三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理MEMS（微机电系统）是一种将微型机械结构与电子技术相结合的技术，它可以将传感器、执行器和其他微型器件集成在一起，以实现各种应用。
下面将以几个常见的MEMS应用为例，详细介绍其原理。
1.加速度计加速度计是一种测量物体加速度的传感器，广泛应用于智能手机、游戏手柄、汽车安全气囊等设备中。
MEMS加速度计通常由一个微型质量块和一对微型弹簧组成。
当被测试物体加速度改变时，质量块会移动，并产生微小的尺寸变化。
这种变化可以通过电容或压阻传感器来检测，从而得到加速度的值。
2.陀螺仪陀螺仪是用于测量物体角速度的传感器，常见于飞行器、导航设备等应用中。
MEMS陀螺仪通常由两个共面的振动器组成。
当物体发生旋转时，由于科里奥利力的作用，振动器之间会产生微小的力。
这种力会导致振动器的位移，通过检测振动器的位移变化，可以得到物体的角速度。
3.压力传感器压力传感器用于测量气体或液体的压力，广泛应用于医疗设备、工业自动化等领域。
MEMS压力传感器通常由一个微型薄膜和一个微型腔室组成。
当受到外部压力时，微型薄膜会发生微小的弯曲变形。
通过检测薄膜的变形，可以得到压力的值。
4.振动传感器振动传感器用于测量物体的振动或震动，常见于汽车、建筑结构监测等领域。
MEMS振动传感器通常由一个微型质量块和一个微型弹簧组成，类似于加速度计的结构。
当物体振动时，质量块会受到振动力的作用，从而产生微小的尺寸变化。
这种变化可以通过电容或压阻传感器来检测，从而得到振动的值。
总结起来，MEMS器件的原理都是基于微小的物理变化或力的作用。
通过将微型机械结构和电子技术相结合，可以实现对这种变化或力的检测和测量，从而得到各种物理量的值。
这种集成化的设计使得MEMS器件具有体积小、功耗低、响应速度快、成本低等优点，因此在越来越多的应用中得到了广泛的应用。
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理
举例说明mems的应用及例中mems器件的原理MEMS（微机电系统）是一类集成在微米到毫米级别的机械系统和电气系统的微型器件，它们的作用是将电气信号转换成机械运动或将机械运动转换成电气信号。
这些微型器件通过在芯片上制造微小结构和微制造工艺，实现了微小化、低功耗、高灵敏度和多功能。
下面将介绍MEMS的应用及其中的器件原理。
MEMS的应用非常广泛，可以应用于汽车、医疗、航空航天、电子通信、消费电子等多个领域。
其中，一些最常见的MEMS应用包括：1.惯性感应器：MEMS加速度计和陀螺仪广泛应用于智能手机，队列追踪和姿态控制等。
通过利用惯性原理，它们可以检测设备的移动并提供相应的反馈，从而实现位置和方向的确定。
2.微波电子学：MEMS开关器，可变容器和可调谐滤波器等器件用于微波频段中，这些器件可以实现快速、准确的频率调谐，并且具有高的功率处理能力。
3.生物传感器：MEMS生物传感器可用于检测血糖、血压、呼吸和心率等，这些传感器通过检测体内细胞水平的变化，可以提供全新的医疗诊断工具。
其中，MEMS传感器是应用最广泛的一类器件。
下面将以MEMS传感器为例，介绍其原理。
MEMS传感器的原理是将待测值或物理现象转化为信号，在微机电系统中进行处理。
大多数MEMS传感器都是由感应结构和信号转换电路组成的。
其中感应结构通常采用压电、电容、电阻、温度、振动等技术，来实现感应现象和物理现象的转换。
而信号转换电路则用于转换、放大、滤波和数字化信号，从而使数据可以与其他设备通信。
以压电传感器为例，它主要由压电陶瓷、负载杆、方向夹具和输出电路组成。
当压电陶瓷受到力的作用时，它会产生电荷，从而产生电压信号。
这个信号可以通过负载杆和夹具传送到输出电路，最终转换成数字信号。
在MEMS传感器中，压电传感器广泛应用于机械和结构振动测量、气动测量、应变测量和加速度测量等。
总之，MEMS技术已经成为了多种新科技和应用的核心，这些应用不仅改善了我们的生活质量，而且为未来的技术创新提供了更广阔的空间。
第三次课MEMS执行器工作原理
内容回顾
LOGO
力
模拟
模拟
光
传
数字
信号
信号Biblioteka 执 运动信号能量声
感 处理
温度
处理
行 状态
信息
化学 器
器 其他
其他
与其它微系统的通讯/接口
内容回顾
LOGO
电容效应 压阻效应
传感元件
隧穿效应 热效应 光学效应 谐振效应
光、化学、生物等
电磁效应
静电效应
形状记忆
热力效应 合金效应
压电效应
矩形板结构静电力计算 LOGO
• 当矩形极板不满足a<<b的条件时，需要考虑另外两个边的边 缘效应。 选用精度高、形式简单的基于保角变化的计算公式进行修正。 首先，将公式展开为：
F
r0abU 2
2d 2
1 2d
r0abU 2 a d
• 其中第一项为无限大平板静电力计算公式，第二项是对长度 为b的两个边缘电场修正，按照矩形对称的形式，将边长为a 的两边给出对称的修正表达式，可得到：
钛镍基合金和铜基合金 根据各种形状记忆合金的不同记忆功能，分为：单程记忆效应， 双程记忆效应和全程记忆效应。
单程记忆效应
LOGO
某些合金在较低温度下变形，加热后可以恢复变形前的形 状，只在加热过程中存在的形状记忆效应。
双程记忆效应
某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复到低温
相形状。
全程记忆效应
LOGO
热空气结构示意图
利用气体/液体的热膨胀,半导体材料支撑气体腔和提供电阻并加热气体。 由一个充满空气的腔、蛇型加热电阻和膜组成。加热电阻由一块薄的硅 板支撑，而硅板由4个小的硅梁挂起，硅板同时起到密闭空气腔的作用。 电阻发热，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀；停止加热， 膜回到原来位置。
MEMS的原理及应用
MEMS的原理及应用前言微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）是一种将微米尺度的机械元件和微电子元件集成在一起的技术。
它结合了机械学、电子学和计算机科学等领域的知识，广泛应用于各个领域。
本文将介绍MEMS的原理及其在不同领域的应用。
MEMS的原理MEMS的核心原理是利用微米尺度的机械结构来感知和操控物理量。
这些微米尺度的结构通常由硅或其他材料制成，并且与电子元件集成在一起。
MEMS器件利用微机械结构的运动或变形来实现各种功能。
下面是一些常见的MEMS原理：1.微加工技术：MEMS器件通常是通过光刻和微加工技术制作的。
这些技术允许制造出微米级别的机械结构和电子元件。
2.机械传感器：MEMS器件中最常见的一类是机械传感器，用于感知物理量如压力、加速度、温度等。
典型的机械传感器包括压力传感器、加速度传感器和陀螺仪等。
3.微操控器件：除了传感器，MEMS还包括微操控器件，用于操控物理量如运动、振动等。
例如，微镜头用于手机的自动对焦功能就是一种微操控器件。
4.集成电子元件：最重要的一点是，MEMS器件通常与集成电子元件一起工作。
传感器通过电子元件将感知到的物理量转化为电信号，而操控器件则接收电信号并操控相应的物理量。
这种集成使得MEMS器件具有高度的智能化和自动化能力。
MEMS的应用MEMS技术在各个领域都有广泛的应用。
下面列举了几个典型的应用领域：1. 电子设备•手机：MEMS技术使得手机具备了更多的功能，如自动对焦摄像头、陀螺仪和加速度传感器等。
•智能手表：智能手表中的MEMS技术可以实现计步器、心率监测和气压计等功能。
•耳机：MEMS技术可以用于制作微型麦克风和降噪器，提高音质和通话质量。
2. 医疗领域•生物传感器：MEMS技术可以用于制作微型生物传感器，实现疾病的早期诊断和监测。
•药物传递系统：利用MEMS技术，可以制作微型药物传递系统，实现精确的药物控制和释放。
谈论MEMS技术原理及优势
谈论MEMS技术原理及优势可能大部分对MEMS还是比较陌生，但其实MEMS在生活中早已无处不在了，智能手机、手环、汽车、无人机、VR/AR头戴式设备等，都应用了MEMS器件。
既然MEMS应用这么广泛了，那么它到底是什么技术呢?稍安勿躁，听笔者慢慢道来。
1 、谈谈MEMS技术原理MEMS是微机电系统，英文全称是MicroElectromechanicalSystem，。
是指尺寸在几毫米乃至更小的传感器装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。
简单来说，MEMS就是将传统传感器的机械部件微型化后，通过三维堆叠技术，例如三维硅穿孔TSV 等技术把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根据不同的应用场合采用特殊定制的封装形式，最终切割组装而成的硅基传感器。
受益于普通传感器无法企及的IC 硅片加工批量化生产带来的成本优势，MEMS 同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。
MEMS主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等等。
MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，相比之下头发的直径大约是50微米。
MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。
2 、MEMS是替代传统传感器的唯一选择模拟量到数字化、大体积到小型化以及随之而来的高度集成化，是所有近现代化产业发展前进的永恒追求。
MEMS被看作是替代传感器的唯一可能选择，也可能是未来构筑物联网感知层传感器最主要的选择之一。
其有以下优势：优势一：微型化。
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。
微执行器导论
微执行器导论-读书笔记摘要:微执行器可用来产生力与机械运动,就是微机电系统中得重要组成部分、根据敏感源与执行方式得不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类、本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细得介绍,并简单总结了不同执行器得独特性能与优缺点。
1、简介MEMS技术得迅速发展带来了传感器与执行器得革命性变化。
传感器就是一种检测装置,能感受到被测量得信息,并能将感受到得信息,并按照一定规律将其转换为电信号或其她所需形式得信息输出,以满足信息得传输、处理、存储、显示、记录与控制等要求。
执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用,主要用来产生机械运动、力与扭矩。
传感器与执行器统称为换能器,利用换能器可以实现信号与能量得转换。
目前受到广泛关注得能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能与热能。
一个系统得能量可以有一个或多个不同得能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。
由于MEMS得微小化与小尺寸效应,微执行器并非就是简单得传统机械得微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能得微执行器驱动。
微执行器作为可动部分,其动作范围得大小、动作效率得高低、动作得可靠性等指标决定了系统得成败,它就是微机电系统中最重要得环节、在微执行器得设计与选择过程中,有以下几个标准必须考虑:(１)扭矩与力得输出能力;(２)位移范围;(3)动态响应速度与带宽;(4)材料来源及加工得难易程度;(5)功耗得能量得转换效率;(6)驱动偏置函数得线性位移;(7)交叉灵敏度与环境稳定性;(８)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器得性能、生产成本得高低以及商业化生产得程度等。
因此,对微执行器得研究就是微机电系统得核心内容,就是超精密加工技术发展得关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能得形式转化为机械能,对于某种特定得执行器驱动,通常会有多种能量转换机制。
常用的几种mems的特征和应用领域
常用的几种mems的特征和应用领域MEMS是Micro-Electro-Mechanical Systems的缩写，意为微机电系统，它是一种利用大规模集成电路技术制造微米级结构的机电设备，可实现机械、光学、电磁等多种功能，并具备微型化、高集成度、低功耗、低成本等优点。
以下是常用的几种MEMS的特征和应用领域。
1. 加速度传感器加速度传感器是测量物体加速度的一种MEMS传感器，它通过转换加速度信号为电信号来实现测量。
加速度传感器可广泛应用于汽车制造、航空飞行、医疗设备等领域，例如汽车气囊和车辆稳定控制系统中，可以帮助车辆进行控制和防止熄火。
此外，加速度传感器也常应用于移动设备，如智能手机、智能手表等，可以实现屏幕旋转、计步器和姿态控制等功能。
2. 压力传感器压力传感器是一种用于测量压力、重力和加速度的MEMS传感器，它通过感应压力对敏感元件的影响，将压力信号转化为电信号。
压力传感器广泛应用于汽车、医疗、环保领域等。
例如，在汽车领域中，压力传感器可用于制动系统、气囊和轮胎压力监测系统等；在医疗领域中，它可用于血压计和呼吸机等设备，帮助诊断和治疗。
3. 光学切换器光学切换器是一种可控制光路的MEMS元件，它通过微机电技术制造微型反射镜来实现光路的切换和控制。
光学切换器可广泛应用于通信领域、光学传感器和生命科学领域等。
例如，在通信领域中，光学切换器可用于光纤通信中的光开关、波分复用器和分光器等设备；在生命科学领域中，它可用于分子分析、细胞生物学中的荧光显微镜和核磁共振成像仪等设备。
4. 微型投影仪微型投影仪是一种利用MEMS技术制造微型光学元件和电子光源的光电设备，它能够将图像投射到屏幕或其他表面上。
微型投影仪可广泛应用于移动设备、办公和教育等领域。
例如，在移动设备领域中，它可用于诸如智能手机、平板电脑和手持游戏机等设备中；在办公和教育领域中，它可用于多媒体投影仪、白板和投影仪等设备。
综上所述，MEMS技术在各个领域都有着广泛的应用，它可以帮助我们更好地控制和操作物质，并为我们带来更舒适的生活和更高效的工作方式。
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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。
当对两个极板充电，两个极板将带上异种电荷，极板间将产生吸引力。
由于这类微执行器结构简单，并且力的大小可由电压来控制决定，所以被广泛的应用。
3.1.1极板间的作用力与电压、版间距的关系
在计算两个极板间作用力时，可将静电执行器按照平板电容器的物理模型来计算。
对于极板面积为A的平板电容器，忽略边界效应，在极板间电压V时所储存的能量为：
（1）
极板间作用力为（2）
式（1）（2）中，是空气的介电常数，x是极板间的距离。
由上面公式可以看出，在平板电容器式微静电执行器中，力与电压和板间距是非线性关系的。
利用此公式可以通过调节电压大小和板间距来控制此类微执行器的输出力的大小。
3.2一种热驱动微执行器
在热驱动微执行器中，双变体结构的微执行器是比较常见的。
由于热膨胀系数不同，两种材料会产生不同的热膨胀量，并且向热膨胀量较小的一方弯曲。
常见的双变体结构为Au-Si悬臂梁结构。
在Au-Si悬臂梁通电时，由于多晶硅和金有电阻，臂上将产生一定的热量，从而悬梁臂将产生弯曲。
如果两种材料间涂有高热阻材料的涂层，则两种材料将产生不同的热量和温度，从而产生更大的弯曲度。
3.3一种磁微执行器
在磁微执行器中，电磁型微马达相比于其他形式的磁微执行器，具有驱动力矩大，转速高，转换效率高和易操控等特点。
因为直流无刷微马达具有结构简单，体积较小，运行效率高等特点，所以它是电磁型微马达的主要结构。
直流无刷微马达采用了的是两片定子对称分布在转子两侧的“三明治”结构。
它的定子和转子面积相当，并且这种结构使转子对定子的磁引力相互抵消，从而使输出力矩更大，做功效率更高。
4、结语
微执行器是MEMS的核心，它将直接影响MEMS的应用和发展。
微执行器的驱动方式多种多样，但要根据所需的驱动方式特点来选择合适的微执行器，这样微执行器才能更好的发挥它的性能。
随着科学技术的不断完善，MEMS将会出现更多新的驱动方式和功能特点微执行器，从而推动现代工业的发展。
参考文献：
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