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。

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（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。

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。

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。