MEMS执行器是将电信号转化为微动作或微操作的MEMS器件。典型的MEMS执行器包括：微电动机、微开关、微夹钳等；光MEMS器件中的数字微镜和各种微光学开关；RF MEMS器件中的RF微开关；微流体MEMS器件中的混合器、阀、泵等。

静电执行方式是在两个电极上分别注入电性相反的电荷，利用两个带异性电荷电极板之间的吸引力，通过控制电荷数量来控制电极板的相对运动。在MEMS系统中，这种执行方式的具体形式有悬梁式、梳状电极式、扭转式等。

静电挠曲悬臂梁结构如图1-1所示。

由工程力学理论可知，宽度为的悬臂梁，在距固定端x处施加集中载荷时，梁末端的偏移量为

式中，距离梁固定端x处的静电力q(x)为

梳状静电执行方式使用大量的梳齿，通过在它们之间施加电压U来驱动，其结构如图1-2所示。与悬臂梁及扭转型执行器不同的是，在梳状执行器中，电容是通过改变面积而不是极板间距来改变的。由于电容与面积是线性关系，位移将与所施加的电压平方成比例。

静电执行的优点在于功耗低、响应时间短，宜于完成较高频率的驱动，而且静电驱动的结构比较易于实现，所以这方面的应用很多。

当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会发生极化，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。这种由于机械力的作用而引起材料表面电荷的效应称为压电效应。反之，如果在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短），这一相反的过程称为逆压电效应。

具有压电效应的电介质称为压电材料。在自然界中大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。随着对压电材料研究的深入，发现石英晶体、钛酸钡、；锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料，见表1-3.

表1-3 压电材料的相关特性

利用压电材料的逆压电效应，可以将电能转换成机械能。施加电压可以产生相应的力，并引起尺寸变化。一般情况下，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，为了能承受高压，薄膜必须具有足够的厚度。

压电MEMS结构的一个显著特点是通过适当的结构设计，可以在一个单元上兼有传感器和执行器的双重功能，同时在具体性能和应用等方面也有较大的区别。但由于压电微机械需呀采用与原有微电子材料不同的压电材料，所以在传感器的机械结构设计、材料制备技术、材料加工技术以及工艺兼容性等方面还需要开展大量的研究工作。

热执行方式是根据驱动结构在获得一定热能时，在热应力驱动下产生相应的形变，从而完成驱动。从原理上分，热执行方式可以分为热膨胀式和热气动式两种。

热膨胀式通常利用两种键合材料的不同热膨胀系数构成热双晶片执行器，即在两层“活动”的材料中间夹一个加热器，加电后两层材料产生不同的膨胀系数，从而达到目的。

双金属执行方式是另一种利用热膨胀的执行方式。该执行方式构成的执行器加热时，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。

热气动式的一种典型方法是形成带有密封流体（如空气、水蒸气和液态水等）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。常见的有波形管微执行器、活塞执行器等。波形管微执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，当内部受到压力作用时，波形管发生形变，从而实现驱动。一个膨胀气体驱动的活塞执行器的运动时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水蒸气的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。加热停止时，活塞腔内的气泡破裂，于是活塞就返回原来的位置。

此外，还有一种形状记忆合金执行方式。形状记忆合金（SMA）是指受热时长度能发生很显著的变化（收缩）的合金。受到机械力作用产生变形的合金，一旦受热就会恢复到它们变形前的状态。因为它们是电导性的，所以可以通过电流来加热。变形使得材料从一种晶向变为另一种晶向，这一过程可以通过加热来得到反转。Ti—Ni合金可以产生以上的恢复力和2%的恢复应变，同时它的另一个最大的优点是对人体无毒害作用，非常适合医疗方面的应用。

电磁驱动也是一种常见的执行器执行方式。电磁执行器的工作原理是利用电磁感应原理，在磁场的作用下执行机构产生一个机械动作，当微结构的线圈通电后，由于磁场的影响，电子受到洛伦兹力的作用，使线圈产生机械运动，完成电能向机械能的转换。电磁执行方式的优点是有很高的输出转矩，并且既可以吸引也可以排斥。缺点是功耗一般较高，转矩受线圈匝数的限制，而且产生的磁场会影响附近的物体，例如移动带电微粒或影响磁数据存储介质。此外，微机械加工工艺复杂、难度大，与现有的微电子工艺兼容性很差，在微电子机械系统中应用还存在较大问题。

当然，除了以上介绍的四种驱动方式外，还存在其他类型的驱动方式，可以运用到MEMS执行器中，如光驱动、流体驱动等。

微电动机是最常用的MEMS执行器，具有微型化、多样化和集成化等特点。目前常见的有六类微电动机，即静电微电动机、压电微电动机、超声微电动机、电磁微电动机、谐振微电动机和生物微电动机，其中静电微电动机是研究重点。

静电微电动机利用静电驱动电动机，实现电动机的旋转。这种电动机结构有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，就可以使转子转动，获得相对高的速度。已有相当多的科技工作者在这种结构电动机的建模与设计方面开展研究。

1988年，美国U.C.Bekeley采用表面牺牲层技术研制成功第一台静电旋转微电动机，这标志着MEMS技术的发展进入了新纪元。图1-4就是第一台采用静电驱动的旋转微电动机，该微电动机采用了6个固定电极和8个转子电极，转子直径为120um，厚度为1um，定子与转子的间隙为2um，在350V三相电压驱动下，最大转速达到500r/min。

电磁力的大小与距离存在非线性，当接近接触时，电磁力呈指数增加，最终实现稳定的接触，因此非常适合于驱动开关。同时由于电磁力的产生和磁场的建立之间不存在延迟，因此这种驱动方式能提供较快的开关时间。在电磁驱动微开关方面，Microlab公司和UIUC合作研制的电磁驱动微开关，如图1-5所示，在约20mA~500mA的激励电流控制下，能产生10uN~1mN的吸合力，使微电极产生10um~20um的位移，其导通电阻为50mΩ，能够通过1.2A的电流信号。

除此之外，还有众多的科研小组利用微小线圈、软磁体悬臂梁以及永磁体二次键合组装的技术演示了电磁驱动微开关的原型。其中日本的Hiroshi HOSAKA等人制作的8*8阵列开关就是一个典型例子。该开关原型样机由传统工艺的小型线圈、微加工工艺的铁镍合金软磁体电极以及永磁体组成，体积为14mm*15mm*25mm，开关时间为0.2ms，导通电阻小于100mΩ。

Han Zhang等人采用SMA薄板所研制的微夹钳，如图1-6所示。该微夹钳由单片形状记忆合金（Ni-Ti-Cu）制成，采用激光退火技术，使主动手指一侧（B侧）的局部位置具有形状记忆功能，而其余部分处于冷加工状态，不具有形状记忆功能。局部退火的部分加热后会发生变形，使一份手指变形，手爪闭合，平行四边形的弹性结构作为偏置弹簧，冷却后使手指恢复张开状态。

美国劳伦斯—利弗莫尔国家实验室（LLNL）研制了采用SMA薄膜驱动的微夹钳，如图1-7所示。体硅MEMS加工的硅片经过对准，在选择的位置上进行共晶耦合，然后在上下两面通过溅射沉积Ni-Ti-Cu薄膜，并对薄膜进行热处理，之后切割制成微夹钳。微夹钳上下两面所沉积的Ni-Ti-Cu薄膜在比较低的温度范围（30℃~70℃）内可以产生较大的驱动力（500MPa）。该微夹钳的外形尺寸为0.9mm*0.25mm*0.25mm。薄膜所产生的应力可使夹钳端部产生55um的变形，整个夹钳可以张开110um。