微机电系统及应用-应用课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,微机电系统及应用,应用,微机电系统及应用 应用,1,概述,微机电系统在汽车工业中的应用,微机电系统在通信中的应用,微机电系统在医学上的应用,微型泵的应用,微镜投影仪,微机电系统在军事上的应用,概述微机电系统在汽车工业中的应用,2,在汽车工业中的应用,在现代化的汽车中，为了提高汽车的安全性和各种性能，需要各种高效、高精度、高可靠性和低成本的电子和机械装置。一般的汽车平均使用40个传感器，而豪华型汽车所使用的传感器达到上百个。,事实表明：微机电传感器在汽车工业的发展中起着重要的作用，未来微机电技术的发展将使汽车的各个系统更加智能化、轻量化以及更加便宜可靠。,在汽车工业中的应用在现代化的汽车中，为了提高汽车的安全性和各,3,微机电传感器在汽车中的应用,智能型低污染发动机,：包括进气流量控制，电子喷油控制，汽缸压力测量，汽缸压力测量，油/气比值测量，电子点火适时控制，排气成分分析，油门踏板位置测量等。,智能型活动底盘,：包括车辆悬挂系统，减振系统，车轮偏向修正系统，方向盘角度测量，轮胎压力测量与控制，刹车油压测量与控制，底盘高度测量与控制等。,智能型安全与导航,：包括辅助停车系统，防撞警告系统，雾中视觉辅助系统，速度测量，路面状况虚拟系统，陀螺仪，辅助刹车(,ABS,等)，车距测量，智能型安全气囊等。,微机电传感器在汽车中的应用智能型低污染发动机：包括进气流量控,4,汽车中使用的,MEMS,传感器,目前在汽车上应用较多的是微硅压力传感器和加速度传感器。,汽车中使用的MEMS传感器 目前在汽车上应用较多的是微硅压力,5,压力传感器,自1958年首次出现硅结构的压力传感器，它已经成为目前技术最成熟的硅微机械器件。其价格已经从六十年代的1000美元下降到现在的几个美元。,用于汽车上的硅微传感器原理主要有两种：压阻式和电容式。其制造方法主要有两种：采用单晶硅的体硅微加工和采用多晶硅的表面硅微加工。,欧洲压力传感器供应商主要有,Simens,公司、,Bosch,公司等，美国主要为,Motorola,公司、,Honeywell,公司等。,压力传感器 自1958年首次出现硅结构的压力传感器，它已经成,6,硅压力传感器,在汽车中的应用,发动机控制和传动系统。例如：流量绝对压力测量，气压测量，排气回流测量，燃料压力测量等。,悬挂/制动和牵引控制系统。例如：轮胎压力监测，主动悬挂液压测量。,驾驶与乘座环境控制系统。例如:座椅腰部支撑压力测量，空调控制压力传感器。,硅压力传感器在汽车中的应用发动机控制和传动系统。例如：流量绝,7,加速度传感器,在硅压力传感器研制成功之后，硅加速度传感器作为另一类硅微机械传感器大量进入市场。第一个硅微机械加速度传感器于1979年由,Stanford,大学发明。,如今已经出现了基于各种不同原理的加速度传感器，如：压电、压阻、电容、隧道、谐振等。目前，多晶硅表面微机械电容式和单晶硅体硅加速度传感器占领了汽车加速度传感器市场的大部分份额。每年的产量已经超过数百万只，使得其价格下降到10美元以下，例如,AD,公司一个月的产量就达到两百万只。,加速度传感器 在硅压力传感器研制成功之后，硅加速度传感器作为,8,加速度传感器,硅加速度传感器主要应用在碰撞探测与气囊释放系统中。安全气囊传感器一般安装在汽车发生碰撞时受到挤压的部位，传感器根据碰撞的严重程度，适时使气囊作用。另一种传感器安置在非挤压的区域，这种传感器常称为安全传感器，它能够防止乘客无意磕碰(或摸弄)前部的传感器而使气囊作用。,除安全气囊外，加速度计还用于汽车的悬挂系统和防抱死制动系统。,加速度传感器 硅加速度传感器主要应用在碰撞探测与气囊释放系统,9,加速度传感器,汽车用硅微加速度计主要有两种，压阻式加速度计和电容式加速度计,压阻式加速度计具有直流响应，输出阻抗很低，有很宽的工作温度范围(50150)，其缺点是输出信号中等以及比较复杂的温度灵敏系数和零点补偿。常用于汽车中的有源悬挂的控制，在这种控制中需要良好的低频特性。,电容式加速度传感器的特点是：温度灵敏系数低，信号拾取简单，运动零件少，工作可靠，灵敏度高，对磁场不敏感，很容易实现自检。其缺点是：频响范围和精度受到限制，校准困难。由于极小的寄生电容就会严重地影响其线性电路，因此信号处理电路的设计很困难。,加速度传感器 汽车用硅微加速度计主要有两种，压阻式加速度计和,10,微机电系统在通信中的应用,光开关,微型化技术可以制造非常小、高容量的光开光阵列。这些光开光可以使得信号通过光路从一条光纤耦合到另一条光纤而不需要将其变成电信号。目前的光纤传输速度已经超过电开关的最大能力，电开关的处理速度已经成为光纤通信系统中的瓶颈，光互联器的出现有可能解决这个问题。,光开关主要使用四种方法实现：机械方法（光纤弯曲）、平面波导（其中的加热器和帕尔帖器件改变折射率从而改变光路）、动反射镜、以及气泡型（气泡在交叉波导间反射光线）。,微机电系统在通信中的应用 光开关,11,微机电系统在通信中的应用,无线通信中的应用,目前世界上许多国家的研究机构都在进行,RF MEMS,在手机和其它无线通信产品上的应用。已经有多种,RF MEMS,无源器件可以制作在硅或其它材料的基片上，某些元件的制作还与,IC,技术兼容。,RF MEMS,技术除了使器件尺寸变小，还弥补了传统方法的其他某些缺点。,例如，用,MEMS,技术制作的悬臂梁式开关在闭合时是金属直接接触，关闭时绝缘物是空气或,SiO,2,、Si,3,N,4,，,而且操作过程中没有漏电流，所以在绝缘性、插入损耗、线性方面远远胜过传统方法制作的开关。另外，悬浮式薄膜可变电容，因为其结构减小了衬底损耗，比,IC,技术制造的二极管电容具有更好的品质因数。,微机电系统在通信中的应用 无线通信中的应用,12,微机电系统在医学上的应用,人造脏器,这类装置中典型的例子是助听器，带有集成微麦克风、扬声器和能源、适合外耳道的系统在市场上已可以买到，通过特殊匹配技术来提高患者的听力。,微机电系统在医学上的应用 人造脏器,13,微机电系统在医学上的应用,植入治疗,早在30年前，第一个微机电系统就作为心脏起搏器在医疗技术中得到应用的。目前的起搏器可利用,MEMS,传感器，监测心脏跳动情况，控制起搏器的发生的信号。,对某些耳部的机械成份受到损伤的病人，其听觉神经(耳蜗)仍正常。使用外部微麦克风，用来接收声信息，并转换成相应的信号，利用由电极组成的线与耳蜗联接起来，可以对听觉神经进行电刺激。根据特殊的训练，患者就可以把这些脉冲剌激转换成听觉信息。,今后的技术发展可能会利用微机电系统来代替有缺陷的视网膜，图像可由盲人眼中或眼附近的,CCD,装置来接收，利用电刺激传送给视网膜的神经反射。人们希望通过一段训练，患者可以学会把这种信息转换成鲜明的图像。,微机电系统在医学上的应用 植入治疗,14,微机电系统在医学上的应用,体内显微手术,体内手术所需的微机电系统包括微手术钳、微手术刀、微手术钻等。微手术钳可用来夹持单独的细胞，也可当带上传感器作为探针使用。微手术刀可用来将被微手术钳夹持的疾病组织切除。微手术钻是由一系列齿轮构成，可用来清除血管内的障碍或动脉里多余的脂肪。,此外，微手术剪、微内窥镜、微导管等微机械都是微手术系统必需的工具。,微机电系统在医学上的应用 体内显微手术,15,微机电系统在医学上的应用,体内显微手术,作为智能内窥镜的微系统也要把致动器集成到里面，通过外科医生从外部来控制致动器，并且由所安装的传感器来监测。这种柔性内窥镜的一个重要特性是能够利用其本身的传动装置在人的血管中行走，能够搜索并对准手术部位。,目前人们将虚拟现实技术、计算机控制技术、,MEMS,机器人技术与微内窥镜技术结合起来，使得医生可以远程体内手术。2001年在纽约的医生通过远程操作为远在法国的病人进行了胆囊手术，这是世界上首例远程手术。,微机电系统在医学上的应用 体内显微手术,16,微型泵的应用,微流动系统是微机电系统的一个重要分支，近年来已经成为热门的研究领域。微泵作为一个重要的微流动系统的执行器件，是其发展水平的重要标志。微型泵在生命科学、生物医学以及微型航天器等许多方面都有重要的应用。,微型泵的应用 微流动系统是微机电系统的一个重要分支，近年来已,17,微型泵的应用,微流动系统是微机电系统的一个重要分支，近年来已经成为热门的研究领域。微泵作为一个重要的微流动系统的执行器件，是其发展水平的重要标志。微型泵在生命科学、生物医学以及微型航天器等许多方面都有重要的应用。,微透析,、,微量注射,、,微推进,微型泵根据其有无可动阀片可分为有阀型微泵和无阀型微泵。有阀型微泵往往基于机械驱动，原理简单，制造工艺成熟，易于控制，是目前应用的主流；无阀型微泵则常常利用流体在微尺度下的新特性，原理比较新颖，更适于微型化，具有更大的发展前景。,微型泵的应用 微流动系统是微机电系统的一个重要分支，近年来已,18,微镜投影仪,1987年德州仪器公司开发出的第一个数字微镜器件（,Digital Micromirror Device，DMD）,是一种典型的微机电系统器件。一个数字微镜器件为一个在硅基底上的二维光开光元件（像素）阵列。,如图所示，其中一个像素被除去，可看到铝反射镜下面的硅片 。,目前，,DMD,的最大像素数量为120万，每个像素的大小为16,m16m，,填充系数为90。到2000年3月，已经有超过75万台基于,DMD,的投影仪投入市场。,微镜投影仪 1987年德州仪器公司开发出的第一个数字微镜器件,19,微镜投影仪,DMD,中的两个像素示意图，包括下面的硅片和电路。,每个像素都是由一个中间由中心柱支撑的铝微反射镜构成。微镜的中心柱在镜子的背面，置于铝的金属支架上，支架置于,L,形的铰链（由,Al,合金制成）上，铰链由两根固定柱架在基片上面。,微镜投影仪 DMD中的两个像素示意图，包括下面的硅片和电路。,20,微机电系统在军事上的应用,微型飞行器技术,微型水下潜器,微型机器人,微型航天器（微纳卫星）,微机电系统在军事上的应用 微型飞行器技术,21,