微機(jī)電系統(tǒng)及應(yīng)用-應(yīng)用課件

微機(jī)電系統(tǒng)及應(yīng)用

應(yīng)用

概述微機(jī)電系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用微型泵的應(yīng)用微鏡投影儀微機(jī)電系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用在汽車工業(yè)中的應(yīng)用在現(xiàn)代化的汽車中，為了提高汽車的安全性和各種性能，需要各種高效、高精度、高可靠性和低成本的電子和機(jī)械裝置。一般的汽車平均使用40個(gè)傳感器，而豪華型汽車所使用的傳感器達(dá)到上百個(gè)。事實(shí)表明：微機(jī)電傳感器在汽車工業(yè)的發(fā)展中起著重要的作用，未來微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展將使汽車的各個(gè)系統(tǒng)更加智能化、輕量化以及更加便宜可靠。微機(jī)電傳感器在汽車中的應(yīng)用智能型低污染發(fā)動(dòng)機(jī)：包括進(jìn)氣流量控制，電子噴油控制，汽缸壓力測(cè)量，汽缸壓力測(cè)量，油/氣比值測(cè)量，電子點(diǎn)火適時(shí)控制，排氣成分分析，油門踏板位置測(cè)量等。智能型活動(dòng)底盤：包括車輛懸掛系統(tǒng)，減振系統(tǒng)，車輪偏向修正系統(tǒng)，方向盤角度測(cè)量，輪胎壓力測(cè)量與控制，剎車油壓測(cè)量與控制，底盤高度測(cè)量與控制等。智能型安全與導(dǎo)航：包括輔助停車系統(tǒng)，防撞警告系統(tǒng)，霧中視覺輔助系統(tǒng)，速度測(cè)量，路面狀況虛擬系統(tǒng)，陀螺儀，輔助剎車(ABS等)，車距測(cè)量，智能型安全氣囊等。汽車中使用的MEMS傳感器

目前在汽車上應(yīng)用較多的是微硅壓力傳感器和加速度傳感器。

壓力傳感器

自1958年首次出現(xiàn)硅結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，它已經(jīng)成為目前技術(shù)最成熟的硅微機(jī)械器件。其價(jià)格已經(jīng)從六十年代的1000美元下降到現(xiàn)在的幾個(gè)美元。用于汽車上的硅微傳感器原理主要有兩種：壓阻式和電容式。其制造方法主要有兩種：采用單晶硅的體硅微加工和采用多晶硅的表面硅微加工。歐洲壓力傳感器供應(yīng)商主要有Simens公司、Bosch公司等，美國(guó)主要為Motorola公司、Honeywell公司等。

硅壓力傳感器在汽車中的應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)控制和傳動(dòng)系統(tǒng)。例如：流量絕對(duì)壓力測(cè)量，氣壓測(cè)量，排氣回流測(cè)量，燃料壓力測(cè)量等。懸掛/制動(dòng)和牽引控制系統(tǒng)。例如：輪胎壓力監(jiān)測(cè)，主動(dòng)懸掛液壓測(cè)量。駕駛與乘座環(huán)境控制系統(tǒng)。例如:座椅腰部支撐壓力測(cè)量，空調(diào)控制壓力傳感器。加速度傳感器

在硅壓力傳感器研制成功之后，硅加速度傳感器作為另一類硅微機(jī)械傳感器大量進(jìn)入市場(chǎng)。第一個(gè)硅微機(jī)械加速度傳感器于1979年由Stanford大學(xué)發(fā)明。如今已經(jīng)出現(xiàn)了基于各種不同原理的加速度傳感器，如：壓電、壓阻、電容、隧道、諧振等。目前，多晶硅表面微機(jī)械電容式和單晶硅體硅加速度傳感器占領(lǐng)了汽車加速度傳感器市場(chǎng)的大部分份額。每年的產(chǎn)量已經(jīng)超過數(shù)百萬只，使得其價(jià)格下降到10美元以下，例如AD公司一個(gè)月的產(chǎn)量就達(dá)到兩百萬只。加速度傳感器

硅加速度傳感器主要應(yīng)用在碰撞探測(cè)與氣囊釋放系統(tǒng)中。安全氣囊傳感器一般安裝在汽車發(fā)生碰撞時(shí)受到擠壓的部位，傳感器根據(jù)碰撞的嚴(yán)重程度，適時(shí)使氣囊作用。另一種傳感器安置在非擠壓的區(qū)域，這種傳感器常稱為安全傳感器，它能夠防止乘客無意磕碰(或摸弄)前部的傳感器而使氣囊作用。除安全氣囊外，加速度計(jì)還用于汽車的懸掛系統(tǒng)和防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。加速度傳感器

汽車用硅微加速度計(jì)主要有兩種，壓阻式加速度計(jì)和電容式加速度計(jì)壓阻式加速度計(jì)具有直流響應(yīng)，輸出阻抗很低，有很寬的工作溫度范圍(－50~＋150℃)，其缺點(diǎn)是輸出信號(hào)中等以及比較復(fù)雜的溫度靈敏系數(shù)和零點(diǎn)補(bǔ)償。常用于汽車中的有源懸掛的控制，在這種控制中需要良好的低頻特性。電容式加速度傳感器的特點(diǎn)是：溫度靈敏系數(shù)低，信號(hào)拾取簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)零件少，工作可靠，靈敏度高，對(duì)磁場(chǎng)不敏感，很容易實(shí)現(xiàn)自檢。其缺點(diǎn)是：頻響范圍和精度受到限制，校準(zhǔn)困難。由于極小的寄生電容就會(huì)嚴(yán)重地影響其線性電路，因此信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)很困難。微機(jī)電系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

光開關(guān)

微型化技術(shù)可以制造非常小、高容量的光開光陣列。這些光開光可以使得信號(hào)通過光路從一條光纖耦合到另一條光纖而不需要將其變成電信號(hào)。目前的光纖傳輸速度已經(jīng)超過電開關(guān)的最大能力，電開關(guān)的處理速度已經(jīng)成為光纖通信系統(tǒng)中的瓶頸，光互聯(lián)器的出現(xiàn)有可能解決這個(gè)問題。光開關(guān)主要使用四種方法實(shí)現(xiàn)：機(jī)械方法（光纖彎曲）、平面波導(dǎo)（其中的加熱器和帕爾帖器件改變折射率從而改變光路）、動(dòng)反射鏡、以及氣泡型（氣泡在交叉波導(dǎo)間反射光線）。

微機(jī)電系統(tǒng)在通信中的應(yīng)用

無線通信中的應(yīng)用目前世界上許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行RFMEMS在手機(jī)和其它無線通信產(chǎn)品上的應(yīng)用。已經(jīng)有多種RFMEMS無源器件可以制作在硅或其它材料的基片上，某些元件的制作還與IC技術(shù)兼容。RFMEMS技術(shù)除了使器件尺寸變小，還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的其他某些缺點(diǎn)。例如，用MEMS技術(shù)制作的懸臂梁式開關(guān)在閉合時(shí)是金屬直接接觸，關(guān)閉時(shí)絕緣物是空氣或SiO2、Si3N4，而且操作過程中沒有漏電流，所以在絕緣性、插入損耗、線性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過傳統(tǒng)方法制作的開關(guān)。另外，懸浮式薄膜可變電容，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)減小了襯底損耗，比IC技術(shù)制造的二極管電容具有更好的品質(zhì)因數(shù)。微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

人造臟器

這類裝置中典型的例子是助聽器，帶有集成微麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和能源、適合外耳道的系統(tǒng)在市場(chǎng)上已可以買到，通過特殊匹配技術(shù)來提高患者的聽力。微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

植入治療

早在30年前，第一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)就作為心臟起搏器在醫(yī)療技術(shù)中得到應(yīng)用的。目前的起搏器可利用MEMS傳感器，監(jiān)測(cè)心臟跳動(dòng)情況，控制起搏器的發(fā)生的信號(hào)。對(duì)某些耳部的機(jī)械成份受到損傷的病人，其聽覺神經(jīng)(耳蝸)仍正常。使用外部微麥克風(fēng)，用來接收聲信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號(hào)，利用由電極組成的線與耳蝸聯(lián)接起來，可以對(duì)聽覺神經(jīng)進(jìn)行電刺激。根據(jù)特殊的訓(xùn)練，患者就可以把這些脈沖剌激轉(zhuǎn)換成聽覺信息。今后的技術(shù)發(fā)展可能會(huì)利用微機(jī)電系統(tǒng)來代替有缺陷的視網(wǎng)膜，圖像可由盲人眼中或眼附近的CCD裝置來接收，利用電刺激傳送給視網(wǎng)膜的神經(jīng)反射。人們希望通過一段訓(xùn)練，患者可以學(xué)會(huì)把這種信息轉(zhuǎn)換成鮮明的圖像。微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

體內(nèi)顯微手術(shù)

體內(nèi)手術(shù)所需的微機(jī)電系統(tǒng)包括微手術(shù)鉗、微手術(shù)刀、微手術(shù)鉆等。微手術(shù)鉗可用來夾持單獨(dú)的細(xì)胞，也可當(dāng)帶上傳感器作為探針使用。微手術(shù)刀可用來將被微手術(shù)鉗夾持的疾病組織切除。微手術(shù)鉆是由一系列齒輪構(gòu)成，可用來清除血管內(nèi)的障礙或動(dòng)脈里多余的脂肪。此外，微手術(shù)剪、微內(nèi)窺鏡、微導(dǎo)管等微機(jī)械都是微手術(shù)系統(tǒng)必需的工具。微機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

體內(nèi)顯微手術(shù)

作為智能內(nèi)窺鏡的微系統(tǒng)也要把致動(dòng)器集成到里面，通過外科醫(yī)生從外部來控制致動(dòng)器，并且由所安裝的傳感器來監(jiān)測(cè)。這種柔性內(nèi)窺鏡的一個(gè)重要特性是能夠利用其本身的傳動(dòng)裝置在人的血管中行走，能夠搜索并對(duì)準(zhǔn)手術(shù)部位。目前人們將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、MEMS機(jī)器人技術(shù)與微內(nèi)窺鏡技術(shù)結(jié)合起來，使得醫(yī)生可以遠(yuǎn)程體內(nèi)手術(shù)。2001年在紐約的醫(yī)生通過遠(yuǎn)程操作為遠(yuǎn)在法國(guó)的病人進(jìn)行了膽囊手術(shù)，這是世界上首例遠(yuǎn)程手術(shù)。微型泵的應(yīng)用

微流動(dòng)系統(tǒng)是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，近年來已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域。微泵作為一個(gè)重要的微流動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是其發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微型泵在生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及微型航天器等許多方面都有重要的應(yīng)用。

微型泵的應(yīng)用

微流動(dòng)系統(tǒng)是微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，近年來已經(jīng)成為熱門的研究領(lǐng)域。微泵作為一個(gè)重要的微流動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是其發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微型泵在生命科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及微型航天器等許多方面都有重要的應(yīng)用。微透析、微量注射、微推進(jìn)微型泵根據(jù)其有無可動(dòng)閥片可分為有閥型微泵和無閥型微泵。有閥型微泵往往基于機(jī)械驅(qū)動(dòng)，原理簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，易于控制，是目前應(yīng)用的主流；無閥型微泵則常常利用流體在微尺度下的新特性，原理比較新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。

微鏡投影儀

1987年德州儀器公司開發(fā)出的第一個(gè)數(shù)字微鏡器件（DigitalMicromirrorDevice，DMD）是一種典型的微機(jī)電系統(tǒng)器件。一個(gè)數(shù)字微鏡器件為一個(gè)在硅基底上的二維光開光元件（像素）陣列。如圖所示，其中一個(gè)像素被除去，可看到鋁反射鏡下面的硅片。目前，DMD的最大像素?cái)?shù)量為120萬，每個(gè)像素的大小為16μm×16μm，填充系數(shù)為90％。到2000年3月，已經(jīng)有超過75萬臺(tái)基于DMD