1、微執(zhí)行器導(dǎo)論 讀書(shū)筆記摘要：微執(zhí)行器可用來(lái)產(chǎn)生力和機(jī)械運(yùn)動(dòng)，是微機(jī)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(lèi)。本文從原理、制備及應(yīng)用實(shí)例等方面分別對(duì)這幾類(lèi)執(zhí)行器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并簡(jiǎn)單總結(jié)了不同執(zhí)行器的獨(dú)特性能和優(yōu)缺點(diǎn)。1、簡(jiǎn)介MEMS技術(shù)的迅速發(fā)展帶來(lái)了傳感器和執(zhí)行器的革命性變化。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)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(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。執(zhí)行器可接收控制信息并對(duì)受控對(duì)象施加控制作用，主要用來(lái)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)

2、、力和扭矩。傳感器和執(zhí)行器統(tǒng)稱(chēng)為換能器，利用換能器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jī)械能、化學(xué)能、輻射能、磁能和熱能。一個(gè)系統(tǒng)的能量可以有一個(gè)或多個(gè)不同的能量域組成，在不同環(huán)境下能量可以在各個(gè)能域之間進(jìn)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(jiǎn)單的傳統(tǒng)機(jī)械的微型化，其驅(qū)動(dòng)方式與傳統(tǒng)機(jī)械大有不同，甚至?xí)捎枚喾N執(zhí)行機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能的微執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。微執(zhí)行器作為可動(dòng)部分，其動(dòng)作范圍的大小、動(dòng)作效率的高低、動(dòng)作的可靠性等指標(biāo)決定了系統(tǒng)的成敗，它是微機(jī)電系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。在微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和選擇過(guò)程中，有以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)必須考慮：(1)扭矩和力的輸出能力；(2)

3、位移范圍；(3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和帶寬；(4)材料來(lái)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(dòng)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(duì)微執(zhí)行器的研究是微機(jī)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(lèi)及實(shí)例微執(zhí)行器將能量由非機(jī)械能的形式轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，對(duì)于某種特定的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，通常會(huì)有多種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。由于對(duì)某一傳感器和執(zhí)行過(guò)程來(lái)講，能量轉(zhuǎn)換的形式有很多，如靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、熱敏感驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)等，每一種轉(zhuǎn)換途徑都會(huì)要求

4、不同的敏感材料、加工方法及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，本文將從這幾個(gè)方面對(duì)不同驅(qū)動(dòng)形式的微執(zhí)行器作詳細(xì)介紹和對(duì)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(chǔ)相反電荷的兩個(gè)導(dǎo)體，當(dāng)電容器的間距和相對(duì)位置因外加激勵(lì)而改變時(shí)，電容值也隨之變化，這就是靜電敏感的機(jī)理。當(dāng)電壓(或電場(chǎng))施加于兩個(gè)導(dǎo)體上時(shí)，導(dǎo)體之間就會(huì)產(chǎn)生靜電力，稱(chēng)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(shì)應(yīng)用于微執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)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(gè)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(lái)分，電容器主要

5、有平板電容器和叉指(梳狀驅(qū)動(dòng))電容器。下面將對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的原理、應(yīng)用等進(jìn)行詳細(xì)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(lái)講，它是由兩個(gè)寬度方向相互平行的導(dǎo)體平板構(gòu)成的。當(dāng)施加電壓時(shí)，兩平行極板間的靜電引力為：其中C為電容，V為靜電勢(shì)，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(shì)的增大而迅速增加。靜電力是一種短程力，當(dāng)間隙在幾個(gè)微米量級(jí)時(shí)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(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)增大初始間距來(lái)產(chǎn)生更大的運(yùn)動(dòng)范圍，但力的大小卻因此受

6、限，故應(yīng)注意運(yùn)動(dòng)范圍和可用力的性能折中，目前可通過(guò)一種抓爬式執(zhí)行器設(shè)計(jì)來(lái)獲得遠(yuǎn)距離的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。 大多數(shù)靜電執(zhí)行器至少包含一個(gè)由彈簧支撐的可變形平板，在該類(lèi)器件的設(shè)計(jì)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(dāng)施加電壓時(shí)，兩平板之間會(huì)產(chǎn)生靜電力，靜電力使得平板間隙有減小的趨勢(shì)，從而引起位移和機(jī)械回復(fù)力。平衡狀態(tài)下兩個(gè)力等大反向。對(duì)于恒定的偏置電壓，機(jī)械恢復(fù)力隨著極板位置線性變化，與靜電引力在多個(gè)位移處相交，但只有一個(gè)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(dāng)偏置電壓繼續(xù)增大超過(guò)Vp，兩種力的F-x曲線再無(wú)交點(diǎn)，即靜電力無(wú)法平衡機(jī)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(chēng)為吸合，至此重新機(jī)械力與靜電力重新達(dá)到平衡。引起吸合所需的電壓與位移對(duì)于靜電微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)至觀重要，可以通過(guò)解析模型獲得，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的吸合效應(yīng)對(duì)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(guò)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(gè)或多個(gè)軸向自由運(yùn)動(dòng)，叉指類(lèi)似于梳子上的齒，故該結(jié)構(gòu)也可被稱(chēng)作梳狀驅(qū)動(dòng)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(jì)該類(lèi)型的執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)充分考慮梳齒厚度以及固定梳齒和可動(dòng)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(dòng)的設(shè)計(jì)有很多，常見(jiàn)的有兩種類(lèi)型：橫向驅(qū)動(dòng)梳指器件和縱向驅(qū)動(dòng)梳指器件。兩者的區(qū)別在于自由梳指的運(yùn)動(dòng)方向不同，前者沿垂直于梳指縱軸的方向運(yùn)動(dòng)，后者沿梳指縱軸的方向運(yùn)動(dòng)。共面橫向和縱向梳狀驅(qū)動(dòng)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(lái)產(chǎn)生面內(nèi)或離面位移，在直流電壓和準(zhǔn)靜態(tài)偏置下受限的位移幅度可通過(guò)諧振驅(qū)動(dòng)和機(jī)械齒輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大的轉(zhuǎn)動(dòng)或線性位移。此類(lèi)型的執(zhí)行器在光開(kāi)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(dòng)方式，靜電驅(qū)動(dòng)型微執(zhí)行器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)靜電力與尺寸的平方成反例，即靜電驅(qū)動(dòng)時(shí)微機(jī)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(dòng)控制容易、易于高速化，而且可以實(shí)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(chǎng)可使靜電驅(qū)動(dòng)力增加。除此之外，靜電微執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn)可歸納總結(jié)為：(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：原理相對(duì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，僅需兩個(gè)導(dǎo)電表面，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的功能材料。(2)功耗低：依賴(lài)于電壓差而非電流，低頻應(yīng)用時(shí)即可有很高的能效。(3)響應(yīng)快：轉(zhuǎn)換速度由充放電時(shí)間常數(shù)決定，對(duì)于良導(dǎo)體時(shí)間常數(shù)很小。但與此同時(shí)靜電敏感與執(zhí)行也存在著不可忽視的缺點(diǎn)。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(shí)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(huì)帶來(lái)電路復(fù)雜和材料兼容性方面的問(wèn)題。另一方面與絕緣體機(jī)械連接的電極上會(huì)積累電荷

10、，而電荷會(huì)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(guò)注入或抽走其中的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度分布的變化通過(guò)熱膨脹、熱收縮或者相變將導(dǎo)致機(jī)械位移或者力的輸出。微結(jié)構(gòu)通過(guò)吸收電磁波、歐姆熱、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的熱量，溫度可以升高；而通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱、熱對(duì)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(dòng)證明了溫度的存在。當(dāng)材料中存在溫度梯度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱傳遞。熱量從一點(diǎn)傳遞到另一點(diǎn)有四種可能的機(jī)制：(1)傳導(dǎo)；(2)自然對(duì)流；(3)強(qiáng)迫對(duì)流；(4)輻射。對(duì)熱傳遞過(guò)程的理解和掌握在熱執(zhí)行器的設(shè)計(jì)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(huì)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(jī)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(duì)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(shí)，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(jī)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(gè)機(jī)械單元。它們有相同的長(zhǎng)度，但熱膨脹系數(shù)（TEC)不同。當(dāng)溫度均勻變化T時(shí)，兩層的長(zhǎng)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(jī)電恒溫器都運(yùn)用了這一原理。恒溫器是一個(gè)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(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，線圈的末端傾斜并觸發(fā)水銀滴繼電器的移動(dòng)，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(lèi)較多，例如模仿生物纖毛來(lái)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dāng)?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(jìn)而發(fā)熱量比冷臂大得多，因此有較大的熱膨脹量，整個(gè)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(dòng)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(duì)稱(chēng)熱膨脹：電流通過(guò)時(shí)，兩臂由于橫截面積或長(zhǎng)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(dāng)電阻發(fā)熱時(shí)，腔內(nèi)空氣溫度升高，壓力增大，推動(dòng)膜向外膨脹產(chǎn)生位移；

14、當(dāng)停止加熱，膜又回到原來(lái)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(dāng)電阻受到應(yīng)力和形變時(shí),其阻值會(huì)發(fā)生改變。該效應(yīng)于1856年被發(fā)現(xiàn)，為機(jī)械能和電能之間提供了一種簡(jiǎn)單、直接的能量與信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(jué)傳感器等。電阻的阻值由幾何尺寸和體電阻率決定，通過(guò)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(zhǎng)度等會(huì)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(huì)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(yuǎn)大于幾何尺寸變化對(duì)電阻值的影響。施加在電阻上的應(yīng)力包含三個(gè)基本分量，一個(gè)沿電

15、阻的縱軸，另外兩個(gè)與縱軸成直角且相互垂直，在縱應(yīng)力分量下測(cè)得的阻值變化稱(chēng)為縱向壓阻相應(yīng)，同理在橫向應(yīng)力分量下測(cè)得的阻值變化稱(chēng)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(guò)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(jì)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(jì)；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(jì)：結(jié)構(gòu)多為金屬

16、包層的塑料片形式，將其粘附在機(jī)械薄膜表面進(jìn)行應(yīng)行研究。應(yīng)變計(jì)的導(dǎo)電通路多為之字形以提高電阻長(zhǎng)度和總電阻的大小。就性能而言，半導(dǎo)體壓阻計(jì)要優(yōu)于薄膜金屬應(yīng)變計(jì)，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(jì)可通過(guò)對(duì)硅進(jìn)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(lèi)型和襯底溫度的影響。設(shè)計(jì)硅壓阻時(shí)，必須考慮這幾個(gè)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(gè)重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，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(lèi)型的傳感器中。下面介紹一些具有代表性的實(shí)例，這些傳感器都具有獨(dú)特的器件設(shè)計(jì)、制造工藝以及可達(dá)到的性能指標(biāo)： (1)慣性傳感器：根據(jù)牛頓第二定律F=ma可知，當(dāng)有加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊受到慣性力，與它連接的機(jī)械支撐元件會(huì)發(fā)生形變，從而引入應(yīng)力和形變。通過(guò)測(cè)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(jì)。 (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(jué)傳感器：該傳感器用來(lái)測(cè)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(jué)傳感器，該傳感器利用的是手尖接觸物體時(shí)產(chǎn)生的分布應(yīng)力。微機(jī)械加工觸覺(jué)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(cè)試時(shí)對(duì)流量場(chǎng)的影響，因而可應(yīng)用于流量傳感器。當(dāng)微結(jié)構(gòu)周?chē)牧黧w流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生提升力、拖拽力或動(dòng)量傳遞等，這些力會(huì)因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)形變和應(yīng)力變化，在微結(jié)構(gòu)上放置壓阻，通過(guò)測(cè)量阻止就可推斷彎曲情況。經(jīng)典實(shí)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(jī)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(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)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(guò)數(shù)學(xué)假設(shè)和實(shí)驗(yàn)論證得出具有正壓電效應(yīng)的材料同時(shí)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(lèi)。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(cè)或聲學(xué)觀測(cè)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(jì)、揚(yáng)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(gè)微晶不同。相鄰晶疇的極化方向相差90度或180度，整個(gè)材料中的晶疇隨機(jī)分布，因此整體不顯現(xiàn)極化或壓電效應(yīng)。要實(shí)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(qiáng)電場(chǎng)中。在電場(chǎng)作用下，與電場(chǎng)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(chǎng)方向上材料被拉伸。當(dāng)電場(chǎng)去除后，晶疇被鎖定在近似對(duì)準(zhǔn)的取向上，造成晶體的殘余極化和永久變形。由機(jī)械作用、電作用或熱等作用引起退極化會(huì)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(guò)程應(yīng)十分小心。壓電元件的性質(zhì)隨時(shí)間變化，由于能量自發(fā)降低的老化效

21、應(yīng)，材料可能會(huì)發(fā)生退化。材料的老化速度可以通過(guò)添加復(fù)合材料元素或者加速老化進(jìn)行控制。2.4.2 壓電材料選用合適的材料運(yùn)用到電路制作和MEMS器件時(shí)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(duì)溫度的依賴(lài)性可忽略不計(jì)，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(shì)電

22、性以及鐵電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)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(shí)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)的薄膜材料，但其壓電系數(shù)低，沒(méi)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(zhǎng)期保持的穩(wěn)定能力。因而在設(shè)計(jì)靜電工

23、作條件的壓電執(zhí)行器時(shí)，必須考慮漏電效應(yīng)。2.4.3 應(yīng)用壓電執(zhí)行器通過(guò)利用逆壓電效應(yīng)在壓電材料上加不同的驅(qū)動(dòng)電壓以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的功能。與其它形式的驅(qū)動(dòng)相比，壓電執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。壓電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電壓在10100V之間，主要問(wèn)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(dòng)電壓，利用PZT的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生上下震動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)腔內(nèi)體積和壓力的變化，完成液體的驅(qū)動(dòng)。壓電執(zhí)行器最主要的缺點(diǎn)是位移小、驅(qū)動(dòng)電壓大，這些性能缺陷可通過(guò)雙壓電原理進(jìn)行改善，實(shí)現(xiàn)大位移驅(qū)動(dòng)，具體操作是通過(guò)在驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)雙壓電效應(yīng)。此外當(dāng)外加電壓頻率和懸臂梁固有頻率一致時(shí)，震動(dòng)幅度最大，其周?chē)鷼怏w流動(dòng)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(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生磁化，磁微執(zhí)行器利用磁性材料和磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生力、力矩或者微結(jié)構(gòu)的位移，它是通過(guò)磁體和外部直流磁場(chǎng)的相互作用來(lái)工作的。磁體可以分為硬磁體和軟磁體兩大類(lèi)，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(chǎng)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(dāng)磁性材料的磁化方向與本地磁場(chǎng)線不平行時(shí)，指

25、南針受到磁力矩作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直至內(nèi)部磁場(chǎng)線與外部磁場(chǎng)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(dòng)作幅度大；它無(wú)需引線因而降低了封裝和使用的復(fù)雜程度，同時(shí)在自由空間存在相對(duì)較大的磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)人和自然環(huán)境造成危害，磁執(zhí)行器還可以用無(wú)源永磁體(成本低且工作時(shí)不消耗能量)提供足夠強(qiáng)的外部磁場(chǎng)，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(lèi)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(duì)于對(duì)電極的負(fù)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(lái)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?cè)娇?，在操作中?yīng)考慮電流密度過(guò)高時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題和表面粗糙問(wèn)題。對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)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(huì)在兩者之間添加鈦或鉻的金屬層。 磁性線圈的設(shè)計(jì)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?yàn)槲⑵骷某叽绾苄∏胰狈ψ詣?dòng)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(yuǎn)離線圈中心等特點(diǎn)

27、而不能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁通量密度。用集成的鐵芯以及纏繞的線圈可以實(shí)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(lèi)。多層線圈可通過(guò)堆疊的形式實(shí)現(xiàn)，三維線圈可通過(guò)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(shí)例研究微磁執(zhí)行器可以根據(jù)磁體的種類(lèi)及包含的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)。磁場(chǎng)的來(lái)源有四類(lèi)：永磁體、集成的電磁線圈、外部螺線管以及多種磁場(chǎng)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(shí)例：(1) 可變磁阻微馬達(dá)：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(dá)有兩組顯磁極，一組在定子上，一組在轉(zhuǎn)子上。當(dāng)激勵(lì)相位線圈時(shí)，靠近激勵(lì)定子電極的轉(zhuǎn)子磁極會(huì)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(duì)準(zhǔn)。將激勵(lì)相位線圈的電流關(guān)閉，下一個(gè)相位開(kāi)始激勵(lì)使之連續(xù)運(yùn)動(dòng)。在此設(shè)計(jì)中所有相位的電極都是按照相反極性成對(duì)排列，這使得鄰近極板間的路徑很短。按照順序激勵(lì)一組或更多組排列的定子線圈來(lái)產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。(2) 磁性梁執(zhí)行器：可用于空氣動(dòng)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(gè)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(dāng)外部磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，鐵磁片內(nèi)部發(fā)生磁化。在非均勻磁場(chǎng)中，微片上產(chǎn)生力矩

29、使折板發(fā)生移動(dòng)。 (3) 雙向磁性梁執(zhí)行器：將永磁體陣列電鍍?cè)诠钁冶哿旱哪┒?，以利用磁體陣列的垂直各項(xiàng)異性來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直磁執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)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(lèi)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(dòng)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(gè)軸旋轉(zhuǎn)，可產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。(5) 混合磁執(zhí)行器：用于可鎖存的、雙穩(wěn)態(tài)的電開(kāi)關(guān)。該開(kāi)關(guān)的獨(dú)特之處在于雙向磁化可以通過(guò)使用第二個(gè)磁場(chǎng)很快發(fā)生反轉(zhuǎn)，因而施加小的電流就可以實(shí)現(xiàn)力矩和開(kāi)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(jì)執(zhí)行器時(shí)，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(wèn)題，包括噪聲、靈敏度、溫度串?dāng)_以及工藝等。在選擇執(zhí)行器方式時(shí)，必須仔細(xì)考慮該方式或材料滿足主要及次要標(biāo)準(zhǔn)的能量。執(zhí)行器因其敏感源及其實(shí)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(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，表1對(duì)上述介紹的幾種執(zhí)行器進(jìn)行了比較和總結(jié)，在實(shí)際商業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)實(shí)現(xiàn)目的的不同進(jìn)行選擇。表1 不同執(zhí)行器優(yōu)缺點(diǎn)比較總結(jié)執(zhí)行方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜電執(zhí)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小材料簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快高工作電壓、需折中驅(qū)動(dòng)力和位移、受吸合效應(yīng)限制熱執(zhí)行運(yùn)動(dòng)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(lài)性強(qiáng)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(yán)重影響壓電效應(yīng)低頻條件下

31、性能下降磁執(zhí)行無(wú)需引線、可使用強(qiáng)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(gè)主要特點(diǎn)：(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(yùn)動(dòng)的精度；(3)利用各種功能材料的制動(dòng)，免去了中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)誤差和傳動(dòng)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(xì)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(diǎn)。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(kāi)發(fā)之中； (2)隧道效應(yīng)敏感：根據(jù)隧道效應(yīng)可設(shè)計(jì)出力傳感器、紅外傳感器、磁強(qiáng)計(jì)、加速度計(jì)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(jī)械能。一般認(rèn)為其機(jī)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(jì)制作新一代無(wú)線遙控器件

33、，這種器件具有無(wú)電磁噪聲污染的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)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(dòng)/水力激勵(lì)執(zhí)行器；(6)混合執(zhí)行器等。隨著MEMS執(zhí)行器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，執(zhí)行器的種類(lèi)將會(huì)越來(lái)越多，執(zhí)行器的性能也會(huì)得到進(jìn)一步的提升。3 MEMS經(jīng)典實(shí)例分析 上述介紹的實(shí)例大都來(lái)自于學(xué)術(shù)刊物，多局限于實(shí)驗(yàn)室中，下面介紹一些經(jīng)典的商業(yè)實(shí)例，這些產(chǎn)品很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、材料、制造和商業(yè)化之間的折中，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。(1) 血壓傳感器：就機(jī)械和就機(jī)械和電子單元的復(fù)雜性來(lái)說(shuō)，血壓傳感器是最簡(jiǎn)單的傳感器。但因?yàn)獒t(yī)療產(chǎn)品的特殊性，它需要面臨醫(yī)療健康機(jī)構(gòu)制定的嚴(yán)格規(guī)范。硅MEMS血壓傳感器的問(wèn)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(shí)將污染的可能性降到最小，既保障了低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)，也減輕了病人的負(fù)擔(dān)。在血壓傳感器的設(shè)計(jì)中，壓阻式敏感更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。(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(fèi)類(lèi)產(chǎn)品(如電腦、手機(jī)、助聽(tīng)器等)中的低成本元件，且因其尺寸小和價(jià)格低廉等諸多優(yōu)勢(shì)已成為MEMS技術(shù)和商業(yè)化的重要方向。在器件設(shè)計(jì)中電容式敏感是ME