多晶SiC梳齿驱动器的模态分析

碳化硅以其优异的电学、机械和化学性能成为极端条件下MEMS器件应用的首选材料。梳齿驱动器的固有频率是MEMS器件结构设计中的一个重要参数。采用有限元分析方法,对多晶SiC梳齿驱动器进行了模态分析,得到了前六个模态的固有频率,并与相同结构的硅基梳齿驱动器的固有频率进行了比较,计算结果与理论预言十分吻合。

一种高精度MEMS梳齿驱动器有限元仿真方法及实验

为解决目前MEMS梳齿电容驱动器由于边缘效应导致的理想计算模型计算误差较大问题,利用有限单元法中的能量法,提出了一种对梳齿驱动器电容量进行精确仿真计算的方法并以实际制作的微机械陀螺质量块上的90对梳齿驱动器为对象,分别利用该方法及常用的CMATRIX仿真方法对其电容值进行了仿真计算。两种方法得到的电容量的计算结果分别为1.5283pF和1.5793pF。二者与利用高精度LCR测试仪得到的结果 1.5172pF的相对误差分别为0.73%和4.09%。实验结果表明,该方法对考虑边缘效应的MEMS梳齿电容驱动器具有较高的计算精度。

基于硅塑性变形的蛇形梁垂直梳齿驱动器

设计了基于硅塑性变形的垂直梳齿驱动器,中央可动微镜由四组蛇形曲折梁支撑。驱动器的制作采用硅—硅键合技术,首先利用DRIE干法刻蚀技术释放可动梳齿与固定梳齿,然后通过各向异性湿法腐蚀制作的施压凸台实现可动梳齿和固定梳齿的精确自对准,最后利用硅塑性变形使可动梳齿和固定梳齿在垂直方向上产生位错,成功制作出在Z方向依靠位错梳齿实现垂直驱动的蛇形梁静电梳齿驱动器。

大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的设计与研究

分析了MEMS静电梳齿驱动工作原理,以梳齿结构和弹性梁结构为基础,综合考虑了动态特性、可靠性以及加工工艺可行性要求。提出了非等高结构、变形曲臂梁结构、位移放大驱动器、垂直Z向位移静电梳齿驱动器等四种大尺度、低电压驱动线性MEMS静电梳齿驱动器结构设计。利用CAD采用FEA法分别建模、仿真,进行了大位移、低电压驱动MEMS静电梳齿驱动器的动态与静态的研究,并获得20V直流偏置、位移80～130μm、驱动器面积小于2mm×2mm的结果。

静电梳齿驱动器静电-结构耦合的仿真分析

采用降阶建模为静电梳齿驱动执行器开发了一个二维有限元模型,将梳齿驱动器简化为一组等价的集总参数单元,各单元均体现了对应器件的静动态特性和输入输出特性,降阶得到的模型降低了计算的复杂程度,提高了计算的速度.对采用降阶模型法所建立的模型仿真,得出梳齿驱动执行器的驱动位移、静电力与结构参数和所施加电压关系的仿真结果.该方法能以较快的速度求解静电-结构耦合问题,所得结果与有限元解相比较,最大位移误差小于5%.

大位移MEMS静电梳齿驱动器的设计及制作

文章提出了一种大位移低驱动电压的MEMS静电梳齿驱动器,对器件进行了设计、模拟、制作以及测试。梳齿驱动器的侧向不稳定性即侧向吸合现象限制了梳齿驱动器的最大驱动位移,发现侧向稳定因子S,随支撑梁刚度比ky/kx以及梳齿间隙g的增加而增加,随梳齿交叠长度的增加而减小;而驱动器的驱动电压随梳齿间隙的增加而升高。在以上研究的基础上,提出了一种采用小间隙无初始交叠、长度线性递增梳齿结构和高纵/横向刚度比的预弯曲支撑梁结构的梳齿驱动器。器件测试结果表明,驱动电压71V时,可以达到100μm的驱动位移,进一步测试表明,驱动器的基模共振频率为573Hz,Q值为35.88。

集成隐藏式3维梳齿电极驱动器的低吸合电压CMOS-MEMS微镜阵列

微镜阵列芯片是大尺寸画面投影显示系统的主流光学图形产生器。针对德州仪器公司的数字微镜芯片中微镜吸合电压较高的问题,本文采用CMOS后端金属互连层制备隐藏垂直梳齿电极驱动的低吸合电压微镜,在CMOS后端工艺中基本完成MEMS微镜阵列的结构制备,然后在CMOS工艺后附加少量的Post-CMOS工艺。我们采用0.35-μm 2-Poly-4-Metal(2P4M)CMOS工艺设计和制造了2种1×8规模集成了隐藏式梳齿驱动器的静电驱动双稳态微镜阵列,并且片上集成了CMOS驱动电路。微镜尺寸为18μm×18μm,像素间距为20μm,占空比为81.0%。采用有限元仿真软件计算了微镜结构的电力耦合特性。在大气环境下,仿真结果表明:具有TiN/Al/TiN扭臂的微镜A的静态吸合电压为19.25 V,具有TiN/Al/TiN扭臂的微镜B的静态吸合电压为3 V。测试结果表明:微镜A典型的吸合电压为21 V,与仿真结果接近。微镜A和B吸合电压正在逐步实现与CMOS电路工作电压兼容,可以将驱动电路与微镜阵列单片集成,从而为实现工艺和工作电压与CMOS工艺全面兼容的数字微镜阵列奠定了基础。

垂直梳齿驱动的大尺寸MOEMS扫描镜

提出了一种采用垂直梳齿驱动器驱动的大尺寸、大扭转角度、低驱动电压微光机电系统(MOEMS)扫描镜。理论分析了垂直梳齿驱动器的工作原理,研究了垂直梳齿的制作工艺,采用体硅加工工艺结合硅-硅键合工艺制作了垂直梳齿驱动的MOEMS扫描镜。制作的扫描镜镜面尺寸为3mm×2mm,谐振频率为1.32kHz。测试表明,该扫描镜镜面具有很好的光学表面,其表面粗糙度的均方根只有8.64nm;扫描镜在驱动电压为95V时可以实现最大2.4°的扭转角度;测得其开启时的响应时间为1.887ms,关断时的响应时间为4.418ms。

无交叠垂直梳齿平动微镜的驱动特性

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器,建立了保角变换数学模型,研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发,建立了驱动器的保角变换静电场解析模型;以动齿受力为研究对象,根据不同情形下的动齿受力特点,求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器,搭建了Michelson干涉仪光学测试系统,测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明,所制作的无交叠梳齿驱动器在28V偏压下机械位移可达325nm,相位差为2π;在90V的偏压下能够获得2.07μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致,验证了所建数学模型的正确性,为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。

硅微陀螺梳齿驱动的面内失准分析

静电梳齿微驱动器因其结构简单、功耗低、灵敏度高、受温度影响小,成为硅微陀螺仪的主要驱动方式。静电梳齿微驱动器通常由活动梳齿和固定梳齿组成。理想情况下,活动梳齿平行地位于两固定梳齿中心位置。但由于加工误差、驱动结构不对称、扰动等因素,使得活动梳齿相对固定梳齿发生偏转。该文应用能量法及虚功原理,建立了梳齿之间的力与力矩平衡方程。得出了非理想情况下,偏离距离和转角的解析表达式,并分析得出了梳齿间的临界电压。经过数值仿真发现,梳齿面内既偏转又转动时的临界电压小于只发生偏转或转动时的临界电压。

考虑制作工艺和边缘效应的梳齿电容理论

为解决梳齿驱动器中理想计算模型误差较大的问题,利用平板电容理论及微积分方法,对制作工艺及边缘效应的影响进行了分析,并建立相应的计算模型.在此基础上,以加工完毕的梳齿驱动器为研究目标,得到其电容在理想条件下、考虑制造工艺误差及边缘效应条件下的计算结果分别为1.267 3 pF和1.440 3 pF.两者与利用高精度LCR测试仪测量所得电容1.517 2 pF之间的相对误差分别为16.47%和5.07%.实验结果表明,考虑制造工艺误差及边缘效应时计算结果的精度远远高于理想条件下计算结果的精度,证明了该理论模型的正确性.

大位移低电压的静电MEMS驱动器(英文)

制作了一种低驱动电压、位移达100μm的梳齿驱动器.为了增加驱动器的驱动位移,对驱动器的侧向稳定性进行了分析.根据分析结论,提出了一种采用小梳齿间隙,高纵/横向弹性常数比预弯曲支撑梁,无初始交叠、梳齿长度线性递增的梳齿驱动器.根据稳定性以及驱动位移和驱动电压的设计要求设计了驱动器的具体参数,并进行了器件制作.测试表明,器件共振点在573Hz,Q因子为35.88,在100μm位移时驱动电压为71V,与理论计算值相差2.1%.

复合静电驱动结构致动的内旋转微镜(英文)

报道了以体硅表面硅混合微加工工艺制作在SOI衬底上的一种新型复合静电驱动结构致动内旋转微镜,其中复合静电驱动结构由一个平板驱动器和一个垂直梳齿驱动器构成.实验表明,该新型驱动结构不仅能使微镜实现大范围连续旋转,而且能使微镜实现吸合效应致自发性90°旋转.微镜的连续旋转范围扩大到约46°,同时引发吸合效应的拐点电压也增大.对于具有1和0.5μm厚扭转弹性梁的微镜,实测拐点电压分别为390～410V和140～160V.当该微镜用作光开关时,测得光插入损耗为-1.98dB.

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 。

基于MEMS微镜的可调光学衰减器

设计并制作了一种基于微光机电系统(MEMS)微镜的可调光衰减器(VOA)。其中微镜的谐振频率为11.26kHz,采用垂直梳齿驱动器驱动。微镜采用体硅微加工工艺在绝缘体上硅(SOI)片上制作。采用制作的微镜和双光纤准直器装配成VOA,衰减器在扭转角度为0.3°时驱动电压只有4.4V,开启和关断时的响应时间分别为1.67ms和2.74ms,插入损耗为0.6dB,最大衰减值为40dB。