MEMS傳感器和執(zhí)行器
傳感器是用來探測和監(jiān)測物理化學現(xiàn)象的器件；執(zhí)行器是用來產(chǎn)生機械運動、力和轉(zhuǎn)矩的器件。傳感器和執(zhí)行器統(tǒng)稱換能器，可以實現(xiàn)信號和能量由一種能量轉(zhuǎn)換為另一種能量。
涉及能量主要包括：1）電能；2）機械能；3）化學能；4）輻射能；5）磁能；6）熱能；7）光能，等等。如常見的靜電敏感與執(zhí)行器、熱敏感與執(zhí)行器、壓電敏感與執(zhí)行器、磁執(zhí)行器 、壓阻傳感器等等。下面對常見的MEMS敏感與執(zhí)行器做一簡單的介紹。
1、靜電敏感與執(zhí)行器
靜電敏感與執(zhí)行器是一個用MEMS技術(shù)制作的可變電容器來實現(xiàn)的。大家知道，如圖三左側(cè)圖所示，儲存相反電荷的兩個導體構(gòu)成電容器，常用的基本結(jié)構(gòu)包括平行板電容器（由寬度方向相互平行的導體平板構(gòu)成）和叉指電容器（利用電極側(cè)壁構(gòu)成的電容，又叫梳狀驅(qū)動器件）。
當電容的間距和相對位置因外加激勵而產(chǎn)生變化時，它的電容值會發(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）施加于兩個導體上時，導體之間會產(chǎn)生靜電力并利用靜電力完成預定的功能，定義為靜電執(zhí)行。
電容式敏感器和執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，響應快，但需要較高的驅(qū)動電壓，目前已經(jīng)實用化。
下圖是一個平板電容器（左）結(jié)構(gòu)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(gòu)成一個電容器，當施加一個交變電壓時，由于靜電力的吸引引起硅梁振動，并最終形成穩(wěn)定的振蕩，構(gòu)成一個振蕩器。
下面再舉一個靠靜電敏感的MEMS加速度計工作的例子。
常見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，因此重點加以介紹。
下圖是電容式MEMS加速度傳感器結(jié)構(gòu)模型圖，包括一個可移動的質(zhì)塊通過彈簧連到固定座形成一個電極（圖中綠色），與一個相對的固定的部分（圖中藍色）形成電容的兩個極。按照虎克定律（F = kx）、牛頓第二定律（F = ma）等，只需獲得位移，就能進一步求出加速度。
當外界加速度使可移動電極與固定電極發(fā)生相對位移時，兩極間的電容量也會發(fā)生變化，通過特殊電路即可將此變化量轉(zhuǎn)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(zhí)行器
熱敏感與執(zhí)行器種類也比較多，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(zhí)行器例如噴墨打印機噴頭等等。
下圖是熱執(zhí)行器的實際例子。左圖是一個雙膜片執(zhí)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，由于兩臂熱膨脹系數(shù)的不同，致使熱臂伸長量大于冷臂，引起兩臂端部產(chǎn)生位移而完成某種功能，例如電接點的通斷，執(zhí)行電開關(guān)的功能。
右圖則是噴墨打印機噴墨頭的結(jié)構(gòu)，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(nèi)，當需要打印時，墨汁倉被迅速加熱，氣泡急劇膨脹，使墨汁從倉內(nèi)噴出，多個噴頭同時噴射，完成字體或圖形的打印。由于墨汁倉體積很小，膨脹動作的響應速度很快，墨汁瞬間噴出而完成打印，這也是微觀尺寸下與宏觀尺寸表現(xiàn)的不同，即所謂尺度效應的體現(xiàn)。
3、壓電敏感與執(zhí)行器
有一類晶體材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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會產(chǎn)生電荷，叫做正壓電效應；反過來，在其上施加電場時會產(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(zhí)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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，膜的下面有一個空腔。圖的右側(cè)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(jié)構(gòu)上時，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電場的變化而產(chǎn)生膨脹、收縮，從而形成振動。
當聲波在壓電薄膜中正好是半波長或者半波長的奇數(shù)倍時形成駐波振蕩，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，其導電率會發(fā)生變化，利用這一特性可以制作壓阻傳感器。
下圖是一個壓阻敏感器結(jié)構(gòu)原理圖。壓力改變電阻值，通過測量電阻的變化實現(xiàn)非電量的電測量。
以上介紹了幾種常見的敏感方式和執(zhí)行方式，可以看出不同的敏感方式和執(zhí)行方式所依據(jù)的原理不同，因此具有各自的性能特點，適合各種不同的應用場合。表1和表2分別列舉了不同的敏感方式和不同執(zhí)行方式的優(yōu)點和不足，供選用參考。
應當說明，優(yōu)點和缺點是相對而言的，而且同一種敏感和執(zhí)行方式往往包含幾種具體方案，方案之間也有明顯的差別，選擇方案時應該針對具體的應用進行全面分析。
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(jié)了MEMS技術(shù)的特點，隨后介紹了常見的幾種敏感和執(zhí)行方式，并對不同的敏感和執(zhí)行方式做了對比。至此，讀者對MEMS技術(shù)的基本原理和實現(xiàn)方法有了一個概括的認識。
