Driving characteristics of non-overlap vertical electrostatic combdriver for optical translational micromirror

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28 V偏压下机械位移可达325 nm,相位差为2π;在90 V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.     

基于体硅工艺的集成式定位平台

针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制出了一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度微型定位平台,定位平台采用侧向平动静电梳齿驱动.利用力电耦合和能量守恒原理分析了静电致动器的致动机理,对定位平台的主要失效模型、静态和动态特性进行详细建模分析,证明了静电梳齿力电耦合所导致的侧壁不稳定以及驱动器的最大稳定输出位移,给出了平台稳定工作条件下梳齿间隙、梳齿初始交错长度以及复合柔性支撑梁的弹性刚度比之间的关系.动态分析时考虑空气阻尼对平台的影响,给出了平台最大运行速度、位移及动态条件下的临界驱动电压并把分析结果应用于平台闭环控制.实验结果表明:驱动电压30 V时,平台稳定输出位移达10 μm,机械稳定时间仅为2.5 ms.     

尺蠖型压电直线驱动器的动态特性

分析了尺蠖型压电直线驱动器的结构原理,建立了驱动器系统动力学模型。对驱动器定子进行了模态分析,并对分析结果进行了评价。对设计开发的驱动器样机输出特性进行了试验测试,实验测得驱动器单步输出位移稳定可靠,100 V驱动电压下,单步输出位移为9.8 μm。对驱动器直线动子的速度、加速度特性进行了测试,依据速度、加速度信号进一步分析了驱动器的动态响应特性。实验结果表明,所开发的驱动器具有动态特性好、运动稳定等优点。     

基于体硅工艺的集成式定位平台特性研究

针对纳米定位平台的构型和定位精度问题,采用体硅加工技术成功地研制出一种基于单晶硅并带有位移检测功能的新型二自由度微型定位平台,定位平台采用侧向平动静电梳齿驱动。作者利用力电耦合原理结合能量守恒原理分析了静电致动器的致动机理,对定位平台的失效模型、静态特性以及动态特性进行详细地建模分析,证明了静电梳齿力电耦合导致的侧壁不稳定以及驱动器的最大稳定输出位移,给出了平台稳定工作条件下同梳齿间隙、梳齿初始交错长度已经复合柔性支撑梁的弹性刚度比之间的关系。动态分析考虑的空气阻尼对平台的影响,给出了平台最大运行速度、位移已经动态条件下的临界驱动电压。     

杠杆式尺蠖压电直线驱动器

设计了一种基于尺蠖运动原理的压电直线驱动器,用于解决光学领域中的精密定位问题。该驱动器采用了对称杠杆式位移放大机构,在保证钳紧力的同时,可以获得较大的驱动位移。阐述了尺蠖式压电驱动器的工作原理,对杠杆式柔性放大机构的位移损失、压电陶瓷与柔性机构的耦合特性及箝位机构与中间驱动机构的刚度进行了分析。利用有限元软件Ansys对钳位机构和驱动机构的变形、应力、输出位移和固有频率等参数进行了仿真分析。最后,搭建了实验平台,测试了驱动器的各项性能。测试结果显示,该驱动器的行程为±25mm,钳紧力为17N,承载力为11N,最大和最小步距分别为55μm和60nm。当驱动电压为150V时,驱动器的最高驱动速度为1.259mm/s。得到的性能指标满足光学领域精密定位需要。     

宏微直线压电电机微驱动机构设计与分析

为了解决宏微驱动直线压电电机微驱动位移较小、对宏动定位误差的补偿能力不足的问题,提出一种宏微驱动钹型直线压电电机。采用钹型复合压电叠堆为驱动单元替换压电陶瓷片组成的压电叠堆,实现轴向位移的一次放大,通过弹性拨齿的柔性铰链结构将钹型压电叠堆输出的微位移二次放大。该电机可在特定的驱动频率、工作电压和相位差下实现振子振动模态下的超声驱动,也可以通过微位移放大机构实现静态变形的微驱动(蠕动)。建立了该直线压电电机的三维有限元模型,利用有限元软件分别对弹性拨齿、钹型压电叠堆和复合振子进行静力学分析和静态优化设计。有限元仿真表明:基于柔性铰链结构的弹性拨齿经过优化后,最小刚度小于钹型压电叠堆的最小刚度;在相同条件下,优化后钹型压电叠堆沿轴向方向的静态变形量比由压电陶瓷片组成的压电叠堆的静态变形量提高了8.45倍;采用基于柔性铰链结构的弹性拨齿和钹型压电叠堆组成的复合振子的拨齿质点沿水平方向的静态位移量比优化前提高了12.1%,大幅提高了微驱动对宏动定位误差的补偿能力,为压电电机微驱动的结构设计及优化提供依据。     

三维微型梳齿的静电结构耦合特性研究

为了解微机电系统中,静电结构耦合作用对微梳齿结构性能发挥的复杂作用,对三维微梳齿驱动器的静电结构耦合特性进行了研究,用有限元方法仿真和分析了耦合作用在3个方向上对梳齿结构静电力或位移的影响。结果显示出3个方向的耦合作用都随着电压增大而增大,不同方向耦合作用对静电力和位移的影响不同,其中x方向上的作用最为显著,考虑梳齿在不同情况下的耦合作用对梳齿结构的设计、驱动电压的选择等有指导意义。     

被动箝位蠕动直线压电驱动器数学模型及仿真

基于蠕动式直线驱动器的工作原理,引入三角放大结构,设计一款单向直线被动箝位压电驱动器。该驱动器由驱动和保持箝位体、驱动体和导轨等组成,其箝位体采用三角放大结构,有效提高箝位体压电叠堆的输出位移,箝位体在通电状态下可解除对导轨的箝位,在断电状态下可自锁导轨。利用机械振动能量法,建立驱动器主要结构的数学模型,研究驱动体和箝位体结构参数对等效刚度和响应频率的影响,借助于有限元仿真分析和试验,验证数学模型所设计的结构参数的有效性,测试驱动器负载特性以及不同载荷下的动态响应频率。     

不对称结构双稳态永磁驱动器研究

提出了一种不对称结构双稳态永磁驱动器方案,通过改变工作气隙区域内磁路结构,使真空断路器动作时增加了有效驱动行程,实现了快速运行,减少了分闸冲击,延长了真空管的机械寿命。通过磁路分析和有限元分析计算了不对称结构双稳态永磁驱动器的静态力／位移特性。仿真结果表明,本研究设计的双稳态永磁操动机构符合要求。     

导电聚合物驱动器电化学机械特性的研究

采用自行搭建的导电聚合物驱动器弯曲特性测试实验系统,研究其电化学机械特性。对不同长度的驱动器施加0~1V低电压,测量其顶端弯曲变形量;通过分析驱动器弯曲位移与电压的关系及位移与频率的关系,建立电机械转换模型。实验测试结果表明,电压与驱动器顶端力成线性关系;当电压为0.8V、采样周期为0.02s时,随着频率的增大,驱动器的弯曲位移逐渐减小。最后通过不同尺寸驱动器举起重物,验证了驱动器宽度越大,顶端弯曲力越大;驱动器长度越长,顶端弯曲力越小。     

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.     

一种用于微谐振器频率调节的静电梳齿结构设计

针对微梳齿谐振器频率偏移的问题,提出了一种用于微谐振器频率调节的曲线形状静电梳齿结构。通过对梳齿简单模型的静电力分析,得出其静电力-位移特性,其斜率就是静电弹性系数;然后从谐振频率出发,分析了影响谐振频率的因素。研究结果表明,对于梳齿式微谐振器,当调谐电压从0 V变化到80 V左右时,器件的有效弹性系数从2.64 N/m减小到1.23 N/m左右,且谐振频率从自然谐振频率18.9 kHz减小到13 kHz,降幅分别为53%和31%。实验结果表明,这种曲线梳齿"软化"了静电微谐振器或者微驱动器的系统弹性,能够有效地调节谐振频率。     

大尺寸垂直梳齿驱动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3 mm×2 mm,谐振频率为1.32 kHz。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8.64 nm;扫描镜在驱动电压为95 V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1.887 ms,关断时的响应时间为4.418 ms。     

微扑翼飞行器静电驱动机构的机电耦合特性研究

静电微驱动机构在微机械传感器、激励器中有着广泛的应用。对一种用于微型扑翼飞行器的扭转式静电微驱动机构,在建立其非线性动力学模型的基础上,采用数值方法在相空间中分析了系统的非线性动态特性,研究了初始条件和阻尼对临界拉入电压的影响,分析了在不同激励电压信号下系统的响应并得出方波信号较优的结论。最后针对静电扭转梁的有限元模型,采用顺序耦合场分析方法研究了系统的机电耦合特性。所得研究结论对扭转式静电微驱动机构的设计与应用提供了一定的理论依据。     

尺蠖式直线微驱动器的设计

针对普通尺蠖式直线微驱动器运动速度低和输出力小等问题,基于柔顺机构设计了一种新型尺蠖式直线微驱动器。微驱动器由箝位机构、驱动机构和输出轴组成,其运动特点是驱动机构驱动箝位机构进行往复直线运动,箝位机构带动输出轴作直线运动。箝位机构和驱动机构均采用柔性杠杆结构,保证了微驱动器所需的箝位力与驱动力,并提高了其运动速度。采用伪刚体方法建立了驱动电压与箝位力、驱动机构输入位移与输出位移之间的关系,根据功能原理建立了输入力与驱动力之间的关系并制作了样机,搭建了实验测试系统进行性能测试,测试结果表明,驱动器最大箝位力为216.43N,最大驱动力为13.5N,在驱动电压120V,频率95Hz时,达到最大速度48.91mm/s。     

Development of a microlateral force sensor and its evaluation using lateral force microscopy

A microlateral force sensor (MLFS) was developed and evaluated using atomic force microscopy (AFM). The sensor was attached to a sensing table supported by a suspension system. The lateral motion of the sensing table was activated by a comb actuator. The driving voltage to the comb actuator was controlled to maintain a constant position of the sensing table by detecting the tunneling current at a detector, which consisted of two electrodes where the bias voltage was applied. An AFM was used to apply a lateral force to the sensing table of the sensor. When the probe of a cantilever was pressed against the sensing table and a raster scanning was conducted, the driving voltage of the comb actuator changed to compensate the friction force between the probe and sensing table. AFM measurements of an asperity array on the sensing table were conducted, and a lateral force microscopy image (LFM) was obtained from the change in driving voltage. The image by MLFS was very similar to the LFM image that was conventionally obtained from torsion of the cantilever. The LFM image strongly correlated with the gradient image calculated from the AFM topographic image. The force sensitivity of the MLFS was determined by comparing the LFM image obtained by using the MLFS with the tangential force derived from the gradient of the AFM image.     

Modeling and nonlinear analysis of a micro-switch under electrostatic and piezoelectric excitations with curvature and piezoelectric nonlinearities

In this paper, a comprehensive model of a micro-switch with both electrostatic and piezoelectric excitations, which accounts for the nonlinearities due to inertia, curvature, electrostatic forces and piezoelectric actuator is presented to demonstrate the mechanical characteristics of such a micro-system. Dynamic equations of this model are derived by the Lagrange method. Static analysis of this model is performed with five modes through the Galerkin method. The micro-switch beam is assumed as an elastic Euler-Bernoulli beam with clamped-free end conditions. The electrostatic actuation results are compared with other existing experimental and numerical results. Whereas the major drawback of electrostatically actuated micro-switches is the high driving voltage, using the piezoelectric actuator in these systems can provide less driving voltage and control the pull-in voltage. The study demonstrates that when the ratio of electrostatic actuation distance to length of micro-switch is small, the nonlinear piezoelectric term has a significant effect on the pull-in phenomenon. There are three ways to influence the design and control of the mechanical characteristics of this micro-switch: the softening effect due to electrostatic actuation, the hardening effect due to piezoelectric actuation, and varying the length and thickness of the piezoelectric actuator.     

振子框架式微机械陀螺的有限元模拟

利用有限元方法,研究振子框式微机械陀螺主要几何尺寸对其固有频率的影响。根据陀螺驱动模态频率和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,并为结构改进和制备工艺提供理论指导。