ChMEMS器件执行器PPT课件

1、MEMS技术技术唐 军 第1页/共75页MEMS传感器 什么是传感器？器组成的关键构成是什么？ 微加速度计的工作原理？几种检测方式压阻、电容、压电、隧道电流？ 微型陀螺仪的工作原理？振动式微机械陀螺仪工作原理、关键技术参数？ 微惯性测量组合的组要构成、应用？ 气体传感器的几种工作原理？主要作用？如何判断一个气体传感器的性能好坏？ 生物传感器？SPR？第2页/共75页第二章 微系统工作原理 微执行器的概念 微执行器的驱动原理及相应分类 微执行器应用实例第3页/共75页MEMSMEMS微执行器原理框图微执行器原理框图传感器的组成传感器的组成 辅助电源敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量第4页/共

2、75页微执行器的概念微执行器的概念微执行器：微执行器：l基于MEMS工艺的;l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;l通常由致动元件和传输元件组成。第5页/共75页l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。l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。l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第6页/共75页 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，在控制信号

3、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第7页/共75页 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概念微执行器的特点微执行器的特点第8页/共75页微执行器的一些应用50g，5106 cm，微控制器，微马达，微镜头，微传送器，登陆地蜂群探测2.5Kg, 800500380mm，持续航行3h，最大航速100Km/h，飞行半径100Km，执行任务：地表勘查，在位分析并返回，大气测量，可见光/红外摄像微型挖掘机第9页/共75页微电机第10页/共75页l麻省理工大

4、学(MIT)气体涡轮实验室正在研制的微型涡轮发动机的涡轮叶片只有衬衫的纽扣大小,直径为4mm，他们还制造了2mm长的微型燃烧室,l材料都是硅,制造工艺与IC工艺相似l制造质量仅为1gl输出功率达到1020W。第11页/共75页l微燃烧器实验室研制的由硬质钢铝合金制成的小型Wankel发动机,l尺寸是：半径，深，体积l使用气体燃料如氢、甲烷、丙烷；l用电动机驱动发动机第12页/共75页2005年M.I.T.所开发的微型发电机具有最大的输出功率，足以为一部手机或者全球定位系统装置提供动力第13页/共75页微型泵致动形式：压电、电磁、静电、热双金属等；流量范围：100nl1ml/min背压范围：02

5、0KPA种类：有阀泵和无阀泵主要部件：致动、泵膜、阀、出入口入口出口泵腔电极间距块收缩/扩张管压电片第14页/共75页MEMS光开关 利用MEMS技术制作的，用于切换光路的器件。 MEMS光开关的优点 较低的插入损耗 反应迅速 较宽的带宽 尺寸小，低能耗 容易大规模集成 制造成本低第15页/共75页2D微镜反射型光开关 2D微镜反射型光开关是在硅基底上布置的微镜矩阵。 光束通道平行于硅基底。 由于晶片大小的限制，3232的微镜阵列是单层2D光开关可达到的最大结构极限 。第16页/共75页3D微镜反射型光开关由两组MEMS微镜阵列，及一条入射光纤阵列和一条出射光纤阵列组成。可实现单层结构多端口，

6、但微镜角度控制复杂，难以达到高精度对准第17页/共75页3D微镜反射型光开关3D微镜光开关的微镜是两轴万向节微镜，可自由调换角度。美国朗讯贝尔实验室于1999年研制出3D MEMS光开关“WaveStar” ，首次实现光光直接转换。第18页/共75页微型光开关和光开关阵列 第19页/共75页静电力驱动微光开关多晶硅的悬臂梁上镀有一层金属。由于金属与多晶硅中力的不同，导致悬臂梁自然向上弯曲，抬高梁一端的微镜，使得光开关开启，光路导通。在悬臂梁和基底之间加上电压，微镜被吸引向下，从而光开关闭合，光被反射。 第20页/共75页微镜透射型光开关通过移动微型透镜，使传播光束发生偏转，实现光开关。第21页

7、/共75页移动光纤对接型光开关所示的微光开关是由美国加州大学戴维斯分校于1997年研制成功的，是一个14光开关 固定对准光纤用的燕尾槽通过硅的各向异性腐蚀制成；第22页/共75页气泡型光开关由交叉的硅波导和位于交叉点的微型管道组成，微型管道填充一种与折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。当有入射光照入并要求交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个气泡，气泡将光从入射波导全反射至输出波导。从而起到开关的作用。Agilent 把这种技术称为Photonic Switch Platform。第23页/共75页气泡型光开关44气泡光开关 3232气泡光开关 第24页/共75页微执行器的原理ME

8、MS微执行器原理框图第25页/共75页微执行器的分类微执行器的分类u 按驱动原理分类按驱动原理分类 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第26页/共75页 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静电式微执行器静电式微执行器第27页/共75页 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：第28页/共75页解： 作用

9、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. 802212/1085. 8mNC262661210221010001010001085. 80 . 1VFd2610106. 1V 代入参数，得到第29页/共75页静电梳齿驱动静电梳齿驱动第30页/共75页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。第31页/共75页

10、静电梳齿驱动存在的问题存在的问题： 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，直到不再施加电压第32页/共75页静电梳齿驱动实例静电梳齿驱动实例第33页/共75页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。第34页/共75页 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第35页/共75页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)第3

11、6页/共75页“尺蠖尺蠖” 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)第37页/共75页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。第38页/共75页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(4)(4)入口出口驱动腔泵薄膜

12、检测电极泵腔绝缘层驱动单元阀体单元Zengerle R的静电致动微泵 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。 第39页/共75页微执行器的分类微执行器的分类u 按驱动原理分类按驱动原理分类 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第40页/共75页压电式执行器压电式执行器l正压电效应：某些电介质在沿一

13、定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。n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。第41页/共75页压电现象如图2-18所示第42页/共75页玻璃硅压电片(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

14、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压电式微执行器实例(1)(1)第43页/共75页 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，最大背压为。 压电式微执行器实例压电式微执行器实例(2)(2)第44页/共75页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第45页/共75页压电扫描隧道显微镜探针探针的运动模式第46页/共75页 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

15、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)第47页/共75页微执行器的分类微执行器的分类u 按驱动原理分类按驱动原理分类 静电式微执行器 压电式微执行器 热微执行器 电磁式微执行器 形状记忆合金微执行器第48页/共75页热微执行器热微执行器 热微执行器的工作原理是材料的热膨胀特性。 利用热力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。 第49页/共75页 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

16、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。 第50页/共75页热膨胀：双晶片热执行器热膨胀：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。 第51页/共75页双晶片热执行器双晶片热执行器第52页/共75页 双金属致动器也是一

17、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。 热膨胀：热膨胀：第53页/共75页 美国IC Sensors利用这种双金属片致动原理研制的阀。可控的气流，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第54页/共75页热气动式：热气动式：体积膨胀和相变执行器体

18、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。 第55页/共75页加热电阻蠕动膜流道入口出口 热气动蠕动泵 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

19、都比较低。 热气动蠕动泵热气动蠕动泵热式微执行器实例热式微执行器实例(1)(1)第56页/共75页进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻热气动微阀热气动微阀 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。 热微执行器实例热微执行器实例(2)(2)第57页/共75页热气动微波形管执行器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。 热式微执行器实例热式微执行器实例(3)(3)第58页/共75页热气动活塞执行器热气动活塞执行器 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

20、。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。热式微执行器实例热式微执行器实例(4)(4)第59页/共75页热气动活塞执行器简图热气动活塞执行器简图第60页/共75页 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：缺点：第61页/共75页微执行器的分类微执行器的分类u 按

21、驱动原理分类按驱动原理分类 静电式微执行器 压电式微执行器 热微执行器 电磁式微执行器 形状记忆合金微执行器第62页/共75页电磁式微执行器电磁式微执行器原理：原理：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。任何载流导体在磁场中都要受到洛伦兹力的作用。电磁执行器就是以洛伦兹力为主要驱动力。 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。第63页/共75页 电磁执行器在数毫米内产生作用力，动作幅度大；其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

22、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LLrrdlIdBB24RIB2022SBF 第64页/共75页“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带驱动线圈的磁执行器电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(1)(1)第65页/共75页永磁体氮化绝缘层入口出口德国的电磁致动微型阀金线圈 多晶硅 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。 电磁致动微阀电磁致动微阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(2)

23、(2)第66页/共75页铁镍合金线圈导管硅外部驱动微机械电磁阀该阀由一个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。外加磁场的电磁阀外加磁场的电磁阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(3)(3)第67页/共75页电磁光开关电磁光开关电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(4)(4)电磁场光纤MEMS驱动器电磁驱动光纤开关原理示意图 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。 第68页/共75页微执行器的分类微执行器的分类u 按驱动原理分类按驱动原理分类 静电式微执行器 压电式微执行