第4章 MEMS微传感器的工作原理(第2部分).ppt

第4章微传感器的工作原理(第2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,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,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(7)其它,3232个元件的压阻式敏感法向压力的触觉传感器。有1到2mV.cm2/Kg（10到20V/kPa)的灵敏度。,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,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（FET)传感的加速度计,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,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,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,(1)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。,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1mm）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。,例题：,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or,代入参数，得到,静电梳齿驱动,静电梳齿驱动,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。,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。,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：,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,静电式微执行器实例(3),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200-350L/min（反向）。在供电电压为200V时，可达到最大背压为310cmH2O，最大流速为850L/min。,微执行器的致动方式,(2)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：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱动。热气动式：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,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。,双晶片热执行器,双金属致动器,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。,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。,a热膨胀系数，t厚度，b宽度,美国ICSensors利用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,双金属片致动阀,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的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，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。,电磁式微执行器,基本概念原理：利用磁场来产生力、力矩、或者微结构的位移。一般常见的磁性物体磁场密度是：普通电冰箱的磁场为：100-1000Gs地磁场（赤道附近）为：1Gs磁存储介质为：100mT或100Gs用于磁谐振成像的稀土磁体为：1-2T,热气动蠕动泵，膜片与管道间的间隙处于常开状态，加热驱动将使间隙关闭，膜片的顺序动作促使流体定向流动。该泵流量和背压都比较低。,热气动蠕动泵,电磁式微执行器实例(1),热气动微阀,热气动微阀，压力腔内注有氯甲烷，利用其液态-气态相变控制流体，控制氮气流量达15L/min。,电磁式微执行器实例(2),热气动微波形管执行器,表面微机械“波形管”执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得到更大的偏移。,电磁式微执行器实例(3),热气动活塞执行器,体积膨胀气体驱动的活塞执行器，沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡破裂，活塞返回原来位置。在衬底表面平整的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供力的两个数量级以上。,热气动活塞执行器简图,电磁式微执行器实例(4),工作环境必须是液体环境，限制了其最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。热驱动方法功耗较大，且因为热时间常数，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。,缺点：,微执行器的致动方式,(3)磁执行器,电磁致动：通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。,通电线圈通电导体产生磁场。平行的两条导线中通以相同方向的电流则彼此之间相互吸引，如果通以相反的电流，则彼此之间相互排斥。,通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。电磁力的优点在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。,载流导线周围某点磁场强度单圈线圈中心处磁场强度单圈线圈对中心导磁体的作用力为,“弯曲”线圈结构是平面内蜿蜒形导体，它与一个双层的磁芯交错在一起。,带驱动线圈的磁执行器,电磁式微执行器实例(5),德国研制的电磁致动微阀，阀片为牺牲层技术制作的多晶硅膜。这是为小型气体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为10-50kPa，过流能力为2-20mL/min，响应时间为5ms。,电磁致动微阀,电磁式微执行器实例(6),电流流过U形导线时会在两条导线之间产生排斥力。类似地，在一条置于磁场中的柔性金属线上通以电流，导线会发生偏转。,磁致伸缩执行器,磁致伸缩效应：1840年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向磁场时，它会收缩。在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，从而引起材料尺寸的变化。,外加磁场导致坡莫合金区域产生磁性极化，这反过来又和外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场对准。该器件可用于斩波、扫描、光束导向等微光学场合。,外加磁场的磁执行器,该阀由一个NiFe溅射阀座和一个可开启、关闭的可移动NiFe阀膜组成。依靠活动膜片上支撑弹簧的内力，可以制成常开或常闭阀。微机械阀元件放置于携带有流体的管道中，管道的外面是由外加线圈形成的磁场，构成了一种电隔离操作。,外加磁场的电磁阀,电磁式微执行器实例(7),电磁光开关,电磁式微执行器实例(8),加州理工学院设计的一种电磁驱动光纤开关的原理示意图。当开关处于开状态时，电磁驱动器带着双面微镜向上运动，将微镜置于光纤之间，每个输入光纤的光信号经反射后从相邻的输出光纤输出，如图a所示；在关状态，微镜在光纤之下，输入光纤的信号直接从正前方的输出光纤输出，如图b所示。,电磁式微执行器实例(9),磁马达,可变磁阻的微磁马达，它带有全集成的定子和线圈。定子由集成的电磁体制成，转子由软磁性材料制成。马达有两组显磁极，一组在定子上，一组在转子上。当激励相位线圈时，靠近激励定子电极的转子磁极会吸引到定子磁极（如图a、b所示）。由于定子旋转，定子磁极将与转子磁极对准。关断激励相位线圈的电流，下一个相位开始激励使之连续运动。,双稳态磁开关,静电执行器需要恒定的电压偏置来保持开关在开或关的状态，比较容易受供电中断的影响。开关的双稳态锁定很重要，因为它只有在开关的转变过程中才消耗掉功率，但无论在开或关的状态都不需要电来保持。,电磁式微执行器实例(10),双稳态磁开关结构:由扭转支柱将悬臂提升在衬底表面的上方。悬臂由顶部上的软铁磁材料和底部上的一层高电导率的金属构成。平面线圈埋置于悬臂的下方。偏置磁场有两个来源：一个是平面线圈，一个是永久磁体。永久磁体位于衬底的表面，用于提供恒定的背景磁场。该开关的独特设计在于：双向磁化可以通过使用第二个磁场很快反转。这使得可以施加小电流来实现力矩和开关位置的转换。为了实现这一目标，在悬臂梁和外部磁场之间使用了平面线圈以产生磁场来补偿外部磁体产生的磁场。永久磁体使悬臂保持在开或关的位置直到下次开关动作出现。,微执行器的致动方式,(4)压电执行器,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。,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，最大流量为40L/min，最高背压为1mH2O。,压电式微执行器实例(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(2),压电式微执行器实例(3),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(4),微执行器的致动方式,(5)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）和奥氏体（高度均匀）晶相之间与温度有关的相变。现象：受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受热就会恢复到它们未变形前的状态。加热方式：通电流,在预置温度T时弯曲的合金片依附在硅悬臂梁上。室温时梁是直的。当把梁和附于其上的合金片加热到温度T时，合金的“记忆”被唤醒并试图恢复原来的弯曲形状。合金的弯曲迫使悬臂梁一起变形，由此达到致动效果。这种方式的致动被广泛用在微型旋转致动器、微型关节和机器人、以及微弹簧上。,优点：相对的“线性”控制和很高的应力（大于200MPa），如果应变保持在2以下，就可以工作几百万个循环。缺点：需要特殊的合金和很高的功耗。,澳大利亚NewSouthWales大学和台湾新竹清华大学联合研制的形状记忆合金致动微阀，该阀的阀口尺寸为60m60m，过流能力06ml/min。,形状记忆合金致动微阀,形状记忆合金微执行器实例,微机械不同致动方式的特点,不同致动方式的优缺点,微传感器的应用,平行板电容器的应用a.惯性传感器b.压力传感器c.流量传感器d.触觉传感器,a.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。,b.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。薄膜厚度时决定压力传感器的主要因素。,c.流量传感器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。,d.触觉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。,热传感器的应用a.惯性传感器b.流量传感器c.红外传感器,a.惯性传感器基于热传递原理的加速度计,加速度计结构包括一个欧姆加热器和两个关于加热器对称放置的温度传感器。硅芯片放在内有空气的气密封状体里。加热器将空气加热。静止状态下，热气囊的空间对称分布，两个温度传感器有相同的温度读数。如果在封装体上加上加速度，芯片将沿着外加加速度的方向做轻微移动。因为惯性，气体将落在后面，导致了空气中温度分布不对称，两个温度传感器的读数将变得不同，温度之差与外加加速度大小对应。,b.流量传感器热线式风速计,热线式风速计是用来测量液体流动速度的一种成熟技术。它利用热元件既作为热阻加热器又作为温度传感器。热电阻器工作时偏置在自加热区，其温度和阻值随着液体流动的速度而改变。,c.红外传感器基于电容敏感的红外传感器,悬臂梁吸收了入射的红外（IR）辐射后，温度会上升，导致了双金属梁的弯曲。通过检测双金属梁弯曲位移来求出温度的变化。,压电传感器的应用a.声学传感器b.触觉传感器c.流量传感器,a.声学传感器压电微麦克风,基于MEMS的麦克风尺寸便于控制，易于小型化，可以直接与片上电子器件集成，可形成阵列结构，且因批量制造而具有降低成本的潜力。,b.触觉传感器触觉传感器的研究动机在于定量测量接触力（或压力）以模拟人的空间分辨力和敏感性，并具有较宽的带宽和较好的动态范围。,c.流量传感器压电流速传感器,压电材料的特性压电材料都是晶体。微观上，压电性源于晶体中离子电荷的位移，它导致极化并形成电场。并不是所有的天然晶体或合成晶体都表现出压电性。根据对称性，晶体被分为32种点群结构。其中11种为中心对称晶体，在应力作用下，它们的正负电荷中心不会发生空间上的分离，因此这些晶体不是压电材料。剩余的21种非中心对称的点群中，有20种为压电晶体。,石英作为一种天然的压电材料，石英最熟悉的应用是手表中的振荡器石英并不是唯一具有压电效应的晶体材料，但是由于它的谐振频率对温度特别不敏感，因此才具有这样的效应。PZT因具有很高的压电耦合系数，锆钛酸铅Pb（Zrx,Ti1-x)O3或PZT体系以多晶结构形式得到了广泛应用。PZT实际代表一类压电材料。由于制备方法不同，PZT材料可以具备不同的结构和特性。,PVDF聚偏二氟乙烯（PVDF)是一种具有单链的合成含氟聚合物。它呈现出压电性、热释电性及铁电性；并具有卓越的化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性，PVDF的压电性已经得到深入研究。ZnOZnO材料的生长方法很多，包括射频或直流溅射、离子电镀和化学气相淀积等。在MEMS领域，经常通过磁控溅射将ZnO淀积到不同的材料上，并使c轴接近于衬底的法向。,压阻传感器材料金属应变计典型的应变计形状如右图所示。通常用之字形的导电通路以便在给定面积下来有效的增加电阻的长度和总电阻的大小。,单晶硅半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。多晶硅对于MEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。,光MEMS,无源MEMS光学器件透镜反射镜有源光MEMS执行器离面小位移执行器面内大位移执行器离面转动执行器,光学是MEMS技术应用最早且最为活跃的领域之一。典型的应用领域包括数字投影仪（DLP）、全彩色数字显示