第5章 微傳感器和微執(zhí)行器

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1 1部分）部分）n微傳感器的概念微傳感器的概念n微傳感器的分類微傳感器的分類n基本敏感原理介紹基本敏感原理介紹n微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例n微執(zhí)行器的分類微執(zhí)行器的分類n基本致動(dòng)方式介紹基本致動(dòng)方式介紹n微執(zhí)行器的實(shí)例微執(zhí)行器的實(shí)例本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器：基于微傳感器：基于MEMS工藝的工藝的，能把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件，通常由敏感元件和傳輸元件組成。MEMS微傳感器原理框圖微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：l量程：測(cè)量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。l靈敏度：傳

2、感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值l線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。l分辨率：指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)可能檢測(cè)出的被測(cè)量的最 小變化量。l重復(fù)性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試 時(shí)所得特性曲線不一致程度。l頻響范圍：在規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作 的頻率區(qū)間。附例：附例：一個(gè)微加速度傳感器的指標(biāo)一個(gè)微加速度傳感器的指標(biāo)靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 安裝諧振點(diǎn):30kHz 分辨率：0.0002g 抗沖擊：2000g 重量：8mg安裝螺紋：M5 mm 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3%輸出阻抗：150 激勵(lì)電壓：18-

3、30VDC 典型值：24VDC溫度范圍：-40+120 殼絕緣電阻： 安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm l按傳感機(jī)理分按傳感機(jī)理分 壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對(duì)流l按物理參數(shù)分按物理參數(shù)分 力（加速度/壓力/聲） 熱（熱電偶/熱阻） 光（光電類） 電磁（磁強(qiáng)計(jì)） 化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械）微傳感器的分類微傳感器的分類(1)壓阻敏感原理壓阻敏感原理 當(dāng)壓力作用在單晶硅上時(shí)，硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應(yīng)力分布，應(yīng)力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化微傳感器的敏

4、感原理微傳感器的敏感原理ALRdKELLRR21d21d21 EKE電阻的基本關(guān)系式電阻率的變化率電阻的變化率其中，為壓阻系數(shù)壓阻變化的具體過(guò)程壓阻變化的具體過(guò)程 1）金屬電阻的改變主要由材料幾何尺寸的變化引起，因此 起主要作用； 2)半導(dǎo)體電阻的改變主要由材料受力后電阻率的變化引起，因此 起主要作用； 3)半導(dǎo)體的靈敏度因子比金屬的高得多，一般在70-170之間。21 E壓阻式傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)一般需要采用惠斯通電橋輸出電壓電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu) (2)電容敏感原理電容敏感原理 利用可變電容器作為傳感元件，將作用于傳感元件上的不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化。 間隙變化型：改變兩極板間

5、隙面積變化型：改變形成電容的有效面積A介質(zhì)變化型：改變兩極間介質(zhì)的介電常數(shù)平行板電容器的電容為AC0間隙變化型電容式微傳感器11CC利用泰勒級(jí)數(shù)展開，由麥克勞林公式可得 nCC21略除高階無(wú)窮小項(xiàng)，得2dSdCKCC這時(shí)傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為dd100%采用差動(dòng)電容結(jié)構(gòu)可以大大減小傳感器輸出的非線性：01AC02ACACC2112101212CCCC(3)(3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 在距離十分接近的隧道探針與電極之間加一個(gè)偏置電壓，當(dāng)針尖和電極之間的距離接近納米量級(jí)時(shí)，電子就會(huì)穿過(guò)兩者之間的勢(shì)壘，形成隧道電流。 隧道電流質(zhì)量塊隧道探針輸入感應(yīng)力方向膜隧道電流式微傳感器的基

6、本結(jié)構(gòu) 為直流驅(qū)動(dòng)電壓，單位為V； 為隧道電流，單 位為A； 為常數(shù)，等于 ； 為有效隧 道勢(shì)壘高度，單位為eV； 為隧道電極間距，單位為nm。在標(biāo)準(zhǔn)情況下(0.5 eV，1nm)，隧道電極間距 變化0.1nm時(shí)，隧道電流 改變2倍。利用這個(gè)原理，可以設(shè)計(jì)各種微傳感器。bVtI211eVnm25.10dtIdtIdVbexp 隧道電流式微傳感器是一種高靈敏度的微傳感器，具有噪聲小、溫度系數(shù)小以及動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)。(4)壓電敏感原理壓電敏感原理 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng): :某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷；若將外力去掉時(shí)，又重新回到不帶電的狀態(tài)。 逆

7、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）。 n壓電材料的特性常常用電荷靈敏度系數(shù)來(lái)表示n電荷靈敏度系數(shù)：沿i軸在材料表面產(chǎn)生的電荷與沿j軸所加的力F的關(guān)系A(chǔ)dFdQijjij得出兩金屬板間的電壓差A(yù)FdVAQCQVrojxijiroX(5)諧振式敏感原理諧振式敏感原理 當(dāng)加速度計(jì)連接的外殼的振動(dòng)頻率接近器件的固有頻率時(shí)，共振就會(huì)發(fā)生；也就是/n1.0。檢測(cè)質(zhì)量在這個(gè)頻率下振幅達(dá)到峰值。對(duì)微加速度計(jì)而言，器件在這一頻率提供了最靈敏的輸出。這種振動(dòng)測(cè)量器件在共振頻率處的峰值靈敏度的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在微傳感器設(shè)計(jì)中被利用。 Howe1987發(fā)展了一個(gè)分析承受縱

8、向力的振動(dòng)梁在模態(tài)1時(shí)的固有頻率的理論 dxxbhYdxdxxdYFdxdxxYdEILLLn0210021221221 .)(21)(2)(2(6)熱對(duì)流式敏感原理熱對(duì)流式敏感原理 向加熱元件施加一定的熱功率，加熱元件周圍形成溫度場(chǎng)，流體流動(dòng)使溫度場(chǎng)發(fā)生變化，分別位于上下游的檢測(cè)元件之間就會(huì)產(chǎn)生溫差。TJcPQPmmQmaVVVo壓敏電阻m壓電材料aCfVoma電極解調(diào) Voma硅尖加熱電阻熱敏電阻VVVoa氣腔傳感器類型測(cè)量范圍精度頻響線性度信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡(jiǎn)單電橋電路簡(jiǎn)單好電容式小高中較好高靈敏度的開關(guān)電容或電橋電路復(fù)雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環(huán)諧振回路復(fù)

9、雜差壓電式大低高較好電荷放大器簡(jiǎn)單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測(cè)電路復(fù)雜差熱對(duì)流式大中低一般熱敏電阻電橋簡(jiǎn)單差各種敏感原理特點(diǎn)比較n各種敏感原理的優(yōu)缺點(diǎn)各種敏感原理的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜電敏感材料簡(jiǎn)單需要較大的器件尺寸以得到足夠大的電容較低的工作電流與工作電壓信號(hào)讀出電路復(fù)雜響應(yīng)速度快對(duì)微粒與濕度敏感熱敏感材料簡(jiǎn)單相對(duì)較大的功耗省去了可動(dòng)部件相對(duì)靜電敏感響應(yīng)速度較慢壓阻敏感高靈敏度需要硅摻雜工藝以獲取高性能的壓敏電阻材料簡(jiǎn)單（金屬應(yīng)變計(jì)）對(duì)環(huán)境溫度變化敏感壓電敏感電信號(hào)自產(chǎn)生能力，無(wú)需外加電源材料生長(zhǎng)和制造工藝流程復(fù)雜，不能在高溫條件下工作微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(1)力學(xué)力學(xué)微加速度傳感

10、器微加速度傳感器微陀螺儀微陀螺儀微壓力傳感器微壓力傳感器微麥克風(fēng)微麥克風(fēng)微加速度傳感器微加速度傳感器n主要用于測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度：過(guò)載、振動(dòng)和沖擊n壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式微加速度計(jì)。壓阻式壓阻式 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222撓度應(yīng)力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一階固有頻率3322dMKbabaMKc阻尼比壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線第一個(gè)微加速度計(jì)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖美國(guó)IC Sensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計(jì)電容式電容式懸浮支架 加速度固定支架導(dǎo)電電極襯底質(zhì)量塊

11、a)垂直敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)固定支點(diǎn)加速度懸浮支架質(zhì)量塊感應(yīng)叉指b) 水平敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)的不同敏感電容1) 1) 平行板電容式微加速度計(jì)平行板電容式微加速度計(jì) “三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)硅玻璃玻璃硅硅 平行板結(jié)構(gòu)電容平行板結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)雖然式微加速度計(jì)雖然具有較高的靈敏度具有較高的靈敏度，但是其制作需要，但是其制作需要腐蝕、組裝、鍵合腐蝕、組裝、鍵合等多種工藝，過(guò)程等多種工藝，過(guò)程復(fù)雜，無(wú)法與硅平復(fù)雜，無(wú)法與硅平面工藝兼容，難以面工藝兼容，難以實(shí)現(xiàn)批量化、低成實(shí)現(xiàn)批量化、低成本生產(chǎn)。本生產(chǎn)。 2) 2) 梳狀電容式微加速度計(jì)梳狀電容式微加速度計(jì) 撓性梁定齒

12、基底位移位移定齒定齒立柱敏感質(zhì)量C1C2 梳狀結(jié)構(gòu)梳狀結(jié)構(gòu)的電容式微加速度計(jì)一般采用叉指結(jié)構(gòu)叉指結(jié)構(gòu)，屬于硅材料線加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)加工工藝與集成電路加工工藝兼容性好，可以將敏感元件和信號(hào)調(diào)理電路用相同的工藝在同一硅片上完成，實(shí)現(xiàn)整體集成。 隧道電流式隧道電流式 隧道式微加速度計(jì)，通常有懸臂梁式、多梁支撐式和扭擺軸式等幾種結(jié)構(gòu) 懸臂梁隧道針尖懸臂梁式隧道效應(yīng)微加速度計(jì)檢測(cè)質(zhì)量電極扭轉(zhuǎn)鉸鏈檢測(cè)質(zhì)量可變電極擠壓膜阻尼孔氮化層懸臂梁隧道針尖Stanford大學(xué)的雙懸臂梁式隧道效應(yīng)加速度計(jì) 壓電式微加速度計(jì)壓電式微加速度計(jì) 壓電式微加速度計(jì)具有測(cè)量范圍寬、啟動(dòng)快、功耗低、直流供電、抗沖擊振動(dòng)、可靠性高等

13、顯著優(yōu)點(diǎn)，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質(zhì)量壓電式微加速度計(jì)原理示意圖m微陀螺儀微陀螺儀n利用振動(dòng)質(zhì)量塊被基座(儀表殼體)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的哥氏效應(yīng)來(lái)敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數(shù)字化及可重復(fù)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 線驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀線驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀 角驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀角驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀 線振動(dòng)(音叉式)微陀螺儀 角振動(dòng)式微陀螺儀 微壓力傳感器微壓力傳感器n壓力傳感器是測(cè)量壓力的傳感器件，是使用極為廣泛的一種傳感器 n具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高，動(dòng)態(tài)特性好，耐腐蝕、零位小等優(yōu)點(diǎn)n常見的微壓力傳感器有三種：壓阻式、電容式和壓電式微壓力傳感器 壓阻式

14、壓阻式硅薄膜焊盤P型擴(kuò)散壓阻金屬導(dǎo)體N型外延層P型襯底玻璃襯底腐蝕腔壓阻式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)氮化硅多晶硅環(huán)境應(yīng)力徑向應(yīng)力壓敏電阻參考?jí)毫ν饧訅毫?壓阻式絕對(duì)壓力傳感器電容式電容式 這種類型的微壓力傳感器以半導(dǎo)體薄膜為敏感元件，通常由上下電極、絕緣層和襯底構(gòu)成 東京大學(xué)接觸電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)薄膜硅硅薄膜上鍵合點(diǎn)上鍵合點(diǎn)襯底上鍵合點(diǎn)絕緣層電極玻璃襯底諧振式諧振式 在梁和偏轉(zhuǎn)電極之間施加很小的微伏級(jí)的電壓信號(hào)就可使梁共振，由梁上的壓敏電阻提供反饋。施加在下層晶片薄膜上的壓力增加了共振梁的張力，就象調(diào)緊吉他弦一樣，這就增加了它的共振頻率。 微型麥克風(fēng)微型麥克風(fēng) 微麥克風(fēng)測(cè)量的是聲壓，要求靈敏度高，頻帶

15、寬。 瑞士電子與微技術(shù)公司所制作的電容式微麥克風(fēng)，利用體硅工藝制作，重?fù)诫s自停止形成敏感膜和有孔固定電極。微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(2)光學(xué)光學(xué)光學(xué)傳感器的原理光學(xué)傳感器的原理 電子吸收光子，從而向高能級(jí)躍遷。電子吸收光子，從而向高能級(jí)躍遷。能級(jí)躍遷的類型： 1）物體從價(jià)帶向?qū)кS遷光伏效應(yīng) 2）物體從導(dǎo)帶向價(jià)帶躍遷光電效應(yīng) 3）向穩(wěn)定能級(jí)的躍遷雙折射，克耳與光電效應(yīng) 4）躍遷到中間能級(jí)態(tài)和返回到基態(tài) 5）其它類似激子的結(jié)構(gòu)（電子和空穴形成了具有一系 列顯著能級(jí)、類似氫的分子）。n當(dāng)入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功時(shí)，就有光電子發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。l 利用這種效應(yīng)制成的傳

16、感器有真空光電管、光電倍增管等。n當(dāng)物體受光照射后，其內(nèi)部原子釋放出電子，但這些電子并不逸出物體表面仍留在內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，后者稱為伏伏打效應(yīng)打效應(yīng)。l利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)可制成光敏電阻光敏電阻 其基本原理是輻射時(shí)半導(dǎo)體材料中的電荷載流子（包括電子和空穴）的增殖使其電阻率發(fā)生變化。u光中的光子和固體中吸收光的電子的相互作用原理在量子物理學(xué)中已經(jīng)比較完善。u微光學(xué)傳感器已經(jīng)可以測(cè)量出光的強(qiáng)度。具有強(qiáng)光電效應(yīng)的固態(tài)材料可用作這種傳感材料。 一種特殊的材料，當(dāng)有光照時(shí)其自身電阻會(huì)發(fā)生變化。 圖中的光電

17、二極管由p型和n型摻雜的半導(dǎo)體層組成 圖中的光電子管由p、n和p摻雜層組成。入射的光子能量可以被轉(zhuǎn)換成從這些器件中輸出的電流。 熱電偶是測(cè)量熱的最常用的傳感器n工作原理：依靠?jī)蓚€(gè)不同金屬線的末端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)在兩個(gè)導(dǎo)線的交節(jié)點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)）被加熱的情況下產(chǎn)生。熱電偶傳感器熱電偶傳感器微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(3)熱學(xué)熱學(xué)熱電偶n熱電偶原理微溫度傳感器的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：輸出信號(hào)隨著線和節(jié)點(diǎn)的尺寸的減小而降低。n微熱電堆是小型化熱傳感更理想的解決方案。Choi和Wise在1986年研制的微熱電堆n熱雙層片傳感器熱雙層片傳感器n 對(duì)于傳感和執(zhí)行而言，熱雙金屬片效應(yīng)是很常用的方法。這種效應(yīng)可將

18、微結(jié)構(gòu)的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械梁的橫向位移。21圖 熱雙金屬片彎曲（ ）21微型磁強(qiáng)計(jì)微型磁強(qiáng)計(jì)n定義：利用MEMS技術(shù)制作的，把磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件。n微型磁強(qiáng)計(jì)按工作原理主要可分為兩大類：電磁效應(yīng)式和機(jī)械式。 微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(4)電磁電磁n微傳感器是構(gòu)成任何生物MEMS產(chǎn)品最基本的組元。在生物醫(yī)學(xué)中，常用的兩類傳感器是： (1)生物醫(yī)學(xué)傳感器 (2)生物傳感器 微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(5)生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) 生物醫(yī)學(xué)傳感器可以分成用來(lái)測(cè)量生物學(xué)物質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)儀器和用以醫(yī)學(xué)診斷為目的的儀器。它們通常只需要小量的樣本，因而可以大大加快分析速度而且?guī)缀鯖]有死區(qū)。

19、生物醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)例生物醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)例 血樣中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之間將發(fā)生下列的化學(xué)反應(yīng)： 葡萄糖O2 葡萄糖酸內(nèi)酯酶+H2O2 反應(yīng)中產(chǎn)生的H2O2可以被加在鉑電極上的電壓電解，產(chǎn)生帶正電的氫離子，并被此電極吸引。于是，血樣中葡萄糖的量就可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極間電流的方法得到。生物傳感器生物傳感器 生物傳感器的工作原理基于待檢測(cè)分析物與生物學(xué)方法產(chǎn)生的生物分子的相互作用，這些分子包括某種形式的酶、抗體和其它形式的蛋白。這些生物分子附著在傳感元單元上，當(dāng)它們和被分析物相互作用時(shí)可以改變傳感器的輸出信號(hào)。 n化學(xué)傳感器用來(lái)檢測(cè)特定的化合物。n工作原理：很多物質(zhì)對(duì)化學(xué)作用都很敏感。比如，很

20、多金屬長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中都有被氧化的危險(xiǎn)。金屬表面顯著的氧化層能改變材料的性能，例如金屬的電阻。這些自然現(xiàn)象就是設(shè)計(jì)和發(fā)展微化學(xué)傳感器所依據(jù)的原理。微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(6)化學(xué)化學(xué) 材料對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)的敏感性材料對(duì)特定化學(xué)物質(zhì)的敏感性是很多化學(xué)傳感器的基本原理。 有機(jī)聚合物和嵌入的金屬植入物一起使用。當(dāng)這些聚合物暴露在某種氣體下時(shí)，可以使金屬的電導(dǎo)發(fā)生變化。例如，一種特殊的聚合物苯二甲藍(lán)和銅一起來(lái)檢測(cè)氨和二氧化氮?dú)怏w?；瘜W(xué)電阻傳感器化學(xué)電阻傳感器 某些聚合物可以用作電容的電介質(zhì)材料。當(dāng)它們暴露在某種氣體中時(shí)，可以使材料的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變金屬電極間的電容。比如用多乙炔PPA來(lái)

21、檢測(cè)如CO, CO2, N2 ?；瘜W(xué)電容傳感器化學(xué)電容傳感器 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(guò)測(cè)量這種材料的尺寸變化來(lái)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力的觸覺傳感器。有1到2

22、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(guò)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能來(lái)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(lái)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。光纖敏感光纖敏感基于光線的敏感方

23、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(guò)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。n基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET)FET)傳感的加速度計(jì)傳感的加速度計(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)。n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距離與施加的加速度有關(guān)，距

24、離的變化將使晶體管的閾值電壓UT的值發(fā)生變化。n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)的研制成功至今，對(duì)微執(zhí)行器的研究

25、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)行器的概念微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的特

26、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n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(kù)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(wú)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)有很高的能效，靜態(tài)時(shí)由于不存在電流這一優(yōu)點(diǎn)尤其明

27、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n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：n n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。22221122electricACUFUddn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(Felectric)隨著極板位置非線性變化。n電壓

28、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)n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(lái)，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. 802212/1085. 8mNC26266121

29、0221010001010001085. 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n1.慣性傳感器n 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)。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。n梳狀驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)梳狀驅(qū)動(dòng)加速度計(jì)n2.執(zhí)行器

30、 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。用于光開關(guān)的梳狀驅(qū)動(dòng)器用于光開關(guān)的梳狀驅(qū)動(dòng)器n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” 執(zhí)行器執(zhí)行器靜電式微執(zhí)行器實(shí)例靜電式

31、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(lái)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)微泵 微泵的尺寸為，由靜電驅(qū)動(dòng)膜片、

32、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(lái)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：熱氣動(dòng)式：一種典型的方法是形成帶有密封流體

33、（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)。 n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。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n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)。n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。n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)。 雙晶片熱執(zhí)行器雙晶片熱執(zhí)行器雙金屬

34、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。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，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n不利用固體的線性膨脹，而是利用體積膨脹利用