第4章 传感器设计、建模与仿真

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1、第4章 微传感器设计、建模与仿真 微传感器不是传统传感器简单的几何缩小。当结构尺寸达到微米甚至纳米尺度以后会产生许多新的物理现象：物理法则不同。 若在两个系统中有几种同样的因素在起作用，但各因素对系统影响的排序不同，则称此两个系统的物理法则不同。导致物理法则不同的原因有几何（尺寸、形状）的、物性的（材质、场）和结构（几何与物性耦合）的。通常说得最多的是尺寸原因，即尺寸效应。 系统行为不同。 当尺寸变小时，系统的运动易由连续转为间歇、由平稳转为突发、由较易预测转为较难预测。 设计、制造、检测手法不同。 微传感器的设计思想也和宏传感器有很大差别。在进行微传感器设计时应注意：a.充分发挥微传感器集成

2、化程度高的优势，引入光、电、声、磁等技术；b.微传感器输出的功率小，且其本身所能承受的力也小（强度不足）应尽量避免与外部世界直接进行耦合；c.对环境的要求严格。设计时要充分考虑外界环境如温度、湿度、灰尘等的影响；d.输出信号微弱，传统的测量工具难以检测，需开发新的实验和测量设备；e.器件的缩小导致惯性小，热容量低，易获得高灵敏度和快响应，在建模、设计时需要考虑这些问题带来的影响。4.1 微传感器设计微传感器设计图4-1 微传感器自顶向下设计流程4.1.1 尺度定律尺度定律典型微传感器敏感单元尺寸在0.1m0.1mm之间，小尺寸能够实现柔性支撑，带来高谐振频率和低热惯性，减小占用空间。当尺寸缩小

3、到微米或纳米量级时，各种作用力的相对重要性发生变化，会产生与宏观世界有很大差别的微尺度现象。传统机械做功则主要与体积力有关，而微结构中，静电力表面力弹性力和粘性力惯性力、体积力及电磁力。尺寸越小，材料内部缺陷出现的可能性越小，机械强度提高越大。微传感器材料的性能受加工工艺过程影响。误差效应。加工误差由加工方法引起，对于微传感器结构，加工误差与结构尺寸之比相对增大，致使微结构的性能受误差影响较大。4.1.2 微动力学微动力学微传感器动力学主要研究微传感器在各种力作用下的运动状态的定性和定量的变化规律。微传感器的动力学行为与特征长度有关。在宏观力学中，牛顿力学是建立动力学模型的基础。而微观，特别是

4、纳米级微观，牛顿力学失去作用。目前关于微传感器的精密动力学分析还较缺乏，没有基本的设计原则，甚至几乎没有辅助设计微传感器的支持系统。对于敏感单元为原子和分子级的微传感器，则需要应用量子统计动力学来描述。目前，多数微传感器的敏感单元尺寸属于微米级或亚毫米级，仍可以用牛顿力学指导其建模。也就是说介质连续性等宏观假设依然成立，有限元法，有限差分法，边界元法等也适用于微传感器的动力特性分析。4.1.3 微摩擦微摩擦 微摩擦特性微传感器中，尺度的减小使得微传感器中面力代替体力而占主导地位。因为微传感器部件尺寸小，本身能提供的能量也很小，所以要在微传感器设计中尽可能地降低摩擦损耗。微摩擦特征有： 微摩擦过

5、程产生黏滑现象。实践证明，驱动力弱造成MEMS中的摩擦副通常为极低速滑动，表面黏着效应得到强化，严重影响器件的正常运动。两表面间隙处于纳米量级时，表面力的作用使两表面黏附在一起，造成MEMS器件运动失效，对器件的制造生产过程也会也会产生影响。宏观中采用Bowdon和Tabor建立的黏着摩擦模型是否能应用在微观中仍不确定。温度影响摩擦。微摩擦过程中表面产生热能，弹性模量、硬度以及润滑性等都随着温度的升高而蜕化，反过来又加大摩擦，该种情况与宏观摩擦有相似之处。宏观摩擦定律为 ，而研究发现，在微观中摩擦力与面积有关。微传感器常利用摩擦力作为牵引力或驱动力（如驱动器或移动部件），此时要求摩擦力稳定而且