Ch02MEMS器件-执行器

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1、MEMS技术唐军0351-3920397tangjun@nuc.edu.cnMEMS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MEMS微执行器原理框图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微执行

2、器的概念微执行器：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。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，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关系。微执行

3、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执行器的一些应用50g，5×10×6cm，微控制器，微马达，微镜头，微传送器，登陆地蜂群探测2.5Kg,800×500×380mm，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微电机麻省理工大学(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

4、造了2mm长的微型燃烧室,材料都是硅,制造工艺与IC工艺相似制造质量仅为1g输出功率达到10～20W。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,尺寸是：半径5.5mm，深3.6mm，体积77.5mm3使用气体燃料如氢、甲烷、丙烷；用电动机驱动发动机2005年M.I.T.所开发的微型发电机具有最大的输出功率1.1W，足以为一部手机或者全球定位系统装置提供动力微型泵致动形式：压电、电磁、静电、热双金属等；流量范围：100nl~1ml/min背压范围：0~20KPA种类：有阀泵和无阀泵主要部件：致动、泵膜、阀、出入口MEM

5、S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，32×32的微镜阵列是单层2D光开关可达到的最大结构极限。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，但微镜角度控制复杂，难以达到高精度对准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

6、验室于1999年研制出3DMEMS光开关“WaveStar”，首次实现光－光直接转换。微型光开关和光开关阵列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。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。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1×4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；气泡型

7、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PhotonicSwitchPlatform。气泡型光开关4×4气泡光开关32×32气泡光开关微执行器的原理MEMS微执行器原理框图微执行器的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基本工作原理：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引

8、力。从库仑定律平板电容器极板间作用力静电式微执行器如图所示，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