MEMS技术(3 微系统的工作原理2-微执行器)
微机电系统结构
微机电系统结构
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程结合的微型系统。
它的结构主要包括以下几个部分：
1.微传感器：这是MEMS的最基本组成部分，用于感知外部信号，如温度、
压力、声音等，并将其转换为可处理的电信号。
2.微执行器：这是MEMS的另一重要组成部分，负责将电能转换为机械能，
以实现驱动、控制等功能。
3.信号处理电路：为了对微传感器采集的信号进行处理，MEMS还包括相应
的信号处理电路，以便对信号进行放大、滤波、模数转换等处理。
4.通信接口：MEMS系统通常还需要一个通信接口，以便将MEMS传感器采
集的数据传输到外部设备或系统中。
5.电源：为使MEMS系统正常工作，通常需要为其提供电源。
这可以是内部
电池，也可以是外部电源。
6.封装：MEMS系统需要进行封装，以保护其内部的微机械结构和电路等免
受外界环境的影响。
封装可以采用各种材料和技术，以满足不同的应用需求。
MEMS系统的结构可以根据需要进行定制，以满足特定的应用需求。
其微型化的特点使得MEMS在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、医疗、航空航天等。
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理1、背景微型机电系统，即MEMS（MicroElectric-MechanicalSystem）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是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。
三种常见的MEMS微执行器的特点及原理
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。
元器件行业的MEMS技术与应用实现微型传感器和执行器
元器件行业的MEMS技术与应用实现微型传感器和执行器MEMS技术是指微型电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的技术，是将微小的机械器件、微电子电路和微小封装技术结合起来的一门技术。
在元器件行业中，MEMS技术被广泛应用于微型传感器和执行器的制造和使用。
本文将探讨MEMS技术在元器件行业中的应用，并介绍其实现微型传感器和执行器的过程和方法。
一、MEMS技术在微型传感器中的应用微型传感器是指体积小、功耗低、灵敏度高、响应速度快的传感器。
它们通过感知环境的物理量或化学量，将其转化为电信号输出，用于监测和控制各种工艺、设备和物理环境。
MEMS技术在微型传感器中具有独特的优势。
1. 加速度传感器：MEMS技术可以实现微小、高精度的加速度传感器制造。
通过基于微机电系统工艺制作的加速度传感器，可以广泛应用于汽车、手机、游戏控制器等领域，实现智能化控制和运动监测。
2. 压力传感器：MEMS技术可以制造出微小、高灵敏度的压力传感器。
这些传感器通常以硅为基础材料，通过微加工工艺制作而成。
在汽车制造、医疗设备和工业自动化等领域中，压力传感器被广泛应用于气体、液体压力的测量和控制。
3. 温度传感器：MEMS技术可以实现微型、高精度的温度传感器制造。
利用MEMS工艺制作的温度传感器可以广泛应用于电子设备、航天航空、医疗设备等领域，实现对温度变化的高精度测量和控制。
二、MEMS技术在微型执行器中的应用微型执行器是指将电能或其他形式的能量转化为机械位移或力的微型装置。
它们通常用于控制和操纵微小或者难以触及的对象。
MEMS 技术在微型执行器中起到了重要的作用。
1. 微型电动机：MEMS技术可以实现微型电动机的制造。
这些电动机通常以铁氧体或硅为材料，利用微机电系统工艺制作而成。
微型电动机被广泛应用于医疗设备、航天航空及精密仪器仪表等领域，实现对微小物体或器件的精确控制。
2. 微型声音器件：MEMS技术可以制造出微型声音器件，如压电陶瓷微型喇叭。
微机电系统技术及应用
微机电系统技术及应用微机电系统技术（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）是指一种集成微型机械、电子和计算机技术的系统，它利用微型加工技术将传感器、执行器和电子元器件等多种功能集成到一个芯片上，从而实现在微小空间内进行感测、信号处理和控制的复杂系统。
自20世纪80年代以来，MEMS技术在各个领域得到了广泛的应用，成为现代科技进步的重要方向之一。
一、MEMS技术的基本原理MEMS技术的实现基于微机械制造技术，即利用光刻、蚀刻、离子注入、薄膜沉积、微调工艺等多种微加工技术，在硅基底板上制造出微型机械和微型电子元器件，将它们集成在一起实现控制系统的复杂功能。
常见的MEMS元件包括传感器和执行器两类。
传感器一般是将物理量转换成电信号输出的元件，MEMS传感器主要有压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、温度传感器、化学传感器等，它们的结构和工作原理各不相同。
以加速度传感器为例，它主要是通过微型悬臂等结构感受加速度的作用，在振动部件上加上感应电极，利用柔性连接器将机械运动转化成电信号输出。
执行器是将电信号转换成物理运动的设备，MEMS执行器主要有微型电机、微泵、微阀门和微喷头等。
以微型电机为例，它主要包括固定部件和旋转部件，其结构具有一定的复杂性。
电机的旋转部件通常采用转子-定子结构，采用MEMS技术可以制造出特殊形状的转子并将其悬挂在薄膜支撑结构上，转子与定子之间通过电容传感器实现控制，电容传感器输出的信号被用于控制电机的转速和方向。
二、MEMS技术的应用领域MEMS技术的应用范围非常广泛，包括空间、军事、医疗、汽车、电子信息等多个领域，在以下几个方面得到了广泛应用。
1.传感器MEMS传感器可以感测体积小、重量轻、功耗低、响应速度快、精度高等诸多优点，使之成为传感器领域的重要技术。
它广泛应用于汽车行业、工业自动化控制、医疗设备等领域，如安全气囊用于汽车碰撞检测、指纹识别传感器、手机加速度传感器等。
mems原理和发展
mems原理和发展MEMS原理和发展MEMS，全称为微电子机械系统，是指在微米或纳米尺度上设计、制造和集成的机械、电子、光学和化学等多种技术的集成。
MEMS技术被广泛应用于医疗、汽车、航空、石油和天然气等行业，具有重要的经济和社会价值。
本文将从MEMS的原理和发展两个方面阐述该技术。
MEMS的原理MEMS技术的核心是将微观元件制作在同一芯片上，通过集成电子、机械和其他可感测元素等多个部件，实现智能化、微型化和多功能化。
MEMS芯片是一种由多个构件联成的微型机械系统，通常由传感器和执行器组成。
其中，传感器是将物理量转换为微观电信号的元件，而执行器则是将微观电信号转换为物理量的元件。
MEMS传感器有许多种类，例如有压力传感器、加速度传感器、温度传感器、力传感器和荷重传感器等。
在MEMS芯片中，这些传感器通常采用晶体硅等材料制成。
MEMS执行器也有类型很多，例如电声换能器、微轴承、微泵和微阀等。
在一些特定应用场合，这些执行器可以实现非常精确的动态调节，保证产品的精度和输出可靠性。
MEMS的发展MEMS技术的发展历程可以追溯到20世纪70年代，由于制造技术的限制，早期MEMS组件在成本、性能和可靠性方面存在许多问题。
但是，自20世纪80年代中期以来，由于微纳加工技术和仿生学的进展，MEMS技术已经成为制造微型元件的主流技术之一。
当前，MEMS技术被广泛应用于多个领域，包括医疗、汽车、航空、石油和天然气等。
在医疗行业，MEMS技术可以用于开发医疗设备和医疗器械。
在汽车行业，MEMS技术可以用于制造气囊控制系统、距离传感测量系统和安全带预张力系统等。
在天然气和油田行业，MEMS技术可以用于排放控制、超高温计和压力传感器等。
总之，MEMS技术是未来的发展方向。
通过MEMS技术，可以将传感器和执行器等功能组件集成到单个芯片上，从而实现微型化和智能化。
随着微纳加工等技术的不断突破，MEMS芯片的制造成本将进一步降低，其应用领域也会不断拓展。
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技术的原理与应用
MEMS技术的原理与应用什么是MEMS技术？MEMS技术（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）是一项结合微电子技术和微机械技术的科学技术。
它将微尺度的电子部件、机械部件和传感器等集成在一起，形成一种具有微小尺寸、高度集成度和多功能特性的系统。
MEMS技术在各个领域具有广泛的应用，如汽车、医疗、工业和消费电子等。
MEMS技术的原理MEMS技术的原理基于微电子制造技术，主要包括以下步骤：1.设计阶段：设计师根据实际需求设计MEMS器件的结构和功能。
在这个阶段，需要考虑到器件的制造工艺和使用环境等因素。
2.制造工艺：采用光刻、薄膜沉积、电镀和离子刻蚀等微电子制造工艺，将设计好的MEMS器件图形转移到硅片上。
3.制造步骤：包括前端制造和后端封装。
前端制造步骤主要包括硅片的清洗、氧化、掩模制作、加工、薄膜沉积和刻蚀等过程。
后端封装步骤主要包括器件的封装、焊接和电气测试等。
4.器件测试：通过芯片测试设备对制造好的MEMS器件进行测试，确保其功能和性能得到满足。
5.性能验证：将MEMS器件安装到应用设备中进行系统级别的性能验证，确保其在实际应用中能够正常工作。
MEMS技术的应用领域MEMS技术在各个领域都有广泛的应用，以下是其中几个典型的应用领域：1. 汽车行业•借助MEMS技术，汽车厂商可以实现汽车安全、驾驶辅助和信息娱乐等多方面的创新。
例如，借助MEMS传感器，汽车可以实现稳定控制、空气质量监测和智能停车等功能。
•MEMS传感器还可以帮助汽车实现智能制动和悬挂控制，提高行车安全性和稳定性。
2. 医疗行业•MEMS技术在医疗行业的应用非常广泛，例如使用MEMS传感器监测患者的生理参数，用于实时监测和诊断。
•MEMS能够制造出微小且高灵敏度的传感器和执行器，可用于药物输送和手术器械等医疗设备中。
3. 工业行业•MEMS技术在工业自动化方面的应用十分重要，例如MEMS传感器可以监测温度、压力、湿度和流量等参数，用于实现自动化控制。
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静电微夹具制造工艺
注意： 在最后工序（5） 中，多晶硅的 某些区域被根 切，因而能自 由移动，其余 部分固定于衬 底上。
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。 获得相对高的速度是可能的，最近在这种结 构的建模与设计方面已做了一些工作。可惜 的是，这些马达仅是许多流行出版物的广告 题材，几乎没有实际的应用。
典型的表面微机械静电马达源自 微执动器的特点与传统执动器相比，微执动器的特点 是： 1、微系统加速快、速度高； 2、仅需极小的驱动力； 3、随元器件尺寸的微型化、热膨胀、 振动等环境干扰因素小。
驱动方式
一、静电式微执动器
二、电磁式微执动器
三、压电式微执动器
四、磁致伸缩式微执动器
五、形状记忆合金微执动器
一、静电式微执动器
静电执行器的基本工作原理是：两个带异 性电荷的电极板之间具有吸引力 。 q1q 2 1 Felec 从库仑定律 ： 2 4
静电尺蠖执行器工作原理
1.6 静电微夹具
Kim等(1990，1992)演示了一种多晶硅静电 微爪，它仅需20V驱动电压就能获得10微米 位移量。它由一个7×5毫米的硅片，一个 位于硅衬底上的1.5 毫米长的硼掺杂支撑悬 臂梁（从硅片上伸出来）以及一个400微米 长的从支撑悬臂梁末端伸出的多晶硅悬伸 抓手组成。
x2 (d ) T (3L x) wq ( x)dx 6 EI
其中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为 ：
q( x)
o
V 2 d d ( x)
2
1.2 扭转静电执行器
扭转静电执行器在某些情况下具有优于悬 臂梁结构的地方，特别是当施加双向偏转 电极时，它们能够在两个方向上而不是仅 在一个方向上偏转。 如同悬臂梁结构一样，可以使用许多加工 方法来制造，包括牺牲氧化物上生成多晶 硅、在牺牲有机层上电镀金属、在牺牲有 机层上溅射铝等。
梳状静电执行器
所有的静电执行器，都有利用执行器（或 其它与其耦合的结构）来进行电容位臵测 量。 对于梳状执行器，它的位移-电压的线性 关系更好。 在梳状驱动中，电容是通过改变面积而不 是极板间距来改变的。由于电容与面积是 线性关系，位移将与所施加的电压平方成 比例。
1.4 静电旋转微型马达
Comb Drive
Electrostatic Comb Drive
Comb Drive Design
Comb Drive Failure Modes
1.1 静电悬臂执行器
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δT可由下式给出：
微系统的工作原理（二）
——微执行器
王文廉
简 介
微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。 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形比例关 系。
One potential problem with this device is that if the lateral gaps between the fingers are not the same on both sides, then it is possible for the fingers to move at right angles to the intended direction of motion and stick together until the voltage is switched off.
1.3 静电梳状驱动
梳状静电执行器使用大量的叉“指”， 通过在它们之间施加电压来驱动。 如果这些“指”相对于其长度和宽度 而言很薄，则其引力主要由边缘效应 而非平板效应决定。
与悬臂梁及上面讨论过的扭转型执行 器不同的是，梳状执行器能在衬底面 上能产生相对较大的位移。另外，由 于上面的空气或真空及下面的导电基 座引起的边缘效应的不对称性会导致 相当大的脱离衬底力或漂浮力。
1.5 静电平动马达
除了旋转马达外，静电平动马达也已经 被微机械化 ； 横向梳状驱动器也能被用于制造平动马 达，即直线振动马达。通过反复对一个 滑块施加斜向冲击，使其周期性地克服 静态摩擦力，就产生了步进运动。
“尺蠖（huò）”执行器
一种有趣的、具有很好精度的步进直线微机 械执行器是被称为“尺蠖 ”的执行器。 基本构思是：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。重复这个周期，就能得 到连续的、步进的直线运动。
r o
x
平板电容器 ： 极板间作用力 ：
1 1 r 0 AV 2 W CV 2 2 2 x
dW 1 r o AV 2 F dx 2 x2
Comb Drives
These are particularly popular with surface micromachined devices.
They consist of many interdigitated fingers. When a voltage is applied an attractive force is developed between the fingers, which move together. The increase in capacitance is proportional to the number of fingers; so to generate large forces, large numbers of fingers are required.