微机械和微机电系统

1、微机械和微机电系统微机械和微机电系统2定义与内涵定义与内涵20世纪世纪80年代末出现的一项新技术。已在工业、医疗等方面获年代末出现的一项新技术。已在工业、医疗等方面获得了很多应用。微机械必将对固有产业和技术产生深远的影响，得了很多应用。微机械必将对固有产业和技术产生深远的影响，但是，由于微机械是才有十几年历史的边缘学科，在目前还有但是，由于微机械是才有十几年历史的边缘学科，在目前还有着诸多的科学难题有待于解决。着诸多的科学难题有待于解决。 微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的定义。在微微机械的含义十分广泛，至今还没有一个权威性的定义。在微型机械的尺寸范围内，依其特征尺寸，可以划分成三个

2、等级：型机械的尺寸范围内，依其特征尺寸，可以划分成三个等级：110mm的是小型机械，的是小型机械，1m1mm的是微型机械，的是微型机械，1nm1m的的是纳米机械或分子机械。但广义的微机械是包含上述三个等级是纳米机械或分子机械。但广义的微机械是包含上述三个等级的微小机械。的微小机械。 微机械和微机电系统3微机电系统的组成框图如图微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输入的所示，它是将微机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、致动器致动器(驱动器驱动器)、电源等都微型化并集成在一起，成为一个微、电源

3、等都微型化并集成在一起，成为一个微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元，同时机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元，同时又集成为一个统一的系统。又集成为一个统一的系统。图图1微机电系统的组成框图微机电系统的组成框图 微机械和微机电系统4集成的微机电系统在日本仍习惯称其为微型机械，集成的微机电系统在日本仍习惯称其为微型机械，美国则称其为微机电系统美国则称其为微机电系统(MEMS)，欧洲则称其为微系统。欧洲则称其为微系统。这些微型系统虽然被称为微机电系统，可是它的含义决不只是这些微型系统虽然被称为微机电系统，可是它的含义决不只是机械和电器件的集成，需要时可以包括声、光、化学和

4、其他物机械和电器件的集成，需要时可以包括声、光、化学和其他物理量的微型传感器和器件，还可以包括光学系统或其他系统。理量的微型传感器和器件，还可以包括光学系统或其他系统。 MEMS可以在许多领域和部门得到应用，如医疗和外科手可以在许多领域和部门得到应用，如医疗和外科手术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感术设备、航空航天工业、科学仪器、通讯设备仪器、传感器工业、日用产品和国防等。器工业、日用产品和国防等。微机械和微机电系统5作为微型机械，当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象作为微型机械，当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象将与宏观世界有很大差别，许多宏观状态下的物理量和机将与宏观世界

5、有很大差别，许多宏观状态下的物理量和机械量都发生了变化，在微观状态下呈现出特有的规律，由械量都发生了变化，在微观状态下呈现出特有的规律，由此决定了微机械具有自身特有的理论基础。这时，一些常此决定了微机械具有自身特有的理论基础。这时，一些常规理论必须加以修正。规理论必须加以修正。微机械和微机电系统6物体的大小一般用特征尺寸物体的大小一般用特征尺寸L来表征，特征尺寸来表征，特征尺寸L是指该物体正是指该物体正好可包含在边长为好可包含在边长为L的正方体内。器件特征尺寸的正方体内。器件特征尺寸L的变小，在进的变小，在进入微小尺寸领域后，对各种物理特征变化的影响程度是各不相入微小尺寸领域后，对各种物理特征

6、变化的影响程度是各不相同的。例如表面力、弹性力和粘性力与同的。例如表面力、弹性力和粘性力与L2成比例，体积和质量成比例，体积和质量与与L3成比例。成比例。由于表面积与体积之比变大，表面效应突出，因此，表面效应由于表面积与体积之比变大，表面效应突出，因此，表面效应（如静电力和表面凝聚力）将代替体积效应（质量）而占支配（如静电力和表面凝聚力）将代替体积效应（质量）而占支配作用。传统机械做功往往是体积力起主导作用，运动要克服的作用。传统机械做功往往是体积力起主导作用，运动要克服的主要是重力、惯性力等，而在微机械领域内，常常是表面力起主要是重力、惯性力等，而在微机械领域内，常常是表面力起主导作用。一般

7、来说，当主导作用。一般来说，当L1mm时，体积力起主导作用，这时，体积力起主导作用，这时需要的驱动力为时需要的驱动力为FL3。而当。而当L1mm时，表面力将起主导时，表面力将起主导作用，这时需要的驱动力为作用，这时需要的驱动力为FL2。 微机械和微机电系统7按其性质可分为结构材料、功能材料和智能材料。按其性质可分为结构材料、功能材料和智能材料。结构材料。是指具有一定机械强度，用于构造机械器件基本结结构材料。是指具有一定机械强度，用于构造机械器件基本结构的材料。结构材料可以是单一材料，也可以是材料组合体。构的材料。结构材料可以是单一材料，也可以是材料组合体。功能材料。是指压电材料、光敏材料、形状

8、记忆材料、磁性材功能材料。是指压电材料、光敏材料、形状记忆材料、磁性材料等具有特定功能的材料。可以是单一材料，也可以是复合材料。料等具有特定功能的材料。可以是单一材料，也可以是复合材料。智能材料。一般具有传感、致动和控制等方面的基本功能，能智能材料。一般具有传感、致动和控制等方面的基本功能，能模仿人类或生物的基本特定行为，能对外界信息具有反应，对信模仿人类或生物的基本特定行为，能对外界信息具有反应，对信息激励有自适应的能力。常用的智能材料有形状记忆合金、电致息激励有自适应的能力。常用的智能材料有形状记忆合金、电致伸缩材料、导电聚合材料、电流变和磁流变材料、储氢材料等。伸缩材料、导电聚合材料、电

9、流变和磁流变材料、储氢材料等。多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微机械中用得很多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微机械中用得很多的硅晶体，因它有较好的强度和力学性能，是一种较好的结构多的硅晶体，因它有较好的强度和力学性能，是一种较好的结构材料；它又同时具有良好的多种传感性能，如光电效应、光电子材料；它又同时具有良好的多种传感性能，如光电效应、光电子效应、热阻效应、磁阻效应等，因此又是一种很好的功能材料。效应、热阻效应、磁阻效应等，因此又是一种很好的功能材料。微机械和微机电系统8微机电系统微机电系统(MEMS)包含多项功能、多种器件和多项技术。如图包含多项功能、多种器件和多项技术。如

10、图1所示。所示。MEMS涉及的基本技术面极广，主要有下面几方面：涉及的基本技术面极广，主要有下面几方面：MEMS的设计技术。包括微结构设计、设计数据库、有限元分的设计技术。包括微结构设计、设计数据库、有限元分析、析、CAD/CAM、仿真、实验验证等。、仿真、实验验证等。MEMS的微细加工技术。包括的微细加工技术。包括IC加工技术、加工技术、LIGA技术、微细技术、微细特种加工和装配技术。特种加工和装配技术。微型机械和微机电系统的材料。微型机械和微机电系统的材料。微型构件和部件、微型传感器和微型执行器等。微型构件和部件、微型传感器和微型执行器等。微机构和微机电系统的检测。如强度、弹性模量、应力、

11、应变微机构和微机电系统的检测。如强度、弹性模量、应力、应变等。等。微机电系统的组装与集成。包括系统整体设计、微型机械、微微机电系统的组装与集成。包括系统整体设计、微型机械、微型传感器、执行器和控制器的组装与集成、能源供应、接口与通型传感器、执行器和控制器的组装与集成、能源供应、接口与通讯等。讯等。微机械和微机电系统9微传感器是微机电系统中最重要的功能部件之一，也是当前微传感器是微机电系统中最重要的功能部件之一，也是当前MEMS功能部件中发展最快、商业化最早的部件。功能部件中发展最快、商业化最早的部件。微传感器因其体积小、质量轻、功耗小、成本低、使用灵活、动微传感器因其体积小、质量轻、功耗小、成

12、本低、使用灵活、动态性能好、品质和可靠性不降低，而受到使用者的欢迎，特别是态性能好、品质和可靠性不降低，而受到使用者的欢迎，特别是在狭窄空间和要求质量轻的场合。微传感器体积小，又由于微加在狭窄空间和要求质量轻的场合。微传感器体积小，又由于微加工和能集成的特点，因此微传感器已实现阵列化。工和能集成的特点，因此微传感器已实现阵列化。由于被测量种类繁多，传感器的分类方法也有许多种，主要有：由于被测量种类繁多，传感器的分类方法也有许多种，主要有：(1)按传感器工作所依据的转换原理可分为：物理、化学、生物传按传感器工作所依据的转换原理可分为：物理、化学、生物传感器等。感器等。(2)按传感器测量的量的性质

13、可分为：压力、加速度、气体浓度、按传感器测量的量的性质可分为：压力、加速度、气体浓度、离子浓度等。离子浓度等。(3)按传感器的制备技术和材料可分为：薄膜、半导体、陶瓷等。按传感器的制备技术和材料可分为：薄膜、半导体、陶瓷等。(4)按传感器的应用可分为：汽车、医学、航天等。按传感器的应用可分为：汽车、医学、航天等。微机械和微机电系统10机械微传感器是将机械信号转换成电信号的一类传感器，它的应机械微传感器是将机械信号转换成电信号的一类传感器，它的应用领域非常广泛，它所检测的机械参量也非常多，如位置、位移、用领域非常广泛，它所检测的机械参量也非常多，如位置、位移、速度、加速度、力、力矩、应力、压力速

14、度、加速度、力、力矩、应力、压力(压强压强)、应变、刚度等。、应变、刚度等。微机械和微机电系统11 位移传感器就是测量位移量，检测位置的一类传感器。位移传感器就是测量位移量，检测位置的一类传感器。根据传感原理，位移传感器可分为接触式和非接触式两类。根据传感原理，位移传感器可分为接触式和非接触式两类。 接触传感方式要求将传导杆与被测体固定在一起，然后将传接触传感方式要求将传导杆与被测体固定在一起，然后将传导杆的位置信号转换成电信号。传统的接触式传感器有电阻式、导杆的位置信号转换成电信号。传统的接触式传感器有电阻式、电容式、电感式、电磁式和光学式等。电容式、电感式、电磁式和光学式等。 反之，非接触

15、式传感器不需要传导杆而直接检测目标物的位反之，非接触式传感器不需要传导杆而直接检测目标物的位移。通常非接触式传感器利用电容、电感或磁性技术，也可采用移。通常非接触式传感器利用电容、电感或磁性技术，也可采用激光、远红外光束、微波束或超声波进行测距。激光、远红外光束、微波束或超声波进行测距。电阻、电容和电感式位移微传感器检测位移幅度在电阻、电容和电感式位移微传感器检测位移幅度在0.110mm范范围的物体，它们的运动导致输出电阻、电容或电感的变化。围的物体，它们的运动导致输出电阻、电容或电感的变化。光学位移微传感器的检测一般利用光路的截断、光路的反射、光光学位移微传感器的检测一般利用光路的截断、光路

16、的反射、光束的散射来测量位移或距离。束的散射来测量位移或距离。超声波位移微传感器是利用超声波的回声定位原理来测量位移或超声波位移微传感器是利用超声波的回声定位原理来测量位移或位置的。有以下优点：属于非接触式的，可以检测导体、绝缘体、位置的。有以下优点：属于非接触式的，可以检测导体、绝缘体、铁电体和非铁电体；对较脏的测试环境不敏感。在商用中属于成铁电体和非铁电体；对较脏的测试环境不敏感。在商用中属于成本较低的类型。本较低的类型。 微机械和微机电系统12物体运动的速度可由其物体运动的速度可由其位移对时间的微分求得。位移对时间的微分求得。流体的速度可由其流量流体的速度可由其流量求得。因此，测流速的求

17、得。因此，测流速的问题可以通过测流量来问题可以通过测流量来解决。解决。图图2为一尺寸为一尺寸600600各向异性刻蚀的共振微各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器。这桥式流量微传感器。这种微传感器利用微桥共种微传感器利用微桥共振频率的变化来检测流振频率的变化来检测流量，这种检测方法的优量，这种检测方法的优点是灵敏度高、响应快点是灵敏度高、响应快和重复性好。和重复性好。图图2各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器微机械和微机电系统13加速度传感器或加速度计用来测量加速度、振动或机械冲击。虽然物体的加加速度传感器或加速度计用来测量加速度、振动或机械冲击。虽然物体的加

18、速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但是通常大多数加速度计的传速度可以通过位移传感器或速度传感器获得，但是通常大多数加速度计的传感方法却是采用质量快感方法却是采用质量快-弹簧弹簧-阻尼系统。图阻尼系统。图3所示为悬臂梁式硅微加速度计示所示为悬臂梁式硅微加速度计示意图。用意图。用4个等值电阻连成电桥电路，电阻是在硅梁上制成，和硅梁一体化，个等值电阻连成电桥电路，电阻是在硅梁上制成，和硅梁一体化，可根据所测加速度和振动频率的要求，来设计该加速度传感器的刚度和自振可根据所测加速度和振动频率的要求，来设计该加速度传感器的刚度和自振频率。频率。当加速度作用在加速度计上时，基座产生加速度，质量块由于惯

19、性力而使硅当加速度作用在加速度计上时，基座产生加速度，质量块由于惯性力而使硅梁产生弯曲，硅梁上电阻的阻值变化，使电桥有电信号输出。输出的电信号梁产生弯曲，硅梁上电阻的阻值变化，使电桥有电信号输出。输出的电信号经数据处理后，即可获得被测的加速度。经数据处理后，即可获得被测的加速度。图图3 3悬臂梁式硅微加速度计结构示意图悬臂梁式硅微加速度计结构示意图 微机械和微机电系统14图图4是悬臂梁式电容微加速度计的典型结构。基板采用是悬臂梁式电容微加速度计的典型结构。基板采用Si晶片或玻晶片或玻璃制成，上面电镀璃制成，上面电镀Ni、Cr或或Au导电层，上面用微细加工技术制导电层，上面用微细加工技术制成成S

20、i的悬臂梁、质量块和固定电极间形成差动电容器。悬臂粱和的悬臂梁、质量块和固定电极间形成差动电容器。悬臂粱和质量块的高度约为质量块的高度约为300m。在垂直于悬臂梁平面的方向有加速度。在垂直于悬臂梁平面的方向有加速度时，梁便弯曲摆动，引起电容的变化。时，梁便弯曲摆动，引起电容的变化。 图图4 4悬臂梁式电容加速度计结构示意图悬臂梁式电容加速度计结构示意图 微机械和微机电系统15图图5是一种典型的电阻应变式微压力传感器的结构，它由外壳、单晶硅膜片、是一种典型的电阻应变式微压力传感器的结构，它由外壳、单晶硅膜片、四个阻值相同的电阻、引线等组成。这四个相同阻值的电阻四个阻值相同的电阻、引线等组成。这四

21、个相同阻值的电阻(R1、R2、R3、R4)，是在单晶硅膜片上用是在单晶硅膜片上用ICIC工艺制成并与硅膜片一体化的电阻敏感元件。四个电工艺制成并与硅膜片一体化的电阻敏感元件。四个电阻导线连成电桥，膜片四周用硅圆环固定。膜片两侧有两个压力腔，一个是阻导线连成电桥，膜片四周用硅圆环固定。膜片两侧有两个压力腔，一个是与被测压力系统连接的高压腔，另一个是与大气相通的低压腔。当膜片两侧与被测压力系统连接的高压腔，另一个是与大气相通的低压腔。当膜片两侧存在压力差时，膜片产生变形，膜片产生的变形量与压力差值成正比，且使存在压力差时，膜片产生变形，膜片产生的变形量与压力差值成正比，且使电阻阻值变化，使电桥失去

22、平衡而输出相应的电压。根据输出的电压，可以电阻阻值变化，使电桥失去平衡而输出相应的电压。根据输出的电压，可以测出膜片两侧的压力差值。测出膜片两侧的压力差值。图图5 5电阻应变式微压力传感器结构示意图电阻应变式微压力传感器结构示意图 微机械和微机电系统16图图6所示为典型的圆形薄膜式平行极板的电容式微压力传感器。所示为典型的圆形薄膜式平行极板的电容式微压力传感器。有时也将平行硅薄膜极板制成方形。在压力差有时也将平行硅薄膜极板制成方形。在压力差P作用下，可变形作用下，可变形的硅膜片极板产生挠曲变形，改变两极板间的电容的硅膜片极板产生挠曲变形，改变两极板间的电容C，通过检测，通过检测电路检测电容变化

23、值，获得电压或其他输出电信号，从而测出压电路检测电容变化值，获得电压或其他输出电信号，从而测出压力差值。力差值。至于应变的测量，常用大家所熟悉的电阻应变片测量。至于应变的测量，常用大家所熟悉的电阻应变片测量。 图图6 6圆形薄膜平行极板电容式压力传感器工作原理图圆形薄膜平行极板电容式压力传感器工作原理图 微机械和微机电系统17温度是我们在科学研究、生产乃至日常生活中最经常测量的物理温度是我们在科学研究、生产乃至日常生活中最经常测量的物理量之一。理论上说，任何介质，只要它的某项物理量随温度变化，量之一。理论上说，任何介质，只要它的某项物理量随温度变化，就可以利用这一特性设计制造温度计。就可以利用

24、这一特性设计制造温度计。从从20世纪世纪60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计(包括红外辐射温包括红外辐射温度计度计)，从而扩大了它的应用领域。，从而扩大了它的应用领域。一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。在简单的温度测一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。在简单的温度测量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的仪表中则分成两个独立的部分，中间用导线连接，如热电偶或热仪表中则

25、分成两个独立的部分，中间用导线连接，如热电偶或热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。 微机械和微机电系统18热热-机械能量转换是家用电器及自动控温装置的基本工作原理之一。热机械传机械能量转换是家用电器及自动控温装置的基本工作原理之一。热机械传感器是利用材料的热胀冷缩原理，即材料的尺寸随温度的变化而变化制成的感器是利用材料的热胀冷缩原理，即材料的尺寸随温度的变化而变化制成的传感器。基本的应用是双金属温度开关。其基本的工作原理如图传感器。基本的应用是双金属温度开关。其基本的工作原理如图7所示。所示。 图图7 7双金属温度开关的

26、基本工作原理双金属温度开关的基本工作原理 其他的热微传感器还有其他的热微传感器还有很多种类，如热敏电阻很多种类，如热敏电阻类，有金属热敏电阻、类，有金属热敏电阻、半导体热敏电阻；热二半导体热敏电阻；热二极管类；热晶体管类；极管类；热晶体管类；热电偶类、光纤类热传热电偶类、光纤类热传感器。感器。 微机械和微机电系统19这里主要介绍基于这里主要介绍基于MEMS技术的光微传感器。光学传感器的应用技术的光微传感器。光学传感器的应用范围十分宽广，在光纤通信、激光雷达、红外探测等光电系统中，范围十分宽广，在光纤通信、激光雷达、红外探测等光电系统中，光探测器是必不可少的器件。目前，激光二极管、光电二极管和光

27、探测器是必不可少的器件。目前，激光二极管、光电二极管和光电晶体管、电荷耦合光电晶体管、电荷耦合(CCD，最近是，最近是CMOS)成像器件等都有大成像器件等都有大量的市场需求。量的市场需求。根据信号在传感器内部的转换过程不同，可以将光学传感器分为根据信号在传感器内部的转换过程不同，可以将光学传感器分为直接转换型和间接型两大类。直接转换型传感器由光子的作用直直接转换型和间接型两大类。直接转换型传感器由光子的作用直接产生电信号接产生电信号(没有任何中间转换环节，例如由光转换为热然后测没有任何中间转换环节，例如由光转换为热然后测量温度量温度)。微机械和微机电系统20光敏电阻传感器是基于光电导效应工作的

28、。当光照射半导体材料时，由于材光敏电阻传感器是基于光电导效应工作的。当光照射半导体材料时，由于材料吸收外来光的能量而使其内部载流子浓度增大，从而增大半导体材料的电料吸收外来光的能量而使其内部载流子浓度增大，从而增大半导体材料的电导率，表现为材料电阻的变化，通过检测该变化量，即可测出入射光强度，导率，表现为材料电阻的变化，通过检测该变化量，即可测出入射光强度，如图如图8所示。所示。 图图8 8光敏电阻微传感器的工作原理光敏电阻微传感器的工作原理 微机械和微机电系统21光电二极管和光电三极管是典型的光伏效应传感器，它们都是结型器件，有光电二极管和光电三极管是典型的光伏效应传感器，它们都是结型器件，

29、有PN结，其中产生光生载流子，就像光敏电阻那样。光电二极管的灵敏度更高、结，其中产生光生载流子，就像光敏电阻那样。光电二极管的灵敏度更高、响应时间更短、尺寸更小、稳定性更好、线性度更优。如图响应时间更短、尺寸更小、稳定性更好、线性度更优。如图9所示，当光电二所示，当光电二极管受到外来光照射时，极管受到外来光照射时，P区的光生电子和区的光生电子和N区的光生空穴以及结区的光生电区的光生空穴以及结区的光生电子子-空穴对在电场的作用下发生移动，光生电子移向空穴对在电场的作用下发生移动，光生电子移向N区，光生空穴移向区，光生空穴移向P区，区，从而形成光生电流，其大小随入射光强度而变化。从而形成光生电流，

30、其大小随入射光强度而变化。图图8 8光敏电阻微传感器的工作原理光敏电阻微传感器的工作原理 间接型光学传间接型光学传感器主要有测感器主要有测辐射热计，其辐射热计，其种类很多，这种类很多，这里不一一介绍。里不一一介绍。 微机械和微机电系统22能够将化学物质的化学信号转换为电信号的传感器称为化学传感能够将化学物质的化学信号转换为电信号的传感器称为化学传感器，化学物质可以是气体、液体或固体。例如可探测空气中氢气器，化学物质可以是气体、液体或固体。例如可探测空气中氢气含量的气体传感器，可探测空气中水汽含量的湿度传感器，以及含量的气体传感器，可探测空气中水汽含量的湿度传感器，以及探测水中离子浓度的传感器。

31、化学传感器也可以探测更加复杂的探测水中离子浓度的传感器。化学传感器也可以探测更加复杂的分子，如液体中的糖或蛋白质。可探测生物的化学传感器也称作分子，如液体中的糖或蛋白质。可探测生物的化学传感器也称作生物传感器或生物化学传感器。生物传感器或生物化学传感器。化学化学/电化学微传感器，其原理是利用特殊传感器材料对被测材料电化学微传感器，其原理是利用特殊传感器材料对被测材料的某种化学成分分子或离子特别敏感，致使传感器材料某些性能的某种化学成分分子或离子特别敏感，致使传感器材料某些性能改变改变(如导电性、电压、电荷、谐振频率等的改变如导电性、电压、电荷、谐振频率等的改变)来实现检测的。来实现检测的。传感

32、器的敏感材料可以有多种不同形式结构，最常用的是涂层或传感器的敏感材料可以有多种不同形式结构，最常用的是涂层或镀层薄膜，著名的化学传感器镀层薄膜，著名的化学传感器ISFET是一种场效应晶体管。是一种场效应晶体管。 微机械和微机电系统23图图10所示是一种谐振式多气体微传感器，是利用石英谐振器来分析气体，该所示是一种谐振式多气体微传感器，是利用石英谐振器来分析气体，该传感器有多个谐振器，每个石英谐振器上都覆盖了一层用于吸收专门气体的传感器有多个谐振器，每个石英谐振器上都覆盖了一层用于吸收专门气体的选择层，其中一个作为参考频率，其余几个是吸收不同专门气体的选择性谐选择层，其中一个作为参考频率，其余几

33、个是吸收不同专门气体的选择性谐振器。如吸收到某种专门气体，该选样性谐振器随所吸收气体中含有物质量振器。如吸收到某种专门气体，该选样性谐振器随所吸收气体中含有物质量而使谐振频率变化，使谐振频率和标准参考频率产生差别，从而测出该专门而使谐振频率变化，使谐振频率和标准参考频率产生差别，从而测出该专门气体的存在。气体的存在。 图图1010谐振式多气体微传感器图谐振式多气体微传感器图 微机械和微机电系统24图图11所示是用来分析气体的化学传感器阵列所示是用来分析气体的化学传感器阵列(称为电鼻子称为电鼻子)，可解决未知气体的，可解决未知气体的识别问题。这种电鼻子是在识别问题。这种电鼻子是在10mm10mm

34、的氧化硅基板上集成的氧化硅基板上集成40个不同的化个不同的化学微传感器学微传感器- -微化学传感器阵列。由于这些微化学传感器上敏感元件的金属氧微化学传感器阵列。由于这些微化学传感器上敏感元件的金属氧化物涂层的差异，使它对不同气体具有不同的灵敏度。将被分析气体接触时化物涂层的差异，使它对不同气体具有不同的灵敏度。将被分析气体接触时产生的信号样本与事先储存的标准样本用特殊编制的神经网络程序比较，即产生的信号样本与事先储存的标准样本用特殊编制的神经网络程序比较，即可识别采得的信号样本的气体成分。这种可识别采得的信号样本的气体成分。这种“电鼻子电鼻子”巳用于确定葡萄的成热巳用于确定葡萄的成热程度，效果

35、良好。程度，效果良好。 图图1111探测气体的化学微传感器阵列探测气体的化学微传感器阵列- -电鼻子电鼻子 微机械和微机电系统25电化学传感器一般是通过在液体中感应特种离子而工作的。电化电化学传感器一般是通过在液体中感应特种离子而工作的。电化学传感器可以与检测流量，粘性和密度的传感器集成在一起而形学传感器可以与检测流量，粘性和密度的传感器集成在一起而形成测量网络。成测量网络。化学和电化学微传感器因体积小，便于将多个传感器集成在一起化学和电化学微传感器因体积小，便于将多个传感器集成在一起实现多目标的检测。实现多目标的检测。除了上面介绍的微传感器外，还有光线微传感器、生物微传感器除了上面介绍的微传

36、感器外，还有光线微传感器、生物微传感器等。等。 微机械和微机电系统26微致动器又称微执行器或微驱动器，是微机电系统中执行动作的微致动器又称微执行器或微驱动器，是微机电系统中执行动作的部件。部件。从装置的结构功能类型来看，微致动器可分为微旋转电机、微直从装置的结构功能类型来看，微致动器可分为微旋转电机、微直线电机、微机构线电机、微机构(微齿轮、微轴、微梁、微轴承、微凸轮、微连杆、微齿轮、微轴、微梁、微轴承、微凸轮、微连杆、微振子等微振子等)、微夹持器、微阀门、微泵等。从驱动力来看，微致动、微夹持器、微阀门、微泵等。从驱动力来看，微致动器可分为静电力、电磁力、电致伸缩力、形状记忆合金的形状恢器可分

37、为静电力、电磁力、电致伸缩力、形状记忆合金的形状恢复力、热变形、激光、液压力、气压力、生物力驱动等。微致动复力、热变形、激光、液压力、气压力、生物力驱动等。微致动器因其尺寸极小，在设计中，选用驱动力时必须考虑尺寸效应的器因其尺寸极小，在设计中，选用驱动力时必须考虑尺寸效应的影响。影响。近年来，由于世界各国都对微机电系统极为重视，其中关键部件近年来，由于世界各国都对微机电系统极为重视，其中关键部件的微执行器发展很快，现在已制成多种尺寸很小的微执行器。现的微执行器发展很快，现在已制成多种尺寸很小的微执行器。现在微执行器的尺寸一般是毫米级和微米级，其内部组成元件的尺在微执行器的尺寸一般是毫米级和微米

38、级，其内部组成元件的尺寸已都是微米级。寸已都是微米级。 微机械和微机电系统27静电执行器的基本原理是两个带有相异电荷的圆盘互相吸引。静静电执行器的基本原理是两个带有相异电荷的圆盘互相吸引。静电力驱动的特点，首先是静电力大小与电力驱动的特点，首先是静电力大小与L2(面积面积)成正比，即微机成正比，即微机械尺寸越小，单位面积产生的作用力越大；其次采用电压驱动不械尺寸越小，单位面积产生的作用力越大；其次采用电压驱动不仅功耗低，而且易于控制和达到高速；此外静电力驱动的微结构，仅功耗低，而且易于控制和达到高速；此外静电力驱动的微结构，易于集成化制造。易于集成化制造。 微机械和微机电系统281988年，加

39、州大学伯克利分校研制成功了转子直径约为年，加州大学伯克利分校研制成功了转子直径约为60120m的静电旋转的静电旋转电机。结构如图电机。结构如图12所示，转子有所示，转子有4个电极，定子有个电极，定子有12个电极，均匀分布在转子个电极，均匀分布在转子周围，每隔两个电极并联在一起，成为周围，每隔两个电极并联在一起，成为3相相4极构造。由图极构造。由图(b)可以看到，转子可以看到，转子卡在中心轴的沟内，不会脱出。转子为多晶硅材料，在其外圈和内圈沉积了卡在中心轴的沟内，不会脱出。转子为多晶硅材料，在其外圈和内圈沉积了Si3N4膜，以减少摩擦，转子和定子的间隙为膜，以减少摩擦，转子和定子的间隙为2m，工

40、作电压为，工作电压为60400V。当向。当向定子的各电极依次施加电压时，由静电力作用使电机转子转动。经实测，电定子的各电极依次施加电压时，由静电力作用使电机转子转动。经实测，电压为压为200V时，转速为时，转速为150r/min。但按理论计算，电压为。但按理论计算，电压为200V时，转速应为时，转速应为120000r/min，由于摩擦力使电机转速大幅度降低，寿命也大幅度缩短。，由于摩擦力使电机转速大幅度降低，寿命也大幅度缩短。 图图1212静电旋转电机静电旋转电机( (直径直径120m) 120m) 微机械和微机电系统29MIT的的Mehregahy等改进了上述电机：将转子和中心轴等改进了上述

41、电机：将转子和中心轴间的间隙减小到以下；转子和定子电极间的间隙减少为；间的间隙减小到以下；转子和定子电极间的间隙减少为；转子下面由转子下面由3个凸起点支承，减小了摩擦；在氮气中个凸起点支承，减小了摩擦；在氮气中工作，防止硅的氧化。改进后制成直径工作，防止硅的氧化。改进后制成直径100m，高，高2m的的多晶硅电机，转速达到多晶硅电机，转速达到10 000r/min，寿命达到，寿命达到1星期以上。星期以上。我国清华大学研制成功的硅基集成微静电旋转马达，其转我国清华大学研制成功的硅基集成微静电旋转马达，其转子半径为子半径为40m，转子和定子由厚度为的多晶硅膜制成，转子和定子由厚度为的多晶硅膜制成，转

42、子与定子间的空气间隙为转子与定子间的空气间隙为2m，驱动电压为，驱动电压为50176V，最高转速约为最高转速约为600r/min。 微机械和微机电系统30微静电旋转马达广泛应用于各种微机电系统中。图微静电旋转马达广泛应用于各种微机电系统中。图13是微静电旋转马达是微静电旋转马达在光线切换开关上的应用，这是一个在光线切换开关上的应用，这是一个18的开关。该马达的转子直径为的开关。该马达的转子直径为1mm，厚，厚20m，在转子上安装有一个高，在转子上安装有一个高500m宽宽900m的镜子。的镜子。图图1313旋转式光线切换开关示意图旋转式光线切换开关示意图 微机械和微机电系统31静电直线电机是利用

43、静电作用产生直线输出运动的执行器。有的采用平静电直线电机是利用静电作用产生直线输出运动的执行器。有的采用平行板产生驱动力，有的采用梳状执行器产生驱动力，有的采用几种形式行板产生驱动力，有的采用梳状执行器产生驱动力，有的采用几种形式的组合。静电直线电机的工作原理如图的组合。静电直线电机的工作原理如图14所示，该系统由一个沉积有电所示，该系统由一个沉积有电极运动件和一个电极固定件组成。通过对静止电极施加一序列电压，可极运动件和一个电极固定件组成。通过对静止电极施加一序列电压，可使带电极的运动件产生直线运动。调节静止电极上的电压大小和正负，使带电极的运动件产生直线运动。调节静止电极上的电压大小和正负

44、，便可以控制运动件的运动速度和运动方向。便可以控制运动件的运动速度和运动方向。图图1414静电直线电机的工作原理静电直线电机的工作原理 微机械和微机电系统32电磁型微致动器在毫米尺度时产生的磁感应力较大，动作的幅度电磁型微致动器在毫米尺度时产生的磁感应力较大，动作的幅度也较大，可用于电磁感应发电。在也较大，可用于电磁感应发电。在MEMS领域，已研究开发了多领域，已研究开发了多种电磁型微致动器，如电磁型微电机、微发电机、微泵、微继电种电磁型微致动器，如电磁型微电机、微发电机、微泵、微继电器、微镊子、微光学开关等。器、微镊子、微光学开关等。电磁型微致动器中还有一类磁致伸缩型微致动器。某些材料具有电

45、磁型微致动器中还有一类磁致伸缩型微致动器。某些材料具有磁致伸缩效应，即在磁场中它的几何尺寸会发生变化，磁致伸缩磁致伸缩效应，即在磁场中它的几何尺寸会发生变化，磁致伸缩效应又可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应。效应又可分为纵向效应、横向效应、扭转效应和体积效应。磁致伸缩型微致动器是通过在磁致伸缩材料外面加一线圈，线圈磁致伸缩型微致动器是通过在磁致伸缩材料外面加一线圈，线圈通电产生磁场，使磁致伸缩材料尺寸变化而工作的。磁致伸缩型通电产生磁场，使磁致伸缩材料尺寸变化而工作的。磁致伸缩型微致动器的应用方式与压电式微致动器很类似。微致动器的应用方式与压电式微致动器很类似。 微机械和微机电系统3

46、3利用压电材料的逆压电效应，可以将电能转换为机械能，即将电利用压电材料的逆压电效应，可以将电能转换为机械能，即将电压压(数十伏到数百伏数十伏到数百伏)加到压电材料上时，压电材料的长度加到压电材料上时，压电材料的长度(或厚度、或厚度、体积体积)将改变，从而产生位移、扭转、振动等。由于压电型微致动将改变，从而产生位移、扭转、振动等。由于压电型微致动器的动作可以有多种选择，并且响应速度快，位移精度高且可控，器的动作可以有多种选择，并且响应速度快，位移精度高且可控，输出力大，稳定可靠，因而在输出力大，稳定可靠，因而在MEMS驱动系统中应用极为广泛，驱动系统中应用极为广泛，目前它已用于微型机器人的行走机

47、构、微型机械手、激振器、压目前它已用于微型机器人的行走机构、微型机械手、激振器、压电原理的微阀和微泵等。现在纳米科技中广泛使用的扫描探针显电原理的微阀和微泵等。现在纳米科技中广泛使用的扫描探针显微镜的三维扫描管、二维扫描工作台、原子力显微镜微悬臂的激微镜的三维扫描管、二维扫描工作台、原子力显微镜微悬臂的激振等，也都使用压电型致动器。下面是几个压电型微致动器的应振等，也都使用压电型致动器。下面是几个压电型微致动器的应用实例。用实例。 微机械和微机电系统34图图15是一种压电型细管微机器入在管道内爬行的原理图、该微机器人的爬行是一种压电型细管微机器入在管道内爬行的原理图、该微机器人的爬行机构由质量

48、块、压电元件和弹性腿组成、静止时弹性腿和管壁间的摩擦力使机构由质量块、压电元件和弹性腿组成、静止时弹性腿和管壁间的摩擦力使微机器人保持不动，当施加缓慢增大的电压时，压电元件缓慢伸长带动质量微机器人保持不动，当施加缓慢增大的电压时，压电元件缓慢伸长带动质量块前进；电压突降，压电元件突然缩短，这时质量块由于惯性而处于原位，块前进；电压突降，压电元件突然缩短，这时质量块由于惯性而处于原位，压电器件将带动弹性腿前进，这个动作不断重复，机器人即逐步蠕动向前爬压电器件将带动弹性腿前进，这个动作不断重复，机器人即逐步蠕动向前爬行。如所加电压是突然升高而缓慢降低的，则机器人将蠕动向后爬行。行。如所加电压是突然

49、升高而缓慢降低的，则机器人将蠕动向后爬行。 图图15 5 压电型细管微机器人的行走原理压电型细管微机器人的行走原理 微机械和微机电系统35图图16所示是带压电所示是带压电V形脚的自行微机器人。其中图形脚的自行微机器人。其中图(a)是使用双晶是使用双晶片压电元件制成的片压电元件制成的V型驱动脚，控制加在压电元件上的电压，可型驱动脚，控制加在压电元件上的电压，可使使V形脚拾高或放下，向前或向后扭曲。装有这种压电形脚拾高或放下，向前或向后扭曲。装有这种压电V形脚的形脚的微机器人微机器人(图图(b)，由施加电压控制，可向前、转弯或向后行走。，由施加电压控制，可向前、转弯或向后行走。 图图16 6 带压

50、电带压电V V形脚的自行微机器人形脚的自行微机器人 微机械和微机电系统36图图17是一种压电型硅微泵的结构示意图。该泵的出口阀和进门阀均为单向阀。是一种压电型硅微泵的结构示意图。该泵的出口阀和进门阀均为单向阀。当电压施加到压电器件上时，压电器件伸长，推动硅膜片向上变形，减小了当电压施加到压电器件上时，压电器件伸长，推动硅膜片向上变形，减小了泵腔体积而使泵腔内的流体从出口阀处流出泵腔体；反之，当压电器件断电泵腔体积而使泵腔内的流体从出口阀处流出泵腔体；反之，当压电器件断电时，压电器件缩短，硅膜片在弹性力作用下向下变形，增加了泵腔体积而使时，压电器件缩短，硅膜片在弹性力作用下向下变形，增加了泵腔体

51、积而使泵腔外的流体从进口阀处流入泵腔体内。泵腔外的流体从进口阀处流入泵腔体内。 图图1717压电型硅微泵压电型硅微泵 图图1818压电型微阀压电型微阀 图图18所示为一种压电型微阀的结构示意图。当电压加到压电元件上时，它的所示为一种压电型微阀的结构示意图。当电压加到压电元件上时，它的长度增加，推动硅膜片使出气口通道闭合。在不加电压时，压电元件缩短到长度增加，推动硅膜片使出气口通道闭合。在不加电压时，压电元件缩短到原长度，出气口被打开，压电元件即可控制微阀的开关。原长度，出气口被打开，压电元件即可控制微阀的开关。 微机械和微机电系统37现在现在MEMS中使用的热变形型微致动器主要有两类：第一类是

52、双中使用的热变形型微致动器主要有两类：第一类是双金属构造的微致动器，第二类是记忆合金的微致动器。金属构造的微致动器，第二类是记忆合金的微致动器。双金属构造的微致动器的热驱动原理是，双金属梁或膜被加热升双金属构造的微致动器的热驱动原理是，双金属梁或膜被加热升温时，将产生弯曲变形，推动微致动器运动。现已制成多种双金温时，将产生弯曲变形，推动微致动器运动。现已制成多种双金属微致动器，如微阀、微泵、微镊子、微机器人手臂等，在响应属微致动器，如微阀、微泵、微镊子、微机器人手臂等，在响应速度要求不太高时，使用效果良好。速度要求不太高时，使用效果良好。形状记忆合金的微致动器的工作原理是，电流通过记忆合金结构

53、形状记忆合金的微致动器的工作原理是，电流通过记忆合金结构时，记忆合金温度升高，产生变形，降温后又恢复原来的形状。时，记忆合金温度升高，产生变形，降温后又恢复原来的形状。记忆合金微致动器的优点是作用力和动作幅度均较大。这类材料记忆合金微致动器的优点是作用力和动作幅度均较大。这类材料一般电阻较大，故通电流时温升较快，但降温需靠热传导和辐射一般电阻较大，故通电流时温升较快，但降温需靠热传导和辐射来散热，虽然微机械的表面积相对较大，有利于散热，但降温的来散热，虽然微机械的表面积相对较大，有利于散热，但降温的响应速度还不是很快，且不易控制，这是这种致动器的不足之处。响应速度还不是很快，且不易控制，这是这

54、种致动器的不足之处。 微机械和微机电系统38图图19是美国是美国Lawrence Livermore国家实验室研制的微钳结构图。由国家实验室研制的微钳结构图。由TiNiCu制制成的形状记忆合金膜厚度为成的形状记忆合金膜厚度为5m，Si悬臂梁厚度。整个微钳臂长为悬臂梁厚度。整个微钳臂长为900m，宽，宽度为度为380m，厚度，厚度200m。当将微钳加热到。当将微钳加热到70C时，时，TiNiCu薄膜收缩，钳口薄膜收缩，钳口可张开可张开110m；而冷却时，利用；而冷却时，利用Si基片自身的弹性，使钳口回复加热前的闭合基片自身的弹性，使钳口回复加热前的闭合状态，这种微钳在状态，这种微钳在30mW（空

55、气中）或（空气中）或150mW（水中）条件下，工作频率可（水中）条件下，工作频率可达达100Hz。因采用的。因采用的TiNiCu相变温度均在人体温度相变温度均在人体温度(37C)以上，且热迟滞很以上，且热迟滞很小小(约约-5C)，非常适用于医疗上的应用。，非常适用于医疗上的应用。 图图19 SMA19 SMA微钳结构示意图微钳结构示意图 微机械和微机电系统39对于需做运动的微机电系统，如微型机器人、微型车辆、微型飞对于需做运动的微机电系统，如微型机器人、微型车辆、微型飞机等，能源的供应成为重要难题。目前采用的有下列几种能量供机等，能源的供应成为重要难题。目前采用的有下列几种能量供应方法：应方法

56、：非接触能量供应，如采用电磁感应、微波、电磁波等，这些方非接触能量供应，如采用电磁感应、微波、电磁波等，这些方法的能量传输和接收都比较复杂，有一定的局限性。法的能量传输和接收都比较复杂，有一定的局限性。机电系统中装蓄电池或光电池，但因受体积和质量的限制，能机电系统中装蓄电池或光电池，但因受体积和质量的限制，能量供应有限，能源供应时间短，微系统工作的时间也短。量供应有限，能源供应时间短，微系统工作的时间也短。微系统中装发动机微系统中装发动机(如微型飞机如微型飞机)，但因受所装燃料数量的限制，但因受所装燃料数量的限制，微系统能工作的时间亦有限制。微系统能工作的时间亦有限制。微机电系统中装燃料电池或

57、新化学电源，这是最新发展的能源，微机电系统中装燃料电池或新化学电源，这是最新发展的能源，有希望能适当延长微系统的工作时间。有希望能适当延长微系统的工作时间。 微机械和微机电系统40微型机器人体积小、灵活机动、能通过狭窄通道进入狭小或恶劣微型机器人体积小、灵活机动、能通过狭窄通道进入狭小或恶劣环境的空间；其次是很好的隐蔽性，进行侦察工作而不被敌方发环境的空间；其次是很好的隐蔽性，进行侦察工作而不被敌方发现。微飞行器从广义上讲也应属于微机器人，但因它有较多特殊现。微飞行器从广义上讲也应属于微机器人，但因它有较多特殊性，故平时不把它算在微机器人范畴内。微机器人近年来发展迅性，故平时不把它算在微机器人

58、范畴内。微机器人近年来发展迅速，有军民两用性质，目前己取得很多成果。速，有军民两用性质，目前己取得很多成果。 微机械和微机电系统41微型机器人要自动行走，就必须有行走机构。现在微机器人的行微型机器人要自动行走，就必须有行走机构。现在微机器人的行走机构主要有：走机构主要有：轮式行走机构，只适宜在较平坦的地面上行驶。轮式行走机构，只适宜在较平坦的地面上行驶。履带式行走机构，可以在不平坦的地面上行驶。履带式行走机构，可以在不平坦的地面上行驶。用脚行走，用得最多的是四脚和六脚的行走机构，如要求在不用脚行走，用得最多的是四脚和六脚的行走机构，如要求在不平坦的地面上行走，则机构较复杂。平坦的地面上行走，则

59、机构较复杂。靠惯性或自动伸缩的步进蠕动式行走机构。靠惯性或自动伸缩的步进蠕动式行走机构。在液体中用螺旋桨或其他方式推动前进的驱动机构。在液体中用螺旋桨或其他方式推动前进的驱动机构。微机器人的外形样式较多，用轮子或履带行走的微机器人外形多微机器人的外形样式较多，用轮子或履带行走的微机器人外形多数像小车，用脚行走的微机器人外形多数像昆虫，此外还有真空数像小车，用脚行走的微机器人外形多数像昆虫，此外还有真空吸附爬壁微机器人、微管道机器人等。吸附爬壁微机器人、微管道机器人等。除有行走机构外还应有行走路径，遇障碍物时能随时调整行走方除有行走机构外还应有行走路径，遇障碍物时能随时调整行走方向并走向目的地。

60、可以按预先编制好的软件走设定的行走路径，向并走向目的地。可以按预先编制好的软件走设定的行走路径，也可以遥控指挥行走。为适应侦察任务时的多变情况，微机器人也可以遥控指挥行走。为适应侦察任务时的多变情况，微机器人必须在隐蔽的地方独立行走，避开障碍物走向预定目标，这就要必须在隐蔽的地方独立行走，避开障碍物走向预定目标，这就要求它具有人工智能，能自动寻找行走路线，走向目的地。求它具有人工智能，能自动寻找行走路线，走向目的地。 微机械和微机电系统42微机器人要具有一定的人的行为功能，就需要配备相应的设备。微机器人要具有一定的人的行为功能，就需要配备相应的设备。例如配备有微型照相机或摄像机、微型数字信息处