MEMS傳感器和執行器
傳感器是用來(lái)探測和監測物理化學(xué)現象的器件；執行器是用來(lái)產(chǎn)生機械運動(dòng)、力和轉矩的器件。傳感器和執行器統稱(chēng)換能器，可以實(shí)現信號和能量由一種能量轉換為另一種能量。
涉及能量主要包括：1）電能；2）機械能；3）化學(xué)能；4）輻射能；5）磁能；6）熱能；7）光能，等等。如常見(jiàn)的靜電敏感與執行器、熱敏感與執行器、壓電敏感與執行器、磁執行器 、壓阻傳感器等等。下面對常見(jiàn)的MEMS敏感與執行器做一簡(jiǎn)單的介紹。
1、靜電敏感與執行器
靜電敏感與執行器是一個(gè)用MEMS技術(shù)制作的可變電容器來(lái)實(shí)現的。大家知道，如圖三左側圖所示，儲存相反電荷的兩個(gè)導體構成電容器，常用的基本結構包括平行板電容器（由寬度方向相互平行的導體平板構成）和叉指電容器（利用電極側壁構成的電容，又叫梳狀驅動(dòng)器件）。
當電容的間距和相對位置因外加激勵而產(chǎn)生變化時(shí)，它的電容值會(huì )發(fā)生變化，從而引起電路中電流的變化，這就是電容（靜電）敏感的原理。當電壓（電場(chǎng)）施加于兩個(gè)導體上時(shí)，導體之間會(huì )產(chǎn)生靜電力并利用靜電力完成預定的功能，定義為靜電執行。
電容式敏感器和執行器結構簡(jiǎn)單，功耗低，響應快，但需要較高的驅動(dòng)電壓，目前已經(jīng)實(shí)用化。
下圖是一個(gè)平板電容器（左）結構示意圖和靠靜電力激勵的硅MEMS諧振器原理示意圖（右)，圖中硅梁和底電極構成一個(gè)電容器，當施加一個(gè)交變電壓時(shí)，由于靜電力的吸引引起硅梁振動(dòng)，并最終形成穩定的振蕩，構成一個(gè)振蕩器。
下面再舉一個(gè)靠靜電敏感的MEMS加速度計工作的例子。
常見(jiàn)的加速度傳感器技術(shù)有多種，包括壓阻式、電容式、壓電式及熱對流式等。而電容式加速度傳感器具有較多的優(yōu)勢，應用廣泛，發(fā)展的潛力極大，因此重點(diǎn)加以介紹。
下圖是電容式MEMS加速度傳感器結構模型圖，包括一個(gè)可移動(dòng)的質(zhì)塊通過(guò)彈簧連到固定座形成一個(gè)電極（圖中綠色），與一個(gè)相對的固定的部分（圖中藍色）形成電容的兩個(gè)極。按照虎克定律（F = kx）、牛頓第二定律（F = ma）等，只需獲得位移，就能進(jìn)一步求出加速度。
當外界加速度使可移動(dòng)電極與固定電極發(fā)生相對位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì )發(fā)生變化，通過(guò)特殊電路即可將此變化量轉換成相對應的輸出信號。應用這一原理可延伸設計出單軸、雙軸和三軸加速度計。
2、熱敏感與執行器
熱敏感與執行器種類(lèi)也比較多，例如用于溫度測量的熱電偶原理溫度傳感器和基于熱對流原理的熱氣泡加速度計傳感的應用；熱執行器例如噴墨打印機噴頭等等。
下圖是熱執行器的實(shí)際例子。左圖是一個(gè)雙膜片執行器，一邊是熱臂，另一邊是冷臂。在正常溫度下，兩臂保持直立。當外部激勵因素使溫度升高時(shí)，由于兩臂熱膨脹系數的不同，致使熱臂伸長(cháng)量大于冷臂，引起兩臂端部產(chǎn)生位移而完成某種功能，例如電接點(diǎn)的通斷，執行電開(kāi)關(guān)的功能。
右圖則是噴墨打印機噴墨頭的結構，其中白色部分是氣泡，黃色部分是墨汁。正常溫度下墨汁儲存在墨汁倉內，當需要打印時(shí)，墨汁倉被迅速加熱，氣泡急劇膨脹，使墨汁從倉內噴出，多個(gè)噴頭同時(shí)噴射，完成字體或圖形的打印。由于墨汁倉體積很小，膨脹動(dòng)作的響應速度很快，墨汁瞬間噴出而完成打印，這也是微觀(guān)尺寸下與宏觀(guān)尺寸表現的不同，即所謂尺度效應的體現。
3、壓電敏感與執行器
有一類(lèi)晶體材料，其內部結構是各向異性的，例如石英晶體、氮化鋁晶體、氧化鋅晶體等等，具有壓電效應，即對其施加機械壓力時(shí)會(huì )產(chǎn)生電荷，叫做正壓電效應；反過(guò)來(lái)，在其上施加電場(chǎng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生機械變形，叫做逆壓電效應。利用這種特性，可以做成壓電敏感器或執行器。
下圖是利用壓電效應做成的空氣腔型薄膜體聲波諧振器（FBAR）的結構示意圖，上面部分是諧振器的最關(guān)鍵部分，它是基于硅基材料上做的一種三明治結構，中間是一層具有壓電效應的薄膜，一般是氮化鋁（AlN）薄膜，兩邊各有一層金屬電極，膜的下面有一個(gè)空腔。圖的右側是空氣腔型FBAR諧振器等效電路模型。
當交變電壓信號作用于金屬-壓電薄膜-金屬結構上時(shí)，處在中間層的壓電薄膜材料由于逆壓電效應，產(chǎn)生機械形變，使得壓電薄膜層隨著(zhù)電場(chǎng)的變化而產(chǎn)生膨脹、收縮，從而形成振動(dòng)。
當聲波在壓電薄膜中正好是半波長(cháng)或者半波長(cháng)的奇數倍時(shí)形成駐波振蕩，產(chǎn)生諧振。
4、壓阻敏感器
某些半導體材料當受到機械應力時(shí)，其導電率會(huì )發(fā)生變化，利用這一特性可以制作壓阻傳感器。
下圖是一個(gè)壓阻敏感器結構原理圖。壓力改變電阻值，通過(guò)測量電阻的變化實(shí)現非電量的電測量。
以上介紹了幾種常見(jiàn)的敏感方式和執行方式，可以看出不同的敏感方式和執行方式所依據的原理不同，因此具有各自的性能特點(diǎn)，適合各種不同的應用場(chǎng)合。表1和表2分別列舉了不同的敏感方式和不同執行方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，供選用參考。
應當說(shuō)明，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是相對而言的，而且同一種敏感和執行方式往往包含幾種具體方案，方案之間也有明顯的差別，選擇方案時(shí)應該針對具體的應用進(jìn)行全面分析。
以上介紹了MEMS技術(shù)的基本概念，在與微電子技術(shù)對比的基礎上總結了MEMS技術(shù)的特點(diǎn)，隨后介紹了常見(jiàn)的幾種敏感和執行方式，并對不同的敏感和執行方式做了對比。至此，讀者對MEMS技術(shù)的基本原理和實(shí)現方法有了一個(gè)概括的認識。
