三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
第三次课MEMS执行器工作原理
热驱动的特点和应用
➢ 克服了对距离的依赖 ➢ 驱动作用力较大 ➢ 广泛应用于微阀门、
微夹子、微泵、微马 达等 ➢ 固体的热膨胀系数较 小,需要做些放大热 膨胀量的特别结构
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热驱动微泵示意图
形状记忆合金效应
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工作原理: 形状记忆合金在高温下定型后,冷却到较低温度,并施加变形, 使其存在残余变形;然后在这种状态下稍微加热,可使其残余变 形消失,并恢复到高温下所固有的形状,好像合金记住了高温状 态下所赋予的形状一样。
极板间的电能为
W 1 CU2 2
根据虚功原理,可得极板间的静电力为
W 1 CU 2 r 0abU 2
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2
2d
Fd
W d
1 2
r 0abU2
d2
Fi
W
i
Fa
W a
1 2
r0bU2
d
Fb
W b
1 2
r 0aU2
d
Fa 与宽度a无关
Fb 与长度b无关
• 近似计算公式(a远远小于b) LOGO
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热力效应
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原理:基于固体或者流体的热胀冷缩 常见结构: 双变体结构,弯曲梁结构,热空气结构
温度控制的电开关 蠕虫状步进微马达
双变体结构示意图
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弯曲梁结构示意图
mems原理和发展
mems原理和发展
MEMS原理和发展
MEMS,全称为微电子机械系统,是指在微米或纳米尺度上设计、制
造和集成的机械、电子、光学和化学等多种技术的集成。MEMS技术
被广泛应用于医疗、汽车、航空、石油和天然气等行业,具有重要的
经济和社会价值。本文将从MEMS的原理和发展两个方面阐述该技术。MEMS的原理
MEMS技术的核心是将微观元件制作在同一芯片上,通过集成电子、
机械和其他可感测元素等多个部件,实现智能化、微型化和多功能化。MEMS芯片是一种由多个构件联成的微型机械系统,通常由传感器和
执行器组成。其中,传感器是将物理量转换为微观电信号的元件,而
执行器则是将微观电信号转换为物理量的元件。
MEMS传感器有许多种类,例如有压力传感器、加速度传感器、温度
传感器、力传感器和荷重传感器等。在MEMS芯片中,这些传感器通
常采用晶体硅等材料制成。MEMS执行器也有类型很多,例如电声换
能器、微轴承、微泵和微阀等。在一些特定应用场合,这些执行器可
以实现非常精确的动态调节,保证产品的精度和输出可靠性。
MEMS的发展
MEMS技术的发展历程可以追溯到20世纪70年代,由于制造技术的
限制,早期MEMS组件在成本、性能和可靠性方面存在许多问题。但是,自20世纪80年代中期以来,由于微纳加工技术和仿生学的进展,MEMS技术已经成为制造微型元件的主流技术之一。
当前,MEMS技术被广泛应用于多个领域,包括医疗、汽车、航空、
石油和天然气等。在医疗行业,MEMS技术可以用于开发医疗设备和
医疗器械。在汽车行业,MEMS技术可以用于制造气囊控制系统、距
第六章_微执行器
微执行器的性能比较
单位体积有效能量W SMA——W为4×107J/m3( TiNi,屈服强度420MPa,应变8%) 双金属片——与SMA大致相当,取决于温度变化速率、幅度 静电——W约为4×105J/m3 (自由空间、击穿极限3×108V/m) PZT压电材料——W约为105J/m3量级 磁力——W约为106J/m3量级(自由空间、饱和磁通密度1.5T) 响应时间 •热微执行器10ms量级 •电、磁微执行器的响应时间微秒量级 •静电微执行器更快
基于电热原理测量的质量流量传感器的原理 区分“制动”与“致动”
1、微阀
结构:
•致动器、阀门、阀座+阀体; •最常用压电制动方式,压力防泄漏、响应速度 •阀门——柔性体悬挂、硬中心、凸台面
关键问题:泄漏、磨损 措施:
•接触平面 •凸形环 •软材料阀座
•氮化硅(Si3N4)或金刚石膜
性能
• 整流特性
( A Ad An )
结论:流量不同,原理成立
推导排量、效率
3、推导吸入、排出阶段的出口流量
V x c o s t
1
吸入阶段
qV , s
n 2 1 d
排出阶段
qv, p
V x co s t 1 (
d n
1
)2
4、得到泵的排量
V to t
MEMS技术的原理与应用
MEMS技术的原理与应用
什么是MEMS技术?
MEMS技术(Micro-Electro-Mechanical Systems,微电子机械系统)是一项结合微电子技术和微机械技术的科学技术。它将微尺度的电子部件、机械部件和传感器等集成在一起,形成一种具有微小尺寸、高度集成度和多功能特性的系统。MEMS技术在各个领域具有广泛的应用,如汽车、医疗、工业和消费电子等。
MEMS技术的原理
MEMS技术的原理基于微电子制造技术,主要包括以下步骤:
1.设计阶段:设计师根据实际需求设计MEMS器件的结构和功能。在
这个阶段,需要考虑到器件的制造工艺和使用环境等因素。
2.制造工艺:采用光刻、薄膜沉积、电镀和离子刻蚀等微电子制造工
艺,将设计好的MEMS器件图形转移到硅片上。
3.制造步骤:包括前端制造和后端封装。前端制造步骤主要包括硅片
的清洗、氧化、掩模制作、加工、薄膜沉积和刻蚀等过程。后端封装步骤主要包括器件的封装、焊接和电气测试等。
4.器件测试:通过芯片测试设备对制造好的MEMS器件进行测试,确
保其功能和性能得到满足。
5.性能验证:将MEMS器件安装到应用设备中进行系统级别的性能验
证,确保其在实际应用中能够正常工作。
MEMS技术的应用领域
MEMS技术在各个领域都有广泛的应用,以下是其中几个典型的应用领域:
1. 汽车行业
•借助MEMS技术,汽车厂商可以实现汽车安全、驾驶辅助和信息娱乐等多方面的创新。例如,借助MEMS传感器,汽车可以实现稳定控制、空气质量监测和智能停车等功能。
•MEMS传感器还可以帮助汽车实现智能制动和悬挂控制,提高行车安全性和稳定性。
压电MEMS传感器介绍及原理解析
压电MEMS传感器介绍及原理解析
一、压电效应及压电材料1、压电效应
压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料,它是进行能量转换和信号传递的重要载体。最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟,1880年他们发现把重物放在石英晶体上,晶体某些表面会产生电荷,电荷量与压力成正比,并将其成为压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。某些介电体在机械力作用下发生形变,使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化,以致两端表面出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。反之,如果将具有压电效应的介电体置于外电场中,电场使介质内部正负电荷位移,导致介质产生形变。这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。
2、压电材料
(1)压电单晶
压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心,因此具有压电性。如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。
(2)压电陶瓷
压电陶瓷则泛指压电多晶体,是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结,由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体,具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能,硬度较高,物理和化学性能稳定。压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
微机电系统MEMS简介
04
CATALOGUE
MEMS市场与前景
MEMS市场规模
全球MEMS市场规模
随着技术的不断进步和应用的拓展, 全球MEMS市场规模持续增长。根据 市场研究报告,2022年全球MEMS市 场规模达到约220亿美元,预计未来 几年将保持稳定增长。
中国MEMS市场规模
中国作为全球最大的制造业国家,对 MEMS的需求也在不断增长。据统计 ,中国MEMS市场规模在2022年达到 约500亿元人民币,预计未来几年将 保持两位数增长。
挑战
MEMS器件需要与其他电子器件进行集成,但系统集成难度大,制造 成本高。
解决方案
采用先进的系统集成技术和封装方案,提高集成度和可靠性,同时降 低成本。
挑战
MEMS器件的信号传输和控制电路需要优化设计,以确保系统的稳定 性和可靠性。
解决方案
加强电路设计和优化,提高信号传输和控制电路的稳定性和可靠性, 同时加强系统测试和验证,确保系统的性能和质量。
挑战
不同材料之间的兼容性和匹配性难以保证 ,影响MEMS的性能和稳定性。
解决方案
研究和开发新型材料,提高材料的性能和 稳定性,同时加强材料表征和测试,确保 材料的质量和可靠性。
解决方案
研究和优化材料组合和加工条件,提高不 同材料之间的兼容性和匹配性,确保 MEMS的性能和稳定性。
系统集成的挑战与解决方案
mems的主要构成
mems的主要构成
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种集成了微电子技术、微机械技术和微加工技术的微型化系统。它由微小的电子元件和机械元件组成,通常包括以下主要构成部分:
1. 传感器(Sensors): MEMS中的传感器是用于检测、测量和感知环境变量的部件。常见的MEMS传感器包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、温度传感器等。这些传感器可以将物理量转换为电信号,用于监测和控制。
2. 执行器(Actuators):执行器是MEMS系统中的动态元件,用于响应传感器的信息并执行相应的动作。例如,微型电机、微型阀门和微型振动器等。执行器通过电信号、热能或其他形式的能量输入,产生机械运动或其他控制行为。
3. 微处理器(Microprocessor):微处理器是MEMS系统的智能部分,用于处理和分析传感器采集的数据,并根据需要控制执行器。微处理器通常集成在MEMS芯片中,使得MEMS能够实现更为复杂的功能。
4. 微机械结构(Micro-Mechanical Structures):MEMS的微机械结构是由微小的机械元件组成的,例如梁、弹簧、振膜等。这些结构通过微加工技术制造,并在MEMS设备中执行特定的机械功能。
5. 封装和封装材料:MEMS芯片通常需要封装以保护其内部结构,同时提供连接和通信的接口。封装材料必须对外部环境具有适当的耐受性,并保障MEMS内部的稳定性。
6. 通信接口:对于需要与外部系统通信的MEMS设备,通信接口是必不可少的。这可能涉及标准的数字通信协议,例如I2C、SPI 或UART等,以及无线通信技术,如蓝牙或射频识别(RFID)等。
mems设计考试知识点
mems设计考试知识点
在MEMS设计考试中,了解并掌握关键的知识点是非常重要的。这些知识点涵盖了MEMS器件的基本原理、设计流程、模拟和数字设计等方面。以下是MEMS设计考试的一些重要知识点。
一、MEMS器件的基本原理
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的简称,是一种将微小的机械结构与电子技术相结合的技术。MEMS器件包括传感器和执行器,其作用是将物理量转换为电信号或者通过电信号控制机械运动。
1. 传感器:MEMS传感器是测量和检测物理量(如压力、温度、加速度等)的器件。常见的MEMS传感器有压力传感器、温度传感器、加速度传感器等。
2. 执行器:MEMS执行器是根据电信号来控制机械运动的器件。常见的MEMS执行器有微型喷墨头、微型马达等。
二、MEMS设计流程
在进行MEMS设计时,按照一定的流程进行是非常重要的。这里介绍一般的MEMS设计流程。
1. 需求分析:首先确定所设计的MEMS器件的具体需求和功能。
2. 设计概念:根据需求确定设计的整体思路和方案。
3. 建立模型:使用专业的软件工具进行MEMS器件的三维建模。
4. 仿真分析:通过仿真软件对MEMS器件进行电学和结构仿真分析。
5. 优化设计:根据仿真结果进行设计参数的优化,以满足特定的性能需求。
6. 制造工艺:将设计好的MEMS器件进行工艺制造。
7. 封装测试:对制造完成的MEMS器件进行封装和测试,以验证设计的性能指标。
三、MEMS模拟设计
MEMS模拟设计是指使用模拟电路设计方法来设计MEMS器件。以下是其中的几个重要知识点。
MEMS技术
MEMS技术
二、MEMS技术发展历史
MEMS 第一轮商业化20世纪70年代末80年代初,采用的是大型蚀 刻硅片结构和背蚀刻膜片传感器。
第二轮商业化出现在20世纪90年代,主要围绕着PC和信息技术的 兴起。
第三轮商业化可以说出现于世纪之交,微光学器件通过全光开关及 相关机器而成为光纤通信的补充。
目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展,其开始向工业、 医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其他应用包括一 些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针,以 及所谓的“片上实验室”,生化药品开发系统和微型药品输送系统的 静态和移动器件。
MEMS技术
图4-13 质Fra Baidu bibliotek流量传感器
MEMS技术
5.微气敏传感器
气敏传感器的工作原理是声表面波器件的波速和频率会随外界环 境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表 面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气 体相互作用(化学作用、生物作用或物理吸附),使得气敏薄膜的 膜层质量和导电率发生变化,引起 压电晶体的声表面波频发生 漂移;气体浓度不同,膜层 质量和导电率变化程度亦 不同,即引起声表面 波频率的变化也不 同。通过测量声表 面波频率的变化就 可以准确地反映气 体浓度的变化。
微机电MEMS技术
微机电MEMS技术
随着科技的不断发展,微机电系统(MEMS)技术已经成为了现代科技领域中的一个热点话题。MEMS技术是一种集成化的技术,它将微型机械结构、电子元件和集成电路等技术融合在一起,形成了一种新型的微型系统。这种系统的特点是小型化、高集成度、低功耗和低成本等,因此在各个领域都有着广泛的应用。
MEMS技术的发展历程
MEMS技术的发展可以追溯到上世纪60年代初期,当时美国贝尔实验室的研究人员发现,可以将晶体管等微型电子元件集成在一起,形成一种新型的微型系统。这种系统可以实现自动化控制,从而解决了传统机械系统中存在的一些问题。自此,MEMS技术开始逐渐发展壮大,不断被应用于各个领域。
在20世纪80年代,MEMS技术进一步得到了发展。当时,研究人员发现,可以将微型机械结构与电子元件融合在一起,形成一种新型的微型系统,称之为微机电系统(MEMS)。这种系统可以实现微型机械结构的自动化控制,从而实现各种功能。MEMS技术的发展在20世纪90年代得到了进一步加强,得到了广泛的应用。
MEMS技术的应用领域
MEMS技术在各个领域都有着广泛的应用。其中,最为典型的应用领域是传感器和执行器。传感器是一种能够将物理量转化为电信号的设备,而执行器则是一种能够将电信号转化为物理量的设备。这两种设备都是微机电系统的核心组成部分,它们可以实现各种自动化控
制功能。
MEMS技术在医疗领域也有着广泛的应用。例如,可以利用MEMS 技术制造出微型探针,用于检测人体内部的病变情况。此外,MEMS
技术还可以制造出微型药物输送系统,将药物直接输送到患者的病变部位,从而实现更加精准的治疗。
MEMS的工作原理
MEMS的工作原理
微电机系统(MEMS)是一类集成微小机械结构、电子电路、传感器和控制电路的微型设备。MEMS的主要工作原理是利
用微小机械结构来实现物理效应的转换和传感,从而实现各种功能。
MEMS中最常见的指南针传感器的工作原理是基于霍尔效应。微小的磁场传感器使用三个互相垂直的霍尔元件来测量外部磁场的大小和方向。当外部磁场作用于传感器时,霍尔元件中的载流子受到洛伦兹力的作用,产生电位差,从而测量磁场的大小和方向。
MEMS加速度计的工作原理是利用微小的质量加速时产生的
惯性力来测量加速度。一般采用微机械结构中的质量块与衬底进行相对运动,当外部加速度作用于微小质量块时,质量块相对于衬底会产生位移,通过测量位移量就可以计算出加速度的大小。
MEMS压力传感器的工作原理是利用微小机械结构的形变来
测量外部压力的大小。一般采用微小的弯曲或拉伸结构,当外部压力作用于结构上时,结构会产生微小的形变,通过测量形变量就可以计算出压力的大小。
以上只是MEMS中几种常见传感器的工作原理,实际上MEMS可以应用于各种传感器和执行器中,其工作原理因具
体应用而不同。通过微小机械结构与电子电路的结合,MEMS
在微观尺度上实现了各种传感、测量、控制和执行功能,广泛应用于手机、汽车、医疗器械等领域。
MEMS器件设计与原理
MEMS器件设计与原理
MEMS(微电子机械系统)是指一种能够通过微电子加工技术制造的微型机械系统。它将微电子技术与机械系统相结合,能够实现对物理和化学量的测量、控制和操纵。MEMS器件可以应用在各种领域,如传感器、执行器、光学器件等。
首先,微电子加工技术是MEMS器件设计的核心。由于MEMS器件的尺寸通常在微米级别,因此传统的机械加工方法不再适用。微电子加工技术包括光刻、薄膜沉积、蚀刻、离子注入等工艺,可以实现对微米级元器件的制造和模式的生产。这些工艺对MEMS器件的性能和可靠性具有重要影响,需要根据具体应用需求进行选择和优化。
其次,机械设计是MEMS器件设计的关键。由于MEMS器件体积小、结构复杂,所以在设计中需要考虑很多因素,如材料选择、结构优化、动态力学分析等。机械设计的目标是实现MEMS器件的高性能、高灵敏度和高可靠性。常见的MEMS器件包括加速度计、陀螺仪、压力传感器等,它们的设计原理与机械设计的原理密切相关。
最后,传感器原理是MEMS器件设计的基础。传感器是MEMS器件的一种主要应用形式,通过测量物理量的变化来实现对环境的感知。常见的MEMS传感器包括光学传感器、压力传感器、湿度传感器等。这些传感器的工作原理各不相同,但都基于物理量与电信号的转换原理。传感器设计需要考虑灵敏度、响应时间、线性度等指标,并根据不同应用需求进行优化。
总之,MEMS器件的设计原理涉及微电子加工技术、机械设计和传感器原理等方面。通过合理的设计,可以实现MEMS器件的高性能、高灵敏
度和高可靠性,推动MEMS技术在各个领域的应用。随着技术的不断进步,MEMS器件将在更多领域发挥作用,为人类带来更多便利和进步。
《MEMS技术及其应用》课件
MEMS技术未来发展趋势
MEMS技术未来的发展方向包括更小尺寸、更低功耗、更高性能、更多功能的 微型器件和系统。
MEMS技术在人工智能、物联网、无人驾驶等领域具有极大的应用前景,将为 社会带来更多便利和创新。
随着MEMS技术的进一步发展,我们可以期待更多智能、高效和可靠的微型设 备的出现。
MEMS感器的应用
MEMS传感器是一种能够转换感知参数为电信号的微小器件,具有体积小、功 耗低和高灵敏度的特点。
MEMS传感器广泛应用于汽车、智能手机、医疗设备等领域,为实时监测、精 确测量和智能控制提供了关键支持。
典型的MEMS传感器应用包括加速度计、陀螺仪、压力传感器等,在自动驾驶、 健康监测等方面具有重要作用。
MEMS技术及其应用
欢迎来到《MEMS技术及其应用》PPT课件,我们将介绍MEMS技术的基本原 理和应用领域,以及其未来发展趋势。
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什么是MEMS技术
MEMS技术是微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的简称。它是一种将微尺寸机械系统、电子 元器件和集成电路技术结合在一起的技术。 MEMS技术的发展历程经历了多年的研究和创新,目前已在许多领域得到广泛应用。 MEMS技术主要应用于传感器、执行器、生物医学、无线通信等领域,为现代科技带来了巨大的进步。
MEMS技术的基本原理
mems原理和发展
mems原理和发展
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 微电子机械系统是将微型制造技术应用于机械系统中的一种新颖的技术手段。它是一种微型化、高灵敏度、高可靠性、低功耗的微型机电系统,被广泛应用于传感器、执行器、光机电、微机械加工等领域。
MEMS技术起源于20世纪60年代的半导体制造技术,以此衍生出MEMS技术。MEMS技术是新兴的交叉学科,涉及材料科学、微系统制造、力学电子学、物理化学、生物医学工程等多学科。
MEMS是将微型制造技术及微加工技术,应用于机械系统中,它是一种集成制造技术,并且已经发展成为一种很成熟的技术。虽然MEMS技术还有很大的发展空间,但现在已经广泛应用到了很多领域中。
MEMS技术以芯片或者硅基片为基础,通过微加工、图形化制造、冶金及压力等制造技术制造微型机械元件,与半导体制造技术有很大的相似之处。因为它可以使用与半导体制造相同的设备及工艺。
发展趋势是MEMS微型化和智能化,MEMS产品在体积、性能、功耗等方面的不断改进和提高已经成为MEMS技术不断发展的动力。其中,微型机械生产中对创新以及低成本生产的不断追求是发展趋势的核心。
目前MEMS技术的发展大致经历了三个阶段:第一阶段是20世纪70年代到80年代,主要集中在理论研究和基础技术研究等方面。第二阶段是90年代,发展出了大量的微传感器、微执行器等应用产品,如压力传感、加速度传感、惯性导航、喷墨头等,这一阶段被称为应用阶段。第三阶段是21世纪初期,以“智能”为主,主要是诸如微流体、薄膜、微剖析等纳米材料方面的先进研究。
Ch.02_MEMS器件-执行器
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
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
静电梳齿驱动实例
静电悬臂驱动
利用了驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。
从工程力学理论可以知道,宽度为w的悬臂梁,在距固 定端X处施加集中载荷时,梁末端的偏移量δT可由下式 给出:
其中,距离梁固定端x处的静电力q(x)为 :
静电式微执行器实例(1)
静电旋转微型马达
静电激励已经被用 于实现旋转马达结 构。基本思路是制 做一个能自由转动 的中间转子,四周 布以电容极板,以 合适的相位驱动, 就可使转子转动。
双晶片热执行器
热膨胀:双金属致动器
mems微纳制造
1111
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)微纳制造是一种将微机械结构、微型传感器、微型执行器、微型电路等微型元件集成在一起的制造技术。它是一种多学科交叉的技术,涉及到微电子学、机械工程、物理学、化学、材料科学等多个领域。
MEMS 微纳制造的主要特点是尺寸小、精度高、重量轻、功耗低、响应快、可靠性高、成本低等。它可以制造出各种微型器件,如微型传感器、微型执行器、微型光学元件、微型生物芯片等,广泛应用于汽车、医疗、航空航天、消费电子、环境监测等领域。
MEMS 微纳制造的关键技术包括微加工技术、微封装技术、微测试技术等。其中,微加工技术是 MEMS 微纳制造的核心技术,它包括光刻、蚀刻、沉积、扩散等多种工艺,可以制造出各种微型结构和器件。微封装技术是将微型元件封装成微型系统的技术,它可以提高微型系统的可靠性和稳定性。微测试技术是对微型系统进行测试和调试的技术,它可以保证微型系统的性能和质量。
总之,MEMS 微纳制造是一种非常有前途的制造技术,它将为未来的微型化、智能化、集成化发展提供重要的技术支持。
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三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
摘要:微执行器是构成MEMS动力部分,是MEMS的操作和执行机构。本文介绍了常用的电场力、磁场力和热效应驱动的三种驱动的MEMS微执行器特点及工作原理。
关键词:MEMS 微执行器工作原理
1、背景
微型机电系统,即MEMS(Micro Electric-Mechanical System)是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。MEMS是在微电子学科基础上发展起来,同时,它又有是多学科交叉的学科。MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号,并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。同时,每个系统不是独立的,它可以通过接口与其他的系统进行互联。
其中,微执行器是MEMS的核心部分,它既可以为微系统提供动力,也可以成为微系统的操作和执行单元。因此微执行器有许多种不同的驱动方式。常见的驱动方式主要有:静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金(SMA)驱动和磁致伸缩驱动等形式。本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。
2、微执行器的分类及特点
从驱动形式角度来看,有许多种微执行器,但常用的只有三种:电场力、磁场力和热效应驱动。
由于静电微执行器的体积小,结构简单,是目前应用最多的一种微执行器。它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多,比如微马达。
热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变,改变驱动部件的结构,对目标物体施加所要求的作用力。但热驱动力的功耗较大,而且精度不易控制。
磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。它有两种力的驱动方式:洛伦兹力和磁场力。目前,主要利用磁驱动的微执行器是微马达。由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速,现已被广泛应用。
3、三种微执行器的工作原理
3.1一种平板式静电微执行器
静电执行器的基本工作原理:
平板式静电执行器由两个极板组成。当对两个极板充电,两个极板将带上异种电荷,极板间将产生吸引力。由于这类微执行器结构简单,并且力的大小可由电压来控制决定,所以被广泛的应用。
3.1.1极板间的作用力与电压、版间距的关系
在计算两个极板间作用力时,可将静电执行器按照平板电容器的物理模型来计算。
对于极板面积为A的平板电容器,忽略边界效应,在极板间电压V时所储存的能量为:
(1)
极板间作用力为(2)
式(1)(2)中,是空气的介电常数,x是极板间的距离。
由上面公式可以看出,在平板电容器式微静电执行器中,力与电压和板间距是非线性关系的。利用此公式可以通过调节电压大小和板间距来控制此类微执行器的输出力的大小。
3.2一种热驱动微执行器
在热驱动微执行器中,双变体结构的微执行器是比较常见的。由于热膨胀系数不同,两种材料会产生不同的热膨胀量,并且向热膨胀量较小的一方弯曲。常见的双变体结构为Au-Si悬臂梁结构。
在Au-Si悬臂梁通电时,由于多晶硅和金有电阻,臂上将产生一定的热量,从而悬梁臂将产生弯曲。如果两种材料间涂有高热阻材料的涂层,则两种材料将产生不同的热量和温度,从而产生更大的弯曲度。
3.3一种磁微执行器
在磁微执行器中,电磁型微马达相比于其他形式的磁微执行器,具有驱动力矩大,转速高,转换效率高和易操控等特点。因为直流无刷微马达具有结构简单,体积较小,运行效率高等特点,所以它是电磁型微马达的主要结构。
直流无刷微马达采用了的是两片定子对称分布在转子两侧的“三明治”结构。它的定子和转子面积相当,并且这种结构使转子对定子的磁引力相互抵消,从而使输出力矩更大,做功效率更高。
4、结语
微执行器是MEMS的核心,它将直接影响MEMS的应用和发展。微执行器的驱动方式多种多样,但要根据所需的驱动方式特点来选择合适的微执行器,这样微执行器才能更好的发挥它的性能。随着科学技术的不断完善,MEMS将会出现更多新的驱动方式和功能特点微执行器,从而推动现代工业的发展。
参考文献:
1.张琛,陈文元,陈佳品著.微执行器[M].上海:上海交通大学出版社,2005:23-36,211-213.
2.格雷戈里TA科瓦奇著.微传感器与微执行器全书[M].张文栋等译.北京:科学出版社,2003:200-202.
3.杨静,高建忠,赵玉龙,蒋庄德.一种MEMS热执行器的设计与制作[J].微纳电子技术,2005,4:176-177.
4.方玉明,李伟华.衔铁平行运动的磁微执行器Pull-in机理分析[J].传感技术学报,2007,22(4):472-473.
5.石文尚,方玉明,朱文俊.平板式静电微执行器的静态pull-in现象[J].半导体技术增刊,2010,35:118-120.