硅微單側(cè)直腳諧振器與復(fù)合V型梁熱致動(dòng)器的機(jī)械性能研究.pdf

1、作為動(dòng)力源的微致動(dòng)器是微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的重要組成部分之一，承擔(dān)著MEMS中能量轉(zhuǎn)換、運(yùn)動(dòng)和力的產(chǎn)生等功能，其位移與力的輸出能力對MEMS器件的功能實(shí)現(xiàn)和使用性能均有很大的影響。本論文以單側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振器、Π型梁和復(fù)合V型梁電熱硅微致動(dòng)器為研究對象，展開了相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、致動(dòng)機(jī)理分析、理論建模及微機(jī)械性能試驗(yàn)研究，探討了各致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其力和位移產(chǎn)生能力的影響，并據(jù)此研發(fā)了幾種MEMS執(zhí)行器，完成的主要工作有：

2、 與北京大學(xué)微電子研究院合作，協(xié)助該院開發(fā)相關(guān)三層多晶硅的表面硅微加工工藝，并用此工藝流片制作出所設(shè)計(jì)的多種微致動(dòng)器實(shí)驗(yàn)樣品，以及用它們作為動(dòng)力源的靜電諧振與電熱式的微直線馬達(dá)和多種相關(guān)微執(zhí)行器。針對微直線馬達(dá)中某些器件部位希望增加用于傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的摩擦，而某些部位則希望減小陰礙構(gòu)件運(yùn)動(dòng)摩擦的不同要求，分別在設(shè)計(jì)中考慮了相應(yīng)措施。用標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝和位移的杠桿縮小與放大機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工出由V型梁電熱硅微致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的納米致動(dòng)器，并設(shè)計(jì)了用

3、固定標(biāo)尺處的位移比較測量方法來證明器件的納米級運(yùn)動(dòng)與進(jìn)行位移測量。 建立了單側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振器的三次超靜定簡化力學(xué)模型，推導(dǎo)出了該模型中各支點(diǎn)反力的計(jì)算方法以及諧振頻率和橫向最大位移的計(jì)算公式。與五次超靜定系統(tǒng)的雙側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振器的各機(jī)械性能參數(shù)的計(jì)算公式對比發(fā)現(xiàn)它們有顯著差別，從而說明用后者的力學(xué)分析方法來推算前者的各性能參數(shù)從物理意義上講是不對的。 分析表明，與雙側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振

4、器顯著不同，單側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振器的彈性系數(shù)、諧振頻率、橫向最大位移會隨兩根支撐梁的間距變化而改變，并當(dāng)此間距超過某一值后，上述三變量的變化均很小且趨向于一定值。同樣，后者的諧振頻率會隨支撐梁厚度的變化而單調(diào)改變，這也是前者所沒有的現(xiàn)象。為此從兩者因?yàn)槌o定次數(shù)不同而約束冗余度不同的角度，對此現(xiàn)象進(jìn)行了物理意義上的解釋。 建立了復(fù)合V型梁電熱硅微致動(dòng)器的三次超靜定力學(xué)模型和迭代求解方法，推導(dǎo)出各支點(diǎn)所受的支反力計(jì)算公式

5、，討論了致動(dòng)器各結(jié)構(gòu)參數(shù)對位移輸出能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)與單V型梁電熱硅微致動(dòng)器在傾角為0.04 rad時(shí)有最大位移輸出的結(jié)論不同，所研究結(jié)構(gòu)與加電方式的復(fù)合V型梁電熱硅微致動(dòng)器在傾角為0.19 rad時(shí)有最大位移輸出，當(dāng)傾角大于0.6 rad以后，傾角變化對最大位移輸出的影響減弱，但與前者一致的是其輸出位移與梁的厚度無關(guān)。通過比較單V型梁與Π型梁熱致動(dòng)器的位移與力的輸出能力，發(fā)現(xiàn)在相同的梁結(jié)構(gòu)參數(shù)前提下，兩者的承載能力與位移產(chǎn)生量在輸出

6、力-位移圖上應(yīng)分三個(gè)區(qū)域考慮，不同區(qū)域內(nèi)的對比情況差別明顯。 建立了一套可行的硅微致動(dòng)器試驗(yàn)測試系統(tǒng)，通過對三種面硅致動(dòng)器和一種體硅致動(dòng)器的多個(gè)樣品試驗(yàn)測試，獲得了它們的相關(guān)機(jī)械性能參數(shù)，經(jīng)與單側(cè)支撐直腳型靜電梳狀硅微諧振器理論分析結(jié)果對比，兩者諧振頻率吻合較好，最大誤差在12％以內(nèi)；而n型梁和復(fù)合V型梁電熱硅微致動(dòng)器在燒毀前的輸出位移均與800℃溫升時(shí)的理論分析結(jié)果相近，誤差在6.7％以內(nèi)，從而間接驗(yàn)證了所建的相關(guān)分析模型正確