第5章微传感器和微执行器模板ppt课件.ppt

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1、第5章 微传感器和微执行器（第1部分）,微传感器的概念微传感器的分类基本敏感原理介绍微传感器的实例微执行器的分类基本致动方式介绍微执行器的实例,本章主要内容,微传感器的概念,微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。,MEMS微传感器原理框图,微传感器的概念,微传感器的技术指标：量程：测量范围上限值和下限值的代数差。灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最 小变化量。重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试 时所得特性曲线不一致程度。频

2、响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作 的频率区间。,附例：,一个微加速度传感器的指标,灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%)安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 抗冲击：2000g 重量：8mg安装螺纹：M5 mm 线性：1%横向灵敏度：5%典型值：3%输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC温度范围：-40+120 壳绝缘电阻：安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm,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 力（加速度/压力/声）热（热电偶/

3、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）,微传感器的分类,(1)压阻敏感原理,当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。,在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化,微传感器的敏感原理,电阻的基本关系式,电阻率的变化率,电阻的变化率,其中，,为压阻系数,压阻变化的具体过程,1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此 起主要作用；2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此 起主要作用；3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。,压阻式传感器输出信号的

4、检测一般需要采用惠斯通电桥,输出电压,电容式微传感器的基本结构,(2)电容敏感原理,利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。,间隙变化型：改变两极板间隙面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电常数,平行板电容器的电容为,间隙变化型电容式微传感器,利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得,略除高阶无穷小项，得,这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为,采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：,(3)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

5、势垒，形成隧道电流。,为直流驱动电压，单位为V；为隧道电流，单 位为A；为常数，等于；为有效隧 道势垒高度，单位为eV；为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5 eV，1nm)，隧道电极间距 变化0.1nm时，隧道电流 改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。,隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。,(4)压电敏感原理,压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。,逆压电效应：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

6、）。,压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系,得出两金属板间的电压差,(5)谐振式敏感原理,当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是/n1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。,Howe1987发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论,(6)热对流式敏感原理,向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的

7、检测元件之间就会产生温差。,被测流体的质流量 与加热件上下游端的温度差T之间的关系为：,P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热,各种敏感原理特点比较,各种敏感原理的优缺点,微传感器的实例(1)力学,微加速度传感器,微陀螺仪,微压力传感器,微麦克风,微加速度传感器,主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。,压阻式,挠度,应力,一阶固有频率,阻尼比,第一个微加速度计的剖面结构示意图,美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计,电容式,1)平行板电容式微加速度计,平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要

8、腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。,2)梳状电容式微加速度计,梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。,隧道电流式,隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种结构,Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计,压电式微加速度计,压电式微加速度计具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有着广泛的应用。,微陀螺仪,利用振动质量块被基座(

9、仪表壳体)带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。,线驱动式微陀螺仪,角驱动式微陀螺仪,线振动(音叉式)微陀螺仪,角振动式微陀螺仪,微压力传感器,压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器 具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感器,压阻式,电容式,这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成,东京大学接触电容式压力传感器结构,谐振式,在梁和偏转电极之间施加很小的微伏级的电压信号就可使梁共振，

10、由梁上的压敏电阻提供反馈。施加在下层晶片薄膜上的压力增加了共振梁的张力，就象调紧吉他弦一样，这就增加了它的共振频率。,微型麦克风,微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。,瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风，利用体硅工艺制作，重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极。,微传感器的实例(2)光学,光学传感器的原理,电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型：1）物体从价带向导带跃迁光伏效应 2）物体从导带向价带跃迁光电效应 3）向稳定能级的跃迁双折射，克耳与光电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系 列显著能级、类似氢的分子）。,当入

11、射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应。利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。,当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏打效应。,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。,光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。,如图所示，当透光性

12、较强的半导体基体A接受光子能量后，两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电桥电路中电阻的改变测量出来。,一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。,图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成,图中的光电子管由p、n和p掺杂层组成。入射的光子能量可以被转换成从这些器件中输出的电流。,热电偶是测量热的最常用的传感器工作原理：依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，此电动势在两个导线的交节点（称为节点）被加热的情况下产生。,热电偶传感器,微传感器的实例(3)热学,热电偶,热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。微热电堆是小型化热传感更理想的解决

13、方案。,Choi和Wise在1986年研制的微热电堆,热双层片传感器 对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。,图 热双金属片弯曲（）,微型磁强计,定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：电磁效应式和机械式。,微传感器的实例(4)电磁,微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。在生物医学中，常用的两类传感器是：(1)生物医学传感器(2)生物传感器,微传感器的实例(5)生物医学,生物医学传感器用来检测生物学物质，生物传感器可以被更广地定义为任何含有生物成分的

14、测量设备。这些传感器通常涉及生物分子，例如生物抗体和生物酶，它们与被测分析物互相作用。,生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。,生物医学传感器实例,血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应：葡萄糖O2 葡萄糖酸内酯酶+H2O2 反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。,生物传感器,生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些

15、分子包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。这些生物分子附着在传感元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感器的输出信号。,化学传感器用来检测特定的化合物。工作原理：很多物质对化学作用都很敏感。比如，很多金属长时间暴露在空气中都有被氧化的危险。金属表面显著的氧化层能改变材料的性能，例如金属的电阻。这些自然现象就是设计和发展微化学传感器所依据的原理。,微传感器的实例(6)化学,材料对特定化学物质的敏感性是很多化学传感器的基本原理。,有机聚合物和嵌入的金属植入物一起使用。当这些聚合物暴露在某种气体下时，可以使金属的电导发生变化。例如，一种特殊的聚合物苯二甲蓝和铜一起来检测氨和二氧化氮气体。,

16、化学电阻传感器,某些聚合物可以用作电容的电介质材料。当它们暴露在某种气体中时，可以使材料的介电常数发生变化，从而改变金属电极间的电容。比如用多乙炔PPA来检测如CO,CO2,N2。,化学电容传感器,有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿度的改变）。我们可以通过测量这种材料的尺寸变化来检测这种化学物质。,化学机械传感器,工作原理和化学电阻式传感器类似。有些半导体金属，如SnO2，当吸收了某种气体后可以改变自身的电阻。,金属氧化物气体传感器,微型触觉传感器,触觉传感器其敏感元件直接与固体接触。荷兰Delft大学研制的三维电容式触觉传感器。,微传感器

17、的实例(7)其它,3232个元件的压阻式敏感法向压力的触觉传感器。有1到2 mV.cm2/Kg（10到20 V/kPa)的灵敏度。,声波传感器,声波传感器的主要应用是测量气体中的化学成分。这些传感器通过将机械能转化成电能来产生声波。声波器件同样也用于在微流体系统中驱动流体。这种传感器的激励能量主要由以下两种机理来提供：压电效应和磁致伸缩效应。然而，对于激励声波，前者应用更为普遍。,四种主要的声波传感器类型,微型红外传感器,密西根大学研制的红外阵列传感器，敏感元件为375m375m，有32个n-p型多晶硅热电偶组成的热电堆，其灵敏度为30V/W。,红外传感器主要由隔热空腔及其上的热电堆、pn结、

18、热敏电阻等感温元件组成。,光纤敏感,基于光线的敏感方式是利用光纤中光的相位和强度与光纤弯曲度、光纤上的机械应力、温度等有关这一原理。,如果一段光纤是直的，光在其中会走过一段特定的光学路径。如果光纤由于机械形变而产生弯曲，那么新的有效光学路径将导致光在光纤末端输出时的相位和强度发生变化。,基于场效应晶体管（FET)传感的加速度计,晶体管工作原理：以N性衬底为例，当没有施加电压时，源区和漏区之间几乎没有电流；当施加足够大的负电压后，就会形成反形区，该反形区被称为沟道，它帮助电流顺利在源和漏之间流动。,利用FET栅的位移敏感的加速度传感器,加速度计的振动质量块是FET的栅，从而栅与沟道之间的距离与施

19、加的加速度有关，距离的变化将使晶体管的阈值电压UT的值发生变化。,射频谐振敏感谐振式压力传感器,平面螺旋电感覆盖在有低温共烧陶瓷制成的压敏薄膜上。电感的中央接触尺寸被有意放大，使其能与对面的电极表面构成一个可观的电容。如果压力发生变化，薄膜将产生形变位移，相应的电容值将发生变化。同时电感值也会随着薄膜的弯曲而改变。即谐振电路的谐振频率与压力有关。,微执行器的概念,MEMS微执行器原理框图,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

20、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，具有高的能量-质量比，在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关系。,微执行器的概念,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,微致动器的分类,按致动原理分 静电式微执行器 压电式微执行器 热力

21、微执行器 形状记忆合金微执行器,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板之间具有吸引力。从库仑定律 平板电容器 极板间作用力,(1)静电式微执行器,主要优点,1、结构简单：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，无需专门的功能材料；2、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点尤其明显；3、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Felectric,可动极板在起始位置时的静电力Felectr

22、ic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。在静态平衡下，机械回复力与静电力的大小相等，方向相反。,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U,机械回复力(Fmechanical)随着极板位置线性变化，静电力(Felectric)随着极板位置非线性变化。,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，两平板将迅速吸合直到接触到一起，这一现象称为吸合。引起吸合所须的电压与位移对于静电执行器的设计至关重要。,如图所示，一平行板电容器是由尺寸（或1 mm）的方板组成的

23、。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 的大小，可以由公式计算出来，其中空气为 绝缘介质，相对介电常数为，真空介电常数为 or,代入参数，得到,静电梳齿驱动,一般采用表面微加工工艺制做包含有许多相互交错的指状梳齿当施加电压时，梳齿之间产生吸引力，梳齿相互靠近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,静电梳齿驱动实例,梳状驱动器件的应用,1.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。ADXL加速度计是最经典的一种MEMS传感器，它是基

24、于共面横向梳状驱动的。梳状驱动加速度计,2.执行器 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,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,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T可由下式给出：其中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为：,静电旋转微型马达,静电式微执行器实例(1),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。,“尺蠖”执行器,静电式微

25、执行器实例(2),使用一个能弯曲的末端带有微小垂直挡板的金属板，当在金属板和衬底中掩埋的导体两端加电压时，金属板就向下弯曲，并将挡板向前推进一小段距离。电压消失时，由于挡板和绝缘层表面摩擦力的不对称，导致一定程度的运动“调整”，因而产生了金属板净位移。,静电光开关,静电式微执行器实例(3),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,静电式微执行器实例(3),微泵的尺寸为，由静电驱动膜片、被动阀、进口和出口组成。泵用峰值为150200V、频率从0.1H

26、z到10kHz的电压脉冲驱动。该泵的最大流速可达到250-850L/min（正向）和 200-350 L/min（反向）。在供电电压为200V时，可达到最大背压为310cm H2O，最大流速为850L/min。,微执行器的致动方式,(2)热执行器,利用热来驱动的热致动器或简单的加热器（一个电阻器）广泛应用于微机械器件中，是一种十分常见的驱动方式。从原理上分，热致动器可以分为热气动式和热膨胀式两种。,热膨胀式：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱动。热气动式：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，气腔中的流体被加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。,现在很多喷

27、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。,固体热膨胀：双晶片热执行器,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。一个加热器常被夹在两层“活动”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偏移量-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。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复杂的结构。,双晶片热执行器,双金属致动器,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。双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度

28、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。,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）、驱动能源易于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。,a热膨胀系数，t厚度，b宽度,美国IC Sensors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0.2MPa的气流，泄漏仅为45L/min,双金属片致动阀,热气动式：体积膨胀和相变执行器,不利用固体的线性膨胀，而是利用体积膨胀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（如：空气、水蒸汽和液态水等），这

29、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加热时相态可变的材料，这样体积发生膨胀从而产生压力以及机械载荷。例如，可以通过加热将水从液态转变为气态，产生的气泡可以用作驱动力。,微执行器的致动方式,(3)压电执行器,逆压电效应：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）。,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。,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

30、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(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。,压电式微执行器实例(2),压电式微执行器实例(3),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等方面都有应用。,压电式微执行器实例(4),微

31、执行器的致动方式,(5)形状记忆合金执行器,有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（SMA），其中最著名的是钛镍合金。SMA效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥氏体（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，一旦受热就会恢复到它们未变形前的状态。加热方式：通电流,在预置温度T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T时，合金的“记忆”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。,优点：相对的“线性”控制和很高的应力（大于200MPa），如果应变保持在2以下，就可以工作几百万个循环。缺点：需要特殊的合金和很高的功耗。,