第三章——静电敏感与执行原理.ppt

第三章静电敏感与执行原理 静电传感器与执行器概述平行板电容器 偏压作用下静电执行器的平衡位置 平行板执行器的吸合效应 电容敏感原理平行板电容器的应用叉指电容器梳状驱动器件的应用静电式微执行器实例 微传感器的概念 微传感器 基于MEMS工艺的 能把被测物理量转换为电信号输出的器件 通常由敏感元件和传输元件组成 MEMS微传感器原理框图 微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件 通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造 比如微金属版印制技术 刻蚀技术等 也采用专门为微传感器制造开发的新技术 微传感器的概念 微传感器的概念 微传感器的技术指标 量程 测量范围上限值和下限值的代数差 灵敏度 传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值线性度 传感器输出与输入之间的线性程度 分辨率 指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量 零轴稳定性重复性 传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度 频响范围 在规定误差条件下 传感器可以正常工作的频率区间 微传感器的概念 对于线性传感器 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率 即 非线性传感器的灵敏度为一变量 一般希望传感器的灵敏度高 在满量程范围内是恒定的 即传感器的输出 输入特性为直线 灵敏度 线性度 传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度 传感器的理想输出 输入特性是线性的 它具有以下优点 1 可大大简化传感器的理论分析和设计计算 2 为标定和数据处理带来很大方便 只要知道线性输出 输入特性上的两点就可以确定其余各点 微传感器的概念 3 可使仪表刻度盘均匀刻度 因而制作 安装 调试容易 提高测量精度 4 避免了非线性补偿环节 实际上许多传感器的输出 输入特性是非线性的 如果不考虑迟滞和蠕变效应 一般用多项式表示输出 输入特性 附例 一个微加速度传感器的指标 灵敏度 100mV g量程 50g频率范围 0 5 8000Hz 10 安装谐振点 30kHz分辨率 0 0002g抗冲击 2000g重量 8mg安装螺纹 M5mm线性 1 横向灵敏度 5 典型值 3 输出阻抗 150 激励电压 18 30VDC典型值 24VDC温度范围 40 120 壳绝缘电阻 安装力矩 约20 30Kgf cm M5螺纹 几何尺寸 四方12mm 高度13 5mm 按传感机理分压阻 压电 隧道 电容 谐振 热对流按物理参数分力 加速度 压力 声 热 热电偶 热阻 光 光电类 电磁 磁强计 化学和生物医学 血糖 电容化学 化学机械 微传感器的分类 微执行器的概念 MEMS微执行器原理框图 微执行器 基于MEMS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 与传统执行器相比 微执行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 微执行器的概念 微执行器的特点 微致动器的分类 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电磁式微执行器形状记忆合金微执行器 静电传感器与执行器概述 电容器通常定义为可以存储相反电荷的两个导体 它既可以用作传感器 也可以用作执行器 当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时 它的电容值也随之变化 这就是电容 静电 敏感的机理 另一方面 当电压 或电场 施加于两个导体上时 导体之间会产生静电力 这定义为静电执行 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 1 静电式微执行器 静电敏感与执行的主要优点 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 平行板电容器 平行板电容器是静电传感器和执行器最基本的结构 顾名思义 它是由两个在宽度方向相互平行的导体平板构成 从广义上讲 两块板并不一定在任何时刻都严格平行 而且也不要求是平面的 右图为简单平板电容器 两块板的交叠面积为A 间距为d 两板之间的相对介电常数表示为 介电常数为 这里是真空介电常数 图交叠面积为A 间距为d的平板电容器 两平板间的电容值C定义为 式中 Q为存储的电荷量 V为静电势 电容器存储的电能U表示为 根据高斯定理 电场E的大小与电荷Q有关 由于电压值等于场强与极板间距 d 之积 则平行板电容器电容为 电容器可以用作产生力或位移的执行器 如果至少有一个电容器平板是悬吊或可变形的 来看一对平板电极 其中一个平板紧紧固定 另一块平板由机械弹簧悬吊 当两个平行板之间施加电压时就会产生静电吸引力 力的大小等于所存储的电能U相对于几何变量的梯度 力的表达式为 这里x是相关的空间变量 如果平板沿着其法向运动 电机的间距就会发生变化 用d代替上式 力的大小可以改写为 在恒定偏置电压的作用下 静电力的大小随着间隙d的增加迅速减小 静电力可以认为是种短程力 当间隙在几个微米量级时最为有效 例3 1由两块固定平行板构成的气隙电容器 静止 零偏 时 两平行板之间的距离为 平板面积A 400um 400um 两平板间的介质为空气 偏置电压U 5V 试计算电容与引力 F 的大小 如果平板一半面积区域的间隙充满水 作为极板介质 电容值又是多少 解 要求解电容值 我们有 力可以由下式给出 如果平板一半面积区域的间隙为水 另一半为空气 可以堆两部分分别进行考虑 总电容由两个并联在一起的电容器组成 水在室温时的相对介电常数为76 6 与水介质有关的电容为 另一半空气介质部分的电容为 总电容为 平行板电容 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 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 Felectric 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 平行板电容器 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 吸合是一种失稳现象 a 平行板电容式微加速度计 平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度 但是其制作需要腐蚀 组装 键合等多种工艺 过程复杂 无法与硅平面工艺兼容 难以实现批量化 低成本生产 平行板电容器的应用 惯性传感器 一种最早的全集成电容加速度传感器是用表面为机械加工工艺与集成MOS探测电路制作在一个晶片上的 这种传感器由覆盖金属的氧化物悬臂梁构成 在悬臂梁的末端有0 35ug重的电镀金片作为质量块 另一个电极由重掺杂P型硅制成 电容间隙 由生长在硅表面的外延硅层所确定 图全集成电容加速度传感器 图读出电路 传感器的响应按照军事和汽车技术标准在较大温度范围内 55 125 进行校准 在这一温度范围内的漂移在以内 因此 电容敏感相对于其他敏感模式 如压阻 具有优势 因为它的温度敏感性相对较低 b 惯性传感器 扭转平行板电容加速度计 加速度计由扭转杆支撑的镍板构成 与其相配对的电极位于衬底表面上 因为平板重量关于转动轴不对称分布 衬底法向的加速度将会引起上极板在某一方向的摇摆 平行板电容器的应用 压力传感器 压力传感器广泛应用于汽车系统 工业过程控制 医疗诊断与监控以及环境监测中 基于压阻敏感单元的压力传感器最常用 第五章介绍 基于电容敏感的压力传感器也广泛使用 基于薄膜的压力传感器非常适合于平行板电容敏感 相对于压阻式压力传感器 电容式压力传感器具有灵敏度更大 以及温度敏感性更低与功耗小等优点 微型麦克风 微麦克风测量的是声压 要求灵敏度高 频带宽 瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风 利用体硅工艺制作 重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极 清华微电子所研制的微型克风 表面工艺与体硅工艺结合制作 在单片硅片上实现了主要结构 采用纹膜结构提高灵敏度 流量传感器广义上用于测量点流体速度 体积流动速度 侧壁的剪切应力以及压力的器件 流量传感器具有以下的一些优点 1 体积小 对所测流场的干扰小 2 由于柔性机械单元或电路集成 因此灵敏度高 3 有实现大阵列传感器一致性的潜力 平行板电容器的应用 流量传感器 平行板电容器的另一种应用是触觉传感器 它是机器人技术应用中的关键元件 要精确测量触觉信息 传感器必须有高的集成密度 高的灵敏度 以及多轴敏感的能力 平行板电容器的应用 触觉传感器 叉指电容器 平行板电容器通过相对的平面电极产生敏感与执行 而另一种不同种类的电容器却利用电极侧壁产生的电容 相对于平行板电容器 这种电容器提供了另一种制造工艺和工作模式 它们使用叉指来增加边缘耦合长度 两组电极放置于与衬底平行的同一平面上 通常来讲 一组指状电极固定于芯片 一组电极悬浮并可以沿一个或更多轴向自由运动 既然叉指形似梳子上的齿 这种结构通常也称作梳状驱动器件 静电梳齿驱动 叉指电容器 特征 位移和电容变化量之间呈线性关系 静电驱动的功耗低 一对叉指电极的电容由交叠区域叉指垂直表面电容以及边缘场电容所确定 由多个叉指组成的电容相互并联 因而 总电容是邻近叉指构成的电容总和 静电梳齿驱动 静电梳齿驱动 一般采用表面微加工工艺制做包含有许多相互交错的指状梳齿当施加电压时 梳齿之间产生吸引力 梳齿相互靠近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 静电梳齿驱动存在的问题 如果同一根梳齿两边的间隙不相等 则梳齿将会偏向一边 并与另一根梳齿粘连在一起 直到不再施加电压 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 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 利用了驱动电压与梁末端偏移量之间的关系 静电梳齿驱动 静电旋转微型马达 静电式微执行器实例 1 静电激励已经被用于实现旋转马达结构 基本思路是制做一个能自由转动的中间转子 四周布以电容极板 以合适的相位驱动 就可使转子转动 尺蠖 执行器 静电式微执行器实例 2 使用一个能弯曲的末端带有微小垂直挡板的金属板 当在金属板和衬底中掩埋的导体两端加电压时 金属板就向下弯曲 并将挡板向前推进一小段距离 电压消失时 由于挡板和绝缘层表面摩擦力的不对称 导致一定程度的运动 调整 因而产生了金属板净位移 静电光开关 静电式微执行器实例 3 采用了一双面反