微機(jī)電系統(tǒng)的基本工作原理分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 電容效應(yīng)1.1工作原理分析電容傳感器的工作原理是由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化使得S、d或發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。電容式傳感器工作方式可分為變極距式、變面積式和變介質(zhì)式3種類型。(一) 極距變化型極距變化型電容傳感器變間隙式電容式傳感器 當(dāng)傳感器的r和S為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，初始電容量C0為若電容器極板間距離由初始值d0縮小了d，電容量增大了C，則有 在式中，若d/d0

2、<<1時(shí)，則展成級(jí)數(shù)：此時(shí)C與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器只有在d/d0很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。另外，在d0較小時(shí)，對(duì)于同樣的d變化所引起的C可以增大，從而使傳感器靈敏度提高。(二) 面積變化型面積變化式電容傳感器在工作時(shí)的極距、介質(zhì)等保持不變，被測(cè)量的變化使其有效作用面積發(fā)生改變。變面積式電容傳感器的兩個(gè)極板中，一個(gè)是固定不動(dòng)的，稱為定極板，另一個(gè)是可移動(dòng)的，稱為動(dòng)極板。 圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動(dòng)，稱為動(dòng)極板。極板2固定不動(dòng)，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動(dòng)，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運(yùn)動(dòng)。圖c是一個(gè)角位移式的結(jié)

3、構(gòu)。極板2的軸由被測(cè)物體帶動(dòng)而旋轉(zhuǎn)一個(gè)角位移q 度時(shí)，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。當(dāng)動(dòng)極板有一角位移時(shí)，兩極板的相對(duì)面積A也發(fā)生改變，導(dǎo)致兩極板間的電容量發(fā)生變化當(dāng)=0時(shí) C0=A0d當(dāng)0時(shí) C=A01-d=C01-有上述分析得知：面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入呈線性關(guān)系，但與極距變化型相比，靈敏度較低(三) 介質(zhì)變化型介質(zhì)變化型電容傳感器的極距、有效作用面積不變，被測(cè)量的變化使其極板之間的介質(zhì)情況發(fā)生變化。主要用來(lái)測(cè)量?jī)蓸O板之間的介質(zhì)的某些參數(shù)的變化，如介質(zhì)厚度、介質(zhì)濕度、液位等。下圖是改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖傳感器的靈敏度為常數(shù)，電容C理論上與液面

4、h成線性關(guān)系，只要測(cè)出傳感器電容C的大小，就可得到液位h。 1.2應(yīng)用與特點(diǎn)電容式傳感器就是利用兩個(gè)極板之間的位移發(fā)生變化，感受被測(cè)的機(jī)械量，再將其轉(zhuǎn)換成電容變化量的一種傳感器。電容式傳感器不但廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測(cè)量，而且還逐步地?cái)U(kuò)大到用于壓力、差壓、液位、物位或成分含量等方面的測(cè)量。與其他傳感器相比，電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：功率小、阻抗高；靜電引力小、動(dòng)態(tài)特性良好；和電阻式傳感器相比，電容式傳感器本身發(fā)熱影響??；可進(jìn)行非接觸測(cè)量；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，可以在溫度變化比較大或具有各種輻射的惡劣環(huán)境中工作。 電容式傳感器的缺點(diǎn)：輸出具有非線性；寄生電容的影響往往降低傳感器的

5、靈敏度。第二章 壓阻效應(yīng)2.1工作原理分析壓阻效應(yīng)，是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用壓阻系數(shù)來(lái)表征。壓阻系數(shù)被定義為單位應(yīng)力作用下電阻率的相對(duì)變化。壓阻效應(yīng)有各向異性特征，沿不同的方向施加應(yīng)力和沿不同方向通過(guò)電流，其電阻率變化會(huì)不相同。22應(yīng)用壓阻效應(yīng)被用來(lái)制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器，把力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。例如：壓阻加速度傳感器是在其內(nèi)腔的硅梁根部集成壓阻橋（其布置與電橋相似），壓阻橋的一端固定在傳感器基座上，另一端掛懸著質(zhì)量塊。當(dāng)傳感器裝在被測(cè)物體上隨之運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器具有與被測(cè)件相同的加速度，質(zhì)量塊按牛頓定律

6、（第二定律）產(chǎn)生力作用于硅梁上，形成應(yīng)力，使電阻橋受應(yīng)力作用而引起其電阻值變化。把輸入與輸出導(dǎo)線引出傳感器，可得到相應(yīng)的電壓輸出值。該電壓輸出值表征了物體的加速度。 壓阻式傳感器是壓力式傳感器的一種。壓阻式壓力傳感器又稱擴(kuò)散硅壓力傳感器。結(jié)構(gòu)如下圖所示，壓阻式壓力傳感器由于彈性元件與變換元件一體化，尺寸小，其固有頻率很高，可以測(cè)頻率范圍很寬的脈動(dòng)壓力。壓阻式壓力傳感器23特點(diǎn)壓阻式微傳感器就是利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)職稱的微傳感器，其特點(diǎn)是：1) 靈敏度非常高，有時(shí)傳感器的輸出不需放大可直接用于測(cè)量。2) 分辨率高:由于它是一種非機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器，因而分辨率極高。3) 體積小、重量輕、頻率響應(yīng)高

7、:由于芯體采用集成工藝，又無(wú)傳動(dòng)部件，因此體積小，重量輕。小尺寸芯片加上硅極高的彈性系數(shù)，敏感元件的固有頻率很高。在動(dòng)態(tài)應(yīng)用時(shí)，動(dòng)態(tài)精度高，使用頻帶寬，合理選擇設(shè)計(jì)傳感器外型，使用帶寬可以從零頻至100千赫茲。4) 可測(cè)量低頻加速度和直線加速度5) 無(wú)活動(dòng)部件，耐振動(dòng)，耐腐蝕，耐干擾，可在惡劣的環(huán)境中工作。6) 溫度誤差大:須溫度補(bǔ)償、恒溫使用第三章 壓電效應(yīng)3.1工作原理分析某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 正壓電效應(yīng)當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極

8、性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。 壓電效應(yīng)的可逆性 3.2應(yīng)用壓電式壓力傳感器是利用壓電材料所具有的壓電效應(yīng)所制成的。由于壓電材料的電荷量是一定的，所以在連接時(shí)要特別注意，避免漏電。壓電傳感器可以等效為一個(gè)電壓源和一只電容的串聯(lián)，如圖（a）所示，由圖可知，只有在外電路負(fù)載無(wú)窮大，且內(nèi)部無(wú)漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓才能長(zhǎng)期保持不變，如果負(fù)載不是無(wú)窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。因此，必須在壓電傳感器上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器只

9、適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。（a）電壓源 （b）電荷源 壓電式傳感器的等效電路壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)，此時(shí)，電路被視為一個(gè)電荷發(fā)生器，如圖（b）所示。由于高內(nèi)阻，必須進(jìn)行前置阻抗變換，將傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。因此，前置放大器有兩種作用：一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是將它的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。壓電傳感器的測(cè)量電路前置放大器，對(duì)應(yīng)于電壓源和電荷源，也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。 電壓放大器簡(jiǎn)化電路 常用的電荷放大器的等效電路 壓電式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是具有自生信號(hào)，輸出信號(hào)大，較高的頻率響應(yīng)，體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。其缺點(diǎn)是只能用于動(dòng)能測(cè)量。需要特殊電纜，在受

10、到突然振動(dòng)或過(guò)大壓力時(shí)，自我恢復(fù)較慢3.3特點(diǎn)利用壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，不僅可以制作微傳感器和執(zhí)行器，而且，壓電MEMS有個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在一個(gè)單元上兼具傳感/執(zhí)行元件的雙重功能。另外，壓電效應(yīng)還有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1) 響應(yīng)速度快，從微秒到毫秒的范圍；2) 輸出力大(和尺寸相比)，可達(dá)數(shù)千帕；3) 微小位移輸出穩(wěn)定，非常適合制作微執(zhí)行器的元件。第四章 靜電效應(yīng)4.1工作原理分析許多微執(zhí)行器利用靜電力作為驅(qū)動(dòng)力，靜電驅(qū)動(dòng)是有一種使電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的方法。靜電執(zhí)行器就是利用異性電荷的庫(kù)侖力作用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的，可以看成是兩塊帶有相反電荷的平行板相互吸引，產(chǎn)生變形而制

11、動(dòng)。在微電機(jī)和微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)中，準(zhǔn)確估計(jì)靜電力的大小非常重要，在估計(jì)這種微執(zhí)行器產(chǎn)生的力時(shí)，往往需要忽略靜電力和施加電壓之間的非線性關(guān)系。對(duì)于簡(jiǎn)單的靜電微執(zhí)行器，在一定條件下，可以把兩個(gè)帶靜電的板，看成平行的電容器。對(duì)于給定的電壓V時(shí)，平行板電容器儲(chǔ)能W為 W=-12CV2而平行板之間的靜電力F為 F=-WXI可見(jiàn)，靜電力作用屬于表面力，取決于施加的電壓，電極之間的間距，而與電極厚度和體積無(wú)關(guān)。4.2應(yīng)用兩個(gè)電極板面對(duì)面的運(yùn)動(dòng)方式，已經(jīng)應(yīng)用于微閥門(mén)，微泵，硅扭轉(zhuǎn)微鏡和人工肌肉等。這時(shí)微執(zhí)行器的可動(dòng)電極為一個(gè)膜片或者梁，在施加電壓的情況下發(fā)生變形，產(chǎn)生微震動(dòng)，電壓撤消后彈性力使得可動(dòng)電極恢復(fù)原位

12、。4.3特點(diǎn)因?yàn)閮呻娙萜鳂O板之間的靜電力依賴于所施加電壓，間隙和平板的面積，而與平板的厚度與體積無(wú)關(guān)，屬于表面力。因此，靜電執(zhí)行器的微型化與電磁執(zhí)行器，形狀記憶合金執(zhí)行器等與體積密切相關(guān)的執(zhí)行器相比容易實(shí)現(xiàn)。靜電微執(zhí)行器有如下主要優(yōu)點(diǎn)：1) 靜電力的大小僅僅取決于極板的相對(duì)表面和他們之間的距離，這一點(diǎn)非常適合微觀領(lǐng)域。2) 驅(qū)動(dòng)力與體積比較高，靜電力大小與尺寸的平方成比例，尺寸越小，間隙越小，單位體積產(chǎn)生的靜電力越大。3) 采用電壓驅(qū)動(dòng)，易于控制和高速化，可實(shí)現(xiàn)低功耗。另外，其制造工藝和IC工藝相仿，易于集成。但是靜電微執(zhí)行器應(yīng)用中也存在如下問(wèn)題：1) 理論上靜電執(zhí)行器耗能量非常低，但是由于邊

13、緣場(chǎng)的影響以及表面泄露等原因，實(shí)際的輸出能量和效率遠(yuǎn)低于對(duì)他進(jìn)行理論分析得到的值。2) 靜電執(zhí)行器工作時(shí)需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓也限制了它的應(yīng)用。3) 當(dāng)靜電執(zhí)行器電極板表面存在毛刺，灰塵時(shí)，存在電擊穿危險(xiǎn)，因此要求靜電執(zhí)行器的表面非常平整，必須做一個(gè)合適的隔離層，并應(yīng)將其封裝起來(lái)。第五章 熱力效應(yīng)5.1工作原理分析熱驅(qū)動(dòng)的機(jī)理是基于固體和流體的熱膨脹。固體的線性膨脹符合以下公式：Lt=L0+L=L01+t式中，為0時(shí)固體的長(zhǎng)度；為溫度為t是固體的長(zhǎng)度；為熱膨脹系數(shù)；t為溫度。液體的膨脹公式為 V=VT式中，為液體的體膨脹系數(shù)1K。5.2應(yīng)用熱力驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用于微閥門(mén)，微夾子，微泵，為馬達(dá)等。在MEM

14、S領(lǐng)域內(nèi)，一般有以下三種主要方式的微執(zhí)行器結(jié)構(gòu)：第一種方式：雙變體結(jié)構(gòu)。雙變體結(jié)構(gòu)源于雙金屬片原理。雙金屬片常用于溫度控制的電開(kāi)關(guān)，他把兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬結(jié)合成三明治結(jié)構(gòu)。受熱時(shí)，由于一片金屬的熱膨脹量大于另一片，雙金屬片將向熱膨脹量小的一方彎曲。彎曲的狀況取決于熱膨脹系數(shù)的差和絕對(duì)溫度的大小。熱驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器的雙變體結(jié)構(gòu)有多晶硅和其上覆蓋的金屬組成三明治構(gòu)成，集成的多晶硅作為加熱電阻。第二種結(jié)構(gòu)：彎曲梁結(jié)構(gòu)。與雙變體結(jié)構(gòu)上下兩層不同材料組成“雙金屬結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)的垂直彎曲不同，彎曲梁結(jié)構(gòu)用另一種方法實(shí)現(xiàn)了梁的水平彎曲。它的設(shè)計(jì)思想仍然是兩根平行的梁熱膨脹量不同但他不是用不同的材料，而是用不同

15、尺寸的同一種材料組成的雙梁結(jié)構(gòu)。在電極上加以適當(dāng)?shù)碾妷?，冷臂，熱臂和彎曲段相?dāng)于串聯(lián)的電阻，由于熱臂的截面積比冷臂小得多，所以其電阻大，進(jìn)而發(fā)熱量比冷臂大得多，因而有較大的熱膨脹量，整個(gè)結(jié)構(gòu)將向冷臂方向彎曲。停止加熱，由于熱量散失，梁將會(huì)回到初始位置。第三種結(jié)構(gòu)：熱空氣結(jié)構(gòu)。熱空氣結(jié)構(gòu)是一種完全不同于以上所有設(shè)計(jì)的一種結(jié)構(gòu)。以上的所有結(jié)構(gòu)都是利用半導(dǎo)體材料本身的熱膨脹。由于固體熱膨脹率較小，所以這些設(shè)計(jì)的要點(diǎn)都是試圖增大熱膨脹帶來(lái)的位移量。熱空氣結(jié)構(gòu)則是利用氣體的熱膨脹，半導(dǎo)體材料的作用是支撐氣體腔和提供電阻并加熱氣體。5.3特點(diǎn)熱驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器的優(yōu)勢(shì)之一是克服了靜電驅(qū)動(dòng)和磁驅(qū)動(dòng)對(duì)距離有很大依賴

16、的弱點(diǎn)，熱應(yīng)力是結(jié)構(gòu)內(nèi)力，只要保證驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)能夠獲得一定熱能就能產(chǎn)生相應(yīng)的形變，從而完成驅(qū)動(dòng)。第六章 形狀記憶合金效應(yīng)61工作原理分析形狀記憶合金是一種能夠記憶原有形狀的智能材料。當(dāng)合金在低于相變態(tài)溫度下，受到一有限度的塑性變形后，可由加熱的方式使其恢復(fù)到變形前的原始形狀，這種特殊的現(xiàn)象稱為形狀記憶效應(yīng)。根據(jù)各種形狀記憶合金的不同記憶功能，可以分為單程記憶效應(yīng)，雙程記憶效應(yīng)，全程記憶效應(yīng)1) 單程記憶效應(yīng)：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過(guò)程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。 2) 雙程記憶效應(yīng)：某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀，稱

17、為雙程記憶效應(yīng)。 3) 全程記憶效應(yīng)：加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。6.2應(yīng)用當(dāng)記憶合金恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)時(shí)，可輸出力而做工，它被認(rèn)為是有發(fā)展前途的驅(qū)動(dòng)組元的智能材料。因此常常用于微執(zhí)行器，如旋轉(zhuǎn)型的微執(zhí)行器，微關(guān)節(jié)，微機(jī)器人以及微彈簧等。形狀記憶合金除了可用于溫度控制裝置，集成電路引線，汽車(chē)零件與機(jī)械零件外，由于其與生物體的相容性好，耐腐蝕性強(qiáng)，還可用于骨折部位的固定，人造心臟零件，牙齒矯正以及醫(yī)用導(dǎo)管等醫(yī)用材料。6.3特點(diǎn)與靜電，熱力的和壓電驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器相比，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)具有最大做功密度大，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，柔軟易變形，驅(qū)動(dòng)電壓低，尺寸可在微米級(jí)別

18、，但是不足之處在于：形狀記憶合金在微執(zhí)行器上應(yīng)用時(shí)，難以與硅的制作工藝兼容?？偨Y(jié)及心得1. 通過(guò)這次的論文設(shè)計(jì)報(bào)告，深刻的體會(huì)到多查閱資料的重要性，而且已基本了解了MEMS的基本工作原理。2. 寫(xiě)論文的過(guò)程中，深入的了解了各種效應(yīng)和利用這些效應(yīng)制成的微傳感器及微執(zhí)行器。參考文獻(xiàn)：1. 婁利飛，微機(jī)電系統(tǒng)與設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，20102. 蒙文舜等，電容傳感器的原理及應(yīng)用，陜西 20033. 南航，北航合編，傳感器原理，北京國(guó)防工業(yè)出版社，19804. 周海峰，形狀記憶合金及其應(yīng)用，機(jī)電設(shè)備，20025. Wen H.KO,PEN-TUNG SA.Trends and Frontiers of MEMS. Sensors and Actuators A:Physical,2007,136(1):62676. 鞠瑜華，黃慶安，靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)電數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電子器件，2004,27（1）：87-907. 傅建中，胡旭曉.微系統(tǒng)原理與