微执行器导论Word下载.docx
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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：
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。
引起的常用的压阻传感器材料有以下几种：
（1）金属应变计：
结构多为金属包层的塑料片形式，将其粘附在机械薄膜表面进行应行研究。
应变计的导电通路多为之字形以提高电阻长度和总电阻的大小。
就性能而言，半导体压阻计要优于薄膜金属应变计，但金属在断裂前可承受很大的延伸量。
（2）单晶硅：
半导体压阻计可通过对硅进行选择性掺杂获得，掺杂单晶硅的压阻系数并非常量，而是受掺杂浓度、掺杂类型和衬底温度的影响。
设计硅压阻时，必须考虑这几个因素的影响。
在性能方面，优异的硅半导体压阻器须尽量满足电阻值可观、压阻系数最大化和温度效应最小化这三个重要衡量标准，并在这三者之间折中选取总体最优解。
（3）多晶硅：
相比于单晶硅压阻器，多晶硅压阻器可沉积在多种材料的衬底上，但其应变系数要小得多。
应用于MEMS领域的多晶硅应具有低的应力和良好的保形能力,与应用到电子器件上的多晶硅在微观结构和工艺上上有着重要区别。
2.3.3压阻传感器
目前，压阻敏感效应已广泛应用在许多类型的传感器中。
下面介绍一些具有代表性的实例，这些传感器都具有独特的器件设计、制造工艺以及可达到的性能指标：
（1）惯性传感器：
根据牛顿第二定律F=ma可知，当有加速度作用时，质量块受到惯性力，与它连接的机械支撑元件会发生形变，从而引入应力和形变。
通过测量应力的大小，就可得到加速度的数值，应用较多的是掺杂单晶硅压阻加速度计。
（2）压力传感器：
压力传感器具有高灵敏度和均匀性，因而可广泛应用在商业生产上。
典型的表面微加工工艺压力传感器采用氮化硅作为隔膜，利用多晶硅作为应变传感器。
（3）触觉传感器：
该传感器用来测量接触力并表征表面轮廓和粗糙度，具有代表性的有多敏感轴压阻触觉传感器，该传感器利用的是手尖接触物体时产生的分布应力。
微机械加工触觉传感器有望应用在高密度集成方面。
（4）流量传感器：
微结构具有较小的物理尺寸可减小测试时对流量场的影响，因而可应用于流量传感器。
当微结构周围的流体流动时会产生提升力、拖拽力或动量传递等，这些力会因为微结构形变和应力变化，在微结构上放置压阻，通过测量阻止就可推断弯曲情况。
经典实例包括压阻流量剪切应力传感器和金属压阻式流速传感器。
2.4压电型微执行器
2.4.1压电效应
压电效应于1880年被科学家Pierre等人在天然物质中发现，包括在机械应力下产生电荷（电荷量与外力成正比）或电压的正压电效应和电场作用下产生机械形变或力的逆/反压电效应（也叫电致伸缩效应）。
1893年William通过数学假设和实验论证得出具有正压电效应的材料同时也具有逆压电效应。
压电材料包括天然（如石英）和人工合成（如钛酸钡和锆钛酸铅等）两大类。
利用压电效应制备的传感器应用包括微麦克风、声波调制解调器以及用于水下、地下物体观测或声学观测的声波成像系统方面。
到目前为止，压电材料可广泛应用在MEMS传感器和执行器方面，如利用薄膜压电材料的声换能器，用于液体和颗粒的泵与阀、加速度计、扬声器和微麦克风、微镜等。
压电材料之所以具有压电效应与材料的晶格结构密切相关。
压电晶体由许多取向各异的微晶组成，因而晶体的宏观行为与单个微晶不同。
相邻晶畴的极化方向相差90度或180度，整个材料中的晶畴随机分布，因此整体不显现极化或压电效应。
要实现晶体任意方向的压电特性，就需要在高温下将晶体置于强电场中。
在电场作用下，与电场方向近似平行的晶畴增多，而其他取向的晶畴减少，因而在电场方向上材料被拉伸。
当电场去除后，晶畴被锁定在近似对准的取向上，造成晶体的残余极化和永久变形。
由机械作用、电作用或热等作用引起退极化会造成晶体局部或整体的压电效应消失，因而极化处理之后的过程应十分小心。
压电元件的性质随时间变化，由于能量自发降低的老化效应，材料可能会发生退化。
材料的老化速度可以通过添加复合材料元素或者加速老化进行控制。
2.4.2压电材料
选用合适的材料运用到电路制作和MEMS器件时需要综合考虑各方面的因素，如材料是否具有压电性、压电系数、材料成本、材料合成的难易程度、退化速度等。
下面介绍一些常用的压电材料。
（1）石英：
石英是一种天然的压电材料，其谐振频率对温度的依赖性可忽略不计，应用最多的是手表中的振荡器。
（2）PZT：
PZT材料的结构和特性随制备方法的不同而有所变化。
因其具有很高的压电耦合系数，PZT体系以多晶（陶瓷）结构形式得到了广泛的应用。
（3）PVDF：
PVDF是一种具有单链的合成含氟聚合物，它具有压电性、热势电性以及铁电性、高化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性等诸多特性。
PVDF拉伸膜具有很好的柔韧性，易于制成超声换能器。
在制备薄膜时需注意，加热和拉伸都可改变压电效应。
（4）ZnO：
MEMS领域中，通常通过磁控溅射将ZnO沉积到不同材料上，沉积后的薄膜具有很高的压应力，可通过热退火减小预应力。
（5）其它材料：
除上述介绍的几种常见材料外，还有一些其它的材料具有压电效应。
如氮化铝是一种常见的薄膜材料，但其压电系数低，没有ZnO应用广泛；
钛酸钡、铌酸锂等在声学领域而非MEMS领域具有更广泛的使用。
压电材料的性质受有限离子迁移率的影响，即在执行器应用中，压电材料不能提供长期保持的稳定能力。
因而在设计静电工作条件的压电执行器时，必须考虑漏电效应。
2.4.3应用
压电执行器通过利用逆压电效应在压电材料上加不同的驱动电压以实现驱动的功能。
与其它形式的驱动相比，压电执行器具有结构简单、无噪声、控制方便等优点。
压电执行器的驱动电压在10~100V之间，主要问题是存在非线性现象。
压电执行器主要有微泵、微阀、微弹簧等。
其中压电执行器最典型的应用是压电微泵：
在压电陶瓷（PZT）材料薄膜上加上驱动电压，利用PZT的逆压电效应产生上下震动，从而实现驱动腔内体积和压力的变化，完成液体的驱动。
压电执行器最主要的缺点是位移小、驱动电压大，这些性能缺陷可通过双压电原理进行改善，实现大位移驱动，具体操作是通过在驱动结构的弹性层两侧都贴上压电材料，加上相反电压，实现双压电效应。
此外当外加电压频率和悬臂梁固有频率一致时，震动幅度最大，其周围气体流动形成风，这样的小“风扇”可用在半导体器件的冷却装置上。
2.5微磁执行器
2.5.1基本原理
铁磁性材料在磁场的作用下会发生磁化，磁微执行器利用磁性材料和磁场来产生力、力矩或者微结构的位移，它是通过磁体和外部直流磁场的相互作用来工作的。
磁体可以分为硬磁体和软磁体两大类，硬磁体极化后剩磁大，可用在指南针等设备上；
软磁体具有很低的剩余磁化，且只有在偏置的外部磁场下才能表现出内部的磁化，可用在变压器芯上等。
用指南针作例介绍磁执行器的原理：
当磁性材料的磁化方向与本地磁场线不平行时，指南针受到磁力矩作用发生偏转，直至内部磁场线与外部磁场线平行。
与静电、热、压电执行器相比，磁微执行器可以在数毫米内产生作用力，动作幅度大；
它无需引线因而降低了封装和使用的复杂程度，同时在自由空间存在相对较大的磁场不会对人和自然环境造成危害，磁执行器还可以用无源永磁体（成本低且工作时不消耗能量）提供足够强的外部磁场，可以为微观尺度器件提供客观的力和扭矩。
2.5.2微磁器件的制备
在微器件上沉积铁磁材料的方法种类较多，其中最常用的是电镀。
电镀槽中放置有相反电极和含有所需磁性材料的离子化学溶液电解液，金属沉积的工作片上需加上相对于对电极的负偏置电压。
由于磁力和磁性元件的横截面有关，一般采用厚铁磁体来产生大的力和力矩；
电镀法可制备出厚度较大的薄膜，其速率由电流密度控制，密度越大电镀越快，在操作中应考虑电流密度过高时的发热问题和表面粗糙问题。
对于不导电的晶片，需要在其表面涂上金属薄膜层（籽晶层）来实现负的偏置电压，籽晶层材料通常由铜、铝或金组成。
为了增加籽晶层和衬底之间的粘附力，会在两者之间添加钛或铬的金属层。
磁性线圈的设计和制造在微执行器的制备中同样起着举足轻重的作用。
螺线管的传统加工工艺是在铁磁线圈上缠绕导线，但此方法难以用于微型器件，因为微器件的尺寸很小且缺乏自动化工具。
目前使用最普遍且可以制备的电磁体形式使单层、空心的平面线圈。
这种线圈由于缺少磁芯且横向分布的金属线远离线圈中心等特点而不能产生很强的磁通量密度。
用集成的铁芯以及缠绕的线圈可以实现更有效的电磁线圈，根据磁芯方向的不同，线圈可以分为磁通量与衬底平行或垂直两大类。
多层线圈可通过
堆叠的形式实现，三维线圈可通过微接触式印刷技术、三维组装技术等方式制备在衬底表面。
2.5.3磁执行器实例研究
微磁执行器可以根据磁体的种类及包含的微结构进行分类。
磁场的来源有四类：
永磁体、集成的电磁线圈、外部螺线管以及多种磁场混合源。
芯片上产生力的微结构有三种，分别是：
永久磁体、软磁体和集成电磁线圈。
因而微执行器的有12种的组合可能。
下面介绍几种具有代表性的实例：
（1）可变磁阻微马达：
由全集成的定子和线圈组成。
定子由集成的电磁体制成，转子由软磁性材料制成。
马达有两组显磁极，一组在定子上，一组在转子上。
当激励相位线圈时，靠近激励定子电极的转子磁极会吸引到定子磁极。
定子的旋转使定子磁极与转子磁极对准。
将激励相位线圈的电流关闭，下一个相位开始激励使之连续运动。
在此设计中所有相位的电极都是按照相反极性成对排列，这使得邻近极板间的路径很短。
按照顺序激励一组或更多组排列的定子线圈来产生连续的转子转动。
（2）磁性梁执行器：
可用于空气动力学的磁性梁执行器由刚性折板组成，该刚性折板由在一面且单端固定的两根悬臂梁支撑，每个刚性折板都是由作为支撑结构的多晶硅和电镀的铁磁材料构成。
当外部磁场出现时，铁磁片内部发生磁化。
在非均匀磁场中，微片上产生力矩使折板发生移动。
（3）双向磁性梁执行器：
将永磁体阵列电镀在硅悬臂梁的末端，以利用磁体阵列的垂直各项异性来实现垂直磁执行器，驱动该执行器的电磁体为商用电感。
（4）平板扭转执行器：
介绍了两种类型的执行器，一种是利用洛伦兹力的平板扭转执行器；
另一种是使用片上电感的多轴平板扭矩执行器；
前者的可动线圈电磁光学扫描镜沿单轴旋转，后者的微镜则可沿两个轴旋转，可产生较强的电磁场。
（5）混合磁执行器：
用于可锁存的、双稳态的电开关。
该开关的独特之处在于双向磁化可以通过使用第二个磁场很快发生反转，因而施加小的电流就可以实现力矩和开关位置的转换。
2.6不同执行器的总结与比较
在设计执行器时，最先确定的是使用何种敏感方式，然后再综合考虑其它问题，包括噪声、灵敏度、温度串扰以及工艺等。
在选择执行器方式时，必须仔细考虑该方式或材料满足主要及次要标准的能量。
执行器因其敏感源及其实现方式的不同在结构和性能上具有很大的差别以及独特的优缺点，表1对上述介绍的几种执行器进行了比较和总结，在实际商业生产中，可根据实现目的的不同进行选择。
表1不同执行器优缺点比较总结
执行方式
优点
缺点
静电执行
结构简单、功耗小
材料简单、响应速度快
高工作电压、需折中驱动力和位移、受吸合效应限制
热执行
运动范围较大、同等位移下覆盖面积小、响应速度适中
功耗大、温度依赖性强
压电执行
响应速度快、位移量较大
材料制备复杂
退极化严重影响压电效应
低频条件下性能下降
磁执行
无需引线、可使用强磁力作为偏置、角位移较大
制造工艺复杂
片上螺线管制备困难
不管采取何种执行方式，微执行器都具有以下几个主要特点：
（1）微型化：
不但有利于在狭窄空间作业，也降低了微执行器的成本；
（2）位移或变形一般都十分小，可提高运动的精度；
（3）利用各种功能材料的制动，免去了中间传动机构，减少运动误差和传动噪声；
（4）利用结构上上集成的压电晶体，热电阻和控制元件等，使微结构紧凑效果更稳定可靠。
除了上述详细介绍的几种具有代表性且应用广泛在MEMS器件中的执行器之外，其它形式的敏感和执行方式也在不同领域得到了广泛应用，例如
（1）形状记忆合金执行器:
由于发生马氏体相变和逆马氏体相变所致。
形状记忆合金具有力的输出大和形变量大的优点。
它们分别是压电材料的十倍左右，但响应速度比较慢而且形变呈阶跃性变化，因此限制了其应用。
为了提高响应速度并将其应用于微执行器上，一方面采用薄板丝和薄膜状等小体积材料；
另一方面具有优越性能的新型的形状记忆材料已在开发之中；
（2）隧道效应敏感：
根据隧道效应可设计出力传感器、红外传感器、磁强计、加速度计和压力传感器等功能性器件。
它们的灵敏度很高，但却具有复杂的加工工艺和昂贵的生产成本。
（3）光学敏感执行器：
在入射光的作用下材料产生应变，即直接将光能转变为机械能。
一般认为其机制是光电效应和逆压电效应的迭加所致。
利用光致伸缩效应可以设计制作新一代无线遥控器件，这种器件具有无电磁噪声污染的优点。
实际应用中要求光致伸缩材料应具备较高的光电效应和较快的响应速度；
（4）生物执行器；
（5）气动/水力激励执行器；
（6）混合执行器等。
随着MEMS执行器在各个领域的应用，执行器的种类将会越来越多，执行器的性能也会得到进一步的提升。
3MEMS经典实例分析
上述介绍的
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