微机械和微机电系统

1、微机械和微机电系统1.概述 定义与内涵20世纪80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，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。 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，可以划分成三个等级：110mm的是小型机械，1m1mm的是微型机械，1nm1m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的微小机械。 2微机械和微机电系统定义与内涵微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、

2、输出信号接口、致动器(驱动器)、电源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，同时又集成为一个统一的系统。图1微机电系统的组成框图 3微机械和微机电系统定义与内涵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(MEMS)，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。 MEMS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、传感器工业、日用产品和国防等。4微

3、机械和微机电系统2.微机械和微机电系统的相关基础 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，一些常规理论必须加以修正。5微机械和微机电系统物理参量的微尺寸效应 物体的大小一般用特征尺寸L来表征，特征尺寸L是指该物体正好可包含在边长为L的正方体内。器件特征尺寸L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同的。例如表面力、弹性力和粘性力与L2成比例，体积和质量与L3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

4、应（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。一般来说，当L1mm时，体积力起主导作用，这时需要的驱动力为FL3。而当L1mm时，表面力将起主导作用，这时需要的驱动力为FL2。 6微机械和微机电系统微机械中的常用材料 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

5、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、电致伸缩材料、导电聚合材料、电流变和磁流变材料、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、光电子效应、热阻效应、磁阻效应等，因此又是一种很好的功能材料。7微机械和微机电系统微机械和微机电系统的技术基础 微机电系统(MEMS)包含多项功能、多种器件和多项技术。如图1所示。MEMS涉及的基本技术面极广

6、，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、有限元分析、CAD/CAM、仿真、实验验证等。MEMS的微细加工技术。包括IC加工技术、LIGA技术、微细特种加工和装配技术。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。微机构和微机电系统的检测。如强度、弹性模量、应力、应变等。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。8微机械和微机电系统3 微传感器 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。微传感器因其体积小、质量轻、功

7、耗小、成本低、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。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、生物传感器等。(2)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。(3)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。9微机械和微机电系统3.1 机械量微传感器 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

8、，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(压强)、应变、刚度等。10微机械和微机电系统3.1.1 位移微传感器 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。 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、电容式、电感式、电磁式和光学式等。 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0.110

9、mm范围的物体，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。在商用中属于成本较低的类型。 11微机械和微机电系统3.1.2 速度和流速微传感器 物体运动的速度可由其位移对时间的微分求得。流体的速度可由其流量求得。因此，测流速的问题可以通过测流量来解决。图2为一尺寸600600各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器。这种微传感器利用微桥共振频率的变化来检测流量，这种

10、检测方法的优点是灵敏度高、响应快和重复性好。图2各向异性刻蚀的共振微桥式流量微传感器12微机械和微机电系统3.1.3 加速度微传感器 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-弹簧-阻尼系统。图3所示为悬臂梁式硅微加速度计示意图。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，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。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

11、的电信号经数据处理后，即可获得被测的加速度。图3悬臂梁式硅微加速度计结构示意图 13微机械和微机电系统3.1.3 加速度微传感器 图4是悬臂梁式电容微加速度计的典型结构。基板采用Si晶片或玻璃制成，上面电镀Ni、Cr或Au导电层，上面用微细加工技术制成Si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300m。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。 图4悬臂梁式电容加速度计结构示意图 14微机械和微机电系统3.1.4 力、压力和应变微传感器 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、四个阻值相同的电阻、引线等组成。这四

12、个相同阻值的电阻(R1、R2、R3、R4)，是在单晶硅膜片上用IC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。图5电阻应变式微压力传感器结构示意图 15微机械和微机电系统3.1.4 力、压力和应变微传感器 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。有时也将平行硅薄膜极板制成方形。在压力差P作用下

13、，可变形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。至于应变的测量，常用大家所熟悉的电阻应变片测量。 图6圆形薄膜平行极板电容式压力传感器工作原理图 16微机械和微机电系统热微传感器 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，就可以利用这一特性设计制造温度计。从20世纪60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(包括红外辐射温度计)，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。

14、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。 17微机械和微机电系统热微传感器 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7所示。 图7双金属温度开关的基本工作原理 其他的热微传感器还有很多种类，如热敏电阻类，有金属热敏电阻、半导体热敏电阻；热二极管类；热晶体管类；热电偶类、光纤类热传感器。 18微机械和微机电系统

15、3.3 光微传感器 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、光电二极管和光电晶体管、电荷耦合(CCD，最近是CMOS)成像器件等都有大量的市场需求。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(没有任何中间转换环节，例如由光转换为热然后测量温度)。19微机械和微机电系统3.3 光微传感器 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，

16、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，如图8所示。 图8光敏电阻微传感器的工作原理 20微机械和微机电系统3.3 光微传感器 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、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，当光电二极管受到外来光照射时，P区的光生电子和N区的光生空穴以及结区的光生电子-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P区，从而形成光生电流，其大小随入射光强度而变化。图8光敏电阻微传感器的工作原理 间接型

17、光学传感器主要有测辐射热计，其种类很多，这里不一一介绍。 21微机械和微机电系统化学和电化学微传感器 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。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生物传感器或生物化学传感器。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(如导电性、电压、电荷、谐振频率等的改变)来实现检测的。传感器的敏感材料

18、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ISFET是一种场效应晶体管。 22微机械和微机电系统化学和电化学微传感器 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，从而测出该专门气体的存在。 图10谐振式多气体微传感器图 23微机械和微机电系统化学和电化学微传感器 图11所示是用来分析气体的化学传感器阵

19、列(称为电鼻子)，可解决未知气体的识别问题。这种电鼻子是在10mm10mm的氧化硅基板上集成40个不同的化学微传感器-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，即可识别采得的信号样本的气体成分。这种“电鼻子”巳用于确定葡萄的成热程度，效果良好。 图11探测气体的化学微传感器阵列-电鼻子 24微机械和微机电系统化学和电化学微传感器 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成测量网络。

20、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。除了上面介绍的微传感器外，还有光线微传感器、生物微传感器等。 25微机械和微机电系统4 微致动器 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。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(微齿轮、微轴、微梁、微轴承、微凸轮、微连杆、微振子等)、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影响。近年来，由于世界各

21、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寸已都是微米级。 26微机械和微机电系统静电型微致动器 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L2(面积)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。 27微机械和微机电系统4.1.1 静电旋转电机 1988年，加州大学伯克利分校研制成功了转子直径约为60120m的静电旋转电机。结构如图12所示，

22、转子有4个电极，定子有12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3相4极构造。由图(b)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Si3N4膜，以减少摩擦，转子和定子的间隙为2m，工作电压为60400V。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，电压为200V时，转速为150r/min。但按理论计算，电压为200V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。 图12静电旋转电机(直径120m) 28微机械和微机电系统4.1.1 静电旋转电机 MIT的Mehregahy等改

23、进了上述电机：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；转子下面由3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100m，高2m的多晶硅电机，转速达到10 000r/min，寿命达到1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，其转子半径为40m，转子和定子由厚度为的多晶硅膜制成，转子与定子间的空气间隙为2m，驱动电压为50176V，最高转速约为600r/min。 29微机械和微机电系统4.1.1 静电旋转电机 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

24、1mm，厚20m，在转子上安装有一个高500m宽900m的镜子。图13旋转式光线切换开关示意图 30微机械和微机电系统4.1.2 静电直线电机 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，便可以控制运动件的运动速度和运动方向。图14静电直线电机的工作原理 31微机械和微机电系统4.2 电磁型和磁致伸缩型微致动器 电磁型微致动器在毫

25、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MEMS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。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。磁致伸缩型微致动器的应用方式与压电式微致动器很类似。 32微机械和微机电系统4.3 压电型微致动器 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

26、压(数十伏到数百伏)加到压电材料上时，压电材料的长度(或厚度、体积)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，输出力大，稳定可靠，因而在MEMS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用实例。 33微机械和微机电系统细管微机器人蠕动爬行的压电型致动器 图15是一种压电型细管微机器入在管道内爬行的原理图、该微机器人的爬行机构

27、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。 图15 压电型细管微机器人的行走原理 34微机械和微机电系统自行式微机器人的压电V形驱动脚 图16所示是带压电V形脚的自行微机器人。其中图(a)是使用双晶片压电元件制成的V型驱动脚，控制加在压电元件上的电压，可使V形脚拾高或放下，向前或向后扭曲。装有这种压电V形脚的微机器人(

28、图(b)，由施加电压控制，可向前、转弯或向后行走。 图16 带压电V形脚的自行微机器人 35微机械和微机电系统压电型硅微泵、微阀 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。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泵腔外的流体从进口阀处流入泵腔体内。 图17压电型硅微泵 图18压电型微阀 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

29、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。 36微机械和微机电系统4.4 热变形微致动器 现在MEMS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。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。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。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

30、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。 37微机械和微机电系统4.4 热变形微致动器 图19是美国Lawrence Livermore国家实验室研制的微钳结构图。由TiNiCu制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900m，宽度为380m，厚度200m。当将微钳加热到70C时，TiNiCu薄膜收缩，钳口可张开110m；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状态，这种微钳在30mW（空气中）或150mW（水中）条件下，工作频率可达100Hz。因

31、采用的TiNiCu相变温度均在人体温度(37C)以上，且热迟滞很小(约-5C)，非常适用于医疗上的应用。 图19 SMA微钳结构示意图 38微机械和微机电系统4.5 微机电系统的能源 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应方法：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。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。微系统中装发动机(如微型飞机)，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。微机电

32、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。 39微机械和微机电系统5 微机器人 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速，有军民两用性质，目前己取得很多成果。 40微机械和微机电系统5.1 微机器人概述 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：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。用脚行走，用得

33、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。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。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。 41微机械和微机电系统

34、5.1 微机器人概述 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、微型数字信息处理和输送系统，并能自动隐蔽保护自己；微型传感器和相应的微型信息处理输送系统；机器人应有自己的或受遥控的清扫执行机构和微摄像机等监控系统；医用的微型手术机器人，要在人体内能独立行走到需要手术的部位，配备有受控的手术机构和摄像机监控系统。从上面的分析可知，微机器人是一套高水平、多功能、包含多个复杂功能分系统的微型机电系统。 42微机械和微机电系统5.2 微机器人实例 5.2.1 轮式微机器人 1.图示是美国Robotalive公司的轮式微型机器人。它具有很强的程序功能，能记录行

35、走路线图，并能自动回到出发点。它还有红外探测器用来检测车行走的前方位置，遇到障碍物和危险物时，能发出警报声，自动变速并转弯。它还具有自动搜索和走迷宫到达指定目的地的能力，还具有自学习功能，迷宫一次走过后，再走时能走捷径，快速到达目的地。43微机械和微机电系统5.2.1 轮式微机器人 2.图示是法国EPFL自动化系统实验室1999年研制成功的轮式微型机器人，它的体积很小，比一只大蚂蚁大不了多少。可以按设定的程序走规定的路程，自动变速和转弯。这类轮式微型机器人微型化的一个关键问题是能源供应，因为现在的化学电池和蓄电池的体积能量比都较大，限制了小车体积的缩小。 44微机械和微机电系统5.2.2 履带

36、式微机器人 1.图示是MIT所开发的履带式微型机器人机器蚂蚁。具有较多较强的功能，每个机器蚂蚁内集成了17个传感器：4个光学传感器、4个红外传感器、4个泵传感器、4个进食传感器、1个倾斜传感器。每个机器蚂蚁用2个红外发射接受器与外界进行信息交流(一个在前端，另一个在后端)。机器蚂蚁的行走运动用履带来实现，能在不平地面上行驶。履带用传动齿轮组来带动，传动齿轮采用电子表中的微小齿轮，故体积较小。 45微机械和微机电系统5.2.2 履带式微机器人 图示是美国Sandia国家实验室2001年研制成的侦察用履带式微型机器人。体积约为3 3)，质量小于1oz(28.4g)，是具有多项自动化功能微型机器人中

37、体积最小的。该微型车用3个手表电池来驱动2个马达，使履带轮转动，行驶速度最高为20in/min (50.8cm/min)。车上还装备了微处理器、温度传感器、微型数码照相机、微型麦克风、微型信息传输系统等，能将侦察到的信息及时输送回指挥控制中心。装备了化学-生物气体传感器，使它能用于在平地和坑道内检测化学和生物武器。由于体积小、隐蔽性好，因而能通过狭窄通道并进入普通侦察机器人不能进入的狭小空间。 46微机械和微机电系统5.2.3 昆虫型微机器人 1.图 (a) 是美国Sandia国家实验室研制的昆虫型微机器人。它有六条腿，用电池组作能源，带有侦察用的微型照像机或摄像机，有微型通信系统和程序控制系

38、统，能将侦察到的信息传送到控制中心。这种昆虫型微机器人体积小、隐蔽性好，不易被敌方发现。2.图 (b) 是美国Epinions公司为进行昆虫型微机器人竞赛而研制的微机器人。该微机器人体积很小，用六条腿行走，眼睛是红外传感器，行动时能自动检测前方是否有障碍物。 47微机械和微机电系统5.2.3 昆虫型微机器人 3.日本精工-Epson公司1999年3月宣布已开发出世界上最小的昆虫型机器人，如左图所示。该机器人是瓢虫形，银制外壳，体积为1cm3，内装石英手表用超小型电动机，两只眼睛是光学传感器，速度最高为15mm/s，充电3min，可走4min。 4. 2007年，日本研究人员展示了一种超小医用机

39、器人的原始模型，外形如同甲壳虫，如右图所示。这种直径1cm、长为2cm、重仅为5g的机器人可以到达人体内患病处。 48微机械和微机电系统5.2.4 蠕动式微机器人 使用蠕动爬行机构的多数是微管道机器人。微管道机器人的蠕动爬行机构有两种，第一种是由质量块、压电伸缩元件和一组弹性腿组成，其蠕动爬行原理如图所示。第二种是由两组弹性脚和压电或SMA伸缩元件组成。 1. 图8-26是上海交通大学研制的可在结肠内行走的蠕动式微机器人。该机器人采用3个直线电磁驱动器，直径为，长度为120mm，质量为，具有多个关节，能灵活有效地通过弯曲肠道。 49微机械和微机电系统5.2.4 蠕动式微机器人 机器人的运动过程

40、类似毛虫的蠕动。由于3节以上的运动单元中的一节与其他节的摩擦力差异总是存在的，故这种方式不需施加过大的表面压力就可以获取前进中必须的摩擦力，从而避免了对肠道粘膜的损伤。牵引过程如图8-27所示。对单元13分别施加控制信号，机器人前进1个步距，完成5步动作：第1步：t0时刻，所有单元处于蜷缩状态；第2步：t0t1时刻，单元1被推向前；第3、4步：t1t2、t2t3时刻，单元2、3被先后推向前；第5步：t3t4时刻，单元0被来自单元13的反作用力共同推向前，机器人前进1步，又回到第1步的状态。上述过程不断重复，则机器人能实现连续行走。将控制信号反向，则机器人反向行走。 50微机械和微机电系统5.2

41、.4 蠕动式微机器人 2. 1999年，贾宝贤、刘永红等人仿照蚯蚓的蠕动过程研制了如图示的机构，该机构由前SMA胀紧环1、后SMA胀紧环5、SMA拉伸螺旋弹簧2、普通压缩螺旋弹簧(偏压弹簧)4和限位元件3组成。动作前为自由状态，各SMA元件均不通电，如图(a)所示。动作时，按如下程序进行：(1)前SMA胀紧环1通电，发热后径向膨胀与管壁压紧，如图(b)所示；(2)SMA拉伸螺旋弹簧2通电，发热后刚度增加并收缩，偏压弹簧4被压缩，整个驱动装置向前收缩，直到偏压弹簧4并紧为止，如图(c)所示；(3)后SMA胀紧环5通电与管壁压紧，前SMA胀紧环1断电，与管壁松开，如图(d)所示；(4)SMA拉伸螺

42、旋弹簧2断电，随着冷却，其刚度降低，偏压弹簧4受的压力减小，便产生弹性恢复而伸长，伸长的幅度由限位件3限制，如图(e)所示。这样，蠕动机构就完成了一个工作循环，向前走了一步。如果改变通电顺序，就可以改变机器人的行走方向。 51微机械和微机电系统6 微飞行器(MAV) 微型飞行器(MAV)一般是指长、宽、高均小于15cm重量不超过120g，并能够执行某些有特定价值任务的飞行器。随着军事和尖端技术的发展，微飞行器发展极为迅速。微飞行器可以军用，也可以民用。它可在山区、城市或室内等复杂环境下进行侦察、作战、跟踪尾随，还可在化学或辐射等有害环境下执行侦察、干扰、救护、救生定位等特殊任务。由于它便于携带

43、、成本低廉、维护使用方便、隐蔽性高等特点，极受使用者欢迎。其最大优点是具有很强的隐身能力，通常很难被雷达发现，即使被发现，也很可能被认为是鸟或其他生物。微飞行器实际上是一套复杂的，可在空中飞行的多功能微机电系统。它可以完成飞行、升降、自动导航、侦察、信息传输、对敌干扰等多种任务。微飞行器的种类较多，除了常规的固定冀和旋冀微飞行器外，还有模仿昆虫飞行形式的扑冀微飞行器及将不同飞行方式结合在一起的微飞行器等等。 52微机械和微机电系统6.2 微型飞行器(MAV)实例 1. 图示为Florida大学2001年参赛获奖的微飞行器，其质量为50多克。由于微飞行器尺寸的一再缩小，为获得必要的飞行升力，机翼

44、加宽很多，使其外形更像飞碟，而不像普通飞机。图8-29(b)所示是经过风洞试验而确定的这种机冀形状。机翼质量仅为3g，用碳纤维做骨架，上面蒙以一层类似玻璃纸的聚酰亚胺薄膜制成。这种圆盘形机冀装在质量50g，翼展7英寸(17.8cm)的微飞行器上，获得了良好的飞行效果。 53微机械和微机电系统微飞行器。 图是美国桑德斯公司研制的MicroSTAR微飞行器的外观图，该微飞行器总重量约100g，总电功耗15瓦，飞行速度55km/h，可持续飞行60min。最佳使用飞行高度4560m，最高150m。该微飞行器配备有自动驾驶系统，具有自动导航功能，可以贴近目标执行详尽侦察任务，尤其对地势险要或人员不易到达

45、的地域，以及对城市狭窄街巷上空，能够自主穿行。该微飞行器配备有能够昼夜使用的电视摄像机，并有较强功能的信息传送机系统，能够及时将侦察到的信息和图像传送回去。该微飞行器发射和回收由单人操作，不需要专用起飞或着陆场地。54微机械和微机电系统3.“黑寡妇”微飞行器。 美航空环境公司制造出了“黑寡妇”固定翼微型飞行器。该机为直径152mm的圆盘形，采用轻木结构，螺旋桨驱动。最大起飞质量60g，最大载荷量7g，翼展15cm，续航时间22分钟，航程2km。图示是该公司新研制的“黑寡妇”微飞行器。其机翼展为，飞行速度为48km。机上装有一台照像机，一个5g重的GPS环球定位装置。该机具有横滚、俯仰稳定性，速

46、度和航向保持能力。飞机的整个操纵过程能全部在地面监视器上显示，控制工作范围。该机全套系统和操纵装置、电视监视器、天线和一个气压发射器可以装在一个大公文包中。 55微机械和微机电系统4.“黄蜂”微型飞行器 美国黄蜂微型飞行器外形如图8-32所示，飞行器的翼展为38cm，燃料充足时重量为140g，到2003年9月已试飞过3次，每次飞行15mim。飞行时由地面通过无线电控制其节流阀、方向舵、飞行高低和飞行速度。该飞行器用燃料电池作动力，燃料电池的刚性金属网是机翼结构的一部分，氢储存在干燥芯块内，与储存在机上的水作用时释放出气体，与流经机翼的气流中的氧化合，在燃料电池中产生电能。氢与水作用释放气体的速

47、度，可用由地面的无线电遥控装置进行调节。在初始飞行试验时，平均输出能量10W多，黄蜂增强型可携带一台简单自动驾驶仪和一台彩色摄像机。上面配有两个摄像头，还能被GPS导航。 56微机械和微机电系统扑翼式微飞行器 对于重量较小的微飞行器，再制成固定翼结构，很难获得必要的飞行升空能力。因此，最小的微飞行器多数制成扑冀式，它们的外形更像飞鸟、蜻蜓或苍蝇。国外已有多个单位研制扑翼式结构，并已制成若干种能飞翔的样机。但到目前为止，我们对扑翼式微飞行器的飞行力学原理，所知甚微，因此有多个单位开始研究飞虫的扑翼飞行原理。 57微机械和微机电系统1. “飞行蝇” 微飞行器 美国加州大学伯克利(Berkeley)

48、分校于2001年研制成功一只非常微小的扑冀式微飞行器，取名为“飞行蝇”，如图所示。这种微飞行器的体积极小，高度不到3cm，质量只有100g，但能在100m高的空中飞行20min。苍蝇是动物界中的飞行能手，能在秒的瞬间迅速起飞，在310-5s内改变方向，最高飞行速度为40km/s，是所有飞虫中飞行最稳定、机动性能最佳的。“飞行蝇”微飞行器就是利用仿生原理制造出的世界上第一只能飞的“机器蝇”。 58微机械和微机电系统1. “飞行蝇” 微飞行器 这种微飞行器的研制有极大的技术难度。首先是机冀问题，苍蝇的翅膀上分布着20块功能不同的肌肉，如何模仿这些肌肉的运动实现飞行，成为研究重点。研究人员用了4年，

49、来弄清苍蝇翅膀的动作和飞行力学问题，前后做了30多个模型，最后使用一种类似玻璃纸的聚酰亚胺薄膜材料，制成长8mm、宽3mm、厚5m的仿生翅膀，如右图所示。这种翅膀的扇动是用双层压电伸缩驱动器，通过四连杆差动机构来实现的。翅膀扇动频率为150次/s，能使微飞行器飞向空中，但它目前还不能快速飞行，不能自行控制飞行方向和速度，也不能在空中停留。 59微机械和微机电系统1. “飞行蝇” 微飞行器 图示是这种飞行蝇的部件组成。微飞行器的眼睛是光学传感器，可以探测飞行前方是否有障碍物，将来可以装微型摄相机作侦察用。用微型电池为微飞行器提供能源，使扑翼扇动，同时为各种电子仪器供电。微飞行器的尾翼用太阳能电池

50、板制成，可以辅助供电。微飞行器的机架用不锈钢架制造，有较高的强度和刚度。微飞行器机架上还装有多种传感器以及微型信息传输系统和控制系统。 60微机械和微机电系统2. 亚利桑那州大学的的扑翼式微飞行器 如图所示，该扑翼机靠拍打翅膀举升和推进，翼展小于6英寸，可以在平静的天气留空3分钟以上。扑翼机的骨架是用碳纤维制成的，机翼由聚脂薄膜制成。由于体积太小，飞在空中很难看到。他们打算下一次制作翼展4英寸的扑翼机，但是不知道如果看不见它该怎样控制。可能会用电子导航系统自动飞行，用上GPS定位系统。 61微机械和微机电系统3. “微蝙蝠”扑翼式微飞行器 图示为美国加州理工学院、瓦伊伦门特公司和洛杉矶加州大学

51、联合研制的“微蝙蝠”扑翼式微飞行器，质量10g，可实现控制飞行，并可携带麦克风阵列作为寻的声源。62微机械和微机电系统6.2.3 旋翼式微飞行器 旋翼式微飞行器可以说是微小型化的直升飞机。 由EPSON开发制作出的FR微飞行器，如图所示。采用自行开发的世界上最新的两个超薄型的超声马达驱动上下反转的两层叶片来产生空气升力；此外，在机构与电路部分，集合了微机械的高新技术，达到微型化、轻量化的境界。机上不带电池，能源靠尾部携带的电缆从外提供。机上配有蓝牙无线通信单元、控制单元、陀螺仪和摄像机。主要参数：电源：；功率消耗：3W；尺寸：直径130mm、高70mm；升力：13gf；总重量：约。 63微机械和微机电系统6.2.3 旋翼式微飞行器 FR型-II微飞行器如图所示。该飞行器更轻、用了更先进的传感器。该机是用计算机规划路径通过蓝牙技术进行无线遥控而独立飞行。该机具有完全的无线特征，不带电缆；使用了爱普生拥有的当时世界上