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(xué)現(xiàn)象的器件；執(zhí)行器是用來產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)、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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jī)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(duì)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(gè)用MEMS技術(shù)制作的可變電容器來實(shí)現(xiàn)的。大家知道，如圖三左側(cè)圖所示，儲(chǔ)存相反電荷的兩個(gè)導(dǎo)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(dǎo)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(dòng)器件）。
當(dāng)電容的間距和相對(duì)位置因外加激勵(lì)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(dāng)電壓（電場）施加于兩個(gè)導(dǎo)體上時(shí)，導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生靜電力并利用靜電力完成預(yù)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(yīng)快，但需要較高的驅(qū)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(jié)構(gòu)示意圖和靠靜電力激勵(lì)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(gè)電容器，當(dāng)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(wěn)定的振蕩，構(gòu)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(jì)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(duì)流式等。而電容式加速度傳感器具有較多的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)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(jié)構(gòu)模型圖，包括一個(gè)可移動(dòng)的質(zhì)塊通過彈簧連到固定座形成一個(gè)電極（圖中綠色），與一個(gè)相對(duì)的固定的部分（圖中藍(lán)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(dāng)外界加速度使可移動(dòng)電極與固定電極發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，兩極間的電容量也會(huì)發(fā)生變化，通過特殊電路即可將此變化量轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。應(yīng)用這一原理可延伸設(shè)計(jì)出單軸、雙軸和三軸加速度計(jì)。
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(duì)流原理的熱氣泡加速度計(jì)傳感的應(yīng)用；熱執(zhí)行器例如噴墨打印機(jī)噴頭等等。
下圖是熱執(zhí)行器的實(shí)際例子。左圖是一個(gè)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(dāng)外部激勵(lì)因素使溫度升高時(shí)，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(diǎn)的通斷，執(zhí)行電開關(guān)的功能。
右圖則是噴墨打印機(jī)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(chǔ)存在墨汁倉內(nèi)，當(dāng)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，即對(duì)其施加機(jī)械壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，叫做正壓電效應(yīng)；反過來，在其上施加電場時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，叫做逆壓電效應(yīng)。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(yīng)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(yīng)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(cè)是空氣腔型FBAR諧振器等效電路模型。
當(dāng)交變電壓信號(hào)作用于金屬-壓電薄膜-金屬結(jié)構(gòu)上時(shí)，處在中間層的壓電薄膜材料由于逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生機(jī)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(dòng)。
當(dāng)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(shí)形成駐波振蕩，產(chǎn)生諧振。
4、壓阻敏感器
某些半導(dǎo)體材料當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，其導(dǎo)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(jié)構(gòu)原理圖。壓力改變電阻值，通過測量電阻的變化實(shí)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(diǎn)，適合各種不同的應(yīng)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(diǎn)和不足，供選用參考。
應(yīng)當(dāng)說明，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是相對(duì)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(shí)應(yīng)該針對(duì)具體的應(yīng)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(duì)比的基礎(chǔ)上總結(jié)了MEMS技術(shù)的特點(diǎn)，隨后介紹了常見的幾種敏感和執(zhí)行方式，并對(duì)不同的敏感和執(zhí)行方式做了對(duì)比。至此，讀者對(duì)MEMS技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法有了一個(gè)概括的認(rèn)識(shí)。
