21微传感器与微执行器
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
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。
微机电系统
近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件（DMD）已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。
当我们改变这种跛行的状况时，记得关注一下MEMS方面的发展。假如你看到惠普在MEMS领域大放异彩，千万不要感到吃惊，因为他们的Thinkjet早在1984年就已经开始使用这样的技术，他们的MEMS研究从那时就已经开始了。
根据Gartner的估算，MEMS业务的规模到2012年就将超过44亿美元。我想，这还是一个保守的估计。
这就让我们的芯片技术拥有了又一个发展方向。比如，一家葡萄酒厂可以装备成千上万的传感器，基于每一根葡萄藤的具体情况来精确控制灌溉系统。
只要是你能够想到的会使用传感器的地方，我们都可以用到这种技术。这种研究目前在美国还不是很火热，但是在欧洲情况便截然不同。不过，尽管欧洲人做得红红火火，将MEMS视作他们半导体行业未来的发展方向，但是在现实当中，惠普和德州仪器已经分别成为了这一领域的一号和二号角色，确立了自己在全世界范围内的地位。
“目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。”对于它的应用，孙立宁告诉记者。
现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统（ABS）、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序（ESP）系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。
mems传感器、执行装置等应用领域,关键技术与国内外发展概况
mems传感器、执行装置等应用领域,关键技术与国内外发展概况MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。
与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
第一个微型传感器诞生于1962年，至此开启了MEMS技术的先河。
此后，MEMS传感器作为MEMS技术的重要分支发展速度最快，长期受到美、日、英、俄等世界大国的高度重视，各国纷纷将MEMS传感器技术作为战略性技术领域之一，投入巨资进行专项研究。
随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展，传感器的微型化、智能化、网络化和多功能化得到快速发展，MEMS传感器逐步取代传统的机械传感器，占据传感器主导地位，并在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用。
1 MEMS传感器及分类从微小化和集成化的角度，MEMS（或称微系统）指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。
微机电系统（MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。
是20世纪末、21世纪初兴起的科学前沿，是当前十分活跃的研究领域，涉及多学科的交叉，如物理学、力学、化学、生物学等基础学科和材料、机械、电子、信息等工程技术学科。
该领域研究时间虽然很短，但是已经在工业、农业、机械电子、生物医疗等方面取得很大的突破，同时产生了巨大的经济效益。
2.1 MEMS传感器MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器，是MEMS 器件的一个重要分支。
依赖于MEMS技术的传感器主要有以下技术特点：1）微型化：体积微小是MEMS器件最为明显的特征，其芯片的尺度基本为纳米或微米级别。
MEMS微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。
MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。
采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。
采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
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技术的发展使得微小尺寸的机电系统得以实现，从而为传感器、执行器和控制器的集成提供了可能。
这种集成化的设计使得MEMS能够在广泛的应用领域发挥作用，包括汽车、医疗、通信、消费电子等。
微型传感器和执行器实验报告
微型传感器和执行器实验报告实验目的：本实验旨在研究微型传感器和执行器的原理、性能及应用，并通过实际操作验证其工作原理和效果。
实验器材：1. 微型传感器2. 微型执行器3. 实验电路板4. 电源5. 信号调节器6. 计算机实验原理：微型传感器是一种能够将感知到的信息转换为电信号输出的设备，常用于测量各种物理量，如温度、压力、光照等；微型执行器则是一种能够根据外部信号控制执行动作的设备，常用于控制阀门、电机等。
两者常常配合使用，构成传感器-执行器系统，实现自动化控制。
实验步骤：1. 将微型传感器连接至实验电路板，并接通电源，调节信号调节器使传感器稳定工作；2. 设置实验参数，如测量范围、输出分辨率等；3. 通过计算机软件监测传感器输出信号，并记录实验数据；4. 将微型执行器连接至实验电路板，并接通电源，调节参数使执行器实现预期动作；5. 将传感器和执行器连接，构建传感器-执行器系统，并测试其自动控制效果；6. 分析实验数据，总结传感器和执行器的工作特性。
实验结果：经过实验测试，我们成功验证了微型传感器和执行器的工作原理。
传感器对各种物理量的检测准确可靠，执行器对外部信号的响应灵敏迅速。
传感器-执行器系统能够实现自动化控制，具有广泛的应用前景。
实验结论：微型传感器和执行器作为现代智能系统的重要组成部分，在工业自动化、智能家居、医疗设备等领域具有巨大潜力。
通过本次实验，我们深入了解了传感器和执行器的原理和特性，为今后的研究和开发奠定了基础。
实验感想：通过亲自操作微型传感器和执行器，我们更加直观地认识了自动化控制技术的应用。
在实验中遇到的问题也增加了我们的实践经验，使我们更加深入地了解了传感器和执行器的工作机制。
希望通过不断探索和实践，能够在未来的工程技术领域取得更大的突破和创新。
实验致谢：在此，感谢实验指导老师的耐心教导和帮助，感谢实验室的同学们共同努力，使本次实验取得圆满成功。
同时也感谢实验设备和材料的提供方，为我们提供了学习和成长的机会。
微机电系统MEMS简介
陀螺仪
总结词
用于测量或维持方向的传感器
详细描述
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的传感器，用于测量或维持方向。它通过测量物体旋转轴的方向变 化来工作，通常由高速旋转的陀螺仪转子组成。陀螺仪广泛应用于导航、姿态控制、游戏控制等领域 ，如智能手机、无人机和导弹制导系统等。
压力传感器
总结词
用于测量流体或气体压力的传感器
MEMS市场应用领域
消费电子
汽车电子
医疗健康
工业自动化
MEMS传感器在消费电子产品 中的应用广泛，如智能手机、 平板电脑、可穿戴设备等。这 些设备中的传感器用于运动检 测、加速度计、陀螺仪、气压 计等。
随着汽车智能化的发展， MEMS传感器在汽车领域的应 用也越来越广泛，如车辆稳定 性控制、安全气囊、发动机控 制等。
MEMS材料
单晶硅
单晶硅是MEMS制造中最常用的材料 之一，具有高强度、高刚度和良好的 化学稳定性。
多晶硅
多晶硅在MEMS制造中常用于制造柔 性结构，具有较好的塑性和韧性。
玻璃
玻璃在MEMS制造中常用于制造光学 器件，具有较高的透光性和稳定性。
聚合物
聚合物在MEMS制造中常用于制造生 物传感器和柔性器件，具有较好的生 物相容性和可塑性。
集成化
未来的MEMS系统将更加集 成化，能够将多个MEMS器 件集成在一个芯片上，实现 更高效、更低成本的应用。
03
CATALOGUE
MEMS传感器与器件
加速度传感器
总结词
用于测量 物体运动状态的传感器
详细描述
加速度传感器是一种常用的MEMS传感器，主要用于测量物体运动状态的加速度。它通常由质量块和弹性支撑结 构组成，通过测量质量块因加速度产生的惯性力来计算加速度值。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊系统、 手机和平板电脑的姿态控制、运动检测等领域。
mems微机电系统名词解释
mems微机电系统名词解释MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是一种集成微型机械、电子与传感器功能于一身的微型设备。
它结合了传统的机械制造技术、半导体工艺和微纳米技术，将微型机械部件、传感器、电子电路以及微纳加工技术集成在一个晶圆上，以实现微型化、多功能化和集成化的目标。
以下是一些与MEMS相关的名词解释：1. 传感器（Sensor）：一种能够感知并转换外部物理量、化学量或生物量的设备，可以将感应到的物理量转化为电信号。
2. 执行器（Actuator）：一种能够接收电信号并将其转化为相应的机械运动的设备，用来实现对外界的控制或作用。
3. 微型机械（Micro-Mechanical）：指尺寸在微米或纳米级别的机械部件，由微细加工技术制造而成，具有微小、精确和高效的特点。
4. 纳米技术（Nanotechnology）：一种研究和应用物质在纳米尺度下的特性、制备和操作的技术，常用于MEMS器件的加工制造。
5. 惯性传感器（Inertial Sensor）：一种基于测量物体运动状态和变化的MEMS传感器，如加速度计和陀螺仪。
6. 压力传感器（Pressure Sensor）：一种可以测量气体或液体压力的MEMS传感器，常用于汽车、医疗、工业等领域。
7. 加速度计（Accelerometer）：一种测量物体在空间中加速度的MEMS传感器，常用于移动设备、运动检测等应用。
8. 微镜（Micro-Mirror）：一种利用MEMS技术制造的微型反射镜，通常用于显示、成像和光学通信等应用。
9. 微流体器件（Microfluidic Device）：一种用于实现微小流体控制的MEMS器件，常用于生化分析、药物传递和微生物学研究等领域。
10. 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）：一种由多个分布式的MEMS传感器节点组成的网络系统，可以实现对环境信息的实时采集、处理和通信。
微机电系统-MEMS简介.
1983年 集成化压力传感器 (Honeywell)
1985年 LIGA工艺 (W. Ehrfeld et al.) 1986年 硅键合技术 (M. Shimbo)
8:21 AM
12
8:21 AM
13
在军事上的应用
MEMS已在空间超微型卫星上得到应用 ,该卫星外形尺寸为 2. 54 cm ×7. 62 cm ×10. 6 cm,重量仅为 250 g 。2000年 1月 ,发射的两颗试验小卫 星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是 ,因 其飞行寿命短 ,所以 ,暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基 于硅的 RF开关在太空应用中表现出优异的性能 ,这得益于它的超微小尺
2、MEMS在军事国防上的应用
3、MEMS在汽车工业上的应用
4、MEMS在医疗和生物技术上的应用 5、MEMS在环境科学上的应用
6、MEMS在信息技术领域中的应用
8:21 AM
11
在汽车上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动 驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、减震 系统、防盗系统等。GPS定位系统。 *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统 的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定 控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器。
8:21 AM
20
影像工作站
OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智 能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十 二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行，同时对经 过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携 带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达6～8小时，在 智能胶囊吞服8～72小时后就会随粪便排出体外。医生通过 影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人 整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。 优点: 操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个 过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即 可对病情做出准确判断。 安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染 ;外壳采用不 能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激 性 ,能够安全排出体外。 扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检 查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。 方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误 正常的工作和生活。
MEMS基本常识
一、MEMS基本常识1、MEMS的特征尺寸范围1um~1mm2、MEMS的本质特征——小型化、微电子集成、批量制造3、摩尔定律——集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍4、Accelerometer(加速度计)；Near field microscopy(近场显微镜)；Resonant sensor(谐振传感器)5、MEMS技术的构成：微制造、微器件和微系统6、半导体中两种自由载流子：电子和空穴7、单晶硅单位晶体中原子总数：188、单晶硅常用于MEMS衬底材料，其应用普遍性主要的原因是什么？它的力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的电子器件上。
硅几乎是理想的结构材料。
它的熔点为1400摄氏度。
它的热膨胀系数比钢小八倍。
最重要的是，硅在事实上没有迟滞，因此是理想的传感器和致动器的理想候选材料。
9、MEMS中的核心元件一般包括哪两个部分：传感器和信号传输单元10、就微系统而言，化学性能最稳定的材料是碳化硅；最便宜的热和电绝缘材料是二氧化硅11、哥氏效应、Sagnac效应：哥氏效应：质点作圆周运动的同时也作径向运动或圆周运动时，会产生一个分别垂直于这两轴方向的作用力，叫做哥氏力。
哥氏力的大小为F=2mwuSagnac效应：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个旋转环路内沿相反方向循环行一周后会合，产生相位差发生干涉。
二、微传感器与微执行器1、传感器的基本工作原理是：将一种能量信号转换为另一种能量信号；执行器的基本工作原理是：通过机电转换结构将电学控制信号转化为机械动作。
2、传感器中力-电转换机理通常有压阻式、电容式、谐振式、隧道式、压电式3、测量微压力传感器中薄膜的变形方法：电子方法4、微传感器按传感机理分：压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流；按物理参数分类：力(加速度/压力/声)、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）5、利用半导体光电导效应可制成光敏电阻，其基本原理是：辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化6、隧道电流敏感原理：在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。
微传感器原理与技术
微传感器原理与技术⼀、名词解释：MEMS：其英⽂全称为Micro-Electro-Mechanical System，是⽤微电⼦，即microelectronic 的技术⼿段制备的微型机械系统。
第⼀个M也代表器件的特征尺⼨为微⽶量级，如果是纳⽶量级，相应的M这个词头就有nano来替代，变为NEMS，纳机电。
MEMS及NEMS是在微电⼦技术的基础上发展起来的，融合了硅微加⼯、LIGA技术等的多种精密机械微加⼯⽅法，⽤于制作微型的梁、隔膜、凹槽、孔、反射镜、密封洞、锥、针尖、弹簧及所构成的复杂机械结构。
（点击）它继承了微电⼦技术中的光刻、掺杂、薄膜沉积等加⼯⼯艺，进⽽发展出刻蚀、牺牲层技术、键合、LIGA、纳⽶压印、甚⾄包括最新的3D打印技术SOI: SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引⼊了⼀层埋氧化层。
通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所⽆法⽐拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄⽣闩锁效应；采⽤这种材料制成的集成电路还具有寄⽣电容⼩、集成密度⾼、速度快、⼯艺简单、短沟道效应⼩及特别适⽤于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微⽶的低压、低功耗集成电路的主流技术。
SOC:SOC-System on Chip，⾼级的MEMS是集微型传感器、微型执⾏器以及信号处理和控制电路、直⾄接⼝、通信和电源等于⼀体的微型器件或系统，这样的系统也称为SOC，即在⼀个芯⽚上实现传感、信号处理、直⾄运动反馈的整个过程。
LIGA:LIGA是德⽂光刻、电镀和模铸三个词的缩写。
它是在⼀个导电的基板上旋涂厚的光刻胶，然后利⽤x射线曝光，显影后形成光刻胶的模具，再⽤电镀的⽅法在模具的空腔中⽣长⾦属，脱模后形成⾦属的微结构。
特点：该⼯艺最显著的特点是⾼深宽⽐，若⽤于加⼯⼀个细长杆，杆的直径只有1微⽶，⽽⾼度可达500微⽶，深宽⽐⼤于500，这是其他技术⽆法⽐拟的。
MEMS技术
MEMS技术
三、MEMS微传感器的研究现状与发展方向
MEMS未来的发展趋势为微细化、集成化、多元化与产业化四方面。
1．微机械压力传感器
分类：压阻式和电容式两类。 结构：圆形、方形、矩形、E形等多种结构。
发展方向:
1）智能化
2）低量程
3）拓宽温度范围
4）开发谐振式微机械压力传感器
2．微加速度传感器
分类：压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。
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。
图4-14 微气敏传感器
MEMS技术
6．微机械温度传感器
微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特 点，其固有热容量仅为10-8～10-15J/K，使其在温度测量方面具 有传统温度传感器不可比拟的优势。
物联网
MEMS技术
图4-13 质量流量传感器
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。
mems原理
mems原理MEMS原理。
MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是一种将微小的机械和电子元件集成在一起的系统，它将微机械技术、微电子技术和信息处理技术相结合，是微纳技术的重要组成部分。
MEMS技术的发展，极大地推动了传感器、执行器、微型化机械和微型化电子系统的发展，广泛应用于医疗、军事、通信、汽车、航空航天等领域。
MEMS的工作原理主要基于微机械结构和微电子元件的相互作用。
微机械结构是MEMS的核心，它由微型传感器和微型执行器组成。
微型传感器可以将机械、热、光、声、化学等各种信号转换为电信号，而微型执行器则可以将电信号转换为机械、光、热等各种形式的能量输出。
微电子元件则是用于控制和处理传感器采集到的信号，以及驱动执行器进行相应的操作。
MEMS的工作原理可以简单概括为三个步骤，传感、处理和执行。
首先是传感，传感器将外界的各种信号转换为电信号，然后是处理，微电子元件对传感器采集到的信号进行处理和分析，最后是执行，执行器根据处理后的信号进行相应的操作。
这三个步骤相互配合，完成了MEMS系统对外界信号的感知、处理和响应。
在MEMS的工作原理中，微机械结构的设计和制造是至关重要的。
微机械结构的设计需要考虑到微小尺寸、高灵敏度、低功耗等特点，同时还需要考虑到材料的选择、制造工艺、可靠性等方面的问题。
微机械结构的制造则需要借助微纳加工技术，例如光刻、薄膜沉积、离子刻蚀等工艺，来实现微米甚至纳米级别的精密加工。
除了微机械结构的设计和制造，MEMS的工作原理还与微电子技术密切相关。
微电子元件的设计和制造需要考虑到功耗、集成度、信噪比等因素，同时还需要考虑到与微机械结构的集成和互联。
微电子元件的制造则需要借助半导体工艺，例如光刻、薄膜沉积、离子注入等工艺，来实现微型电子元件的制造和集成。
综上所述，MEMS的工作原理是基于微机械结构和微电子元件的相互作用，通过传感、处理和执行三个步骤来实现对外界信号的感知、处理和响应。
微传感器原理和应用
y Y FS
随机误差的综合指标。
端点连线 (y)'m' ax
平移线
系统误差极限值：
(y)'max
LH12ym ' YaFxSym '' ax10% 0
o
端点连线
x
随机误差：
R
3S YFS
100%
精度：A(LH R)
1 2
ym ' axym '' YFS
ax 3S
YFS100%
h
14
（7） 温度系数与温度附加误差
一等 标准
省、部一级计量站
±0.01%
记录每个被测量对应的 传感器的输出，获得一 系列校准数据或校准曲 线；按照相应的规定（ 标准）计算出性能。
二等 标准
三等 标准
h
市、企业计量站 三等标准传感器
测试用传感器
±
0.1%
±
0.3%
± 1%6
Байду номын сангаас 传感器的一般特性
3.1 测量和误差的基本概念和定义
真值： 被测量客观存在的真实数值（理想概念）。 测量值： 测量器具直接反映的或由此经必要计算得到的值。 测量范围： 允许误差范围内，测量装置测量被测量的范围。
ΔLmax与满量程输出值YFS之比，用L
规定直线
表示：
L
Lmax10% 0 YFS
（4） 非线性及迟滞(non- linearity
and hysteresis)：
o
y Y FS
正、反行程校准曲线与拟合直线之间
LHmax
x
的最大偏差值ΔLHmax与YFS之比：
LHLYFHm S ax1
进入胃肠道诊查的微型仿生机器人
仿生机器人是利用机械部件和电子芯片通过编程的方法来构成的具有生物运动特征的装置，例如仿生蛇、犬、螃蟹、飞鸟等，已经在军事侦查、助残助老、情报搜集等场合发挥作用了，相关研究方兴未艾。
在仿生机器人中，微型化模拟昆虫、蠕虫、蜜蜂等小型生物体的研究也伴随着其发展越来越受到特别的关注。
其中，将微型机器人应用于临床医学诊疗，不仅可以提高诊断的可靠性、真实性，而且由于微机电系统本身的微小尺寸、高度智能，极大地减轻了患者的痛苦。
尤其在非结构环境的狭小空间作业，比如，胶囊内镜侵入性小，没有毒副作用，具有 无创、微创等优点，并可以进行主动控制，或加载成像装置，是今后机器人内镜发展的必然趋势。
进入胃肠道诊查的微型仿生机器人王坤东MICRO BONIC MACHINE FOR GASTROINTESTINAL EXAMINATION王坤东 ｜ 进入胃肠道诊查的微型仿生机器人科技视界 ｜ 器 最近几年内出现的胶囊内镜是一种无创被动式内镜。
它仅有一般鱼肝油胶囊大小的体积，采用无线通信的方式传输图像，可口服而不被人体消化，依靠肠道的蠕动最后由肛门排出体外（胶囊内镜在肠道中可实时传输肠道图像）。
因为胶囊内镜体积小和采用被动式迁移，所以对人体肠道无损伤，受检者无不适感。
但是胶囊诊查装置是被动式，不能在消化道内前后移动，反复检查医生感兴趣的地方，而且在食管内停留的时间很短，在胃内只能看到很小的一部分，在结肠内不能检查褶皱里面的病变，因此胶囊诊查装置目前只能作为小肠检查的有效手段；另外，胶囊内镜使用纽扣电池，只能保证7～8 h 的工作时间，因此对于排出 时间较长的患者来说，在7～8 h 之后就不能进行检查了。
01. 被动式胶囊内镜 被动式胶囊内镜能够无创、微创地进行消化道诊查，但也正是因为被动的工作方式，导致其难以克服的缺点。
为了克服这个问题，在胶囊中放置小的磁铁，利用外部大磁场来进行遥控，研制了磁控胶囊（国产安翰磁控胶囊），目前已经可以用于胃镜的无痛体检。
mems简介
MEMS简介45080223 宋建涛生物学院农机二班MEMS是微机电系统的缩写。
MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。
大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。
其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。
这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。
2．技术基础：MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2）材料与加工技术（3）封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系统技术等。
3．应用研究：人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。
完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。
MEMS综述
MEMS综述一、EMES基本概念微机电系统一词源于美国，日本称为微机械，欧洲称为微系统是指利用微电子精细加工手段制造微米量级内的设计和制造技术。
它是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。
二、发展历史MEMS这一名词是由美国国家科学基金会于1989年正式提出的，从技术上看，它的产生和发展经历了以下3个主要时期:1、发展初期20世纪50年代，MEMS随着集成电路制造技术的发展而出现。
20世纪60年代的主要研究内容是硅微型传感器和各向异性蚀刻技术。
但是，这个时期的器件由于不够完善而没有商品化。
2、快速发展期20世纪70年代，汽车用传感器和医用压力传感器开始成为MEMS的研究重点，并促进了相应微加工技术的完善。
20世纪80年代，世界各国相继开始MEMS 领域的研究，制造技术不断完善，应用领域快速拓展。
80年代后期，包括微加工、结构设计、微动力学、材料学、控制理论、测量等多个领域在内的MEMS研究全面展开。
3、高速发展期20世纪90年代MEMS在国防生物医学、汽车、通信、航空航天等领域的应用全面开始，并有大量MEMS产品推向市场。
21世纪，MEMS逐步从实验室走向实用化。
MEMS的研究领域将进一步扩展，逐渐形成纳米器件、生物医学、光学、能源、海量存储、信息等新的应用方向，并从单一的MEMS器件和功能向着系统功能集成的方向发展。
三、研究内容1、理论研究主要研究微尺寸效应、微磨擦、微结构的机械效应。
微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。
2、工艺研究主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微丈量技术等。
世界上制作MEMS器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学离蚀或IC工艺，对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。
目前，国内主要利用这种方法制备MEMS器件，该方法与IC工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适合批量生产，成为制备MEMS器件的主要技术；第二种是以德国为代表的LIGA技术，它利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构方法，制作MEMS器件。
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3）微型隧道式加速度传感器 隧道效应 一个纳米尺度的极细探针与另一个导电的检测表 面形成两个电极，两极非常接近时（通常为1nm），电子穿 过两极之间的空隙形成隧道电流。当空隙增大时，电流以指 数函数衰减。空隙增大0.1nm，电流减小一个数量级，灵敏 度极高。 采用质量块-悬臂量结构。质量块上有一个极细的探针和检 测电极构成导电隧道。隧道电流的大小与质量块偏移有关， 从而可检测出加速度。也可采用静电力平衡方式，使质量块 和探针不动，由电压变化来测量加速度。这类微加速度传感 器灵敏度很高。
二、集成电路工艺 常规集成电路的制造工艺也是各种微传感器、微执行器 及微结构的关键工艺。 薄膜成形：氧化、金属化，化学气相淀积，外延。 掺杂技术：扩散，离子注入。 光刻技术：掩模制作、光刻胶的涂布，前烘，曝光、显 影，坚膜，蚀刻，去胶。 三、硅微机械加工技术 硅有很好的机械加工性能和电学性能，是微机械系统最常用 的材料。 1. 体微加工技术 包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。体 微加工技术能在硅衬底上制作三维结构，主要用来制作 微传感器和微执行器。典型器件有压力传感器、加速度 传感器、触觉传感器、微泵、微阀等，它们都依靠一个 振动膜或在结构中形成悬臂梁或桥来工作。
2）电容式压力传感器
把膜片制成电容器的一块电极板，当压力引
起膜片变形时，电容器两块电极板之间的距 离就发生变化，导致电容值变化。由电路测 出电容值的变化，从而测出压力。
2.微型加速度传感器 特点：尺寸和重量小。 1）压阻式微加速度传感器 玻璃－硅－玻璃的夹层结构。 中间层是一片极薄的硅悬臂 梁。梁的一端支撑在刚性的 边框上，另一端是自由端，上 面支撑一个金或硅重物作敏感质量块。在悬臂梁上 制有压阻式P型电阻。当传感器作加速度运动时， 质量块上下运动，在悬臂梁上产生应力和应变，梁 上的电阻阻值随着改变，由电路测出电阻的变化就 可测出对应的加速度。 实际应用的微加速度传感器常常具有二梁或四梁结 构。敏感质量块由2根或4根对称分布的梁支承，每 根梁上都有应变电阻元件构成的电桥。
2. 表面微加工技术 在硅基片上采用不同的薄膜淀 积和蚀刻方法，在硅表面上形成较薄的结构。主要 薄膜淀积技术有蒸镀、溅射、化学气相淀积等。主 要蚀刻方法是选择性湿法蚀刻和干法等离子蚀刻。 典型技术是牺牲层技术。元件以单晶硅片做衬底， 加入结构层和牺牲层。结构层主要是化学气相淀 积多晶和氮化硅。在结构层中嵌入牺牲层，材料 是二氧化硅。在后续工艺中利用化学蚀刻方法将 牺牲层材料溶解掉而不影响结构层本身。 3. 键合技术 就是连接技术。把微传感器、微执行 器和较复杂的微结构连接成一体。包括硅－硅直接 键合，静电键合，界面层辅助键合。
五、封装技术 作用 微机械结构支撑、保护和隔离，与其他系 统的电气连接，为芯片提供散热和电磁屏蔽，提 高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力等。 微机电系统封装技术大都由集成电路封装技术发 展和演变而来。但比集成电路更复杂，成本也更 高，封装成本可占总成本的70％甚至更多。
18.3 微传感器
1.微型压力传感器 是最早和最成功的微机电器件，在生物医疗领域和汽车中获 得了广泛应用。 基本结构 由硅片腐蚀而成的膜片，厚10－25μm。膜片在压 力作用下产生变形，变形的大小与压力对应。 1）压阻式压力传感器 工作原理——电阻应变效应。敏感 元件是杯状硅膜（几十微米），称“硅杯”。 在硅膜片上用扩散掺杂法做成4个 相等的P形硅的压敏电阻，并用蒸 镀法制成电极和电桥。被测压力使膜 片变形并使电阻变化，由电桥的输出 电压可推算出被测压力。
第十八章 微传感器与微执行器 18.1微机电元件的应用
微机电系统（MEMS，Micro Electro Mechanical System） 被公认为是生机勃勃、潜力巨大的领域。它的基础是微电子 技术，基本组成部分是微传感器、微执行器和微处理器，特 征尺寸由μm至mm。目前完整的微机电系统很少，但微传感 器和微执行器作为独立元件，已经在很多装置和领域获得应 用。 例如汽车中，硅微压力传感器用来测量气压，硅微加速度计 作为安全气囊传感器。再如计算机外设中的摄像头、喷墨打 印头、硬盘读写头中都应用了微机电技术， 促进微机电元件发展的最大动力来自于军事应用和航空航天 应用。以微振动陀螺和微加速度计为代表的微惯性元件，不 仅应用于导弹、航天器中，也可应用于常规武器引信中，用 以提高弹丸爆炸的准确性和杀伤威力。而微机器人、微飞行 器，更具有诱人的应用前景。
四、光刻电铸模造工艺 德文缩写为LIGA。深度X射线刻蚀（LI）、电铸 成型（G）、塑料铸模（A）。 优点：可制造较大高宽比的微结构，如宽度为数 微米、高度接近1000μm的结构；取材广泛，原 材料可以是金属、塑料、高分子材料、玻璃、陶 瓷等；可制作任意复杂图形结构，精度高。 缺点：工艺设备昂贵，生产成本高，生产周期长。
2）电容式微加速度传感器 基本结构也是极薄的硅悬臂梁，但它形成电容，质 量块位移引起电容变化，依此检测加速度。 电容与质量块的位移之间不是线性关系，而且位移 大时非线性严重，所以实际的传感器多采用力平衡 式的工作方式。即，加速度引起质量块的位移，根 据位移和电容的变化，通过控制电路产生静电力使 质量块返回原位置。根据静电电压大小就可确定加 速度。这种方式的传感器精度可以很高。 力平衡式电容加速度传感器有两大类：体微加工的 器件和表面微加工的器件。体微加工的器件供航天 导航用。它们非常灵敏，精度很高，但工艺复杂， 难以批量生产。在汽车上用的加速度传感器，采用 表面微加工技术制造，并将敏感电容、控制和放大 电路与微机械结构集成一体。
ห้องสมุดไป่ตู้
18.2 微机电器件的加工技术与工艺
一、传统超精密与特种加工技术
传统的超精密加工技术包括钻、铣、磨等，
可以加工各种材料，和形状复杂且精度较高 的微构件。缺点是加工精度、装配方法及与 电子元器件和电路的兼容性不够好。 特种加工主要有电火花加工以及各种高能束 加工（激光束、电子束、离子束）等。对加 工对象的机械力学性能无要求，加工时不存 在机械应变或大面积的热应变。加工精度较 高，加工深度较大。