微機電系統(tǒng)及應用-應用課件

微機電系統(tǒng)及應用

應用

概述微機電系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的應用微機電系統(tǒng)在通信中的應用微機電系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用微型泵的應用微鏡投影儀微機電系統(tǒng)在軍事上的應用在汽車工業(yè)中的應用在現(xiàn)代化的汽車中，為了提高汽車的安全性和各種性能，需要各種高效、高精度、高可靠性和低成本的電子和機械裝置。一般的汽車平均使用40個傳感器，而豪華型汽車所使用的傳感器達到上百個。事實表明：微機電傳感器在汽車工業(yè)的發(fā)展中起著重要的作用，未來微機電技術的發(fā)展將使汽車的各個系統(tǒng)更加智能化、輕量化以及更加便宜可靠。微機電傳感器在汽車中的應用智能型低污染發(fā)動機：包括進氣流量控制，電子噴油控制，汽缸壓力測量，汽缸壓力測量，油/氣比值測量，電子點火適時控制，排氣成分分析，油門踏板位置測量等。智能型活動底盤：包括車輛懸掛系統(tǒng)，減振系統(tǒng)，車輪偏向修正系統(tǒng)，方向盤角度測量，輪胎壓力測量與控制，剎車油壓測量與控制，底盤高度測量與控制等。智能型安全與導航：包括輔助停車系統(tǒng)，防撞警告系統(tǒng)，霧中視覺輔助系統(tǒng)，速度測量，路面狀況虛擬系統(tǒng)，陀螺儀，輔助剎車(ABS等)，車距測量，智能型安全氣囊等。汽車中使用的MEMS傳感器

目前在汽車上應用較多的是微硅壓力傳感器和加速度傳感器。

壓力傳感器

自1958年首次出現(xiàn)硅結構的壓力傳感器，它已經成為目前技術最成熟的硅微機械器件。其價格已經從六十年代的1000美元下降到現(xiàn)在的幾個美元。用于汽車上的硅微傳感器原理主要有兩種：壓阻式和電容式。其制造方法主要有兩種：采用單晶硅的體硅微加工和采用多晶硅的表面硅微加工。歐洲壓力傳感器供應商主要有Simens公司、Bosch公司等，美國主要為Motorola公司、Honeywell公司等。

硅壓力傳感器在汽車中的應用發(fā)動機控制和傳動系統(tǒng)。例如：流量絕對壓力測量，氣壓測量，排氣回流測量，燃料壓力測量等。懸掛/制動和牽引控制系統(tǒng)。例如：輪胎壓力監(jiān)測，主動懸掛液壓測量。駕駛與乘座環(huán)境控制系統(tǒng)。例如:座椅腰部支撐壓力測量，空調控制壓力傳感器。加速度傳感器

在硅壓力傳感器研制成功之后，硅加速度傳感器作為另一類硅微機械傳感器大量進入市場。第一個硅微機械加速度傳感器于1979年由Stanford大學發(fā)明。如今已經出現(xiàn)了基于各種不同原理的加速度傳感器，如：壓電、壓阻、電容、隧道、諧振等。目前，多晶硅表面微機械電容式和單晶硅體硅加速度傳感器占領了汽車加速度傳感器市場的大部分份額。每年的產量已經超過數百萬只，使得其價格下降到10美元以下，例如AD公司一個月的產量就達到兩百萬只。加速度傳感器

硅加速度傳感器主要應用在碰撞探測與氣囊釋放系統(tǒng)中。安全氣囊傳感器一般安裝在汽車發(fā)生碰撞時受到擠壓的部位，傳感器根據碰撞的嚴重程度，適時使氣囊作用。另一種傳感器安置在非擠壓的區(qū)域，這種傳感器常稱為安全傳感器，它能夠防止乘客無意磕碰(或摸弄)前部的傳感器而使氣囊作用。除安全氣囊外，加速度計還用于汽車的懸掛系統(tǒng)和防抱死制動系統(tǒng)。加速度傳感器

汽車用硅微加速度計主要有兩種，壓阻式加速度計和電容式加速度計壓阻式加速度計具有直流響應，輸出阻抗很低，有很寬的工作溫度范圍(－50~＋150℃)，其缺點是輸出信號中等以及比較復雜的溫度靈敏系數和零點補償。常用于汽車中的有源懸掛的控制，在這種控制中需要良好的低頻特性。電容式加速度傳感器的特點是：溫度靈敏系數低，信號拾取簡單，運動零件少，工作可靠，靈敏度高，對磁場不敏感，很容易實現(xiàn)自檢。其缺點是：頻響范圍和精度受到限制，校準困難。由于極小的寄生電容就會嚴重地影響其線性電路，因此信號處理電路的設計很困難。微機電系統(tǒng)在通信中的應用

光開關

微型化技術可以制造非常小、高容量的光開光陣列。這些光開光可以使得信號通過光路從一條光纖耦合到另一條光纖而不需要將其變成電信號。目前的光纖傳輸速度已經超過電開關的最大能力，電開關的處理速度已經成為光纖通信系統(tǒng)中的瓶頸，光互聯(lián)器的出現(xiàn)有可能解決這個問題。光開關主要使用四種方法實現(xiàn)：機械方法（光纖彎曲）、平面波導（其中的加熱器和帕爾帖器件改變折射率從而改變光路）、動反射鏡、以及氣泡型（氣泡在交叉波導間反射光線）。

微機電系統(tǒng)在通信中的應用

無線通信中的應用目前世界上許多國家的研究機構都在進行RFMEMS在手機和其它無線通信產品上的應用。已經有多種RFMEMS無源器件可以制作在硅或其它材料的基片上，某些元件的制作還與IC技術兼容。RFMEMS技術除了使器件尺寸變小，還彌補了傳統(tǒng)方法的其他某些缺點。例如，用MEMS技術制作的懸臂梁式開關在閉合時是金屬直接接觸，關閉時絕緣物是空氣或SiO2、Si3N4，而且操作過程中沒有漏電流，所以在絕緣性、插入損耗、線性方面遠遠勝過傳統(tǒng)方法制作的開關。另外，懸浮式薄膜可變電容，因為其結構減小了襯底損耗，比IC技術制造的二極管電容具有更好的品質因數。微機電系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用

人造臟器

這類裝置中典型的例子是助聽器，帶有集成微麥克風、揚聲器和能源、適合外耳道的系統(tǒng)在市場上已可以買到，通過特殊匹配技術來提高患者的聽力。微機電系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用

植入治療

早在30年前，第一個微機電系統(tǒng)就作為心臟起搏器在醫(yī)療技術中得到應用的。目前的起搏器可利用MEMS傳感器，監(jiān)測心臟跳動情況，控制起搏器的發(fā)生的信號。對某些耳部的機械成份受到損傷的病人，其聽覺神經(耳蝸)仍正常。使用外部微麥克風，用來接收聲信息，并轉換成相應的信號，利用由電極組成的線與耳蝸聯(lián)接起來，可以對聽覺神經進行電刺激。根據特殊的訓練，患者就可以把這些脈沖剌激轉換成聽覺信息。今后的技術發(fā)展可能會利用微機電系統(tǒng)來代替有缺陷的視網膜，圖像可由盲人眼中或眼附近的CCD裝置來接收，利用電刺激傳送給視網膜的神經反射。人們希望通過一段訓練，患者可以學會把這種信息轉換成鮮明的圖像。微機電系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用

體內顯微手術

體內手術所需的微機電系統(tǒng)包括微手術鉗、微手術刀、微手術鉆等。微手術鉗可用來夾持單獨的細胞，也可當帶上傳感器作為探針使用。微手術刀可用來將被微手術鉗夾持的疾病組織切除。微手術鉆是由一系列齒輪構成，可用來清除血管內的障礙或動脈里多余的脂肪。此外，微手術剪、微內窺鏡、微導管等微機械都是微手術系統(tǒng)必需的工具。微機電系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用

體內顯微手術

作為智能內窺鏡的微系統(tǒng)也要把致動器集成到里面，通過外科醫(yī)生從外部來控制致動器，并且由所安裝的傳感器來監(jiān)測。這種柔性內窺鏡的一個重要特性是能夠利用其本身的傳動裝置在人的血管中行走，能夠搜索并對準手術部位。目前人們將虛擬現(xiàn)實技術、計算機控制技術、MEMS機器人技術與微內窺鏡技術結合起來，使得醫(yī)生可以遠程體內手術。2001年在紐約的醫(yī)生通過遠程操作為遠在法國的病人進行了膽囊手術，這是世界上首例遠程手術。微型泵的應用

微流動系統(tǒng)是微機電系統(tǒng)的一個重要分支，近年來已經成為熱門的研究領域。微泵作為一個重要的微流動系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是其發(fā)展水平的重要標志。微型泵在生命科學、生物醫(yī)學以及微型航天器等許多方面都有重要的應用。

微型泵的應用

微流動系統(tǒng)是微機電系統(tǒng)的一個重要分支，近年來已經成為熱門的研究領域。微泵作為一個重要的微流動系統(tǒng)的執(zhí)行器件，是其發(fā)展水平的重要標志。微型泵在生命科學、生物醫(yī)學以及微型航天器等許多方面都有重要的應用。微透析、微量注射、微推進微型泵根據其有無可動閥片可分為有閥型微泵和無閥型微泵。有閥型微泵往往基于機械驅動，原理簡單，制造工藝成熟，易于控制，是目前應用的主流；無閥型微泵則常常利用流體在微尺度下的新特性，原理比較新穎，更適于微型化，具有更大的發(fā)展前景。

微鏡投影儀

1987年德州儀器公司開發(fā)出的第一個數字微鏡器件（DigitalMicromirrorDevice，DMD）是一種典型的微機電系統(tǒng)器件。一個數字微鏡器件為一個在硅基底上的二維光開光元件（像素）陣列。如圖所示，其中一個像素被除去，可看到鋁反射鏡下面的硅片。目前，DMD的最大像素數量為120萬，每個像素的大小為16μm×16μm，填充系數為90％。到2000年3月，已經有超過75萬臺基于DMD