V型電熱硅微致動器性能及其應用研究.pdf

1、微致動器是微機電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystem，MEMS)的重要組成部分，用于構成其中的驅動或執(zhí)行單元，擔負著微系統(tǒng)內能量轉換、運動和力的傳遞及對系統(tǒng)信息進行響應等功能。本論文以V型電熱硅微致動器為研究對象，針對其設計、理論建模、性能分析、試驗測試及其應用等展開研究。 采用表面硅犧牲層工藝和體硅腐蝕工藝分別設計、制造了具有不同結構參數(shù)的V型電熱微致動器，經(jīng)過幾次版圖設計和流片制作，積累了兩種工藝條

2、件下硅微機構設計方面的經(jīng)驗。并通過試驗建立了幾種微機械性能參數(shù)測試方法，并據(jù)此對V型電熱硅微致動器的一些靜態(tài)和動態(tài)性能參數(shù)進行了測試。 通過變形能法和力法建立了結果一致的V型電熱硅微致動器的靜態(tài)力學模型，并從力學、電學和熱力學的基本原理出發(fā)，推導出了V型電熱硅微致動器力-電-熱耦合的靜態(tài)模型。致動器靜態(tài)特性的分析結果表明，V型電熱硅微致動器的靜態(tài)輸出力與其輸出位移呈線性反比例變化關系，而與硅微梁加熱溫度呈線性正比例關系。V型電熱

3、硅微致動器空載輸出位移隨硅微斜梁跨長增加而線性增大，隨硅梁寬度增加而非線性減小，與斜梁傾角呈拋物線關系，而與硅梁厚度變化無關，此外，空載輸出位移與驅動電壓呈二次方變化關系。 為研究V型電熱硅微致動器工作頻率與其結構固有頻率的區(qū)別，建立其彎曲振動力學模型。根據(jù)硅微致動器V型斜梁熱彈性應力變形，推導出彎曲振動的四階偏微分方程，通過其自由振動模態(tài)分析，得到了斜梁彎曲振動的各階固有頻率和振型。理論計算結果表明，V型電熱硅微致動器固有頻率

4、是隨硅梁寬度的增加而線性增大，隨斜梁長度增加而非線性減小，隨斜梁傾角增加而非線性增大。 V型電熱硅微致動器靜態(tài)性能測試結果表明，微致動器硅梁電阻值在工作電壓范圍內不隨溫度升高而變化。測得的不同規(guī)格硅微致動器空載輸出位移和驅動電壓呈二次平方關系，與理論分析結果相吻合；硅微致動器消耗的功率隨著輸出位移的增加而非線性增加；間接測得的硅微致動器輸出力隨電壓增加而增大，但與輸出位移呈線性反比例變化關系，這也與理論分析一致。 利用設

5、計制造的在線動態(tài)測試機構，定性和定量測試了V型電熱硅微致動器對不同激勵電壓的響應。硅微致動器對不同正弦波電壓的響應輸出定量測試結果表明，位移輸出也是隨正弦波電壓的變化而周期性地發(fā)生變化。動態(tài)試驗過程中發(fā)現(xiàn)，在不同頻率、相同峰-峰值電壓驅動下，通過致動器硅梁的交變電流隨電壓頻率呈一定規(guī)律變化，而且其工作頻率范圍要遠遠低于理論計算的固有頻率。對V型電熱硅微致動器的疲勞特性進行了初步的試驗研究，結果表明，在正常的工作電壓下，當超過極限往復運動

6、次數(shù)時，微致動器多晶硅梁發(fā)生疲勞破壞而失去彈性，導致致動器失效。如果試驗電壓增大，則極限往復運動次數(shù)減小。 采用表面硅犧牲層工藝制作了結構層厚度為2μm的硅微柔性鉸鏈及其在線測試機構，并對柔性鉸鏈的機械性能進行了理論和試驗研究。以直圓型硅微柔性鉸鏈為例，發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)有宏機械柔性鉸鏈理論計算的值與實際測試結果之間的偏差較大，表明在微尺度效應影響下，宏機械柔性鉸鏈理論模型不能直接用于硅微柔性鉸鏈的設計與計算。因此根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對宏機械柔性

7、鉸鏈理論計算公式進行了修正，得到了用于描述硅微柔性鉸鏈靜態(tài)特性的經(jīng)驗公式，經(jīng)試驗驗證可用于硅微柔性鉸鏈的設計和性能計算。 采用兩種硅微工藝設計制造了多晶硅薄膜微夾鉗和中深寬比單晶硅柔性鉸支承杠桿式微夾鉗。試驗測試結果表明，多晶硅電熱微致動器驅動的薄膜硅微夾鉗具有良好的電壓可控性。中深寬比單晶硅柔性鉸支承杠桿式微夾鉗集V型電熱硅微致動器、硅微夾持機構和硅微柔性鉸鏈為一體，試驗表明，該硅微夾鉗夾持位移隨驅動電壓呈線性正比例變化關系，