第5章 微傳感器和微執(zhí)行器(第2部分)

1、 第第5 5章章 微傳感器和微執(zhí)行器微傳感器和微執(zhí)行器( (第第2 2部分部分) ) 有一些特殊的材料，比如某種聚合物，當(dāng)暴露在某種化學(xué)物質(zhì)中的時(shí)候，其形狀會(huì)發(fā)生變化（包括濕度的改變）。我們可以通過測(cè)量這種材料的尺寸變化來檢測(cè)這種化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)機(jī)械傳感器化學(xué)機(jī)械傳感器 工作原理和化學(xué)電阻式傳感器類似。有些半導(dǎo)體金屬，如SnO2，當(dāng)吸收了某種氣體后可以改變自身的電阻。金屬氧化物氣體傳感器金屬氧化物氣體傳感器微型觸覺傳感器微型觸覺傳感器 觸覺傳感器其敏感元件直接與固體接觸。 荷蘭Delft大學(xué)研制的三維電容式觸覺傳感器。 微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(7)其它其它 3232個(gè)元件的壓阻式敏感法向壓

2、力的觸覺傳感器。有1到2 mV.cm2/Kg（10到20 V/kPa)的靈敏度。 聲波傳感器聲波傳感器 聲波傳感器的主要應(yīng)用是測(cè)量氣體中的化學(xué)成分。這些傳感器通過將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能來產(chǎn)生聲波。聲波器件同樣也用于在微流體系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)流體。這種傳感器的激勵(lì)能量主要由以下兩種機(jī)理來提供：壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)。然而，對(duì)于激勵(lì)聲波，前者應(yīng)用更為普遍。四種主要的聲波傳感器類型微型紅外傳感器微型紅外傳感器密西根大學(xué)研制的紅外陣列傳感器，敏感元件為375m375m，有32個(gè)n-p型多晶硅熱電偶組成的熱電堆，其靈敏度為30V/W 。 紅外傳感器主要由隔熱空腔及其上的熱電堆、pn結(jié)、熱敏電阻等感溫元件組成。光纖敏

3、感光纖敏感基于光線的敏感方式是利用光纖中光的相位和強(qiáng)度與光纖彎曲度、光纖上的機(jī)械應(yīng)力、溫度等有關(guān)這一原理。如果一段光纖是直的，光在其中會(huì)走過一段特定的光學(xué)路徑。如果光纖由于機(jī)械形變而產(chǎn)生彎曲，那么新的有效光學(xué)路徑將導(dǎo)致光在光纖末端輸出時(shí)的相位和強(qiáng)度發(fā)生變化。 基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET)FET)傳感的加速度傳感的加速度計(jì)計(jì)晶體管工作原理：以N性襯底為例，當(dāng)沒有施加電壓時(shí)，源區(qū)和漏區(qū)之間幾乎沒有電流；當(dāng)施加足夠大的負(fù)電壓后，就會(huì)形成反形區(qū)，該反形區(qū)被稱為溝道，它幫助電流順利在源和漏之間流動(dòng)。 利用FET柵的位移敏感的加速度傳感器加速度計(jì)的振動(dòng)質(zhì)量塊是FET的柵，從而柵與溝道之間的

4、距離與施加的加速度有關(guān)，距離的變化將使晶體管的閾值電壓UT的值發(fā)生變化。 射頻諧振敏感射頻諧振敏感諧振式壓力傳感器諧振式壓力傳感器平面螺旋電感覆蓋在有低溫共燒陶瓷制成的壓敏薄膜上。電感的中央接觸尺寸被有意放大，使其能與對(duì)面的電極表面構(gòu)成一個(gè)可觀的電容。如果壓力發(fā)生變化，薄膜將產(chǎn)生形變位移，相應(yīng)的電容值將發(fā)生變化。同時(shí)電感值也會(huì)隨著薄膜的彎曲而改變。即諧振電路的諧振頻率與壓力有關(guān)。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

5、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，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-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)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 微系統(tǒng)加速快、速度高； 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)境干擾因素小。微執(zhí)

6、行器的概念微執(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)器的分類微致動(dòng)器的分類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 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)帶異性電荷的電極板之間具有吸引力。 從庫侖定律 平板電容器 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、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，無需專門的功能材料； 2、功耗低：靜電執(zhí)行依賴于電壓差而非電流，低頻時(shí)有很高的

7、能效，靜態(tài)時(shí)由于不存在電流這一優(yōu)點(diǎn)尤其明顯； 3、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)生靜電力Felectric,可動(dòng)極板在起始位置時(shí)的靜電力Felectric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)力與靜電力隨電極位置的變化。對(duì)于恒定的偏置電壓U,機(jī)械回復(fù)力(Fmechanical )隨著極板位置線性變化，靜電力(Felect

8、ric)隨著極板位置非線性變化。 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)，兩平板將迅速吸合直到接觸到一起，這一現(xiàn)象稱為吸合。引起吸合所須的電壓與位移對(duì)于靜電執(zhí)行器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 如圖所示，一平行板電容器是由尺寸 （或1 mm）的方板組成的。當(dāng)兩板間距為 ，求法向靜電力。平板由靜止空氣隔開。 mWL1000md2例題：例題：解：解： 作用在平板上的法向靜電力 的大小，可以由公式計(jì)算出來，其中空氣為 絕緣介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為 ，真空介電常數(shù)為 ordF2221xAVdxdWFor0 . 1rmpF /85. 802212

9、/1085. 8mNC262661210221010001010001085. 80 . 1VFd2610106. 1V 代入?yún)?shù)，得到靜電梳齒驅(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)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.慣性傳感器 基于梳狀驅(qū)動(dòng)的慣性傳感器可以用各種方式來實(shí)現(xiàn)。ADXL加速度計(jì)是最經(jīng)典的一種MEMS傳感器，它是基于共面橫向梳狀驅(qū)動(dòng)的。 梳狀驅(qū)動(dòng)

10、加速度計(jì)梳狀驅(qū)動(dòng)加速度計(jì) 2.執(zhí)行器 梳狀驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器常常用來產(chǎn)生面內(nèi)或離面位移。用于光開關(guān)的梳狀驅(qū)動(dòng)器用于光開關(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，寬度為w的懸臂梁，在距固定端X處施加集中載荷時(shí)，梁末端的偏移量T可由下式給出： 其中，距離梁固定端x處的靜電力q(x)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”

11、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)靜電光開關(guān)靜電光開關(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實(shí)現(xiàn)開關(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)

12、微泵 微泵的尺寸為，由靜電驅(qū)動(dòng)膜片、被動(dòng)閥、進(jìn)口和出口組成。泵用峰值為150200V、頻率從0.1Hz到10kHz的電壓脈沖驅(qū)動(dòng)。該泵的最大流速可達(dá)到250-850L/min（正向）和 200-350 L/min（反向）。在供電電壓為200V時(shí)，可達(dá)到最大背壓為310cm H2O，最大流速為850L/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 利用熱來驅(qū)動(dòng)的熱致動(dòng)器或簡(jiǎn)單的加熱器（一個(gè)電阻器）廣泛應(yīng)用于微機(jī)械器件中，是一種十分常見的驅(qū)動(dòng)方式。從原理上分，熱致動(dòng)器可以分為熱氣動(dòng)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)動(dòng)。 熱氣動(dòng)式：熱氣

13、動(dòng)式：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噴出墨滴。熱噴墨打印機(jī)墨嘴的示意圖如下圖所示。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膨脹系數(shù)，被稱為雙晶片熱激勵(lì)。 一個(gè)加熱器常被夾在兩層“活動(dòng)”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)決定）以及比靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

14、 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，但它不利用固體的體積膨脹，而是利用固體的線性膨脹來制造微致動(dòng)器。雙金屬熱致動(dòng)是通過加熱，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，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)IC Sensors利用

15、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，常開間隙為的閥可控0.2MPa的氣流，泄漏僅為45L/min 金屬層加熱膜硅進(jìn)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，而是利用體積膨脹利用體積膨脹也可以制造出微機(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（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，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時(shí)間常數(shù)所致。 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)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機(jī)械載荷。例

16、如，可以通過加熱將水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動(dòng)力。 微執(zhí)行器的致動(dòng)方式微執(zhí)行器的致動(dòng)方式(3)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）。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，

17、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(1)(1) 德國(guó)Ilmenau技術(shù)大學(xué)研制的壓電致動(dòng)硅微無閥泵，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)和微型夾具等方面都有應(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（收縮），將它們總稱為形狀記憶合金（SMA），其中最著名的是鈦鎳合金。 SMA效應(yīng)源于合金馬氏體（主要為三角晶系）和奧