微執(zhí)行器導(dǎo)論[特選參考]

1、微執(zhí)行器導(dǎo)論 讀書筆記摘要：微執(zhí)行器可用來產(chǎn)生力和機械運動，是微機電系統(tǒng)中的重要組成部分。根據(jù)敏感源和執(zhí)行方式的不同，微執(zhí)行器主要分為靜電執(zhí)行器、熱執(zhí)行器、壓電執(zhí)行器、磁執(zhí)行器等四大類。本文從原理、制備及應(yīng)用實例等方面分別對這幾類執(zhí)行器進行了詳細的介紹，并簡單總結(jié)了不同執(zhí)行器的獨特性能和優(yōu)缺點。1、簡介MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展帶來了傳感器和執(zhí)行器的革命性變化。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，并按照一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。執(zhí)行器可接收控制信息并對受控對象施加控制作用，主要用來產(chǎn)生機械運動

2、、力和扭矩。傳感器和執(zhí)行器統(tǒng)稱為換能器，利用換能器可以實現(xiàn)信號和能量的轉(zhuǎn)換。目前受到廣泛關(guān)注的能量領(lǐng)域有電能、機械能、化學(xué)能、輻射能、磁能和熱能。一個系統(tǒng)的能量可以有一個或多個不同的能量域組成，在不同環(huán)境下能量可以在各個能域之間進行轉(zhuǎn)換。由于MEMS的微小化和小尺寸效應(yīng)，微執(zhí)行器并非是簡單的傳統(tǒng)機械的微型化，其驅(qū)動方式與傳統(tǒng)機械大有不同，甚至?xí)捎枚喾N執(zhí)行機制來實現(xiàn)特定功能的微執(zhí)行器驅(qū)動。微執(zhí)行器作為可動部分，其動作范圍的大小、動作效率的高低、動作的可靠性等指標決定了系統(tǒng)的成敗，它是微機電系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。在微執(zhí)行器的設(shè)計和選擇過程中，有以下幾個標準必須考慮：(1)扭矩和力的輸出能力；(2)

3、位移范圍；(3)動態(tài)響應(yīng)速度和帶寬；(4)材料來源及加工的難易程度；(5)功耗的能量的轉(zhuǎn)換效率；(6)驅(qū)動偏置函數(shù)的線性位移；(7)交叉靈敏度和環(huán)境穩(wěn)定性；(8)芯片占用面積等。這些因素在很大程度上影響微執(zhí)行器的性能、生產(chǎn)成本的高低以及商業(yè)化生產(chǎn)的程度等。因此，對微執(zhí)行器的研究是微機電系統(tǒng)的核心內(nèi)容，是超精密加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。2、執(zhí)行器工作原理、分類及實例微執(zhí)行器將能量由非機械能的形式轉(zhuǎn)化為機械能，對于某種特定的執(zhí)行器驅(qū)動，通常會有多種能量轉(zhuǎn)換機制。由于對某一傳感器和執(zhí)行過程來講，能量轉(zhuǎn)換的形式有很多，如靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動、熱敏感驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動等，每一種轉(zhuǎn)換途徑都會要求

4、不同的敏感材料、加工方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計等，本文將從這幾個方面對不同驅(qū)動形式的微執(zhí)行器作詳細介紹和對比總結(jié)。2.1 靜電型微執(zhí)行器2.1.1 基本原理 電容器可以看成是存儲相反電荷的兩個導(dǎo)體，當電容器的間距和相對位置因外加激勵而改變時，電容值也隨之變化，這就是靜電敏感的機理。當電壓(或電場)施加于兩個導(dǎo)體上時，導(dǎo)體之間就會產(chǎn)生靜電力，稱為靜電執(zhí)行。微型器件所具備的小質(zhì)量和較大比表面積等性能使得作為表面力的靜電力具有很大優(yōu)勢應(yīng)用于微執(zhí)行器驅(qū)動源。電容器可以用做產(chǎn)生力或者位移的執(zhí)行器。電容式執(zhí)行器利用的主要是帶有相反電荷的兩個表面之間產(chǎn)生的靜電引力，靜電斥力的應(yīng)用較少，根據(jù)電極的幾何結(jié)構(gòu)來分，電容器主要

5、有平板電容器和叉指(梳狀驅(qū)動)電容器。下面將對這兩種結(jié)構(gòu)的原理、應(yīng)用等進行詳細介紹。2.1.2 平行板電容微執(zhí)行器 平行板電容器是靜電型微執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)，狹義上來講，它是由兩個寬度方向相互平行的導(dǎo)體平板構(gòu)成的。當施加電壓時，兩平行極板間的靜電引力為：其中C為電容，V為靜電勢，d為兩極板之間的距離。由上式可以看出，在其它條件不變的情況下，靜電力的大小隨著平板間距的減小和靜電勢的增大而迅速增加。靜電力是一種短程力，當間隙在幾個微米量級時最為有效，電容式靜電執(zhí)行器的電壓上限取決于電介質(zhì)的擊穿電壓。目前應(yīng)用最多的是垂直于電極的線性運動和轉(zhuǎn)動，可通過增大初始間距來產(chǎn)生更大的運動范圍，但力的大小卻因此受

6、限，故應(yīng)注意運動范圍和可用力的性能折中，目前可通過一種抓爬式執(zhí)行器設(shè)計來獲得遠距離的面內(nèi)運動。 大多數(shù)靜電執(zhí)行器至少包含一個由彈簧支撐的可變形平板，在該類器件的設(shè)計中要考慮可變形平板在某一偏置電壓下引起的靜態(tài)位移大小。當施加電壓時，兩平板之間會產(chǎn)生靜電力，靜電力使得平板間隙有減小的趨勢，從而引起位移和機械回復(fù)力。平衡狀態(tài)下兩個力等大反向。對于恒定的偏置電壓，機械恢復(fù)力隨著極板位置線性變化，與靜電引力在多個位移處相交，但只有一個是穩(wěn)定的?？僧a(chǎn)生穩(wěn)定位移的偏置電壓上限成為吸合電壓Vp，當偏置電壓繼續(xù)增大超過Vp，兩種力的F-x曲線再無交點，即靜電力無法平衡機械恢復(fù)力，靜電力繼續(xù)增大，兩平板間距迅速

7、減小直至完全接觸到一起，該現(xiàn)象稱為吸合，至此重新機械力與靜電力重新達到平衡。引起吸合所需的電壓與位移對于靜電微執(zhí)行器的設(shè)計至觀重要，可以通過解析模型獲得，動態(tài)系統(tǒng)的吸合效應(yīng)對系統(tǒng)的性能有著至關(guān)重要的影響。2.1.3 叉指電容微執(zhí)行器 與平行板電容器不同，叉指電容器通過電極側(cè)壁產(chǎn)生電容。將兩組電極放置于與襯底平行的平面上，一組電極固定，另一組電極可沿一個或多個軸向自由運動，叉指類似于梳子上的齒，故該結(jié)構(gòu)也可被稱作梳狀驅(qū)動器件。叉指電容器的總電容是鄰近梳指構(gòu)成的電容總和。在設(shè)計該類型的執(zhí)行器時，應(yīng)充分考慮梳齒厚度以及固定梳齒和可動梳齒之間的距離，厚度越大、兩者間距越小電容效應(yīng)越明顯。 目前基于梳狀

8、驅(qū)動的設(shè)計有很多，常見的有兩種類型：橫向驅(qū)動梳指器件和縱向驅(qū)動梳指器件。兩者的區(qū)別在于自由梳指的運動方向不同，前者沿垂直于梳指縱軸的方向運動，后者沿梳指縱軸的方向運動。共面橫向和縱向梳狀驅(qū)動在MEMS中較為流行，但也有許多不同的梳指電容器配置和結(jié)構(gòu)偏離這兩種主流。叉指電容微執(zhí)行器常用來產(chǎn)生面內(nèi)或離面位移，在直流電壓和準靜態(tài)偏置下受限的位移幅度可通過諧振驅(qū)動和機械齒輪結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大的轉(zhuǎn)動或線性位移。此類型的執(zhí)行器在光開關(guān)中經(jīng)常被使用。2.1.4 總結(jié)作為MEMS微執(zhí)行器的主要驅(qū)動方式，靜電驅(qū)動型微執(zhí)行器具有以下幾個特點：(1)靜電力與尺寸的平方成反例，即靜電驅(qū)動時微機械尺寸愈小單位體積產(chǎn)生的力愈大。

9、(2)采用電壓驅(qū)動控制容易、易于高速化，而且可以實現(xiàn)低功耗使集成化變得容易。(3)微小間隙產(chǎn)生的高電場可使靜電驅(qū)動力增加。除此之外，靜電微執(zhí)行器的優(yōu)點可歸納總結(jié)為：(1)結(jié)構(gòu)簡單：原理相對簡單，容易實現(xiàn)，僅需兩個導(dǎo)電表面，無需專門的功能材料。(2)功耗低：依賴于電壓差而非電流，低頻應(yīng)用時即可有很高的能效。(3)響應(yīng)快：轉(zhuǎn)換速度由充放電時間常數(shù)決定，對于良導(dǎo)體時間常數(shù)很小。但與此同時靜電敏感與執(zhí)行也存在著不可忽視的缺點。一方面靜電執(zhí)行需要較高電壓，在線性靜電執(zhí)行器中，實現(xiàn)幾十微米的位移就往往需要幾百伏的電壓，而高壓則會帶來電路復(fù)雜和材料兼容性方面的問題。另一方面與絕緣體機械連接的電極上會積累電荷

10、，而電荷會改變器件的工作特性。2.2 熱敏感微執(zhí)行器2.2.1 基本原理微器件和結(jié)構(gòu)的執(zhí)行可以通過注入或抽走其中的熱量來實現(xiàn)。溫度分布的變化通過熱膨脹、熱收縮或者相變將導(dǎo)致機械位移或者力的輸出。微結(jié)構(gòu)通過吸收電磁波、歐姆熱、熱傳導(dǎo)和熱對流的熱量，溫度可以升高；而通過熱傳導(dǎo)散熱、熱對流散熱、熱輻射散熱以及有源熱電制冷，微結(jié)構(gòu)的溫度可以降低。微尺度下原子的振動證明了溫度的存在。當材料中存在溫度梯度時就會產(chǎn)生熱傳遞。熱量從一點傳遞到另一點有四種可能的機制：(1)傳導(dǎo)；(2)自然對流；(3)強迫對流；(4)輻射。對熱傳遞過程的理解和掌握在熱執(zhí)行器的設(shè)計中起著至關(guān)重要的基礎(chǔ)作用。2.2.2 基于熱膨脹的

11、執(zhí)行器熱膨脹是材料的普遍行為。溫度上升后，由半導(dǎo)體、金屬、絕緣體材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)的尺寸和體積都會變大。在MEMS領(lǐng)域內(nèi)，一般有以下三種主要方式的熱微執(zhí)行機構(gòu)：（1）熱雙金屬片結(jié)構(gòu)、（2）彎曲梁結(jié)構(gòu)、（3）熱空氣結(jié)構(gòu)。對于傳感和執(zhí)行而言，熱雙金屬片效應(yīng)是很常用的方法。它是把兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬結(jié)合成三明治結(jié)構(gòu)。受熱時，由于一片件數(shù)的熱膨脹量大于另一片，雙金屬片將向熱膨脹量小的一方彎曲。這種效應(yīng)可將微結(jié)構(gòu)的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械梁的橫向位移。熱雙層片由在縱向上連在一起的兩種材料構(gòu)成，兩種材料構(gòu)成一個機械單元。它們有相同的長度，但熱膨脹系數(shù)（TEC)不同。當溫度均勻變化T時，兩層的長度變化不一樣。梁向熱

12、膨脹系數(shù)較小的材料層一側(cè)彎曲。橫向的梁彎曲由此產(chǎn)生。許多常用的機電恒溫器都運用了這一原理。恒溫器是一個螺旋的雙層金屬線圈。卷絲梁的末端與繼電器連接在一起，繼電器是含水銀的密封玻璃管。當環(huán)境溫度變化時，線圈的末端傾斜并觸發(fā)水銀滴繼電器的移動，從而控制加熱/冷卻電路中的電流。利用此原理制備的執(zhí)行器種類較多，例如模仿生物纖毛來攜帶并在平面上橫向輸送微小物體的人工纖毛執(zhí)行器等。熱雙層片執(zhí)行器具有較大的運動范圍，且在同等位移下覆蓋面積較小，但其響應(yīng)速度較慢，同時熱雙層片的彎曲很容易產(chǎn)生離面線性位移或角位移。如果分層的熱雙層片材料堆在垂直的表面上，就可以產(chǎn)生面內(nèi)位移，但這種堆疊結(jié)構(gòu)制作比較困難。用彎梁電熱

13、執(zhí)行器可產(chǎn)生面內(nèi)位移，這是一種基于單一材料的熱執(zhí)行器。彎曲梁結(jié)構(gòu)是用不同尺寸同一種材料組成的雙梁結(jié)構(gòu)，在電極上加以適當?shù)碾妷?，冷臂、熱臂和彎曲段，由于熱臂的面積比冷臂小得多，所以其電阻大，進而發(fā)熱量比冷臂大得多，因此有較大的熱膨脹量，整個結(jié)構(gòu)將向冷臂方向彎曲。停止加熱，由于熱量散失，梁將回到初始位置。在單一材料材料組成的熱執(zhí)行器中，橫向驅(qū)動熱執(zhí)行器應(yīng)用廣泛，它基于微結(jié)構(gòu)(由同一種導(dǎo)電材料制成的兩臂組成)的不對稱熱膨脹：電流通過時，兩臂由于橫截面積或長度不同而具有不同的熱功率和熱膨脹，從而導(dǎo)致不同的縱向膨脹。熱空氣結(jié)構(gòu)的基本原理為當電阻發(fā)熱時，腔內(nèi)空氣溫度升高，壓力增大，推動膜向外膨脹產(chǎn)生位移；

14、當停止加熱，膜又回到原來的位置。2.3 壓阻傳感器2.3.1 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)指的是當電阻受到應(yīng)力和形變時,其阻值會發(fā)生改變。該效應(yīng)于1856年被發(fā)現(xiàn)，為機械能和電能之間提供了一種簡單、直接的能量與信號轉(zhuǎn)換機制，目前已廣泛應(yīng)用在MEMS領(lǐng)域的許多傳感器中，如壓力傳感器、觸覺傳感器等。電阻的阻值由幾何尺寸和體電阻率決定，通過施加應(yīng)變改變阻值的方法有兩種。第一種，電阻的幾何尺寸，包括橫截面積和長度等會隨著應(yīng)力發(fā)生改變。第二種，某些材料的電阻電阻率是應(yīng)變的函數(shù)，因而會隨應(yīng)變的改變而發(fā)生變化。電阻率改變引起的電阻阻值的該變量遠大于幾何尺寸變化對電阻值的影響。施加在電阻上的應(yīng)力包含三個基本分量，一個沿電

15、阻的縱軸，另外兩個與縱軸成直角且相互垂直，在縱應(yīng)力分量下測得的阻值變化稱為縱向壓阻相應(yīng)，同理在橫向應(yīng)力分量下測得的阻值變化稱其為橫向壓阻效應(yīng)。任何一種電阻材料中都存在橫向壓阻效應(yīng)和縱向壓阻效應(yīng)，但不同材料中起主導(dǎo)作用的壓阻效應(yīng)有所不同，電阻在應(yīng)力作用下的阻值變化為橫向和縱向應(yīng)力分量作用下電阻變化阻值之和。在傳感器中，電阻阻值的變化可通過惠斯頓電橋的電路結(jié)構(gòu)獲得。2.3.2 壓阻傳感器材料應(yīng)變計指的是在電阻值的改變中起主導(dǎo)作用的是應(yīng)力導(dǎo)致的電阻尺寸變化的電阻器，多為金屬應(yīng)變計；壓阻器指的是電阻率隨著施加應(yīng)變而變化的電阻器，如硅。引起的常用的壓阻傳感器材料有以下幾種：(1)金屬應(yīng)變計：結(jié)構(gòu)多為金屬

16、包層的塑料片形式，將其粘附在機械薄膜表面進行應(yīng)行研究。應(yīng)變計的導(dǎo)電通路多為之字形以提高電阻長度和總電阻的大小。就性能而言，半導(dǎo)體壓阻計要優(yōu)于薄膜金屬應(yīng)變計，但金屬在斷裂前可承受很大的延伸量。(2)單晶硅：半導(dǎo)體壓阻計可通過對硅進行選擇性摻雜獲得，摻雜單晶硅的壓阻系數(shù)并非常量，而是受摻雜濃度、摻雜類型和襯底溫度的影響。設(shè)計硅壓阻時，必須考慮這幾個因素的影響。在性能方面，優(yōu)異的硅半導(dǎo)體壓阻器須盡量滿足電阻值可觀、壓阻系數(shù)最大化和溫度效應(yīng)最小化這三個重要衡量標準，并在這三者之間折中選取總體最優(yōu)解。(3)多晶硅：相比于單晶硅壓阻器，多晶硅壓阻器可沉積在多種材料的襯底上，但其應(yīng)變系數(shù)要小得多。應(yīng)用于ME

17、MS領(lǐng)域的多晶硅應(yīng)具有低的應(yīng)力和良好的保形能力,與應(yīng)用到電子器件上的多晶硅在微觀結(jié)構(gòu)和工藝上上有著重要區(qū)別。2.3.3 壓阻傳感器目前，壓阻敏感效應(yīng)已廣泛應(yīng)用在許多類型的傳感器中。下面介紹一些具有代表性的實例，這些傳感器都具有獨特的器件設(shè)計、制造工藝以及可達到的性能指標： (1)慣性傳感器：根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，當有加速度作用時，質(zhì)量塊受到慣性力，與它連接的機械支撐元件會發(fā)生形變，從而引入應(yīng)力和形變。通過測量應(yīng)力的大小，就可得到加速度的數(shù)值，應(yīng)用較多的是摻雜單晶硅壓阻加速度計。 (2)壓力傳感器：壓力傳感器具有高靈敏度和均勻性，因而可廣泛應(yīng)用在商業(yè)生產(chǎn)上。典型的表面微加工工藝壓力傳感器

18、采用氮化硅作為隔膜，利用多晶硅作為應(yīng)變傳感器。 (3)觸覺傳感器：該傳感器用來測量接觸力并表征表面輪廓和粗糙度，具有代表性的有多敏感軸壓阻觸覺傳感器，該傳感器利用的是手尖接觸物體時產(chǎn)生的分布應(yīng)力。微機械加工觸覺傳感器有望應(yīng)用在高密度集成方面。 (4)流量傳感器：微結(jié)構(gòu)具有較小的物理尺寸可減小測試時對流量場的影響，因而可應(yīng)用于流量傳感器。當微結(jié)構(gòu)周圍的流體流動時會產(chǎn)生提升力、拖拽力或動量傳遞等，這些力會因為微結(jié)構(gòu)形變和應(yīng)力變化，在微結(jié)構(gòu)上放置壓阻，通過測量阻止就可推斷彎曲情況。經(jīng)典實例包括壓阻流量剪切應(yīng)力傳感器和金屬壓阻式流速傳感器。2.4 壓電型微執(zhí)行器2.4.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)于1880年

19、被科學(xué)家Pierre等人在天然物質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，包括在機械應(yīng)力下產(chǎn)生電荷(電荷量與外力成正比)或電壓的正壓電效應(yīng)和電場作用下產(chǎn)生機械形變或力的逆/反壓電效應(yīng)(也叫電致伸縮效應(yīng))。1893年William通過數(shù)學(xué)假設(shè)和實驗論證得出具有正壓電效應(yīng)的材料同時也具有逆壓電效應(yīng)。壓電材料包括天然(如石英)和人工合成(如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等)兩大類。利用壓電效應(yīng)制備的傳感器應(yīng)用包括微麥克風(fēng)、聲波調(diào)制解調(diào)器以及用于水下、地下物體觀測或聲學(xué)觀測的聲波成像系統(tǒng)方面。到目前為止，壓電材料可廣泛應(yīng)用在MEMS傳感器和執(zhí)行器方面，如利用薄膜壓電材料的聲換能器，用于液體和顆粒的泵與閥、加速度計、揚聲器和微麥克風(fēng)、微鏡等。壓電材

20、料之所以具有壓電效應(yīng)與材料的晶格結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。壓電晶體由許多取向各異的微晶組成，因而晶體的宏觀行為與單個微晶不同。相鄰晶疇的極化方向相差90度或180度，整個材料中的晶疇隨機分布，因此整體不顯現(xiàn)極化或壓電效應(yīng)。要實現(xiàn)晶體任意方向的壓電特性，就需要在高溫下將晶體置于強電場中。在電場作用下，與電場方向近似平行的晶疇增多，而其他取向的晶疇減少，因而在電場方向上材料被拉伸。當電場去除后，晶疇被鎖定在近似對準的取向上，造成晶體的殘余極化和永久變形。由機械作用、電作用或熱等作用引起退極化會造成晶體局部或整體的壓電效應(yīng)消失，因而極化處理之后的過程應(yīng)十分小心。壓電元件的性質(zhì)隨時間變化，由于能量自發(fā)降低的老化效

21、應(yīng)，材料可能會發(fā)生退化。材料的老化速度可以通過添加復(fù)合材料元素或者加速老化進行控制。2.4.2 壓電材料選用合適的材料運用到電路制作和MEMS器件時需要綜合考慮各方面的因素，如材料是否具有壓電性、壓電系數(shù)、材料成本、材料合成的難易程度、退化速度等。下面介紹一些常用的壓電材料。 (1)石英：石英是一種天然的壓電材料，其諧振頻率對溫度的依賴性可忽略不計，應(yīng)用最多的是手表中的振蕩器。(2) PZT：PZT材料的結(jié)構(gòu)和特性隨制備方法的不同而有所變化。因其具有很高的壓電耦合系數(shù)，PZT體系以多晶(陶瓷)結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛的應(yīng)用。(3)PVDF：PVDF是一種具有單鏈的合成含氟聚合物，它具有壓電性、熱勢電

22、性以及鐵電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、機械柔韌性以及生物兼容性等諸多特性。PVDF拉伸膜具有很好的柔韌性，易于制成超聲換能器。在制備薄膜時需注意，加熱和拉伸都可改變壓電效應(yīng)。(4)ZnO：MEMS領(lǐng)域中，通常通過磁控濺射將ZnO沉積到不同材料上，沉積后的薄膜具有很高的壓應(yīng)力，可通過熱退火減小預(yù)應(yīng)力。(5)其它材料：除上述介紹的幾種常見材料外，還有一些其它的材料具有壓電效應(yīng)。如氮化鋁是一種常見的薄膜材料，但其壓電系數(shù)低，沒有ZnO應(yīng)用廣泛；鈦酸鋇、鈮酸鋰等在聲學(xué)領(lǐng)域而非MEMS領(lǐng)域具有更廣泛的使用。壓電材料的性質(zhì)受有限離子遷移率的影響，即在執(zhí)行器應(yīng)用中，壓電材料不能提供長期保持的穩(wěn)定能力。因而在設(shè)計靜電工

23、作條件的壓電執(zhí)行器時，必須考慮漏電效應(yīng)。2.4.3 應(yīng)用壓電執(zhí)行器通過利用逆壓電效應(yīng)在壓電材料上加不同的驅(qū)動電壓以實現(xiàn)驅(qū)動的功能。與其它形式的驅(qū)動相比，壓電執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲、控制方便等優(yōu)點。壓電執(zhí)行器的驅(qū)動電壓在10100V之間，主要問題是存在非線性現(xiàn)象。壓電執(zhí)行器主要有微泵、微閥、微彈簧等。其中壓電執(zhí)行器最典型的應(yīng)用是壓電微泵：在壓電陶瓷（PZT）材料薄膜上加上驅(qū)動電壓，利用PZT的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生上下震動，從而實現(xiàn)驅(qū)動腔內(nèi)體積和壓力的變化，完成液體的驅(qū)動。壓電執(zhí)行器最主要的缺點是位移小、驅(qū)動電壓大，這些性能缺陷可通過雙壓電原理進行改善，實現(xiàn)大位移驅(qū)動，具體操作是通過在驅(qū)動結(jié)構(gòu)的彈性

24、層兩側(cè)都貼上壓電材料，加上相反電壓，實現(xiàn)雙壓電效應(yīng)。此外當外加電壓頻率和懸臂梁固有頻率一致時，震動幅度最大，其周圍氣體流動形成風(fēng)，這樣的小“風(fēng)扇”可用在半導(dǎo)體器件的冷卻裝置上。2.5 微磁執(zhí)行器2.5.1 基本原理鐵磁性材料在磁場的作用下會發(fā)生磁化，磁微執(zhí)行器利用磁性材料和磁場來產(chǎn)生力、力矩或者微結(jié)構(gòu)的位移，它是通過磁體和外部直流磁場的相互作用來工作的。磁體可以分為硬磁體和軟磁體兩大類，硬磁體極化后剩磁大，可用在指南針等設(shè)備上；軟磁體具有很低的剩余磁化，且只有在偏置的外部磁場下才能表現(xiàn)出內(nèi)部的磁化，可用在變壓器芯上等。用指南針作例介紹磁執(zhí)行器的原理：當磁性材料的磁化方向與本地磁場線不平行時，指

25、南針受到磁力矩作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直至內(nèi)部磁場線與外部磁場線平行。與靜電、熱、壓電執(zhí)行器相比，磁微執(zhí)行器可以在數(shù)毫米內(nèi)產(chǎn)生作用力，動作幅度大；它無需引線因而降低了封裝和使用的復(fù)雜程度，同時在自由空間存在相對較大的磁場不會對人和自然環(huán)境造成危害，磁執(zhí)行器還可以用無源永磁體(成本低且工作時不消耗能量)提供足夠強的外部磁場，可以為微觀尺度器件提供客觀的力和扭矩。2.5.2 微磁器件的制備在微器件上沉積鐵磁材料的方法種類較多，其中最常用的是電鍍。電鍍槽中放置有相反電極和含有所需磁性材料的離子化學(xué)溶液電解液，金屬沉積的工作片上需加上相對于對電極的負偏置電壓。由于磁力和磁性元件的橫截面有關(guān)，一般采用厚鐵磁體來產(chǎn)

26、生大的力和力矩；電鍍法可制備出厚度較大的薄膜，其速率由電流密度控制，密度越大電鍍越快，在操作中應(yīng)考慮電流密度過高時的發(fā)熱問題和表面粗糙問題。對于不導(dǎo)電的晶片，需要在其表面涂上金屬薄膜層(籽晶層)來實現(xiàn)負的偏置電壓，籽晶層材料通常由銅、鋁或金組成。為了增加籽晶層和襯底之間的粘附力，會在兩者之間添加鈦或鉻的金屬層。 磁性線圈的設(shè)計和制造在微執(zhí)行器的制備中同樣起著舉足輕重的作用。螺線管的傳統(tǒng)加工工藝是在鐵磁線圈上纏繞導(dǎo)線，但此方法難以用于微型器件，因為微器件的尺寸很小且缺乏自動化工具。目前使用最普遍且可以制備的電磁體形式使單層、空心的平面線圈。這種線圈由于缺少磁芯且橫向分布的金屬線遠離線圈中心等特點

27、而不能產(chǎn)生很強的磁通量密度。用集成的鐵芯以及纏繞的線圈可以實現(xiàn)更有效的電磁線圈，根據(jù)磁芯方向的不同，線圈可以分為磁通量與襯底平行或垂直兩大類。多層線圈可通過堆疊的形式實現(xiàn)，三維線圈可通過微接觸式印刷技術(shù)、三維組裝技術(shù)等方式制備在襯底表面。2.5.3 磁執(zhí)行器實例研究微磁執(zhí)行器可以根據(jù)磁體的種類及包含的微結(jié)構(gòu)進行分類。磁場的來源有四類：永磁體、集成的電磁線圈、外部螺線管以及多種磁場混合源。芯片上產(chǎn)生力的微結(jié)構(gòu)有三種，分別是：永久磁體、軟磁體和集成電磁線圈。因而微執(zhí)行器的有12種的組合可能。下面介紹幾種具有代表性的實例：(1) 可變磁阻微馬達：由全集成的定子和線圈組成。定子由集成的電磁體制成，轉(zhuǎn)子

28、由軟磁性材料制成。馬達有兩組顯磁極，一組在定子上，一組在轉(zhuǎn)子上。當激勵相位線圈時，靠近激勵定子電極的轉(zhuǎn)子磁極會吸引到定子磁極。定子的旋轉(zhuǎn)使定子磁極與轉(zhuǎn)子磁極對準。將激勵相位線圈的電流關(guān)閉，下一個相位開始激勵使之連續(xù)運動。在此設(shè)計中所有相位的電極都是按照相反極性成對排列，這使得鄰近極板間的路徑很短。按照順序激勵一組或更多組排列的定子線圈來產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。(2) 磁性梁執(zhí)行器：可用于空氣動力學(xué)的磁性梁執(zhí)行器由剛性折板組成，該剛性折板由在一面且單端固定的兩根懸臂梁支撐，每個剛性折板都是由作為支撐結(jié)構(gòu)的多晶硅和電鍍的鐵磁材料構(gòu)成。當外部磁場出現(xiàn)時，鐵磁片內(nèi)部發(fā)生磁化。在非均勻磁場中，微片上產(chǎn)生力矩

29、使折板發(fā)生移動。 (3) 雙向磁性梁執(zhí)行器：將永磁體陣列電鍍在硅懸臂梁的末端，以利用磁體陣列的垂直各項異性來實現(xiàn)垂直磁執(zhí)行器，驅(qū)動該執(zhí)行器的電磁體為商用電感。(4) 平板扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器：介紹了兩種類型的執(zhí)行器，一種是利用洛倫茲力的平板扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器；另一種是使用片上電感的多軸平板扭矩執(zhí)行器；前者的可動線圈電磁光學(xué)掃描鏡沿單軸旋轉(zhuǎn)，后者的微鏡則可沿兩個軸旋轉(zhuǎn)，可產(chǎn)生較強的電磁場。(5) 混合磁執(zhí)行器：用于可鎖存的、雙穩(wěn)態(tài)的電開關(guān)。該開關(guān)的獨特之處在于雙向磁化可以通過使用第二個磁場很快發(fā)生反轉(zhuǎn)，因而施加小的電流就可以實現(xiàn)力矩和開關(guān)位置的轉(zhuǎn)換。2.6 不同執(zhí)行器的總結(jié)與比較在設(shè)計執(zhí)行器時，最先確定的是使用何

30、種敏感方式，然后再綜合考慮其它問題，包括噪聲、靈敏度、溫度串擾以及工藝等。在選擇執(zhí)行器方式時，必須仔細考慮該方式或材料滿足主要及次要標準的能量。執(zhí)行器因其敏感源及其實現(xiàn)方式的不同在結(jié)構(gòu)和性能上具有很大的差別以及獨特的優(yōu)缺點，表1對上述介紹的幾種執(zhí)行器進行了比較和總結(jié)，在實際商業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)實現(xiàn)目的的不同進行選擇。表1 不同執(zhí)行器優(yōu)缺點比較總結(jié)執(zhí)行方式優(yōu)點缺點靜電執(zhí)行結(jié)構(gòu)簡單、功耗小材料簡單、響應(yīng)速度快高工作電壓、需折中驅(qū)動力和位移、受吸合效應(yīng)限制熱執(zhí)行運動范圍較大、同等位移下覆蓋面積小、響應(yīng)速度適中功耗大、溫度依賴性強壓電執(zhí)行響應(yīng)速度快、位移量較大材料制備復(fù)雜退極化嚴重影響壓電效應(yīng)低頻條件下

31、性能下降磁執(zhí)行無需引線、可使用強磁力作為偏置、角位移較大制造工藝復(fù)雜片上螺線管制備困難不管采取何種執(zhí)行方式，微執(zhí)行器都具有以下幾個主要特點：(1)微型化：不但有利于在狹窄空間作業(yè)，也降低了微執(zhí)行器的成本；(2)位移或變形一般都十分小，可提高運動的精度；(3)利用各種功能材料的制動，免去了中間傳動機構(gòu)，減少運動誤差和傳動噪聲；(4)利用結(jié)構(gòu)上上集成的壓電晶體，熱電阻和控制元件等，使微結(jié)構(gòu)緊湊效果更穩(wěn)定可靠。除了上述詳細介紹的幾種具有代表性且應(yīng)用廣泛在MEMS器件中的執(zhí)行器之外，其它形式的敏感和執(zhí)行方式也在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如(1)形狀記憶合金執(zhí)行器: 由于發(fā)生馬氏體相變和逆馬氏體相變所致

32、。形狀記憶合金具有力的輸出大和形變量大的優(yōu)點。它們分別是壓電材料的十倍左右，但響應(yīng)速度比較慢而且形變呈階躍性變化，因此限制了其應(yīng)用。為了提高響應(yīng)速度并將其應(yīng)用于微執(zhí)行器上，一方面采用薄板絲和薄膜狀等小體積材料；另一方面具有優(yōu)越性能的新型的形狀記憶材料已在開發(fā)之中； (2)隧道效應(yīng)敏感：根據(jù)隧道效應(yīng)可設(shè)計出力傳感器、紅外傳感器、磁強計、加速度計和壓力傳感器等功能性器件。它們的靈敏度很高，但卻具有復(fù)雜的加工工藝和昂貴的生產(chǎn)成本。(3)光學(xué)敏感執(zhí)行器：在入射光的作用下材料產(chǎn)生應(yīng)變，即直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。一般認為其機制是光電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的迭加所致。利用光致伸縮效應(yīng)可以設(shè)計制作新一代無線遙控器件

33、，這種器件具有無電磁噪聲污染的優(yōu)點。實際應(yīng)用中要求光致伸縮材料應(yīng)具備較高的光電效應(yīng)和較快的響應(yīng)速度； (4)生物執(zhí)行器；(5)氣動/水力激勵執(zhí)行器；(6)混合執(zhí)行器等。隨著MEMS執(zhí)行器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，執(zhí)行器的種類將會越來越多，執(zhí)行器的性能也會得到進一步的提升。3 MEMS經(jīng)典實例分析 上述介紹的實例大都來自于學(xué)術(shù)刊物，多局限于實驗室中，下面介紹一些經(jīng)典的商業(yè)實例，這些產(chǎn)品很好地實現(xiàn)了設(shè)計、材料、制造和商業(yè)化之間的折中，給人們的生活帶來了極大的便利。(1) 血壓傳感器：就機械和就機械和電子單元的復(fù)雜性來說，血壓傳感器是最簡單的傳感器。但因為醫(yī)療產(chǎn)品的特殊性，它需要面臨醫(yī)療健康機構(gòu)制定的嚴格規(guī)范。硅MEMS血壓傳感器的問世大大削減了醫(yī)療成本，使一次性血壓傳感器成為可能，同時將污染的可能性降到最小，既保障了低醫(yī)療風(fēng)險，也減輕了病人的負擔(dān)。在血壓傳感器的設(shè)計中，壓阻式敏感更具有技術(shù)優(yōu)勢。(2) 微麥克風(fēng)：微麥克風(fēng)是壓力傳感器的變化形式，但比壓力傳感器更復(fù)雜。它是很多消費類產(chǎn)品(如電腦、手機、助聽器等)中的低成本元件，且因其尺寸小和價格低廉等諸多優(yōu)勢已成為MEMS技術(shù)和商業(yè)化的重要方向。在器件設(shè)計中電容式敏感是ME