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三种常见的MEMS微执行器的特点及原理摘要：微执行器是构成MEMS动力部分，是MEMS的操作和执行机构。
本文介绍了常用的电场力、磁场力和热效应驱动的三种驱动的MEMS微执行器特点及工作原理。
关键词：MEMS 微执行器工作原理1、背景微型机电系统，即MEMS（Micro Electric-Mechanical System）是指及微型传感器、执行器及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微电子机械系统。
MEMS是在微电子学科基础上发展起来，同时，它又有是多学科交叉的学科。
MEMS可以将所观测对象的压力、温度、光强度等信号转换成所需要的电信号，并通过微执行器按照要求进行对目标的控制。
同时，每个系统不是独立的，它可以通过接口与其他的系统进行互联。
其中，微执行器是MEMS的核心部分，它既可以为微系统提供动力，也可以成为微系统的操作和执行单元。
因此微执行器有许多种不同的驱动方式。
常见的驱动方式主要有：静电驱动、电磁驱动、热驱动、光驱动、形状记忆合金（SMA）驱动和磁致伸缩驱动等形式。
本文将介绍静电驱动、磁场力驱动和热效应驱动的微执行器。
2、微执行器的分类及特点从驱动形式角度来看，有许多种微执行器，但常用的只有三种：电场力、磁场力和热效应驱动。
由于静电微执行器的体积小，结构简单，是目前应用最多的一种微执行器。
它的工作原理是主要利用电荷见的库仑力来驱动做功的部件。
但是它的输出力的大小与其他电驱动的微执行器相比要小得多，比如微马达。
热执行器是利用热膨胀效应使驱动部件产生一定的形变，改变驱动部件的结构，对目标物体施加所要求的作用力。
但热驱动力的功耗较大，而且精度不易控制。
磁微执行器是利用电与力的相互作用产生力矩。
它有两种力的驱动方式：洛伦兹力和磁场力。
目前，主要利用磁驱动的微执行器是微马达。
由于磁驱动微马达能产生较大的力矩和较高的转速，现已被广泛应用。
3、三种微执行器的工作原理3.1一种平板式静电微执行器静电执行器的基本工作原理：平板式静电执行器由两个极板组成。
微传感器与微执行器（F340508) , 2014年秋季学期杨斌binyang@2014年9月24日一、课程简介与要求二、MEMS发展历史三、MEMS创新世界四、中国MEMS的发展五、选课的理由微传感与微执行(F340508)上课地点：陈瑞球楼209上课时间：每周一次（周三上课时间：每周次（周三6‐8节13:00‐15:40）学分：3学分（48学时）binyang@sjtu edu cn任课教师：杨斌binyang@参考书：参考主要MEMS领域杂志：参考主要MEMS会议：课程简介：通过深入细致地讲述微传感器与微执行器的基本原理和典型应用，让学生全面了解MEMS器件的研究现状和发展方向，初步掌握微型器件的原理、加工和应用，从而体会并了解到高科技为生产和生活提供快捷和便利的途径，学会独立思考，培养创新意识。
考核方式z平时表现（35%）：无故旷课超过2次的视为自动放弃；积极参与课堂回答问题和讨论。
个人报告（35%）：每人给定篇最新文献，ppt汇报510分钟z每人给定一篇最新文献，5~10z期末考试（30%）：期末测试课次时间题目授课教师12013‐09‐24微传感器与微执行器的历史和现状杨斌22013‐10‐08微机械加工技术杨斌32013‐10‐15力学传感器——微型加速度计杨斌42013‐10‐22力学传感器——压力传感器杨斌52013‐10‐29力学传感器——MEMS麦克风杨斌62013‐11‐05力学执行器杨斌72013‐11‐12化学和生物传感器与执行器杨斌82013‐11‐19微流体器件杨斌92013‐11‐26——射频微器件谐振器与继电器Bio4Apps 国际会议102013‐12‐03微型能量采集器——振动能11月17日至19日112013‐12‐10微型能量采集器——声、热电杨斌122013‐12‐17微型能量采集器——热释电杨斌132013‐12‐24微光学传感器、数字微镜阵列杨斌142013‐12‐31磁传感器杨斌152014‐01‐02磁执行器杨斌磁执杨162013‐01‐08期末大报告学生1出勤率：基本要求1.无故旷课超过2次的视为自动放弃！2.课堂秩序：手机静音，电脑关机，提问举手！3.课堂互动：独立思考，积极提问和回答问题！4思路条理清晰表达明确声音响亮！4.学生口头报告：思路条理清晰，表达明确，声音响亮！教师联系：杨斌，binyang@微纳院2‐218室1、集成电路的发明2、五十年与五个人3、超越摩尔定律4、MEMS的定义1947年12月23日第一个晶体管在贝尔实验室诞生。
微执行器导论-读书笔记摘要:微执行器可用来产生力与机械运动,就是微机电系统中得重要组成部分、根据敏感源与执行方式得不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类、本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细得介绍,并简单总结了不同执行器得独特性能与优缺点。
1、简介MEMS技术得迅速发展带来了传感器与执行器得革命性变化。
传感器就是一种检测装置,能感受到被测量得信息,并能将感受到得信息,并按照一定规律将其转换为电信号或其她所需形式得信息输出,以满足信息得传输、处理、存储、显示、记录与控制等要求。
执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用,主要用来产生机械运动、力与扭矩。
传感器与执行器统称为换能器,利用换能器可以实现信号与能量得转换。
目前受到广泛关注得能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能与热能。
一个系统得能量可以有一个或多个不同得能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。
由于MEMS得微小化与小尺寸效应,微执行器并非就是简单得传统机械得微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能得微执行器驱动。
微执行器作为可动部分,其动作范围得大小、动作效率得高低、动作得可靠性等指标决定了系统得成败,它就是微机电系统中最重要得环节、在微执行器得设计与选择过程中,有以下几个标准必须考虑:(１)扭矩与力得输出能力;(２)位移范围;(3)动态响应速度与带宽;(4)材料来源及加工得难易程度;(5)功耗得能量得转换效率;(6)驱动偏置函数得线性位移;(7)交叉灵敏度与环境稳定性;(８)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器得性能、生产成本得高低以及商业化生产得程度等。
因此,对微执行器得研究就是微机电系统得核心内容,就是超精密加工技术发展得关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能得形式转化为机械能,对于某种特定得执行器驱动,通常会有多种能量转换机制。
超磁致伸缩材料微位移执行器原理与应用贾振元，郭东明著内容简介本书是多项国家自然科学基金、高等学校博士学科点专项基金、辽宁省科学技术基金等项目的研究成果总结，是一本介绍超磁致伸缩材料微位移执行器的原理、设计方法及应用的专著。
本书系统地阐述了超磁致伸缩材料的材料与物理学基础、微位移执行器结构设计方法、建模理论、非线性控制技术以及超磁致伸缩薄膜的工作原理和静动态特性等，并介绍了各种超磁致伸缩材料微位移执行器的应用实例。
全书共分8章。
第1章介绍了超磁致伸缩材料与物理学基础；第2章介绍了超磁致伸缩材料的制备与应用特性；第3章介绍了超磁致伸缩微位移执行器设计理论与方法；第4章介绍了超磁致伸缩材料及微位移执行器的建模理论；第5章介绍了超磁致伸缩微位移执行器控制技术；第6章阐述了超磁致伸缩薄膜的物理与材料学基础；第7章阐述了超磁致伸缩薄膜材料建模理论；第8章介绍了超磁致伸缩材料的应用研究。
本书既具有理论的系统性，又具有工程技术的实用性，可供从事超磁致伸缩材料及其执行器研究工作的科技工作者、专业技术人员以及高等院校相关专业的师生参考。
同时，也可供从事其他功能材料及其应用研究的科研、工程技术人员参阅。
作者简介贾振元，男，1963年生，大连理工大学机械工程学院院长，工学博士，教授，博士生导师。
主要研究方向为功能材料及其传感器执行器技术、精密加工与测量、数控技术等。
负责或参与国家973计划项目、国家863计划项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目、国防“十一五”预研项目、总装预研等各类科研项目40余项。
获得国家技术发明二等奖1项，教育部技术发明一等奖1项，教育部科技进步一等奖1项，中国高校科技进步一等奖1项，中国机械工业科学技术三等奖1项，辽宁省科学技术进步二等奖1项，大连市科技进步一等奖1项、二等奖1项，大连市专利金奖1项；发表论文100余篇；合作出版专著1部；获13项专利、8项鉴定成果。
还获得中国机械工程学会青年科技成就奖，辽宁省青年科技奖，大连市劳动模范，辽宁省杰出青年基金；入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，教育部“新世纪优秀人才支持计划”，辽宁省“新世纪百千万工程”百人层次；享受中华人民共和国国务院颁发的政府特殊津贴。
微执行器导论—读书笔记摘要：微执行器可用来产生力和机械运动，是微机电系统中的重要组成部分。
根据敏感源和执行方式的不同，微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类。
本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细的介绍，并简单总结了不同执行器的独特性能和优缺点。
1、简介MEMS技术的迅速发展带来了传感器和执行器的革命性变化。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，并按照一定规律将其转换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用，主要用来产生机械运动、力和扭矩。
传感器和执行器统称为换能器，利用换能器可以实现信号和能量的转换。
目前受到广泛关注的能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能和热能。
一个系统的能量可以有一个或多个不同的能量域组成，在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。
由于MEMS的微小化和小尺寸效应，微执行器并非是简单的传统机械的微型化，其驱动方式与传统机械大有不同，甚至会采用多种执行机制来实现特定功能的微执行器驱动。
微执行器作为可动部分，其动作范围的大小、动作效率的高低、动作的可靠性等指标决定了系统的成败，它是微机电系统中最重要的环节。
在微执行器的设计和选择过程中，有以下几个标准必须考虑：(1)扭矩和力的输出能力；(2)位移范围；(3)动态响应速度和带宽；(4)材料来源及加工的难易程度；(5)功耗的能量的转换效率；(6)驱动偏置函数的线性位移；(7)交叉灵敏度和环境稳定性；(8)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器的性能、生产成本的高低以及商业化生产的程度等。
因此，对微执行器的研究是微机电系统的核心内容，是超精密加工技术发展的关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能的形式转化为机械能，对于某种特定的执行器驱动，通常会有多种能量转换机制。
由于对某一传感器和执行过程来讲，能量转换的形式有很多，如静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热敏感驱动、磁致伸缩驱动等，每一种转换途径都会要求不同的敏感材料、加工方法及结构设计等，本文将从这几个方面对不同驱动形式的微执行器作详细介绍和对比总结。
2.1 静电型微执行器2.1.1 基本原理电容器可以看成是存储相反电荷的两个导体，当电容器的间距和相对位置因外加激励而改变时，电容值也随之变化，这就是静电敏感的机理。
当电压(或电场)施加于两个导体上时，导体之间就会产生静电力，称为静电执行。
微型器件所具备的小质量和较大比表面积等性能使得作为表面力的静电力具有很大优势应用于微执行器驱动源。
电容器可以用做产生力或者位移的执行器。
电容式执行器利用的主要是带有相反电荷的两个表面之间产生的静电引力，静电斥力的应用较少，根据电极的几何结构来分，电容器主要有平板电容器和叉指(梳状驱动)电容器。
下面将对这两种结构的原理、应用等进行详细介绍。
2.1.2 平行板电容微执行器平行板电容器是静电型微执行器的基本结构，狭义上来讲，它是由两个宽度方向相互平行的导体平板构成的。
当施加电压时，两平行极板间的静电引力为：d CV F 22其中C 为电容，V 为静电势，d 为两极板之间的距离。
由上式可以看出，在其它条件不变的情况下，静电力的大小随着平板间距的减小和静电势的增大而迅速增加。
静电力是一种短程力，当间隙在几个微米量级时最为有效，电容式静电执行器的电压上限取决于电介质的击穿电压。
目前应用最多的是垂直于电极的线性运动和转动，可通过增大初始间距来产生更大的运动范围，但力的大小却因此受限，故应注意运动范围和可用力的性能折中，目前可通过一种抓爬式执行器设计来获得远距离的面内运动。
大多数静电执行器至少包含一个由弹簧支撑的可变形平板，在该类器件的设计中要考虑可变形平板在某一偏置电压下引起的静态位移大小。
当施加电压时，两平板之间会产生静电力，静电力使得平板间隙有减小的趋势，从而引起位移和机械回复力。
平衡状态下两个力等大反向。
对于恒定的偏置电压，机械恢复力随着极板位置线性变化，与静电引力在多个位移处相交，但只有一个是稳定的。
可产生稳定位移的偏置电压上限成为吸合电压Vp ，当偏置电压继续增大超过Vp ，两种力的F-x 曲线再无交点，即静电力无法平衡机械恢复力，静电力继续增大，两平板间距迅速减小直至完全接触到一起，该现象称为吸合，至此重新机械力与静电力重新达到平衡。
引起吸合所需的电压与位移对于静电微执行器的设计至观重要，可以通过解析模型获得，动态系统的吸合效应对系统的性能有着至关重要的影响。
2.1.3 叉指电容微执行器与平行板电容器不同，叉指电容器通过电极侧壁产生电容。
将两组电极放置于与衬底平行的平面上，一组电极固定，另一组电极可沿一个或多个轴向自由运动，叉指类似于梳子上的齿，故该结构也可被称作梳状驱动器件。
叉指电容器的总电容是邻近梳指构成的电容总和。
在设计该类型的执行器时，应充分考虑梳齿厚度以及固定梳齿和可动梳齿之间的距离，厚度越大、两者间距越小电容效应越明显。
目前基于梳状驱动的设计有很多，常见的有两种类型：横向驱动梳指器件和纵向驱动梳指器件。
两者的区别在于自由梳指的运动方向不同，前者沿垂直于梳指纵轴的方向运动，后者沿梳指纵轴的方向运动。
共面横向和纵向梳状驱动在MEMS中较为流行，但也有许多不同的梳指电容器配置和结构偏离这两种主流。
叉指电容微执行器常用来产生面内或离面位移，在直流电压和准静态偏置下受限的位移幅度可通过谐振驱动和机械齿轮结构实现大的转动或线性位移。
此类型的执行器在光开关中经常被使用。
2.1.4 总结作为MEMS微执行器的主要驱动方式，静电驱动型微执行器具有以下几个特点：(1)静电力与尺寸的平方成反例，即静电驱动时微机械尺寸愈小单位体积产生的力愈大。
(2)采用电压驱动控制容易、易于高速化，而且可以实现低功耗使集成化变得容易。
(3)微小间隙产生的高电场可使静电驱动力增加。
除此之外，静电微执行器的优点可归纳总结为：(1)结构简单：原理相对简单，容易实现，仅需两个导电表面，无需专门的功能材料。
(2)功耗低：依赖于电压差而非电流，低频应用时即可有很高的能效。
(3)响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对于良导体时间常数很小。
但与此同时静电敏感与执行也存在着不可忽视的缺点。
一方面静电执行需要较高电压，在线性静电执行器中，实现几十微米的位移就往往需要几百伏的电压，而高压则会带来电路复杂和材料兼容性方面的问题。
另一方面与绝缘体机械连接的电极上会积累电荷，而电荷会改变器件的工作特性。
2.2 热敏感微执行器2.2.1 基本原理微器件和结构的执行可以通过注入或抽走其中的热量来实现。
温度分布的变化通过热膨胀、热收缩或者相变将导致机械位移或者力的输出。
微结构通过吸收电磁波、欧姆热、热传导和热对流的热量，温度可以升高；而通过热传导散热、热对流散热、热辐射散热以及有源热电制冷，微结构的温度可以降低。
微尺度下原子的振动证明了温度的存在。
当材料中存在温度梯度时就会产生热传递。
热量从一点传递到另一点有四种可能的机制：(1)传导；(2)自然对流；(3)强迫对流；(4)辐射。
对热传递过程的理解和掌握在热执行器的设计中起着至关重要的基础作用。
2.2.2 基于热膨胀的执行器热膨胀是材料的普遍行为。
温度上升后，由半导体、金属、绝缘体材料构成结构的尺寸和体积都会变大。
在MEMS领域内，一般有以下三种主要方式的热微执行机构：（1）热双金属片结构、（2）弯曲梁结构、（3）热空气结构。
对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。
它是把两片热膨胀系数不同的金属结合成三明治结构。
受热时，由于一片件数的热膨胀量大于另一片，双金属片将向热膨胀量小的一方弯曲。
这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。
热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。
它们有相同的长度，但热膨胀系数（TEC)不同。
当温度均匀变化△T时，两层的长度变化不一样。
梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。
横向的梁弯曲由此产生。
许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。
恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。
卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。
当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。
利用此原理制备的执行器种类较多，例如模仿生物纤毛来携带并在平面上横向输送微小物体的人工纤毛执行器等。
热双层片执行器具有较大的运动范围，且在同等位移下覆盖面积较小，但其响应速度较慢，同时热双层片的弯曲很容易产生离面线性位移或角位移。
如果分层的热双层片材料堆在垂直的表面上，就可以产生面内位移，但这种堆叠结构制作比较困难。
用弯梁电热执行器可产生面内位移，这是一种基于单一材料的热执行器。
弯曲梁结构是用不同尺寸同一种材料组成的双梁结构，在电极上加以适当的电压，冷臂、热臂和弯曲段，由于热臂的面积比冷臂小得多，所以其电阻大，进而发热量比冷臂大得多，因此有较大的热膨胀量，整个结构将向冷臂方向弯曲。
停止加热，由于热量散失，梁将回到初始位置。
在单一材料材料组成的热执行器中，横向驱动热执行器应用广泛，它基于微结构(由同一种导电材料制成的两臂组成)的不对称热膨胀：电流通过时，两臂由于横截面积或长度不同而具有不同的热功率和热膨胀，从而导致不同的纵向膨胀。
热空气结构的基本原理为当电阻发热时，腔内空气温度升高，压力增大，推动膜向外膨胀产生位移；当停止加热，膜又回到原来的位置。
2.3 压阻传感器2.3.1 压阻效应压阻效应指的是当电阻受到应力和形变时,其阻值会发生改变。
该效应于1856年被发现，为机械能和电能之间提供了一种简单、直接的能量与信号转换机制，目前已广泛应用在MEMS领域的许多传感器中，如压力传感器、触觉传感器等。
电阻的阻值由几何尺寸和体电阻率决定，通过施加应变改变阻值的方法有两种。
第一种，电阻的几何尺寸，包括横截面积和长度等会随着应力发生改变。
第二种，某些材料的电阻电阻率是应变的函数，因而会随应变的改变而发生变化。
电阻率改变引起的电阻阻值的该变量远大于几何尺寸变化对电阻值的影响。
施加在电阻上的应力包含三个基本分量，一个沿电阻的纵轴，另外两个与纵轴成直角且相互垂直，在纵应力分量下测得的阻值变化称为纵向压阻相应，同理在横向应力分量下测得的阻值变化称其为横向压阻效应。
任何一种电阻材料中都存在横向压阻效应和纵向压阻效应，但不同材料中起主导作用的压阻效应有所不同，电阻在应力作用下的阻值变化为横向和纵向应力分量作用下电阻变化阻值之和。
在传感器中，电阻阻值的变化可通过惠斯顿电桥的电路结构获得。
2.3.2 压阻传感器材料应变计指的是在电阻值的改变中起主导作用的是应力导致的电阻尺寸变化的电阻器，多为金属应变计；压阻器指的是电阻率随着施加应变而变化的电阻器，如硅。
