微機械和微機電系統(tǒng)

1、微機械和微機電系統(tǒng)微機械和微機電系統(tǒng)2定義與內(nèi)涵定義與內(nèi)涵20世紀世紀80年代末出現(xiàn)的一項新技術。已在工業(yè)、醫(yī)療等方面獲年代末出現(xiàn)的一項新技術。已在工業(yè)、醫(yī)療等方面獲得了很多應用。微機械必將對固有產(chǎn)業(yè)和技術產(chǎn)生深遠的影響，得了很多應用。微機械必將對固有產(chǎn)業(yè)和技術產(chǎn)生深遠的影響，但是，由于微機械是才有十幾年歷史的邊緣學科，在目前還有但是，由于微機械是才有十幾年歷史的邊緣學科，在目前還有著諸多的科學難題有待于解決。著諸多的科學難題有待于解決。 微機械的含義十分廣泛，至今還沒有一個權威性的定義。在微微機械的含義十分廣泛，至今還沒有一個權威性的定義。在微型機械的尺寸范圍內(nèi)，依其特征尺寸，可以劃分成三個

2、等級：型機械的尺寸范圍內(nèi)，依其特征尺寸，可以劃分成三個等級：110mm的是小型機械，的是小型機械，1m1mm的是微型機械，的是微型機械，1nm1m的的是納米機械或分子機械。但廣義的微機械是包含上述三個等級是納米機械或分子機械。但廣義的微機械是包含上述三個等級的微小機械。的微小機械。 微機械和微機電系統(tǒng)3微機電系統(tǒng)的組成框圖如圖微機電系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，它是將微機械、信息輸入的所示，它是將微機械、信息輸入的微型傳感器、控制器、模擬或數(shù)字信號處理器、輸出信號接口、微型傳感器、控制器、模擬或數(shù)字信號處理器、輸出信號接口、致動器致動器(驅(qū)動器驅(qū)動器)、電源等都微型化并集成在一起，成為一個微、電源

3、等都微型化并集成在一起，成為一個微機電系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)內(nèi)部可分成幾個獨立的功能單元，同時機電系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)內(nèi)部可分成幾個獨立的功能單元，同時又集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。又集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。圖圖1微機電系統(tǒng)的組成框圖微機電系統(tǒng)的組成框圖 微機械和微機電系統(tǒng)4集成的微機電系統(tǒng)在日本仍習慣稱其為微型機械，集成的微機電系統(tǒng)在日本仍習慣稱其為微型機械，美國則稱其為微機電系統(tǒng)美國則稱其為微機電系統(tǒng)(MEMS)，歐洲則稱其為微系統(tǒng)。歐洲則稱其為微系統(tǒng)。這些微型系統(tǒng)雖然被稱為微機電系統(tǒng)，可是它的含義決不只是這些微型系統(tǒng)雖然被稱為微機電系統(tǒng)，可是它的含義決不只是機械和電器件的集成，需要時可以包括聲、光、化學和

4、其他物機械和電器件的集成，需要時可以包括聲、光、化學和其他物理量的微型傳感器和器件，還可以包括光學系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。理量的微型傳感器和器件，還可以包括光學系統(tǒng)或其他系統(tǒng)。 MEMS可以在許多領域和部門得到應用，如醫(yī)療和外科手可以在許多領域和部門得到應用，如醫(yī)療和外科手術設備、航空航天工業(yè)、科學儀器、通訊設備儀器、傳感術設備、航空航天工業(yè)、科學儀器、通訊設備儀器、傳感器工業(yè)、日用產(chǎn)品和國防等。器工業(yè)、日用產(chǎn)品和國防等。微機械和微機電系統(tǒng)5作為微型機械，當尺寸縮小到一定范圍時，許多物理現(xiàn)象作為微型機械，當尺寸縮小到一定范圍時，許多物理現(xiàn)象將與宏觀世界有很大差別，許多宏觀狀態(tài)下的物理量和機將與宏觀世界

5、有很大差別，許多宏觀狀態(tài)下的物理量和機械量都發(fā)生了變化，在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)出特有的規(guī)律，由械量都發(fā)生了變化，在微觀狀態(tài)下呈現(xiàn)出特有的規(guī)律，由此決定了微機械具有自身特有的理論基礎。這時，一些常此決定了微機械具有自身特有的理論基礎。這時，一些常規(guī)理論必須加以修正。規(guī)理論必須加以修正。微機械和微機電系統(tǒng)6物體的大小一般用特征尺寸物體的大小一般用特征尺寸L來表征，特征尺寸來表征，特征尺寸L是指該物體正是指該物體正好可包含在邊長為好可包含在邊長為L的正方體內(nèi)。器件特征尺寸的正方體內(nèi)。器件特征尺寸L的變小，在進的變小，在進入微小尺寸領域后，對各種物理特征變化的影響程度是各不相入微小尺寸領域后，對各種物理特征

6、變化的影響程度是各不相同的。例如表面力、彈性力和粘性力與同的。例如表面力、彈性力和粘性力與L2成比例，體積和質(zhì)量成比例，體積和質(zhì)量與與L3成比例。成比例。由于表面積與體積之比變大，表面效應突出，因此，表面效應由于表面積與體積之比變大，表面效應突出，因此，表面效應（如靜電力和表面凝聚力）將代替體積效應（質(zhì)量）而占支配（如靜電力和表面凝聚力）將代替體積效應（質(zhì)量）而占支配作用。傳統(tǒng)機械做功往往是體積力起主導作用，運動要克服的作用。傳統(tǒng)機械做功往往是體積力起主導作用，運動要克服的主要是重力、慣性力等，而在微機械領域內(nèi)，常常是表面力起主要是重力、慣性力等，而在微機械領域內(nèi)，常常是表面力起主導作用。一般

7、來說，當主導作用。一般來說，當L1mm時，體積力起主導作用，這時，體積力起主導作用，這時需要的驅(qū)動力為時需要的驅(qū)動力為FL3。而當。而當L1mm時，表面力將起主導時，表面力將起主導作用，這時需要的驅(qū)動力為作用，這時需要的驅(qū)動力為FL2。 微機械和微機電系統(tǒng)7按其性質(zhì)可分為結構材料、功能材料和智能材料。按其性質(zhì)可分為結構材料、功能材料和智能材料。結構材料。是指具有一定機械強度，用于構造機械器件基本結結構材料。是指具有一定機械強度，用于構造機械器件基本結構的材料。結構材料可以是單一材料，也可以是材料組合體。構的材料。結構材料可以是單一材料，也可以是材料組合體。功能材料。是指壓電材料、光敏材料、形狀

8、記憶材料、磁性材功能材料。是指壓電材料、光敏材料、形狀記憶材料、磁性材料等具有特定功能的材料?？梢允菃我徊牧?，也可以是復合材料。料等具有特定功能的材料?？梢允菃我徊牧希部梢允菑秃喜牧?。智能材料。一般具有傳感、致動和控制等方面的基本功能，能智能材料。一般具有傳感、致動和控制等方面的基本功能，能模仿人類或生物的基本特定行為，能對外界信息具有反應，對信模仿人類或生物的基本特定行為，能對外界信息具有反應，對信息激勵有自適應的能力。常用的智能材料有形狀記憶合金、電致息激勵有自適應的能力。常用的智能材料有形狀記憶合金、電致伸縮材料、導電聚合材料、電流變和磁流變材料、儲氫材料等。伸縮材料、導電聚合材料、電

9、流變和磁流變材料、儲氫材料等。多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微機械中用得很多功能材料。指微材料是多功能的，例如，在微機械中用得很多的硅晶體，因它有較好的強度和力學性能，是一種較好的結構多的硅晶體，因它有較好的強度和力學性能，是一種較好的結構材料；它又同時具有良好的多種傳感性能，如光電效應、光電子材料；它又同時具有良好的多種傳感性能，如光電效應、光電子效應、熱阻效應、磁阻效應等，因此又是一種很好的功能材料。效應、熱阻效應、磁阻效應等，因此又是一種很好的功能材料。微機械和微機電系統(tǒng)8微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)(MEMS)包含多項功能、多種器件和多項技術。如圖包含多項功能、多種器件和多項技術。如

10、圖1所示。所示。MEMS涉及的基本技術面極廣，主要有下面幾方面：涉及的基本技術面極廣，主要有下面幾方面：MEMS的設計技術。包括微結構設計、設計數(shù)據(jù)庫、有限元分的設計技術。包括微結構設計、設計數(shù)據(jù)庫、有限元分析、析、CAD/CAM、仿真、實驗驗證等。、仿真、實驗驗證等。MEMS的微細加工技術。包括的微細加工技術。包括IC加工技術、加工技術、LIGA技術、微細技術、微細特種加工和裝配技術。特種加工和裝配技術。微型機械和微機電系統(tǒng)的材料。微型機械和微機電系統(tǒng)的材料。微型構件和部件、微型傳感器和微型執(zhí)行器等。微型構件和部件、微型傳感器和微型執(zhí)行器等。微機構和微機電系統(tǒng)的檢測。如強度、彈性模量、應力、

11、應變微機構和微機電系統(tǒng)的檢測。如強度、彈性模量、應力、應變等。等。微機電系統(tǒng)的組裝與集成。包括系統(tǒng)整體設計、微型機械、微微機電系統(tǒng)的組裝與集成。包括系統(tǒng)整體設計、微型機械、微型傳感器、執(zhí)行器和控制器的組裝與集成、能源供應、接口與通型傳感器、執(zhí)行器和控制器的組裝與集成、能源供應、接口與通訊等。訊等。微機械和微機電系統(tǒng)9微傳感器是微機電系統(tǒng)中最重要的功能部件之一，也是當前微傳感器是微機電系統(tǒng)中最重要的功能部件之一，也是當前MEMS功能部件中發(fā)展最快、商業(yè)化最早的部件。功能部件中發(fā)展最快、商業(yè)化最早的部件。微傳感器因其體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、使用靈活、動微傳感器因其體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成

12、本低、使用靈活、動態(tài)性能好、品質(zhì)和可靠性不降低，而受到使用者的歡迎，特別是態(tài)性能好、品質(zhì)和可靠性不降低，而受到使用者的歡迎，特別是在狹窄空間和要求質(zhì)量輕的場合。微傳感器體積小，又由于微加在狹窄空間和要求質(zhì)量輕的場合。微傳感器體積小，又由于微加工和能集成的特點，因此微傳感器已實現(xiàn)陣列化。工和能集成的特點，因此微傳感器已實現(xiàn)陣列化。由于被測量種類繁多，傳感器的分類方法也有許多種，主要有：由于被測量種類繁多，傳感器的分類方法也有許多種，主要有：(1)按傳感器工作所依據(jù)的轉(zhuǎn)換原理可分為：物理、化學、生物傳按傳感器工作所依據(jù)的轉(zhuǎn)換原理可分為：物理、化學、生物傳感器等。感器等。(2)按傳感器測量的量的性質(zhì)

13、可分為：壓力、加速度、氣體濃度、按傳感器測量的量的性質(zhì)可分為：壓力、加速度、氣體濃度、離子濃度等。離子濃度等。(3)按傳感器的制備技術和材料可分為：薄膜、半導體、陶瓷等。按傳感器的制備技術和材料可分為：薄膜、半導體、陶瓷等。(4)按傳感器的應用可分為：汽車、醫(yī)學、航天等。按傳感器的應用可分為：汽車、醫(yī)學、航天等。微機械和微機電系統(tǒng)10機械微傳感器是將機械信號轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器，它的應機械微傳感器是將機械信號轉(zhuǎn)換成電信號的一類傳感器，它的應用領域非常廣泛，它所檢測的機械參量也非常多，如位置、位移、用領域非常廣泛，它所檢測的機械參量也非常多，如位置、位移、速度、加速度、力、力矩、應力、壓力速

14、度、加速度、力、力矩、應力、壓力(壓強壓強)、應變、剛度等。、應變、剛度等。微機械和微機電系統(tǒng)11 位移傳感器就是測量位移量，檢測位置的一類傳感器。位移傳感器就是測量位移量，檢測位置的一類傳感器。根據(jù)傳感原理，位移傳感器可分為接觸式和非接觸式兩類。根據(jù)傳感原理，位移傳感器可分為接觸式和非接觸式兩類。 接觸傳感方式要求將傳導桿與被測體固定在一起，然后將傳接觸傳感方式要求將傳導桿與被測體固定在一起，然后將傳導桿的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號。傳統(tǒng)的接觸式傳感器有電阻式、導桿的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號。傳統(tǒng)的接觸式傳感器有電阻式、電容式、電感式、電磁式和光學式等。電容式、電感式、電磁式和光學式等。 反之，非接觸

15、式傳感器不需要傳導桿而直接檢測目標物的位反之，非接觸式傳感器不需要傳導桿而直接檢測目標物的位移。通常非接觸式傳感器利用電容、電感或磁性技術，也可采用移。通常非接觸式傳感器利用電容、電感或磁性技術，也可采用激光、遠紅外光束、微波束或超聲波進行測距。激光、遠紅外光束、微波束或超聲波進行測距。電阻、電容和電感式位移微傳感器檢測位移幅度在電阻、電容和電感式位移微傳感器檢測位移幅度在0.110mm范范圍的物體，它們的運動導致輸出電阻、電容或電感的變化。圍的物體，它們的運動導致輸出電阻、電容或電感的變化。光學位移微傳感器的檢測一般利用光路的截斷、光路的反射、光光學位移微傳感器的檢測一般利用光路的截斷、光路

16、的反射、光束的散射來測量位移或距離。束的散射來測量位移或距離。超聲波位移微傳感器是利用超聲波的回聲定位原理來測量位移或超聲波位移微傳感器是利用超聲波的回聲定位原理來測量位移或位置的。有以下優(yōu)點：屬于非接觸式的，可以檢測導體、絕緣體、位置的。有以下優(yōu)點：屬于非接觸式的，可以檢測導體、絕緣體、鐵電體和非鐵電體；對較臟的測試環(huán)境不敏感。在商用中屬于成鐵電體和非鐵電體；對較臟的測試環(huán)境不敏感。在商用中屬于成本較低的類型。本較低的類型。 微機械和微機電系統(tǒng)12物體運動的速度可由其物體運動的速度可由其位移對時間的微分求得。位移對時間的微分求得。流體的速度可由其流量流體的速度可由其流量求得。因此，測流速的求

17、得。因此，測流速的問題可以通過測流量來問題可以通過測流量來解決。解決。圖圖2為一尺寸為一尺寸600600各向異性刻蝕的共振微各向異性刻蝕的共振微橋式流量微傳感器。這橋式流量微傳感器。這種微傳感器利用微橋共種微傳感器利用微橋共振頻率的變化來檢測流振頻率的變化來檢測流量，這種檢測方法的優(yōu)量，這種檢測方法的優(yōu)點是靈敏度高、響應快點是靈敏度高、響應快和重復性好。和重復性好。圖圖2各向異性刻蝕的共振微橋式流量微傳感器各向異性刻蝕的共振微橋式流量微傳感器微機械和微機電系統(tǒng)13加速度傳感器或加速度計用來測量加速度、振動或機械沖擊。雖然物體的加加速度傳感器或加速度計用來測量加速度、振動或機械沖擊。雖然物體的加

18、速度可以通過位移傳感器或速度傳感器獲得，但是通常大多數(shù)加速度計的傳速度可以通過位移傳感器或速度傳感器獲得，但是通常大多數(shù)加速度計的傳感方法卻是采用質(zhì)量快感方法卻是采用質(zhì)量快-彈簧彈簧-阻尼系統(tǒng)。圖阻尼系統(tǒng)。圖3所示為懸臂梁式硅微加速度計示所示為懸臂梁式硅微加速度計示意圖。用意圖。用4個等值電阻連成電橋電路，電阻是在硅梁上制成，和硅梁一體化，個等值電阻連成電橋電路，電阻是在硅梁上制成，和硅梁一體化，可根據(jù)所測加速度和振動頻率的要求，來設計該加速度傳感器的剛度和自振可根據(jù)所測加速度和振動頻率的要求，來設計該加速度傳感器的剛度和自振頻率。頻率。當加速度作用在加速度計上時，基座產(chǎn)生加速度，質(zhì)量塊由于慣

19、性力而使硅當加速度作用在加速度計上時，基座產(chǎn)生加速度，質(zhì)量塊由于慣性力而使硅梁產(chǎn)生彎曲，硅梁上電阻的阻值變化，使電橋有電信號輸出。輸出的電信號梁產(chǎn)生彎曲，硅梁上電阻的阻值變化，使電橋有電信號輸出。輸出的電信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可獲得被測的加速度。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，即可獲得被測的加速度。圖圖3 3懸臂梁式硅微加速度計結構示意圖懸臂梁式硅微加速度計結構示意圖 微機械和微機電系統(tǒng)14圖圖4是懸臂梁式電容微加速度計的典型結構?；宀捎檬菓冶哿菏诫娙菸⒓铀俣扔嫷牡湫徒Y構。基板采用Si晶片或玻晶片或玻璃制成，上面電鍍璃制成，上面電鍍Ni、Cr或或Au導電層，上面用微細加工技術制導電層，上面用微細加工技術制成成S

20、i的懸臂梁、質(zhì)量塊和固定電極間形成差動電容器。懸臂粱和的懸臂梁、質(zhì)量塊和固定電極間形成差動電容器。懸臂粱和質(zhì)量塊的高度約為質(zhì)量塊的高度約為300m。在垂直于懸臂梁平面的方向有加速度。在垂直于懸臂梁平面的方向有加速度時，梁便彎曲擺動，引起電容的變化。時，梁便彎曲擺動，引起電容的變化。 圖圖4 4懸臂梁式電容加速度計結構示意圖懸臂梁式電容加速度計結構示意圖 微機械和微機電系統(tǒng)15圖圖5是一種典型的電阻應變式微壓力傳感器的結構，它由外殼、單晶硅膜片、是一種典型的電阻應變式微壓力傳感器的結構，它由外殼、單晶硅膜片、四個阻值相同的電阻、引線等組成。這四個相同阻值的電阻四個阻值相同的電阻、引線等組成。這四

21、個相同阻值的電阻(R1、R2、R3、R4)，是在單晶硅膜片上用是在單晶硅膜片上用ICIC工藝制成并與硅膜片一體化的電阻敏感元件。四個電工藝制成并與硅膜片一體化的電阻敏感元件。四個電阻導線連成電橋，膜片四周用硅圓環(huán)固定。膜片兩側有兩個壓力腔，一個是阻導線連成電橋，膜片四周用硅圓環(huán)固定。膜片兩側有兩個壓力腔，一個是與被測壓力系統(tǒng)連接的高壓腔，另一個是與大氣相通的低壓腔。當膜片兩側與被測壓力系統(tǒng)連接的高壓腔，另一個是與大氣相通的低壓腔。當膜片兩側存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片產(chǎn)生的變形量與壓力差值成正比，且使存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片產(chǎn)生的變形量與壓力差值成正比，且使電阻阻值變化，使電橋失去

22、平衡而輸出相應的電壓。根據(jù)輸出的電壓，可以電阻阻值變化，使電橋失去平衡而輸出相應的電壓。根據(jù)輸出的電壓，可以測出膜片兩側的壓力差值。測出膜片兩側的壓力差值。圖圖5 5電阻應變式微壓力傳感器結構示意圖電阻應變式微壓力傳感器結構示意圖 微機械和微機電系統(tǒng)16圖圖6所示為典型的圓形薄膜式平行極板的電容式微壓力傳感器。所示為典型的圓形薄膜式平行極板的電容式微壓力傳感器。有時也將平行硅薄膜極板制成方形。在壓力差有時也將平行硅薄膜極板制成方形。在壓力差P作用下，可變形作用下，可變形的硅膜片極板產(chǎn)生撓曲變形，改變兩極板間的電容的硅膜片極板產(chǎn)生撓曲變形，改變兩極板間的電容C，通過檢測，通過檢測電路檢測電容變化

23、值，獲得電壓或其他輸出電信號，從而測出壓電路檢測電容變化值，獲得電壓或其他輸出電信號，從而測出壓力差值。力差值。至于應變的測量，常用大家所熟悉的電阻應變片測量。至于應變的測量，常用大家所熟悉的電阻應變片測量。 圖圖6 6圓形薄膜平行極板電容式壓力傳感器工作原理圖圓形薄膜平行極板電容式壓力傳感器工作原理圖 微機械和微機電系統(tǒng)17溫度是我們在科學研究、生產(chǎn)乃至日常生活中最經(jīng)常測量的物理溫度是我們在科學研究、生產(chǎn)乃至日常生活中最經(jīng)常測量的物理量之一。理論上說，任何介質(zhì)，只要它的某項物理量隨溫度變化，量之一。理論上說，任何介質(zhì)，只要它的某項物理量隨溫度變化，就可以利用這一特性設計制造溫度計。就可以利用

24、這一特性設計制造溫度計。從從20世紀世紀60年代開始，由于紅外技術和電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了年代開始，由于紅外技術和電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了利用各種新型光敏或熱敏檢測元件的輻射溫度計利用各種新型光敏或熱敏檢測元件的輻射溫度計(包括紅外輻射溫包括紅外輻射溫度計度計)，從而擴大了它的應用領域。，從而擴大了它的應用領域。一般的溫度測量儀表都有檢測和顯示兩個部分。在簡單的溫度測一般的溫度測量儀表都有檢測和顯示兩個部分。在簡單的溫度測量儀表中，這兩部分是連成一體的，如水銀溫度計；在較復雜的量儀表中，這兩部分是連成一體的，如水銀溫度計；在較復雜的儀表中則分成兩個獨立的部分，中間用導線連接，如熱電偶或熱儀表中則

25、分成兩個獨立的部分，中間用導線連接，如熱電偶或熱電阻是檢測部分，而與之相配的指示和記錄儀表是顯示部分。電阻是檢測部分，而與之相配的指示和記錄儀表是顯示部分。 微機械和微機電系統(tǒng)18熱熱-機械能量轉(zhuǎn)換是家用電器及自動控溫裝置的基本工作原理之一。熱機械傳機械能量轉(zhuǎn)換是家用電器及自動控溫裝置的基本工作原理之一。熱機械傳感器是利用材料的熱脹冷縮原理，即材料的尺寸隨溫度的變化而變化制成的感器是利用材料的熱脹冷縮原理，即材料的尺寸隨溫度的變化而變化制成的傳感器?；镜膽檬请p金屬溫度開關。其基本的工作原理如圖傳感器。基本的應用是雙金屬溫度開關。其基本的工作原理如圖7所示。所示。 圖圖7 7雙金屬溫度開關的

26、基本工作原理雙金屬溫度開關的基本工作原理 其他的熱微傳感器還有其他的熱微傳感器還有很多種類，如熱敏電阻很多種類，如熱敏電阻類，有金屬熱敏電阻、類，有金屬熱敏電阻、半導體熱敏電阻；熱二半導體熱敏電阻；熱二極管類；熱晶體管類；極管類；熱晶體管類；熱電偶類、光纖類熱傳熱電偶類、光纖類熱傳感器。感器。 微機械和微機電系統(tǒng)19這里主要介紹基于這里主要介紹基于MEMS技術的光微傳感器。光學傳感器的應用技術的光微傳感器。光學傳感器的應用范圍十分寬廣，在光纖通信、激光雷達、紅外探測等光電系統(tǒng)中，范圍十分寬廣，在光纖通信、激光雷達、紅外探測等光電系統(tǒng)中，光探測器是必不可少的器件。目前，激光二極管、光電二極管和光

27、探測器是必不可少的器件。目前，激光二極管、光電二極管和光電晶體管、電荷耦合光電晶體管、電荷耦合(CCD，最近是，最近是CMOS)成像器件等都有大成像器件等都有大量的市場需求。量的市場需求。根據(jù)信號在傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程不同，可以將光學傳感器分為根據(jù)信號在傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換過程不同，可以將光學傳感器分為直接轉(zhuǎn)換型和間接型兩大類。直接轉(zhuǎn)換型傳感器由光子的作用直直接轉(zhuǎn)換型和間接型兩大類。直接轉(zhuǎn)換型傳感器由光子的作用直接產(chǎn)生電信號接產(chǎn)生電信號(沒有任何中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，例如由光轉(zhuǎn)換為熱然后測沒有任何中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，例如由光轉(zhuǎn)換為熱然后測量溫度量溫度)。微機械和微機電系統(tǒng)20光敏電阻傳感器是基于光電導效應工作的

28、。當光照射半導體材料時，由于材光敏電阻傳感器是基于光電導效應工作的。當光照射半導體材料時，由于材料吸收外來光的能量而使其內(nèi)部載流子濃度增大，從而增大半導體材料的電料吸收外來光的能量而使其內(nèi)部載流子濃度增大，從而增大半導體材料的電導率，表現(xiàn)為材料電阻的變化，通過檢測該變化量，即可測出入射光強度，導率，表現(xiàn)為材料電阻的變化，通過檢測該變化量，即可測出入射光強度，如圖如圖8所示。所示。 圖圖8 8光敏電阻微傳感器的工作原理光敏電阻微傳感器的工作原理 微機械和微機電系統(tǒng)21光電二極管和光電三極管是典型的光伏效應傳感器，它們都是結型器件，有光電二極管和光電三極管是典型的光伏效應傳感器，它們都是結型器件，

29、有PN結，其中產(chǎn)生光生載流子，就像光敏電阻那樣。光電二極管的靈敏度更高、結，其中產(chǎn)生光生載流子，就像光敏電阻那樣。光電二極管的靈敏度更高、響應時間更短、尺寸更小、穩(wěn)定性更好、線性度更優(yōu)。如圖響應時間更短、尺寸更小、穩(wěn)定性更好、線性度更優(yōu)。如圖9所示，當光電二所示，當光電二極管受到外來光照射時，極管受到外來光照射時，P區(qū)的光生電子和區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴以及結區(qū)的光生電區(qū)的光生空穴以及結區(qū)的光生電子子-空穴對在電場的作用下發(fā)生移動，光生電子移向空穴對在電場的作用下發(fā)生移動，光生電子移向N區(qū)，光生空穴移向區(qū)，光生空穴移向P區(qū)，區(qū)，從而形成光生電流，其大小隨入射光強度而變化。從而形成光生電流，

30、其大小隨入射光強度而變化。圖圖8 8光敏電阻微傳感器的工作原理光敏電阻微傳感器的工作原理 間接型光學傳間接型光學傳感器主要有測感器主要有測輻射熱計，其輻射熱計，其種類很多，這種類很多，這里不一一介紹。里不一一介紹。 微機械和微機電系統(tǒng)22能夠?qū)⒒瘜W物質(zhì)的化學信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器稱為化學傳感能夠?qū)⒒瘜W物質(zhì)的化學信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器稱為化學傳感器，化學物質(zhì)可以是氣體、液體或固體。例如可探測空氣中氫氣器，化學物質(zhì)可以是氣體、液體或固體。例如可探測空氣中氫氣含量的氣體傳感器，可探測空氣中水汽含量的濕度傳感器，以及含量的氣體傳感器，可探測空氣中水汽含量的濕度傳感器，以及探測水中離子濃度的傳感器。

31、化學傳感器也可以探測更加復雜的探測水中離子濃度的傳感器?；瘜W傳感器也可以探測更加復雜的分子，如液體中的糖或蛋白質(zhì)?？商綔y生物的化學傳感器也稱作分子，如液體中的糖或蛋白質(zhì)。可探測生物的化學傳感器也稱作生物傳感器或生物化學傳感器。生物傳感器或生物化學傳感器?；瘜W化學/電化學微傳感器，其原理是利用特殊傳感器材料對被測材料電化學微傳感器，其原理是利用特殊傳感器材料對被測材料的某種化學成分分子或離子特別敏感，致使傳感器材料某些性能的某種化學成分分子或離子特別敏感，致使傳感器材料某些性能改變改變(如導電性、電壓、電荷、諧振頻率等的改變?nèi)鐚щ娦?、電壓、電荷、諧振頻率等的改變)來實現(xiàn)檢測的。來實現(xiàn)檢測的。傳感

32、器的敏感材料可以有多種不同形式結構，最常用的是涂層或傳感器的敏感材料可以有多種不同形式結構，最常用的是涂層或鍍層薄膜，著名的化學傳感器鍍層薄膜，著名的化學傳感器ISFET是一種場效應晶體管。是一種場效應晶體管。 微機械和微機電系統(tǒng)23圖圖10所示是一種諧振式多氣體微傳感器，是利用石英諧振器來分析氣體，該所示是一種諧振式多氣體微傳感器，是利用石英諧振器來分析氣體，該傳感器有多個諧振器，每個石英諧振器上都覆蓋了一層用于吸收專門氣體的傳感器有多個諧振器，每個石英諧振器上都覆蓋了一層用于吸收專門氣體的選擇層，其中一個作為參考頻率，其余幾個是吸收不同專門氣體的選擇性諧選擇層，其中一個作為參考頻率，其余幾

33、個是吸收不同專門氣體的選擇性諧振器。如吸收到某種專門氣體，該選樣性諧振器隨所吸收氣體中含有物質(zhì)量振器。如吸收到某種專門氣體，該選樣性諧振器隨所吸收氣體中含有物質(zhì)量而使諧振頻率變化，使諧振頻率和標準參考頻率產(chǎn)生差別，從而測出該專門而使諧振頻率變化，使諧振頻率和標準參考頻率產(chǎn)生差別，從而測出該專門氣體的存在。氣體的存在。 圖圖1010諧振式多氣體微傳感器圖諧振式多氣體微傳感器圖 微機械和微機電系統(tǒng)24圖圖11所示是用來分析氣體的化學傳感器陣列所示是用來分析氣體的化學傳感器陣列(稱為電鼻子稱為電鼻子)，可解決未知氣體的，可解決未知氣體的識別問題。這種電鼻子是在識別問題。這種電鼻子是在10mm10mm

34、的氧化硅基板上集成的氧化硅基板上集成40個不同的化個不同的化學微傳感器學微傳感器- -微化學傳感器陣列。由于這些微化學傳感器上敏感元件的金屬氧微化學傳感器陣列。由于這些微化學傳感器上敏感元件的金屬氧化物涂層的差異，使它對不同氣體具有不同的靈敏度。將被分析氣體接觸時化物涂層的差異，使它對不同氣體具有不同的靈敏度。將被分析氣體接觸時產(chǎn)生的信號樣本與事先儲存的標準樣本用特殊編制的神經(jīng)網(wǎng)絡程序比較，即產(chǎn)生的信號樣本與事先儲存的標準樣本用特殊編制的神經(jīng)網(wǎng)絡程序比較，即可識別采得的信號樣本的氣體成分。這種可識別采得的信號樣本的氣體成分。這種“電鼻子電鼻子”巳用于確定葡萄的成熱巳用于確定葡萄的成熱程度，效果

35、良好。程度，效果良好。 圖圖1111探測氣體的化學微傳感器陣列探測氣體的化學微傳感器陣列- -電鼻子電鼻子 微機械和微機電系統(tǒng)25電化學傳感器一般是通過在液體中感應特種離子而工作的。電化電化學傳感器一般是通過在液體中感應特種離子而工作的。電化學傳感器可以與檢測流量，粘性和密度的傳感器集成在一起而形學傳感器可以與檢測流量，粘性和密度的傳感器集成在一起而形成測量網(wǎng)絡。成測量網(wǎng)絡?；瘜W和電化學微傳感器因體積小，便于將多個傳感器集成在一起化學和電化學微傳感器因體積小，便于將多個傳感器集成在一起實現(xiàn)多目標的檢測。實現(xiàn)多目標的檢測。除了上面介紹的微傳感器外，還有光線微傳感器、生物微傳感器除了上面介紹的微傳

36、感器外，還有光線微傳感器、生物微傳感器等。等。 微機械和微機電系統(tǒng)26微致動器又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動器，是微機電系統(tǒng)中執(zhí)行動作的微致動器又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動器，是微機電系統(tǒng)中執(zhí)行動作的部件。部件。從裝置的結構功能類型來看，微致動器可分為微旋轉(zhuǎn)電機、微直從裝置的結構功能類型來看，微致動器可分為微旋轉(zhuǎn)電機、微直線電機、微機構線電機、微機構(微齒輪、微軸、微梁、微軸承、微凸輪、微連桿、微齒輪、微軸、微梁、微軸承、微凸輪、微連桿、微振子等微振子等)、微夾持器、微閥門、微泵等。從驅(qū)動力來看，微致動、微夾持器、微閥門、微泵等。從驅(qū)動力來看，微致動器可分為靜電力、電磁力、電致伸縮力、形狀記憶合金的形狀恢器可分

37、為靜電力、電磁力、電致伸縮力、形狀記憶合金的形狀恢復力、熱變形、激光、液壓力、氣壓力、生物力驅(qū)動等。微致動復力、熱變形、激光、液壓力、氣壓力、生物力驅(qū)動等。微致動器因其尺寸極小，在設計中，選用驅(qū)動力時必須考慮尺寸效應的器因其尺寸極小，在設計中，選用驅(qū)動力時必須考慮尺寸效應的影響。影響。近年來，由于世界各國都對微機電系統(tǒng)極為重視，其中關鍵部件近年來，由于世界各國都對微機電系統(tǒng)極為重視，其中關鍵部件的微執(zhí)行器發(fā)展很快，現(xiàn)在已制成多種尺寸很小的微執(zhí)行器?，F(xiàn)的微執(zhí)行器發(fā)展很快，現(xiàn)在已制成多種尺寸很小的微執(zhí)行器?，F(xiàn)在微執(zhí)行器的尺寸一般是毫米級和微米級，其內(nèi)部組成元件的尺在微執(zhí)行器的尺寸一般是毫米級和微米

38、級，其內(nèi)部組成元件的尺寸已都是微米級。寸已都是微米級。 微機械和微機電系統(tǒng)27靜電執(zhí)行器的基本原理是兩個帶有相異電荷的圓盤互相吸引。靜靜電執(zhí)行器的基本原理是兩個帶有相異電荷的圓盤互相吸引。靜電力驅(qū)動的特點，首先是靜電力大小與電力驅(qū)動的特點，首先是靜電力大小與L2(面積面積)成正比，即微機成正比，即微機械尺寸越小，單位面積產(chǎn)生的作用力越大；其次采用電壓驅(qū)動不械尺寸越小，單位面積產(chǎn)生的作用力越大；其次采用電壓驅(qū)動不僅功耗低，而且易于控制和達到高速；此外靜電力驅(qū)動的微結構，僅功耗低，而且易于控制和達到高速；此外靜電力驅(qū)動的微結構，易于集成化制造。易于集成化制造。 微機械和微機電系統(tǒng)281988年，加

39、州大學伯克利分校研制成功了轉(zhuǎn)子直徑約為年，加州大學伯克利分校研制成功了轉(zhuǎn)子直徑約為60120m的靜電旋轉(zhuǎn)的靜電旋轉(zhuǎn)電機。結構如圖電機。結構如圖12所示，轉(zhuǎn)子有所示，轉(zhuǎn)子有4個電極，定子有個電極，定子有12個電極，均勻分布在轉(zhuǎn)子個電極，均勻分布在轉(zhuǎn)子周圍，每隔兩個電極并聯(lián)在一起，成為周圍，每隔兩個電極并聯(lián)在一起，成為3相相4極構造。由圖極構造。由圖(b)可以看到，轉(zhuǎn)子可以看到，轉(zhuǎn)子卡在中心軸的溝內(nèi)，不會脫出。轉(zhuǎn)子為多晶硅材料，在其外圈和內(nèi)圈沉積了卡在中心軸的溝內(nèi)，不會脫出。轉(zhuǎn)子為多晶硅材料，在其外圈和內(nèi)圈沉積了Si3N4膜，以減少摩擦，轉(zhuǎn)子和定子的間隙為膜，以減少摩擦，轉(zhuǎn)子和定子的間隙為2m，工

40、作電壓為，工作電壓為60400V。當向。當向定子的各電極依次施加電壓時，由靜電力作用使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。經(jīng)實測，電定子的各電極依次施加電壓時，由靜電力作用使電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。經(jīng)實測，電壓為壓為200V時，轉(zhuǎn)速為時，轉(zhuǎn)速為150r/min。但按理論計算，電壓為。但按理論計算，電壓為200V時，轉(zhuǎn)速應為時，轉(zhuǎn)速應為120000r/min，由于摩擦力使電機轉(zhuǎn)速大幅度降低，壽命也大幅度縮短。，由于摩擦力使電機轉(zhuǎn)速大幅度降低，壽命也大幅度縮短。 圖圖1212靜電旋轉(zhuǎn)電機靜電旋轉(zhuǎn)電機( (直徑直徑120m) 120m) 微機械和微機電系統(tǒng)29MIT的的Mehregahy等改進了上述電機：將轉(zhuǎn)子和中心軸等改進了上述

41、電機：將轉(zhuǎn)子和中心軸間的間隙減小到以下；轉(zhuǎn)子和定子電極間的間隙減少為；間的間隙減小到以下；轉(zhuǎn)子和定子電極間的間隙減少為；轉(zhuǎn)子下面由轉(zhuǎn)子下面由3個凸起點支承，減小了摩擦；在氮氣中個凸起點支承，減小了摩擦；在氮氣中工作，防止硅的氧化。改進后制成直徑工作，防止硅的氧化。改進后制成直徑100m，高，高2m的的多晶硅電機，轉(zhuǎn)速達到多晶硅電機，轉(zhuǎn)速達到10 000r/min，壽命達到，壽命達到1星期以上。星期以上。我國清華大學研制成功的硅基集成微靜電旋轉(zhuǎn)馬達，其轉(zhuǎn)我國清華大學研制成功的硅基集成微靜電旋轉(zhuǎn)馬達，其轉(zhuǎn)子半徑為子半徑為40m，轉(zhuǎn)子和定子由厚度為的多晶硅膜制成，轉(zhuǎn)子和定子由厚度為的多晶硅膜制成，轉(zhuǎn)

42、子與定子間的空氣間隙為轉(zhuǎn)子與定子間的空氣間隙為2m，驅(qū)動電壓為，驅(qū)動電壓為50176V，最高轉(zhuǎn)速約為最高轉(zhuǎn)速約為600r/min。 微機械和微機電系統(tǒng)30微靜電旋轉(zhuǎn)馬達廣泛應用于各種微機電系統(tǒng)中。圖微靜電旋轉(zhuǎn)馬達廣泛應用于各種微機電系統(tǒng)中。圖13是微靜電旋轉(zhuǎn)馬達是微靜電旋轉(zhuǎn)馬達在光線切換開關上的應用，這是一個在光線切換開關上的應用，這是一個18的開關。該馬達的轉(zhuǎn)子直徑為的開關。該馬達的轉(zhuǎn)子直徑為1mm，厚，厚20m，在轉(zhuǎn)子上安裝有一個高，在轉(zhuǎn)子上安裝有一個高500m寬寬900m的鏡子。的鏡子。圖圖1313旋轉(zhuǎn)式光線切換開關示意圖旋轉(zhuǎn)式光線切換開關示意圖 微機械和微機電系統(tǒng)31靜電直線電機是利用

43、靜電作用產(chǎn)生直線輸出運動的執(zhí)行器。有的采用平靜電直線電機是利用靜電作用產(chǎn)生直線輸出運動的執(zhí)行器。有的采用平行板產(chǎn)生驅(qū)動力，有的采用梳狀執(zhí)行器產(chǎn)生驅(qū)動力，有的采用幾種形式行板產(chǎn)生驅(qū)動力，有的采用梳狀執(zhí)行器產(chǎn)生驅(qū)動力，有的采用幾種形式的組合。靜電直線電機的工作原理如圖的組合。靜電直線電機的工作原理如圖14所示，該系統(tǒng)由一個沉積有電所示，該系統(tǒng)由一個沉積有電極運動件和一個電極固定件組成。通過對靜止電極施加一序列電壓，可極運動件和一個電極固定件組成。通過對靜止電極施加一序列電壓，可使帶電極的運動件產(chǎn)生直線運動。調(diào)節(jié)靜止電極上的電壓大小和正負，使帶電極的運動件產(chǎn)生直線運動。調(diào)節(jié)靜止電極上的電壓大小和正負

44、，便可以控制運動件的運動速度和運動方向。便可以控制運動件的運動速度和運動方向。圖圖1414靜電直線電機的工作原理靜電直線電機的工作原理 微機械和微機電系統(tǒng)32電磁型微致動器在毫米尺度時產(chǎn)生的磁感應力較大，動作的幅度電磁型微致動器在毫米尺度時產(chǎn)生的磁感應力較大，動作的幅度也較大，可用于電磁感應發(fā)電。在也較大，可用于電磁感應發(fā)電。在MEMS領域，已研究開發(fā)了多領域，已研究開發(fā)了多種電磁型微致動器，如電磁型微電機、微發(fā)電機、微泵、微繼電種電磁型微致動器，如電磁型微電機、微發(fā)電機、微泵、微繼電器、微鑷子、微光學開關等。器、微鑷子、微光學開關等。電磁型微致動器中還有一類磁致伸縮型微致動器。某些材料具有電

45、磁型微致動器中還有一類磁致伸縮型微致動器。某些材料具有磁致伸縮效應，即在磁場中它的幾何尺寸會發(fā)生變化，磁致伸縮磁致伸縮效應，即在磁場中它的幾何尺寸會發(fā)生變化，磁致伸縮效應又可分為縱向效應、橫向效應、扭轉(zhuǎn)效應和體積效應。效應又可分為縱向效應、橫向效應、扭轉(zhuǎn)效應和體積效應。磁致伸縮型微致動器是通過在磁致伸縮材料外面加一線圈，線圈磁致伸縮型微致動器是通過在磁致伸縮材料外面加一線圈，線圈通電產(chǎn)生磁場，使磁致伸縮材料尺寸變化而工作的。磁致伸縮型通電產(chǎn)生磁場，使磁致伸縮材料尺寸變化而工作的。磁致伸縮型微致動器的應用方式與壓電式微致動器很類似。微致動器的應用方式與壓電式微致動器很類似。 微機械和微機電系統(tǒng)3

46、3利用壓電材料的逆壓電效應，可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能，即將電利用壓電材料的逆壓電效應，可以將電能轉(zhuǎn)換為機械能，即將電壓壓(數(shù)十伏到數(shù)百伏數(shù)十伏到數(shù)百伏)加到壓電材料上時，壓電材料的長度加到壓電材料上時，壓電材料的長度(或厚度、或厚度、體積體積)將改變，從而產(chǎn)生位移、扭轉(zhuǎn)、振動等。由于壓電型微致動將改變，從而產(chǎn)生位移、扭轉(zhuǎn)、振動等。由于壓電型微致動器的動作可以有多種選擇，并且響應速度快，位移精度高且可控，器的動作可以有多種選擇，并且響應速度快，位移精度高且可控，輸出力大，穩(wěn)定可靠，因而在輸出力大，穩(wěn)定可靠，因而在MEMS驅(qū)動系統(tǒng)中應用極為廣泛，驅(qū)動系統(tǒng)中應用極為廣泛，目前它已用于微型機器人的行走機

47、構、微型機械手、激振器、壓目前它已用于微型機器人的行走機構、微型機械手、激振器、壓電原理的微閥和微泵等?，F(xiàn)在納米科技中廣泛使用的掃描探針顯電原理的微閥和微泵等?，F(xiàn)在納米科技中廣泛使用的掃描探針顯微鏡的三維掃描管、二維掃描工作臺、原子力顯微鏡微懸臂的激微鏡的三維掃描管、二維掃描工作臺、原子力顯微鏡微懸臂的激振等，也都使用壓電型致動器。下面是幾個壓電型微致動器的應振等，也都使用壓電型致動器。下面是幾個壓電型微致動器的應用實例。用實例。 微機械和微機電系統(tǒng)34圖圖15是一種壓電型細管微機器入在管道內(nèi)爬行的原理圖、該微機器人的爬行是一種壓電型細管微機器入在管道內(nèi)爬行的原理圖、該微機器人的爬行機構由質(zhì)量

48、塊、壓電元件和彈性腿組成、靜止時彈性腿和管壁間的摩擦力使機構由質(zhì)量塊、壓電元件和彈性腿組成、靜止時彈性腿和管壁間的摩擦力使微機器人保持不動，當施加緩慢增大的電壓時，壓電元件緩慢伸長帶動質(zhì)量微機器人保持不動，當施加緩慢增大的電壓時，壓電元件緩慢伸長帶動質(zhì)量塊前進；電壓突降，壓電元件突然縮短，這時質(zhì)量塊由于慣性而處于原位，塊前進；電壓突降，壓電元件突然縮短，這時質(zhì)量塊由于慣性而處于原位，壓電器件將帶動彈性腿前進，這個動作不斷重復，機器人即逐步蠕動向前爬壓電器件將帶動彈性腿前進，這個動作不斷重復，機器人即逐步蠕動向前爬行。如所加電壓是突然升高而緩慢降低的，則機器人將蠕動向后爬行。行。如所加電壓是突然

49、升高而緩慢降低的，則機器人將蠕動向后爬行。 圖圖15 5 壓電型細管微機器人的行走原理壓電型細管微機器人的行走原理 微機械和微機電系統(tǒng)35圖圖16所示是帶壓電所示是帶壓電V形腳的自行微機器人。其中圖形腳的自行微機器人。其中圖(a)是使用雙晶是使用雙晶片壓電元件制成的片壓電元件制成的V型驅(qū)動腳，控制加在壓電元件上的電壓，可型驅(qū)動腳，控制加在壓電元件上的電壓，可使使V形腳拾高或放下，向前或向后扭曲。裝有這種壓電形腳拾高或放下，向前或向后扭曲。裝有這種壓電V形腳的形腳的微機器人微機器人(圖圖(b)，由施加電壓控制，可向前、轉(zhuǎn)彎或向后行走。，由施加電壓控制，可向前、轉(zhuǎn)彎或向后行走。 圖圖16 6 帶壓

50、電帶壓電V V形腳的自行微機器人形腳的自行微機器人 微機械和微機電系統(tǒng)36圖圖17是一種壓電型硅微泵的結構示意圖。該泵的出口閥和進門閥均為單向閥。是一種壓電型硅微泵的結構示意圖。該泵的出口閥和進門閥均為單向閥。當電壓施加到壓電器件上時，壓電器件伸長，推動硅膜片向上變形，減小了當電壓施加到壓電器件上時，壓電器件伸長，推動硅膜片向上變形，減小了泵腔體積而使泵腔內(nèi)的流體從出口閥處流出泵腔體；反之，當壓電器件斷電泵腔體積而使泵腔內(nèi)的流體從出口閥處流出泵腔體；反之，當壓電器件斷電時，壓電器件縮短，硅膜片在彈性力作用下向下變形，增加了泵腔體積而使時，壓電器件縮短，硅膜片在彈性力作用下向下變形，增加了泵腔體

51、積而使泵腔外的流體從進口閥處流入泵腔體內(nèi)。泵腔外的流體從進口閥處流入泵腔體內(nèi)。 圖圖1717壓電型硅微泵壓電型硅微泵 圖圖1818壓電型微閥壓電型微閥 圖圖18所示為一種壓電型微閥的結構示意圖。當電壓加到壓電元件上時，它的所示為一種壓電型微閥的結構示意圖。當電壓加到壓電元件上時，它的長度增加，推動硅膜片使出氣口通道閉合。在不加電壓時，壓電元件縮短到長度增加，推動硅膜片使出氣口通道閉合。在不加電壓時，壓電元件縮短到原長度，出氣口被打開，壓電元件即可控制微閥的開關。原長度，出氣口被打開，壓電元件即可控制微閥的開關。 微機械和微機電系統(tǒng)37現(xiàn)在現(xiàn)在MEMS中使用的熱變形型微致動器主要有兩類：第一類是

52、雙中使用的熱變形型微致動器主要有兩類：第一類是雙金屬構造的微致動器，第二類是記憶合金的微致動器。金屬構造的微致動器，第二類是記憶合金的微致動器。雙金屬構造的微致動器的熱驅(qū)動原理是，雙金屬梁或膜被加熱升雙金屬構造的微致動器的熱驅(qū)動原理是，雙金屬梁或膜被加熱升溫時，將產(chǎn)生彎曲變形，推動微致動器運動?，F(xiàn)已制成多種雙金溫時，將產(chǎn)生彎曲變形，推動微致動器運動?，F(xiàn)已制成多種雙金屬微致動器，如微閥、微泵、微鑷子、微機器人手臂等，在響應屬微致動器，如微閥、微泵、微鑷子、微機器人手臂等，在響應速度要求不太高時，使用效果良好。速度要求不太高時，使用效果良好。形狀記憶合金的微致動器的工作原理是，電流通過記憶合金結構

53、形狀記憶合金的微致動器的工作原理是，電流通過記憶合金結構時，記憶合金溫度升高，產(chǎn)生變形，降溫后又恢復原來的形狀。時，記憶合金溫度升高，產(chǎn)生變形，降溫后又恢復原來的形狀。記憶合金微致動器的優(yōu)點是作用力和動作幅度均較大。這類材料記憶合金微致動器的優(yōu)點是作用力和動作幅度均較大。這類材料一般電阻較大，故通電流時溫升較快，但降溫需靠熱傳導和輻射一般電阻較大，故通電流時溫升較快，但降溫需靠熱傳導和輻射來散熱，雖然微機械的表面積相對較大，有利于散熱，但降溫的來散熱，雖然微機械的表面積相對較大，有利于散熱，但降溫的響應速度還不是很快，且不易控制，這是這種致動器的不足之處。響應速度還不是很快，且不易控制，這是這

54、種致動器的不足之處。 微機械和微機電系統(tǒng)38圖圖19是美國是美國Lawrence Livermore國家實驗室研制的微鉗結構圖。由國家實驗室研制的微鉗結構圖。由TiNiCu制制成的形狀記憶合金膜厚度為成的形狀記憶合金膜厚度為5m，Si懸臂梁厚度。整個微鉗臂長為懸臂梁厚度。整個微鉗臂長為900m，寬，寬度為度為380m，厚度，厚度200m。當將微鉗加熱到。當將微鉗加熱到70C時，時，TiNiCu薄膜收縮，鉗口薄膜收縮，鉗口可張開可張開110m；而冷卻時，利用；而冷卻時，利用Si基片自身的彈性，使鉗口回復加熱前的閉合基片自身的彈性，使鉗口回復加熱前的閉合狀態(tài)，這種微鉗在狀態(tài)，這種微鉗在30mW（空

55、氣中）或（空氣中）或150mW（水中）條件下，工作頻率可（水中）條件下，工作頻率可達達100Hz。因采用的。因采用的TiNiCu相變溫度均在人體溫度相變溫度均在人體溫度(37C)以上，且熱遲滯很以上，且熱遲滯很小小(約約-5C)，非常適用于醫(yī)療上的應用。，非常適用于醫(yī)療上的應用。 圖圖19 SMA19 SMA微鉗結構示意圖微鉗結構示意圖 微機械和微機電系統(tǒng)39對于需做運動的微機電系統(tǒng)，如微型機器人、微型車輛、微型飛對于需做運動的微機電系統(tǒng)，如微型機器人、微型車輛、微型飛機等，能源的供應成為重要難題。目前采用的有下列幾種能量供機等，能源的供應成為重要難題。目前采用的有下列幾種能量供應方法：應方法

56、：非接觸能量供應，如采用電磁感應、微波、電磁波等，這些方非接觸能量供應，如采用電磁感應、微波、電磁波等，這些方法的能量傳輸和接收都比較復雜，有一定的局限性。法的能量傳輸和接收都比較復雜，有一定的局限性。機電系統(tǒng)中裝蓄電池或光電池，但因受體積和質(zhì)量的限制，能機電系統(tǒng)中裝蓄電池或光電池，但因受體積和質(zhì)量的限制，能量供應有限，能源供應時間短，微系統(tǒng)工作的時間也短。量供應有限，能源供應時間短，微系統(tǒng)工作的時間也短。微系統(tǒng)中裝發(fā)動機微系統(tǒng)中裝發(fā)動機(如微型飛機如微型飛機)，但因受所裝燃料數(shù)量的限制，但因受所裝燃料數(shù)量的限制，微系統(tǒng)能工作的時間亦有限制。微系統(tǒng)能工作的時間亦有限制。微機電系統(tǒng)中裝燃料電池或

57、新化學電源，這是最新發(fā)展的能源，微機電系統(tǒng)中裝燃料電池或新化學電源，這是最新發(fā)展的能源，有希望能適當延長微系統(tǒng)的工作時間。有希望能適當延長微系統(tǒng)的工作時間。 微機械和微機電系統(tǒng)40微型機器人體積小、靈活機動、能通過狹窄通道進入狹小或惡劣微型機器人體積小、靈活機動、能通過狹窄通道進入狹小或惡劣環(huán)境的空間；其次是很好的隱蔽性，進行偵察工作而不被敵方發(fā)環(huán)境的空間；其次是很好的隱蔽性，進行偵察工作而不被敵方發(fā)現(xiàn)。微飛行器從廣義上講也應屬于微機器人，但因它有較多特殊現(xiàn)。微飛行器從廣義上講也應屬于微機器人，但因它有較多特殊性，故平時不把它算在微機器人范疇內(nèi)。微機器人近年來發(fā)展迅性，故平時不把它算在微機器人

58、范疇內(nèi)。微機器人近年來發(fā)展迅速，有軍民兩用性質(zhì)，目前己取得很多成果。速，有軍民兩用性質(zhì)，目前己取得很多成果。 微機械和微機電系統(tǒng)41微型機器人要自動行走，就必須有行走機構?，F(xiàn)在微機器人的行微型機器人要自動行走，就必須有行走機構?，F(xiàn)在微機器人的行走機構主要有：走機構主要有：輪式行走機構，只適宜在較平坦的地面上行駛。輪式行走機構，只適宜在較平坦的地面上行駛。履帶式行走機構，可以在不平坦的地面上行駛。履帶式行走機構，可以在不平坦的地面上行駛。用腳行走，用得最多的是四腳和六腳的行走機構，如要求在不用腳行走，用得最多的是四腳和六腳的行走機構，如要求在不平坦的地面上行走，則機構較復雜。平坦的地面上行走，則

59、機構較復雜?？繎T性或自動伸縮的步進蠕動式行走機構。靠慣性或自動伸縮的步進蠕動式行走機構。在液體中用螺旋槳或其他方式推動前進的驅(qū)動機構。在液體中用螺旋槳或其他方式推動前進的驅(qū)動機構。微機器人的外形樣式較多，用輪子或履帶行走的微機器人外形多微機器人的外形樣式較多，用輪子或履帶行走的微機器人外形多數(shù)像小車，用腳行走的微機器人外形多數(shù)像昆蟲，此外還有真空數(shù)像小車，用腳行走的微機器人外形多數(shù)像昆蟲，此外還有真空吸附爬壁微機器人、微管道機器人等。吸附爬壁微機器人、微管道機器人等。除有行走機構外還應有行走路徑，遇障礙物時能隨時調(diào)整行走方除有行走機構外還應有行走路徑，遇障礙物時能隨時調(diào)整行走方向并走向目的地。

60、可以按預先編制好的軟件走設定的行走路徑，向并走向目的地?？梢园搭A先編制好的軟件走設定的行走路徑，也可以遙控指揮行走。為適應偵察任務時的多變情況，微機器人也可以遙控指揮行走。為適應偵察任務時的多變情況，微機器人必須在隱蔽的地方獨立行走，避開障礙物走向預定目標，這就要必須在隱蔽的地方獨立行走，避開障礙物走向預定目標，這就要求它具有人工智能，能自動尋找行走路線，走向目的地。求它具有人工智能，能自動尋找行走路線，走向目的地。 微機械和微機電系統(tǒng)42微機器人要具有一定的人的行為功能，就需要配備相應的設備。微機器人要具有一定的人的行為功能，就需要配備相應的設備。例如配備有微型照相機或攝像機、微型數(shù)字信息處