1、微执行器的概念微执行器的概念MEMS微执行器原理框图微执行器：基于微执行器：基于MEMS工艺的工艺的，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。因而，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，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。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，具有很高理
2、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，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，具有高的能量需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比，质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关系。系。微执行器的概念微执行器的概念 与传统执动器相比，微执动器的特点有与传统执动器相比，微执动器的特点有微系统加速快、速度高；微系统加速快、速度高；仅需极小的驱动力；仅需极小的驱动力；随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因素小。素小。微执行器的概念微
3、执行器的概念微执行器的特点微执行器的特点微致动器的分类微致动器的分类l按致动原理分按致动原理分 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微执行器的致动方式微执行器的致动方式静电执行器的基本工作原理：两个带异性电荷的电极静电执行器的基本工作原理：两个带异性电荷的电极板之间具有吸引力。板之间具有吸引力。从库仑定律从库仑定律 平板电容器平板电容器 极板间作用力极板间作用力22141xqqForelecxAVCVWr20221212221xAVdxdWFor(1)(1)静电式微执行器静电式微执行器主要优点1 1、结构简单：敏感与执行的原理相对简单，容易、结构简
4、单：敏感与执行的原理相对简单，容易实现，仅需两个导电表面即可，无需专门的功能材实现，仅需两个导电表面即可，无需专门的功能材料；料；2 2、功耗低：静电执行依赖于电压差而非电流，低、功耗低：静电执行依赖于电压差而非电流，低频时有很高的能效，静态时由于不存在电流这一优频时有很高的能效，静态时由于不存在电流这一优点尤其明显；点尤其明显；3 3、响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对、响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对于良导体这一时间常数很小，所以可以获得很高的于良导体这一时间常数很小，所以可以获得很高的动态响应速度。动态响应速度。偏压作用下静电执行器的平衡位置施加电压载荷会产生静电力施加电压
5、载荷会产生静电力Felectric,可动极板在起始位置时的静可动极板在起始位置时的静电力电力Felectric大小为：大小为：静电力使得间隙有减小的趋势。从而引起位移和机械回复力。在静电力使得间隙有减小的趋势。从而引起位移和机械回复力。在静态平衡下，机械回复力与静电力的大小相等，方向相反。静态平衡下，机械回复力与静电力的大小相等，方向相反。22221122electricACUFUdd下图中的两条曲线，分别代表机械回复力与静电力随电极下图中的两条曲线，分别代表机械回复力与静电力随电极位置的变化。对于恒定的偏置电压位置的变化。对于恒定的偏置电压U,机械回复力机械回复力(Fmechanical)随
6、着极板位置线性变化，静电力随着极板位置线性变化，静电力(Felectric)随着极板位置非随着极板位置非线性变化。线性变化。电压增加时，静电力曲线族上移，平衡位置离静止位电压增加时，静电力曲线族上移，平衡位置离静止位置越远。置越远。平行板执行器的吸合(pull-in)效应当静电力不断增大时，当静电力不断增大时，两平板将迅速吸合直到两平板将迅速吸合直到接触到一起，这一现象接触到一起，这一现象称为吸合。引起吸合所称为吸合。引起吸合所须的电压与位移对于静须的电压与位移对于静电执行器的设计至关重电执行器的设计至关重要。要。如图所示，一平行板电容器是由尺寸如图所示，一平行板电容器是由尺寸 （或（或1 1
7、 mmmm）的方板组成的。当两板间距为）的方板组成的。当两板间距为 ，求法向静电，求法向静电力。平板由静止空气隔开。力。平板由静止空气隔开。mWL1000md2例题：例题：解：解：作用在平板上的法向静电力作用在平板上的法向静电力 的大小，可以由公式计算的大小，可以由公式计算出来，其中空气为出来，其中空气为 绝缘介质，相对介电常数为绝缘介质，相对介电常数为 ，真空介电常数为，真空介电常数为 or ordF2221xAVdxdWFor0.1rmpF/85.802212/1085.8mNC262661210221010001010001085.80.1VFd2610106.1V 代入参数，得到静电梳
8、齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动静电梳齿驱动n一般采用表面微加工工艺制做n包含有许多相互交错的指状梳齿n当施加电压时，梳齿之间产生吸引力，梳齿相互靠近n静电力的大小与梳齿对数成比例，因此为了得到较大的力，一般要求梳齿较多。图 三种不同的梳状驱动图 三种放大倍数下两组叉指之间的电力线分布静电梳齿驱动存在的问题存在的问题：如果同一根梳齿两边的间隙不相等，则梳齿将会偏向一边，并与另一根梳齿粘连在一起，直到不再施加电压静电梳齿驱动实例静电梳齿驱动实例梳状驱动器件的应用1.1.惯性传感器惯性传感器 基于梳状驱动的惯性传感器可以用各种方式来实现。基于梳状驱动的
9、惯性传感器可以用各种方式来实现。ADXLADXL加速度计是最经典的一种加速度计是最经典的一种MEMSMEMS传感器，它是基于传感器，它是基于共面横向梳状驱动的。共面横向梳状驱动的。梳状驱动加速度计梳状驱动加速度计2.2.执行器执行器 梳状驱动执行器常常用来产生面内或离面位移。梳状驱动执行器常常用来产生面内或离面位移。用于光开关的梳状驱动器用于光开关的梳状驱动器大位移梳状驱动执行器大位移梳状驱动执行器右图是Sandia国家实验室研制的一种齿轮传动的机械装置。静电悬臂驱动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，宽度为从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距
10、固定的悬臂梁，在距固定端端X处施加集中载荷时，梁末端的偏移量处施加集中载荷时，梁末端的偏移量T可由下式给出：可由下式给出：其中，距离梁固定端其中，距离梁固定端x处的静电力处的静电力q(x)为为：dxxwqxLEIxdT)()3(6)(22)(2)(xddVxqo静电旋转微型马达静电旋转微型马达静电式微执行器实例静电式微执行器实例(1)(1)“尺蠖尺蠖”执行器执行器静电式微执行器实例静电式微执行器实例(2)(2)静电光开关静电光开关静电式微执行器实例静电式微执行器实例(3)(3)凹槽绝缘硅静电梳齿驱动器光纤氧化硅输入1输入2输出2输出1驱动器作用时的直通状态输入1输 入2输出1输出2驱动器不作用
11、时的反射状态光纤槽光纤槽 采用了一双面反射的垂直微镜来实现开关。将微镜与一根长梁相连，长梁由梳状电极静电驱动。只要施加一个电压短脉冲，微镜在长梁的带动下就会作进入或弹出光路的水平运动，实现光路切换。静电致动微泵静电致动微泵静电式微执行器实例静电式微执行器实例(3)(3)入口出口驱动腔泵薄膜检测电极泵腔绝缘层驱动单元阀体单元Zengerle R的静电致动微泵 微泵的尺寸为，由静电微泵的尺寸为，由静电驱动膜片、被动阀、进驱动膜片、被动阀、进口和出口组成。泵用峰口和出口组成。泵用峰值为值为150200V、频率从、频率从0.1Hz到到10kHz的电压脉的电压脉冲驱动。该泵的最大流冲驱动。该泵的最大流速
12、可达到速可达到250-850 L/min（正向）和（正向）和 200-350 L/min（反向）。在供（反向）。在供电电压为电电压为200V时，可达时，可达到最大背压为到最大背压为310cm H2O，最大流速为最大流速为850 L/min。微执行器的致动方式微执行器的致动方式(2)热执行器热执行器利用热来驱动的热致动器利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。式和热膨胀式两种
13、。热膨胀式热膨胀式：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱动。动。热气动式：热气动式：一种典型的方法是形成带有密封流体（如一种典型的方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。固体热膨胀：双晶片热执行器固体热膨胀：双晶片热执行器热
14、执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热膨胀系数，被称为双晶片热激励。膨胀系数，被称为双晶片热激励。一个加热器常被夹在两层一个加热器常被夹在两层“活动活动”的材料中间，加电后，的材料中间，加电后，就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的偏移量偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行于热传导相当低的液体中。于热传导相当低的液体中。缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比静电执行器更
15、复杂的结构。静电执行器更复杂的结构。双晶片热执行器双晶片热执行器双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的体积膨胀，而是利用固体的线性膨胀来制造微致动器。体积膨胀，而是利用固体的线性膨胀来制造微致动器。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变，从而达到驱动目的。从而达到驱动目的。n双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、行程大、线性的位移能量关系、结构及制造工艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源
16、易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。2121111322222231112122124732ttTtbEtbEtbEtbEt tttra a热膨胀系数，热膨胀系数，t t厚度，厚度，b b宽度宽度 美国美国IC SensorsIC Sensors利用这种双金属片致动原理研制的阀。利用这种双金属片致动原理研制的阀。其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控其中，硅膜厚、直径为，铝层厚，常开间隙为的阀可控0.2MPa0.2MPa的气流，泄漏仅为的气流，泄漏仅为45L/min 45L/min 金属层加热膜硅进口出口双金属片致动阀双金属片致动阀热气动式：体积膨胀和相变执行器热气动式：体积
17、膨胀和相变执行器不利用固体的线性膨胀，而是不利用固体的线性膨胀，而是利用体积膨胀利用体积膨胀也可以制造出微也可以制造出微机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔机械执行器。一种典型的方法是形成带有密封流体的空腔（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，（如：空气、水蒸汽和液态水等），这些物质可以被加热，然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种然后就会膨胀。但是，就象别的许多热驱动方法一样，这种方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。方法功耗较大，带宽较低，这是由于热时间常数所致。变相的热执行器包括变相的热执行器包括加热时相态可变加热时相态可变的材料，这样
18、体积发生的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，可以通过加热将水膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。电磁式微执行器基本概念基本概念 原理：利用磁场来产生力、力矩、或者微结构的位原理：利用磁场来产生力、力矩、或者微结构的位移。移。一般常见的磁性物体磁场密度是：一般常见的磁性物体磁场密度是：普通电冰箱的磁场为：普通电冰箱的磁场为：100-1000Gs100-1000Gs 地磁场（赤道附近）为：地磁场（赤道附近）为：1Gs1Gs 磁存储介质为：磁存储介质为：100mT100mT或或
19、100Gs100Gs 用于磁谐振成像的稀土磁体为：用于磁谐振成像的稀土磁体为：1-2T1-2T加热电阻蠕动膜流道入口出口 热气动蠕动泵 热气动蠕动泵，膜片热气动蠕动泵，膜片与管道间的间隙处于与管道间的间隙处于常开状态，加热驱动常开状态，加热驱动将使间隙关闭，膜片将使间隙关闭，膜片的顺序动作促使流体的顺序动作促使流体定向流动。该泵流量定向流动。该泵流量和背压都比较低。和背压都比较低。热气动蠕动泵热气动蠕动泵电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(1)(1)进口出口玻璃玻璃铝膜硅加热电阻热气动微阀热气动微阀 热气动微阀，压力腔热气动微阀，压力腔内注有氯甲烷，利用内注有氯甲烷，利用其液态其液态-气态相
20、变控气态相变控制流体，控制氮气流制流体，控制氮气流量达量达15L/min15L/min。电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(2)(2)热气动微波形管执行器热气动微波形管执行器 表面微机械表面微机械“波形波形管管”执行器带有一个执行器带有一个环形的折叠状薄膜结环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得膜，这种结构可以得到更大的偏移。到更大的偏移。电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(3)(3)热气动活塞执行器热气动活塞执行器体积膨胀气体驱动的活塞执行器，沿着衬底所在的平面平体积膨胀气体驱动的活塞执行器，沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽
21、的气泡，行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡破裂，活塞返回原来位置。在衬底表面平整的腔内的气泡破裂，活塞返回原来位置。在衬底表面平整的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供力的两个数量级以上。方式所能提供力的两个数量级以上。热气动活塞执行器简图热气动活塞执行器简图电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(4)(4)工作环境必须是液体环境，限制了其最大工作速度工作环境必须是液体环境，限制了其最大工作速度（
22、由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。热驱动方法功耗较大，且因为热时间常数，其带宽比热驱动方法功耗较大，且因为热时间常数，其带宽比较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺较为复杂。较为复杂。缺点：缺点：微执行器的致动方式微执行器的致动方式(3)磁执行器磁执行器电磁致动电磁致动：通过线圈通电产生磁场，导磁体由于磁场力的作用而产生运动。通电线圈通电线圈 通电导体产生磁场。平行通电导体产生磁场。平行的两条导线中通以相同方向的两条导线中通以相同方向的电流则彼此之间相互吸引，的电流则彼此之间相互吸引，如果通以相反的电
23、流，则彼如果通以相反的电流，则彼此之间相互排斥。此之间相互排斥。通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。电磁力的电磁力的优点优点在于其值可以很高，并且既可以吸在于其值可以很高，并且既可以吸引也可以排斥。引也可以排斥。缺点缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。数据存储介质。载流导线周围某点磁场强度载流导线周围某点磁场强度单圈
24、线圈中心处磁场强度单圈线圈中心处磁场强度单圈线圈对中心导磁体的作用力为单圈线圈对中心导磁体的作用力为LLrrdlIdBB24RIB2022SBF“弯曲”线圈结构是平面内蜿蜒形导体，它与一个双层的磁芯交错在一起。带驱动线圈的磁执行器带驱动线圈的磁执行器电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(5)(5)永磁体氮化绝缘层入口出口德国的电磁致动微型阀金线圈 多晶硅 德国研制的电磁致动微阀，德国研制的电磁致动微阀，阀片为牺牲层技术制作的阀片为牺牲层技术制作的多晶硅膜。这是为小型气多晶硅膜。这是为小型气体分析仪设计的微阀结构，体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为设计的压力指标为10-10-50kPa50
25、kPa，过流能力为，过流能力为2-2-20mL/min20mL/min，响应时间为，响应时间为5ms5ms。电磁致动微阀电磁致动微阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(6)(6)电流流过电流流过U U形导线时会形导线时会在两条导线之在两条导线之间产生排斥力。间产生排斥力。类似地，在一类似地，在一条置于磁场中条置于磁场中的柔性金属线的柔性金属线上通以电流，上通以电流，导线会发生偏导线会发生偏转。转。磁致伸缩执行器磁致伸缩执行器磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：18401840年焦耳发现，当给镍棒加一个年焦耳发现，当给镍棒加一个轴向磁场时，它会收缩。轴向磁场时，它会收缩。在外加磁场的作用下，材料的磁畴
26、按外磁场进行排列，在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，从而引起材料尺寸的变化。从而引起材料尺寸的变化。外加磁场导致外加磁场导致坡莫合金坡莫合金区域产生区域产生磁性极化磁性极化，这反过来又和，这反过来又和外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场对准。该器件可用于斩波、扫描、光束导向等微光学场合。对准。该器件可用于斩波、扫描、光束导向等微光学场合。外加磁场的磁执行器外加磁场的磁执行器铁镍合金线圈导管硅外部驱动微机械电磁阀该阀由一个NiFe溅射阀座和一个可开启、关闭的可移动NiFe阀膜组成。依靠活动膜片上支撑弹簧的内力，可以制成
27、常开或常闭阀。微机械阀元件放置于携带有流体的管道中，管道的外面是由外加线圈形成的磁场，构成了一种电隔离操作。外加磁场的电磁阀外加磁场的电磁阀电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(7)(7)电磁光开关电磁光开关电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(8)(8)电磁场光纤MEMS驱动器电磁驱动光纤开关原理示意图 加州理工学院设计的一种电磁驱动光纤开关的原理示意图。当开关处于开状态时，电磁驱动器带着双面微镜向上运动，将微镜置于光纤之间，每个输入光纤的光信号经反射后从相邻的输出光纤输出，如图a所示；在关状态，微镜在光纤之下，输入光纤的信号直接从正前方的输出光纤输出，如图b所示。电磁式微执行器实例电磁式微
28、执行器实例(9)(9)磁马达磁马达 可变磁阻的微磁马达，它带有全集成的定子和线圈。定子由集成的电磁体制成，转子由软磁性材料制成。马达有两组显磁极，一组在定子上，一组在转子上。当激励相位线圈时，靠近激励定子电极的转子磁极会吸引到定子磁极（如图a、b所示）。由于定子旋转，定子磁极将与转子磁极对准。关断激励相位线圈的电流，下一个相位开始激励使之连续运动。双稳态磁开关双稳态磁开关静电执行器需要恒定的电压偏置来保持开关在开或关的状态，比较容易受供电中断的影响。开关的双稳态锁定很重要，因为它只有在开关的转变过程中才消耗掉功率，但无论在开或关的状态都不需要电来保持。电磁式微执行器实例电磁式微执行器实例(10
29、)(10)双稳态磁开关结构双稳态磁开关结构:由扭转支柱将悬臂提升在衬底表面的由扭转支柱将悬臂提升在衬底表面的上方。悬臂由顶部上的软铁磁材料和底部上的一层高电上方。悬臂由顶部上的软铁磁材料和底部上的一层高电导率的金属构成。平面线圈埋置于悬臂的下方。导率的金属构成。平面线圈埋置于悬臂的下方。偏置磁偏置磁场有两个来源：一个是平面线圈，一个是永久磁体。场有两个来源：一个是平面线圈，一个是永久磁体。永永久磁体位于衬底的表面，用于提供恒定的背景磁场。久磁体位于衬底的表面，用于提供恒定的背景磁场。该开关的独特设计在于：该开关的独特设计在于：双向磁化可以通过使用第二个双向磁化可以通过使用第二个磁场很快反转。这
30、使得可以施加小电流来实现力矩和开磁场很快反转。这使得可以施加小电流来实现力矩和开关位置的转换。为了实现这一目标，在悬臂梁和外部磁关位置的转换。为了实现这一目标，在悬臂梁和外部磁场之间使用了平面线圈以产生磁场来补偿外部磁体产生场之间使用了平面线圈以产生磁场来补偿外部磁体产生的磁场。永久磁体使悬臂保持在开或关的位置直到下次的磁场。永久磁体使悬臂保持在开或关的位置直到下次开关动作出现。开关动作出现。微执行器的致动方式微执行器的致动方式(4)压电执行器压电执行器 逆压电效应：逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。会表现出一定的
31、形变（伸长或缩短）。V的典型值在10-1010-7cm/N之间变化。因此，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，除非使用叠加的执行器或放大机械运动的器件。玻璃硅压电片(a)玻 璃硅玻 璃压 电 块(b)压电致动微型泵 日本东北大学研制的压电堆致动微泵如图所示。该微泵依靠致动器推动薄膜变形，引起腔体内压强的变化，驱动单向阀工作，使气、液体定向流动。压电堆的轴向变形和驱动力都比较大，最大流量为40L/min，最高背压为1mH2O。压电式微执行器实例压电式微执行器实例(1)(1)德国Ilmenau技术大学研制的压电致动硅微无阀泵，其最大流量为7.5mL/min，最大背压为2.8kPa。
32、压电式微执行器实例压电式微执行器实例(2)(2)压电式微执行器实例压电式微执行器实例(3)(3)压电扫描隧道显微镜探针压电扫描隧道显微镜探针压电扫描隧道显微镜探针的运动模式为 如图所示将一片晶体安装在微执行器的一根弹性硅梁如图所示将一片晶体安装在微执行器的一根弹性硅梁上。在压电晶体上加电压使其产生形变，引起弹性硅上。在压电晶体上加电压使其产生形变，引起弹性硅梁的弯曲。压电晶体致动器在微定位机构和微型夹具梁的弯曲。压电晶体致动器在微定位机构和微型夹具等方面都有应用。等方面都有应用。压电式微执行器实例压电式微执行器实例(4)(4)微执行器的致动方式微执行器的致动方式(5)形状记忆合金执行器形状记忆
33、合金执行器有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（缩），将它们总称为形状记忆合金（SMASMA），其中最著），其中最著名的是钛镍合金。名的是钛镍合金。SMA效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥氏体效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥氏体（高度均匀）晶相之间与温度有关的相变。（高度均匀）晶相之间与温度有关的相变。现象：受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受热就现象：受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受热就会恢复到它们未变形前的状态。会恢复到它们未变形前的状态。加热方式：通电流加热方式：通电流 在预置温度
34、在预置温度T T时弯曲的合金片依附在硅悬臂梁上。室温时弯曲的合金片依附在硅悬臂梁上。室温时梁是直的。当把梁和附于其上的合金片加热到温度时梁是直的。当把梁和附于其上的合金片加热到温度T T时，时，合金的合金的“记忆记忆”被唤醒并试图恢复原来的弯曲形状。合金被唤醒并试图恢复原来的弯曲形状。合金的弯曲迫使悬臂梁一起变形，由此达到致动效果。这种方的弯曲迫使悬臂梁一起变形，由此达到致动效果。这种方式的致动被广泛用在微型旋转致动器、微型关节和机器人、式的致动被广泛用在微型旋转致动器、微型关节和机器人、以及微弹簧上。以及微弹簧上。优点：相对的优点：相对的“线性线性”控制和很高的应力（大于控制和很高的应力（大
35、于200MPa），如果应变保持在），如果应变保持在2以下，就可以工作几以下，就可以工作几百万个循环。百万个循环。缺点：需要特殊的合金和很高的功耗。缺点：需要特殊的合金和很高的功耗。多晶硅二氧化硅Cr二氧化硅Cr硅硅a)形状记忆合金元件聚酰亚胺间距块聚酰亚胺薄膜流体出入口基座顶盖b)形状记忆合金致动微阀 澳大利亚澳大利亚New South Wales大学和台湾新竹大学和台湾新竹清华大学联合研制的清华大学联合研制的形状记忆合金致动微形状记忆合金致动微阀，该阀的阀口尺寸阀，该阀的阀口尺寸为为60 m 60 m，过流，过流能力能力06ml/min。形状记忆合金致动微阀形状记忆合金致动微阀形状记忆合金微
36、执行器实例形状记忆合金微执行器实例微机械不同致动方式的特点微机械不同致动方式的特点致动方式驱动力 行程响应时间可靠性电磁活塞式小大中等好压电片式小中等快好叠层压电片式很大很小快好气动式大大慢好形状记忆合金式大大慢差静电式小很小很快很好热气动式大一般一般好电磁式小大快好双金属热致动式大 大一般好不同致动方式的优缺点不同致动方式的优缺点优点缺点静电式材料简单需要折中驱动力大小与位移大小执行响应速度快易受吸合效应限制热气动式能得到较大的位移量相对较大的功耗适中的执行响应速度对环境温度变化敏感压电式可以得到快速的响应材料的制备过程复杂可以得到比较大的位移量在低频工作条件下性能下降电磁可以产生较大的角度
37、位移量较为复杂的制造工艺可以使用很强的磁力作为偏置制造高效率的片上螺线管较为困难微传感器的应用微传感器的应用平行板电容器的应用平行板电容器的应用 a.惯性传感器惯性传感器 b.压力传感器压力传感器 c.流量传感器流量传感器 d.触觉传感器触觉传感器a.a.惯性传感器惯性传感器扭转平行板电容加速度计扭转平行板电容加速度计 n加速度计由扭转杆支撑的镍板构成，与其相配对的电极位于衬底表面上。因为平板重量关于转动轴不对称分布，衬底法向的加速度将会引起上极板在某一方向的摇摆。b.压力传感器压力传感器 压力传感器广泛应用于汽车系统、工业过程控制、压力传感器广泛应用于汽车系统、工业过程控制、医疗诊断与监控以
38、及环境监测中。薄膜厚度时决定医疗诊断与监控以及环境监测中。薄膜厚度时决定压力传感器的主要因素。压力传感器的主要因素。c.流量传感器流量传感器 流量传感器广义上用于测量点流体速度、体积流流量传感器广义上用于测量点流体速度、体积流动速度、侧壁的剪切应力以及压力的器件。流量传动速度、侧壁的剪切应力以及压力的器件。流量传感器具有以下的一些优点：感器具有以下的一些优点：1 1）体积小，对所测流场的干扰小；）体积小，对所测流场的干扰小；2 2）由于柔性机械单元或电路集成，因此灵敏度高；）由于柔性机械单元或电路集成，因此灵敏度高；3 3）有实现大阵列传感器一致性的潜力。）有实现大阵列传感器一致性的潜力。d.
39、触觉传感器触觉传感器 平行板电容器的另一种应用是触觉传感器，它是平行板电容器的另一种应用是触觉传感器，它是机器人技术应用中的关键元件。要精确测量触觉信机器人技术应用中的关键元件。要精确测量触觉信息，传感器必须有高的集成密度、高的灵敏度、以息，传感器必须有高的集成密度、高的灵敏度、以及多轴敏感的能力。及多轴敏感的能力。热传感器的应用热传感器的应用 a.a.惯性传感器惯性传感器 b.b.流量传感器流量传感器 c.c.红外传感器红外传感器a.惯性传感器惯性传感器基于热传递原理的加速度计基于热传递原理的加速度计加速度计结构包括一个欧姆加热器和两个关于加热器对称放置的温度传感器。硅芯片放在内有空气的气密
40、封状体里。加热器将空气加热。静止状态下，热气囊的空间对称分布，两个温度传感器有相同的温度读数。如果在封装体上加上加速度，芯片将沿着外加加速度的方向做轻微移动。因为惯性，气体将落在后面，导致了空气中温度分布不对称，两个温度传感器的读数将变得不同，温度之差与外加加速度大小对应。b.b.流量传感器流量传感器热线式风速计热线式风速计热线式风速计是用来测量液体流动速度的一种成熟技术。它利用热元件既作为热阻加热器又作为温度传感器。热电阻器工作时偏置在自加热区，其温度和阻值随着液体流动的速度而改变。c.红外传感器红外传感器基于电容敏感的红外传感器基于电容敏感的红外传感器悬臂梁吸收了入射的红外（IR）辐射后，
41、温度会上升，导致了双金属梁的弯曲。通过检测双金属梁弯曲位移来求出温度的变化。压电传感器的应用压电传感器的应用a.声学传感器声学传感器b.触觉传感器触觉传感器c.流量传感器流量传感器a.声学传感器声学传感器压电微麦克风压电微麦克风基于MEMS的麦克风尺寸便于控制，易于小型化，可以直接与片上电子器件集成，可形成阵列结构，且因批量制造而具有降低成本的潜力。b.b.触觉传感器触觉传感器 触觉传感器的研究动机在于定量测量接触力（或压触觉传感器的研究动机在于定量测量接触力（或压力）以模拟人的空间分辨力和敏感性，并具有较宽的力）以模拟人的空间分辨力和敏感性，并具有较宽的带宽和较好的动态范围。带宽和较好的动态
42、范围。c.c.流量传感器流量传感器压电流速传感器压电流速传感器 压电材料的特性压电材料的特性压电材料都是晶体。微观上，压电性源于晶体中离子压电材料都是晶体。微观上，压电性源于晶体中离子电荷的位移，它导致极化并形成电场。并不是所有的电荷的位移，它导致极化并形成电场。并不是所有的天然晶体或合成晶体都表现出压电性。根据对称性，天然晶体或合成晶体都表现出压电性。根据对称性，晶体被分为晶体被分为3232种点群结构。其中种点群结构。其中1111种为中心对称晶体，种为中心对称晶体，在应力作用下，它们的正负电荷中心不会发生空间上在应力作用下，它们的正负电荷中心不会发生空间上的分离，因此这些晶体不是压电材料。剩
43、余的的分离，因此这些晶体不是压电材料。剩余的2121种非种非中心对称的点群中，有中心对称的点群中，有2020种为压电晶体。种为压电晶体。石英石英 作为一种天然的压电材料，石英最熟悉的应用是手表作为一种天然的压电材料，石英最熟悉的应用是手表中的振荡器石英并不是唯一具有压电效应的晶体材料，中的振荡器石英并不是唯一具有压电效应的晶体材料，但是由于它的谐振频率对温度特别不敏感，因此才具但是由于它的谐振频率对温度特别不敏感，因此才具有这样的效应。有这样的效应。PZT 因具有很高的压电耦合系数，锆钛酸铅因具有很高的压电耦合系数，锆钛酸铅Pb（Zrx,Ti1-x)O3或或PZT体系以多晶结构形式得到了体系以
44、多晶结构形式得到了广泛应用。广泛应用。PZT 实际代表一类压电材料。由于制备方实际代表一类压电材料。由于制备方法不同，法不同，PZT材料可以具备不同的结构和特性。材料可以具备不同的结构和特性。PVDF 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVDF)PVDF)是一种具有单链的合成含氟聚是一种具有单链的合成含氟聚合物。它呈现出压电性、热释电性及铁电性；并具有合物。它呈现出压电性、热释电性及铁电性；并具有卓越的化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性，卓越的化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性，PVDFPVDF的压电性已经得到深入研究。的压电性已经得到深入研究。ZnO ZnOZnO材料的生长方法很多，包括射频或
45、直流溅射、离材料的生长方法很多，包括射频或直流溅射、离子电镀和化学气相淀积等。在子电镀和化学气相淀积等。在MEMSMEMS领域，经常通过磁领域，经常通过磁控溅射将控溅射将ZnOZnO淀积到不同的材料上，并使淀积到不同的材料上，并使c c轴接近于衬轴接近于衬底的法向。底的法向。压阻传感器材料压阻传感器材料金属应变计金属应变计 典型的应变计形状如右图所示。通常典型的应变计形状如右图所示。通常用之字形的导电通路以便在给定面积用之字形的导电通路以便在给定面积下来有效的增加电阻的长度和总电阻下来有效的增加电阻的长度和总电阻的大小。的大小。单晶硅单晶硅 半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。半导体
46、应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。多晶硅多晶硅 对于对于MEMSMEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。光光MEMSMEMS无源无源MEMSMEMS光学器件光学器件 透镜透镜 反射镜反射镜有源光有源光MEMSMEMS执行器执行器 离面小位移执行器离面小位移执行器 面内大位移执行器面内大位移执行器 离面转动执行器离面转动执行器光学是光学是MEMSMEMS技术应用最早且最
47、为活跃的领域之一。典技术应用最早且最为活跃的领域之一。典型的应用领域包括数字投影仪（型的应用领域包括数字投影仪（DLPDLP）、全彩色数字显）、全彩色数字显示、光纤光开关、生物光学探测的集成系统、可调光示、光纤光开关、生物光学探测的集成系统、可调光源及传感器等。源及传感器等。将将MEMSMEMS应用到光学领域，有其特有的优势。首先应用到光学领域，有其特有的优势。首先光子几乎没有质量，并且施加在微结构上的力很小，光子几乎没有质量，并且施加在微结构上的力很小，硅加工形成的器件只和这些光子有相互作用，所以应硅加工形成的器件只和这些光子有相互作用，所以应用在光学上非常合适。其次，光用在光学上非常合适。
48、其次，光MEMSMEMS的封装相对简单。的封装相对简单。光光MEMSMEMS部件可以封装在透光的外壳内，保证不受诸如部件可以封装在透光的外壳内，保证不受诸如粒子、气流等环境因素的干扰。粒子、气流等环境因素的干扰。光光MEMSMEMS在在2020实际实际9090年代后期经历了大规模的商业化年代后期经历了大规模的商业化努力，向宽带光纤通信中广为看好的信道开关市场努力，向宽带光纤通信中广为看好的信道开关市场发展。光发展。光MEMSMEMS在提高当代在提高当代MEMSMEMS执行器的技术发展水执行器的技术发展水平方面起到了重要作用。平方面起到了重要作用。MEMSMEMS技术应用到光学领域也面临一些挑战
49、。例如，技术应用到光学领域也面临一些挑战。例如，在微机械部件上制备抛光平滑的镜面通常都比较困在微机械部件上制备抛光平滑的镜面通常都比较困难，使光学微镜不太理想。光难，使光学微镜不太理想。光MEMSMEMS器件也面临来自器件也面临来自固态和光电器件的竞争。固态和光电器件的竞争。7.1 无源MEMS光学器件典型无源器件及其应用包括：典型无源器件及其应用包括：反射镜，显示和光束导引；反射镜，显示和光束导引；衍射光栅，分光计和干涉计；衍射光栅，分光计和干涉计；透镜元件，折射透镜、二元透镜和棱镜；透镜元件，折射透镜、二元透镜和棱镜；光纤传输，光纤和片上光波导。光纤传输，光纤和片上光波导。透镜透镜是光学系
50、统里最具特点的元件，传统光学系统里透镜是光学系统里最具特点的元件，传统光学系统里最常用到的透镜是二维或一维曲面的折射透镜。最常用到的透镜是二维或一维曲面的折射透镜。常见透镜反射镜光学反射镜是另一类重要的光学器件。光学反射镜是另一类重要的光学器件。MEMS中光滑中光滑平坦的反射表面通常是由以下的一种方式得到：平坦的反射表面通常是由以下的一种方式得到：1）使）使用单晶半导体晶片的抛光面，其空间均方粗糙度为用单晶半导体晶片的抛光面，其空间均方粗糙度为1.2nm；2）用各向异性湿法刻蚀得到原子尺度上光滑）用各向异性湿法刻蚀得到原子尺度上光滑的的111硅表面；硅表面；3）降低反射镜薄板的弯曲度；）降低反
