现代传感技术与系统》课件第四章
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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
第四章
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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。
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：
• 面向MEMS的微结构
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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。
第四章
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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
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。
第四章
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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。
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。
第四章
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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。
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）
• 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
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4.1 微机电系统结构与元器件
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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。
• 微机电系统的常用元器件
• 微执行器的应用 等
第四章
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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
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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。
能第够四章开动的小
汽车；可在磁可编场辑中版
飞行的象蝴
蝶大小的飞机等。 4
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
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
第四章
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§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
第四章
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.1 微机电系统结构与元器件
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)
第四章
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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。
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：
• 面向MEMS的微结构
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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。
第四章
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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
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。
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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。
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。
第四章
可编辑版
9
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。
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）
• 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
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4.1 微机电系统结构与元器件
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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。
• 微机电系统的常用元器件
• 微执行器的应用 等
第四章
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7
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
第四章
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11
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。
能第够四章开动的小
汽车；可在磁可编场辑中版
飞行的象蝴
蝶大小的飞机等。 4
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
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
第四章
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§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
第四章
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.1 微机电系统结构与元器件
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)
第四章