基于变刚度悬臂梁的MEMS静电驱动器的动态响应优化

传统的微机电系统(MEMS)静电驱动器存在驱动电压高和超调振荡的问题,可动极板稳定在平衡位置前会发生持续的振荡,难以满足可变电容、光开关等应用领域的综合要求。针对上述问题,采用变刚度悬臂梁的设计,利用刚度随行程增大的特性抑制了极板吸合及释放过程的振荡现象,在缩短调节时间的同时,有效降低了器件的驱动电压。仿真和实验结果表明,当器件悬臂梁的刚度随位移由5N/m增大到35N/m时,在相同电压下,动态响应的调节时间减少了55.5%,在相同行程下,动态响应的调节时间减少了21%,对应的驱动电压减少了23%。

一种输出特性可调的双电极袋式静电驱动器

通过对袋式马达型液压放大自愈静电(Peano-HASEL)驱动器的结构设计改进,使用双电极和单元模块化设计,放大驱动器在高度方向上的输出应变率,对并联堆叠的驱动器施加宽度方向上的预紧力,形成输出特性可调节的双电极Peano-HASEL驱动器。根据系统平衡理论,对单元模块建立理论分析模型,使用COMSOLMultiphysics建立多物理场仿真模型,并搭建实验平台,对理论分析模型进行验证,并分析影响驱动器驱动性能的主要因素。

大位移多折叠梁静电驱动器的设计及力学性能分析

针对现有微静电梳状谐振器用作驱动器时输出位移极小的弱点，提出一种结构新颖、输出位移大、能工作于谐振状态和静电力状态下的多折叠梁微静电驱动器设计方案。建立该驱动器的力学分析模型，给出位移、弹性系数和谐振频率的解析公式。研究表明，当特征尺寸相同时，与常用的直脚型和蟹脚型谐振器相比，在相同电压下其输出位移可提高7倍-14倍，而在相同最大应力条件下其位移输出能力可提高4倍-9倍。

MEMS静电驱动器的场致电子发射效应研究

为研究MEMS静电驱动器的场电子发射效应,设计并加工了排斥驱动器和平行板驱动器两种不同结构的静电驱动器,实验测试了电极间漏电流随驱动电压的变化关系,验证了其满足场发射效应的FN理论公式,从而首次观察到静电排斥驱动器的场致电子发射效应。根据测试结果计算得到了所设计的两种MEMS静电驱动器的名义发射面积和场增强因子。由于器件自身的结构设计特征,平行板驱动器相对于排斥驱动器具有更大的名义发射面积和更小的场增强因子。

静电排斥型微机电系统变形镜驱动器

为了克服常规静电微机械驱动器所存在的静电吸合现象,基于非均匀分布的静电场可以产生排斥力的原理,设计了一种新型的微机电系统变形镜驱动器。驱动器由5组电极构成,最大的一组由中心质量块和位于正下方的下电极组成,其它4组分别位于各条边上。中心质量块由4根L形弹簧支撑,每根弹簧分别固定于驱动器的4个锚点。利用有限元软件对驱动器的频率响应和暂态响应特性进行了仿真,结果表明,谐振频率高达4kHz,暂态响应时间小于0.05s。利用表面硅工艺加工出了驱动器,并利用白光扫描干涉仪对驱动器的静态位移电压特性进行了测试,测得驱动器在70V激励电压下的形变量为1.4μm。

微加工静电排斥驱动器特性分析

基于非均匀电场可产生静电排斥力的原理,设计制造了单元尺寸为300μm的MEMS静电排斥型离面驱动器。此驱动器不受静电吸合效应的限制,行程较传统静电吸引型驱动器有显著提高。利用表面硅工艺完成了该驱动器的加工。为研究静电排斥型驱动器的动态响应特性,建立了该驱动器的等效模型并利用数值计算方法分析了驱动器的压膜阻尼特性和幅频特性。采用白光干涉仪对微驱动器进行了静态和动态测试,测试结果表明,所设计的MEMS静电排斥驱动器在100V的电压下实现了2.1μm的驱动位移,工作带宽为2kHz,具有较快的响应速度。

梳齿式静电微驱动器稳定性分析与结构优化

针对典型梳齿式静电微驱动器驱动稳定性差的问题,建立微驱动器驱动稳定性分析模型,系统分析微驱动器驱动稳定性随其各结构参数的变化关系,提出基于稳定性因子的微驱动器驱动稳定性评估方法。提出弹性支撑机构外置方案,建立弹性梁非线性特征模型,基于模型分析结果设计预弯弹性梁结构,建立基于梳齿结构参数的静电力模型,研究不同梳齿结构对驱动器驱动稳定性的影响。研究结果表明,弹性支撑机构外置、预弯弹性梁结构以及线性交叠梳齿结构能够有效提高梳齿微驱动器大位移输出的驱动稳定性。

基于静电平行板驱动器的MEMS变形镜特性分析

静电平行板驱动器是基于静电驱动的MEMS变形镜的关键部件,其静态及动态性能对MEMS变形镜有重要影响。设计并利用表面硅工艺加工制作了三种基于不同弹性系数的静电平行板驱动器的MEMS变形镜,分别采用解析公式和有限元仿真方法分析了弹性系数对变形镜的三项性能参数即行程、吸合电压和固有频率的影响,并利用白光表面轮廓仪进行实验测试,验证了理论和仿真结果的有效性。实验结果表明三种变形镜中半圆环梁驱动器变形镜具有适中的吸合电压和较大的行程,最适合于自适应光学系统的应用需求。

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。

梳齿式静电微驱动器的边缘效应影响分析

针对梳齿式静电微驱动器横向静电力的边缘效应问题,采用基于保角变换的修正公式和有限元法分别进行建模分析。采用修正公式虽然可以减小分析误差,但不能准确捕获边缘效应对驱动器驱动性能的动态影响过程,而有限元法能够准确捕获横向静电力受边缘效应影响而发生突变的过程。通过有限元法分析得出,驱动器的结构参数及其工艺误差均对横向静电力的边缘效应有影响,而驱动电压对边缘效应的影响可以忽略;当梳齿接近完全交叠时,边缘效应的影响显著,驱动器驱动性能具有明显的非线性特征。

静电排斥驱动六边形MEMS微镜(英文)

为消除静电吸引型微镜因存在静电吸合效应而导致的短路现象,基于电场的非均匀分布可以产生静电排斥力的原理,设计了一种静电排斥型六边形微机械反射镜.微镜包含7组驱动电极,最大的一组驱动电极由镜面和其正下方的六边形下电极组成,其他6组分别位于微镜的各条边上,其中3组为梳齿结构,另外3组为U形弹簧,镜面由3组U形弹簧支撑.利用有限元软件对微镜频率响应和暂态响应特性进行了仿真,结果表明谐振频率高达7kHz,暂态响应时间小于0.0003s.利用表面硅工艺加工出了样片,并用白光干涉仪对其静态位移特性进行了测试,在50V直流电压下微镜位移量为0.7μm.由结果可知该微镜可消除静电吸合效应.故该微镜不仅可用于对反射光进行光程和相位的调制,也可用于自适应光学系统中波前畸变的校正.

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。

静电驱动MOEMS保险机构的设计与试验

为了提高引信状态控制的安全性,增强其抵抗引信内、外强电磁干扰的能力,提出了一种应用于微小型引信安全系统的硅基微光机电保险机构。该机构采用光纤作为过程能量传输的载体,通过静电驱动方式实现对光纤光路错位与对准的控制,达到引信安全与解除保险的目的。设计了MOEMS保险机构的总体结构和耦合光路,并对它进行SOI+DRIE工艺设计和加工。通过开展静电微驱动器性能测试试验和光路性能测试试验得出,静电微驱动器能够实现130μm的大位移输出,MOEMS保险机构的解除保险时间和恢复保险时间分别为13 ms和5 ms,光能传输效率为46.1%。所设计的MOEMS保险机构能够满足功能要求,具备天然的抗电磁干扰能力,有效提高了引信的本征安全性。

一种新型MEMS离面驱动器的设计与分析

提出了一种基于静电排斥效应的MEMS离面驱动器,在消除静电拉入效应的同时得到了较大的静电排斥力。驱动器主要由三个下极板、一个上极板和弹簧梁组成。首先进行了静电排斥现象原理的分析,然后对弹簧梁中有和没有横梁时的弹性系数和模态进行了详细分析和对比,最后对驱动器的行程、驱动力、频率响应和带宽等性能进行了分析。结果表明,存在横梁时结构更加稳定,施加200V电压时,结构有2.5μm的位移和28μN的驱动力,而且带宽约为7kHz。该驱动器可运用于光通信和空间光调制等领域。

静电微反射镜的发展与应用

本文从静电微反射镜结构、驱动方式、加工工艺等方面对目前静电微反射镜的原理和实现方法进行总结,分别讨论了它们的功能特点和应用方向,分析了不同应用领域的静电微反射镜的性能要求和结构方式,重点介绍了静电微反射镜在投影显示器和空间光通信等领域的应用,最后讨论了静电微反射镜在光学特性分析、驱动方式、工艺设计、动态特性和控制方法等方面的关键问题及发展方向。

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。

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%.

140单元MEMS变形镜研制及测试分析

为了满足自适应光学技术更广泛的应用需求,针对传统变形镜体积大、成本高的问题,本文研制了基于微机电系统技术的MEMS变形镜并进行了实验测试。本文研制的变形镜共有140个六边形平行板电容静电驱动器,驱动器为12×12正方形排列,间距400μm。采用表面MEMS工艺加工了变形镜样品,并利用陶瓷PGA管壳和石英玻璃盖板对样品进行了封装,同时还研制了与之配套的小型化多通道高压驱动电源。测试结果表明,该变形镜表面PV值411 nm,RMS值78 nm,在600 nm到900 nm波段的反射率接近80%,行程1.8μm,交连值约15%,工作带宽13 k Hz,阶跃响应时间23μs,具有体积小、成本低、响应快等优势。除了进行了单元性能的测试之外,还开环控制变形镜进行了Zernike像差的拟合测试,验证了变形镜的校正能力。结果表明,该变形镜能初步满足自适应光学系统的应用需求。

微机电可调硅基三族氮化物光栅

将静电梳齿微驱动器与三族氮化物光栅集成,获得了利用静电梳齿微驱动器调节光栅周期的硅基三族氮化物光栅。首先,以硅基三族氮化物基片为基础,设计了微机电可调光栅,光栅的设计周期为1.1μm,设计线宽为0.8μm。然后,利用严格耦合波分析法研究了横向磁场模式下可调光栅的光学响应特性;研究显示改变光栅周期和占空比,光栅的谐振波峰出现了明显偏移。最后,介绍了结合电子束光刻、三族氮化物干法刻蚀和深硅刻蚀技术制备微机电可调三族氮化物光栅的方法。严格耦合波分析和实验表明:制备的微机电可调三族氮化物光栅具有良好的质量;在静电驱动器上施加电压,可将光栅的谐振波峰由1.345μm调节至1.40μm,满足了利用微机电技术调节三族氮化物光栅光学响应特性的要求。

单晶硅微构件力学特性片上测试系统

设计一种集成静电梳状驱动器和测试结构,专用于单晶硅微构件断裂、疲劳性能测试的片上测试系统。详细介绍测试系统的结构和工作原理。对静电梳状驱动器的驱动电压—驱动力关系、结构刚度以及谐振频率进行计算。利用MEMS(microelectromechanicalsystem)体硅工艺制造该测试系统,加工得到的测试系统在显微镜工作台上进行静态和动态弯曲实验,并将实验结果与ANSYS分析结果进行对比。结果表明,该测试系统性能稳定,能够实现对单晶硅微构件的弯曲断裂和疲劳测试。