在于其值可以很高，并且既可以吸在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。引也可以排斥。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是功耗一般較高，而且產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)附近是功耗一般較高，而且產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)附近的物體產(chǎn)生一些影響，例如移動(dòng)帶電微?；蛴绊懘诺奈矬w產(chǎn)生一些影響，例如

24、移動(dòng)帶電微?；蛴绊懘艛?shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)。載流導(dǎo)線周?chē)滁c(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度載流導(dǎo)線周?chē)滁c(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度單圈線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度單圈線圈中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度單圈線圈對(duì)中心導(dǎo)磁體的作用力為單圈線圈對(duì)中心導(dǎo)磁體的作用力為L(zhǎng)LrrdlIdBB24RIB2022SBF “彎曲”線圈結(jié)構(gòu)是平面內(nèi)蜿蜒形導(dǎo)體，它與一個(gè)雙層的磁芯交錯(cuò)在一起。帶驅(qū)動(dòng)線圈的磁執(zhí)行器帶驅(qū)動(dòng)線圈的磁執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(5)(5)永磁體氮化絕緣層入口出口德國(guó)的電磁致動(dòng)微型閥金線圈 多晶硅 德國(guó)研制的電磁致動(dòng)微閥，德國(guó)研制的電磁致動(dòng)微閥，閥片為犧牲層技術(shù)制作的閥片為犧牲層技術(shù)制作的多晶硅膜。這是為小型氣多晶硅膜。這是為小型氣體分

25、析儀設(shè)計(jì)的微閥結(jié)構(gòu)，體分析儀設(shè)計(jì)的微閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的壓力指標(biāo)為設(shè)計(jì)的壓力指標(biāo)為10-10-50kPa50kPa，過(guò)流能力為，過(guò)流能力為2-2-20mL/min20mL/min，響應(yīng)時(shí)間為，響應(yīng)時(shí)間為5ms5ms。 電磁致動(dòng)微閥電磁致動(dòng)微閥電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(6)(6) 電流流過(guò)電流流過(guò)U U形導(dǎo)線時(shí)會(huì)形導(dǎo)線時(shí)會(huì)在兩條導(dǎo)線之在兩條導(dǎo)線之間產(chǎn)生排斥力。間產(chǎn)生排斥力。類(lèi)似地，在一類(lèi)似地，在一條置于磁場(chǎng)中條置于磁場(chǎng)中的柔性金屬線的柔性金屬線上通以電流，上通以電流，導(dǎo)線會(huì)發(fā)生偏導(dǎo)線會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)。磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮執(zhí)行器磁致伸縮效應(yīng)：磁致伸縮效應(yīng)： 18401840年焦耳發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給鎳

26、棒加一個(gè)年焦耳發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給鎳棒加一個(gè)軸向磁場(chǎng)時(shí)，它會(huì)收縮。軸向磁場(chǎng)時(shí)，它會(huì)收縮。在外加磁場(chǎng)的作用下，材料的磁疇按外磁場(chǎng)進(jìn)行排列，在外加磁場(chǎng)的作用下，材料的磁疇按外磁場(chǎng)進(jìn)行排列，從而引起材料尺寸的變化。從而引起材料尺寸的變化。 外加磁場(chǎng)導(dǎo)致外加磁場(chǎng)導(dǎo)致坡莫合金坡莫合金區(qū)域產(chǎn)生區(qū)域產(chǎn)生磁性極化磁性極化，這反過(guò)來(lái)又和，這反過(guò)來(lái)又和外加磁場(chǎng)作用，結(jié)果導(dǎo)致執(zhí)行器重新定位，直到它與磁場(chǎng)外加磁場(chǎng)作用，結(jié)果導(dǎo)致執(zhí)行器重新定位，直到它與磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)。該器件可用于斬波、掃描、光束導(dǎo)向等微光學(xué)場(chǎng)合。對(duì)準(zhǔn)。該器件可用于斬波、掃描、光束導(dǎo)向等微光學(xué)場(chǎng)合。外加磁場(chǎng)的磁執(zhí)行器外加磁場(chǎng)的磁執(zhí)行器鐵鎳合金線圈導(dǎo)管硅外部驅(qū)動(dòng)微機(jī)械電磁

27、閥該閥由一個(gè)NiFe濺射閥座和一個(gè)可開(kāi)啟、關(guān)閉的可移動(dòng)NiFe閥膜組成。依靠活動(dòng)膜片上支撐彈簧的內(nèi)力，可以制成常開(kāi)或常閉閥。微機(jī)械閥元件放置于攜帶有流體的管道中，管道的外面是由外加線圈形成的磁場(chǎng)，構(gòu)成了一種電隔離操作。外加磁場(chǎng)的電磁閥外加磁場(chǎng)的電磁閥電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(7)(7)電磁光開(kāi)關(guān)電磁光開(kāi)關(guān)電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(8)(8)電磁場(chǎng)光纖MEMS驅(qū)動(dòng)器電磁驅(qū)動(dòng)光纖開(kāi)關(guān)原理示意圖 加州理工學(xué)院設(shè)計(jì)的一種電磁驅(qū)動(dòng)光纖開(kāi)關(guān)的原理示意圖。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)狀態(tài)時(shí)，電磁驅(qū)動(dòng)器帶著雙面微鏡向上運(yùn)動(dòng)，將微鏡置于光纖之間，每個(gè)輸入光纖的光信號(hào)經(jīng)反射后從相鄰的輸出光纖輸出，如圖a所

28、示；在關(guān)狀態(tài)，微鏡在光纖之下，輸入光纖的信號(hào)直接從正前方的輸出光纖輸出，如圖b所示。 電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(9)(9)磁馬達(dá)磁馬達(dá) 可變磁阻的微磁馬達(dá)，它帶有全集成的定子和線圈。定子由集成的電磁體制成，轉(zhuǎn)子由軟磁性材料制成。馬達(dá)有兩組顯磁極，一組在定子上，一組在轉(zhuǎn)子上。 當(dāng)激勵(lì)相位線圈時(shí)，靠近激勵(lì)定子電極的轉(zhuǎn)子磁極會(huì)吸引到定子磁極（如圖a、b所示）。由于定子旋轉(zhuǎn)，定子磁極將與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)準(zhǔn)。關(guān)斷激勵(lì)相位線圈的電流，下一個(gè)相位開(kāi)始激勵(lì)使之連續(xù)運(yùn)動(dòng)。雙穩(wěn)態(tài)磁開(kāi)關(guān)雙穩(wěn)態(tài)磁開(kāi)關(guān)靜電執(zhí)行器需要恒定的電壓偏置來(lái)保持開(kāi)關(guān)在開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)，比較容易受供電中斷的影響。開(kāi)關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)鎖定很重要，因?yàn)樗?/p>

29、有在開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中才消耗掉功率，但無(wú)論在開(kāi)或關(guān)的狀態(tài)都不需要電來(lái)保持。電磁式微執(zhí)行器實(shí)例電磁式微執(zhí)行器實(shí)例(10)(10)雙穩(wěn)態(tài)磁開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)磁開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu):由扭轉(zhuǎn)支柱將懸臂提升在襯底表面的由扭轉(zhuǎn)支柱將懸臂提升在襯底表面的上方。懸臂由頂部上的軟鐵磁材料和底部上的一層高電上方。懸臂由頂部上的軟鐵磁材料和底部上的一層高電導(dǎo)率的金屬構(gòu)成。平面線圈埋置于懸臂的下方。導(dǎo)率的金屬構(gòu)成。平面線圈埋置于懸臂的下方。偏置磁偏置磁場(chǎng)有兩個(gè)來(lái)源：一個(gè)是平面線圈，一個(gè)是永久磁體。場(chǎng)有兩個(gè)來(lái)源：一個(gè)是平面線圈，一個(gè)是永久磁體。永永久磁體位于襯底的表面，用于提供恒定的背景磁場(chǎng)。久磁體位于襯底的表面，用于提供恒定的背景磁場(chǎng)

30、。該開(kāi)關(guān)的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于：該開(kāi)關(guān)的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于：雙向磁化可以通過(guò)使用第二個(gè)雙向磁化可以通過(guò)使用第二個(gè)磁場(chǎng)很快反轉(zhuǎn)。這使得可以施加小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩和開(kāi)磁場(chǎng)很快反轉(zhuǎn)。這使得可以施加小電流來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩和開(kāi)關(guān)位置的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在懸臂梁和外部磁關(guān)位置的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在懸臂梁和外部磁場(chǎng)之間使用了平面線圈以產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償外部磁體產(chǎn)生場(chǎng)之間使用了平面線圈以產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)補(bǔ)償外部磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)。永久磁體使懸臂保持在開(kāi)或關(guān)的位置直到下次的磁場(chǎng)。永久磁體使懸臂保持在開(kāi)或關(guān)的位置直到下次開(kāi)關(guān)動(dòng)作出現(xiàn)。開(kāi)關(guān)動(dòng)作出現(xiàn)。微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式(4)壓電執(zhí)行器壓電執(zhí)行器 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在

31、壓電材料兩端施加一定的電壓，材料在壓電材料兩端施加一定的電壓，材料會(huì)表現(xiàn)出一定的形變（伸長(zhǎng)或縮短）。會(huì)表現(xiàn)出一定的形變（伸長(zhǎng)或縮短）。V的典型值在10-1010-7cm/N之間變化。因此，要獲得微米量級(jí)的位移，常常需要超過(guò)1000V的電壓，除非使用疊加的執(zhí)行器或放大機(jī)械運(yùn)動(dòng)的器件。玻璃硅壓電片(a) 玻 璃硅玻 璃壓 電 塊(b)壓電致動(dòng)微型泵 日本東北大學(xué)研制的壓電堆致動(dòng)微泵如圖所示。該微泵依靠致動(dòng)器推動(dòng)薄膜變形，引起腔體內(nèi)壓強(qiáng)的變化，驅(qū)動(dòng)單向閥工作，使氣、液體定向流動(dòng)。壓電堆的軸向變形和驅(qū)動(dòng)力都比較大，最大流量為40L/min，最高背壓為1mH2O。 壓電式微執(zhí)行器實(shí)例壓電式微執(zhí)行器實(shí)例(

32、1)(1) 德國(guó)Ilmenau技術(shù)大學(xué)研制的壓電致動(dòng)硅微無(wú)閥泵，其最大流量為7.5mL/min，最大背壓為2.8kPa。 壓電式微執(zhí)行器實(shí)例壓電式微執(zhí)行器實(shí)例(2)(2)壓電式微執(zhí)行器實(shí)例壓電式微執(zhí)行器實(shí)例(3)(3)壓電掃描隧道顯微鏡探針壓電掃描隧道顯微鏡探針壓電掃描隧道顯微鏡探針的運(yùn)動(dòng)模式為 如圖所示將一片晶體安裝在微執(zhí)行器的一根彈性硅梁如圖所示將一片晶體安裝在微執(zhí)行器的一根彈性硅梁上。在壓電晶體上加電壓使其產(chǎn)生形變，引起彈性硅上。在壓電晶體上加電壓使其產(chǎn)生形變，引起彈性硅梁的彎曲。壓電晶體致動(dòng)器在微定位機(jī)構(gòu)和微型夾具梁的彎曲。壓電晶體致動(dòng)器在微定位機(jī)構(gòu)和微型夾具等方面都有應(yīng)用。等方面都有

33、應(yīng)用。 壓電式微執(zhí)行器實(shí)例壓電式微執(zhí)行器實(shí)例(4)(4)微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式(5)形狀記憶合金執(zhí)行器形狀記憶合金執(zhí)行器有些材料在受熱時(shí)，其長(zhǎng)度能發(fā)生很顯著的變化（收有些材料在受熱時(shí)，其長(zhǎng)度能發(fā)生很顯著的變化（收縮），將它們總稱(chēng)為形狀記憶合金（縮），將它們總稱(chēng)為形狀記憶合金（SMASMA），其中最著），其中最著名的是鈦鎳合金。名的是鈦鎳合金。SMA效應(yīng)源于合金馬氏體（主要為三角晶系）和奧氏體效應(yīng)源于合金馬氏體（主要為三角晶系）和奧氏體（高度均勻）晶相之間與溫度有關(guān)的相變。（高度均勻）晶相之間與溫度有關(guān)的相變?，F(xiàn)象：受到機(jī)械力作用而產(chǎn)生變形的合金，一旦受熱就現(xiàn)象：受到機(jī)械力作用而產(chǎn)

34、生變形的合金，一旦受熱就會(huì)恢復(fù)到它們未變形前的狀態(tài)。會(huì)恢復(fù)到它們未變形前的狀態(tài)。加熱方式：通電流加熱方式：通電流 在預(yù)置溫度在預(yù)置溫度T T時(shí)彎曲的合金片依附在硅懸臂梁上。室溫時(shí)彎曲的合金片依附在硅懸臂梁上。室溫時(shí)梁是直的。當(dāng)把梁和附于其上的合金片加熱到溫度時(shí)梁是直的。當(dāng)把梁和附于其上的合金片加熱到溫度T T時(shí)，時(shí)，合金的合金的“記憶記憶”被喚醒并試圖恢復(fù)原來(lái)的彎曲形狀。合金被喚醒并試圖恢復(fù)原來(lái)的彎曲形狀。合金的彎曲迫使懸臂梁一起變形，由此達(dá)到致動(dòng)效果。這種方的彎曲迫使懸臂梁一起變形，由此達(dá)到致動(dòng)效果。這種方式的致動(dòng)被廣泛用在微型旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器、微型關(guān)節(jié)和機(jī)器人、式的致動(dòng)被廣泛用在微型旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器、

35、微型關(guān)節(jié)和機(jī)器人、以及微彈簧上。以及微彈簧上。 優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)的“線性線性”控制和很高的應(yīng)力（大于控制和很高的應(yīng)力（大于200MPa），如果應(yīng)變保持在），如果應(yīng)變保持在2以下，就可以工作幾以下，就可以工作幾百萬(wàn)個(gè)循環(huán)。百萬(wàn)個(gè)循環(huán)。缺點(diǎn)：需要特殊的合金和很高的功耗。缺點(diǎn)：需要特殊的合金和很高的功耗。多晶硅二氧化硅Cr二氧化硅Cr硅硅a)形狀記憶合金元件聚酰亞胺間距塊聚酰亞胺薄膜流體出入口基座頂蓋b)形狀記憶合金致動(dòng)微閥 澳大利亞澳大利亞New South Wales大學(xué)和臺(tái)灣新竹大學(xué)和臺(tái)灣新竹清華大學(xué)聯(lián)合研制的清華大學(xué)聯(lián)合研制的形狀記憶合金致動(dòng)微形狀記憶合金致動(dòng)微閥，該閥的閥口尺寸閥，該

36、閥的閥口尺寸為為60 m 60 m，過(guò)流，過(guò)流能力能力06ml/min。 形狀記憶合金致動(dòng)微閥形狀記憶合金致動(dòng)微閥形狀記憶合金微執(zhí)行器實(shí)例形狀記憶合金微執(zhí)行器實(shí)例微機(jī)械不同致動(dòng)方式的特點(diǎn)微機(jī)械不同致動(dòng)方式的特點(diǎn)致動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)力 行程響應(yīng)時(shí)間可靠性電磁活塞式小大中等好壓電片式小中等快好疊層壓電片式很大很小快好氣動(dòng)式大大慢好形狀記憶合金式大大慢差靜電式小很小很快很好熱氣動(dòng)式大一般一般好電磁式小大快好雙金屬熱致動(dòng)式大 大一般好不同致動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)不同致動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜電式材料簡(jiǎn)單需要折中驅(qū)動(dòng)力大小與位移大小執(zhí)行響應(yīng)速度快易受吸合效應(yīng)限制熱氣動(dòng)式能得到較大的位移量相對(duì)較大的功耗適中的執(zhí)行響應(yīng)速度

37、對(duì)環(huán)境溫度變化敏感壓電式可以得到快速的響應(yīng)材料的制備過(guò)程復(fù)雜可以得到比較大的位移量在低頻工作條件下性能下降電磁可以產(chǎn)生較大的角度位移量較為復(fù)雜的制造工藝可以使用很強(qiáng)的磁力作為偏置制造高效率的片上螺線管較為困難微傳感器的應(yīng)用微傳感器的應(yīng)用平行板電容器的應(yīng)用平行板電容器的應(yīng)用 a. 慣性傳感器慣性傳感器 b. 壓力傳感器壓力傳感器 c. 流量傳感器流量傳感器 d. 觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器a. a. 慣性傳感器慣性傳感器扭轉(zhuǎn)平行板電容加速度計(jì)扭轉(zhuǎn)平行板電容加速度計(jì) n加速度計(jì)由扭轉(zhuǎn)桿支撐的鎳板構(gòu)成，與其相配對(duì)的電極位于襯底表面上。因?yàn)槠桨逯亓筷P(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸不對(duì)稱(chēng)分布，襯底法向的加速度將會(huì)引起上極板在某一方

38、向的搖擺。b. 壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車(chē)系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、醫(yī)療診斷與監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中。薄膜厚度時(shí)決定醫(yī)療診斷與監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中。薄膜厚度時(shí)決定壓力傳感器的主要因素。壓力傳感器的主要因素。c. 流量傳感器流量傳感器 流量傳感器廣義上用于測(cè)量點(diǎn)流體速度、體積流流量傳感器廣義上用于測(cè)量點(diǎn)流體速度、體積流動(dòng)速度、側(cè)壁的剪切應(yīng)力以及壓力的器件。流量傳動(dòng)速度、側(cè)壁的剪切應(yīng)力以及壓力的器件。流量傳感器具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：感器具有以下的一些優(yōu)點(diǎn)：1 1）體積小，對(duì)所測(cè)流場(chǎng)的干擾小；）體積小，對(duì)所測(cè)流場(chǎng)的干擾??；2 2）由于柔性機(jī)械單元或電

39、路集成，因此靈敏度高；）由于柔性機(jī)械單元或電路集成，因此靈敏度高；3 3）有實(shí)現(xiàn)大陣列傳感器一致性的潛力。）有實(shí)現(xiàn)大陣列傳感器一致性的潛力。d. 觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器 平行板電容器的另一種應(yīng)用是觸覺(jué)傳感器，它是平行板電容器的另一種應(yīng)用是觸覺(jué)傳感器，它是機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵元件。要精確測(cè)量觸覺(jué)信機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵元件。要精確測(cè)量觸覺(jué)信息，傳感器必須有高的集成密度、高的靈敏度、以息，傳感器必須有高的集成密度、高的靈敏度、以及多軸敏感的能力。及多軸敏感的能力。熱傳感器的應(yīng)用熱傳感器的應(yīng)用 a.a.慣性傳感器慣性傳感器 b. b.流量傳感器流量傳感器 c. c.紅外傳感器紅外傳感器a.慣性傳感器

40、慣性傳感器基于熱傳遞原理的加速度計(jì)基于熱傳遞原理的加速度計(jì)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)歐姆加熱器和兩個(gè)關(guān)于加熱器對(duì)稱(chēng)放置的溫度傳感器。硅芯片放在內(nèi)有空氣的氣密封狀體里。加熱器將空氣加熱。靜止?fàn)顟B(tài)下，熱氣囊的空間對(duì)稱(chēng)分布，兩個(gè)溫度傳感器有相同的溫度讀數(shù)。如果在封裝體上加上加速度，芯片將沿著外加加速度的方向做輕微移動(dòng)。因?yàn)閼T性，氣體將落在后面，導(dǎo)致了空氣中溫度分布不對(duì)稱(chēng)，兩個(gè)溫度傳感器的讀數(shù)將變得不同，溫度之差與外加加速度大小對(duì)應(yīng)。b.b.流量傳感器流量傳感器熱線式風(fēng)速計(jì)熱線式風(fēng)速計(jì)熱線式風(fēng)速計(jì)是用來(lái)測(cè)量液體流動(dòng)速度的一種成熟技術(shù)。它利用熱元件既作為熱阻加熱器又作為溫度傳感器。熱電阻器工作時(shí)偏置在自加熱區(qū)

41、，其溫度和阻值隨著液體流動(dòng)的速度而改變。c. .紅外傳感器紅外傳感器基于電容敏感的紅外傳感器基于電容敏感的紅外傳感器懸臂梁吸收了入射的紅外（IR）輻射后，溫度會(huì)上升，導(dǎo)致了雙金屬梁的彎曲。通過(guò)檢測(cè)雙金屬梁彎曲位移來(lái)求出溫度的變化。壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用a.聲學(xué)傳感器聲學(xué)傳感器b.觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器c.流量傳感器流量傳感器a.聲學(xué)傳感器聲學(xué)傳感器壓電微麥克風(fēng)壓電微麥克風(fēng)基于MEMS的麥克風(fēng)尺寸便于控制，易于小型化，可以直接與片上電子器件集成，可形成陣列結(jié)構(gòu)，且因批量制造而具有降低成本的潛力。b.b.觸覺(jué)傳感器觸覺(jué)傳感器 觸覺(jué)傳感器的研究動(dòng)機(jī)在于定量測(cè)量接觸力（或壓觸覺(jué)傳感器的研究動(dòng)機(jī)

42、在于定量測(cè)量接觸力（或壓力）以模擬人的空間分辨力和敏感性，并具有較寬的力）以模擬人的空間分辨力和敏感性，并具有較寬的帶寬和較好的動(dòng)態(tài)范圍。帶寬和較好的動(dòng)態(tài)范圍。c.c.流量傳感器流量傳感器壓電流速傳感器壓電流速傳感器 壓電材料的特性壓電材料的特性壓電材料都是晶體。微觀上，壓電性源于晶體中離子壓電材料都是晶體。微觀上，壓電性源于晶體中離子電荷的位移，它導(dǎo)致極化并形成電場(chǎng)。并不是所有的電荷的位移，它導(dǎo)致極化并形成電場(chǎng)。并不是所有的天然晶體或合成晶體都表現(xiàn)出壓電性。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，天然晶體或合成晶體都表現(xiàn)出壓電性。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，晶體被分為晶體被分為3232種點(diǎn)群結(jié)構(gòu)。其中種點(diǎn)群結(jié)構(gòu)。其中1111種為中心對(duì)

43、稱(chēng)晶體，種為中心對(duì)稱(chēng)晶體，在應(yīng)力作用下，它們的正負(fù)電荷中心不會(huì)發(fā)生空間上在應(yīng)力作用下，它們的正負(fù)電荷中心不會(huì)發(fā)生空間上的分離，因此這些晶體不是壓電材料。剩余的的分離，因此這些晶體不是壓電材料。剩余的2121種非種非中心對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)群中，有中心對(duì)稱(chēng)的點(diǎn)群中，有2020種為壓電晶體。種為壓電晶體。石英石英 作為一種天然的壓電材料，石英最熟悉的應(yīng)用是手表作為一種天然的壓電材料，石英最熟悉的應(yīng)用是手表中的振蕩器石英并不是唯一具有壓電效應(yīng)的晶體材料，中的振蕩器石英并不是唯一具有壓電效應(yīng)的晶體材料，但是由于它的諧振頻率對(duì)溫度特別不敏感，因此才具但是由于它的諧振頻率對(duì)溫度特別不敏感，因此才具有這樣的效應(yīng)。有這樣

44、的效應(yīng)。PZT 因具有很高的壓電耦合系數(shù)，鋯鈦酸鉛因具有很高的壓電耦合系數(shù)，鋯鈦酸鉛Pb（Zrx,Ti1-x)O3或或PZT體系以多晶結(jié)構(gòu)形式得到了體系以多晶結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。PZT 實(shí)際代表一類(lèi)壓電材料。由于制備方實(shí)際代表一類(lèi)壓電材料。由于制備方法不同，法不同，PZT材料可以具備不同的結(jié)構(gòu)和特性。材料可以具備不同的結(jié)構(gòu)和特性。PVDF 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF)PVDF)是一種具有單鏈的合成含氟聚是一種具有單鏈的合成含氟聚合物。它呈現(xiàn)出壓電性、熱釋電性及鐵電性；并具有合物。它呈現(xiàn)出壓電性、熱釋電性及鐵電性；并具有卓越的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械柔韌性以及生物兼容性，卓越的化

45、學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械柔韌性以及生物兼容性，PVDFPVDF的壓電性已經(jīng)得到深入研究。的壓電性已經(jīng)得到深入研究。ZnO ZnOZnO材料的生長(zhǎng)方法很多，包括射頻或直流濺射、離材料的生長(zhǎng)方法很多，包括射頻或直流濺射、離子電鍍和化學(xué)氣相淀積等。在子電鍍和化學(xué)氣相淀積等。在MEMSMEMS領(lǐng)域，經(jīng)常通過(guò)磁領(lǐng)域，經(jīng)常通過(guò)磁控濺射將控濺射將ZnOZnO淀積到不同的材料上，并使淀積到不同的材料上，并使c c軸接近于襯軸接近于襯底的法向。底的法向。 壓阻傳感器材料壓阻傳感器材料金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì) 典型的應(yīng)變計(jì)形狀如右圖所示。通常典型的應(yīng)變計(jì)形狀如右圖所示。通常用之字形的導(dǎo)電通路以便在給定面積用之字形的導(dǎo)電通路以便

46、在給定面積下來(lái)有效的增加電阻的長(zhǎng)度和總電阻下來(lái)有效的增加電阻的長(zhǎng)度和總電阻的大小。的大小。單晶硅單晶硅 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可以通過(guò)對(duì)硅進(jìn)行選擇性摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可以通過(guò)對(duì)硅進(jìn)行選擇性摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。多晶硅多晶硅 對(duì)于對(duì)于MEMSMEMS壓阻器，多晶硅比單晶硅具有更多的優(yōu)點(diǎn)，壓阻器，多晶硅比單晶硅具有更多的優(yōu)點(diǎn)，包括多晶硅能夠淀積在更多的襯底上。多晶硅也表現(xiàn)包括多晶硅能夠淀積在更多的襯底上。多晶硅也表現(xiàn)出壓阻特性，但它的應(yīng)變系數(shù)比單晶硅要小的多。出壓阻特性，但它的應(yīng)變系數(shù)比單晶硅要小的多。 光光MEMSMEMS無(wú)源無(wú)源MEMSMEMS光學(xué)器件光學(xué)器件 透鏡透鏡 反射鏡反射鏡有源光有源光MEMSME

47、MS執(zhí)行器執(zhí)行器 離面小位移執(zhí)行器離面小位移執(zhí)行器 面內(nèi)大位移執(zhí)行器面內(nèi)大位移執(zhí)行器 離面轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行器離面轉(zhuǎn)動(dòng)執(zhí)行器光學(xué)是光學(xué)是MEMSMEMS技術(shù)應(yīng)用最早且最為活躍的領(lǐng)域之一。典技術(shù)應(yīng)用最早且最為活躍的領(lǐng)域之一。典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)字投影儀（型的應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)字投影儀（DLPDLP）、全彩色數(shù)字顯）、全彩色數(shù)字顯示、光纖光開(kāi)關(guān)、生物光學(xué)探測(cè)的集成系統(tǒng)、可調(diào)光示、光纖光開(kāi)關(guān)、生物光學(xué)探測(cè)的集成系統(tǒng)、可調(diào)光源及傳感器等。源及傳感器等。 將將MEMSMEMS應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域，有其特有的優(yōu)勢(shì)。首先應(yīng)用到光學(xué)領(lǐng)域，有其特有的優(yōu)勢(shì)。首先光子幾乎沒(méi)有質(zhì)量，并且施加在微結(jié)構(gòu)上的力很小，光子幾乎沒(méi)有質(zhì)量，并且施加在微結(jié)構(gòu)上的力很小，硅加工形成的器件只和這些光子有相互作用，所以應(yīng)硅加工形成的器件只和這些光子有相互作用，所以應(yīng)用在光學(xué)上非常合適。其次，光用在光學(xué)上非常合適。其次，光MEMSMEMS的封裝相對(duì)簡(jiǎn)單。的封裝相對(duì)簡(jiǎn)單。光光MEMSMEMS部件可以封裝在透光的外殼內(nèi)，保證不受諸如部件可以封裝在透光的外殼內(nèi)，保證不受諸如粒子、氣流等環(huán)境因素的干擾。粒子、氣流等環(huán)境因素的干擾。光光MEMSMEMS在在2020實(shí)際實(shí)際9090年代后期經(jīng)歷了大規(guī)模的商業(yè)化年代后期經(jīng)歷了大規(guī)