静电梳齿驱动结构的稳定性分析

静电梳齿驱动结构的最大驱动位移主要受限于其侧向不稳定性,即当驱动电压接近吸合电压时,静电梳齿驱动结构的活动梳齿与固定梳齿发生吸合,导致静电梳齿驱动器失效。建立典型静电梳齿驱动结构的稳定性分析模型,研究梳齿驱动结构稳定性的影响因素,并进行理论分析、仿真分析和实验验证。结果表明:支撑梁结构的纵/横刚度比是影响静电梳齿驱动结构稳定性的关键因素,其比值越大,静电梳齿驱动结构的稳定性越好。

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%.

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。

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。

复合式MEMS微夹持器的研制

为实现对亚毫米微小构件稳定夹取及可靠释放等操作,研制了一种复合式微夹持器。采用有限元软件分析了微夹持器的机构及动力特性。应用MEMS体硅工艺将静电梳齿驱动与气动吸放集成构成复合式驱动,气动吸放的引入改善了微夹持器的操作性能,S形柔性梁结构的设计将梳齿驱动的直线运动转化成末端夹爪的转动实现了夹持操作。两种不同尺寸的微夹持器,有效扩展了微夹持器的夹持范围。根据微夹持器的操作控制需求,设计了微夹持器静电驱动控制系统以及气压控制系统。在80V的驱动电压下,微夹持器末端夹爪位移可达25μm。针对100～200μm的小球进行了微操作实验,实验结果表明,静电梳齿驱动结合真空吸附能够使夹取操作更加稳定,基于闭环控制的气路正压力能有效克服小球与夹爪之间的粘附力,实现可靠的释放操作。微夹持器基本满足100～200μm微小构件的操作需求。