微机电系统的基本工作原理分析(共15页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上第一章 电容效应1.1工作原理分析电容传感器的工作原理是由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 当被测参数变化使得S、d或发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器工作方式可分为变极距式、变面积式和变介质式3种类型。(一) 极距变化型极距变化型电容传感器变间隙式电容式传感器 当传感器的r和S为常数，初始极距为d0时，初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有 在式中，若d/d0

2、1时，则展成级数：此时C与d近似呈线性关系，所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。另外，在d0较小时，对于同样的d变化所引起的C可以增大，从而使传感器灵敏度提高。(二) 面积变化型面积变化式电容传感器在工作时的极距、介质等保持不变，被测量的变化使其有效作用面积发生改变。变面积式电容传感器的两个极板中，一个是固定不动的，称为定极板，另一个是可移动的，称为动极板。 图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由

3、被测物体带动而旋转一个角位移q 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。当动极板有一角位移时，两极板的相对面积A也发生改变，导致两极板间的电容量发生变化当=0时 C0=A0d当0时 C=A01-d=C01-有上述分析得知：面积变化型电容传感器的优点是输出与输入呈线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低(三) 介质变化型介质变化型电容传感器的极距、有效作用面积不变，被测量的变化使其极板之间的介质情况发生变化。主要用来测量两极板之间的介质的某些参数的变化，如介质厚度、介质湿度、液位等。下图是改变介质介电常数的电容式传感器的原理图传感器的灵敏度为常数，电容C理论上与液面h成线性关系，只

4、要测出传感器电容C的大小，就可得到液位h。 1.2应用与特点电容式传感器就是利用两个极板之间的位移发生变化，感受被测的机械量，再将其转换成电容变化量的一种传感器。电容式传感器不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且还逐步地扩大到用于压力、差压、液位、物位或成分含量等方面的测量。与其他传感器相比，电容式传感器的优点：功率小、阻抗高；静电引力小、动态特性良好；和电阻式传感器相比，电容式传感器本身发热影响小；可进行非接触测量；结构简单，适应性强，可以在温度变化比较大或具有各种辐射的恶劣环境中工作。 电容式传感器的缺点：输出具有非线性；寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度。第二章

5、压阻效应2.1工作原理分析压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。压阻效应的强弱可以用压阻系数来表征。压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。22应用压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。例如：压阻加速度传感器是在其内腔的硅梁根部集成压阻桥（其布置与电桥相似），压阻桥的一端固定在传感器基座上，另一端挂悬着质量块。当传感器装在被测物体上随之运动时，传感器具有与被测件相同的加速度，质量块按牛顿定律（第二定律）产生

6、力作用于硅梁上，形成应力，使电阻桥受应力作用而引起其电阻值变化。把输入与输出导线引出传感器，可得到相应的电压输出值。该电压输出值表征了物体的加速度。 压阻式传感器是压力式传感器的一种。压阻式压力传感器又称扩散硅压力传感器。结构如下图所示，压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。压阻式压力传感器23特点压阻式微传感器就是利用单晶硅材料的压阻效应职称的微传感器，其特点是：1) 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量。2) 分辨率高:由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。3) 体积小、重量轻、频率响应高:由于芯体采用集

7、成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至100千赫兹。4) 可测量低频加速度和直线加速度5) 无活动部件，耐振动，耐腐蚀，耐干扰，可在恶劣的环境中工作。6) 温度误差大:须温度补偿、恒温使用第三章 压电效应3.1工作原理分析某些电介质在沿一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。 正压电效应当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相

8、反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。 压电效应的可逆性 3.2应用压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。压电传感器可以等效为一个电压源和一只电容的串联，如图（a）所示，由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压才能长期保持不变，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数按指数规律放电。因此，必须在压电传感器上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故压电传感器只适宜作动态测量。

9、（a）电压源 （b）电荷源 压电式传感器的等效电路压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联，此时，电路被视为一个电荷发生器，如图（b）所示。由于高内阻，必须进行前置阻抗变换，将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。因此，前置放大器有两种作用：一是放大传感器输出的微弱信号；二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。压电传感器的测量电路前置放大器，对应于电压源和电荷源，也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 电压放大器简化电路 常用的电荷放大器的等效电路 压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大

10、压力时，自我恢复较慢3.3特点利用压电材料的压电效应和逆压电效应，不仅可以制作微传感器和执行器，而且，压电MEMS有个显著的优点就是通过适当的结构设计，可以在一个单元上兼具传感/执行元件的双重功能。另外，压电效应还有以下主要优点：1) 响应速度快，从微秒到毫秒的范围；2) 输出力大(和尺寸相比)，可达数千帕；3) 微小位移输出稳定，非常适合制作微执行器的元件。第四章 静电效应4.1工作原理分析许多微执行器利用静电力作为驱动力，静电驱动是有一种使电能转换成机械能的方法。静电执行器就是利用异性电荷的库仑力作用来实现机械运动的，可以看成是两块带有相反电荷的平行板相互吸引，产生变形而制动。在微电机和微

11、执行器的设计中，准确估计静电力的大小非常重要，在估计这种微执行器产生的力时，往往需要忽略静电力和施加电压之间的非线性关系。对于简单的静电微执行器，在一定条件下，可以把两个带静电的板，看成平行的电容器。对于给定的电压V时，平行板电容器储能W为 W=-12CV2而平行板之间的静电力F为 F=-WXI可见，静电力作用属于表面力，取决于施加的电压，电极之间的间距，而与电极厚度和体积无关。4.2应用两个电极板面对面的运动方式，已经应用于微阀门，微泵，硅扭转微镜和人工肌肉等。这时微执行器的可动电极为一个膜片或者梁，在施加电压的情况下发生变形，产生微震动，电压撤消后弹性力使得可动电极恢复原位。4.3特点因为

12、两电容器极板之间的静电力依赖于所施加电压，间隙和平板的面积，而与平板的厚度与体积无关，属于表面力。因此，静电执行器的微型化与电磁执行器，形状记忆合金执行器等与体积密切相关的执行器相比容易实现。静电微执行器有如下主要优点：1) 静电力的大小仅仅取决于极板的相对表面和他们之间的距离，这一点非常适合微观领域。2) 驱动力与体积比较高，静电力大小与尺寸的平方成比例，尺寸越小，间隙越小，单位体积产生的静电力越大。3) 采用电压驱动，易于控制和高速化，可实现低功耗。另外，其制造工艺和IC工艺相仿，易于集成。但是静电微执行器应用中也存在如下问题：1) 理论上静电执行器耗能量非常低，但是由于边缘场的影响以及表

13、面泄露等原因，实际的输出能量和效率远低于对他进行理论分析得到的值。2) 静电执行器工作时需要较高的驱动电压也限制了它的应用。3) 当静电执行器电极板表面存在毛刺，灰尘时，存在电击穿危险，因此要求静电执行器的表面非常平整，必须做一个合适的隔离层，并应将其封装起来。第五章 热力效应5.1工作原理分析热驱动的机理是基于固体和流体的热膨胀。固体的线性膨胀符合以下公式：Lt=L0+L=L01+t式中，为0时固体的长度；为温度为t是固体的长度；为热膨胀系数；t为温度。液体的膨胀公式为 V=VT式中，为液体的体膨胀系数1K。5.2应用热力驱动广泛应用于微阀门，微夹子，微泵，为马达等。在MEMS领域内，一般有

14、以下三种主要方式的微执行器结构：第一种方式：双变体结构。双变体结构源于双金属片原理。双金属片常用于温度控制的电开关，他把两片热膨胀系数不同的金属结合成三明治结构。受热时，由于一片金属的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。弯曲的状况取决于热膨胀系数的差和绝对温度的大小。热驱动微执行器的双变体结构有多晶硅和其上覆盖的金属组成三明治构成，集成的多晶硅作为加热电阻。第二种结构：弯曲梁结构。与双变体结构上下两层不同材料组成“双金属结构”实现的垂直弯曲不同，弯曲梁结构用另一种方法实现了梁的水平弯曲。它的设计思想仍然是两根平行的梁热膨胀量不同但他不是用不同的材料，而是用不同尺寸的同一种材料

15、组成的双梁结构。在电极上加以适当的电压，冷臂，热臂和弯曲段相当于串联的电阻，由于热臂的截面积比冷臂小得多，所以其电阻大，进而发热量比冷臂大得多，因而有较大的热膨胀量，整个结构将向冷臂方向弯曲。停止加热，由于热量散失，梁将会回到初始位置。第三种结构：热空气结构。热空气结构是一种完全不同于以上所有设计的一种结构。以上的所有结构都是利用半导体材料本身的热膨胀。由于固体热膨胀率较小，所以这些设计的要点都是试图增大热膨胀带来的位移量。热空气结构则是利用气体的热膨胀，半导体材料的作用是支撑气体腔和提供电阻并加热气体。5.3特点热驱动微执行器的优势之一是克服了静电驱动和磁驱动对距离有很大依赖的弱点，热应力是

16、结构内力，只要保证驱动结构能够获得一定热能就能产生相应的形变，从而完成驱动。第六章 形状记忆合金效应61工作原理分析形状记忆合金是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变态温度下，受到一有限度的塑性变形后，可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状，这种特殊的现象称为形状记忆效应。根据各种形状记忆合金的不同记忆功能，可以分为单程记忆效应，双程记忆效应，全程记忆效应1) 单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 2) 双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

17、 3) 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。6.2应用当记忆合金恢复原来状态时，可输出力而做工，它被认为是有发展前途的驱动组元的智能材料。因此常常用于微执行器，如旋转型的微执行器，微关节，微机器人以及微弹簧等。形状记忆合金除了可用于温度控制装置，集成电路引线，汽车零件与机械零件外，由于其与生物体的相容性好，耐腐蚀性强，还可用于骨折部位的固定，人造心脏零件，牙齿矫正以及医用导管等医用材料。6.3特点与静电，热力的和压电驱动微执行器相比，形状记忆合金驱动具有最大做功密度大，机构简单，柔软易变形，驱动电压低，尺寸可在微米级别，但是不足之处在

18、于：形状记忆合金在微执行器上应用时，难以与硅的制作工艺兼容。总结及心得1. 通过这次的论文设计报告，深刻的体会到多查阅资料的重要性，而且已基本了解了MEMS的基本工作原理。2. 写论文的过程中，深入的了解了各种效应和利用这些效应制成的微传感器及微执行器。参考文献：1. 娄利飞，微机电系统与设计，电子工业出版社，20102. 蒙文舜等，电容传感器的原理及应用，陕西 20033. 南航，北航合编，传感器原理，北京国防工业出版社，19804. 周海峰，形状记忆合金及其应用，机电设备，20025. Wen H.KO,PEN-TUNG SA.Trends and Frontiers of MEMS. S

19、ensors and Actuators A:Physical,2007,136(1):62676. 鞠瑜华，黄庆安，静电驱动微机电数模转换器的结构设计，电子器件，2004,27（1）：87-907. 傅建中，胡旭晓.微系统原理与技术.北京:机械工业出版社8. 张寿柏，丁桂甫，郭晓芸等，微机电系统中的材料和加工，上海有色金属，2000（3）：97-1049. Hiroyuki Fujita.TWO DECADES OF MEMS-FROM SURPRISE TO ENTERPRISE.20th IEEEInternational Conference On Micro Electro Mechanical Systems,200710. 姜岩峰，微电子机械系统，北京:化学工业出版社，20061. 2.1. 2. 3. 1. 2. 3. 4.1. 2.1. 2. 3. 1. 2. 3.专心-专注-专业