第5章 微传感器和微执行器(第2部分)

1、 第第5 5章章 微传感器和微执行器微传感器和微执行器( (第第2 2部分部分) ) 有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿度的改变）。我们可以通过测量这种材料的尺寸变化来检测这种化学物质。化学机械传感器化学机械传感器 工作原理和化学电阻式传感器类似。有些半导体金属，如SnO2，当吸收了某种气体后可以改变自身的电阻。金属氧化物气体传感器金属氧化物气体传感器微型触觉传感器微型触觉传感器 触觉传感器其敏感元件直接与固体接触。 荷兰Delft大学研制的三维电容式触觉传感器。 微传感器的实例微传感器的实例(7)其它其它 3232个元件的压阻式敏感法向压

2、力的触觉传感器。有1到2 mV.cm2/Kg（10到20 V/kPa)的灵敏度。 声波传感器声波传感器 声波传感器的主要应用是测量气体中的化学成分。这些传感器通过将机械能转化成电能来产生声波。声波器件同样也用于在微流体系统中驱动流体。这种传感器的激励能量主要由以下两种机理来提供：压电效应和磁致伸缩效应。然而，对于激励声波，前者应用更为普遍。四种主要的声波传感器类型微型红外传感器微型红外传感器密西根大学研制的红外阵列传感器，敏感元件为375m375m，有32个n-p型多晶硅热电偶组成的热电堆，其灵敏度为30V/W 。 红外传感器主要由隔热空腔及其上的热电堆、pn结、热敏电阻等感温元件组成。光纤敏

3、感光纤敏感基于光线的敏感方式是利用光纤中光的相位和强度与光纤弯曲度、光纤上的机械应力、温度等有关这一原理。如果一段光纤是直的，光在其中会走过一段特定的光学路径。如果光纤由于机械形变而产生弯曲，那么新的有效光学路径将导致光在光纤末端输出时的相位和强度发生变化。 基于场效应晶体管（基于场效应晶体管（FET)FET)传感的加速度传感的加速度计计晶体管工作原理：以N性衬底为例，当没有施加电压时，源区和漏区之间几乎没有电流；当施加足够大的负电压后，就会形成反形区，该反形区被称为沟道，它帮助电流顺利在源和漏之间流动。 利用FET栅的位移敏感的加速度传感器加速度计的振动质量块是FET的栅，从而栅与沟道之间的

4、距离与施加的加速度有关，距离的变化将使晶体管的阈值电压UT的值发生变化。 射频谐振敏感射频谐振敏感谐振式压力传感器谐振式压力传感器平面螺旋电感覆盖在有低温共烧陶瓷制成的压敏薄膜上。电感的中央接触尺寸被有意放大，使其能与对面的电极表面构成一个可观的电容。如果压力发生变化，薄膜将产生形变位移，相应的电容值将发生变化。同时电感值也会随着薄膜的弯曲而改变。即谐振电路的谐振频率与压力有关。微执行器的概念微执行器的概念MEMS微执行器原理框图微执行器：基于微执行器：基于MEMS工艺的工艺的，能把电信号（电能）转换为机械能等其它形式能量输出的器件，通常由致动元件和传输元件组成。 自1982年静电微马达的研制

5、成功至今，对微执行器的研究工作正在深入。设计执行器的要求是在动力源的驱动下能够完成需要的动作。因而，在涉及到运动的微型系统中执行器十分重要。微执行器的概念微执行器的概念 微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。如，力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能。 理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强，需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关系。 微执行器的概念微执行器的概念 与传统执动器相比，微执动器的特点有 微系统加速快、速度高； 仅需极小的驱动力； 随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因素小。微执

6、行器的概念微执行器的概念微执行器的特点微执行器的特点微致动器的分类微致动器的分类l按致动原理分按致动原理分 静电式微执行器 压电式微执行器 热力微执行器 形状记忆合金微执行器微执行器的致动方式微执行器的致动方式 静电执行器的基本工作原理：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力。 从库仑定律 平板电容器 极板间作用力22141xqqForelecxAVCVWr20221212221xAVdxdWFor(1)(1)静电式微执行器静电式微执行器主要优点 1、结构简单：敏感与执行的原理相对简单，容易实现，仅需两个导电表面即可，无需专门的功能材料； 2、功耗低：静电执行依赖于电压差而非电流，低频时有很高的

7、能效，静态时由于不存在电流这一优点尤其明显； 3、响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对于良导体这一时间常数很小，所以可以获得很高的动态响应速度。偏压作用下静电执行器的平衡位置 施加电压载荷会产生静电力Felectric,可动极板在起始位置时的静电力Felectric大小为： 静电力使得间隙有减小的趋势。从而引起位移和机械回复力。在静态平衡下，机械回复力与静电力的大小相等，方向相反。22221122electricACUFUdd 下图中的两条曲线，分别代表机械回复力与静电力随电极位置的变化。对于恒定的偏置电压U,机械回复力(Fmechanical )随着极板位置线性变化，静电力(Felect

8、ric)随着极板位置非线性变化。 电压增加时，静电力曲线族上移，平衡位置离静止位置越远。平行板执行器的吸合(pull-in)效应 当静电力不断增大时，两平板将迅速吸合直到接触到一起，这一现象称为吸合。引起吸合所须的电压与位移对于静电执行器的设计至关重要。 如图所示，一平行板电容器是由尺寸 （或1 mm）的方板组成的。当两板间距为 ，求法向静电力。平板由静止空气隔开。 mWL1000md2例题：例题：解：解： 作用在平板上的法向静电力 的大小，可以由公式计算出来，其中空气为 绝缘介质，相对介电常数为 ，真空介电常数为 ordF2221xAVdxdWFor0 . 1rmpF /85. 802212

9、/1085. 8mNC262661210221010001010001085. 80 . 1VFd2610106. 1V 代入参数，得到静电梳齿驱动静电梳齿驱动n一般采用表面微加工工艺制做n包含有许多相互交错的指状梳齿n当施加电压时，梳齿之间产生吸引力，梳齿相互靠近n静电力的大小与梳齿对数成比例，因此为了得到较大的力，一般要求梳齿较多。图 三种不同的梳状驱动图 三种放大倍数下两组叉指之间的电力线分布静电梳齿驱动实例静电梳齿驱动实例梳状驱动器件的应用 1.惯性传感器 基于梳状驱动的惯性传感器可以用各种方式来实现。ADXL加速度计是最经典的一种MEMS传感器，它是基于共面横向梳状驱动的。 梳状驱动

10、加速度计梳状驱动加速度计 2.执行器 梳状驱动执行器常常用来产生面内或离面位移。用于光开关的梳状驱动器用于光开关的梳状驱动器 大位移梳状驱动执行器大位移梳状驱动执行器右图是Sandia国家实验室研制的一种齿轮传动的机械装置。静电悬臂驱动静电悬臂驱动利用了驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。 从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距固定端X处施加集中载荷时，梁末端的偏移量T可由下式给出： 其中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为 ：dxxwqxLEIxdT)()3(6)(22)(2)(xddVxqo静电旋转微型马达静电旋转微型马达静电式微执行器实例静电式微执行器实例(1)(1)“尺蠖尺蠖”

11、执行器执行器静电式微执行器实例静电式微执行器实例(2)(2)静电光开关静电光开关静电式微执行器实例静电式微执行器实例(3)(3)凹槽绝缘硅静电梳齿驱动器光纤氧化硅输入1输入2输出2输出1驱动器作用时的直通状态输入1输 入2输出1输出2驱动器不作用时的反射状态光纤槽光纤槽 采用了一双面反射的垂直微镜来实现开关。将微镜与一根长梁相连，长梁由梳状电极静电驱动。只要施加一个电压短脉冲，微镜在长梁的带动下就会作进入或弹出光路的水平运动，实现光路切换。静电致动微泵静电致动微泵静电式微执行器实例静电式微执行器实例(3)(3)入口出口驱动腔泵薄膜检测电极泵腔绝缘层驱动单元阀体单元Zengerle R的静电致动

12、微泵 微泵的尺寸为，由静电驱动膜片、被动阀、进口和出口组成。泵用峰值为150200V、频率从0.1Hz到10kHz的电压脉冲驱动。该泵的最大流速可达到250-850L/min（正向）和 200-350 L/min（反向）。在供电电压为200V时，可达到最大背压为310cm H2O，最大流速为850L/min。 微执行器的致动方式微执行器的致动方式(2)热执行器热执行器 利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。 热膨胀式热膨胀式：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱动。 热气动式：热气

13、动式：一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。 现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。固体热膨胀：双晶片热执行器固体热膨胀：双晶片热执行器 热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。 一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。 缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更复杂的结构。

14、 双晶片热执行器双晶片热执行器 双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固体的线性膨胀来制造微致动器。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，从而达到驱动目的。 n双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性的位移能量关系、结构及制造工艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。 2121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEt tttra a热膨胀系数，热膨胀系数，t t厚度，厚度，b b宽度宽度 美国IC Sensors利用

15、这种双金属片致动原理研制的阀。其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控0.2MPa的气流，泄漏仅为45L/min 金属层加热膜硅进口出口双金属片致动阀双金属片致动阀热气动式：体积膨胀和相变执行器热气动式：体积膨胀和相变执行器 不利用固体的线性膨胀，而是利用体积膨胀利用体积膨胀也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。 变相的热执行器包括加热时相态可变加热时相态可变的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例

16、如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。 微执行器的致动方式微执行器的致动方式(3)压电执行器压电执行器 逆压电效应：逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。V的典型值在10-1010-7cm/N之间变化。因此，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，除非使用叠加的执行器或放大机械运动的器件。玻璃硅压电片(a) 玻 璃硅玻 璃压 电 块(b)压电致动微型泵 日本东北大学研制的压电堆致动微泵如图所示。该微泵依靠致动器推动薄膜变形，引起腔体内压强的变化，驱动单向阀工作，使气、液体定向流动。压电堆的轴向变形和驱动力都比较大，

17、最大流量为40L/min，最高背压为1mH2O。 压电式微执行器实例压电式微执行器实例(1)(1) 德国Ilmenau技术大学研制的压电致动硅微无阀泵，其最大流量为7.5mL/min，最大背压为2.8kPa。 压电式微执行器实例压电式微执行器实例(2)(2)压电式微执行器实例压电式微执行器实例(3)(3)压电扫描隧道显微镜探针压电扫描隧道显微镜探针压电扫描隧道显微镜探针的运动模式为 如图所示将一片晶体安装在微执行器的一根弹性硅梁上。在压电晶体上加电压使其产生形变，引起弹性硅梁的弯曲。压电晶体致动器在微定位机构和微型夹具等方面都有应用。 压电式微执行器实例压电式微执行器实例(4)(4)微执行器的致动方式微执行器的致动方式(5)形状记忆合金执行器形状记忆合金执行器 有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（SMA），其中最著名的是钛镍合金。 SMA效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥