热气动蠕动泵
入口 加热电阻 出口
流道 蠕动膜
热气动蠕动泵
热气动蠕动泵，膜片 与管道间的间隙处于 常开状态，加热驱动 将使间隙关闭，膜片 的顺序动作促使流体 定向流动。该泵流量 和背压都比较低。
电磁式微执行器实例(2)
热气动微阀
玻璃 出口 硅 铝膜
进口
热气动微阀，压力腔 内注有氯甲烷，利用 其液态-气态相变控 制流体，控制氮气流 量达15L/min。
驱动腔 泵薄膜 检测电极 泵腔 绝缘层 驱动单元
阀体单元
入口 出口
Zengerle R的静电致动微泵
微执行器的致动方式
(2)热执行器
利用热来驱动的热致动器
或简单的加热器（一个电 阻器）广泛应用于微机械 器件中，是一种十分常见 的驱动方式。从原理上分， 热致动器可以分为热气动 式和热膨胀式两种。
静电式微执行器实例(2)
“尺蠖” 执行器
使用一个能弯曲的末端 带有微小垂直挡板的金 属板，当在金属板和衬 底中掩埋的导体两端加 电压时，金属板就向下 弯曲，并将挡板向前推 进一小段距离。电压消 失时，由于挡板和绝缘 层表面摩擦力的不对称， 导致一定程度的运动 “调整”，因而产生了 金属板净位移。
静电式微执行器实例(3) 静电光开关
1.惯性传感器

基于梳状驱动的惯性传感器可以用各种方式来实现。 ADXL加速度计是最经典的一种MEMS传感器，它是基于 共面横向梳状驱动的。
梳状驱动加速度计
2.执行器 梳状驱动执行器常常用来产生面内或离面位移。
用于光开关的梳状驱动器
大位移梳状驱动执行器
右图是Sandia国家 实验室研制的一种 齿轮传动的机械装 置。
热膨胀式：利用执行器加热时本身材料的体积膨胀驱
动。
热气动式：一种典型的方法是形成带有密封流体（如
空气、水蒸汽和液态水等）的空腔，气腔中的流体被 加热后就会膨胀，压力增大，从而推动薄膜运动。
现在很多喷墨打印机都是利用墨水的热膨胀来喷出墨
滴。热喷墨打印机墨嘴的示意图如下图所示。
固体热膨胀：双晶片热执行器
凹槽绝缘 硅 输入2 光纤槽 输入1 输出1 输出2 驱动器不作用 时的反射状态 光纤 氧化硅 驱动器作用时 的直通状态 输 入 输入1 2 输出1 输出2
静电梳齿驱动器
光纤槽
采用了一双面反射的垂直微镜来实现开关。将微镜与一根长梁相连，长 梁由梳状电极静电驱动。只要施加一个电压短脉冲，微镜在长梁的带动下就 会作进入或弹出光路的水平运动，实现光路切换。
双晶片热执行器
双金属致动器
双金属致动器也是一种热致动器，但它不利用固体的
体积膨胀，而是利用固体的线性膨胀来制造微致动器。 双金属热致动是通过加热，使得驱动元件本身的温度 升高，结构内部产生热应力，导致薄膜产生线性应变， 从而达到驱动目的。
双金属热致动方式具有驱动电压低、驱动力大、
行程大、线性的位移—能量关系、结构及制造工 艺简单（相对热气动等方式而言）、驱动能源易 于实现、易于集成等特点，因而应用前景广泛。
静电力使得间隙有减小的趋势。从而引起位移和机械回复力。在
静态平衡下，机械回复力与静电力的大小相等，方向相反。
下图中的两条曲线，分别代表机械回复力与静电力随电极
位臵的变化。对于恒定的偏臵电压U,机械回复力(Fmechanical )随着极板位臵线性变化，静电力(Felectric)随着极板位臵非 线性变化。
解：
作用在平板上的法向静电力 出来，其中空气为 绝缘介质，相对介电常数为 or 代入参数，得到 的大小，可以由公式计算
，真空介电常数为
静电梳齿驱动
静电梳齿驱动
静电梳齿驱动
静电梳齿驱动
一般采用表面微加工工艺制做 包含有许多相互交错的指状梳齿
当施加电压时，梳齿之间产生吸引力，梳齿相互靠近
电磁式微执行器实例(4) 热气动活塞执行器简图
缺点：
工作环境必须是液体环境，限制了其最大工作速度
（由于阻尼）和效率（由于液体的热导）。
热驱动方法功耗较大，且因为热时间常数，其带宽比
较低。热气动式由于要有密封腔，所以生产装配工艺 较为复杂。
微执行器的致动方式
(3)磁执行器
电磁致动：通过线圈通电 产生磁场，导磁体由于磁 场力的作用而产生运动。
热执行器的一个基本方案是利用两种键合材料的不同热
膨胀系数，被称为双晶片热激励。 一个加热器常被夹在两层“活动”的材料中间，加电后， 就会使它们产生不同的膨胀。该方案的优点包括线性的 偏移量-能量关系以及环境稳定性，如这些执行器能运行 于热传导相当低的液体中。 缺点包括高功耗、低带宽（由热时间常数决定）以及比 静电执行器更复杂的结构。
磁致伸缩执行器
磁致伸缩效应： 1840年焦耳发现，当给镍棒加一个
轴向磁场时，它会收缩。
从而引起材料尺寸的变化。
在外加磁场的作用下，材料的磁畴按外磁场进行排列，
外加磁场的磁执行器
外加磁场导致坡莫合金区域产生磁性极化，这反过来又和 外加磁场作用，结果导致执行器重新定位，直到它与磁场 对准。该器件可用于斩波、扫描、光束导向等微光学场合。
电磁式微执行器实例(7) 外加磁场的电磁阀 该阀由一个NiFe溅射阀 座和一个可开启、关闭 的可移动NiFe阀膜组成。 依靠活动膜片上支撑弹 簧的内力，可以制成常 开或常闭阀。微机械阀 元件放置于携带有流体 的管道中，管道的外面 是由外加线圈形成的磁 场，构成了一种电隔离 操作。
静电悬臂驱动
利用了驱动电压与梁末端偏移量之间的关系。
从工程力学理论可以知道，宽度为w的悬臂梁，在距固定 端X处施加集中载荷时，梁末端的偏移量δT可由(x)为 ：
静电式微执行器实例(1) 静电旋转微型马达
静电激励已经被 用于实现旋转马 达结构。基本思 路是制做一个能 自由转动的中间 转子，四周布以 电容极板，以合 适的相位驱动， 就可使转子转动。
微执行器的特点
与传统执动器相比，微执动器的特点有
微系统加速快、速度高；
仅需极小的驱动力； 随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因
素小。
微致动器的分类
按致动原理分 静电式微执行器 压电式微执行器 热力微执行器 电磁式微执行器 形状记忆合金微执行器
微执行器的致动方式
(1)静电式微执行器
载流导线周围某点磁场强度
I dl r B dB L L 4 r2

单圈线圈中心处磁场强度
B
0 I
2R
单圈线圈对中心导磁体的作用力为 2
F SB 2
电磁式微执行器实例(5)
带驱动线圈的磁执行器
“弯曲”线圈结构是平面内蜿蜒形导体，它与一个 双层的磁芯交错在一起。
微执行器的概念
力学执行器是将电能或其它能量转换为机械能。
理想的执行器应该是使用很少的能源，具有很高
微机械执行器是组成微机电系统的要素之一。如，
的机械效率，对机械状态和环境条件适应性强， 需要时能产生高速运动，具有高的能量-质量比， 在控制信号与力、扭矩和速度之间呈线性比例关 系。
微执行器的概念
3、响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对
于良导体这一时间常数很小，所以可以获得很高的 动态响应速度。
偏压作用下静电执行器的平衡位臵
施加电压载荷会产生静电力Felectric,可动极板在起始位臵时的静
电力Felectric大小为：
Felectric 1 A2 1 CU 2 2 U 2 d2 2 d
静电力的大小与梳齿对数成比例，因此为了得到较大的 力，一般要求梳齿较多。
图 三种不同的梳状驱动
图 三种放大倍数下两组叉指之间的 电力线分布
静电梳齿驱动存在的问题： 如果同一根梳齿两边的间隙不相等，则梳齿将会偏向一 边，并与另一根梳齿粘连在一起，直到不再施加电压
静电梳齿驱动实例
梳状驱动器件的应用
电磁式微执行器实例(6)
电磁致动微阀
出口 入口
氮化绝缘层 金线圈 多晶硅
永磁体
德国研制的电磁致动微阀， 阀片为牺牲层技术制作的 多晶硅膜。这是为小型气 体分析仪设计的微阀结构， 设计的压力指标为1050kPa，过流能力为220mL/min，响应时间为 5ms。
德国的电磁致动微型阀
电流流过 U形导线时会 在两条导线之 间产生排斥力。 类似地，在一 条臵于磁场中 的柔性金属线 上通以电流， 导线会发生偏 转。
微执行器的概念
微执行器：基于MEMS工艺的，能把电信号（电能） 转换为机械能等其它形式能量输出的器件，通常由 致动元件和传输元件组成。
MEMS微执行器原理框图
微执行器的概念
自1982年静电微马达的研制成功至今，对微执 行器的研究工作正在深入。设计执行器的要求是 在动力源的驱动下能够完成需要的动作。因而， 在涉及到运动的微型系统中执行器十分重要。
通电线圈 通电导体产生磁场。平行 的两条导线中通以相同方向 的电流则彼此之间相互吸引， 如果通以相反的电流，则彼 此之间相互排斥。
通电线圈也能产生磁场，它可与磁铁或相隔一 定距离的线圈产生的外磁场相互作用而产生机械力。 电磁力的优点在于其值可以很高，并且既可以吸 引也可以排斥。
缺点是功耗一般较高，而且产生的磁场会对附近 的物体产生一些影响，例如移动带电微粒或影响磁 数据存储介质。
加热电阻
玻璃
电磁式微执行器实例(3) 热气动微波形管执行器
表面微机械“波形 管”执行器带有一个 环形的折叠状薄膜结 构，相对于简单的薄 膜，这种结构可以得 到更大的偏移。
热气动活塞执行器
体积膨胀气体驱动的活塞执行器，沿着衬底所在的平面平
行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡， 并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞 腔内的气泡破裂，活塞返回原来位臵。在衬底表面平整的 情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它 方式所能提供力的两个数量级以上。