综述：MEMS电磁执行器的最新设计与应用进展
2025-12-23 11:36:34 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文对MEMS电磁执行器的最新研究进展进行了系统综述，重点阐述了其核心工作原理，包括洛伦兹力机制以及磁吸引或排斥机制，并分析了当前最先进的MEMS制造技术，例如先进微加工工艺、增材制造方法以及创新材料的应用。
基于微机电系统（MEMS）技术的电磁执行器已迅速发展成为多种微尺度应用中的关键组件，具备高精度、良好可控性、高力密度以及快速响应等显著优势。近年来，在MEMS执行器结构设计、制造工艺、智能控制集成以及新兴应用领域等方面的持续进展，极大拓展了其性能边界和实际应用范围。
据麦姆斯咨询报道，近期，我国研究人员在Micromachines期刊上发表了题为“Recent Design and Application Advances in Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) Electromagnetic Actuators”的综述论文，对MEMS电磁执行器的最新研究进展进行了系统综述，重点阐述了其核心工作原理，包括洛伦兹力机制以及磁吸引/排斥机制，并分析了当前最先进的MEMS制造技术，例如先进微加工工艺、增材制造方法以及创新材料的应用。此外，本综述深入探讨了通过智能化与自适应集成策略实现的MEMS执行器性能提升，重点关注可靠性、精度和动态响应能力的改进。对于新兴应用领域，尤其是微光学系统、微型机器人、精密微操控以及微流控（Microfluidic）组件，进行了全面探讨，展示了近期创新成果对这些领域所产生的深远影响。最后，指出了当前面临的关键挑战，包括微型化限制、系统集成复杂性、能效问题以及可靠性挑战，并在此基础上展望了未来具有潜力的研究方向。
图1 MEMS电磁执行器概览
MEMS电磁执行器设计
基于其工作所依赖的基本电磁现象，MEMS电磁执行器通常可分为三大类：洛伦兹力型执行器以及磁吸引/磁排斥型执行器。上述各类执行器分别利用不同的电磁相互作用机制，实现特定的驱动行为，以满足不同微型器件的应用需求。
图2（a）屏蔽式洛伦兹力型执行器的工作原理示意图，（b）磁吸引/磁排斥型MEMS执行器的驱动原理示意图
洛伦兹力型执行器是MEMS电磁执行器中最主要且应用最为广泛的类型之一。其基本工作原理基于洛伦兹力效应：当电流通过处于磁场中的导体时，会产生一个同时垂直于电流方向和磁场方向的机械力，如图2a所示。由于其固有的线性响应特性、快速驱动能力、较高的力密度以及良好的可扩展性，洛伦兹力型执行器已成为众多MEMS应用中的核心组件，尤其适用于对精密定位、快速响应和可靠运行稳定性要求较高的场景。
洛伦兹力型执行器的性能与功效在很大程度上取决于若干关键设计因素。其中，导体的几何结构（包括线圈尺寸和匝数）直接影响可实现的驱动力大小。虽然增加导体长度或提高线圈密度通常能够增强执行器输出力，但这些设计调整必须在电阻增大、焦耳热效应以及随之而来的热管理挑战之间取得平衡。此外，磁场的强度和均匀性也是决定执行器一致性和效率的重要因素，这凸显了在设计阶段对永磁体或电磁体进行合理选择与布局的重要性。
图3 洛伦兹力型执行器示例
磁吸引/磁排斥型执行器的工作原理主要受磁偶极子之间相互作用的支配。这些相互作用所产生的力随相互作用元件的磁场强度、取向、间距以及磁导率等因素而变化。磁吸引型执行器通常利用相反磁极产生拉力，其作用力随距离增加而迅速减小，从而实现精确的位置控制和稳定定位，如图2b所示。相反，磁排斥型执行器采用同极相对以产生推力，适用于需要分离或悬浮的应用场景。
磁吸引/磁排斥型MEMS执行器的性能在很大程度上依赖于磁体对准精度、磁场强度以及间隙控制。为获得较高的驱动力，需要精心设计微结构，以最小化磁阻路径并合理布置磁性元件。此外，磁体的几何形状与布局对执行器的动态响应、力的线性度以及工作范围具有显著影响。因此，在执行器设计优化过程中，必须高度重视磁体的取向、间距以及磁场均匀性。
图4 磁吸引/磁排斥型MEMS执行器示例
MEMS电磁执行器的结构设计与几何布局从根本上决定了其工作特性，包括驱动力大小、位移范围、频率响应以及整体效率。近年来，微制造技术的进步使得多样化且日益复杂的几何构型成为可能，不同构型均可针对特定性能需求和应用场景进行定制。研究团队重点阐述了典型的MEMS执行器设计构型及其几何参数对执行器功能产生的重要影响，并为其在微系统应用中的实际实现提供参考。
制造技术与工艺进展
MEMS电磁执行器的性能、功能以及系统集成能力在很大程度上依赖于其制造技术、材料选择及相关加工工艺。近年来，新型微制造策略和改进的工艺方法不断涌现，使得更加复杂的几何结构、更高的结构精度以及更优异的材料性能得以实现，从而整体提升了执行器的性能。诸如深反应离子刻蚀（DRIE）、电镀、光刻电镀成型（LIGA）工艺以及增材制造技术，为设计自由度、成本效率和规模化生产带来了新的可能性。此外，材料科学领域的最新进展，尤其是先进软磁合金和磁性纳米复合材料的合成与沉积技术，在提升执行器效率所需的关键磁学与力学性能方面发挥了重要作用。
图5 基于3D打印制备的MEMS电磁执行器示例
材料选择在MEMS电磁执行器的制造过程中同样起着至关重要的作用。软磁材料——例如坡莫合金、钴基合金以及非晶金属——因其高磁导率、低矫顽力和较小的磁滞损耗而被广泛应用。这类磁性材料的沉积通常采用溅射、电镀或化学镀等方法，从而确保与现有MEMS制造工艺的良好兼容性。此外，在导电材料方面，铜和铝因具有优异的电导率并可有效降低电阻损耗，常被用于线圈的制备。
关键应用
MEMS电磁执行器的进步推动了多种微尺度技术领域的变革性发展，使得以往受限于传统执行器方案的应用成为可能。凭借高力密度、精确可控性、快速响应以及低电压驱动等独特优势，MEMS电磁执行器在多个高影响力应用领域中展现出日益广泛的应用价值。在微光学系统和微镜技术中，MEMS电磁执行器发挥着不可或缺的作用，能够提供快速、精确且高度可重复的位置控制能力，这对于光信号的指向调控和自适应光学至关重要。近年来，执行器技术的持续进步显著提升了基于MEMS的微镜在响应速度和角度精度方面的性能，从而推动了包括光开关、自适应光学系统以及光学相干断层成像（OCT）在内的先进光学器件和系统的发展。
图6 电磁驱动式MEMS微镜示例
微型机器人与精密微操控领域同样受益于电磁执行器技术的进步。高性能MEMS执行器与微型机器人系统的集成，使得在微观尺度下实现精确操控与可控运动成为可能，这对于从微创手术、生物医学样品处理，到自动化微装配以及细胞操纵等应用至关重要。近年来，在执行器微型化及控制算法方面的持续发展，进一步拓展了微型机器人系统的功能边界，使其能够完成以往难以实现的复杂、高精度操控。
最后，MEMS电磁执行器已成为微流控器件中的关键部件，在这些系统中，对流体运动、阀门控制以及泵送功能的精确调控至关重要。MEMS执行器在响应速度和输出力方面的性能提升，推动了芯片实验室（Lab-on-a-chip）器件、生物医学诊断以及即时检测（POCT）平台的发展。
图7 MEMS电磁执行器在微流控中的应用示例
小结
近年来，MEMS电磁执行器的快速发展显著提升了其在多种微系统领域中的适应性、性能以及系统集成能力。新型制造工艺、创新执行器结构以及智能控制策略的不断探索与发展，极大地拓展了其工作能力。这些技术进步尤其推动了MEMS电磁执行器在自适应光学器件、精密微型机器人以及微流控组件等高端应用中的实施，在这些场景中，其精确运动控制、快速响应和高力密度等独特优势发挥着关键作用。
从应用前景来看，可穿戴医疗设备、自主微型机器人以及物联网（IoT）微系统等新兴技术领域预计将从MEMS电磁执行器的持续演进中获益匪浅。为满足这些前沿领域日益增长的需求，未来的MEMS执行器设计需要更加注重多功能集成、自适应控制机制，以及在复杂多变环境条件下的长期稳定性。此外，将机器学习和人工智能（AI）技术引入实时自适应控制，有望进一步提升执行器在动态和不确定环境中的精度与可靠性。
综上所述，尽管MEMS电磁执行器已经取得了显著进展，但要在下一代微系统中充分发挥其全部潜力，仍需在材料科学、微制造技术、能量管理以及系统集成等方面实现协同突破。通过跨学科研究克服这些挑战，不仅将进一步拓展其应用范围，也将为微尺度驱动技术在性能、效率和可靠性方面树立新的标杆。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi16060670
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