静电驱动：微电子机械系统中的平行板电容器应用

"微镜控制-微电子机械系统工程导论" 微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, 简称MEMS）工程是现代科技领域的一个重要分支，涉及微型器件的设计、制造和应用。微镜控制是MEMS技术中的一个关键组成部分，用于精确调整微型反射镜的位置，例如在光学通信、激光扫描和数字投影等领域。"微镜"在这里指的是能够通过微小机械动作改变反射角度的微型镜子。 本章节主要探讨了静电敏感与执行机理，这是许多MEMS器件工作原理的基础。静电传感器和执行器可以相互转换，既能检测微小变化，也能引起物理运动。它们在微小尺度下利用静电驱动，具备如下的特点： 1. 结构简单：设计和制造过程相对简洁。 2. 功耗低：运行所需的能量较小。 3. 响应速度快：能快速响应输入信号。 4. 需要高电压：由于电容小，达到有效运动往往需要较高的电压。 5. 电容小：导致需要较大电压来存储相同电量。 平行板电容器是静电驱动中最常见的基本元件。其电容计算公式为C = ε0 * A / d，其中C是电容，ε0是真空介电常数，A是两板正对面积，d是两板间距。当施加电压时，电容器会产生电场力，使平行板执行器产生位移。在偏压作用下，执行器会在平衡位置工作，机械回复力和静电力相切，这决定了执行器的吸合电压。 平行板电容器在MEMS中有着广泛应用： - 惯性传感器：利用加速度改变电容值来检测物体的运动状态。 - 悬臂结构：常用于微开关或微执行器，当受到外力时，悬臂会改变电容。 - 加速度计：例如平行板电容加速度计，可以测量物体的加速度，广泛应用于手机、汽车安全系统等。 - 扭转平行板电容加速度计：通过扭转运动来检测加速度，增加了灵敏度和稳定性。 - 压力传感器：薄膜式平行板压力传感器能将压力变化转化为电容变化，用于气压、血压等测量。 - 电容式传声器：利用声音振动改变电容来捕获声音信号，常见于手机麦克风。 - 流量传感器：通过检测流体改变电容的方式监控流速和流量。 - 触觉传感器：用于机器人或虚拟现实设备，感知接触和压力。 - 平行板执行器：例如线性静电微电机，可产生大驱动力，用于精密定位和移动。 微镜控制在数字微镜设备（Digital Micromirror Device, DMD）中尤为关键，DMD由成千上万的微镜组成，每个微镜都能独立翻转，通过控制微镜的角度来实现像素级别的光开关，广泛应用于投影显示技术，如DLP投影仪。 总结来说，微电子机械系统工程中的微镜控制涉及到静电驱动的理论基础，特别是平行板电容器的工作原理及其广泛应用。这些技术的进步推动了微型化、智能化设备的发展，极大地扩展了我们的生活和科研领域。