【精品课件】现代传感技术与系统第四章

• 执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作
• 信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理
4.1 微机电系统结构与元器件
事实上，前面第二章第三节中讨论过的微机械加工技术就 是从属于MEMS的核心技术，然而，就MEMS整体而言，却有着更 加丰富的内涵。从整体来看，它总是直接或间接地与智能传感 器保持密切的关系，因此，除微机械加工技术之外，本节又选 择该领域中一些其它相关内容作为智能传感器的外围技术来讨 论，主要有：
4.1 微机电系统结构与元器件
系统是一维系统，由完全类似的模式组成。这些组件很容 易以微执行器的模式实现。 • 执行器结构:由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的
金属加热器组成。 • 加热器电流接通或断开时，执行器上下运动(悬臂500μm长，
110μm宽)。 • 当40mA电流流经加热器时，在垂直方向上产生130μm、在水
• 面向MEMS的微结构
• 微机电系统的常用元器件
• 微执行器的应用 等
4.1 微机电系统结构与元器件
4.1.2 面向微机电系统的微结构
MEMS与传统机加工小型化机器的差异对比： • 总体预装配形式与一个一个部件相接的装配形式； • 很多元素的高密度集成与离散元件之组成； • 以统一的集成形式实现与电子学的结合与采用导线的连接形
有很多基于IC-基的MEMS的复杂模式，那些集传感器、执 行器和电子电路于一体的很多微模式的制作与单一模式的工艺 制作过程相比，所需付出是完全一样的。
4.1 微机电系统结构与元器件
主要问题之一：微电机转动中的滑动表面摩擦。 在MEMS涉及的微观领域中，摩擦力遵循一个不合常规的定
律：当特征维数L减少时，摩擦力与L2成比例，而惯性力与L3成 比例，摩擦力的支配能力超过惯性力而阻止那些持续运动的微 齿轮或微转子平滑地转动。 目前针对微观领域的摩擦学研究，科研人员提出的几种建议： • 在运动件和固定件之间采用滚动接触而不是滑动接触； • 运动部件采用弹性支承； • 运动部件悬浮于空气中（以空气作为润滑剂）等。
4.1.1 引言
微小型化革命:
微米／纳米技术应运而生 • 利用物理化学方法将原子和分子组装起来，形成具有一定功
能的微米／纳米结构；(导致了纳米生物学、纳米化学等边 缘
学科的产生) • 利用精细加工手段加工出微米／纳米级结构(导致了微机电系
统的诞生)
4.1 微机电系统结构与元器件
• MEMS系统是微电子技术的拓宽和延伸 • 微电子技术与精密机械加工技术的融合 • 实现了微电子与机械融为一体的功能。 • 使半导体传感器应用于大型的机械控制 • 大大提高了整个系统的性能: 降低机电系统成本,完成许多 大尺寸机电系统无法完成的任务 例: 尖端直径为5μm的微型镊子可夹起一个红细胞；3mm大小 的
平方向上产生60μm的移动量。 • 对正弦电流（幅值低于3dB），截止频率8Hz。
4.1 微机电系统结构与元器件
4.1.3 微机电系统的常用元器件
用硅和其它的半导体材料构成的微机电系统元器 件涉及到静电学、电热学、热动力学、电磁学、电渗 透、电液动力学、模型存储合金、热敏感器件、聚合 物等多方面的应用。本节将讨论微型泵、微引擎、微 控制阀、微动力测试仪和微电机，还有其它材料的微 执行元器件。
4.1 微机电系统结构与元器件
纤毛运动是指一种叫纤毛虫的微生物的运动方式，这种微 生物在其细胞表面长有许多像毛发状的突出物，它们通过协调 性地摆动纤毛来实现其行进。这种纤毛虫的行进方式可以用在 一个传送物体的装置之中。
纤毛运动系统的模块组件包括一个执行器（如悬臂型的执 行器）和一个振荡器。如果提供充分的相互联接，外部信号也 能达到同步。当振荡的频率相同而在邻近振荡器之间统一地维 持着固定的相位差，则每个执行器可以协调地运行。伸出的臂 传播一个波，象球体滚动那样传送物体。实施传送任务时，所 需要的逻辑电路就如同移位寄存器那样简单。
能够开动的小汽车；可在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。
4.1 微机电系统结构与元器件
• MEMS技术的目标：通过系统的微型化、集成化来探索具有新 原理、新功能的元件和系统 • 将电子系统和外部世界有机地联系起来：感受运动、光、声、 热、磁等自然界信号；将这些信号转换成电子系统可以认识 的电信号；通过电子系统控制这些信号、发出指令、控制执 行部件完成所需操作 • 具有许多传统传感器无法比拟的优点 • 在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎 人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
4.1 微机电系统结构与元器件
为克服微机电系统上述局限的措施: 由许多智能微模块组件组成的一个面向MEMS的结构体，这
些模块有微执行器、传感器以及集成在其内部的电子电路等。 图4.1.1为这种系统的一 个典型方案，它可以用所 谓纤毛运动系统及其执行 器的有关应用加以解释。 这是一种源于多种动物器 官、昆虫和显微镜下的微 生物机制的创新思想。
式；2.5维的空间形式与三维结构（可装配成不同的形状与 其功能紧密相连等）之差异 等
4.1 微机电系统结构与元器件
MEMS受限于典型的IC基的构造方法，只能允许我们制作平 面结构的微电机、层叠式结构的多晶硅薄膜或深层防护下的二 维掩膜模式的投影图像。因而很难仅通过改变机器的结构来实 现各种不同的功能。然而，可以通过预装配、批量生产以及将 电子线路与传感器尽可能地集成在一起、且通过逻辑电路和内 部软件而同时实现各种功能。
第四章 智能传感器的外围技术
§4.1 微机电系统结构与元器件 §4.2 智能传感器的通信 §4.3 智能传感器的标准
§4.1 微机电系统结构与元器件
4.1.1 引言 4.1.2 面向微机电系统的微结构 4.1.3 微机电系统的常用元器件 4.1.4 其他微机械结构 4.1.5 微执行器的应用
4.1 微机电系统结构与元器件Βιβλιοθήκη 4.1 微机电系统结构与元器件
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信 号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型 机电系统。
主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分：
• 传感器把能量从一种形式转化为另一种形式，将现实世界的 信号（如热、运动等信号）转化为系统可以处理的信号（如电 信号）