扭转微镜的动力学模型及其动态特性分析

扭转微镜中的静电和机械两个物理场是非线性耦合的,因此系统的数学模型及动态特性分析就变得很复杂。首先建立了扭转微镜的非线性动力学模型,然后采用直接积分法求解了系统的阶跃响应,通过数值模拟发现系统的固有频率随施加电压增大而减小、振动平衡位置随电压增大发生偏移等现象。对这些非线性现象进行了分析,有助于微镜系统设计和扩展微镜系统的应用范围。

扭转微镜光学致动器研究

应用基于表面硅、体硅微电子工艺的混合微加工技术研制了新型扭转微镜光学致动器 ,实现了致动器结构与具有光纤自固定、自对准功能的新型光纤定位保持结构的单片集成。新型扭转微镜光学致动器的机电和光学特性研究表明 ,其工作寿命超过 10 8次动作 ,最小动作时间估计可低于2ms ,存在驱动微镜自然地翻转 90°角的静电阈值电压和维持微镜处于已翻转 90°角状态的静电最低保持电压 ;其微镜的表面粗糙度及其分布基本满足光的波分复用技术等的应用要求。新型扭转微镜光学致动器可在光纤网络中作为光开关或可变光衰减器使用。设计、制作及研究了由新型扭转微镜光学致动器组成的 2×

基于复合静电驱动结构的硅微机械扭转微镜(英文)

为了改善硅微机械扭转微镜的机电耦合特性,降低器件的驱动电压并提高其工作可靠性,提出了几种新颖的基于复合静电驱动结构的硅微机械扭转微镜.提出的硅微机械扭转微镜将垂直扭转梳齿静电驱动结构、侧壁平行板电容静电驱动结构有机结合,实现了两种静电驱动方式的复合驱动,同时设计了内外双镜面结构,通过内外双镜面结构,实现了微镜的差动复合驱动,理论分析、模拟仿真与测试结果表明,通过上述两个方面新颖的设计,新结构显著降低了器件的驱动电压.同时为了提高器件的工作可靠性,在设计折叠梁柔性支撑结构时,将梁的不同位置设计成不同的厚度,对于硅微机械扭转微镜扭转过程中容易疲劳的梁部分加大了其厚度,从而在不影响器件扭转性能的前提下,明显提高了器件的可靠性.利用有限元方法对器件的力学特性和机电耦合特性进行了系统的仿真,获得了影响器件机电特性的关键结构参数.器件基于SOI晶片,采用表面硅工艺与体硅工艺相结合的方式加工制造,采用SOI晶片显著降低了微镜镜面的表面粗糙度,提高了其光反射能力.最后利用原子力显微镜对微镜镜面的表面粗糙度进行了测量和分析,实验结果表面微镜表面具有16nm的表面粗糙度,完全可以满足光学应用的需要.

考虑边缘效应的扭转微镜的动力响应分析

目前对扭转微镜力学特性方面的研究主要围绕静态特性展开,对于其动态特性的分析,已经给出了非耦合与耦合两种模型,但模型中的静电驱动力与驱动扭矩都是建立在无穷大板电容的基础上。而实际应用中的扭转微镜是有限尺度的,即在边缘处电力线会发生泄漏和弯曲,从而产生边缘效应。引入有限板电容的静电力修正公式,计及边缘效应对扭转微镜动态响应的影响。由于在计及边缘效应后,系统方程的驱动力项比较复杂,不能导出其解析表达式,故采用了数值积分方法进行相关处理,并采用迭代修正齐次扩容精细积分法求解非线性动力方程,得到了稳定、精确的数值解。计算结果显示,动态响应幅值在计及边缘效应后比未计及时要大,且扭转微镜的尺寸参数对边缘效应的影响有很大的关联性。

MEMS扭转微镜静态特性的温度效应分析

文章从静电力驱动的扭转微镜的静态特性静力学模型出发,分析了扭转微镜静态特性的温度效应.对两组不同尺寸、四种常用材料微镜的吸合电压、释放电压以及偏转角与驱动电压关系,随温度的变化规律进行了数值仿真分析;并采用典型电压值的增量百分比随温度变化的斜率,来量化描述并对多晶硅、polyimide、PDMS和SU-8四种材料的扭转微镜的静态特性受温度的影响.其中SU-8材料的微镜受温度的影响最大.而不同尺寸同种材料的微镜,其静态特性受温度效应影响的程度相同.为扭转微镜使用过程中如何降低温度效应的影响提供了依据.

硅微机械扭转微镜的研究进展

硅微机械扭转微镜在国防和民用领域都有着重要的应用.根据致动机理的不同,从压电驱动方式、电磁驱动方式、电热驱动方式和静电驱动方式等方面系统地阐述了硅微机械扭转微镜的研究现状与发展方向,同时重点讨论了硅微机械扭转微镜在医疗成像和生物技术等领域中的具体应用.

一种新型静电驱动的单轴扭转微镜

基于MEMS技术的微镜在投影显示、光学扫描和光通信等领域中都具有重要的应用价值。本文提出了一种新型的静电驱动的单轴扭转微镜 ,这种MEMS微镜采用标准体硅工艺和绝缘连接工艺制成。由于驱动力作用线和扭转中心之间存在一定的距离 ,使得微镜在梳齿驱动器的横向静电力驱动下 ,发生一定角度的扭转。测试中发现了微镜初步设计中的薄弱环节 。

计及边缘效应的扭转微镜的动态特性分析

基于计及边缘效应的矩形平行板的静电力计算公式,建立了扭转微镜的动力学模型,采用Rom-berg数值积分法计算驱动力,并借助迭代修正齐次扩容精细积分法求解非线性动力方程。数值计算结果表明:电压、微镜和电极的几何尺寸等参数都会影响微镜的边缘效应,从而使微镜的动态响应产生较大的误差,在分析微镜力学性能时应考虑边缘效应的影响。

大角度扭转微镜的静态特性分析

大角度扭转微镜是一种静电驱动的MEMS微致动器。微镜的大角度扭转会引起极板间电场分布的显著变化,使得极外电场的对微镜的影响变得不容忽略。此外,微镜受静电力作用时,悬臂梁会产生扭转和弯曲两种变形,悬臂梁的弯-扭耦合效应的影响也是必须考虑的。综合考虑了这两类影响,推导出了适用于分析大角度扭转微镜静态特性的解析公式。

串联电容对MEMS扭转微镜吸合角的影响

采用对比扭转微镜的静电力矩与机械回复力矩随角度的变化规律的方法,对串联电容后,扭转微镜吸合角的变化规律进行了数值仿真和解析分析。结果表明:扭转微镜在保持尺寸参数的前提下,串联电容后,其吸合角增大,系统稳定性提高;串联的电容值不同,扭转微镜的吸合角也不同,且随着串联电容值的增大,吸合角逐渐减小。为扭转微镜在尺寸参数已经固定的情况下,如何扩展其偏转角范围提供了理论指导。

MEMS扭转微镜动态特性的有限元仿真分析

使用有限元方法分析了MEMS扭转微镜在真空无阻尼状态下的各项动力学特征,包括模态分析、谐响应分析、瞬态响应分析等,获得了微镜器件的模态固有频率、振型以及谐响应频率,重点研究了扭转微镜的不同部位振动状态之间的差别。

微镜扭转-弯曲耦合变形静态特性分析

给出了仅考虑微镜扭转运动的静力学分析模型,在分析微镜扭转梁因非线性静电力引起弯曲变形的基础上,建立了静电驱动微镜扭转-弯曲耦合非线性静力学模型.2种模型的临界吸合电压、临界吸合转角以及微镜转角随电压的变化关系与试验结果对比表明:所建耦合静态模型更符合实际情况,微镜垂直方向的位移和微扭转梁宽度的变化对微镜的临界吸合电压和临界吸合转角影响显著.

聚合物MEMS磁扭转微镜电流传感特性研究

提出一种基于聚合物材料的新型微机电系统(MEMS)交流电传感器,对其关键部件聚合物MEMS磁扭转微镜的特性进行研究。磁扭转微镜基体材料采用聚碳酸酯(PC),扭转梁采用金属材料制作,永磁体内置于扭转微镜中,被聚合物材料所包埋,磁扭转微镜的反射面为反射光栅结构。对扭转微镜的特征参数对扭转力矩和扭转角度的影响进行了分析。结果表明,磁扭转微镜的力矩与通电导线的电流大小成正比,微镜稳态扭转振动时最大扭转角度与导线交流电流(a.c.)幅度成正比;扭转梁长度越长,扭转角幅度越大;而稳态振动扭转角幅度随着扭转梁半径的增大而减小。通过对扭转微镜反射光栅0级衍射光的接收与解调,得到归一化光强测量电流的灵敏度可达0.024/A。

复合结构磁扭转微镜光纤电流传感器的研究

提出一种复合结构微机电系统(MEMS)磁扭转微镜光纤电流传感器,传感部分由磁扭转微镜和双光纤准直器组成。介绍了MEMS扭转微镜的结构及电流传感原理。对电流传感器模型进行分析,结果表明,选择合适的准直器端面与微镜的距离,可以避免信号失真。利用归一化光强峰峰值作为交变电流来测量输出信号时,电流测量灵敏度随电流测量值的变化而变化,且被测电流的电流强度接近0时,测量灵敏度也接近0。因此采用归一化光强线性矫正信号处理方法,得到了很好的输出线性响应曲线,使电流测量灵敏度不受电流变化的影响。最后实验验证了理论分析和模拟仿真结果的正确性,实验测得的归一化光强线性矫正响应灵敏度约为0.034/A。

一种基于磁扭转的微镜电流传感器力学特性分析

提出一种通过扭转引起光强变化来检测电流的磁敏传感器结构,包括扭转微镜结构和光检测部分。分析了传感器的磁敏原理和力学理论,根据结构设计综合考虑给出了传感核心部件的结构参数,通过仿真获得不同电流下扭转力矩与扭转角度、各结构参数的关系曲线,最后通过实验验证了分析的干扰信号的合理性,所要测量的交变电流信号跟测得的光强信号成正比,表明该电流传感器具有一定的实际应用价值。

磁扭转微镜光学电流互感器设计

设计了一种复合结构磁扭转微镜光学电流互感器 （OCT）,采用光强度归一化数据处理技术, 消除了强度型OCT受环境变化和光源波动等的影响,得到了线性度很好的传感器 响应曲线。通过 耦合效率与微镜扭转角度仿真曲线,获得准直器端面与微镜的距离的合适值。检测电路采用 双光纤准直器光检测技术,实现电流-光强度的传感检测。接收光信号处理后,对 50Hz交变 电流的测试实验结果表明,在5～50A电流范围内,当光源光强度下 降3dB和光纤衰减器 变化3dB的情况下,传感器输出信号响应灵敏度均保持为0.034/A, 并且基本不随被测电 流变化影响,输出响应非线性误差小于±1%,获得良好的输出线性响应曲线。

基于微电子机械系统的光学电流传感器原理与设计

光学电流传感器解决了传统电流互感器的缺点,但仍然存在生产困难、性能易受环境温度影响等不足,MEMS作为一种新兴技术,可批量生产各种性能良好的微电子器件,该文提出了将MEMS技术用于检测高压交流电的光学电流传感器。高压侧的传感装置由Rogowski线圈、MEMS扭转微镜和双光纤准直器组成。文中介绍了器件的高压侧敏感原理和光学检出原理,给出了器件的结构参数条件、模态分析和温度补偿结果,并利用ANSYS与Matlab软件对器件的性能进行了仿真模拟和分析。理论结果表明：温度补偿后,温度变化±50K时测试误差为0．2%,400A、2000A电流下的灵敏度分别为0．001dB/A与0．09dB/A,说明了基于MEMS技术的光学电流传感器具有一定的研究价值。

新型MEMS光学电流传感器的设计

提出了一种用于检测50Hz高压交流电的新型MEMS光学电流传感器。详细介绍了器件的敏感与光学检测原理，给出了器件结构、温度补偿、滤波和工艺的设计过程，并模拟分析了器件在交流电100～3600A下的性能。结果表明：滤波后可得到稳定的测量光信号；温度变化±50K时相应的测试误差为0．2％；器件在大电流下的灵敏度优于0．02dB／A。

微机电光学电流传感器的设计

提出了一种检测50Hz交流电的微机电光学电流传感器。通过电磁学、微机电与光学方法说明了传感器的敏感原理与光学转换原理，结合工艺条件给出了器件的设计要求，并利用matlab软件模拟分析了传感器的仿真测试结果。计算表明，器件可以测试1～7．2kA的交流电，大电流下的灵敏度可达到0．01dB／A以上。

一种微机电非线性耦合系统奇点稳定性研究

工程中许多微机电系统都采用电容驱动原理 ,这类结构实际上存在着强烈的静电和机械两个物理场的非线性耦合 ,因此系统的动态特性比较复杂。本文基于一种扭转微镜系统 ,通过数值分析方法 ,研究其非线性动态特性 ,根据理论分析和数值计算证明该系统在相平面中存在两个奇点 ,一个是稳定中心 ,一个是鞍点 ,且两个奇点位置均随施加电压的变化而逐渐靠近 ,从而得出系统的静态分叉点 ;同时分析了有阻尼和无阻尼时电压的变化对相轨道的影响 ,以及阻尼对吸合电压的影响 ,吸合电压随阻尼的增大而提高 ,这些研究结果不仅对扭转微镜的设计和应用提供了理论和方法 。