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硅微单侧直脚谐振器与复合V型梁热致动器的机械性能研究

沈雪瑾

   作为动力源的微致动器是微型机电系统(MEMS)的重要组成部分之一,承担着MEMS中能量转换、运动和力的产生等功能,其位移与力的输出能力对MEMS器件的功能实现和使用性能均有很大的影响。本论文以单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器、∏型梁和复合V型梁电热硅微致动器为研究对象,展开了相关结构设计、致动机理分析、理论建模及微机械性能试验研究,探讨了各致动器的结构参数对其力和位移产生能力的影响,并据此研发了几种MEMS执行器,完成的主要工作有: 与北京大学微电子研究院合作,协助该院开发相关三层多晶硅的表面硅微加工工艺,并用此工艺流片制作出所设计的多种微致动器实验样品,以及用它们作为动力源的静电谐振与电热式的微直线马达和多种相关微执行器。针对微直线马达中某些器件部位希望增加用于传递运动和动力的摩擦,而某些部位则希望减小阻碍构件运动摩擦的不同要求,分别在设计中考虑了相应措施。用标准体硅工艺和位移的杠杆缩小与放大机构,设计加工出由V型梁电热硅微致动器驱动的纳米致动器,并设计了用固定标尺处的位移比较测量方法来证明器件的纳米级运动与进行位移测量。 建立了单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的三次超静定简化力学模型,推导出了该模型中各支点反力的计算方法以及谐振频率和横向最大位移的计算公式。与五次超静定系统的双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的各机械性能参数的计算公式对比发现它们有显著差别,从而说明用后者的力学分析方法来推算前者的各性能参数从物理意义上讲是不对的。 分析表明,与双侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器显著不同,单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器的弹性系数、谐振频率、横向最大位移会随两根支撑梁的间距变化而改变,并当此间距超过某一值后,上述三变量的变化均很小且趋向于一定值。同样,后者的谐振频率会随支撑梁厚度的变化而单调改变,这也是前者所没有的现象。为此从两者因为超静定次数不同而约束冗余度不同的角度,对此现象进行了物理意义上的解释。 建立了复合V型梁电热硅微致动器的三次超静定力学模型和迭代求解方法,推导出各支点所受的支反力计算公式,讨论了致动器各结构参数对位移输出能力的影响。研究发现与单V型梁电热硅微致动器在倾角为0.04 rad时有最大位移输出的结论不同,所研究结构与加电方式的复合V型梁电热硅微致动器在倾角为0.19 rad时有最大位移输出,当倾角大于0.6 rad以后,倾角变化对最大位移输出的影响减弱,但与前者一致的是其输出位移与梁的厚度无关。通过比较单V型梁与∏型梁热致动器的位移与力的输出能力,发现在相同的梁结构参数前提下,两者的承载能力与位移产生量在输出力一位移图上应分三个区域考虑,不同区域内的对比情况差别明显。 建立了一套可行的硅微致动器试验测试系统,通过对三种面硅致动器和一种体硅致动器的多个样品试验测试,获得了它们的相关机械性能参数,经与单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器理论分析结果对比,两者谐振频率吻合较好,最大误差在12%以内;而∏型梁和复合V型梁电热硅微致动器在烧毁前的输出位移均与800℃温升时的理论分析结果相近,误差在6.7%以内,从而间接验证了所建的相关分析模型正确。试验结果还表明V型梁电热杠杆式体硅纳米致动器能够实现纳米致动,且移动位移可控。而用单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器与复合V型梁电热硅微致动器作为动力源,设计制作的多种MEMS执行器件经试验表明部分实现了预定功能,但性能尚待提高。……   
[关键词]:微型机电系统;单侧支撑直脚型静电梳状硅微谐振器;复合V型梁电热硅微致动器;微直线马达;纳米致动器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:上海大学2007年
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