Ch02MEMS器件-執(zhí)行器 (2)課件

MEMS技術(shù)MEMS傳感器什么是傳感器？器組成的關(guān)鍵構(gòu)成是什么？微加速度計的工作原理？幾種檢測方式－壓阻、電容、壓電、隧道電流？微型陀螺儀的工作原理？振動式微機械陀螺儀工作原理、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)？微慣性測量組合的組要構(gòu)成、應(yīng)用？氣體傳感器的幾種工作原理？主要作用？如何判斷一個氣體傳感器的性能好壞？生物傳感器？SPR？第二章微系統(tǒng)工作原理微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的驅(qū)動原理及相應(yīng)分類微執(zhí)行器應(yīng)用實例微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器：基于MEMS工藝的;能把電信號（電能）轉(zhuǎn)換為機械能等其它形式能量輸出的器件;通常由致動元件和傳輸元件組成。自1982年靜電微馬達的研制成功至今，對微執(zhí)行器的研究工作正在深入。設(shè)計執(zhí)行器的要求是在動力源的驅(qū)動下能夠完成需要的動作。在涉及到運動的微型系統(tǒng)中執(zhí)行器十分重要。微執(zhí)行器的概念微機械執(zhí)行器是組成微機電系統(tǒng)的要素之一。如，力學(xué)執(zhí)行器是將電能或其它能量轉(zhuǎn)換為機械能。理想的執(zhí)行器應(yīng)該是使用很少的能源，具有很高的機械效率，對機械狀態(tài)和環(huán)境條件適應(yīng)性強，需要時能產(chǎn)生高速運動，在控制信號與力、扭矩和速度之間呈線性比例關(guān)系。微執(zhí)行器的概念微執(zhí)行器的一些應(yīng)用50g，5×10×6cm，微控制器，微馬達，微鏡頭，微傳送器，登陸地蜂群探測2.5Kg,800×500×380mm，持續(xù)航行3h，最大航速100Km/h，飛行半徑100Km，執(zhí)行任務(wù)：地表勘查，在位分析并返回，大氣測量，可見光/紅外攝像微型挖掘機微電機麻省理工大學(xué)(MIT)氣體渦輪實驗室正在研制的微型渦輪發(fā)動機的渦輪葉片只有襯衫的紐扣大小,直徑為4mm，他們還制造了2mm長的微型燃燒室,材料都是硅,制造工藝與IC工藝相似制造質(zhì)量僅為1g輸出功率達到10～20W。2005年M.I.T.所開發(fā)的微型發(fā)電機具有最大的輸出功率1.1W，足以為一部手機或者全球定位系統(tǒng)裝置提供動力微型泵致動形式：壓電、電磁、靜電、熱雙金屬等；流量范圍：100nl~1ml/min背壓范圍：0~20KPA種類：有閥泵和無閥泵主要部件：致動、泵膜、閥、出入口MEMS光開關(guān)利用MEMS技術(shù)制作的，用于切換光路的器件。MEMS光開關(guān)的優(yōu)點較低的插入損耗反應(yīng)迅速較寬的帶寬尺寸小，低能耗容易大規(guī)模集成制造成本低3D微鏡反射型光開關(guān)由兩組MEMS微鏡陣列，及一條入射光纖陣列和一條出射光纖陣列組成?？蓪崿F(xiàn)單層結(jié)構(gòu)多端口，但微鏡角度控制復(fù)雜，難以達到高精度對準3D微鏡反射型光開關(guān)3D微鏡光開關(guān)的微鏡是兩軸萬向節(jié)微鏡，可自由調(diào)換角度。美國朗訊貝爾實驗室于1999年研制出3DMEMS光開關(guān)“WaveStar”，首次實現(xiàn)光－光直接轉(zhuǎn)換。微型光開關(guān)和光開關(guān)陣列微鏡透射型光開關(guān)通過移動微型透鏡，使傳播光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光開關(guān)。移動光纖對接型光開關(guān)所示的微光開關(guān)是由美國加州大學(xué)戴維斯分校于1997年研制成功的，是一個1×4光開關(guān)固定對準光纖用的燕尾槽通過硅的各向異性腐蝕制成；氣泡型光開關(guān)由交叉的硅波導(dǎo)和位于交叉點的微型管道組成，微型管道填充一種與折射率匹配的液體用以允許缺省條件下的無交換傳輸。當有入射光照入并要求交換時，一個熱敏硅片會在液體中產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將光從入射波導(dǎo)全反射至輸出波導(dǎo)。從而起到開關(guān)的作用。Agilent把這種技術(shù)稱為PhotonicSwitchPlatform。微執(zhí)行器的原理MEMS微執(zhí)行器原理框圖微執(zhí)行器的分類按驅(qū)動原理分類

靜電式微執(zhí)行器壓電式微執(zhí)行器熱力微執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器形狀記憶合金微執(zhí)行器基本工作原理：兩個帶異性電荷的電極板之間具有吸引力。從庫侖定律平板電容器極板間作用力靜電式微執(zhí)行器解：作用在平板上的法向靜電力的大小，可以由公式計算出來，其中空氣為絕緣介質(zhì)，相對介電常數(shù)為，真空介電常數(shù)為

or

代入?yún)?shù)，得到靜電梳齒驅(qū)動靜電梳齒驅(qū)動一般采用表面微加工工藝制做包含有許多相互交錯的指狀梳齒當施加電壓時，梳齒之間產(chǎn)生吸引力，梳齒相互靠近靜電力的大小與梳齒對數(shù)成比例，因此為了得到較大的力，一般要求梳齒較多。靜電梳齒驅(qū)動存在的問題：如果同一根梳齒兩邊的間隙不相等，則梳齒將會偏向一邊，并與另一根梳齒粘連在一起，直到不再施加電壓靜電梳齒驅(qū)動實例靜電懸臂驅(qū)動利用了驅(qū)動電壓與梁末端偏移量之間的關(guān)系。

從工程力學(xué)理論可以知道，寬度為w的懸臂梁，在距固定端X處施加集中載荷時，梁末端的偏移量δT可由下式給出：其中，距離梁固定端x處的靜電力q(x)為：靜電旋轉(zhuǎn)微型馬達靜電式微執(zhí)行器實例(1)靜電激勵已經(jīng)被用于實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)馬達結(jié)構(gòu)?；舅悸肥侵谱鲆粋€能自由轉(zhuǎn)動的中間轉(zhuǎn)子，四周布以電容極板，以合適的相位驅(qū)動，就可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動?！俺唧丁眻?zhí)行器靜電式微執(zhí)行器實例(2)使用一個能彎曲的末端帶有微小垂直擋板的金屬板，當在金屬板和襯底中掩埋的導(dǎo)體兩端加電壓時，金屬板就向下彎曲，并將擋板向前推進一小段距離。電壓消失時，由于擋板和絕緣層表面摩擦力的不對稱，導(dǎo)致一定程度的運動“調(diào)整”，因而產(chǎn)生了金屬板凈位移。靜電光開關(guān)靜電式微執(zhí)行器實例(3)凹槽絕緣硅靜電梳齒驅(qū)動器光纖氧化硅輸入1輸入2輸出2輸出1驅(qū)動器作用時的直通狀態(tài)輸入1輸入2輸出1輸出2驅(qū)動器不作用時的反射狀態(tài)光纖槽光纖槽

采用了一雙面反射的垂直微鏡來實現(xiàn)開關(guān)。將微鏡與一根長梁相連，長梁由梳狀電極靜電驅(qū)動。只要施加一個電壓短脈沖，微鏡在長梁的帶動下就會作進入或彈出光路的水平運動，實現(xiàn)光路切換。靜電致動微泵靜電式微執(zhí)行器實例(4)入口出口驅(qū)動腔泵薄膜檢測電極泵腔絕緣層驅(qū)動單元閥體單元ZengerleR的靜電致動微泵

微泵的尺寸為，由靜電驅(qū)動膜片、被動閥、進口和出口組成。泵用峰值為150~200V、頻率從0.1Hz到10kHz的電壓脈沖驅(qū)動。該泵的最大流速可達到250-850L/min（正向）和200-350L/min（反向）。在供電電壓為200V時，可達到最大背壓為310cmH2O，最大流速為850L/min。微執(zhí)行器的分類按驅(qū)動原理分類

靜電式微執(zhí)行器壓電式微執(zhí)行器熱力微執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器形狀記憶合金微執(zhí)行器壓電式執(zhí)行器正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：在壓電材料兩端施加一定的電壓，材料會表現(xiàn)出一定的形變（伸長或縮短）。V的典型值在10-10~10-7cm/N之間變化。因此，要獲得微米量級的位移，常常需要超過1000V的電壓，除非使用疊加的執(zhí)行器或放大機械運動的器件。壓電現(xiàn)象如圖2-18所示壓電致動微型泵

日本東北大學(xué)研制的壓電堆致動微泵如圖所示。該微泵依靠致動器推動薄膜變形，引起腔體內(nèi)壓強的變化，驅(qū)動單向閥工作，使氣、液體定向流動。壓電堆的軸向變形和驅(qū)動力都比較大，最大流量為40L/min，最高背壓為1mH2O。壓電式微執(zhí)行器實例(1)

德國Ilmenau技術(shù)大學(xué)研制的壓電致動硅微無閥泵，其最大流量為7.5mL/min，最大背壓為2.8kPa。壓電式微執(zhí)行器實例(2)壓電式微執(zhí)行器實例(3)壓電掃描隧道顯微鏡探針壓電掃描隧道顯微鏡探針探針的運動模式

如圖所示將一片晶體安裝在微執(zhí)行器的一根彈性硅梁上。在壓電晶體上加電壓使其產(chǎn)生形變，引起彈性硅梁的彎曲。壓電晶體致動器在微定位機構(gòu)和微型夾具等方面都有應(yīng)用。壓電式微執(zhí)行器實例(4)微執(zhí)行器的分類按驅(qū)動原理分類

靜電式微執(zhí)行器

壓電式微執(zhí)行器

熱微執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器形狀記憶合金微執(zhí)行器熱微執(zhí)行器熱微執(zhí)行器的工作原理是材料的熱膨脹特性。利用熱力來驅(qū)動的熱致動器或簡單的加熱器（一個電阻器）廣泛應(yīng)用于微機械器件中，是一種十分常見的驅(qū)動方式。從原理上分，熱致動器可以分為熱氣動式和熱膨脹式兩種。熱膨脹式：利用執(zhí)行器加熱時本身材料的體積膨脹驅(qū)動。熱氣動式：一種典型的方法是形成帶有密封流體（如空氣、水蒸汽和液態(tài)水等）的空腔，氣腔中的流體被加熱后就會膨脹，壓力增大，從而推動薄膜運動。熱膨脹：雙晶片熱執(zhí)行器熱執(zhí)行器的一個基本方案是利用兩種鍵合材料的不同熱膨脹系數(shù)，被稱為雙晶片熱激勵。一個加熱器常被夾在兩層“活動”的材料中間，加電后，就會使它們產(chǎn)生不同的膨脹。該方案的優(yōu)點包括線性的偏移量-能量關(guān)系以及環(huán)境穩(wěn)定性，如這些執(zhí)行器能運行于熱傳導(dǎo)相當?shù)偷囊后w中。缺點包括高功耗、低帶寬（由熱時間常數(shù)決定）以及比靜電執(zhí)行器更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。雙晶片熱執(zhí)行器雙金屬致動器也是一種熱致動器，但它不利用固體的體積膨脹，而是利用固體的線性膨脹來制造微致動器。雙金屬熱致動是通過加熱，使得驅(qū)動元件本身的溫度升高，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變，從而達到驅(qū)動目的。雙金屬熱致動方式具有驅(qū)動電壓低、驅(qū)動力大、行程大、線性的位移—能量關(guān)系、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單（相對熱氣動等方式而言）、驅(qū)動能源易于實現(xiàn)、易于集成等特點，因而應(yīng)用前景廣泛。熱膨脹：雙金屬致動器

美國ICSensors利用這種雙金屬片致動原理研制的閥。可控0.2MPa的氣流，泄漏僅為45μL/min金屬層加熱膜硅進口出口雙金屬片致動閥熱氣動式：體積膨脹和相變執(zhí)行器不利用固體的線性膨脹，而是利用體積膨脹也可以制造出微機械執(zhí)行器。一種典型的方法是形成帶有密封流體的空腔（如：空氣、水蒸汽和液態(tài)水等），這些物質(zhì)可以被加熱，然后就會膨脹。但是，就象別的許多熱驅(qū)動方法一樣，這種方法功耗較大，帶寬較低，這是由于熱時間常數(shù)所致。變相的熱執(zhí)行器包括加熱時相態(tài)可變的材料，這樣體積發(fā)生膨脹從而產(chǎn)生壓力以及機械載荷。例如，可以通過加熱將水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，產(chǎn)生的氣泡可以用作驅(qū)動力。加熱電阻蠕動膜流道入口出口

熱氣動蠕動泵

熱氣動蠕動泵，膜片與管道間的間隙處于常開狀態(tài)，加熱驅(qū)動將使間隙關(guān)閉，膜片的順序動作促使流體定向流動。該泵流量和背壓都比較低。熱氣動蠕動泵熱式微執(zhí)行器實例(1)進口出口玻璃玻璃鋁膜硅加熱電阻熱氣動微閥

熱氣動微閥，壓力腔內(nèi)注有氯甲烷，利用其液態(tài)-氣態(tài)相變控制流體，控制氮氣流量達15L/min。熱微執(zhí)行器實例(2)熱氣動微波形管執(zhí)行器

表面微機械“波形管”執(zhí)行器帶有一個環(huán)形的折疊狀薄膜結(jié)構(gòu)，相對于簡單的薄膜，這種結(jié)構(gòu)可以得到更大的偏移。熱式微執(zhí)行器實例(3)熱氣動活塞執(zhí)行器體積膨脹氣體驅(qū)動的活塞執(zhí)行器，沿著襯底所在的平面平行移動。在多晶硅加熱器的作用下形成了水蒸汽的氣泡，并在活塞腔內(nèi)膨脹，將活塞向外推。當加熱停止時，活塞腔內(nèi)的氣泡破裂，活塞返回原來位置。在襯底表面平整的情況下，基于表面張力的執(zhí)行器所能提供的力能達到其它方式所能提供力的兩個數(shù)量級以上。熱式微執(zhí)行器實例(4)熱氣動活塞執(zhí)行器簡圖工作環(huán)境必須是液體環(huán)境，限制了其最大工作速度（由于阻尼）和效率（由于液體的熱導(dǎo)）。熱驅(qū)動方法功耗較大，且因為熱時間常數(shù)，其帶寬比較低。熱氣動式由于要有密封腔，所以生產(chǎn)裝配工藝較為復(fù)雜。缺點：微執(zhí)行器的分類按驅(qū)動原理分類

靜電式微執(zhí)行器

壓電式微執(zhí)行器熱微執(zhí)行器

電磁式微執(zhí)行器形狀記憶合金微執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器原理：通過線圈通電產(chǎn)生磁場，導(dǎo)磁體由于磁場力的作用而產(chǎn)生運動。任何載流導(dǎo)體在磁場中都要受到洛倫茲力的作用。電磁執(zhí)行器就是以洛倫茲力為主要驅(qū)動力。

通電導(dǎo)體產(chǎn)生磁場。平行的兩條導(dǎo)線中通以相同方向的電流則彼此之間相互吸引，如果通以相反的電流，則彼此之間相互排斥。電磁執(zhí)行器在數(shù)毫米內(nèi)產(chǎn)生作用力，動作幅度大；其缺點是功耗一般較高，而且產(chǎn)生的磁場會對附近的物體產(chǎn)生一些影響。例如移動帶電微粒或影響磁數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。載流導(dǎo)線周圍某點磁場強度單圈線圈中心處磁場強度單圈線圈對中心導(dǎo)磁體的作用力為“彎曲”線圈結(jié)構(gòu)是平面內(nèi)蜿蜒形導(dǎo)體，它與一個雙層的磁芯交錯在一起。帶驅(qū)動線圈的磁執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器實例(1)永磁體氮化絕緣層入口出口德國的電磁致動微型閥金線圈多晶硅

德國研制的電磁致動微閥，閥片為犧牲層技術(shù)制作的多晶硅膜。這是為小型氣體分析儀設(shè)計的微閥結(jié)構(gòu)，設(shè)計的壓力指標為10-50kPa，過流能力為2-20mL/min，響應(yīng)時間為5ms。電磁致動微閥電磁式微執(zhí)行器實例(2)鐵鎳合金線圈導(dǎo)管硅外部驅(qū)動微機械電磁閥該閥由一個NiFe濺射閥座和一個可開啟、關(guān)閉的可移動NiFe閥膜組成。依靠活動膜片上支撐彈簧的內(nèi)力，可以制成常開或常閉閥。微機械閥元件放置于攜帶有流體的管道中，管道的外面是由外加線圈形成的磁場，構(gòu)成了一種電隔離操作。外加磁場的電磁閥電磁式微執(zhí)行器實例(3)電磁光開關(guān)電磁式微執(zhí)行器實例(4)電磁場光纖MEMS驅(qū)動器電磁驅(qū)動光纖開關(guān)原理示意圖

加州理工學(xué)院設(shè)計的一種電磁驅(qū)動光纖開關(guān)的原理示意圖。當開關(guān)處于開狀態(tài)時，電磁驅(qū)動器帶著雙面微鏡向上運動，將微鏡置于光纖之間，每個輸入光纖的光信號經(jīng)反射后從相鄰的輸出光纖輸出，如圖a所示；在關(guān)狀態(tài)，微鏡在光纖之下，輸入光纖的信號直接從正前方的輸出光纖輸出，如圖b所示。微執(zhí)行器的分類按驅(qū)動原理分類

靜電式微執(zhí)行器

壓電式微執(zhí)行器熱微執(zhí)行器電磁式微執(zhí)行器

形狀記憶合金微執(zhí)行器形狀記憶合金執(zhí)行器有些材料在受熱時，其長度能發(fā)生很顯著的變化（收縮），將它們總稱為形狀記憶合金（SMA），其中最著名的是鈦鎳合金。SMA效應(yīng)源于合金馬氏體（主要為三角晶系）和奧氏體（高度均勻）晶相之間與溫度有關(guān)的相變。現(xiàn)象：受到機械力作用而產(chǎn)生變形的合金，一旦受熱就會恢復(fù)到它們未變形前的狀態(tài)。加熱方式：通電流

在預(yù)置溫度T時彎曲的合金片依附在硅懸臂梁上。室溫時梁是直的。當把梁和附于其上的合金片加熱到溫度T時，合