静电驱动微悬臂梁静态吸合特性的尺寸效应研究

基于修正偶应力理论研究了静电驱动微悬臂梁在考虑Casimir力时的静态吸合特性。利用最小势能原理得到了微悬臂梁弯曲的控制方程和边界条件,应用广义微分求积法(GDQM)求解后得到静电驱动微悬臂梁吸合电压与无量纲吸合位移的数值解。结果表明,基于修正偶应力理论的静电驱动微悬臂梁的吸合电压明显高于经典理论值,表现出明显的尺寸效应;同时Casimir力降低了微悬臂梁的吸合电压与无量纲吸合位移。当微悬臂梁的初始间隙g远远大于其厚度h时,Casimir力的影响可以忽略不计。     

多层悬臂梁静电作用下的弯曲及吸合电压分析

多层悬臂粱MEMS器件具有广泛的应用,其吸合电压对器件性能有重要影响。通过选取合适的挠度试函数,并考虑多层悬臂梁中的绝缘层对等效间隙高度的影响,运用能量法分析了多层悬臂梁在静电作用下的弯曲情况。推导出了梁在发生吸合现象时,其自由端归一化的挠度值和对应的吸合电压的解析表达式。用Coventor软件中的CoSolveEM模块验证所得公式,表明模型具有较高的精度。所得结论对静电执行结构设计具有一定的参考价值。     

静电驱动微浅拱梁跳跃和吸合特性的尺寸效应研究

基于修正偶应力理论研究了静电驱动微浅拱梁在考虑Casimir力时的跳跃和吸合特性。利用最小势能原理得到了微浅拱梁弯曲的控制方程和边界条件,应用广义微分求积法(GDQM)和广义积分求积法(GIQM)求解得到静电驱动微浅拱梁跳跃电压和吸合电压以及无量纲跳跃位移和吸合位移的数值解。结果表明,静电驱动微浅拱梁的跳跃特性和吸合特性具有明显的尺寸效应;基于修正偶应力理论的静电驱动微浅拱梁的跳跃和吸合电压低于经典理论值;Casimir力降低了微浅拱梁的跳跃和吸合电压以及无量纲跳跃和吸合位移;微浅拱梁初始拱高对其跳跃和吸合特性有着重要的影响。     

激光驱动双层悬臂梁结构的建模仿真

为了研究微机电系统悬臂梁结构的新型驱动方式,提出一种基于微尺度热膨胀效应的激光光热驱动双层悬臂梁结构的方法。将激光作为加热源,利用激光加热材料产生热膨胀的机理,驱动双层的悬臂梁结构产生弯曲位移。推导出一维的激光加热双层悬臂梁产生温度升高的物理模型,耦合到双层悬臂梁弯曲的几何模型中。构建激光参数、温升、位移之间的理论关系公式,得到激光功率与垂直位移之间的理论关系曲线。结果表明,激光功率与垂直位移之间是近似呈线性增加的关系。同时利用计算机仿真结果与解析结果进行对比研究,对比研究结果表明基于激光光热的仿真模型符合实际情况,具有一定的准确性。     

阶梯结构微梁传感器优化设计

为了实现微悬臂梁传感器的自驱动自感知功能,设计了嵌套式阶梯结构微悬臂梁传感器。采用有限元分析的方法对其微梁的自由端弯曲位移和固有频率进行了仿真,研究了阶梯结构对微悬臂梁传感器性能的改善,确定了微悬臂梁传感器的阶梯结构参数。结果表明,经优化设计后的微梁传感器,微悬臂梁自由端弯曲位移可达566 nm,提高了2倍;固有频率可达385 k Hz,提高了1. 45倍。阶梯式微梁的成功设计为传感器的集成与小型化奠定了基础。     

一种单稳态微电磁继电器的研究

优化设计出一种微电磁继电器,介绍了其驱动原理,通过对微电磁继电器的电磁驱动力及活动衔铁的位移进行分析计算,设计了微电磁继电器的三维结构,以增大磁路效率,减小漏磁通,从而增加电磁驱动力。采用MEMS加工工艺,试制了该新型微电磁继电器的样件,其尺寸为5 mm×5 mm×1 mm,它由上磁路、下磁路、平面励磁线圈、固定触点和活动衔铁等部分组成。微电磁继电器的平面励磁线圈电阻约20 Ω,外加5 V电压时,微电磁继电器可实现吸合动作。吸合后,微电磁继电器的导通电阻为14.5 Ω,继电器的响应时间为1 ms。     

应变梯度对静电力驱动微梁吸合电压的影响

基于应变梯度理论,建立静电力驱动微梁的控制方程,通过瑞利-利兹法对微梁的控制方程进行降阶,得到一组非线性代数方程。利用牛顿-拉菲森法求解该方程组,确定微梁的吸合电压,分析应变梯度对吸合电压的影响规律。结果表明,当微梁的无量纲厚度减小时,无量纲吸合电压将显著增大,表现出明显的尺寸效应;随着材料内禀特征长度的增加,无量纲吸合电压的尺寸效应也越显著,说明应变梯度对微梁的吸合电压影响显著。随着微梁无量纲厚度的减小,残余应力对无量纲吸合电压影响显著,可以减弱应变梯度对无量纲吸合电压的影响;同时应变梯度可以显著降低中面伸长对吸合电压的影响。分析结果可为微机电系统中微梁的设计提供参考。     

闪耀式光栅光调制器及其机电耦合分析与仿真

提出一种基于微悬臂梁结构的新型闪耀式光栅光调制器,介绍其结构组成及工作原理.建立了器件的两种假设受力模型Ⅰ、模型Ⅱ,根据极小势能原理推导出器件变形方程,通过瑞利-里茨法则得出器件的固有频率,从理论上分析器件的结构尺寸、材料性能对吸合电压、固有频率的影响.最后通过Coventorware软件对器件进行机电耦合仿真,通过对比,模型Ⅱ更为合理,分析结果为器件的制造提供了理论依据.     

悬臂梁式微机电开关中信号线的位置设计研究

建立交直流分离悬臂梁式MEMS(micro-electro-mechanical systems)开关的四阶段分析模型,利用该模型对交直流分离悬臂梁式MEMS开关进行分析发现,信号线的位置不仅对信号线和膜间的电容有影响,而且信号线的位置直接影响交直流分离MEMS开关是否可以在稳定的电压下正常工作。悬臂梁的变形一旦进入到第四阶段,驱动电压和电容都将会不可控地下降,从而使MEMS开关不能正常工作。针对交直流分离悬臂梁式MEMS开关可能会出现的驱动电压和电容比同时下降的问题,提出一种确定不进入第四阶段的信号线位置——临界信号线位置的方法。该方法的原理是信号线的位置恰好使最大驱动电压等于最大电容比所对应的电压。实例计算驱动电极位置与信号线临界位置间的关系曲线、驱动电极位置与峰值电压间的关系曲线以及驱动电极位置与所能达到的最大电容比间的关系曲线。     

范德华力对微悬臂梁动力模型及分岔的影响

微悬臂梁结构是微机电系统(MEMS)中广泛应用的一种结构型式。在其动力学分析模型中,除了考虑非线性静电力、参数激励和压膜阻尼的影响,还加入了范德华力。通过改变影响范德华力的参数,分析了范德华力对系统的吸合电压、稳定运动状态以及分岔的影响,得出了范德华力对系统动力响应影响的变化规律,为对该系统的运动控制奠定了基础。     

MOEMS光栅平动式光调制器的吸合电压分析与实验

通过研究提出了一种新颖的利用微光机电系统技术(MOEMS)制造的光栅平动式光调制器GMLM,它可以利用衍射原理对光进行动态调制,其设计适宜形成二维光调制器阵列.针对GMLM,分析并给出了其准静态下的吸合电压计算公式.考虑到MEMS器件的尺寸效应,对电容的边缘场效应影响不能忽略.文巾对GMLM器件的边缘场效应影响因子进行了公式推导,并针对GMLM修正了传统的平行板执行器吸合电压计算公式.实验结果证明,修正后的理论公式可以较好地预测GMLM的吸合电压值,与实际测最值的误差为4.3%.     

MEMS电磁驱动微器件的失稳特性研究

在对电磁驱动微器件进行分类的基础上,详细分析了磁动势控制模型中不同类型电磁微器件的失稳特性。结果表明：竖直式和端点作用的旋转式电磁驱动微器件的失稳发生在系统气隙磁阻减小1/3的时候;旋面作用的旋转式电磁驱动微器件中,失稳角度（临界吸合角度）随磁力作用区域增大而增大,约介于系统最大旋转角度的33％~44％之间,励磁电流随磁力作用的悬臂区域的增大而先增大再减小。     

轴力对吸合电压影响分析的一种近似方法

利用积分中值定理,提出两端固支梁中轴力的近似分析方法,结合几种满足位移边界条件的位移函数,推导两端固支梁中轴力的近似计算公式,并将这些计算公式应用于分析两端固支微机电开关梁的吸合电压中。计算实例中,针对一些不同的梁长、不同的梁厚、不同的驱动电极长以及不同的初始间隙,通过比较几种不同的轴力公式得出的吸合电压计算结果可见,选用余弦位移函数计算轴力时,文中提出的考虑轴力时吸合电压的计算结果精度较高。另外,影响相对误差大小的主要因素是梁厚和初始间隙,而梁长对相对误差的影响很小。     

MEMS电磁驱动微器件的失稳特性研究

在对电磁驱动微器件进行分类的基础上,详细分析了磁动势控制模型中不同类型电磁微器件的失稳特性.结果表明:竖直式和端点作用的旋转式电磁驱动微器件的失稳发生在系统气隙磁阻减小1/3的时候;旋面作用的旋转式电磁驱动微器件中,失稳角度(临界吸合角度)随磁力作用区域增大而增大,约介于系统最大旋转角度的33%～44%之间,励磁电流随磁力作用的悬臂区域的增大而先增大再减小.     

光栅平动式光调制器的残余应力自测量方法和试验

对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)器件残余应力的测量方法大都需要有标准的测试结构。这些测试结构体积较大,一方面占用有限的光刻版面积,另一方面加电和测试时都会增加复杂性和难度。针对一种基于微光机电系统(Micro-opto-electro-mechanical systems,MOEMS)技术的光栅平动式光调制器(Grating moving light modulator,GMLM),提出一种无须外加测量结构,直接利用GMLM本身结构特性得到残余应力的测量方法。这种测量方法利用残余应力与GMLM吸合电压之间的关系,由吸合电压测量值可以计算出材料的残余应力值。推导GMLM残余应力与GMLM吸合电压之间的关系式,并考虑平行板电容的边缘效应加以修正。通过试验,给出实际GMLM采用的Al-1%Si膜的残余应力为99MPa。该方法的应用,使得GMLM器件具有残余应力自测量功能,实现测量和执行结构一体化,降低器件残余应力测量的成本和复杂度。     

新型微机械变形反射镜研究

提出一种新型的静电驱动微机械变形反射镜，研究了静电力驱动的静态模型和动态模型。结果表明，驱动器的变形位移随驱动电压的增加出现稳定的非线性增加和不稳定的“拉入”现象；当变形镜由余弦电压驱动时，平衡位移的响应为2倍频的余弦信号；变形镜驱动电压撤除后驱动器上电极薄板经过17μs回复到驱动前的未变形状态。所得结果对于设计微机械变形镜具有重要意义。     

基于惯性冲击原理的变摩擦式微位移机构运动特性的研究

针对目前无法使用对称的正弦波产生逆压电效应驱动微位移机构的现状,提出了利用正弦波信号驱动压电双晶片振子的技术方案,应用惯性冲击力实现机构的微小位移,建立了机构运动的数学模型。设计了斜面结构使正弦波作用产生的周期性惯性冲击力形成竖直作用于微位移驱动机构的分量,通过改变正压力调整摩擦阻力的大小,并推导了QU相似文献   

微机电系统中悬臂梁固定端的应力分析

运用Ansys模拟软件对不同厚度的微悬臂梁在同一电压下(未达到吸合电压)进行静电力分析,得到悬臂梁固定端的应力大小,同时得到此应力与厚度的关系.再根据力学相关解析式对固定端进行力学分析,通过比较两种方法得到的结论,发现结论是相反的,因此得出弹性模量E是决定微观材料性能的重要因素,以及静电力作用下的微悬臂梁存在机电耦合作...     

基于硅-玻璃键合工艺的微惯性器件的材料热失配应力表征

基于硅-玻璃键合工艺实现敏感结构和衬底相接是微惯性器件的主流工艺方案之一。硅和玻璃热膨胀系数不同,在惯性器件环境工作温度发生变化时,硅玻璃接触表面会产生热应力,该应力严重影响器件的性能。为了测量异质材料间的热失配应力以及键合锚点尺寸对应力的影响,本文提出了一种以悬臂梁作为测试结构的锚点形变测量和数据处理方法,用于表征器件的工艺热失配应力。根据仿真结果将锚点设计成切块形式以减小最大应力和结构形变。测试结果表明,对于边长为600, 400和200μm的锚点,悬臂梁相对锚点的平均离面位移分别为0.43,0.30和0.20 nm/℃;结果具有良好的重复性。该结果说明锚点热形变与锚点的大小直接相关,这对MEMS惯性结构以及工艺设计改进具有重要的意义。     

静电驱动MEMS柔性结构的变形分析与试验验证

针对静电驱动MEMS柔性梁的变形特性进行分析,依据静电场理论及伪刚体理论,考虑静电力非均匀分布载荷的基本特征、静电力与柔性梁变形之间的耦合作用及可能存在的边缘电场对静电力的影响,建立不同电压下求解柔性梁变形的数学模型,同时给出静电吸合电压的计算式。设计并加工了MEMS柔性梁,采用文中所建模型计算了柔性梁的变形,同时搭建试验测试系统测试柔性梁的变形及静电吸合电压,与理论计算结果具有较好的一致性,验证了文中建立的数学模型的正确性。