基于能量法的微驱动器静电弹性耦合分析

以微泵静电驱动结构为例,基于静电和弹性薄板理论,应用瑞利-黎兹能量法建立了周边固支边界条件下,静电驱动圆膜弯曲振动的谐振频率及相应振型的理论模型。位移振形的模态分析及频率计算结果均表明该计算实例的谐振频率为635Hz,为微驱动器的设计及控制提供了理论依据。     

基于谐振原理的RF MEMS滤波器的研制

采用与IC工艺兼容的硅表面MEMS加工技术,以碳化硅材料作为结构材料,研制出一种新型的基于谐振原理工作的RF MEMS滤波器。详细介绍了器件的工作原理、制备方法、测试技术和结果,并对测试结果做出分析。该RF MEMS滤波器由弹性耦合梁连接两个结构尺寸和谐振频率完全相同的MEMS双端固支梁谐振器构成,MEMS谐振器的结构决定了滤波器的中心频率,弹性耦合梁的刚度决定了滤波器的带宽。在大气环境下测试器件的频响特性,得到中心工作频率为41.5MHz,带宽为3.5MHz,品质因数Q为11.8。     

风车型低频压电振动能量采集器的研究与设计

基于微机电系统（MEMS）设计了风车型结构的压电振动能量采集器,通过压电效应将低频振动能量转化为电能,用以解决环境中低频能量采集的问题。风车型结构的压电振动能量采集器以硅为基底,以PZT 5A为压电材料,包含上、下电极;4条悬臂梁旋转连接中心质量块与四周固定端,类似于风车结构。数学建模与有限元仿真分析表明,在结构尺寸与材料相同的情况下,圆弧风车型结构的谐振频率较直接连接、直角连接结构的谐振频率更低;4条悬臂梁距离中心质量块越远,谐振频率越低;在0.1g(g=9.8 m/s2)加速度谐振状态下,输出电压约为6.2 V,最大位移接近1.2 mm。基于MEMS工艺,通过IntelliSuite软件研究和定义了风车型振动能量采集器的工艺流程。     

压电振子结构参数对微雾化器耦合特性的影响

针对微雾化器存在的多能域能量耦合问题,建立了压电微雾化器的固-液-声耦合模型,对其耦合特性进行了数值计算,并着重分析了压电振子结构参数对耦合性的影响,得到了压电振子结构参数对于系统的结构振动、声压力波特性的影响规律。结果表明,由于液体层与固体的耦合作用,压电振子振动的同时,喷孔膜也产生振动,而且两者之间存在相位关系;压电振子的结构参数直接影响结构的耦合性、谐振频率大小以及背膜与喷孔膜的相位差,并且存在最佳的直径比和厚度比。因此,微雾化器设计时只考虑压电振子的振幅是不全面的,必须同时考虑喷孔膜的振动以及与背膜的相位关系,新的设计原则可为微雾化器的优化设计提供指导依据。     

压电双晶片驱动的压电微泵的研究

介绍了一种基于MEMS技术的压电微泵。该微泵利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜,利用双面湿法腐蚀形成被动阀,并利用压电双晶片作为驱动部件。对压电双晶片的理论变形量和压电微泵的泵腔变化量、泵腔压缩比进行了理论分析,并对其输出流量进行了测试。在100 V、20 Hz的方波驱动下,该压电微泵的最大输出流量为317μL/min。结果显示该压电微泵的制作工艺简单,具有良好的流体驱动性能。     

压电致动微雾化器的压电-固-液耦合特性分析

针对微雾化器存在的多能域能量耦合问题,建立了压电微雾化器的固-液-声耦合模型,对其耦合特性进行了数值计算,并着重分析了液体层厚度对耦合性的影响,得到了液体层厚度对系统的结构振动、声压力波特性的影响规律.结果表明,由于液体层与固体的耦合作用,压电振子振动的同时,喷孔膜也产生振动,并且两者间存在相位关系;液体层的厚度直接影响结构的耦合性、谐振频率大小及背膜与喷孔膜的相位差,并且存在最佳的设计参数,当液体层厚度为500 μm时,谐振频率最大约是38 kHz,此时,可产生较大的声压力波及较大的流量.微雾化器设计时只考虑压电振子的振幅是不全面的,必须同时考虑喷孔膜的振动及与背膜的相位关系,新的设计原则可为微雾化器的优化设计提供指导依据.     

压电谐振式微质量测量系统

基于压电晶体的正、逆压电效应,对压电谐振器的构成原理及压电晶片谐振频率的质量敏感原理(Sauerbrey方程)进行了分析。基于Sauerbrey测量原理,设计了压电谐振式微质量测量系统,对该系统的设计方案进行了分析。为减小温度等环境因素对压电晶体检测性能的影响,系统采用两个相同的石英晶体振荡电路构成双谐振式的压电晶体振荡器。采用模块化设计思想,对该测量系统各模块进行了设计与实现,并对系统性能进行了测试。结果表明,当测量端加载的质量越大,系统测量出的谐振差频值则越大,实验结果与理论分析结果吻合较好。相对于线性的理论结果,该实验结果的非线性误差为5.5%。该系统实现了压电谐振频率的变化与被测微质量之间的变换,能够实现对微质量进行测量。     

一种基于MEMS工艺的365 GHz硅微波导垂直转接结构

基于微电子机械系统(MEMS)工艺设计并制作了一种THz垂直转接结构,该结构采用6层硅片堆叠的硅微波导形式。理论分析计算了垂直转接结构的参数,并使用三维电磁场分析软件HFSS对该结构进行了模拟仿真。设计得到了中心频率为365 GHz、带宽为80 GHz、芯片尺寸为10 mm×7 mm×2.7 mm的THz垂直转接结构。给出了一套基于MEMS工艺的硅微波导的制作流程,制作了365 GHz垂直转接结构并对其进行测试。获得的THz垂直转接结构的回波损耗随频率变化的测试结果与仿真结果基本一致。采用MEMS工艺制作的硅微波导垂直转接结构具有精度高、一致性好、成本低的特点,满足THz器件的发展需求。     

一种谐振式微小型机器人移动机构

提出了一种基于谐振机理的微小型平面移动机构,由3条弹性腿足组成,在压电膜的激励下使弹性足发生振动,足端与地面产生碰撞摩擦,驱动机构行走,具有结构简单和移动速度快的优点.首先介绍了机构的行走机理,然后利用有限元法对试验样机的弹性足进行了模态分析并建立了简化动力学模型.最后实验结果表明,该样机在10 V电压驱动下,最大速度可达23.02 mm/s,证明了模型的正确性.     

耦合间距对SOI微环谐振腔的性能影响

运用MEMS工艺制备了不同耦合间距的微环谐振腔,针对耦合间距与耦合系数、谐振深度的影响,进行了理论分析与仿真,并对结构进行耦合实验测试。测试结果表明,随着微环耦合间距的增加,耦合系数减小,谐振深度变浅,这与理论仿真一致。实际计算了相应的耦合效率、3dB带宽及品质因数,随着耦合间距增大,耦合效率降低,3dB带宽也随之变窄,微环谐振腔的品质因数逐渐提高。研究结果为微环谐振腔的进一步优化设计及其在相关领域中的研究与应用提供了依据。     

A study on optical pickup actuator for small form-factor optical disc drives

Optical disc drives (ODDs) such as CD, DVD and HD-DVD are cheaper and more distributable than solid-state memories and hard disc drives (HDDs). In the era of mobile environment, ultra-slim ODDs have been studied and developed to show the feasibility of mobile application. This paper is a study on miniaturization of an optical pickup actuator, one of key components for ultra-slim ODDs. A newly configured actuator which is targeted to be installed in 5 mm height ODDs is presented in this work. In order to reduce the height of the optical pickup actuator, a novel structure of suspension is developed by arranging Ω-shaped plate-suspension at both sides of a moving part in same plane. Also, the reduction of unwanted resonance peak, which is one of main issues in optical pickup actuators, is attempted. The presented structure of suspension is optimized by finite element analysis in terms of linearity and damping characteristic that reduces the unwanted resonance such as the rolling, pitching modes. The electromagnetic circuits, which generate driving forces, are arranged for high sensitivity and the reduction of the unwanted resonances. Developed actuator is tested to confirm stable frequency response characteristics in focusing and tracking directions as well as low tilt characteristics. In addition, the actuator is mounted on a DVD pickup system and optical signal from this optical pickup is detected. This reveals the feasibility as an information storage for mobile devices.     

管道微机器人中压电执行器的研究

微执行器作为微机械系统的核心单元,一直是微机械发展关键。文章介绍了一种应用于管道微机器人的足式压电执行器。在交变电压作用下,该压电执行器将压电体的弯曲振动转化成其弹性足沿管壁的移动,从而实现执行器的运动。在分析其工作原理的基础上,研制了压电微执行器的驱动电源,并进行了简单的实验研究。研究表明该执行器具有结构简单,易于微型化,响应快,驱动方便等特点。     

SMA／Si复合膜微驱动器图案优化设计

图形化SMA薄膜的图案及其结构参数的选择对SMA／Si复合驱动膜的性能有决定性的影响，利用有限元方法对两种图案设计进行了对比分析，通过结构分析和温度场分析，图形电阻条变宽的设计有助于进一步提高驱动膜的性能。仿真结果对于优化驱动膜的设计具有指导意义。     

On the stability and accuracy of high stiffness rendering in non-backdrivable actuators through series elasticity

This paper addresses the problem of accuracy and coupled stability of stiffness-controlled series elastic actuators, where the motor is modeled as a non-backdrivable velocity source, and the desired value of virtual stiffness is above the physical stiffness of the compliant element. We first demonstrate that, in the mentioned conditions, no linear outer-loop force control action can be applied on the velocity-sourced motor to passify the system. Relaxing the constraint of passivity, we exhaustively search the control design space defined by parametric force and stiffness controllers, expressed in a general lead-lag form, and define a lead-type stiffness compensator that results in acceptable conditions for both coupled stability and accuracy. We also address the effect of a non-ideality in the velocity control loop, such as limited-bandwidth velocity control, and derive relationships between the value of the inner velocity loop time constant and parameters of the stiffness compensator that provide the best performance in terms of both stability and accuracy of haptic display.We show that the parameters of a simple outer-loop stiffness compensator can be optimized to result in a stable and accurate display of virtual environments with stiffness values in a large range, that also comprises values of virtual stiffness higher than the physical stiffness of the compliant element. A requirement for coupled stability is that the actuator is designed such that the minimum value of inertia connected to the compliant actuator load is higher than a control-defined threshold. Finally, we extensively analyze how the minimum value of interaction mass for coupled stability can be minimized through modulation of the stiffness compensator zeros and poles, considering realistic limitations in the velocity control bandwidth of non-backdrivable motors. Our analysis, validated through both numerical simulations and experiments, opens the possibility for alternative approaches to the design of compliant actuators, whereby rendering of high stiffness is possible if the load mass is always higher than a determined threshold.     

Modeling of a new SMA micro-actuator for active endoscopy applications

Shape memory alloys (SMA) are good candidates to actuate endoscope heads but the cooling problem must be solved particularly in confined situations. For these reasons, a new SMA micro-actuator specially designed for active endoscopy applications has been developed in our laboratory. This work is a new step in the approach of using integrated thermoelectric cooling with SMA actuators. In fact, the Peltier effect is very attractive in such a case because this reversible phenomenon reduces the overheating of the external environment and provides forced cooling that decreases the response time. In this paper the actuator design and its working principle are presented. A fine modeling of the coupled mechanical and thermal behaviors gives a better understanding of the physical phenomenon involved in the actuator. Finally an experimental prototype has been developed and tested in order to verify the model predictions.     

基于新型压电驱动器的激光扫描器

在激光雷达等领域,通常希望激光光束实现低转动惯量高频率匀速扫描,而目前光束扫描器(如检流计式振镜、多面转镜等)很难达到这种要求,为此设计了一种基于新型压电驱动器的激光扫描器.激光扫描器基于-对新型的位移放大压电驱动器,有限元分析结果表明这种压电驱动器具有比传统杠杆式位移放大压电驱动器更好的高频特性.采用软件补偿和串联硬件陷波器相结合的开环控制方法,补偿压电陶瓷迟滞效应影响和抑制机械谐振,提高了扫描线性度,实现了高频三角波扫描.该扫描器还具有转动惯量低、体积小,结构简单、功耗低等优点.     

压电陶瓷电源控制系统的设计与实现

根据压电陶瓷微定位系统的要求,在构成闭环控制系统时,需要控制器应用VC 编程语言编写的控制程序通过PC机的串口,给单片机发送控制命令,实现对压电陶瓷驱动电源的控制。通过对压电陶瓷电源驱动控制的实验表明,电源控制系统具有结构简单、性能稳定和精度高等优点,能够较好地满足微定位系统中压电陶瓷驱动电源的控制要求。     

MEMS薄膜横向断裂强度的在线测试——热驱动法

就MEMS薄膜断裂强度的测试提出了一种新的测试结构 ,该结构由待测梁 (悬臂梁 )和驱动源 (V形热执行器 )两部分组成。热执行器用来作为悬臂梁断裂的驱动源。用指针标尺读数系统测量悬臂梁弯曲挠度 ,从而根据文中给出的测试用的理论公式就可计算出梁弯曲所能承受的最大应力。悬臂梁和热执行器的制造工艺兼容 ,故整个测试能在芯片上完成     

MEMS交叉梳齿光栅设计和优化

采用MEMS技术设计和制造了一种由梳齿驱动器驱动的新型交叉梳齿光栅,同时优化了该光栅的驱动器结构,着重分析了优化驱动器结构对光栅机械特性和光学传感特性的影响,优化后的光栅相对于未优化时具有更大的位移、更好的光学传感特性。基于PolyMUMPs工艺制作了梳齿驱动器驱动交叉梳齿光栅,并逐步分析了该光栅的加工步骤。结合有限元分析软件,对该MEMS光栅的机械特性进行了分析。分析结果表明,在85V下,该光栅驱动器的位移为2.7μm,而实际测量的位移为2.1μm。通过对该光栅驱动器结构进行优化,得到在同等电压下优化后的光栅驱动器位移较未优化时有显著提高,在85V时,优化后的MEMS光栅驱动器的位移为4.3μm。根据傅里叶光学理论计算得到,该光栅的传感灵敏度与驱动器位移成正比,经过计算得到优化后MEMS光栅的光学传感曲线更加陡峭,具有更好的传感特性。