MEMS传感器和执行器
传感器是用来探测和监测物理化学现象的器件；执行器是用来产生机械运动、力和转矩的器件。传感器和执行器统称换能器，可以实现信号和能量由一种能量转换为另一种能量。
涉及能量主要包括：1）电能；2）机械能；3）化学能；4）辐射能；5）磁能；6）热能；7）光能，等等。如常见的静电敏感与执行器、热敏感与执行器、压电敏感与执行器、磁执行器 、压阻传感器等等。下面对常见的MEMS敏感与执行器做一简单的介绍。
1、静电敏感与执行器
静电敏感与执行器是一个用MEMS技术制作的可变电容器来实现的。大家知道，如图三左侧图所示，储存相反电荷的两个导体构成电容器，常用的基本结构包括平行板电容器（由宽度方向相互平行的导体平板构成）和叉指电容器（利用电极侧壁构成的电容，又叫梳状驱动器件）。
当电容的间距和相对位置因外加激励而产生变化时，它的电容值会发生变化，从而引起电路中电流的变化，这就是电容（静电）敏感的原理。当电压（电场）施加于两个导体上时，导体之间会产生静电力并利用静电力完成预定的功能，定义为静电执行。
电容式敏感器和执行器结构简单，功耗低，响应快，但需要较高的驱动电压，目前已经实用化。
下图是一个平板电容器（左）结构示意图和靠静电力激励的硅MEMS谐振器原理示意图（右)，图中硅梁和底电极构成一个电容器，当施加一个交变电压时，由于静电力的吸引引起硅梁振动，并最终形成稳定的振荡，构成一个振荡器。
下面再举一个靠静电敏感的MEMS加速度计工作的例子。
常见的加速度传感器技术有多种，包括压阻式、电容式、压电式及热对流式等。而电容式加速度传感器具有较多的优势，应用广泛，发展的潜力极大，因此重点加以介绍。
下图是电容式MEMS加速度传感器结构模型图，包括一个可移动的质块通过弹簧连到固定座形成一个电极（图中绿色），与一个相对的固定的部分（图中蓝色）形成电容的两个极。按照虎克定律（F = kx）、牛顿第二定律（F = ma）等，只需获得位移，就能进一步求出加速度。
当外界加速度使可移动电极与固定电极发生相对位移时，两极间的电容量也会发生变化，通过特殊电路即可将此变化量转换成相对应的输出信号。应用这一原理可延伸设计出单轴、双轴和三轴加速度计。
2、热敏感与执行器
热敏感与执行器种类也比较多，例如用于温度测量的热电偶原理温度传感器和基于热对流原理的热气泡加速度计传感的应用；热执行器例如喷墨打印机喷头等等。
下图是热执行器的实际例子。左图是一个双膜片执行器，一边是热臂，另一边是冷臂。在正常温度下，两臂保持直立。当外部激励因素使温度升高时，由于两臂热膨胀系数的不同，致使热臂伸长量大于冷臂，引起两臂端部产生位移而完成某种功能，例如电接点的通断，执行电开关的功能。
右图则是喷墨打印机喷墨头的结构，其中白色部分是气泡，黄色部分是墨汁。正常温度下墨汁储存在墨汁仓内，当需要打印时，墨汁仓被迅速加热，气泡急剧膨胀，使墨汁从仓内喷出，多个喷头同时喷射，完成字体或图形的打印。由于墨汁仓体积很小，膨胀动作的响应速度很快，墨汁瞬间喷出而完成打印，这也是微观尺寸下与宏观尺寸表现的不同，即所谓尺度效应的体现。
3、压电敏感与执行器
有一类晶体材料，其内部结构是各向异性的，例如石英晶体、氮化铝晶体、氧化锌晶体等等，具有压电效应，即对其施加机械压力时会产生电荷，叫做正压电效应；反过来，在其上施加电场时会产生机械变形，叫做逆压电效应。利用这种特性，可以做成压电敏感器或执行器。
下图是利用压电效应做成的空气腔型薄膜体声波谐振器（FBAR）的结构示意图，上面部分是谐振器的最关键部分，它是基于硅基材料上做的一种三明治结构，中间是一层具有压电效应的薄膜，一般是氮化铝（AlN）薄膜，两边各有一层金属电极，膜的下面有一个空腔。图的右侧是空气腔型FBAR谐振器等效电路模型。
当交变电压信号作用于金属-压电薄膜-金属结构上时，处在中间层的压电薄膜材料由于逆压电效应，产生机械形变，使得压电薄膜层随着电场的变化而产生膨胀、收缩，从而形成振动。
当声波在压电薄膜中正好是半波长或者半波长的奇数倍时形成驻波振荡，产生谐振。
4、压阻敏感器
某些半导体材料当受到机械应力时，其导电率会发生变化，利用这一特性可以制作压阻传感器。
下图是一个压阻敏感器结构原理图。压力改变电阻值，通过测量电阻的变化实现非电量的电测量。
以上介绍了几种常见的敏感方式和执行方式，可以看出不同的敏感方式和执行方式所依据的原理不同，因此具有各自的性能特点，适合各种不同的应用场合。表1和表2分别列举了不同的敏感方式和不同执行方式的优点和不足，供选用参考。
应当说明，优点和缺点是相对而言的，而且同一种敏感和执行方式往往包含几种具体方案，方案之间也有明显的差别，选择方案时应该针对具体的应用进行全面分析。
以上介绍了MEMS技术的基本概念，在与微电子技术对比的基础上总结了MEMS技术的特点，随后介绍了常见的几种敏感和执行方式，并对不同的敏感和执行方式做了对比。至此，读者对MEMS技术的基本原理和实现方法有了一个概括的认识。
